Spektrophotometrische Untersuchungen im Walde.
Von Dr. Hermann Knuchel, Assistent.
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Einleitung.
Die Abschwächung des Tageslichtes durch die Kronen der Bäume ist eine auffällige Erscheinung und für viele Fragen des Waldbaues von ausserordentlicher Wichtigkeit. Trotzdem gibt es nur wenige exakte Untersuchungen über diesen Gegenstand, weil einfache Methoden zur Messung eines so komplizierten Strahlengemisches, wie das Sonnenlicht es ist, fehlen.
Über den Grad der Helligkeit im Bestandesinnern vermögen wir uns ohne besondere Hilfsmittel nicht genügend Rechenschaft zu geben.
Wir unterschätzen gewöhnlich den Helligkeitsunterschied zwischen Freiland und Bestandesinnerem, weil das Auge sich der Beleuchtung unwillkürlich anpasst. Der Photograph aber kennt den Unterschied aus Erfahrung. Er weiss, dass die chemisch wirksame Strahlung durch das Kronendach der Bäume ganz besonders stark vermindert wird, und dass deshalb die Belichtungszeiten für Aufnahmen unter Bäumen und im Innern von Waldbeständen sehr lange sein müssen. Nach der als zuverlässig anerkannten Belichtungstabelle „Agfa" verhalten sich z. B. die Expositionszeiten für photographische Aufnahmen offener Landschaften, von Gegenständen unter Bäumen und von hellen Partien im Bestandesinnern zu einander wie 1 : 14 : 36. Schon dieser Hinweis mag genügen, um einen Begriff von der ausserordentlich starken Abschwächung des Lichtes durch die belaubten Baumkronen zu geben.
Diese Abschwächung ist von ganz besonderer Bedeutung für die Erziehung der Jungwüchse.
Die infolge der Erfahrungen der Praxis und der Ergebnisse wissenschaftlicher Untersuchungen verfeinerte Technik des Waldbaues führt uns nämlich immer häufiger dazu, die junge Generation unter dem Schirm des Mutterbestandes heranzuziehen. Die Regulierung der Überschirmung, um die Verjüngung einer bestimmten Holzart oder ein bestimmtes Mischungsverhältnis im Jungwuchse und die gleichzeitige Ausnutzung des Lichtungszuwachses im Schirmbestande zu erzielen, ist eine der wichtigsten und schwierigsten, aber auch der dankbarsten Aufgaben des Forstmannes. Die Entwicklung der Jungwüchse ist aber
auf das engste mit den Lichtverhältnissen unter dem Kronenschirm verbunden, und wir stehen vor einer Reihe von Problemen, die die Erforschung derselben notwendig machen.
Zunächst betrachte ich die Behandlung folgender drei Fragen als meine Aufgabe:
1. In welchem Grade wird das Tageslicht durch die belaubten und unbelaubten Kronen einzelner Bäume und ganzer Bestände bei verschiedenen Holzarten zurückgehalten?
2. Welche Farbenzusammensetzung hat das Licht unter den Baum- kronen, verglichen mit dem Tageslicht im Freien?
3. Welchen Einfluss hat die im Bestandesinnern herrschende Licht- qualität und -quantität auf die Entstehung und das Gedeihen der Bodenflora, insbesondere der natürlichen Verjüngung?
Die vorliegende Mitteilung beschäftigt sich besonders mit den zwei ersten Fragen.
Wohl der erste, der die Wünschbarkeit photometrischer Unter- suchungen für das Verständnis mancher physiologischer Vorgänge im Walde erkannte, war Theodor Hartig 1). Dieser Forscher stellte schon vor vierzig Jahren Lichtmessungen an, indem er die Schwärzung photo- graphischer Papiere durch das Tageslicht bestimmte. Das mit 1-9 Lagen Wachspapier bedeckte lichtempfindliche Papier wurde während bestimmter Zeit dem Licht ausgesetzt und der verfärbte Streifen mit einer Farbenskala verglichen. Hartig kam jedoch zu keinen endgültigen Ergebnissen. Lichtmessungen im Walde wurden erst wieder vorge- nommen, nachdem es in den 1890er Jahren Prof. Dr. J. Wiesner2) in Wien gelungen war, die von Bunsen und Roscoe gefundene Methode der Lichtmessung zu vereinfachen und in ausgedehntem Masse für bio- logische Zwecke zu verwenden. Da die Methode auf den ersten Blick hin sich auch für Lichtmessungen im Walde gut zu eignen scheint und auch von Forstleuten angewendet wurde, soll hier kurz darauf eingetreten werden.
Die Intensität des Lichtes wird bei dieser Methode bestimmt durch die Zeit, die notwendig ist, um auf einem besonders hergestellten lichtempfindlichen Normalpapier die Farbe eines konstanten Vergleichs-
1) Photometrisches. Allg. Forst- und Jagdzeitg. 1877.
2) Der Lichtgenuss der Pflanzen, Leipzig 1907. Vgl. auch Dr. Danckelmann, Lichtmessung und Lichtverhältnisse im Walde. Zeitschr. f. Forst- und Jagdwesen 1899,
s.
321.Untersuchungen im Walde. 3
tones hervorzurufen. Dabei muss das Talbotsche Gesetz erfüllt wer- den, wonach gleichen Produkten aus Zeit- und Lichtintensität gleiche Färbungen entsprechen. In einer Gleichung ausgedrückt lautet diese Bedingung:
J.t=J'.t'
Das Normalpapier, dessen Lichtempfindlichkeit auf der Präparation mit Chlorsilber beruht, hat den Nachteil, dass es nur ganz kurze Zeit haltbar ist.· Wiesner benützte deshalb auch das „Celloidin-Vindobona- papier", das der obigen Gleichung ebenfalls genügt. Von den vielen Forschern, die heute nach Wiesners Methode arbeiten, benützen wohl nur wenige das selbstherzustellende Normalpapier; die meisten ver- wenden käufliche photographische Papiere. In diesem Umstand aber liegt eine Fehlerquelle, indem durch die Lagerung die Empfindlichkeit der photographischen Papiere bekanntlich stark beeinflusst wird.
Dr. E. Rübel1) fand die Töne des Vindobonapapieres wegen un- gleicher Färbung schwer vergleichbar mit dem Normalton. Er benützt daher zu seinen Tageslichtmessungen „ Wynnes Infallible Exposure- meter", ein Instrument, das sonst zur Bestimmung der Expositionszeit bei photographischen Aufnahmen dient. früher verwendete ich dieses Instrument ebenfalls zur Bestimmung der Belichtungszeiten, fand aber, dass der Moment, in dem die Schwärzung des Normaltones erreicht ist, häufig sehr schwer zu erkennen ist, weil verschiedene Lichtintensi- täten, wie bei jedem photographischen Papier, so auch hier ver- schiedene Tönungen erzeugen. Das lichtempfindliche Papier bei „ Wynnes Infallible Exposuremeter" ist übrigens kein Chlorsilber-, sondern ein Bromsilberpapier.
Die photographischen Methoden erlauben jedenfalls nur dann Schlüsse auf die Helligkeit zu ziehen, wenn die verglichenen Licht- quellen dieselbe Farbenzusammensetzung haben. Dies trifft beispiels- weise für direktes Sonnenlicht und diffuses Tageslicht nicht zu. Es rührt dies daher, dass die diffuse Strahlung bei wolkenlosem Himmel hauptsächlich aus den dunkeln, aber chemisch wirksamen Strahlen kurzer Wellenlängen besteht, während das direkte Sonnenlicht beim Durchgang durch die Atmosphäre gerade um diese Strahlengattungen geschwächt wird. Da zudem diese Abschwächung sehr grossen Schwan- kungen unterworfen ist, so geben Bestimmungen der chemischen Inten-
1) Untersuchungen über das Photochemische Klima des Bernina-Hospizes.
Vierteljahrsschr. d. naturf. Ges. Zürich, 1908, S. 207-280.
sitäten des diffusen und des direkten Tageslichtes nicht genügende An- haltspunkte, um die Helligkeiten der beiden Lichtquellen miteinander zu vergleichen. Dorna 1), auf dessen ausgezeichnete Davoser Licht- studien ich mehrmals zurückkommen werde, fand, nebst andern Fehler- quellen, die jener Methode anhaften, dass der Quotient ffff Sonn~nlich:. ht
1 uses ages 1c
bei Ermittlung auf photometrischem Wege einen 3,5 mal grösseren Wert ergab als bei Bestimmung auf photographischem Wege.
Im Walde übt das Kronendach ebenfalls eine selektive Absorp- tion aus; das Bestandeslicht und das im Freien herrschende Tageslicht sind deshalb ungleich zusammengesetzt. Darum kann nicht genug be- tont werden, dass bei der Anwendung photographischer Methoden im Walde nur die chemisch wirksame Strahlung gemessen wird.
Eine Anwendung der Wiesnerschen Lichtmessmethode im Walde liegt in einer Arbeit von Prof. Dr. Cieslar 2) vor. Cieslar unter- suchte in Versuchsflächen der österreichischen forstlichen Versuchs- anstalt in Mariabrunn die Beziehungen zwischen den durch die Kronen- lockerung hervorgerufenen geänderten Lichtverhältnissen unter dem Kronenraume und dem Massenzuwachs, sowie einige Beziehungen zwischen Bodendecke und Bestandesschirm. Er fand, dass der Wald, selbst der gelichtete, eine überraschend grosse Lichtmenge zurück- halte. Nach seinen Untersuchungen hielt ein gelichteter Schwarz- föhrenbestand 60°/o, ein gelichteter Tannenbestand 80°/o und ein ge- lichteter, belaubter Buchenbestand 80-90°/o der chemisch wirksamen Strahlung zurück. Weiter unten werde ich Gelegenheit finden, auf die Untersuchungen Cieslars zurückzukommen.
Einer ganz anderen Methode zur Lichtmessung bedient sich Prof. Dr. Ramann 3); er benützt nämlich Selenzellen. Das Metalloid Selen hat die Eigentümlichkeit, seinen elektrischen Widerstand bei Be- lichtung zu vermindern. Schaltet man in einen elektrischen Strom- kreis eine Selenzelle ein und setzt diese verschiedenen Lichtintensitäten aus, so entsprechen den Schwankungen der Lichtintensität analoge Schwankungen der Stromintensität. Die vorläufig mitgeteilten Mes- sungen in Fichtenbeständen erlauben noch nicht, Schlüsse auf die
1) Studie über Licht und Luft des Hochgebirges. Braunschweig 1911.
2) Einiges über die Rolle des Lichtes im Walde. Mitteilungen aus dem forst- lichen Versuchswesen Oesterreichs. XXX. Heft.
3) Lichtmessungen in Fichtenbeständen. Allg. Forst- und Jagdztg. 1911, S. 401.
Untersuchungen im Walde. 5
Brauchbarkeit der Methode zu ziehen. Nach den Untersuchungen von A. H. Pfund1) ist aber die Empfindlichkeit der Selenzelle abhängig von der Wellenlänge des Lichtes, und zwar ist diese Abhängigkeit bei ver- schiedenen Lichtintensitäten beträchtlich verschieden. Ein Vergleich von Lichtintensitäten, die von Lichtquellen verschiedener Farbenzusammen- setzung stammen, ist mithin mit einigermassen genügender Genauig- keit nicht möglich.
Lichtmessungen im Walde liegen ferner vor von Boysen Jensen 2),
der das Verhalten der Holzarten zum Lichte mit Hilfe des Steenstrupp- schen Lichtmessapparates und des Wunneschen Aktinometers unter- suchte. Er fand folgende QuanÜtäten nicht absorbierten Lichtes unter den Baumkronen in Prozenten des freien Tageslichtes:
Holzart
1
Frei erwachsene
1
Bestand Bäume
Picea excelsa - 1,0
Fagus silvatica 1,2 1,8
Ulmus montana 3,7 4,1
Quercus pedunculata 3,9 11,0
Fraxinus excelsior 8,5 13,6
Alnus glutinosa 12,6 18,5
Betula verrucosa 17,2 25,7
Die Messung von Jahrestrieben junger Pflanzen, die in ver- schiedenem Lichtgenusse erwachsen waren, ergab nachstehende Reihen- folge der Holzarten nach ihrer Fähigkeit, Schatten zu ertragen:
1. Abies pectinata,
2. Ulmus, Fagus, Acer Pseudoplatanus, 3. Fraxinus, Quercus,
4. Alnus glutinosa, 5. Betula verrucosa.
Bis dahin hatte man sich begnügt, das Licht im Bestandesinnern nach Massgabe der chemisch wirksamen Strahlung oder nach seiner Gesamtintensität zu bestimmen. Zahlreiche Untersuchungen 3) beweisen aber, dass die einzelnen Spektralbezirke für die Lebensäusserungen der Pflanzen eine verschiedenartige Bedeutung besitzen. Die Methoden
1) Physik. Zeitschr. XIII., S. 507 ff.
2) Tidskr. f. Skovvaesen 22, .I, 1910.
3) Vgl. Pfeffer, Pflanzenphysiologie.
der Lichtmessung mittelst photographischer Papiere sind deshalb schon oft als ungenügend angefochten worden.
Zwar fand Wiesner1) durch vergleichende Messungen mit Rhoda- min-B-Papier, das für das ganze Spektrum, besonders aber für Gelb empfindlich sein soll, und Normalpapier, das nur für kurzwellige Strahlen empfindlich ist, dass die spektrale Zusammensetzung des Tageslichtes im Innern von Baumkronen dieselbe sei wie im vollen Tageslicht, so- lange die Intensität nicht unter 1
/so
des Tageslic~tes sinke. Allein schon die Ueberprüfung dieses Resultates durch Dr. E. Zederbauer2)mit Hilfe eines einfachen Handspektroskopes von Steeg ergab, dass das Kronendach des Waldes eine selektive Absorption auf das Tages- licht ausübt, dass ferner die Absorption bei den Holzarten verschie- den ist, weshalb Untersuchungen über das Bestandeslicht die einzelnen Spektralbezirke zu berücksichtigen haben.
Auch Max Wagner3) unterzog die bisherigen Lichtmessungen, so- weit sie den Wald berühren, der Kritik und beschrieb 1907 ein neues Photometer. Kürzlich erschien eine grössere Arbeit desselben Autors in der Allgemeinen Forst- und Jagdzeitung4), worin ein verbessertes Instru- ment beschrieben wird, das im Prinzip dem unsrigen ähnlich ist. Bisher aber teilte der Verfasser nur wenige durch Belege erhärtete Ergeb- nisse mit.
Ueber den Einfluss der Quantität und Qualität des Lichtes auf die Lebensäusserungen der Pflanze gibt es zahllose Untersuchungen.
Insbesondere war der Assimilationsprozess Gegenstand der Forschung.
Die Grösse der Assimilation hängt indessen nicht vom Licht allein ab, sondern auch von der Menge der vorhandenen Kohlensäure und in hohem Masse von der Temperatur. Je nach Umständen wird bald der eine, bald der andere dieser Faktoren die Grösse der Assimilation bedingen.
Im Walde wird die Kohlensäure wohl selten der entscheidende, beziehungsweise der im Minimum vorhandene Faktor sein, da sie von der verwesenden Bodendecke in genügender Menge produziert wird.
Vielmehr ist die Entwicklungsmöglichkeit der Bäume gewöhnlich durch die Lichtverhältnisse bedingt. Wir brauchen uns beispielsweise nur
1) Ioc. cit. S. 88.
2) Das Lichtbedürfnis der Waldbäume und die Lichtmessmethoden. Zentralbl.
f. d. gesamte Forstwesen 1907, S. 325-330.
3) Pflanzenphysiologische Studien im Walde. Berlin 1907.
4) Allg. F. u. J.-Ztg., Juli bis Oktober 1913.
Untersuchungen im Walde. 7
der früher üblichen reihenweisen Mischungen von Holzarten mit un- gleich rascher Jugendentwicklung zu erinnern, wo häufig die eine Holzart gänzlich zurückbleibt und nach verhältnismässig kurzer Zeit grösstenteils verschwindet.
Von dem von der Pflanze absorbierten Anteil der Energiemenge, die ihr durch die Sonnenstrahlung zufliesst, wird nur der geringste Teil für die Kohlensäureassimilation, ein viel grösserer Teil dagegen zur Wasserverdunstung verbraucht.
Die Absorption, die dem Chlorophyll zuzuschreiben ist, besteht nach den Untersuchungen des Absorptionsspektrums von Chlorophyll- lösungen durch Willstätter 1) in sieben scharf getrennten Bändern. Die Absorption ist am stärksten in Rot und Blau, am geringsten im Ultra- rot jenseits der Frauenhoferschen Linie B und im Grün zwischen den Strahlen von der Wellenlänge A == 510 und 520 µ/L 2). Die Stärke der Absorption und die Breite der Bänder hängen indessen ausser von der Tiefe und Konzentration der Chlorophyllösung auch sehr von der Energieverteilung im Spektrum der angewandten Lichtquelle ab.
Den Zusammenhang zwischen Absorption und Assimilation fanden Timiriazef/3) und Engelmann auf verschiedenen Wegen übereinstimmend darin, dass das Assimilationsmaximum wie das Absorptionsmaximum im Rot zwischen den Linien B und C liegt. Engelmann4) stellte mit Hilfe der Bakterienmethode weiterhin fest, dass die primäre Assimi- lations- wie auch die Absorptionskurve nach dem Gelb und Grün hin sinken und im grünen Teil des Spektrums das Minimum erreichen.
Von da an steigt die Absorptionskurve kontinuierlich, soweit sie be- obachtet wurde, bis ins Dunkelblau, während die Assimilationskurve bei der Linie F ein zweites, kleineres Maximum erreicht und von dort an wieder fällt. Reinke5) und andere fanden nur ein Maximum und zwar im Rot zwischen B und C. Unter primärer Assimilationskurve ist die Assimilationskurve zu verstehen, wie sie sich durch Anwendung einer einzigen Chlorophyllschicht ergibt. Diese Einschränkung „primär"
ist später vielfach zu wenig gewürdigt und dadurch die Bedeutung der Strahlen mittlerer Brechbarkeit für die Assimilation unterschätzt
1) Untersuchungen über das Chlorophyll. Liebigs Annalen der Chemie 1906. Bd.350.
2) 1 µµ = 1 Milliontel Millimeter.
3) Proc. of. the Royal Soc. Vol. 72, 1904.
4) Bot. Zeitg. 1882, S. 418; 1884, S. 80.
5) Untersuchungen über die Einwirkung d. Lichtes auf d. Sauerstoffausschei- dung der Pflanzen. Bot. Zeitg., 1883, S. 696 und 1884, S. 1.
worden, denn nur die äusserste Chlorophyllschicht erhält nahezu un- verändertes Sonnenlicht. Das in tiefer gelegene Schichten eindringende Licht hat schon eine wesentlich andere Farbenzusammensetzung und zeichnet sich namentlich durch das Fehlen der roten, also gerade der wirksamsten Strahlung aus. Die sekundäre Assimilationskurve hat daher ihr Maximum im gelbgrünen Teil des Spektrums.
Von den unsichtbaren Spektralbezirken wissen wir aus mehreren Untersuchungen, dass im Violett Assimilationswirkungen bis zu Wellen- längen von 300 µµ herunter vorhanden sind, dass dagegen im Rot und Ultrarot die assimilatorische Wirkung der Strahlen rasch abnimmt und ganz verschwindet.
Die Frage der Bedeutung der Strahlen verschiedener Wellen- länge zwischen Rot und Blau trat durch die Untersuchungen von Kniep und Minder 1) in ein neues Stadium. Sie wandten die übliche Methode des Gasblasenzählens mit einem Elodeaspross an, unter Verwendung von Strahlenfiltern aus Glas für Rot und Blau, wie sie von beschränktem Spektralbezirk und bestimmtem Durchlässigkeits- koeffizienten von den Jenaer Glaswerken Schott u. Gen. hergestellt werden. Als Lichtquelle diente direkt reflektiertes Sonnenlicht. Leider gibt es noch kein grünes Farbenfilter von dieser Qualität, weshalb Kniep und Minder für Grün sich eines flüssigen Filters bedienten.
Auf thermoelektrischem Wege wurde unter Ausschaltung der Wärmestrahlen das Licht vor, resp. nach jedem Versuch geprüft und für Rot und Blau auf gleiche Intensitäten abgestimmt. Es ergab sich, dass bei Anwendung gleicher Intensitäten für Rot und Blau nahezu gleiche Assimilationswerte erzielt werden. Mit bezug auf Grün ergab sich, dass dieses Licht die Assimilation nur in geringem Masse bewirkt.
0. Thelen 2) konstatierte für das grüne Licht sogar schädliche Wirkung, ebenso für Blau hinter der Linie F bis an die Grenze des sichtbaren Spektrums.
Die Untersuchungen von Kniep und Minder sind besonders des- halb wertvoll, weil sie gezeigt haben, dass man sich über die Energie- verteilung im Spektrum des angewendeten Lichtes orientieren muss, bevor man Schlüsse auf die Bedeutung der Spektralbezirke ziehen darf.
1) Ueber den Einfluss verschiedenfarbigen Lichtes auf die Kohlensäureassimi- lation. Zeitschr. f. Bot. I. 1909, S. 619.
2) Natürliches, künstliches und monochromatisches Licht in seiner Bedeutung für die Entwicklung und Stoffproduktion einiger Kulturpflanzen. Diss. Rostock 1910.
Untersuchungen im Walde. 9 Uebereinstimmung herrscht bei den verschiedenen Untersu- chungen insofern, als zwar alle Strahlengattungen des sichtbaren Spektrums fähig befunden wurden, Assimilation hervorzurufen, den Strahlen mittlerer Brechbarkeit jedoch eine geringere Bedeutung zu- geschrieben wird. Stahl 1) erklärt bekanntlich hieraus die grüne Farbe
der Vegetationsdecke als Anpassung an das Himmelslicht, in welchem einerseits die roten, anderseits die blauen Strahlen vorherrschend sind.
Bezüglich der Gestaltungsprozesse der Pflanze weisen die bisherigen Erfahrungen, die jedoch der Nachprüfung bedürfen, darauf hin, dass die Pflanzen sich im monochromatischen lichte nicht normal entwickeln, dass jedoch die kurzwelligen Strahlen von besonderer Bedeutung sind 2).
Die Akten über die Bedeutung der Spektralbezirke sind indessen noch nicht geschlossen. Die selektive Absorption des Lichtes durch die Blätter lässt aber zweifellos den ungleichen Wert der Strahlen verschiedener_ Wellenlängen erkennen. Es ist daher wünschbar, bei Lichtstudien die verschiedenen Spektralbezirke so viel wie möglich getrennt zu untersuchen.
Wie schon oben ausgeführt wurde, kommen wir im Walde häufig in den Fall, mit Tageslicht zu arbeiten, das durch die Kronen des Schirmbestandes nicht nur eine quantitative, sondern, wie im folgen- den bewiesen ist, häufig auch eine wesentliche qualitative Verände- rung erfahren hat. Die Kenntnis der Eigentümlichkeiten des Bestandes- lichtes bildet daher eine wichtige wissenschaftliche Grundlage für die Technik des Waldbaues.
Von diesen Erwägungen ausgehend, musste zunächst eine ge- eignete Methode zur Analysierung des Lichtes unter Baumkronen ge- sucht werden. Hiebei stand mir Herr Prof. Dr. Schweitzer an der Eidg. Technischen Hochschule mit Rat und Tat bei. Das benützte Spektrophotometer ist nach seinen Angaben konstruiert. Gerne benütze ich die Gelegenheit, ihm auch an dieser Stelle für seine vielfachen Bemühungen den besten Dank auszusprechen. Meinem hochverehrten Waldbaulehrer, Herrn Professor Engler, danke ich für die Uebertragung dieser Untersuchungen und für die mir bei der Ausführung derselben vielfach erteilten Ratschläge.
1) Zur Biologie des Chlorophylls. Laubfarbe und Himmelslicht, Vergilbung und Etiolement. Jena 1909.
2) Vgl. Pfeffer, Pflanzenphysiologie, 1904, II. Bd. S. 119.
2
I. Die Untersuchungsmethode.
Das benützte Spektrophotometer stimmt im Prinzip mit dem Ulan- sehen überein. Es wurde in den optisch-mechanischen Werkstätten von Hans Heele-Berlin konstruiert. In den Figuren 1 und 2 bedeutet Sp die Lage des der Lichtquelle zugewendeten Spaltes, der in Brennweite von der Kollimatorlinse C angebracht ist. Der Spalt wird durch einen Messingstreifen in zwei gleiche Teile geteilt. Hinter der Kollimator- linse befindet sich ein Rochonprisma R, dessen brechende Kante senk- recht zur Spaltrichtung steht, und dahinter ein drehbares Nicolsches Prisma N. Durch die obere Spalthälfte gelangt das zu untersuchende Tageslicht, durch die untere das Licht einer Vergleichslampe in das Instrument. Der Spalt wird so eng gehalten, dass im Spektrum des Tageslichtes eine grosse Zahl Frauenhoferscher Linien deutlich sichtbar ist. Das Instrument ist um seine optische Axe drehbar, was die Unter- suchung schief einfallenden Lichtes ermöglicht.
Das Rochonprisma zerlegt die von den beiden Spalthälften kom- menden Strahlenbündel in je zwei zu einander senkrecht polarisierte Strahlenbündel, von denen das eine nach oben, das andere nach unten abgelenkt wird. Nach Durchgang durch das Nicol treten die Bündel in das Amid-Prisma P und werden durch dasselbe in horizontale Spektren zerlegt. ·
Durch das Fernrohr A O sieht man nur je eines der von den beiden Spalthälften erzeugten Spektren, die sich bei geeigneter Wahl der Breite des Messingstreifens gerade berühren; die äussern Spektren sind abgeblendet. Die beiden sichtbaren Spektren sind in zu einander senkrechten Ebenen polarisiert.
Die Helligkeitsveränderung der Spektren geschieht durch Drehung des Nicolschen Prismas mittelst eines Stiftes St; der Winkel, um den das Nicol gedreht wird, kann an einer Trommel abgelesen werden.
Am Okular ist die Vierordtsche Spaltblende Bl angebracht, welche dazu dient, aus dem ganzen Spektrum ein bestimmtes Stück, resp.
eine bestimmte Spektralfarbe herauszuschneiden, bezw. das übrige
Tafel I.
Fig. 1. Spektrophotometer für Tageslicht-Untersuchungen.
Untersuchungen im Walde. 11 Spektrum abzublenden; die beiden Spaltbacken sind verstellbar, um je nach der Intensität des zu untersuchenden Lichtes beliebig breite Spaltfelder abblenden zu können.
Die Bewegung des Beobachtungsfernrohrs am Spektrum vorbei erfolgt mittelst einer Mikrometerschraube Sr, welche mit einer geteilten Trommel ausgestattet ist, zur Ortsbestimmung im Spektrum.
Die Einrichtung zur Vergleichung der Lichtquellen besteht in dem vor dem Spalt wegklappbar angebrachten Vergleichsprisma und einer Lampe L. Letztere befindet sich in einem Umhüllungsrohr, welches alles schädliche Licht absondern soll und einen Tubus T besitzt, durch
T
A B1 0 p N R C Sp M L
Fig. 2. Längsschnitt durch das Spektrophotorneter.
den das zu untersuchende Tageslicht auf das Vergleichsprisma und von hier auf die obere Spalthälfte fällt. Zur Abhaltung direkten Sonnen- lichtes sind im Tubus Blenden angebracht. Es wird demnach nur diffuses Zenitallicht gemessen. Der Winkel, unter welchem Licht auf das Prisma fällt, beträgt etwa 12°. Ueber die Vor- und Nachteile dieses kleinen Winkels wird weiter unten die Rede sein.
Das Licht der Vergleichslampe gelangt durch die untere Spalt- hälfte in das Instrument.
Als Vergleichsl~mpe diente anfänglich eine von unten her in das Umhüllungsrohr einschiebbare Benzinlampe, deren Flammenhöhe mit einem Stift reguliert werden konnte. Die Messungen vom Jahre 1908 sind mit dieser Einrichtung ausgeführt. Die Benzinlampe bewährte sich jedoch nicht für Messungen im Freien, weil die Flamme bei Wind flackerte, wodurch die Einstellung erschwert wurde. Das Umhüllungsrohr wurde deshalb zur Aufnahme einer elektrischen Metallfadenlampe ab- geändert und zugleich zwischen Lampe und Spalt eine Mattscheibe M zur Erreichung gleichmässiger zerstreuter Helligkeit angebracht.
Die Lampe, eine Osramlampe, liefert bei einer Spannung von 3,5 Volt die Intensität einer Hefnerkerze. Gespeist wird sie aus einer
kleinen, tragbaren Akkumulatorenbatterie B von zwei Elementen für etwa 15stündige Entladungsdauer bei einer Stromstärke von 1/3 Ampere.
Diese Zeit reicht für mehrere Messtage aus, indem die Lampe nur während der Einstellung mittelst eines auf dem Deckel des Akku- mulators befestigten Kontaktes C zum Glühen gebracht wird. Da die Leuchtkraft der Metallfadenlampen sich etwa mit der vierten Potenz der Spannung ändert, ist es notwendig, die Spannung genau einstellen und messen zu können. Dazu dient ein kleiner regulierbarer Wider- stand W und ein Drehspulvoltmeter V von Siemens und Halske für Spannungen von 0-5 Volt, wobei die Einstellung auf 1/100 Volt mög- lich ist.
Batterie, Widerstand und Voltmeter stehen während der Messung auf einem Brett zwischen den Beinen des Stativs. Auf kurze Entfer- nungen wird das Instrument gebrauchsfertig getragen. Zum Transport auf grössere Distanzen dient eine in einem Segeltuchrucksack tragbare Kiste für das Photometer, sowie eine kleinere umhängbare Kiste für den Akkulumator und das Voltmeter. Schliesslich gehört zur Aus- rüstung noch ein Feldstuhl in Stockform, der die ruhige Beobachtung unter dem schwarzen Einstelltuch erleichtert.
Das Gewicht der ganzen Vorrichtung beträgt 34 Kilogramm.
Schon des Transportes wegen, besonders aber zur Einstellung des Fernrohres auf die bestimmten Spektralbezirke, zur Ablesung der Win- kel an der Trommel und zur Ueberwachung und Regulierung der aller- dings nur sehr langsam abnehmenden Spannung des elektrischen Stromes ist ein Gehilfe erforderlich. Der Beobachter verbleibt während der Messung unter dem Einstelltuch.
Die Messung geschieht nun in der Weise, dass das Fernrohr mit der Mikrometerschraube Sr auf eine bestimmte Stelle im Spektrum eingestellt und mittelst der Spaltblende die übrigen Strahlen abge- blendet werden. Dann wird die Trommel N mit Hilfe des Stiftes St so lange gedreht, bis die Helligkeiten in den beiden Spektren, von denen das obere von der Lampe, das untere vom Tageslicht herrührt, gleich sind.· Da die beiden Spektren durch senkrecht zu einander polari- siertes Licht gebildet werden, ist, wenn das eine Spektrum seine maxi- male Helligkeit hat, das andere dunkel, und umgekehrt. Durch Dre- hung der Trommel wird das eine Spektrum dunkler, das andere gleich- zeitig heller, und es kann bei einiger Uebung der Punkt gleicher Hel- ligkeit sehr genau bestimmt werden. Die Einstellung ist umso leichter,
Untersuchungen im Walde. 13 als die zu vergleichenden hellen Felder absolut von gleicher Farbe sind und ohne Zwischenstreifen aneinander stossen.
Die Trommel ist in 360 Teile eingeteilt. Die je um 90° auseinander- liegenden Punkte dieser Teilung, bei denen das eine Spektrum seine maximale Helligkeit besitzt, während das andere dunkel ist, sind folgende:
Bild der
oberen Spalthälfte unteren Spalthälfte
hell 45 dunkel
dunkel 135 hell
hell 225 dunkel
dunkel 315 hell
Die Einstellung auf gleiche Helligkeit erfolgte stets zwischen den beiden letzten Zahlen. Der Winkel a, den die Polarisationsebene des Nicols mit der Polarisationsebene des von der oberen Spalthälfte kommenden Lichtes nach Durchgang durch das Rochonprisma bildet, ergibt sich dann, indem man von dem bei gleicher Helligkeit des obern und untern Spektrums erhaltenen Wert 225 subtrahiert.
Bedeuten i1 die Intensität des auf die obere, i2 die Intensität des auf die untere Spalthälfte fallenden Lichtes und i'1 und i'2 die entsprechenden Intensitäten des im Fernrohr beobachteten Lichtes für eine bestimmte Wellenlänge, so ist
. ' . 2
11 == C1 . 11 . COS a
• I _ • 2 ( t- 900) - • • 2
12 - c2 . 12 . cos a - - C2 12 . sm a,
wo C1 und C2 die Durchlässigkeitskoeffizienten des oberen, resp. unteren Teiles des Photometers bedeuten.
Wenn durch Drehung des Nicols ii' = i2' gemacht wird, so folgt
• 9
C2 sm ~ a
=
k tan 2 a C1 cos2 a g 'b · k c2 K d I b d d
wo e1 = - eine onstante es nstrumentes e eutet, eren ex-
C1
perimentelle Bestimmung mit grosser Annäherung den Wert= 1 ergab.
Die Eichung des Instrumentes, sowie die Bestimmung des Faktors k habe ich der Freundlichkeit des Herrn Prof. Dr. A. Schweitzer zu verdanken.
Wenn J1 die Intensität der Lampe,
so ist:
Jf diejenige des Tageslichtes 1111 Freien,
Jw diejenige des Tageslichtes im Wald für ein und die- selbe Wellenlänge bedeutet,
Jf - = tang2 af
J,
J w
2- = tang aw
J,
Somit ist das Verhältnis der Intensität des Lichtes im Bestand zu der- jenigen des Tageslichtes im freien
Jw = (tang aw )2 ]f fang Clf
Nach dieser Formel wurde die Intensität des Tageslichtes für fünf Punkte des Spektrums berechnet. Die zur Messung ein für allemal ausgewählten Stellen im Spektrum waren die folgenden:
Einstellzahl an der
Wellenlänge
Farbe Mikrometerschraube
des Instrumentes 1-=µµ
Rot . 335 652
Gelb 447 589
Grün 650 520
Hellblau 868 472
Dunkelblau 1100 440
Es wäre wünschenswert gewesen, mit den Messungen nach rechts und links etwas weiter zu gehen. Die Helligkeit der Spektren liess dies jedoch für Messungen im Bestand nicht zu. Besonders gegen den violetten Teil des Spektrums hin bewirkt die zunehmende Dis- persion des prismatischen Spektrums und die Abschwächung des Lichtes durch die vielen Linsen und Prismen des Instrumentes eine rasche Abnahme der Helligkeit, sodass häufig selbst das Dunkelblau von 440 µµ nicht mehr messbar war.
Ueber die Lage der Messtellen im prismatischen Sonnenspektrum orientiert Fig. 3.
Durch nicht zu vermeidende Stösse beim Transport des Instru- mentes kam es mehrmals vor, dass die Mikrometerschraubenwerte verändert wurden. Die Korrektur konnte aber jeweilen an Ort und Stelle erfolgen mit Hilfe der stets leicht zu beschaffenden Natriumlinie, die ursprünglich den Mikrometerschraubenwert 447 besass. Für die übrigen Messtellen erfolgte die Verschiebung der Einstellzahlen um den- selben Betrag wie für die Natriumlinie.
Der Gang einer Messung ist nun folgender. Man stellt das In- strument zunächst im freien auf und bestimmt die Winkel af für die fünf Punkte im Spektrum durch viermaliges Einstellen bei jeder Farbe.
...
~ <u
.12 -
~ ~ Q,
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~ -~
"' C:
&
C:~ ~
Untersuchungen im Walde. 15
Dabei wird die Trommel je zweimal von rechts und zweimal von links her gedreht. Die Ablesung erfolgt auf ganze Grade genau. Der Unter- schied zwischen den vier Einstellungen betrug in der Regel 1 bis 2 Grade und durfte 3 Grade nicht überschreiten. Der wahrscheinliche maximale Fehler einer Messung beträgt somit 3
/4
Grade.J'L-r
760 700
600 500
400 Wellenlänge
300 200
100
0 ~ - - - ~ - ~ - - - - ~ - - - ~ - - - - ~ - - - ~ Bunsen und
Kirchhoff:ScheSkala 10 20 30 -+o so Go 70 ~o 90 100 110 120 130 ';o
,7,~~;;~t::iriELJEE:ii: ;~'j
rar oran_ge gelb grün hellblau dunkelblau violetf
Fig. 3. Lage der Messtellen im prismatischen Sonnenspektrum.
Hierauf wird das Instrument im Bestand an dem schon vorher ausgewählten Platze aufgestellt, und es gelangen in gleicher Weise die Winkel aw zur Messung.
Massgebend für die Auswahl der zu untersuchenden Bäume und Bestände war neben dem ursprünglich ins Auge gefassten Zweck auch die Verwendungsmöglichkeit des Instrumentes, sowie die Art der in der Umgebung von Zürich vorhandenen Waldungen.
Zunächst handelte es sich darum, festzustellen, welcher Unter- schied in qualitativer sowie in quantitativer Hinsicht zwischen dem durch die Kronen verschiedener Holzarten gedrungenen Lichte besteht.
Zu diesem Zwecke wurde das Instrument unter frei stehenden Bäumen aller Holzarten, die in Exemplaren mit genügend grosser Krone zur Verfügung standen, aufgestellt. Der kleine Einfallswinkel des Instrumentes von 12° gestattet, dasselbe so aufzustellen, dass nur
vertikal durch die Kronen hindurchgehendes Licht ohne störendes Seitenlicht gemessen wird, denn bei einer Höhe des Kronendaches
über dem Instrumente von: 1 1
5 10 15 20 25 30 Metern
beträgt die Fläche, von
!
welcher Licht in das In- 0,9 3,5 7,8 13,8121,5131,1 rn2 strument fällt . . . .___...:,._ _ _,.:.. _ ___: ______ ~ - - - '
In Beständen gestaltete sich die Lichtuntersuchung aus verschie- denen Gründen schwieriger als unter einzelnen Bäumen. Besonders erwies sich hier der kleine Einfallswinkel des Instrumentes in vielen Fällen als nachteilig. In Beständen mit nicht ganz dichtem Schluss mussten die Messtellen sehr sorgfältig ausgewählt werden, um brauch- bare Durchschnittswerte zu erlangen.
Gut eignete sich das Instrument aber wieder für die Lichtuntersuchung in Beständen mit dichtem, gleichmässigem Schluss. Wenigstens junge und mittelalte Bestände von dieser Verfassung standen in den Zürich- bergwaldungen in genügender Zahl und Ausdehnung zur Verfügung.
Alte, geschlossene Bestände konnten dagegen bis jetzt nur wenige untersucht werden.
Es wäre wünschenswert gewesen, alle Untersuchungen in Ver- suchsflächen vorzunehmen. Dies war jedoch besonders deshalb nicht möglich, weil diese Flächen zu weit ablagen, als dass sie an zur Messung geeigneten Tagen rechtzeitig zu erreichen gewesen wären. Die Waldungen in der Umgebung von Zürich, die sich zu einem grossen Teil im Stadium der Umwandlung vom Mittel- zum Hochwaldbetrieb befinden, eigneten sich für die Lichtuntersuchungen indessen sehr gut. Wenn ein wolken- loser Tag anbrach, zog ich mit meinem Gehilfen aus und hatte - selten Glück. Die Zahl der zur Beobachtung geeigneten Tage im Jahr ist bei uns in der Niederung gering.
Im Verlaufe der Untersuchungen ergab sich die Notwendigkeit, die Winkel af im Freien nach den Ablesungen im Wald noch einmal zu messen. Es zeigte sich nämlich, dass selbst an klaren Tagen die Zenithelligkeit innert kurzer Zeit bedeutenden Schwankungen unter- worfen sein kann, so dass viele Messungen aus diesem Grunde un- brauchbar wurden. Diese Wahrnehmung führte mich dazu, den Schwankungen der Tageshelligkeit vermehrte Aufmerksamkeit zu schenken und sie durch fortgesetzte Ablesungen bei unveränderter Auf- stellung des Instrumentes zu ermitteln.
Untersuchungen im Walde. 17 Die Erfahrungen waren derart, dass ich in der Folge die zur Beobachtung geeigneten Tage noch vorsichtiger als dies im Anfang geschehen war, auswählte und die Dauer der Messung einer Beo- bachtungsserie möglichst abkürzte. Die Dauer der Beobachtung bei unveränderter Stellung des Instrumentes, die zwanzig Einstellungen er- fordert, beträgt etwa 4-5 Minuten. Bei der ersten und letzten Ein- stellung wird die Zeit notiert. Die dreimalige Aufstellung für eine Beobachtungsserie erfordert demnach nicht weniger als 60 Einstel- lungen, die mit Berücksichtigung der Zeit, die zum Transport des In- strumentes vom Freien in den Wald und wieder zurück erforderlich ist, gewöhnlich in zwanzig bis dreissig Minuten ausgeführt werden können.
Für die Berechnung wurde aus der ersten und zweiten Ablesung im freien das Mittel gezogen.
Die beschriebene Methode der Lichtuntersuchung macht nicht darauf Anspruch, für alle wünschbaren Untersuchungen über das Be- standeslicht dienen zu wollen. Der voluminöse, kostspielige Apparat, die beschränkte Transportfähigkeit infolge des grossen Gewichtes, das Erfordernis zweier Personen für die Beobachtung und der Umstand, dass nur vertikal einfallendes Licht gemessen wird, sind Nachteile, die nicht gestatten, überall und jederzeit, wo es wünschbar wäre, Mes- sungen anzustellen.
-Dagegen konnten mittelst dieses genauen Verfahrens jetzt schon verschiedene Eigentümlichkeiten des Lichtes unter Baumkronen fest- gestellt werden, die mit Hilfe der bis jetzt bekannten einfacheren Methoden niemals erkannt worden wären.
ferner wurde eine Reihe von Tatsachen aufgedeckt, die es ermöglichen, uns ein Urteil über die Zulässigkeit einfacherer Methoden zur Messung des Bestandeslichtes zu bilden.
Die Schwierigkeiten, die sich solchen Messungen entgegenstellen, sobald sie vom Laboratorium ins Freie übertragen werden, sind sehr gross. Es ist daher begreiflich, dass die meisten, die im letzten Dezen- nium einen Anlauf zur Erforschung des Bestandeslichtes unternahmen, bei der Beschreibung der verwendeten Instrumente und Methoden stehen blieben und die Publikation der Messungsergebnisse spätem Mitteilungen vorbehielten.
3
Eine der Hauptschwierigkeiten wird immer die Inkonstanz des Tageslichtes bilden. Auch bei den vorliegenden Untersuchungen ent- sprangen die meisten Fehler, wie sich bei der Berechnung der Re- sultate herausstellte, Veränderungen der Helligkeit des Himmels, die bei der Handhabung unseres Instrumentes umso mehr empfunden wer- den, als mit demselben nur ein sehr kleiner Ausschnitt des Himmels- gewölbes untersucht wird.
Es war daher notwendig, an Hand der Literatur und durch eigene Untersuchungen diesen Fehlerquellen nachzugehen, und es rechtfertigt sich wohl, hierüber in einem eigenen Kapitel kurz zu referieren.
Untersuchungen im Walde. 19
II. Das Tageslicht.
Wie ich im vorigen Kapitel ausführte, wird mit dem beschriebenen Spektrophotometer nur das vertikal einfallende diffuse Licht gemessen.
Es ist daher zunächst zu untersuchen, welchen Anteil die diffuse Strah- lung an der Gesamtstrahlung nimmt und welche Bedeutung ihr im Pflanzenleben zukommt.
Der Betrag, um den die Sonnenstrahlung beim Durchgang durch die Atmosphäre vermindert wird, geht der Erde nicht verloren, sondern tritt zum Teil wieder auf als diffuse Strahlung. Auch bei ganz klarem Himmel ist die Luft erfüllt von kleinsten, suspendierten Teilchen, welche die Strahlung zum Teil absorbieren, zum Teil reflektieren. Die kurzwelligen Strahlen werden stärker zerstreut als die langwelligen, woraus die blaue Himmelsfarbe resultiert. Mit steigender Meereshöhe wird das Blau des Himmels dunkler, indem es sich mit dem schwarzen Hintergrund des leeren Raumes vermischt.
Die Intensität des diffusen Lichtes nimmt mit der Meereshöhe rasch ab, so dass der Einfluss der Exposition, wie dem Forstmann genügend bekannt ist, mit steigender Meereshöhe immer stärker her- vortritt. Die Abnahme der am Schatten gemessenen Temperaturen wird mit zunehmender Meereshöhe einigermassen ausgeglichen durch die Zunahme der direkten Strahlung der Sonne, die für die Vege- tation in Hochlagen von grosser Bedeutung ist. Das Maximum der Intensität im Spektrum der direkten Strahlung aber rückt dabei nach den Untersuchungen auf dem Mount Whitny in Südkalifornien durch Langley1) immer mehr gegen das Blau, je höher man sich in der Atmosphäre erhebt, und liegt ausserhalb derselben im Blau. Der Trans- missionskoeffizient wächst mit der Wellenlänge, die roten und ultraroten Strahlen erleiden somit in der Atmosphäre die kleinste Absorption, die violetten die stärkste. Daraus folgt, dass die Energieverteilung im Sonnenspektrum von der Strecke abhängt, welche die Sonnenstrahlen zu durchlaufen haben, dass am Mittag und in grosser Meereshöhe das
1) Vortrag, gehalten 1885 in der „Royal Institution", übersetzt in Roscoe:
Spektralanalyse.
Sonnenlicht relativ reich an violetten und ultravioletten, in der Dämmerung und am Meeresniveau relativ reich an roten Strahlen ist.
Ohne Atmosphäre wäre die Intensität der direkten Strahlung pro- portional dem Sinus der Sonnenhöhe. Die Verlängerung des durch die Atmosphäre zurückzulegenden Weges bei sinkender Sonne be- wirkt aber eine viel raschere Abnahme der direkten Strahlung. Dies- bezügliche Messungen, die aber nur die chemisch wirksame Strahlung berücksichtigen, wurden im Jahr 1867 von Roscoe und Th01pe1) an der portugiesischen Küste, später auch von Wiesner in Wien und von E. Rübe! auf dem Berninahospiz ausgeführt:
Diese Forscher fanden
1. Die Sonnenhöhe, bis zu der die che- misch wirksame Strahlung des direkten Sonnenlichtes, gegenüber derjenigen des diffusen Lichtes nicht in Betracht
an der portug.
Küste
kommt, bei 10°
2. Die Sonnenhöhe, bei der die chemisch wirksame Intensität des direkten Son- nenlichtes diejenige des diffusen er-
reicht, bei 41 o
in Wien
1 go
au! dem Berninahospiz
160 Diese Zahlen zeigen, wie ungleich viel grösser im Hochgebirge die direkte Strahlung gegenüber der diffusen ist als in tieferen Lagen.
Nach Dornos Untersuchungen ist die Rolle des diffusen Lichtes im Hochgebirge sogar noch bescheidener anzuschlagen als sie nach den Messungen Rübels erscheint.
In Davos verhielten sich an klaren Tagen die Lichtsummen des Gesamtlichtes, des Sonnen- und des diffusen Lichtes, auf der horizon- talen Fläche gemessen, im Jahresmittel wie 100 : 85,5 : 11,5. Bei mittlerer Sonnenhöhe betrug die Gesamthelligkeit das Neunfache der diffusen Helligkeit und nie wurde das diffuse Licht dem direkten gleich gefunden. Steigt die Sonne von 10° auf 65°, so nimmt in Davos die direkte Strahlung um das Achtfache, die diffuse dagegen nur um das Zweifache zu.
Uebereinstimmend· stellten Rübe! und Dorna fest, dass mit steigen- der Meereshöhe die Zunahme der direkten Strahlung grösser ist als
1) On the relation between the sun's altitude and the intensity of total day- light in a cloudless sky. Phil. Trans. Vol. 160 (1870) S. 309-316.
Untersuchungen im Walde. 21 die Abnahme der diffusen, die ganze Zunahme der Lichtintensität von der Ebene zur alpinen Höhe, also auf das direkte Licht fällt.
Im Hochgebirge ist also die Bedeutung des diffusen, auf die horizontale Fläche fallenden Lichtes nur gering. Dafür tritt häufig eine andere diffuse Strahlung auf, die Reflexion des Sonnenlichtes an Felswänden, Schnee- und Eisfeldern, die für das Lichtklima eines Ortes von grosser Bedeutung sein kann. Der Betrag dieser Strahlung ist indessen sehr wechselnd, weil sie von der Sonnenhöhe und Jahres- zeit abhängt.
Aus diesen Gründen wäre es nicht ratsam gewesen, mit den Waldlichtuntersuchungen in grösserer Meereshöhe zu beginnen. Sie mussten vielmehr in tieferen Lagen ausgeführt werden, wo die Be- deutung des diffusen Himmelslichtes die des direkten überwiegt.
Wenn in tiefen Lagen schon bei klarem Himmel der Anteil der diffusen Strahlung an der Gesamtstrahlung ein bedeutender ist, so wird derselbe noch erhöht durch die Bewölkung. Die Bewölkung kann auf die Gesamthelligkeit sowohl erhöhend als auch erniedrigend wirken.
Stelling1) machte diesbezügliche Beobachtungen mit Roscoes Aktino- meter und fand den Einfluss der Bewölkung, wenn die Sonne hinter Wolken stand, immer herabdrückend auf die Gesamthelligkeit und zwar im Mittel um 30
° ;o;
bei einförmiger, grauer Bedeckung kann die Wirkung 50° /o
betragen. Sowohl die Messungen F. Schwabs2) in Kremsmünster als auch diejenigen Dornos in Davos ergaben unter Umständen sogar höhere Helligkeitswerte der Gesamtbeleuchtung bei Sonnenschein unter Anwesenheit von Wolken als bei wolkenlosem Himmel. Sobald aber die Sonne durch Wolken verdeckt ist, sinkt die Gesam th elligkei t.Die Bedeutung des diffusen Lichtes kommt jedoch erst richtig in der untenstehenden Tabelle zum Ausdruck, in welcher die Sonnen- scheindauer in Stunden und in Prozenten der möglichen Dauer für einige schweizerische Stationen angeführt ist.
1) Photochemische Beobachtungen der Intensität des gesamten Tageslichtes in St. Petersburg. Repertor. f. Meteorologie. K. Akad. d. Wissensch. T. VI. 1878.
2) Ueber das photochemische Klima von Kremsmünster. Denkschrift d. k.
Akad. d. Wissenschaf. Math. nat. Kl. Bd. 74 (1904).
Im Mittel der Jahre 1866-1900 war die Sonnenscheindauer1)
folgende:
Ort und Meereshöhe
1
Zürich
1 La~:anne 1 Lugano 1 Davos
1
Säntis
468m o.::i3m 275 111 1561111 2500m
Mittel pro Jahr, Stunden . 1693,4 1887,0 2247,5 1788,8 1754,4
Mittel pro Tag, Stunden 4,64 5,17 5,16 4,90 4,81
In Prozenten der möglichen
Dauer . 41,1 45,3 56,9 53,2 39,2
Für Zürich beträgt die wirkliche Sonnenscheindauer nur 41
°/o
der möglichen; während 59 Prozent der Zeit zwischen Sonnenaufgang und Sonnenuntergang herrscht also nur diffuses Licht. Im Gegensatz zum Hochgebirge nimmt demnach die diffuse Strahlung in den tief ern Lagen einen sehr grossen Anteil an der Gesamtbeleuchtung.
Die Zeit der wirklichen Sonnenscheindauer wird für die Vege- tation noch vermindert durch Bodenerhebungen, benachbarte Pflanzen, Gebäude etc., so dass ein grosser Teil der Vegetationsdecke gar nicht oder nur selten in den Genuss direkten Sonnenlichtes kommt.
Auf die Bedeutung des diffusen Lichtes in tiefen Lagen für die Vegetation hat besonders Wiesner hingewiesen. Er stellte fest, dass die fixe Lichtlage der Blätter bestimmt ist durch das am stärksten ein- fallende diffuse Licht. Das direkte Sonnenlicht wirkt vielfach sogar schädlich auf die Pflanzen und wird durch mannigfaltige Einrichtungen von den Blättern abgehalten.
Nach den durch Dr. Borggreve und Dr. König2) angestellten Ver- suchen über das Wachstum der Waldbäume bei ausgeschlossener direkter Bestrahlung durch die Sonne ergab sich übrigens, dass weder der Wuchs der Holzarten im ersten Jahrzehnt beeinträchtigt, noch das Verhältnis des jugendlichen Höhenwachstums der einzelnen Holzarten verändert wurde.
Die Ausscheidung von Wasserdampf in der Atmosphäre bewirkt also in erster Linie eine Vergrösserung des Anteiles der diffusen Strah- lung an der Gesamtstrahlung. Sie verursacht aber auch grosse Schwan- kungen der Helligkeit, durch welche Lichtuntersuchungen im Freien so
1) Maurer, Billwiller und Hess. Das Klima der Schweiz, Frauenfeld 1909, I. S. 91.
2) Dr. A. König. Mitteilungen von den Mündener Versuchsflächen Forstl.
Blätter 1888, S. 358-362.
Unt.ersuchungen im Walde. 23 ausserordentlich erschwert werden. Wie gross diese Schwankungen des Tageslichtes sein können, geht schon aus der von Stelling festgestellten Tatsache hervor, nach welcher die Gesamthelligkeit an einem trüben Tage 100 mal geringer sein kann als an einem hellen.
Prof. Weber fand in Kiel auf photometrischem Wege, dass die Helligkeit eines Sommertages sogar das 200-300fache eines trüben Wintertages betragen kann.
Ausser der Gesamthelligkeit wird durch die Bewölkung auch die Farbenzusammensetzung des Lichtes verändert. Der Wasserdampf ab- sorbiert namentlich die Strahlen grosser Wellenlänge, besonders im ultraroten Teil des Spektrums1). Im sichtbaren Teil des Spektrums sind bei den Frauenhoferschen Linien A, a, B, C und D Absorptions- bänder vorhanden, die zur Hauptsache der Absorption durch den Wasserdampf der Atmosphäre zuzuschreiben sind. Blau wird nicht besonders stark ausgelöscht, wogegen die Absorption im violetten und ultravioletten Teil des Spektrums beständig zunimmt, und schliesslich zur vollständigen Auslöschung der Strahlen führt.
D 2) . • Helligkeit grün _ hg
orno mass m Davos den Quotienten H ll" k e 1g e1 ro •t t - -h r
mit dem Photometer von Weber3) und stellte fest, dass bei auftreten- der Bewölkung, die eine Erhöhung des diffusen Lichtes bis zum fünf- fachen Betrage zur Folge hat, der Quotient :: sich dem des direkten Lichtes nähert, indem die roten Strahlen mehr gewinnen als die grünen. Der Wert des Quotienten beträgt im diffusen Licht bei mittlerem Sonnenstand 4,79, im Sonnenlicht 3,02.
Schliesslich sei noch erwähnt, dass Oiuseppe Zettwuch4) bei Veri- fikation des Raleighschen Gesetzes über die Ursache der blauen Him- melsfarbe fand, dass selbst bei scheinbar unveränderlichem, klarem Himmel grosse Schwankungen in der Zusammensetzung des diffusen Lichtes vorkommen, infolge des wechselnden Gehaltes der Atmosphäre an kleinsten Partikelchen.
Ja selbst die Strahlung der Sonne ist nicht konstant. Langleys5) Beobachtungen weisen auf den Schluss hin, dass die Intensität der von
1) Dr. Karl Vierordt. Die Anwendung des Spektralapparates, Tübingen 1871.
2) loc. cit.
3) Wiedemanns Ann. XX, S. 326-337 (1883).
4) Diss. Rom. Ref. Naturw. Rundschau XVII. 1902, S. 563.
5) Bericht über die Tätigkeit des Smithsonian Institutes 1903/04.
der Sonne ausgehenden Strahlung in Intervallen von wenigen Monaten um
10°/o
schwanken kann und dass diese Schwankungen Aenderungen der Temperatur auf der Erde von mehreren Graden verursachen können.Was im besonderen das Zenitlicht anbetrifft, so gibt uns darüber eine Untersuchung von W. Schramm 1) Auskunft, die ebenfalls mit dem Milchglasplattenphotometer von Weber in Kiel ausgeführt wurde.
An klaren Tagen ist danach bei niedrigem Sonnenstand der Zenit der dunkelste Punkt des Himmels. Der hellste Punkt befindet sich in der Nähe der Sonne. Bis zu einer Sonnenhöhe von 30° verschiebt sich der dunkelste Punkt um so viel nach Norden, als die Sonne höher gestiegen ist. Bei hohem Sonnenstand liegt der dunkelste Punkt näher an der Sonne, er verschiebt sich also nicht in gleichem Masse uach Norden, als wie die Sonne höher steigt.
Bei gleichmässig bedecktem Himmel dagegen nimmt die Hellig- keit vom Horizont nach dem Zenit hin zu. Diese Untersuchungen be- weisen, wie ausserordentlich gross der Einfluss des Wasserdampfgehaltes der Atmosphäre auf die Lichtintensität ist.
Bei Betrachtung eines kleinen Ausschnittes des Himmels, wie es mit unserem Photometer geschieht, müssen die Schwankungen der Helligkeit bei Ausscheidung von Wasserdampf in der Atmosphäre noch viel bedeutender sein, denn dünne, von blossem Auge kaum wahr- nehmbare Schleier können vom Wind durch das Beobachtungsfeld ge- führt werden und so Schwankungen in der Intensität der verschiedenen Strahlengattungen hervorrufen, während die Gesamthelligkeit der At- mosphäre nicht beeinflusst wird.
Obschon Tageslichtmessungen im Freien nicht eigentlich in den Rahmen dieser Arbeit gehören, soll doch durch zwei Beispiele der Gang der diffusen Zenithelligkeit in verschiedenen Teilen des Spek- trums, wie er mit unserem Photometer ermittelt wurde, charakterisiert werden.
Solche Messungen schienen mir schon nach den in der Literatur gefundenen Angaben über den Einfluss der Bewölkung auf die Hel- ligkeit und die Farbenzusammensetzung des Tageslichtes, sowie über die Schwankungen der Helligkeit selbst bei scheinbar unbewölktem Himmel geboten. Sie sollen in erster Linie zeigen, dass es nicht an- geht, nach einer Bestimmung des Tageslichtes im Freien, stundenlang
1) Ueber die Verteilung des Lichtes in der Atmosphäre. Diss. Kiel 1901.
Untersuchungen im Walde.
25
Messungen unter Baumkronen anzustellen und diese dann auf die ge- messene Helligkeit im Freien zu beziehen.
Das Instrument wurde zu diesem Zwecke im Freien aufgestellt und während des ganzen Tages unverändert stehen gelassen. Die Ablesungen erfolgten alle halben bis ganzen Stunden. Die zur Zeit der grössten Gesamthelligkeit ermittelten Intensitäten sind für alle Farben
= 100 gesetzt. An Lambrechtschen Instrumenten wurde jeweilen auch die Temperatur der Luft und ihre relative Feuchtigkeit abgelesen.
Unten sind die Beobachtungen an einem Sommer- und einem Wintertag wiedergegeben. Der Sommertag, der 16. Juli 1910, war einer der wenigen schönen Tage des nassen .Sommers. Die Meteoro- logische Zentralanstalt in Zürich registrierte 13,4 Stunden Sonnen- schein. Als Beobachtungsort wurde das vom Zürichsee etwas ent- ferntere Altstetten gewählt, um dem Einfluss des Sees, sowie dem Dunst, der auch bei schönem Wetter über der Stadt lagert, auszu- weichen, gleichzeitig auch, um an einem möglichst tiefen Punkt nahe am Uetliberg zu beobachten, weil am folgenden Tage auf dem Gipfel dieses Berges zum Vergleich mit den Beobachtungen der Tiefstation Altstetten Messungen hätten stattfinden sollen.
Trotz der langen Sonnenscheindauer erwies sich der Tag als zur Beobachtung ungünstig. Am Nachmittag traten am Horizont Cumuli auf und im Zenit konnten zeitweise ganz leichte, weissliche Dunst- schleier beobachtet werden. Die folgenden Tage waren Gewittertage.
Die Anzeichen eines Gewitters kommen in den Helligkeitsbeobach- tungen durch grosse Schwankungen, die jedenfalls auf veränderlichen Feuchtigkeitsgehalt der Luft in höheren Schichten zurückzuführen sind, zum Ausdruck.
Die Sonnenhöhe wurde berechnet unter Berücksichtigung der Refraktion nach der Formel sin h = sin cp sin
a +
cos <p coso
cos t, wo<p die geographische Breite von Zürich, h,
a,
t, die Höhe, Deklinationund den Stundenwinkel der Sonne bedeuten. Diese zeitraubende Be- rechnung wird zukünftig durch die Messung der Sonnenhöhe auf ganze Grade genau mit Hilfe eines einfachen Winkelinstrumentes ersetzt.
4
Tabelle 1.
Verlauf der Zenithelligkeit an einem klaren, aber schwülen Sommertage, beobachtet in Altstetten, 400 m ü. M., den 16. Juli 1910.
1 = rot von ), = 652 µp
2 = gelb 589 " Beobachtete Lichtintensitäten in relativem Mass.
3 = grün 520 " Grösste Intensität um 1 h 31' = 100.
4 = blau 472 "
1
Sonnenhöhe Relative Temp, Relative
Tageszeit Ablesung Licht- Lultfeuch- Bemerkungen
Grad Intensität o C.
ligkeit
7h 05' 20° 58' 1 32 - wolkenlos. Über Altstetten kein 2 19 Dunst sichtbar. Über der Stadt 3 23 Zürich liegt leichter heller Dunst 4 18
7h 43' 27° 32' 1 40 - - wolkenlos
2 41 3 37 4 23
9h 06' 41° 27' 1 32 20,4 67 wolkenlos 2 28
3 37 4 21
9h 49' 48° 20' 1 68 20,8 66 wolkenlos 2 64
3 56 4 33
10h 39' 55o 33' 1 50 21,8 63 wolkenlos 2 45
3 43 4 31
llh 33' 61° 31' 1 61 23,8 54 wolkenlos 2 75
3 74 4 43
12h 30' 64° 07' 1 53 25,0 48 Cumuli am Horizont 2 39
3 43 4 33
