E21 Elektromagnetischer Kanal

Thema

Elektromagnetische Strahlung ist einer der reichhaltigsten Sinneskanäle zur Erfassung der Umwelt, da sie ein breites Frequenzspektrum von Radiowellen bis hin zu Gammastrahlen umfasst. Das menschliche Auge nutzt nur einen kleinen Teil dieses Spektrums: das sichtbare Licht. Andere Arten erweitern diesen Bereich und gewinnen Informationen, die dem Menschen verborgen bleiben. Insekten und Vögel können ultraviolettes Licht wahrnehmen, während andere Tiere auf Infrarotstrahlung reagieren, die mit der Wahrnehmung von Wärmequellen verbunden ist. Der Spektralbereich, auf den jedes Sinnessystem reagiert, bestimmt somit direkt, welche Aspekte der Umwelt es wahrnehmen kann.

Die Energie jedes Photons hängt von seiner Frequenz ab und bestimmt, ob es in einem Photorezeptor eine photochemische Reaktion auslösen kann. Im menschlichen Auge absorbieren Opsine Photonen im sichtbaren Bereich und lösen die visuelle Reaktion aus. Außerhalb dieses Bereichs ändert sich die Wechselwirkung: Ultraviolette Photonen besitzen eine höhere Energie und können Zellschäden verursachen, anstatt eine kontrollierte photochemische Aktivierung auszulösen, während Photonen im thermischen Infrarotbereich eine zu geringe Energie besitzen, um dieselben visuellen Mechanismen zu aktivieren. Daher bedeutet das Vorhandensein elektromagnetischer Strahlung in der Umwelt nicht zwangsläufig, dass sie vom Auge wahrgenommen werden kann: Ihre Energie muss im Bereich liegen, auf den ihre lichtempfindlichen Moleküle reagieren.

Plancksches und Wiensches Gesetz beschreiben den Zusammenhang zwischen der Temperatur eines Körpers und dem Spektrum der von ihm emittierten Strahlung. Die Sonne emittiert ihr Maximum in einem Bereich nahe dem Bereich, in dem das menschliche Auge am empfindlichsten ist, während der Körper eines Warmblüters primär Strahlung mit einer viel längeren Wellenlänge abgibt. Ein auf diesen Bereich abgestimmter Sensor kann Körperwärme erfassen, die das menschliche Auge nicht wahrnehmen kann. Darüber hinaus gibt es ein atmosphärisches Fenster, das ein Strahlungsband besonders gut durchlässt, welches mit einem signifikanten Anteil der Wärmestrahlung von Warmblütern übereinstimmt. Biologische oder künstliche Sensoren, die auf dieses Band abgestimmt sind, können daher direkt thermische Informationen erfassen.

Die Ausbreitung von Strahlung durch verschiedene Medien wird durch ihre Absorption bestimmt. Das Lambert-Beer-Gesetz beschreibt, wie die Intensität beim Durchgang durch biologisches Gewebe, Wasser oder die Atmosphäre selbst abnimmt. Diese Absorption ist wellenlängenabhängig. In Wasser ist die Lichtdurchdringung im blaugrünen Bereich des sichtbaren Spektrums relativ gering, daher dringen diese Wellenlängen tiefer ein als andere Farben. Dies trägt dazu bei, dass die Sehsysteme von Wasserorganismen an den in größeren Tiefen verbleibenden Spektralbereich angepasst sind.

Auch das menschliche Auge weist selektive Absorption auf. Seine Strukturen absorbieren ultraviolette Strahlung stark, wodurch die Menge, die die Netzhaut erreicht, reduziert und diese vor Schäden durch hochenergetische Photonen geschützt wird. Gleichzeitig wird der für das Sehen notwendige sichtbare Bereich deutlich effizienter durchgelassen. So bestimmen sowohl die molekularen Eigenschaften der Fotorezeptoren als auch die optischen Eigenschaften des vorgelagerten Gewebes gemeinsam, welcher Anteil der Umgebungsstrahlung in visuelle Information umgewandelt werden kann.

Selbst innerhalb des Bereichs, der das Auge durchdringt und die Fotorezeptoren aktiviert, gibt es eine physikalische Grenze für die erfassbare Detailgenauigkeit. Die Pupille fungiert als kreisförmige Öffnung, wodurch das durch sie hindurchtretende Licht gebeugt wird. Gemäß der Beugungsgrenze erzeugen zwei zu nahe beieinander liegende Punkte Muster, die nicht mehr einzeln unterschieden werden können. Der minimale auflösbare Winkel hängt von der Wellenlänge und dem Durchmesser der Pupille ab: Mit abnehmender Pupillengröße verstärkt sich die Beugung, und die Winkelauflösung verschlechtert sich.

Laut Text entspricht diese physikalische Grenze nahezu dem Abstand zwischen den Zapfen der menschlichen Fovea. Die visuelle Auflösung ergibt sich somit aus dem Gleichgewicht zwischen der Optik des Auges und der räumlichen Dichte seiner Rezeptoren: Eine engere Anordnung der Rezeptoren würde kaum zusätzliche Informationen liefern, wenn die Beugung selbst die Unterscheidung kleinster Details bereits verhindert.

Insgesamt entsteht Sehen durch eine Kette physikalischer Beschränkungen. Das verfügbare Spektrum bestimmt die vorhandene Strahlung; die Energie der Photonen legt fest, welche die Photorezeptoren aktivieren können; Planck und Wien setzen die Temperatur mit der emittierten Strahlung in Beziehung; das Lambert-Beer'sche Gesetz bestimmt, welche Wellenlängen die einzelnen Medien durchdringen; und die Beugung bestimmt schließlich die räumlichen Details, die aufgelöst werden können. Jede Spezies hat somit nur Zugang zu einem bestimmten Teil der in ihrer Umgebung vorhandenen elektromagnetischen Information, der sowohl durch die Physik der Strahlung als auch durch die Eigenschaften ihres eigenen Sinnessystems bestimmt wird.

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