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Augen - sehen in der Nacht

AGL Höck 3. März 2008Roland Stalder

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Bereits vor den ersten Fotographien wurden durch‘s Teleskop Zeichnungen von

Deep Sky Objekten gemacht:

– was wurde wahrgenommen ?

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Bereits vor den ersten Fotographien wurden durch‘s Teleskop Zeichnungen von

Deep Sky Objekten gemacht:

– was wurde wahrgenommen ?

ist etwas aufgefallen ?

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Lord Rosse (1844)

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Lord Rosse (1844) M1 (Foto)

Farbwahrnehmung...

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Lord Rosse (1850)

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Lord Rosse (1850) M33 (Foto)

Kontrastwahrnehmung...

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Lord Rosse (1861)

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Lord Rosse (1861) M101 (Foto)

Detailwahrnehmung...

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Also wie funktioniert denn ein Auge ?

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Verwendete BücherISBN 3-9800378-0-0

Jahrgang 2003, 340 SeitenISBN 9780747578055

Jahrgang 2007, 322 Seiten

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Verwendete BücherISBN 0 19 8575645

Jahrgang 2002, 221 SeitenISBN 3-922508-92-8

Jahrgang 1989, 238 Seiten

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Verwendete BücherISBN 0-323-01136-5

Jahrgang 2003, 876 SeitenISBN 0-333-45860-5

Jahrgang 1990, 830 Seiten

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Verwendete BücherISBN 0 933 346 54 9

Jahrgang 1990, 355 Seitenweitere Quellen

Das Astronomische Sehen, Zeitschrift Interstellarum 42, 43, 44, 45, 47

Visual Astronomy of the Deep Sky, Roger N. Clark http://clarkvision.com/visastro/omva1/

Visual Observing and Physiology of the Eye, http://stjarnhimlen.se/comp/radfaq.html

Und weitere webquellen...

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ein biologischer Lichtsensor

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Das „einfachste Auge“:mehrere Lichtsensoren -> Ortsauflösung

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Augenvarianten bei Tieren ...

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Augenvarianten bei Tieren ...

Die Naturhat alles erfunden...z.T. mehrmals

seit 540 Mio.Jahren gibtes Augen(Kambrium)

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Eine geniale Erfindung der Natur: die Linse !

... was ist der Vorteil einer Linse ?

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Eine Linse sammelt und „fokussiert“ Licht,simultan für verschiedene Richtungen !

Lichtempfindlichkeit und Sehschärfe !

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Wenn wir Facettenaugenhätten wie eine Biene...

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Ein interessantes Tierauge

Kammmuscheln haben Augen mitKugelspiegel und Korrektor-“Platte“

(vergl. Schmidt-Astrokamera !)

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relative Lichtempfindlichkeiten(geometrisch aus Pupille und Sensorgrösse)

Cirolana (Assel, Tiefsee) 4200Dinopis (Spinne, Nacht) 101Mistkäfer (Nacht) 31Mensch (Nacht) 18Mistkäfer (Tag) 0.35Arbeitsbiene (Tag) 0.32Phidippus (Springspinne, Tag) 0.04Mensch (Tag) 0.01

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Sehschärfe (Winkelgrad)

Adler (Tag) 0.007 G

Mensch (Tag) 0.014 G

Katze 0.1 G

Mensch (Nacht) 0.3 G

Arbeitsbiene (Tag) 1.9 G

Cirolana (Assel, Tiefsee) 30 G

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Durchmesser der menschlichen Pupillen

bei hellem Raumlicht: 3.5 mm

(geblitzt)

in der Dunkelheit: 7.0 mm

(geblitzt)

an der Sonne im Schnee: 2.0 mm

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Sehschärfe beim Menschen:ist bei ca. 3 mm Pupillengrösse am besten

Beugungslimite für 3.0 mm Öffnung liegt bei 0.8 arcmin

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Leuchtdichteskalen Sonnenoberfläche:1.6*109 cd/m2

10-6

10-4

104

102

1

10-2

10-2

1

108

106

104

102

Photonenmm2 sr sec

27

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2

7

12

17

magarcsec2

Wasser-tiefe (m)

600

0

400

200

Deep-Sky Himmel

bedeckter Tagsonniger Tag

Raumlicht

StrassenlichtMondlicht

Reizschwelle Auge

candelam2

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Anzahl Photonen bei Deep-Sky (21.7 mag/arcsec2)

Leuchtdichte: 1 Photon / (m m2 sterad sec)

Umrechung auf Auge in der Nacht:7mm Pupillendurchmesser (= 3.8*107 mm2)6 Bogenminuten Sehschärfe (= 2.3*10-6 sterad)

Auf diese Augenpupille treffen:5 Photonen pro 6 Bogenminuten pro 1/20 Sekunde

Das heisst: unsere Netzhaut muss einzelne Photonen „einsammeln“ ! („Photonen-Entzug“)

Erst ab ca. 5 Photonen (Rauschunterdrückung !) leiten die Nervenzellen der Netzhaut eine Meldung zum Hirn.

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Sehschärfe und „Photonenrauschen“:

bei wenigen Photonen (zufälliges) Rauschen

die Sehschärfe ist schlecht

Quantenphysik: kleinste, unteilbare Lichtmenge !

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Sehschärfe und „Photonenrauschen“:

5x mehr Photonen

die Sehschärfe wird besser...

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Wie scharf sieht das Auge in der Nacht ?

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Quantenstatistik für PhotonenTheorie: Beobachtung:

Bei wenigen Photonen schwankt die Anzahl/Zeit stark (zufällig). Daher werden z.B. die schwächsten Sterne (auch ohne Luftflimmern) nur zeitweise gesehen.Die Sehwahrscheinlichkeit ist eine direkte Folge der Quantenstatistik!

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Wie funktioniert im Detail dieser „Quantenzähler“ im Auge ?

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Die Netzhaut (Lichtsensor, 0.25 mm dünn)

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Netzhaut

Zeichnung

Erste „Bildverabeitung“ erfolgt bereits in der Netzhaut, durch diverse Schichten Nervenzellen

LICHT

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Netzhaut

Rasterelektronen-mikroskop (REM)

2 mm

LICHT

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120 Mio. Stäbchen (für s/w Nachtsehen) und 6 Mio. Zapfen (für Farbe, Tagsehen)

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Farbsehen:3-Zapfensorten

„weiss“ existiertnur im Auge !ebenso die additiveFarbmischung !

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Stäbchen für Nachtsehen (s/w)Zeichnung schematisch im TEM

LICHT

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Photonen in Nervenimpulse umwandeln:mit Photochemie... (Rhodopsin)

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Rhodopsin: & RegenerationBleichung (Dunkeladaptation)Nach 1 Sek „Belichtungszeit“ durcheine Pupille mit 7mm Durchmesser resultiert folgender Bleichungsgrad:

Licht-Quelle cd/m2 gebleichtSonnenscheibe (im Zenit) 1.6 Mia. (100%) (am Horizont) 600000 96.6 %Na-Dampflampe 400000 89.6 %60W Birne 120000 49.3 %Kerzenflamme 20000 10.7 %Venus 15000 8.1 %Vollmond 6000 3.3 %Mars 4000 2.2 %Jupiter 800 0.45%LCD Monitor 300 0.17%

100 0.06%

0.1%

1.0%

10.0

%10

0.0%

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Dunkel-Adaptionszeit (min)ge

blei

chte

s R

hodo

psin

Rushton 1972

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Dunkeladaptation: (Zeitskala = Dämmerung)Messung mit Goldmann-Weekers Dark Adaptometer(11 Grad grosser Lichtfleck)

Strassenlicht

Raumlicht

Deep-Sky

Mondlicht

Lamb 1981

Zapfen

Stäbchen

Stäbchen

(3 G)

(20 G)

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Augen von Babys – sehen sie Sterne?Babys sehen unscharf und fast nur s/w –vergleichbar unserem „Stäbchensehen“ in der Nacht

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Stäbchen erneuern laufend (alle 14 Tage) ihre lichtempfindlichen Aussenglieder !

darum täglich(ca. 9:30 Uhr)verminderte Licht-Empfindlichkeit

Flugreisen... ...Zeitzonen ? ... Deep-Sky ?

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Aber was das Auge „sieht“ muss das Hirn noch lange nicht „wahrnehmen“...

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Das menschliche Auge...

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... ist nur der erste Teil unseres Sehsinnes

Auge: detektiert Photonen (Physik, Photo-Chemie)

Hirn: „nimmt wahr“ (Nerven- & Hirnforschung !)

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Wahrnehmung:Rezeptives Feld der Stäbchen (Verschaltung)

On – Nervenzellen

Rezeptives Feld (bipolarZellen)

0.4mm+ (1.3 Grad)2.0mm- (6.4 Grad)

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Wahrnehmung:Rezeptives Feld der Stäbchen (Verschaltung)

On – Nervenzellen

Rezeptives Feld (bipolarZellen)

0.4mm+ (1.3 Grad)2.0mm- (6.4 Grad)

Off - Nervenzellen

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Wahrnehmung: Hermann Gitter Illusion(Rezeptives Feld der Stäbchen (Verschaltung)

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Wahrnehmung:Mach‘s Bänder – Kanten scheinen überhöht...

... ein Effekt der rezeptiven Felder

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Wahrnehmung:Ricco‘s Regel

Bipolarzellen sammeln bis zu einer gewissen Ausdehnung alles Licht ein (totale Summation innerhalb dem rezeptivem Feld)

30 arcmin in Sehrichtung (parfoveal)2 Grad bei 35 Grad seitlichem Sehen

Das Auge nimmt Details mit ca. 1 Grad Ausdehnung am besten wahr

DAS FERNROHR KANN DIESE AUSDEHNUNG DURCH VERGRÖSSERUNG ERZEUGEN !!! ! Flächenhelligkeit <= blosses Auge !

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blabla...

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blabla...

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blabla...

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blabla...

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blabla...Sehschärfe (20/20) = 1arcmin Balkenbreite (0.5mm@1.8m)

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Sehen im Teleskop? Ricco‘s Regel beachten

Teleskopgrösse

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Sehen im Teleskop? Ricco‘s Regel beachten!

Vergrösserungen (12.5 inch)Teleskopgrösse

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Nachts ist ein Sehwinkel von 1 Grad optimal

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Wahrnehmung: Troxler‘s Effekt

1804 entdeckt von: Ignaz Paul Vital Troxler Schweizer Arzt, Politiker und Philosoph

geboren 1780 in Beromünster gestorben 1866 in Aarau

die SchweizerischeBundesverfassung von 1848beruht auf seiner Idee

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Kleinste (unbewusste) Zitterbewegungen verhindern normalerweise Troxler‘s Effekt...

Nachts limitiert Troxler‘s Effekt ein Lichtsammeln durch langes „anstarren“.Anstatt heller zu werden (wie beim CCD-Chip), wird das Bild vom Hirn nach einigen Sekunden leider unterdrückt...

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Wie kann ich nun meine visuelle Wahrnehmung in der Nacht optimieren?

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Nachtsehen optimieren: 1) Gesundheit• Alkohol vermindert Kontrastwahrnehmung• Rauchen vermindert Empfindlichkeit• Nicht frieren! (Körper priorisiert Lebenserhaltung)• Zuckermangel vermindert Empfindlichkeit• Genug Vitamin A und Zink (Empfindlichkeit)• Sauerstoffmangel (grosse Höhe) vermeiden• Dehydration vermeiden (dauernd Wasser trinken)• Heidelbeeren (Rhodopsin) essen, (? umstritten...)• 80-jährige Augen sehen ca. 2 mag weniger...

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Nachtsehen optimieren: 2) Dunkeladaptation• Am Vortag Sonnenbrille (mit UV-Schutz) tragen• Dunkeladaptation abwarten (>30 min) ...und

behalten! (gedimmtes Rotlicht, kein Mond, keine hellen Planeten oder Sterne)

• Unter optimal dunklem Himmel beobachten, nur dann wird die Dunkeladaptation vollständig ...

• Faustregel: bei vollständiger Dunkeladaptation sieht auch der dunkelste Nachthimmel IMMER hellgrau aus! (Auge ist noch 100x empfindlicher)

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Nachtsehen optimieren: 3) Physiologie• Um die max. Empfindlichkeit auf der Netzhaut zu

benutzen: das beobachtete Objekt um ca. 10 Grad Richtung Nase platzieren (indirektes Sehen)

• Ein Feldstecher oder Teleskop benutzen: wichtig sind die Oeffnung, der Kontrast und die variablen Vergrösserungen

• Die Austrittspupille des Teleskops der eigenen Augenpupille (höchstens 7mm ?) anpassen

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Nachtsehen optimieren: 4) Wahrnehmung• Kontrastarme Bilddetails im Teleskop auf ca. 1Grad

Sehwinkel vergrössern (Ricco‘s Regel)• Das Bild/Teleskop etwas bewegen (Auge nimmt

Bewegung leichter wahr)• Troxler‘s Effekt beachten• Zwei Augen nehmen mehr wahr als eines• Entspannen (am besten bequem sitzend)• Sich viel Zeit nehmen um alles wahrzunehmen

• Und dann sind nachts erstaunliche Sachen von Auge und Hirn wahrnehmbar...

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Messier 42

C 200/2300 mm82 × - 188 ×fst* 14.0

ZeichnungRoger N. Clark

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NGC 6992-5

C 200/2300 mm117 × - 334 ×fst* 14.7

ZeichnungRoger N. Clark

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Messier 51mit SN 2005cs

14“ PWO DobsonF/4.6TV Radian 8mm200x, 0.3G

4. Juli 200502:15 UhrHonegg 1460mD: 6.5L: ruhig

ZeichnungEduardvon Bergen

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KometHale-Bopp30.03.1997

19:15 - 19:35 UTN 305/2100105 ×

ZeichnungAndreas Domenico

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Messier 31

N 457/1850 mm154 × - 276 ×fst* 6.8

ZeichnungAndreas Domenico

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Messier 101

N 457/1850 mm92.5 × - 132 × fst* 6.7

ZeichnungAndreas Domenico

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NGC 4565

N 457/1850 mm205 ×fst* 6.8

ZeichnungAndreas Domenico

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NGC 2237/39

N 457/1850 mmEP 6-8 mm / [OIII]fst* 6.5

ZeichnungAndreas Domenico

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Und schlussendlich:auch Lord Rosse (1848) hat manchmalam Nachthimmel Dinge von Auge „gesehen“,die wohl nur er wahrnehmen konnte ...

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DANKE bald wird es dunkel...

Dort unten brauchen die Menschenkeine Dunkeladaptation mehr!

...und in 1 Mio Jahren ?

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Anhang

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Anhang DefinitionenLicht und Strahlung

PHOTOMETRSICHE EINHEITEN RADIOMETRISCHE (PHYSIKALISCHE) EINHEITEN(photometric quantities) (radiometric quantities)menschlicher Sehsinn (Norm-Auge), normiert durch: Messgerät für elektromagnetische Strahlungspektraler Hellempfindlichkeitsgrad V( = 360 - 830 nm)(luminous efficacy)

Lichtmenge Lumen Sekunde lm s Strahlungenergie Joule J = W s(luminous energy, quantity of light) (radiant energy)

Lichtstrom, Lichtleistung Lumen lm = cd sr Strahlungsfluss, Leistung Watt W(luminous flux, luminous power) (radiant flux, radiant power)

Lichtstärke Candela cd Strahlstärke Watt/Steradiant W/sr(luminous intensity, candelpower) (radiant intensity)

Leuchtdichte Candela/m2 cd/m2 Strahldichte Watt/(Steradiant*m2) W/(sr m2)(luminance, photometric brightness) (radiance)

Beleuchtungsstärke Lux = Lumen/m2 lx = lm /m2 Bestrahlungsstärke W/m2(illuminance, illumination, luminous density at surface) (irradiance, radiant flux density at surface)

Belichtung Lux-Sekunde lx s(light exposure ?)

Eichung/Umrechnung

Lichtstärke 1 Candela = Strahlstärke *V() / 683 Watt/Steradiantbei = 540 1012 Hz = 555 nm

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Anhang Definitionen

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Anhang Definitionen

Luminance (Leuchtdichte) 1 apostilb = 1/p cd/m2

Menschliches Auge hat eine Brennweite von ca. 18 mm die Fovea (100 mm) hat ca. 0.3 Grad Durchmesser der Zapfen-Zapfen Abstand beträgt ca. 2 mm 1 Bogenminute Auflösung entspricht 5 mm auf der Netzhaut

Der optimale Pupillendurchmesser entspricht 2.4 mm die entsprechende Beugunglimite beträgt 57 arcsec

Mikro-Sakkaden messen arcsec bis arcminuten