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Vorwort

strahlung:uv

UV-Strahlung

Als UV-Strahlung wird elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen kürzer als 380 nm bezeichnet. Der deutsche Physiker Johann Wilhem Ritter entdeckte 1801 die UV Strahlung, indem er Sonnenlicht durch ein Prisma aufspaltete und auf ein mit Hornsilber bestrichenes Papier fallen lies. Er stellte eine starke Schwärzung des Silbers außerhalb des violetten Bereichs feststellte und bezeichnete die Strahlung in Abgrenzung der ein Jahr zuvor durch Wärmewirkung nachgewiesenen „Wärmestrahlung“ (eigentlich Infrarotstrahlung) als de-oxidierende Strahlung, später wurde sie als chemische Strahlung bezeichnet.

Die biologische Wirkung UV-Strahlung erkannte man erst rund 100 Jahre später. In den 1890ern erkannte man, dass sowohl Sonnenbrand als auch Hautbräunung durch UV-Strahlung verursacht wird. Um 1900 entwickelte der dänische Physiker Niels Fiensen die Phototherapie und setzte eine Kohlenbogen-UV-Lampe zur Behandlung verschiedener Hautkrankheiten ein. In den 1920ern wurde nachgewiesen, dass UV-Strahlung Vitamin D bildet und dass sowohl UV-Strahlung als auch über die Nahrung zugeführtes Vitamin D (Lebertran) zur Behandlung und Vorbeugung von Rachitis eingesetzt werden kann. [592]; [593]; [594]

Ab 1900 galt UV-Strahlung sowohl in der medizinischen Fachwelt als auch in der Gesellschaft als hervorragendes Mittel zur Prävention von Erkrankungen, viele Firmen entwickelten Kohlenbogen- oder Quecksilberdampf-UV Lampen (1907:Uviol), mit ohne Filter um Strahlung unterhalb von 280nm zu unterdrücken, wobei bei Strahlung unterhalb von 280nm Sonnenbrillen zum Schutz der Augen empfohlen wurden. Die ersten Mischlichtlampen kamen 1930 auf den Markt (GE S-1,S-2). [592]; [593]; [594]

In den 1930ern zeigten Tierversuche, dass UVB-Strahlung Hautkrebs verursacht, so dass das Spektrum von UV-Lampen auf den UVA-Bereich eingeschränkt wurde ich die UV-Begeisterung langsam abebbte. Seit 1976 auch Hautschäden durch UVA beobachtet, gleichzeitig aber Schutz- und Reparaturmechanismen durch UVB bekannt wurden, legt man mehr und mehr Wert auf sonnenähnliche UV-Spektren. Mischlichtlampen wurden durch Leuchtstofflampen ersetzt. [588]; [425]

UVA, UVB und UVC

Historisch wurden die einzelnen Bereich der UV-Strahlung danach unterteilt, welche Materialien UV-Strahlung absorbieren bzw nach welchen Schichten die Strahlung noch nachweisbar ist. Die Grenzen werden je nach Fachbereich und Anwendung anders gesetzt, diese Aufstellung orientiert sich an DIN 5031.

Strahlung unterhalb von 100 nm wird im Weltall absorbiert, da bei dieser Wellenlänge das Seriengrenzkontinuum von Wasserstoff liegt, mit dem das Weltall mit sehr geringem Druck gefüllt ist. Unterhalb von 100 nm spricht man von Röntgenstrahlung
100 nm - 200 nm: Vakuum-UV (VUV)
Strahlung mit Wellenlängen kleiner als 200 nm wird von Luft von Stickstoff und Sauerstoff absorbiert, kann sich in Luft daher nur wenige Millimeter weit ausbreiten
200 nm - 280 nm: UV-C
Strahlung unterhalb von 280 nm wird von Ozon absorbiert, kann daher die Erdatmosphäre nicht erreichen (tatsächliche liegt diese Grenze bei 290nm)
280 nm - 315 nm: UV-B
Bei Strahlung der Wellenlänge kleiner als 315 nm nahm man in den 1930er Jahren die Grenze für die Schädigung von DNA an. Neuere Erkenntnisse zeigen, dass die Grenze eher bei 320 nm festzusetzen sei, was insbesondere in den USA auch so gehandhabt wird.
315 nm - 380 nm: UV-A
Oberhalb von 380 nm beginnt nach DIN der Strahlungsbereich den das menschliche Auge wahrnehmen kann, und der als Licht bezeichnet wird.

UV-Index

Die harten Grenzen zwischen UVA-, UVB- und UVC-Strahlung haben wenig mit der biologischen Wirkung von UV-Strahlung gemeinsam. Strahlung mit 314,9 nm Wellenlänge zählt voll als UVB-Strahlung, Strahlung mit 315,1 nm Wellenlänge nicht, biologisch haben aber beide Wellenlängen fast die selbe Wirkung. Es hat sich daher eine zusätzliche Einheit für UV-Strahlung etabliert, die stärker an der biologischen Wirkung angelehnt ist.

Der UV-Index mit der heutigen Skala wurde 1992 in Kanada eingeführt und orientiert sich an der bereits länger bekannten und definierten Wirkfunktion für Sonnenbrand (CIE 1987). Er hat sich sehr schnell weltweit durchgesetzt und ist heute standardisiert durch WMO, WHO, UNEP und ICNIRP. Der UV-Index ist eine wissenschaftliche Größe. Man hat jedoch die Einheit so gewählt, dass die Zahl für die durchschnittliche Bevölkerung leicht verständlich ist. Eine effektive Bestrahlungsstärke von 2,5 µW/cm²eff entspricht dem UV-Index-Wert 1. Weltweit wird der UV-Index im Wetterbericht als Warnung vor intensiver UV-Strahlung des Sonnenlichts verwendet. Er wird in einem globalen Netzwerk von wissenschaftlichen Einrichtungen gemessen, in Deutschland an 10 Standorten durch das Bundesamt für Strahlenschutz und das Umweltbundesamt1).

Der UV-Index wird aus einer spektralen Messung durch Multiplikation2) mit der Wirkfunktion für Erythembildung und Integration ermittelt: \[UVI = \frac{\int\limits_{250 nm}^{400 nm} E_\lambda(\lambda) \cdot W(\lambda) \mathrm{d}\lambda}{2,5 µW/cm²} \] $E_\lambda(\lambda)$: Bestrahlungsstärke des Sonnenlichts, Einheit µW/cm²/nm, $\lambda$: Wellenlänge, Einheit nm, $W(\lambda)$ Erythem Wirkspektrum (CIE 1987)3)

UV-Index und UVB-Bestrahlung im Vergleich

Der UV-Index beschreibt nur die normierte Erythemwirkung des Lichts. Auch für weitere biologische Wirkungen des UV-Lichts (DNA-Schädigung, Bindehautentzündung, DNA-Bildung) existieren definierte Wirkspektren [73]. Alle diese Wirkspektren haben einen glatten Übergang in der Nähe der Grenze zwischen UVB und UVA. Sie ähneln dem Wirkspektrum der Erythembildung stärker als sie der Definition von UVB-Strahlung ähneln. Wenn es nicht möglich ist, die effektive Bestrahlungsstärke für eine bestimmte biologische Wirkung im UVB-Bereich aus dem zugehörigen Wirkspektrum zu berechnen, kann der UV-Index in vielen Fällen die bessere Wahl als die UVB-Bestrahlungsstärke sein.

Ein weiterer Vorteil des UV-Index gegenüber der UVB-Bestrahlungsstärke besteht darin, dass das glatte Wirkspektrum des UV-Index leichter mit Radiometer nachgebildet werden kann als die harte Kante der UVB-Definition. Außerdem ist der UV-Index den meisten Menschen aus dem Wetterbericht vertraut und es ist leicht, Referenzdaten aus dem Habitat von Tieren auf diesem Weg zu erhalten.

Literatur

[592] Albert, M. R. & Ostheimer, K. G. (2002) The evolution of current medical and popular attitudes toward ultraviolet light exposure: Part 1. Journal of the American Academy of Dermatology, 47 930–937 URL http://dx.doi.org/10.1067/mjd.2002.127254.
[593] Albert, M. R. & Ostheimer, K. G. (2003) The evolution of current medical and popular attitudes toward ultraviolet light exposure: Part 2. Journal of the American Academy of Dermatology, 48 909–918 URL http://dx.doi.org/10.1067/mjd.2003.272.
[594] Albert, M. R. & Ostheimer, K. G. (2003) The evolution of current medical and popular attitudes toward ultraviolet light exposure: Part 3, Journal of the American Academy of Dermatology, 49 1096–1106 URL http://dx.doi.org/10.1016/S0190-9622(03)00021-5.
[588] Hockberger, P. E. (2002) A History of Ultraviolet Photobiology for Humans, Animals and Microorganism. Photochemistry and Photobiology, 76 561–579 URL http://dx.doi.org/10.15 ... 0561:AHOUPF>2.0.CO;2.
[425] Jüstel, T. (2000) Designing UV Phosphor Blends for Suntanning Lamps. Ronda, C. R. (Ed.), Physics and chemistry of luminescent materials.
[73] Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik: Photobiologisch wirksame Strahlung, Größen, Kurzzeichen und Wirkungsspektren. (2000). No. DIN 5031-10Deutsches Institut für Normung e.V..

2)
Manche Autoren schreiben hier von Faltung. Eine Faltung erzeugt aus zwei Eingangsspektren und einer Integration ein Ausgangsspektrum - es treten also ähnliche Rechenelemente auf, wie bei der Multiplikation zweier Spektren mit anschließender Integration. Viele Menschen sind von den überraschenden und nützlichen Eigenschaften von Faltungen ihr Leben lang fasziniert, wenn sie sie erst einmal verstanden haben, und lassen sich vielleicht deswegen dazu hinreißen, immer dann, wenn zwei Spektren und eine Integrationen auftreten, von Faltung zu sprechen. Hier handelt es sich aber tatsächlich „nur“ um eine langweilige Multiplikation der Spektren.
3)
$W = \begin{array}{cc} 1 & \mathrm{wenn\,\,} \lambda < 298 \mathrm{nm} \\ 10^{0,094\cdot(298-\lambda)} & \mathrm{wenn\,\,} 298 \mathrm{nm} <\lambda < 328 \mathrm{nm}\\ 10^{0,015\cdot(139-\lambda)} & \mathrm{wenn\,\,} 328\mathrm{nm} <\lambda < 400\mathrm{nm} \end{array}$

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strahlung/uv.txt · Zuletzt geändert: 2016/01/31 12:09 von sarina

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