2. UV solar radiation – a basic review
Die Strahlung der Sonne setzt
sich aus der Ultravioletten (UV) Strahlung, der sichtbaren
Strahlung (Licht), und der Infraroten (IR) Strahlung zusammen.
Die Strahlung wird meist durch die Wellenlänge charakterisiert,
die normalerweise in Einheiten von Nanometern (1nm=10-9m)
angegeben wird. Im Zusammenhag mit der biologischen Wirkung der
UV Strahlung erfolgt eine Aufteilung in 3 Bereiche: UV-C
Strahlung (100-280nm), UV-B Strahlung (280-315nm) und UV-A
Strahlung (315-400nm). UV radiation can be measured as an
irradiance – the power incident upon a surface unit area
– in units of W/m2, or as a radiant exposure, or
dose – the energy incident upon a surface unit area during a
specified period of time – in units of J/m2. Im
folgenden werden die wichtigsten Faktoren die die Stärke der UV
Strahlung die an die Erdoberfläche gelangt beeinflussen
beschrieben.
Atmosphärisches
Ozon
Die UV Strahlung wird auf ihrem Weg
durch die Atmosphäre absorbiert und gestreut. UV-C Strahlung
wird in der oberen Atmosphäre vollständig von den Sauerstoff
und Ozonmolekülen absorbiert. Der Großteil der UV-B Strahlung
wird in der Stratosphäre von den Ozon Molekülen absorbiert und
nur ein kleiner Teil erreicht die Erdoberfläche. Deshalb setzt
sich die UV Strahlung die bis zur Erdoberfläche gelangt vor
allem aus UV-A Strahlung und nur einem geringen Anteil von UV-B
Strahlung zusammen.
UV-B radiation is known to be
biologically damaging, whereas UV-A radiation is much less
damaging but is known for its ability to tan the human skin. As
ozone is the main absorber of UV-B radiation the UV-B intensity
at the Earth’s surface depends strongly on the total amount
of ozone in the atmosphere, and thus on the thickness of the
ozone layer. A factor, which describes the relation between the
sensitivity of the UV-B intensity to changes in total ozone, is
the so-called Radiation Amplification Factor (RAF). For small
changes in the ozone layer thickness the RAF represents the
percent change in UV-B intensity for a 1-percent change in the
total column ozone. For CIE-weighted irradiance, i.e., for the
erythemally effective UV radiation, and for varying solar
elevations and ozone, the RAF’s are in the range of 1.1-1.3.
Sonnenhöhe
Unter Sonnenhöhe versteht man den
Winkel zwischen der Sonne und dem Horizont. Oft wird auch der
Zenitwinkel (SZA) verwendet um die Sonnenhöhe zu beschreiben:
Der Zenitwinkel ist der Winkel zwischen der Sonne und dem Zenit.
Die UV Strahlung nimmt mit der Sonnenhöhe zu weil die Strahlung
bei großer Sonnenhöhe einen kürzeren Weg durch die Atmosphäre
zurücklegen muß, und daher die Menge der absorbierenden
Moleküle die sie auf ihrem Weg begenet kleiner ist. Da die
Stärke der UV Strahlung sehr stark von der Sonnenhöhe abhängt
verändert sie sich auch sehr stark mit der geographsichen
Breite, der Tages- und Jahreszeit, und ist daher in den Tropen,
zu mittag und im Sommer am stärksten.
Die Seehöhe
Die Stärke der UV Strahlung nimmt
mit der Seehöhe zu, weil die Distanz die die Strahlung durch die
Atmosphäre zurück zu legen hat kleiner wird und damit die
Anzahl der Absorbierenden Moleküle. Messungen haben gezeigt,
dass die UV Strahlung mit etwa 6-8% pro 1000 Höhenmeter zunimmt.
Atmospheric
scattering
At the surface of the Earth solar
radiation is composed of direct and scattered (diffuse)
components. Solar radiation is scattered on air molecules and on
particles such as aerosols and water droplets. The direct
component consists of the rays from the sun that has passed
directly through the atmosphere without being scattered or
absorbed. The diffuse component consists of rays that have been
scattered at least once before reaching the ground. Scattering
depends strongly on wavelength. The sky looks blue because blue
radiation is scattered more than the other visible
wavelengths. UV radiation is scattered even more and at the
surface of the Earth the UV-B is roughly composed of a 1:1
mixture of direct and diffuse radiation.
Clouds and
haze
The UV irradiance is higher when the
sky is cloudless. Clouds generally reduce the UV irradiance but
the attenuation by clouds depends on both the thickness and the
type of cloud (optical depth of clouds). Thin or scattered clouds
have only a little effect on UV at the ground. In certain
conditions and for short times a small amount of cloud may even
enhance the UV irradiance compared to fully clear skies. In hazy
conditions UV radiation is absorbed and scattered by water
droplets and aerosols and this leads to decrease in the UV
irradiance.
Ground
reflection
Part of the UV radiation that
reaches the ground is absorbed by the Earth’s surface and
part of it is reflected back to space. The amount of reflected
radiation depends on the properties of the surface. Most natural
surfaces such as grass, soil and water reflect less than about
10% of the incident UV radiation. Fresh snow, on the other hand,
may reflect up to about 80% of the incident UV radiation. During
spring and with a cloud-free sky the reflection of snow may
increase the UV irradiance on inclined surfaces to summer values.
This is important at higher altitudes and at higher latitudes.
Sand may reflect about 25% of the UV radiation and can increase
the UV exposure at the beach. Up to 95% of the UV radiation
penetrates into the water and up to 50% penetrates to a
depth of about 3 m (in clear ocean water).