Das menschliche Auge besitzt im sichtbaren Teil des Spektrums keine gleichbleibende Empfindlichkeit, sondern weist ein ausgeprägtes Maximum im gelb-grünen Spektralbereich bei 555 nm Wellenlänge auf. Bei Blau mit 430 nm und Dunkelrot mit 690 nm Wellenlänge ist das Auge hundertmal unempfindlicher (Bilder 1 und 2).

Um bei lichttechnischen Größen Aussagen über die Wirkung auf den Menschen machen zu können, werden deshalb alle spektralen Strahlungsgrößen X_e,λ mit dem "spektralen Hellempfindlichkeitsgrad des auf Tagessehen adaptierten Auges V(λ)" bewertet. Man erhält Größen wie die Leuchtdichte L in Candela pro Quadratmeter oder die Beleuchtungsstärke E in Lux.

Wie funktioniert die Bewertung?

Der Wert der spektralen strahlungsphysikalischen Größe X_e,λ wird mit dem Wert der Bewertungsfunktion V(λ) an der Stelle λ multipliziert, über die gewünschte Spektrumsbreite aufaddiert, und der dann erhaltene Wert mit dem Proportionalitätsfaktor Km (physikalisch aus der Definition der SI-Basiseinheit für die Lichtstärke, 683 lm/W) multipliziert (Bild 3). Die Größe X_e,λ ist in dieser Betrachtung einfach die Strahlungsleistung der Lampe bei der Wellenlänge λ, deren Wert läßt sich aus den Diagrammen in den Lampendatenblättern ablesen. Mathematisch betrachtet ist das eine Faltung der Strahlungsverteilungsfunktion mit der Bewertungsfunktion:

Das Problem bei der Anwendung dieser photometrischen Größen und Einheiten auf Pflanzen ist, daß der Pigmentapparat der Photosynthese das Licht ganz anders registriert als es das menschliche Auge tut. Das Absorptionsspektrum der Chlorophylle besitzt Maxima im blauen und roten Spektralbereich mit dazwischenliegendem Minimum da, wo das Auge sein Empfindlichkeitsmaximum besitzt (Bild 4a).

Man hat sich deshalb entschlossen, die photosynthetisch wirksame Strahlung als PAR (Photosynthetic Active Radiation) anzugeben, wobei für PAR drei Maßeinheiten existieren:

(1) Eingestrahlte Lichtenergie im Spektralbereich 400 bis 700 nm pro Zeit und Fläche, Einheit PAR J/(s·m²) bzw. PAR W/m².

McCree zeigte 1972, daß die Anzahl der Photonen ein besseres Maß für die Photosyntheseeffizienz ist als die photometrischen Größen Lux oder Lumen. Die folgenden Definitionen zählen deshalb die Lichtquanten. Ein Mol Photonen (6,022·10²³, Avogadro-Zahl) wird Einstein, dem Entdecker des Photoeffekts, zu Ehren auch als ein Einstein (E) bezeichnet.

(2) Anzahl der von einer Lichtquelle ausgesandten Photonen im Spektralbereich 400 bis 700 nm, in μmol/s oder μE/s: PAR PPF (Photosynthetic Photon Flux), und schließlich:

(3) Anzahl der pro Flächeneinheit auftreffenden Photonen im Spektralbereich 400 bis 700 nm, Photonenflußdichte in μmol/(m²s) oder μE/(m²s): PAR PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density).

PAR berücksichtigt nicht die spektrale Abhängigkeit der Photonenabsorption im Photosyntheseapparat, wie sie in Bild 4a dargestellt ist. Bei PAR zählt jedes Photon gleich, Pflanzen sammeln aber Photonen unterschiedlicher Energie (also Licht unterschiedlicher Wellenlängen) nicht gleichmäßig auf.

Der Gedanke liegt nahe, für die Photosynthese eine Bewertung einzuführen, wie es bei den photometrischen Größen auch gemacht wird.

Bei der Wahl der Bewertungsfunktion habe ich mich auf die vom Deutschen Institut für Normung herausgegebene DIN 5031 "Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik", Teil 10 "Photobiologisch wirksame Strahlung" vom März 2000 gestützt. Sie enthält eine Auflistung in Tabellenform, welche die relative Wirkung von Licht unterschiedlicher Wellenlänge auf die Photosyntheseaktivität darstellt. Das Maximum wird darin auf "1" normiert. In Bild 4b habe ich die Tabellenwerte in eine grafische Form gebracht. Die Norm ist sich dabei sehr wohl bewusst, daß diese Kurve gar nicht allgemeingültig für alle Pflanzen sein kann.

Ich habe also in der Gleichung für die photometrische Bewertung nach DIN 5032-1 (siehe oben) den spektralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) durch die relative Empfindlichkeit der Photosynthese s(λ)sy ersetzt. Was jetzt noch fehlt, ist ein Proportionalitätsfaktor wie das Km in der Gleichung für das menschliche Auge. Aber um einen Vergleich verschiedener Lampen anstellen zu können, ist Km belanglos. Was dabei rauskommt, nenne ich jetzt mal "syn". Km setze ich zu "syn/Watt", um korrekte Einheiten zu erhalten.