Lichtstärken und Tragweiten von Leuchtfeuern

Photometrische Lichtstärke

Die photometrische Lichtstärke [I_PH] eines Leuchtfeuers wird durch photometrische Messungen mit dem Luxmeter an der Leuchte gemessen oder durch Berechnung ermittelt. Mit ihr kann man die Lichtleistung verschiedener Leuchten vergleichen.

Betriebslichtstärke

Um die Betriebslichtstärke [I_B] zu berechnen, muss die photometrische Lichtstärke [I_PH] aufgrund von Verlusten durch Alterung und durch die Verschmutzung der Leuchte während der Betriebszeit durchschnittlich um den Betriebszustandsfaktor [B] herabgesetzt werden. Dieser liegt im Mittel bei 0,75. Es sollte berücksichtigt werden, dass der Wert des Betriebszustandsfaktors stark von den Wartungsintervallen abhängt, dass bei einem Leuchtfeuer angewendet wird. Wenn ein Leuchtturm beispielsweise wöchentlich gereinigt wird, ist der Betriebszustandsfaktor möglicherweise viel geringer als bei einem Leuchtturm, der jährlich gereinigt wird, da die Ansammlung von Schmutz und Staub nicht so groß ist.
Da sich die Laterne nicht in einem Laternenraum befindet, keine Farbfilter verwendet werden und davon ausgegangen wird, dass die Laterne ersetzt wird, bevor eine signifikante Lichtstromabnahme der Leuchte stattgefunden hat, gibt es keine anderen Herabsetzungsfaktoren. Daher kann mithilfe der Gleichung [I_B = B * I_PH] die Betriebslichtstärke berechnen werden.

Lichtstromabnahme durch Alterung

Alle Lichtquellen verschlechtern sich mit der Zeit, einige Lichtquellen verschlechtern sich jedoch schneller als andere. Normalerweise geben Hersteller in den Datenblättern ihrer Lampen Informationen zur Lichtstromabnahme an. Im Laufe der maximalen Betriebsstunden kommt es zu Beginn zu einem schnellen Abfall der Lichtleistung, gefolgt von einem allmählicheren Abfall im Laufe der weiteren Lebenszeit. Dieser Lichtverlust muss bei der Berechnung der erforderlichen Lichtleistung berücksichtigt werden. Nach 1000 Betriebsstunden eines Leuchtmittels ist ein Lichtstromverlust von rund 15 % zu berücksichtigen. Wenn die Lichtquelle eine Lebenszeit von 10.000 Betriebsstunden hat, müssen 34 % des Lichtverlusts berücksichtigt werden..

Generell gilt, dass die LED-Technologie bei gleicher Betriebsdauer tendenziell einen deutlich geringeren Lichtverlust aufweist als die anderen Lichtquellenarten. Bei LEDs liegt der Verlust nach 25.000 Betriebsstunden bei 5 % bis 10 %.

Lichtstromabnahme durch Verschmutzung

Eine Verschlechterung der Intensität des von Leuchttürmen erzeugten Lichtstrahls durch Staub, Schmutz, Vogelkot oder Salz kann aufgrund der vorherrschenden Wetterbedingungen oder der Tendenz, dass sich Seevögel an einem bestimmten Ort gerne versammeln von Leuchtturm zu Leuchtturm unterschiedlich sein. Die Verminderung der Lichtstärke durch Schmutz und Staub kann mit durchschnittlich 25 % nach einem Jahr angenommen werden.
Bei der Verschlechterung des Lichtstroms sollte auch die Verschlechterung des Materials der Optik und der Verglasung berücksichtigt werden. Dazu gehören UV-Abbau und Oberflächenschäden am Material.

Lichtverlust durch Glasmaterial

Die Art der Verglasung, die an einem Leuchtfeuer verwendet wird, hat einen Einfluss auf die Menge des durchgelassenen Lichts. Die Höhe dieses Verlusts hängt ausschließlich von der Art des verwendeten Materials ab. Ein typischer Wert des Verlusts durch Glas beträgt etwa 10 %. Bei Verglasungen aus Acryl liegt der Verlust meist bei nur 2 %.

Lichtverlust durch Farbfilter

Viele Leuchttürme verfügen über Sektoren, deren Licht durch den Einsatz von Farbfiltern erzeugt wird, damit die Lichtfarbe in einer bestimmten Richtung unterschiedlich ist. Filter dämpfen naturgemäß das Gesamtlicht, da es Licht absorbiert, das nicht in seinen Durchlassbereich passt. Ein Rotfilter absorbiert beispielsweise Blau, Grün und Gelb. Dies bedeutet, dass jegliche Lichtenergie in diesen Wellenlängen verloren geht und die Intensität abnimmt. Der Verlustfaktor hängt vom Spektrum des Lichts und der wellenlängenabhängigen Transmission des Filtermaterials ab. Die Tabelle zeigt typische Verlustwerte für Rot- und Grünfilter mit unterschiedlichen Lichtquellen.

Anforderung an die Lichtstärke

Die Lichtstärke eines Leuchtfeuers sollte nicht zu intensiv sein, um Blendungen zu vermeiden. Die Anschaffungs- und Betriebskosten werden stark von der Lichtstärke des Leuchtfeuers beeinflusst. Eine Leuchte mit einer Lichstärke von 10 Candela kann durch eine kostengünstige und kleine Laterne realisiert werden, die sofort ab Lager beim Hersteller erhältlich ist. Ein Sektorenfeuer mit 1.000.000 Candela ist teuer, erfordert eine spezielle Konstruktion und wird für eine einzige Anwendung hergestellt.
Die Lichtstärke wird aus einem Intensitätsbereich zwischen einer minimalen und einer maximalen Intensität ausgewählt. Die Auswahl der minimalen und maximalen Intensität muss getrennt betrachtet werden.

Effektive Lichtstärke

Durch die Trägheit des Auges werden getaktete Leuchtfeuer dunkler wahrgenommen als photometrisch gleich helle Festfeuer. Zur Berücksichtigung dieses physiologischen Phänomens werden bei Leuchtfeuern mit getaktetem Licht die effektive Lichtstärke [Ieff] angegeben.

Maximal zulässige Lichtstärke

Die maximal zulässige Lichtstärke ist die maximale Intensität, die das Leuchtfeuer haben kann. Sie wird durch drei Faktoren bestimmt, die im Folgenden betrachtet werden.

• Mindestbeobachtungsabstand
  Der Mindestbeobachtungsabstand ist der Abstand vom Leuchtfeuer zum nächstgelegenen Punkt der nutzbaren Reichweite, angegeben in Metern. Die Entfernung zu diesem Bereich kann anhand einer Karte des betreffenden Gebiets ermittelt werden.

• Maximale meteorologische Sicht
  Die maximale meteorologische Sichtweite ist die bestmögliche Sichtweite im Ortsbereich, angegeben in Metern.

• Maximale Beleuchtungsstärke bei Blendung
  Wenn die Lichtintensität zu hoch ist und/oder der Betrachter sehr nahe ist, kann es zu Blendungen kommen, was für den Benutzer zu einer unangenehmen Sicht führt. Daher ist es notwendig, die maximale Beleuchtungsstärke am Beobachter zu bestimmen, die angesichts der Bedingungen für den Benutzer akzeptabel ist, angegeben in Lux [lx]. Es wird nur die Blendung in der Nacht berücksichtigt.

Minimal erforderliche Lichtstärke

Die minimal erforderliche Beleuchtungsstärke ist die Intensität, die das Leuchtfeuer liefern muss, um sicherzustellen, dass es auch unter nicht optimalen Bedingungen im gesamten nutzbaren Bereich sichtbar ist. Ein Leuchtfeuer ist hinreichend dimensioniert, wenn es bei dem Bezugssichtwert Tm und dem maximalen Nutzabstand Dmax eine definierte Beleuchtungsstärke Emin erreicht. Sie wird durch eine Reihe von Faktoren bestimmt, die im Folgenden ausführlich beschrieben werden.

• Maximaler Beobachtungsabstand
  Die maximale Beobachtungsentfernung ist die Entfernung vom Leuchtfeuer zum entferntesten Punkt der nutzbaren Reichweite, angegeben in Metern. Dies kann anhand einer Karte des betreffenden Gebiets ermittelt werden.

• Minimale meteorologische Sichtbarkeit
  Die minimale meteorologische Sicht ist die schlechteste mögliche Sicht, die im interessierenden Bereich in Metern berücksichtigt werden kann. Allerdings ist bei diesem Ansatz Vorsicht geboten, da ein Gleichgewicht zwischen der Sicherstellung einer guten Leistung des Lichts bei schlechten Wetterbedingungen und der Intensität bei einer Blendung des Lichts erforderlich ist. Wenn die Lichtstärke zu hoch gewählt wird, würde es dazu führen, dass das Licht unnötig intensiv und aufgrund der Blendung im Nahbereich nur schwer zu beobachten ist.

• Mindestbeleuchtungsstärke am Beobachterauge
  Die minimal erforderliche Beleuchtungsstärke am Auge des Beobachters zur Identifizierung des Leuchtfeuers hängt von der Lichtmenge ab, die aus der Richtung des nutzbaren Bereichs hinter und um das Leuchtfeuer herum gesehen wird. Wenn diese Hintergrundleuchtdichte sehr hoch ist, kann sie dazu führen, dass das Leuchtfeuer mit dem Hintergrund verschmilzt und nicht auffällt. Auch andere Lichter in der Nähe, sogenannte Konkurrenzlichter, können die Auffälligkeit des Leuchtfeuers beeinträchtigen, wenn sie ausreichend intensiv sind. Daher muss das Leuchtfeuer eine ausreichende Mindestbeleuchtungsstärke haben, um sich von der Hintergrundleuchtdichte und Konkurrenzlichtern abzuheben. Je nach vorhandener Hintergrundbeleuchtung gibt es verschiedene von der IALA empfohlene Mindestbeleuchtungsstärken am Beobachterauge.

Auswahl der Lichtstärke

Man wählt in der Regel eine Lichtstärke, die zwischen den oben berechneten minimalen und maximalen erforderlichen Intensitäten liegt. Die empfohlene Lichtstärke sollte 20 % höher gewählt werden als die minimale Lichtstärke. Es kann jedoch nautische Gründe geben, dass man eine höhere Intensität wählen möchte. In diesem Fall kann man einen höheren Wert als den Mindestwert wählen, aber nicht größer als die maximal zulässige Intensität.

Beleuchtungsstärke

Die von einem Beobachter wahrgenommene Helligkeit eines Feuers wird durch die Beleuchtungsstärke E beschrieben und in Lumen pro Quadratmeter in der Maßeinheit Lux [lx] angegeben. Sie ist am Beobachterauge abhängig von der Lichtstärke des Leuchtfeuers, dem Abstand zu ihm sowie von den atmosphärischen Sichtbedingungen (Nebel, Dunst) abhängig.
Berechnet wird die Beleuchtungsstärke aus dem Quotient des Lichtstroms (Φ) und der beleuchteten Fläche (Α): [ E = Φ / A ]. Zur Berechnung der benötigten Lichtstärke eines Leuchtfeuers ist die Festlegung einer minimalen Beleuchtungsstärke am Beobachterauge erforderlich.

Tragweite

Die Tragweite eines Leuchtfeuers ist der Abstand, in dem ein ausgestrahltes Licht mit bloßem Auge bei Dunkelheit gerade noch wahrnehmbar ist, vorausgesetzt Augenhöhe und Feuerhöhe sind hoch genug, sodass die Erdkrümmung den Lichtstrahl nicht abschattet. Die Tragweite ist abhängig von der Lichtstärke der Lichtquelle und der vorhandenen Lichtdurchlässigkeit der Atmosphäre.

Tragweite von Richtfeuern als Funktion der Lichtstärke bei unterschiedlichen Sichtweiten.  Quelle: WSV

Nenntragweite

Die Nenntragweite ist die Tragweite, die sich bei einer homogen getrübten Atmosphäre mit einem Sichtwert von T = 0,7411 und einer minimalen Beleuchtungsstärke Emin = 2 * 10^-7 Lux bei Nacht bzw. Emin = 10^-3 Lux bei Tageslicht, gemessen bei einem Kontrast von 5 % ergibt. Die Tragweite verringert sich durch Farbfilter um 10% - 20% gegenüber dem weißen Licht.
Für die Angabe von Tragweiten in Leuchtfeuerverzeichnissen und in Seekarten wird ausschließlich die Nenntragweite angegeben. Bei der Nenntragweite eines Leuchtfeuers wird weder die Hintergrundaufhellung noch der Bezugssichtwert berücksichtigt.