Auf den Menschen beziehbare Messungen der ultravioletten Sonnenstrahlung

Summary

Measurements of solar radiation are commonly done using horizontally adjusted receivers, which measure the irradiance on a plane surface. Such an arrangement seems hardly appropriate, however, if the irradiance to be measured is relevant to human skin. Since the human body has a curved surface there are always parts of the skin which receive maximum irradiance because they are oriented perpendicular to the rays of the sun. We therefore carried out measurements with the receiver turned directly to the sun and compared the irradiance to that measured by the horizontally adjusted receiver. Since the scattering of radiation is highly dependent on wavelength, diffuse UV-radiation scattered from the sky and direct solar radiation were determined separately.

The measurements were done in Westerland on the North Sea island of Sylt (54.93° N, 8.31° E) using a double monochromator radiometer. The UV-irradiance was measured in the spectral range from 280 nm to 400 nm with steps of 1 nm. The measured spectra were weighted by the CIE-action spectrum for erythema. The erythemally effective irradiance was calculated by integrating the spectra weighted.

During a clear summer day, erythemal irradiance closely followed the solar elevation angle both on the horizontal receiver and the receiver which was turned directly to the sun. However, apart from very low sun angles, the receiver turned directly to the sun always measured higher irradiances than the horizontally adjusted receiver. At a solar elevation angle of about 30° the irradiation on the inclined receiver exceeded that on the horizontal receiver by up to 25%. The ratio between the irradiances on the inclined surface and the horizontal surface decreased with increasing sun elevation. At the noon angle of 58.5° the difference was some 10%. Measurements of direct solar and diffuse radiation revealed that even on a clear summer day the diffuse radiation scattered from the sky contributes more than one half to the erythemally effective UV-radiation on a plane horizontal surface. On a surface which is perpendicular to the rays of the sun, however, direct solar radiation contributed a greater share to erythemal irradiance.

Zusammenfassung

Messungen der Sonnenstrahlung werden üblicherweise mit horizontal ausgerichteten Empfängern durchgeführt, welche die Bestrahlungsstärke auf eine ebene Fläche erfassen. Eine solche Anordnung scheint jedoch wenig angemessen, wenn es darum geht, die Bestrahlungsstärke zu messen, die für die menschliche Haut relevant ist. Da der menschliche Körper eine gekrümmte Oberfläche hat, erhalten immer Teile der Haut die maximale Bestrahlungsstärke, weil sie senkrecht zu den Sonnenstrahlen ausgerichtet sind. Wir führten deswegen Messungen durch, bei denen der Sensor direkt auf die Sonne gerichtet war, und verglichen die Bestrahlungsstärken mit denen, die mit dem horizontalen Empfänger gemessen wurden. Da die Streuung der Strahlung besonders stark von der Wellenlänge abhängt, wurden die diffus aus dem Himmel gestreute UV-Strahlung und die direkte Sonnenstrahlung getrennt bestimmt.

Die Messungen wurden in Westerland auf Sylt (54,93° N, 8,31° O) mit einem Doppelmonochromator-Radiometer durchgeführt. Die UV-Bestrahlungsstärke wurde im Spektralbereich von 280-400 nm in 1-nm-Schritten gemessen. Die gemessenen Spektren wurden mit dem CIE-Wirkungsspektrum für das Erythem gewichtet. Die erythemwirksame Bestrahlungsstärke wurde durch Integration der gewichteten Spektren berechnet.

Während eines klaren Sommertages folgte die erythemale Bestrahlungsstärke eng dem Sonnenhöhenwinkel, und zwar sowohl die Bestrahlungsstärke auf den horizontalen Empfänger als auch auf den zur Sonne gerichteten Sensor. Abgesehen von sehr geringen Sonnenhöhenwinkeln empfing der zur Sonne gerichtete Sensor jedoch immer höhere Bestrahlungsstärken als der horizontal ausgerichtete Empfänger. Die Bestrahlungsstärke auf den geneigten Empfänger übertraf die auf den horizontalen Sensor maximal um etwa 1/4 bei einem Sonnenhöhenwinkel von etwa 30°. Der Unterschied zwischen den Bestrahlungsstärken auf die geneigte Fläche und die horizontale Fläche wurde mit zunehmender Sonnenhöhe kleiner. Beim Mittagshöchststand von 58,5° belief sich die Differenz auf rund 10%. Die Messungen der direkten Sonnenstrahlung und der diffusen Strahlung ergaben, dass die diffuse aus dem Himmel gestreute Strahlung selbst an einem klaren Sommertag mehr als die Hälfte der Bestrahlungsstärke auf eine horizontale Fläche ausmacht. Auf einer senkrecht zur Sonnenstrahlung ausgerichteten Fläche lieferte dagegen die direkte Sonnenstrahlung zur erythemwirksamen Bestrahlungsstärke einen größeren Beitrag.

Key words

Solar radiation - UV-radiation - heliotherapy - UV-load - dermatitis solaris

Schlüsselwörter

Sonnenstrahlung - UV-Strahlung - Heliotherapie - UV-Exposition - Dermatitis solaris