WSL Berichte, Heft 84, 2019
Forum für Wissen 2019: 11–14 11
planBAR? Smart Light – Bei grosser Planung auch das Kleine sehen
Smart-light-Technologie: Chancen und Herausforderungen für die Biodiversität
Janine Bolliger1 und Jörg Haller2
1 Eidg. Forschungsanstalt WSL, Zürcherstrasse 111, CH-8903 Birmensdorf, janine.bolliger@wsl.ch
2 EKZ, Dreikönigsstrasse 18, CH-8002 Zürich, joerg.haller@ekz.ch
Wird künstliches Nachtlicht übermässig eingesetzt, bedroht es zunehmend die Ökosystemfunktionen. Mittels steuerbarer LED-Aussenbeleuchtungen lassen sich die negativen Folgen von Kunstlicht mildern. Die gesteigerte Energieeffizienz von LEDs trägt zudem dazu bei, die Lichtversorgung zu optimieren, und dank in- telligenter, adaptiver Licht- und Kommunikationstechnik gelangt weniger Licht in die Umwelt. Diese neuen technologischen Entwicklungen können Auswirkungen auf die Umwelt minimieren und gleichzeitig die (Strassenverkehrs-)Sicherheit ge- währleisten. Nötig ist eine inter- und transdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Umweltfachleuten und Beleuchtungsplanerinnen und -planern. Dieser Artikel zeigt auf, wie sich die Nachtbeleuchtung auf die Umwelt auswirkt und welche Möglichkeiten die neueste Beleuchtungstechnologie bietet.
1 Künstliches Nachtlicht: ein ambivalenter Umweltfaktor
Leuchtreklamen, Autoscheinwerfer oder Kugelleuchten im Garten – die Nacht wird heute immer mehr zum Tag: Zwischen 2012 und 2016 ist die künstlich beleuchtete Aussenfläche der Erde jährlich um 2,2 % angewachsen (Kyba et al. 2017). Künstliches Nacht- licht spielt eine wichtige wirtschaft- liche Rolle, da es rund um die Uhr Dienstleistungen ermöglicht (Boyce 2019). Ausserdem kann Licht das Ri- siko von (Strassenverkehrs-)Unfällen und Kriminalität in der Nacht sowie die Angst vor Kriminalität reduzieren (Boyce 2019). Ob sich bei schlecht be- leuchteten Strassen allerdings tatsäch- lich weniger Verkehrsunfälle ereignen, ist schwierig zu belegen (Marchand 2019). Die meisten Unfallstatistiken in der Schweiz dokumentieren die Be- leuchtungsverhältnisse der Strassen kaum. Es ist also nicht eindeutig er- wiesen, ob weniger Licht das Unfallri- siko tatsächlich erhöht (Schuler et al.2018).
Auf die menschliche Gesundheit wirkt sich künstliches Nachtlicht weit- gehend negativ aus. Dass aber auch die ökologische Umwelt darunter leidet, ist ein bislang unterschätzter Faktor. Bei Singvögeln zum Beispiel verursacht ein veränderter Hell-Dunkel-Zyklus zahl-
reiche Veränderungen der Physiolo- gie und des Verhaltens (Ouyang et al.
2017), einschliesslich Fressverhalten und Fortpflanzung (Russart und Nel- son 2018) oder räumlicher Orientie- rung (Horton et al. 2019). Nächtliches Kunstlicht gefährdet auch höhere Or- ganisationsebenen, zum Beispiel Öko- systeme mit ihren Dienstleistungen wie etwa die Bestäubung (Knop et al.
2017). Wird die Umwelt durch künstli- ches Licht in der Nacht belastet, kann
dies bereits gefährdete Organismen und Lebensräume weiter beeinträchti- gen. Auch Schutzgebiete und Biodiver- sitäts-Hotspots sind einer zunehmend erhöhten Belastung durch Nachtlicht ausgesetzt (Guette et al. 2018). Künst- liches Nachtlicht gilt daher als Schlüs- selfaktor für die vom Menschen verur- sachten Umweltveränderungen im 21.
Jahrhundert (Davies und Smyth 2018).
2 Lichttechnisches Potenzial für nachhaltige Beleuch- tung
Neue Entwicklungen in der Lichttech- nik können den Lichtbefdarf des Men- schen decken, während negative Aus- wirkungen auf die ökologische Umwelt gleichzeitig verringert werden. LEDs basieren auf einer nachhaltigen, langle- bigen und energieeffizienten Beleuch- tungstechnologie. Sie benötigen we-
Leuchten
Spektrale Zusammensetzung
Lichtmenge
Lichtstrom (lm) Leuchtenform
Kommunikation und Kontrolle von Leuchtenanlagen
Abb. 1. Individuelle Leuchten (links) können nach der spektralen Zusammensetzung (bei LED «Lichtfarbe»), der emittierten Lichtmenge sowie nach dem Leuchtendesign (Gehäuse, Kandelaberhöhe) charakterisiert werden. Beleuchtungssysteme haben verschiedene techni- sche Möglichkeiten miteinander zu kommunizieren und so die Lichtlevels an den Verkehr anzupassen (rechts). Verändert nach Kretzer und Bolliger, in Vorb.
12 Forum für Wissen 2019
WSL Berichte, Heft 84, 2019 niger Energie und tragen so dazu bei,
den CO2-Ausstoss zu reduzieren (Hal- ler 2016). Die LED-Technologie um- fasst ausserdem eine grosse Bandbreite möglicher Lichtfarben und Leuchten- formen, die es erlauben, Aussenbe- leuchtungen nachhaltiger zu gestalten.
Das Licht lässt sich zudem bedarfsori- entiert und zielgerichtet steuern, was die Lichtanlagen umweltverträglicher macht (Abb. 1).
2.1 LED-Lichtfarben
Sogenannt «kalte LED-Lichtfarben»
(5000–7000K) haben einen höheren Blauanteil und weisen eine deutlich höhere Energieeffizienz auf als «warm- weisse LED-Lichtfarben» (2000K–
3000K), welche stärker im gelben Spektrum strahlen. Der zusätzliche Energiebedarf warmweisser LED liegt je nach Güte und Lichtfarbe zwischen 10 % und 100 %. Warmweisse LEDs weisen dafür im Bezug auf Umweltein- flüsse und Lichtverschmutzung bessere Eigenschaften auf als die kaltweissen.
Kaltweisse LEDs stellen ökologische Fallen für nachtaktive Organismen dar.
Bei Nachtfaltern reagierten Eulenfal- ter (Noctuide) empfindlicher auf kurze als auf lange Wellenlängen im LED- Spektrum, während Spanner (Geome- triden) auf lange und kurze Wellenlän- gen gleich reagierten (Somer-Yeates et al. 2017). LED-Spektren mit einem grossen kurzwelligen Anteil zogen zu- dem Nachtfalter mit durchschnittlich grösseren Körpermassen, grösseren Flügeldimensionen und grösseren Au- gen an (van Langevelde et al. 2011).
Bei Fledermausarten wurde beobach- tet, dass vor allem Kulturfolger wie Pipistrellus-Arten von Strassenleuch- ten profitieren, weil die vom Licht an- gezogenen Insekten leichte Beute für
die Fledermäuse sind. Dieser Kultur- folger war auch bei LEDs mit hohem Blauanteil deutlich häufiger anzutref- fen (Bolliger et al. 2018a, b) als die lichtscheuen Myotis- und Plecotus-Ar- ten, die am wenigsten durch rotes Licht gestört wurden (Spoelstra et al. 2017).
LED-Lichtfarben sind also ambivalent:
Einerseits sparen kaltweisse LEDs Energie, wirken sich aber stärker ne- gativ auf die Umwelt aus. Gegenwärtig geht der Trend jedoch eindeutig hin zu wärmeren LED Lichtfarben.
2.2 Leuchtenformen
Wie Leuchtenformen im Zusammen- spiel mit anderen lichttechnisch re- levanten Faktoren (Abb. 1) die öko- logische Umwelt beeinflussen wurde bisher kaum wissenschaftlich unter- sucht und ist derzeit Gegenstand einer Feldforschung von WSL und EKZ in Weiningen. Die gemeinsamen Studie soll aufzeigen, wie sich verschiedene Lichtfarben, kombiniert mit zwei un- terschiedlichen Leuchtenformen, auf die Insektenhäufigkeit und Fleder- mausaktivität auswirken1. Eine Pilot- studie vom Sommer 2017 deutet da- rauf hin, dass Insekten je nach Form einer Leuchte unterschiedlich auf das Licht reagieren (Abb. 2): Bei Leuchten mit grosser Lichtfläche gingen mehr Insekten in die Falle als bei kleineren Flächen. Bei der Wahl des Leuchten- designs sollte man also Produkte vor- ziehen, deren Lichtstrom gezielt auf die Strasse gerichtet und deren Abstrah- lungsfläche möglichst klein ist.
2.3 Adaptive, dimmbare Licht - systeme
Adaptive Lichtsteuerungen stellen eine gewünschte Lichtmenge nur dann und an denjenigen Orten bereit, an denen es je nach Strassenverkehrs- und Fuss- gängeraufkommen benötigt wird (Abb.
1, 3). Dies ist bei richtigem Einsatz der Technologie möglich, ohne Nachteile in den Bereichen Sicherheit oder Kom- fort zu riskieren (Haller 2014, 2016).
Solche dimmbaren Lichtsysteme redu-
1 https://www.ekz.ch/de/ueber-ekz/
newsroom/medienmitteilungen-2019/
Studie-Lichtfarben.html
Anzahl Käfer
1,00 0,75 0,50 0,25 0,00
Anzahl Insekten
1,00 0,75 0,50 0,25 0,00
Anzahl Zweiflügler
1,00 0,75 0,50 0,25 0,00
Anzahl Wanzen
1,00 0,75 0,50 0,25 0,00
Anzahl Hautflügler
1,00 0,75 0,50 0,25 0,00
Anzahl Falter
1,00 0,75 0,50 0,25 0,00
[log10] kastenförmig zylindrisch
Abb. 2. Leuchtenformen und projizierte Leuchtflächen. Rechts eine zylindrische
«Pilzleuchte», die das Licht weit in die Um- gebung abgibt. Links eine «rechteckige»
Strassenleuchte, deren Licht auf die Strasse gerichtet ist. Die Pilzleuchte umfasste eine etwa 2,5-mal grössere Leuchtfläche als die rechteckige Strassenleuchte. In den Balken- diagrammen zeigt sich ein Trend zu mehr gefangenen Insekten für die Pilzleuchten.
Foto: M. K. Obrist, WSL; Grafik: Bolliger et al. in Vorb.; Zeichnungen C. Emberger.
Forum für Wissen 2019 13
WSL Berichte, Heft 84, 2019
zieren den Energiebedarf und in etwa gleichem Umfang auch die emittierte Gesamtlichtmenge pro Nacht. Kürzere Betriebszeiten verlängern ausserdem die Lebensdauer der Leuchten.
Beispiele: (1) Eine Strassenverkehrs- dichte-basierte Lichtsteuerung, wie sie 2015 erstmals in Urdorf (Kanton ZH) zum Einsatz kam, misst permanent das Verkehrsaufkommen. Bei einem Über- oder Unterschreiten bestimm- ter Schwellwerte wird die Lichtmenge fliessend reguliert2; (2) In einer volldy- namischen, adaptiven Lichtsteuerung sind die Leuchten mit Bewegungssen- soren ausgestattet, um das Strassen- verkehrsaufkommen zu erfassen, zum Beispiel mit Radar die Bewegung von Fussgängern und Autos. Die Informati- onen werden per Funk an benachbarte Leuchten weitergegeben und erzeugen eine Lichtwelle, die dem sich bewegen- den Strassenbenutzer vorauseilt3. Das Licht ist also nur dann auf voller Inten- sität, wenn sich Fahrzeuge, Velos oder Fussgänger in der unmittelbaren Nähe der Lampe bewegen4.
Um zu untersuchen, wie sich ge- dimmtes Licht auf Insektenhäufigkei- ten und Fledermausaktivität auswirkt, leuchteten in Urdorf und Regensdorf Strassenlaternen jeweils abwechselnd eine Woche mit Volllicht und eine Wo- che mit dimmbarem Licht. Es zeigte sich, dass das Dimmen von Strassen- leuchten eine sehr effiziente Methode ist, um die Lichtimmissionen in die Umwelt zu reduzieren (Abb. 3).
Direkt an den Strassenleuchten mon- tierte Insektenfallen fingen bei ge- dimmten Lichtverhältnissen bis zu 50 % weniger Nachtinsekten als un- ter Volllicht. Hauptverantwortlich da- für war allerdings primär die Witterung – je wärmer die Nacht und je trocke- ner, desto mehr Insekten wurden ge- fangen. Trotzdem dürfte auch die ge- ringere Lichtmenge dazu beigetragen haben, dass weniger Insekten in die Fallen flogen.
2 https://www.ekz.ch/wattdor
3 https://www.zh.ch/internet/baudirektion/
tba/de/aktuell/medienmitteilungen/2015/
oeb_pilotprojekt_ekz.html
4 Beispiel Regensdorf-Watt: https://www.
youtube.com/watch?v=hC_lIygX9V8;
Beispiel Urdorf: https://www.ekz.ch/blue/
de/innovation/2017/smarte-strassenlam- pen-urdorf.html
Eine Dimmung der Strassenleuchten vermindert die Barrierewirkung von künstlichem Licht, das heisst, es blei- ben mehr Dunkelkorridore für licht- meidende Insekten und Fledermäuse.
Allerdings waren nicht alle Insekten gleich stark von der Dimmung betrof- fen. Von der Dunkelheit profitieren vor allem Wanzen, Nachtfalter oder Haut- flügler, während die Anzahl gefange- ner Fliegen, Mücken oder Käfer weni- ger stark von der Lichtmenge abhing.
Das Dimmen der Strassenbeleuchtung könnte also wesentlich dazu beitragen, den Ansprüchen der Natur wie auch der Menschen besser gerecht zu wer- den (Bolliger et al. 2018a, b; Bolliger und Haller 2018).
3 Auf dem Weg zu einer nachhaltigen Lichtzukunft
Die neuen Entwicklungen in der Licht- technik erlauben es, Aussenbeleuch- tungen wie Strassenleuchten umwelt- freundlicher zu gestalten, ohne dabei die Strassenverkehrssicherheit zu ge- fährden. LED-Leuchtensysteme über-zeugen dabei besonders: Sie sind ener- gieeffizient, langlebig und ermöglichen es, eine Strasse bedarfsorientiert nur bei entsprechendem Verkehrsaufkom- men voll auszuleuchten.
Wie sich Nachtlicht auf die ökologi- sche Umwelt auswirkt, ist wissenschaft- lich noch zu wenig erforscht. Es sollten alle Leuchteneigenschaften (Abb. 1) einzeln getestet werden. Dies gilt ins- besondere für das Design von Leuch- ten (Abb. 1), zu dem in der Literatur keine einzige Studie gefunden werden konnte. Solche Forschungsergebnisse aus Umwelt-Lichtinteraktionen kön- nen dazu beitragen, Beleuchtungsni- veaus basierend auf empirischen Da- ten neu anzupassen und so eine Über- dimensionierung einer Lichtanlage zu vermeiden. Ob und inwieweit das Wis- sen aus Forschungsprojekten jedoch in praktische Lichtmanagementpläne ein- fliesst, hängt nicht zuletzt von einem aktiven Dialog zwischen Forschenden und Beleuchtungsunternehmen ab.
Bei der Umsetzung hin zu nachthalti- geren Strassenbeleuchtungen ergeben sich viele Herausforderungen. Ziele und Verantwortlichkeiten von Lichtin- genieurInnen und ÖkologInnen unter-
Lichtsumme/Nacht
Gedimmt Vollicht
Beleuchtungsstärke reduziert
um 40% Beleuchtungsstärke
100%
2000 1500 1000 500
Abb 3. Smart lighting im Strassenverkehr: gedimmte Strassenleuchten emittieren 30 bis 40 % weniger Licht als Strassenleuchten, die die volle Lichtmenge abstrahlen. Fotos: EKZ.
14 Forum für Wissen 2019
WSL Berichte, Heft 84, 2019 worth, A. 2019: Bright lights in the big ci-
ties: migratory birds’ exposure to artificial light. Front. Ecol. Environ. 17: 209–214.
Knop, E.; Zoller, L.; Ryser, R.; Erpe, C.G.;
Horler, M.; Fontaine, C., 2017: Artificial light at night as a new threat to pollina- tion. Nature 548: 206–209.
Kyba, C.C.M.; Kuester, T.; de Miguel, A.S.;
Baugh, K.; Jechow, A.; Holker, F.; Ben- nie, J.; Elvidge, C.D.; Gaston, K.J.; Gu- anter, L. 2017: Artificially lit surface of Earth at night increasing in radiance and extent. Sci. Adv. 3.
Marchand, P., 2019: Do brighter, whiter street lights improve road safety. Signifi- cance 16, 8–9.
Ouyang, J.Q.; de Jong, M.; van Grunsven, R.H.A.; Matson, K.D.; Haussmann, M.F.;
Meerlo, P.; Visser, M.E.; Spoelstra, K., 2017: Restless roosts: Light pollution af- fects behavior, sleep, and physiology in a free-living songbird. Glob. Chang. Biol.
23: 4987–4994.
Russart, K.L.G.; Nelson, R.J., 2018: Artifi- cial light at night alters behavior in labo- ratory and wild animals. Journal of Ex- scheiden sich, und der Aufwand für Ex-
perimente und Lichtinfrastruktur so- wie Personal für den Versuchsunterhalt ist gross. Gleichzeitig sind die Investi- tionskosten in neueste Lichttechnolo- gien sehr hoch und lassen sich meist nicht durch Energieeinsparungen mo- netär wettmachen. Da auch die Politik keinen Druck zum Energiesparen aus- übt, besteht auch von dieser Seite kein Grund für die technische und wissen- schaftliche Umsetzung eines ökologi- scheren Lichtmanagements. Nichtsdes- totrotz: Nachhaltige(re), leuchtentech- nische Massnahmen sind also nicht nur verfügbar und planbar, sondern las- sen sich auch umsetzen und ökologisch evaluieren.
4 Literatur
Bolliger, J.; Haller, J., 2018: Dimmbare Strassenleuchten für Insekten und Fle- dermäuse. Zürcher Umweltpraxis ZUP 92: 19–20.
Bolliger, J.; Hennet, T.; Pazur, R.; Wer- melinger, B.; Boesch, R.; Blum, S.; Hal- ler, J.; Obrist, K., 2018a: Dimmbare LED Strassenleuchten: gute Aussichten für Nachtinsetken und Fledermäuse? N&L Inside 3: 16–21.
Bolliger, J.; Hennet, T.; Wermelinger, B.;
Haller, J.; Obrist, M.K., 2018b: Wenn die Nacht zum Tag wird. Tierwelt 43: 13–14.
Boyce, P.R., 2019: The benefits of light at night. Build. Environ. 151: 356–367.
Davies, T.W.; Smyth, T., 2018: Why artificial light at night should be a focus for global change research in the 21st century. Glob.
Chang. Biol. 24: 872–882.
Guette, A.; Godet, L.; Juigner, M.; Robin, M., 2018: Worldwide increase in artificial light at night around protected areas and within biodiversity hotspots. Biol. Con- serv. 223: 97–103.
Haller, J., 2016: Eine Zukunftslösung für die bedürfnisgerechte Beleuchtung des öffentlichen Raums smart lighting: Ta- gungsband Licht 2016 Karlsruhe, KIT Scientific Publishing.
Haller, J., 2014: Wie verändert die LED die Beleuchtung unserer Städte und Dörfer?
Erfahrungen und Trends nach 6 Jahren mit LED, Licht 2014, Stichting Voor Ver- lichtingskunde NSVV. Den Haag, Nieder- lande.
Horton, K.G.; Nilsson, C.; Van Doren, B.M.;
La Sorte, F.A.; Dokter, A.M.; Farns-
perimental Zoology Part a-Ecol. Integr.
Physiol. 329: 401–408.
Schuler, L.D.; Schatz, R.; Berweger, C.D., 2018: From global radiance to an increa- sed local political awareness of light pol- lution. Environ. Sci. Policy 89, 142–152.
Somer-Yeates, R.; Hodgson, D.; McGre- gor, P.K.; Spalding, A.; ffrench-Cons- tant, R.H., 2017: Shedding light on mo- ths: shorter wavelengths attract noc- tuids more than geometrids. Biol. Lett. 9:
20130376.
Spoelstra, K.; van Grunsven, R.H.A.; Ra- makers, J.J.C.; Ferguson, K.B.; Raap, T.;
Donners, M.; Veenendaal, E.M.; Visser, M.E., 2017: Response of bats to light with different spectra: light-shy and agile bat presence is affected by white and green, but not red light. Proceedings of the Ro- yal Society B-Biological Sciences 284.
van Langevelde, F.; Ettema, J.A.; Don- ners, M.; WallisDeVries, M.F.; Groe- nendijk, D., 2011: Effect of spectral com- position of artificial light on the attraction of moths. Biol. Conserv. 144: 2274–2281.
Abstract
Artificial night light is increasingly recognized as a threat to ecosystem functions.
LED outdoor lighting can help to conserve resources with the help of long-life light sources and lowered energy consumption. Increased efficiency of LEDs also contribute to an optimization of the light supply and intelligent, adaptive lighting and communication technology allow to reduce light emissions into the environ- ment. In order to value these new technical developments, a common denomina- tor is required that minimizes the impact on the environment, meets the needs of the population and at the same time ensures (traffic) safety. In order to ensure this, inter- and transdisciplinary cooperation is necessary to successfully integrate the effects of night light on the ecological environment into lighting design. The aim of this article is to give an overview of the effects of night lighting on the ecological environment, as well as the possibilities and meanings of the latest lighting tech- nology.
Keywords: light at night, ALAN, smart lighting, dimming of street lights, ecological impact assessments, mitigating artificial light at night
