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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
13
Verwendete BücherISBN 0-323-01136-5
Jahrgang 2003, 876 SeitenISBN 0-333-45860-5
Jahrgang 1990, 830 Seiten
14
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
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22
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 ([email protected])
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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