Flimmerlicht: Verständnis der zeitlichen Lichtmodulation in Geflügelumgebungen

Wenn wir an flackerndes Licht denken, kommen uns Bilder von Kerzen in den Sinn, die unbeständige Schatten werfen, oder vielleicht ein gelegentlicher Stromausfall, der unsere Umgebung verdunkelt. In der Beleuchtungstechnik hat dieses Phänomen jedoch einen präziseren Namen: "temporale Lichtmodulation" (TLM). Dieses Thema war Gegenstand eines von ONCE gesponserten Webinars am 2. Juli 2024. In diesem Artikel werden die wichtigsten Aspekte dieses Phänomens erläutert.

Definiert als Fluktuation von Licht- oder Farbmengen im Laufe der Zeit, tritt TLM nicht nur in unserer natürlichen Umgebung auf, sondern auch in künstlichen elektrischen Leuchten.

Flimmerquellen

Temporale Lichtmodulation (TLM) kommt in der Natur häufig vor. Der tägliche Rhythmus von Sonnenauf- und -untergang führt zu extremen Veränderungen der Intensität und des Spektrums, wenn auch auf einer langsamen Zeitskala. Tiere erleben TLM oft in Form von getupftem Sonnenlicht, das durch die Blätter der Bäume schimmert, oder in Form von Sonnenglitzern, das sich auf Gewässern spiegelt. Wenn ein Raubvogel, z. B. ein Habicht oder Fischadler, über das Wasser fliegt und einen Schatten wirft, kann ein solches TLM bei den Beutetieren Angst und Schrecken auslösen.

Bei der Lichterzeugung durch elektrische Leuchten kann die schwankende Beschaffenheit der elektrischen Stromversorgung und des Antriebsmechanismus zu TLM führen. Beispielsweise wird das Wechselstromnetz mit einer 50-60 Hz schwankenden positiven und negativen Spannung versorgt. Herkömmliche Glühlampen erwärmen und kühlen sich proportional zur Spannung und emittieren Licht, das bei 100-120 Hz TLM zeigt. Das Nachfolgemodell der Glühlampen, die Kompaktleuchtstofflampen, werden mit einem elektronischen Vorschaltgerät betrieben, das ebenfalls häufig mit denselben Frequenzen betrieben wird. Moderne LED-Leuchten können mit einer Vielzahl von Mitteln betrieben werden und weisen oft ein TLM mit viel schnelleren Frequenzen als früher auf, z. B. mit 1.000 Hz oder mehr. Dies ist in der Regel darauf zurückzuführen, dass LEDs mit einem Mechanismus namens "Pulsweitenmodulation" gedimmt werden, der hochfrequente Rechteckimpulse verwendet, wobei die "Ein"- und "Aus"-Zeit gesteuert wird, um den Grad der Dimmung zu bestimmen.

Biologische Wahrnehmung von temporaler Lichtmodulation (TLM)

Das Vorhandensein von TLM wirft oft die Frage nach möglichen gesundheitlichen Bedenken für Mensch und Geflügel auf:

• Es wurde dokumentiert, dass wahrnehmbares TLM bei Menschen gesundheitliche Auswirkungen hat, einschließlich Augenbelastung, Migräne, Angstzuständen, Panikattacken und sogar epileptischen Anfällen. Aufgrund dieser gesundheitlichen Auswirkungen wurden Bauvorschriften für akzeptable TLM-Typen definiert, die als sicher für den menschlichen Gebrauch gelten.
• Für Geflügelställe gibt es solche Normen bisher nicht. Stattdessen müssen wir verstehen, wie TLM wahrgenommen wird und wie wir seine Auswirkungen abschwächen können.

Die visuelle Wahrnehmung von Licht erfolgt im Auge durch spezielle Photorezeptorzellen, die Stäbchen und Zapfen genannt werden. Das Licht wird von speziellen Photopigmenten, den so genannten "Opsinen", absorbiert und löst eine Signaltransduktionskaskade aus, die die Photoisomerisierung des Opsin-enthaltenden Netzhautmoleküls, die Aktivierung eines G-Proteins, den Stoffwechsel eines zyklischen GMP-Moleküls durch eine Phosphodiesterase, das Schließen von Ionenkanälen in der Photorezeptormembran und die Hyperpolarisierung des Membranpotenzials umfasst. Diese Reihe von Signalisierungsschritten ist kinetisch begrenzt, d. h., sie benötigen Zeit, um abzulaufen. Tatsächlich werden visuelle Opsin-Photorezeptoren klassischerweise als "metabotrop" bezeichnet, und zwar aufgrund der Langsamkeit des Signalprozesses, der den Stoffwechsel organischer Moleküle einschließt. Da der Signalprozess für die Lichtwahrnehmung langsam ist, können schnelle Veränderungen des Lichts vom Beobachter nicht wahrgenommen werden. So haben beispielsweise die meisten modernen Fernsehgeräte und Computermonitore eine Bildwiederholfrequenz von 120 Hz, aber der Mensch kann diese Geschwindigkeit der TLM nicht wahrnehmen. Stattdessen nehmen wir schnell moduliertes TLM als konstantes, nicht moduliertes Licht wahr.

Der Schwellenwert der TLM-Frequenz, der von einem Beobachter wahrgenommen werden kann, wird als kritische Fusionsfrequenz (Critical Fusion Frequency, CCF) bezeichnet. Die durchschnittliche kritische Fusionsfrequenz liegt bei Menschen bei ~83 Hz, aber es gibt eine natürliche Verteilung der CCFs unter den Individuen, die auch von der Lichtintensität, dem Prozentsatz der Modulation, dem Alter des Individuums und dem neurologischen Zustand abhängig ist. Bei Vögeln reicht der berichtete CCF von 75 Hz bei Tauben bis 138 Hz bei Fliegenschnäppern. Dieser Unterschied ist wahrscheinlich auf die Notwendigkeit einer schnelleren zeitlichen Wahrnehmung bei Arten zurückzuführen, die sich schnell bewegende Nahrungsquellen fangen. Bei Geflügel liegt die berichtete CFF bei 75-87 Hz. Daher ist der Unterschied in der Empfindlichkeit gegenüber TLM zwischen Menschen und Hühnern nicht sehr groß.

Einfluss der Flimmerfrequenzen auf das Wohlbefinden von Geflügel

Wie beim Menschen wird davon ausgegangen, dass TLM nur dann biologische Auswirkungen auf Geflügel haben können, wenn sie wahrnehmbar sind. Daher werden TLM mit Frequenzen, die deutlich über dem CFF (~87 Hz bei Hühnern) liegen, im Allgemeinen als sicher für den Beobachter angesehen. Neu veröffentlichte Forschungsarbeiten an der Universität von Saskatchewan haben die Auswirkungen von TLM mit 30, 90 und 250 Hz auf Junghennen und Legehennen untersucht. Die Studie ergab, dass das Verhalten, die Angst und der Stress von Junghennen durch 30- und 90-Hz-TLM bei jüngeren Junghennen nur geringfügig beeinträchtigt wurden, später im Leben jedoch nicht mehr. Nachdem die Junghennen in einen Legehennenstall ohne TLM verlegt worden waren, wurden außerdem keine statistisch signifikanten negativen Auswirkungen von TLM auf die Legehennenproduktion oder das Verhalten beobachtet. Eine zweite Studie derselben Gruppe untersuchte die Auswirkungen von Flackern auf Putenhennen. Die Ergebnisse dieser Studie wiesen darauf hin, dass Flimmerwerte von 30 Hz, die deutlich unter dem erwarteten CFF-Wert für Puten liegen, in den ersten vier Lebenswochen zu einem schlechteren Wachstum führen.   

Wie man temporale Lichtmodulation misst

Angesichts der Tatsache, dass einige TLM wahrnehmbar sind und negative Auswirkungen auf Menschen oder Geflügel haben können, während andere TLM nicht wahrnehmbar sind und möglicherweise keine erkennbaren Auswirkungen haben, stellt sich die Frage, wie wir TLM messen können, um festzustellen, ob ein bestimmtes TLM biologische Auswirkungen hat. Wie bereits erwähnt, sind Frequenzen, die höher sind als der CFF für eine bestimmte Art, für den Beobachter nicht wahrnehmbar. Aber auch Frequenzen, die niedriger als der CFF sind, können je nach Modulationstiefe nicht wahrnehmbar sein. Die Modulationstiefe bezieht sich auf die Unterschiede zwischen den periodischen hohen Intensitäten und den niedrigsten Teilen. Die Modulationstiefe kann als prozentuale Modulation oder als Flicker-Index auf einer Skala von 0-100% bzw. 0-1 ausgedrückt werden.   Im Allgemeinen werden höhere prozentuale Modulationstiefen oder höhere Flimmerindizes nur dann wahrgenommen, wenn die Frequenz unterhalb dem CFF liegt.

Da wahrnehmbares Flimmern nur bei Frequenzen auftritt, die niedriger sind als der CFF, und außerdem hohe Flimmerindizes aufweisen, reicht weder die Frequenz noch der Flimmerindex allein aus, um festzustellen, ob Flimmern sichtbar ist. Aus diesem Grund hat die Beleuchtungsindustrie eine Metrik namens "PstLM" eingeführt, um die kurzfristige Lichtmodulation zu quantifizieren. Diese Metrik ist für den Menschen kalibriert und besagt einfach, dass ein Wert über 1 wahrscheinlich wahrgenommen wird und ein Wert unter 1 unwahrscheinlich ist. PstLM berücksichtigt die Frequenz, die prozentuale Modulation und die Wellenform. Da es sich jedoch um eine humanspezifische Messung handelt, ist sie für Geflügel nicht geeignet. Deshalb wurde ein vogelspezifisches Maß vorgeschlagen, das wie PstLM die Frequenz, die prozentuale Modulation und die Wellenform berücksichtigt, aber auf die veröffentlichten Empfindlichkeiten von Vögeln kalibriert ist. Diese als Avian Flicker Visibility Metric (AFVM) bezeichnete Metrik ist nützlich, um festzustellen, ob das TLM von Vögeln wahrgenommen werden kann. Ein AFVM-Wert von mehr als 1 kann wahrnehmbar sein, ein Wert von weniger als 1 ist wahrscheinlich nicht wahrnehmbar. Da einige Vögel empfindlicher auf TLM reagieren als andere, ist der AFVM-Wert für Geflügel recht konservativ. Die AFVM kann mit einem von ONCE erhältlichen geflügelspezifischen Lichtmessgerät gemessen oder ad hoc durch Anwendung der AFVM-Funktion auf eine verfügbare TLM-Aufzeichnung bestimmt werden.

Schlussfolgerung

Die zeitliche Lichtmodulation (TLM) ist eine Eigenschaft künstlicher Lichtquellen, die es zu berücksichtigen gilt. Während Menschen gesundheitliche Auswirkungen von wahrnehmbarer TLM zeigen - von Augenbeschwerden bis hin zu neurologischen Reaktionen - zeigt Geflügel, insbesondere Hühner, eine subtile Empfindlichkeit. Die kritische Verschmelzungsfrequenz, die den Schwellenwert darstellt, unterhalb dessen TLM nachweisbar wird, spielt eine entscheidende Rolle. Laufende Forschungsarbeiten untersuchen das Verhalten und den Stresspegel von Geflügel bei unterschiedlichen TLM-Frequenzen, wobei bisher nur wenige oder geringe negative Auswirkungen beobachtet wurden. Metriken wie die Vogelflimmer-Sichtbarkeitsmetrik (AFVM) und PstLM weisen uns den Weg zu ausgewogenen Beleuchtungslösungen, die sowohl das Wohlbefinden von Menschen als auch von Geflügel optimieren. Während wir unsere Welt weiter beleuchten, gewährleistet das Verständnis der Nuancen von TLM verantwortungsvolle Beleuchtungspraktiken in verschiedenen Umgebungen.

Dieses Thema war Gegenstand eines von ONCE gesponserten Webinars am 2. Juli 2024. Zu den Referenten des Webinars gehörten Dr. Schwean-Lardner von der University of Saskatchewan sowie Dr. Dragan Sekulovski, ein Experte für Lichtwahrnehmung bei Signify.

Quellenangaben
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