Farben und ihre Ursachen

Farbe liegt im Auge des Betrachtenden

Insekten sehen Farben anders als Säugetiere, Katzen sehen Farben anders als Menschen, sogar jeder Mensch nimmt Farben etwas anders wahr. Oft haben sogar das rechte und das linke Auge ein leicht anderes Farbempfinden.

Das liegt daran, dass das Licht eigentlich keine Farbe „hat“.

Der Farbsinn des Menschen

Im menschlichen Auge befinden sich die Rezeptoren für Helligkeit (Stäbchen) und die Rezeptoren für Farbe (Zapfen) auf der Netzhaut. Sie reagieren jeweils auf Licht in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen und wandeln Lichtenergie in elektrische Signale um. Der Sehnerv leitet diese Signale ans Gehirn weiter.

Zapfen

Die Zapfen sind für das Sehen und Farbsehen bei Licht zuständig und sitzen vor allem in der Mitte der Netzhaut. Das menschliche Auge besitzt ca. 6 Millionen Zapfen. Davon sitzen besonders viele im zentralen Bereich der Netzhaut am Gelben Fleck. Sie ermöglichen dort bei ausreichender Beleuchtung besonders scharfes Sehen. Menschen haben 3 Sorten Farbsinneszellen:

• Die S-Zapfen sind empfindlich für kurzwelliges Licht (S steht für “short”) und detektieren den blauen Bereich (Absorptionsmaximum bei 455 nm).
• Die M-Zapfen detektieren den mittleren Wellenlängenbereich und sind für die Grünwahrnehmung zuständig (Absorptionsmaximum bei 535 nm).
• Die L-Zapfen reagieren auf langwelliges Licht und sind für Wahrnehmungen im roten Bereich des Spektrums verantwortlich (obwohl das Absorptionsmaximum bei 560 nm eigentlich im gelb-grünen Bereich liegt).

Zwischen den empfindlichen Bereichen der Zapfen gibt es Überschneidungen – das wirkt sich auf die Art aus, wie wir Farben und Farbmischungen wahrnehmen.

Wenn Menschen Farbsehschwächen haben, sind ein oder mehrere Zapfenarten beeinträchtigt.

Normalsichtig

Grün-Blindheit
(Deuteranopia) Blau-Blindheit
(Tritanopia) Rot-Blindheit
(Protanopia)

Farbsinn-Test

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Stäbchen

Bei den Stäbchen gibt es nur eine Sorte, dafür sind sie besonders empfindlich. Sie sind für das Sehen in der Dämmerung verantwortlich (Absorptionsmaximum bei 500 nm). Auf der Netzhaut sind ca. 120 Millionen Stäbchen, die meisten davon sitzen im äußeren Bereich der Netzhaut. Menschen, die keine oder deutlich weniger Stäbchen besitzen, sind nachtblind.

Farbsinn im Tierreich

Mit nur einer Sorte Zapfen müssen z. B. Robben, Wale und niedere Wirbeltiere auskommen (Monochromaten), die meisten Säugetiere mit nur zwei (Dichromaten), die Menschen, die meisten Insekten und Spinnentiere, Beutelsäuger und Alteweltaffen haben drei (Trichromaten). Die meisten Fische, Amphibien, Vögel und manche Insekten sehen vier Farben (Tetrachromaten). Einige Vögel und Schmetterlinge sehen wahrscheinlich sogar mit 5 Sensoren. Damit ändert sich auch der Wellenlängenbereich des für sie sichtbaren Lichts.

Vom Spektrum zum Farbkreis

Im Regenbogen bzw. im Farbspektrum des Sonnenlichts sind nicht alle Farben enthalten, die wir sehen können. Das liegt an der Art, wie unser Farbsinn funktioniert.

Wie funktioniert das Farbsehen?

Da die einzelnen Zapfen jeweils in einem breiten Wellenlängenbereich empfindlich sind, können Farbeindrücke auf unterschiedliche Arten entstehen: Durch Licht einer Spektralfarbe, aber auch durch Anregung der Farbrezeptoren durch Licht von mehreren Spektralfarben.

Wir sehen Gelb, wenn gelbes Licht mit 580 nm Wellenlänge auf unsere Netzhaut trifft. Aber auch wenn rotes (645 nm) und grünes (510 nm) Licht gleichzeitig unsere Netzhaut trifft. In beiden Fällen werden die M-Zapfen und die L-Zapfen ungefähr gleich stark durch die einfallende Strahlung aktiviert. Für uns ist das nicht unterscheidbar.

Gelber Löwenzahn auf der Wiese oder am Bildschirm betrachtet: Was für das Auge als Gelb empfunden wird, kann gelbes Licht (Wiese) aber auch eine Mischung aus rotem und grünem Licht (Bildschirm) sein. Für unser Auge ist das nicht unterscheidbar.

Hier gibt es kein Licht in passender Wellenlänge. Für diesen Farbeindruck werden durch rotes (645 nm) und blaues (440 nm) Licht die S-Zapfen und die L-Zapfen gleichzeitig angeregt. Anders ausgedrückt entsteht Magenta dadurch, dass man die Farbe „Grün“ aus dem Spektrum nimmt. Magenta ist also quasi „negatives Grün“. Man kann Magenta nicht direkt als Lichtstrahl einer einzigen Wellenlänge herstellen.

Wir können hier also eine Farbe sehen, die es rein physikalisch als Wellenlänge gar nicht gibt. Dadurch schließt sich in unserer Farbwahrnehmung das Spektrum zu einem Farbkreis.

Das Farbsehen ist ein komplexer Vorgang im Gehirn, der sich nicht rein physikalisch-optisch erklären lässt. Vorangegangene Erfahrungen und Sinneseindrücke sowie die Umgebung beeinflussen zusätzlich unser Farbempfinden maßgeblich. Darauf beruhen viele Wahrnehmungstäuschungen.

Wahrnehmungstäuschung

Das Bild zeigt 3 weiße Scheiben, die teilweise vom farbigen Liniengitter abgedeckt sind. Bewege mit dem Schieberegler die farbigen Linien (rot/grün, rot/blau, grün/blau)!

Der ursprüngliche Farbeindruck der Scheiben ändert sich beim Verschieben. Dieses Phänomen nennt man Farbassimilation.

Primärfarben

Beim Arbeiten mit Farben unterscheidet man zwischen Primärfarben und Mischfarben. Primärfarben sind Grundfarben, die sich nicht aus anderen Farben mischen lassen. Mischfarben bestehen aus den Primärfarben in bestimmten Mischungsverhältnissen.

Viele Naturwissenschafterinnen und Naturwissenschafter haben sich im Laufe der Zeit mit Licht und Farben beschäftigt und sich bemüht, die „korrekten“ Grundfarben zu finden. Isaac Newton (1643-1727) nutzte bereits Glasprismen, um weißes Licht in farbige Spektren zu zerlegen. Er fand heraus, welche Farben miteinander weißes Licht ergeben und prägte den Begriff Komplementärfarbe.

Newtons Farbkreis enthielt die Primärfarben Violett, Indigo, Blau, Grün, Gelb, Orange und Rot, da er sich am Spektrum des Sonnenlichtes orientierte. Newton erkannte bereits, dass Weiß nichts anderes ist als eine Mischung aller Spektralfarben und Schwarz die Abwesenheit von Licht.

Komplementärfarben sind Farben, die gemeinsam das volle Spektrum der weißen Lichtquelle ergeben oder gemeinsam den Farbeindruck Weiß ergeben. In Farbkreisen stehen sie oft gegenüber, z. B.: Rot und Cyan. In Nachbildern (wenn du z. B. Cyan sehr lange ansiehst, ermüden deine Sinneszellen und zeigen dann, statt weiß einen rötlichen Ton) werden auch die Komplementärfarben sichtbar.

Komplementärfarbe

Subtraktive Farbmischung

Heute wird zwischen zwei verschiedenen Arten unterschieden, wie Farben miteinander gemischt werden können:

• Subtraktive Farbmischung wie z. B. beim Farbdrucker
• Additive Farbmischung wie z. B. am Displays von Handys und Computern

Die Primärfarben der Subtraktiven Farbmischung sind Cyan, Magenta und Gelb. Beim Druck wird als vierte Farbe Schwarz darüber gedruckt, da die Druckerfarben Cyan, Magenta und Gelb gemeinsam meist kein tiefes Schwarz ergeben.

Die subtraktive Farbmischung liegt vor, wenn ausgehend von weißem Licht durch Filterung oder Absorbtion (=Verschlucken) Farbanteile weggenommen werden. Dabei wird der Farbton umso dunkler, je mehr Farbe beigemischt wird. Das Subtrahieren (Abziehen) bezieht sich auf das Wegnehmen von Helligkeit. Farbdrucker oder farbige Folien übereinander gelegt funktionieren nach diesem Prinzip – aus den Primärfarben Gelb, Magenta und Cyan entsteht beim Mischen Schwarz.

Bei der subtraktiven Farbmischung findet eine Änderung des Spektrums statt, weil Teile vom Licht von den Farbstoffen absorbiert werden.

Additive Farbmischung

Die Primärfarben der Additiven Farbmischung sind Rot, Grün und Blau und die Komplementärfarben sind Cyan, Magenta und Gelb.

Die Additive Farbmischung findet eigentlich erst im Gehirn statt und wird daher auch physiologische Farbmischung genannt.

Beim Addieren von Lichtfarben wird die Mischung immer heller, alle Farben zusammen ergeben den Farbeindruck von weißem Licht, z. B. beim Mischen von Scheinwerferlicht in rot, grün und blau auf einer diffus streuenden, weißen Wand. Auch das Erzeugen örtlich oder zeitlich naheliegender Farbreize wie auf Bildschirmen oder beim Farbkreisel wird additive Farbmischung genannt.

In beiden Fällen ändert sich die Wellenlänge der einzelnen Farben nicht. Der gemischte Farbeindruck entsteht erst im Auge der Betrachtenden und kommt nur durch das Auslösen von Farbreizen der farbempfindlichen Zapfen im menschlichen Auge zustande, physikalisch gesehen bleibt es immer bei den gleichen Wellenlängen für rot, grün und blau.

Experiment
Licht mischen

Farbursachen in der Natur

Farben werden sichtbar durch das Aussenden, die Absorption und die Manipulation von Licht.

Wir sehen Farben, sobald neue Lichtphotonen ausgesendet werden, z. B. beim Glühen von Metallen oder Gasen, in Sternen, in Flammen und Blitzen, bei der Entstehung von Polarlichtern aber auch bei Floureszenz, Chemilumineszenz, …

Farben entstehen auch, wenn von dem weißen Licht ein Teil der Wellenlängen absorbiert (geschluckt) wird. Dadurch bleibt nur ein Teil des Spektrums über, was zum Farbeindruck führt. Dazu gehören die Farben von Wasser, Eis, Farbstoffen wie das Grün der Blätter, ...

Besonders bunt wird es, wenn Lichtwellen an Materie gebogen, gebrochen und reflektiert werden. Hier werden unterschiedliche Farben erzeugt, da sich Wellen überlagern oder bestimmte Wellenlängen sichtbar werden. Beispiele sind Regenbogen, Seifenblasen, Lichtbrechung am Glasprisma, Streuung in der Atmosphäre, Brechung und Überlagerung von Lichtwellen in Seifenblasen und Ölfilmen, schillernden Federn und Käfer…

Die Farben der Seifenblase

Die bunten Farben der Seifenblase entstehen durch Brechung und Überlagerung von Lichtwellen an der dünnen Wasserwand der Seifenblase. Damit die schillernden Farben sichtbar werden müssen ein paar Voraussetzungen erfüllt werden:

• Beleuchtung mit weißem Licht
• Dicke der Seifenblasenwand in der Größenordnung der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes

Das Licht wird an der Außenseiten und an der Innenseite der Seifenblasenwand reflektiert. Das innen reflektierte Licht hat einen längeren Weg zurückgelegt, als das außen reflektierte. Manche Lichtwellen (kohärente Wellen) können sich dabei überlagern, und einzelne Wellenlängen (abhängig von der Dicke der Wasserwand) können sich dadurch verstärken oder auslöschen. Wenn man von weißem Licht ausgeht und einen Teil der Farben wegnimmt, abschwächt oder verstärkt, ändert sich immer die Farbe des Lichtes.

Lichtüberlagerung an der Seifenblasenwand

Ein Teil des Lichtes wird außen, ein Teil innen reflektiert, ein weiterer Teil geht durch. Abhängig von der Dicke wird viel bis gar nichts reflektiert. Für die bessere Sichtbarkeit wird nur eine Wellenlänge für rotes Licht gezeigt. Verändere selbst die Dicke der Seifenblasenwand!

Bei realen Seifenblasen ändert sich die Dicke der Seifenblasenwand ständig, vor allem durch Gravitation, die das Wasser in der Seifenblasenwand nach unten rinnen lässt. Aber auch durch Verdunsten des Wassers und durch Luftbewegungen ändert sich die Dicke. Das bewirkt die unterschiedlichen Farben.

An der Farbe lässt sich auch die Lebensdauer einer Seifenblase vorhersagen: Gelb und weiß dominierte Seifenblasen sind schon sehr dünnwandig und wenn die Seifenblase dann farblose Flecken bekommt, ist die Schicht dort so dünn, dass sie kurz davor ist zu platzen.

Seifenfilm

Beobachte wie sich durch die Dickenänderung des Seifenfilms die Farben ändern!