Die Beiträge von direkter und indirekt diffuser Sonnenstrahlung im UV-Spektrum

Zusammenfassung

Die Ultraviolettstrahlung unterscheidet sich in mehrerer Hinsicht von den anderen Anteilen des Sonnenspektrums. Ziel dieser Arbeit ist es, anhand spektroradiometrischer Messungen darzustellen, wie und in welchem Ausmaß die indirekt-diffuse und direkte Strahlung bei verschiedenen Wellenlängen des UV-Bereichs in Abhängigkeit vom Sonnenhöhenwinkel variieren. Die Messungen wurden auf der Nordseeinsel Sylt auf 54 ° 55,5 ` N, 8 ° 18,6 ` O durchgeführt. Die UV-Spektren wurden an einem klaren, wolkenlosen Sommertag um die Sonnenwende mit einem Doppelmonochromator-Radiometersystem (DM 150, Bentham Comp., Reading, England) aufgenommen. Ein Teflon-Diffuser mit angenäherter Kosinus-Empfangscharakteristik diente als Eingangsoptik des Spektroradiometers. Für die Messung der direkten Sonnenstrahlung wurde der Diffusor so ausgerichtet, dass die Sonnenstrahlen senkrecht auf ihn trafen. Eine speziell nach den Richtlinien der WMO für die Messung der direkten Sonnenstrahlung mit Pyrheliometern (Öffnungshalbwinkel 2,5 °, Böschungswinkel 1 °) angefertigte Blende sorgte dafür, dass ausschließlich die Bestrahlungsstärke der direkten Sonnenstrahlen gemessen wurde. Umgekehrt wurde die indirekt-diffuse Strahlung mit dem horizontal ausgerichteten Diffusor gemessen, der mit einer Schattenscheibe von der direkten Sonnenstrahlung verschattet wurde. Um die beiden Messungen vergleichen zu können, wurden die Werte der direkten Strahlung bezogen auf die horizontale Fläche umgerechnet. Aus den Spektren wurden die folgenden sechs Wellenlängen analysiert: 305 nm und 310 nm aus dem UVB-, bzw. 330 nm, 340 nm, 360 nm und 380 nm aus dem UVA-Bereich. Naturgemäß nehmen sowohl die direkte als auch die indirekte Strahlung mit der Sonnenhöhe zu. Doch tun sie dies in unterschiedlicher Weise. Bei geringen Sonnenhöhen etwa bis zum Sonnenhöhenwinkel von 30 ° überwiegt bei allen Wellenlängen des UV-Bereichs die indirekte Strahlung. Bei 305 nm und 310 nm trifft das sogar bis zur Sonnenhöhe von fast 60 ° am Mittag zu. Bei diesen Wellenlängen liefert die diffuse Strahlung bei der Sonnenhöhe von 30 ° fast 80 % der Globalstrahlung und noch rund 56 % bei 60 ° Sonnenhöhe. Dies bedeutet, dass die indirekte Strahlung die direkte während des ganzen Tages übertrifft. Dieses Verhältnis ändert sich im UVA-Bereich: Je länger die Wellenlängen werden und je höher die Sonne steigt, umso gewichtiger wird die direkte Strahlung. Bei 330 nm sind die Bestrahlungsstärken der direkten und indirekten Strahlung bei 60 ° Sonnenhöhe etwa gleich groß. Bei 340 nm verschiebt sich dieses Gleichgewicht zu etw 50 °, bei 360 nm zu 40 ° und bei 380 nm zu ungefähr 30 °. Insgesamt lässt sich feststellen: je kürzer die Wellenlänge, umso mehr wird die UV-Strahlung als diffuse indirekt aus dem Himmelsblau gestreute Strahlung eingestrahlt. Dies ist deswegen von besonderem Interesse, weil die kurzen Wellenlängen genau diejenigen sind, welche auf die Haut am stärksten erythemerzeugend wirken.

The Contributions of Direct and Indirect Diffuse Solar Radiation in the UV-Spectrum

Ultraviolet radiation differs in some respects from other parts of the solar spectrum. Spectroradiometric measurements were used to demonstrate how and to which extent direct and indirect diffuse radiation vary at certain wavelengths in the UV range depending on the solar elevation, i.e. during the course of a day. Measurements were done on the North Sea island of Sylt at 54 ° 55.5 `N, 8 ° 18.6 `E. UV-spectra were measured during a clear cloudless summer day using a double monochromator system (DM 150, Bentham Comp., Reading, England). A Teflon diffuser with an approximate cosine response served as input optic of the spectroradiometer. Direct solar radiation was measured when the receiving surface of the diffuser was arranged to be normal to the incident sun rays. A custom made aperture constructed according to the WMO guidelines for measurement of direct solar radiation by pyrheliometers (opening half-angle 2.5 °, slope angle 1 °) ensured that only the irradiance of the direct sun rays was measured. Conversely the diffuse radiation was measured when the horizontally adjusted diffuser was shaded from the direct sun rays by a shadow disk. To make both measurements comparable, the measured irradiance of the direct radiation was converted in relation to a horizontal plane. Out of the spectra the following six wavelengths were analyzed: 305 nm and 310 nm in the UVB and 330, 340, 360, and 380 nm in the UVA, respectively. Naturally both direct and indirect radiation increase with the elevation of the sun. However, they do so in a different manner. At low elevation up to about 30 ° indirect radiation prevails at all wavelengths in the UV range. At 305 nm and 310 nm this holds true even up to a solar elevation of almost 60 ° at noon. At these wavelengths indirect radiation contributes almost 80 % to the global irradiance at 30 ° solar elevation and still about 56 % at 60 °. This means that indirect radiation exceeds direct radiation during the entire day. This relationship changes in the UVA range. The longer the wavelengths and the higher the sun the more important becomes the direct radiation. At 330 nm the irradiances of direct and indirect radiation are roughly equal at a solar elevation of 60 °. At 340 nm this point of even shifts to about 50 °, at 360 nm to 40 °, and at 380 nm to roughly 30 °. All in all, the shorter the wavelength the more the UV radiation is irradiated as diffuse indirect radiation scattered from the blue of the sky. This is of particular interest because the short wavelengths are precisely those which cause the most skin erythema.

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