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17.03.2004

Warum Schnee immer weiß ist

Farbkonstanz: Der Mensch nimmt Farben unabhängig von der Beleuchtung immer gleich wahr

Schnee ist am frühen Morgen, in der hellen Mittagssonne und auch gegen Abend weiß. Obwohl sich die Farbe des Tageslichts über den Tag hinweg verändert, morgens und abends rötlicher, mittags aber bläulicher ist, kann der menschliche Sehapparat das Weiß konstant wahrnehmen. Diesem Phänomen der so genannten Farbkonstanz liegt ein Zusammenspiel von Netzhaut und Gehirn zu Grunde.

Weißer Schnee wirft nahezu alles Licht zurück, das auf seine Oberfläche trifft.
Weißer Schnee wirft nahezu alles Licht zurück, das auf seine Oberfläche trifft.

Die Farbabsorptionseigenschaften eines Objekts sind immer die gleichen. Während weißer Schnee nahezu alles Licht zurückwirft, das auf seine Oberfläche trifft, ist dies bei farbigen Gegenständen anders. Eine rote Fläche zum Beispiel absorbiert alle Anteile des einfallenden Lichts außer den roten.

Die spektrale Strahlungsleistungsverteilung der Beleuchtung ändert sich dagegen häufig. So wechselt auch die farbliche Zusammensetzung des natürlichen Lichts über den Tag hinweg: Morgens und abends, wenn die Sonnenstrahlen flach die Erdatmosphäre durchdringen, wird die im Sonnenlicht enthaltene kurzwelligere Strahlung stärker gebrochen und übrig bleiben rötlichere Töne. Am Mittag trifft die Strahlung jedoch steiler auf und die kurzen Wellenlängen dringen mit durch – das Licht ist bläulicher.

Mit der Strahlungsleistungsverteilung der Beleuchtung ändert sich auch die Farbe des Lichts, das von dem Gegenstand abgestrahlt wird, da der Farbreiz ein Produkt aus Beleuchtung und Absorptionseigenschaften ist. Mit physikalischen Methoden sind diese Veränderungen eindeutig nachzuweisen. Doch Versuche zeigen, dass sich das menschliche Sehsystem von einer veränderten Beleuchtung nicht ohne weiteres täuschen lässt.

Mondrian-Farbtafel
Mit solchen Mondrian genannten bunten Farbtafeln testen Forscher in Experimenten die Farbkonstanz bei unterschiedlicher Beleuchtung.

Das haben Wissenschaftler mithilfe so genannter Mondrians getestet. Ein Mondrian ist eine mit verschiedenen bunten Farbpapieren beklebte Tafel. Solche Farbtafeln wurden nach dem Maler Piet Mondrian benannt, der Werke mit ähnlichen farblichen Strukturen schuf. Wird ein solcher Mondrian mit Licht verschiedener Wellenlängen beleuchtet, nimmt beispielsweise ein weißes Papier eine ganz bestimmte spektrale Strahlungsleistungsverteilung an. Die Beleuchtung kann jedoch so verändert werden, dass ein eigentlich grünes Papier genau dieselbe Strahlungsverteilung erhält.

Physikalisch sind also beide Reize absolut identisch – doch nicht für das visuelle System des Menschen. Ein Beobachter nimmt die Veränderung der Beleuchtung in dieser Form nicht wahr. Für ihn bleibt das weiße Papier weiß und das grüne grün. Die von dem Erfinder der Polaroid-Land-Kamera Edwin Land entwickelte so genannte Retinex-Theorie (der Name ist eine Verbindung aus Retina und Kortex) erklärt das Phänomen folgendermaßen: Das visuelle System ermittelt die spektrale Zusammensetzung der Beleuchtung. Dieser Wert wird dann von der spektralen Zusammensetzung der jeweiligen reflektierenden Objektoberfläche abgezogen.

Für jedes der drei Zapfensysteme in der Netzhaut – für das S-, das M- und das L-System – findet das visuelle System die hellste Stelle auf dem Mondrian. Das Verhältnis dieser drei Erregungsgrößen zueinander wird dann als unbunter Grauwert festgelegt. Ändert sich die spektrale Zusammensetzung der Beleuchtung – kommt zum Beispiel mehr Rot hinzu –, ändert sich die Abstrahlung von allen Farbpapieren auf dem Mondrian um den selben Faktor. Damit steigt aber auch der Rotanteil in der Erregungskombination für Unbunt und verändert so den Bewertungsmaßstab für alle Farbpapiere. Im Prinzip führt das visuelle System damit einen Weißabgleich durch – ähnlich dem einer Kamera.

Bis ins kleinste Detail haben Wissenschaftler bislang allerdings nicht verstanden, wie das visuelle System Farbkonstanz zu Stande bringt. Fest steht, dass ein bestimmter Bereich im visuellen Kortex im Hirn, die so genannte V4-Region, eine entscheidende Rolle spielt. Darin liegende farbspezifischen Zellen senden beispielsweise bei der Betrachtung des grünen Papiers inmitten des Mondrians immer die gleichen Nervenimpulsfolgen, egal bei welcher Beleuchtung. Sie scheinen die Zu- oder Abnahme der Intensität einer bestimmten Wellenlänge zu kompensieren und damit für die Farbkonstanz eine entscheidende Rolle zu spielen.