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strahlung:uv

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strahlung:uv [2016/01/29 21:11] – [UV-Index und UVB-Bestrahlung im Vergleich] sarinastrahlung:uv [2023/12/20 08:58] (current) – [UVA, UVB und UVC] sarina
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-{{menu>strahlung}} 
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 ====== UV-Strahlung ====== ====== 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. 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. {{wikindx>592;593;594}}+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. {{wkx>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). {{wikindx>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). {{wkx>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. {{wikindx>588;425}}+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. {{wkx>588;425}}
  
 ===== UVA, UVB und UVC ===== ===== 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.+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.
  
-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 | +  * **Röntgenstrahlung** < 100 nm\\ 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) ^ +  * **Vakuum-UV** 100 nm - 200 nm\\ 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. 
-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 | +  * **UV-C**: 200 nm - 280 nm\\ Strahlung unterhalb von 280 nm wird von Ozon absorbiert, kann daher die Erdatmosphäre nicht erreichen. Tatsächlich kommt auch unterhalb von 290 nm keine UV-Strahlung auf der Erdoberfläche an und auch unterhalb von 300 nm ist die UV-Strahlung sehr gering. 
-200 nm - 280 nm: UV-C ^  +  * **UV-B**: 280 nm - 315 nm / 320 nm\\ 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. Im europäischen Raum ist die Definition 280-315 nm häufiger, im amerikanischen Raum eher 280-320 nm
-Strahlung unterhalb von 280 nm wird von Ozon absorbiert, kann daher die Erdatmosphäre nicht erreichen (tatsächliche liegt diese Grenze bei 290nm) | +  * **UV-A**: 315 nm / 320 nm - 380 nm / 400 nm\\ Oberhalb von 380 nm beginnt nach DIN der Strahlungsbereich den das menschliche Auge wahrnehmen kann, und der als Licht bezeichnet wird. Häufig wird aber auch die runde Grenze von 400 nm genutzt. 
-^ 280 nm - 315 nmUV-B ^  +      * In der Dermatologie und bei der Beurteilung von Sonnenschutzmitteln wird die UVA-Strahlung weiter unterteilt in **UV-A 1**: 340 - 400 nm und **UV-A 2**: 320 - 340 nm. Ich nutze hier eine ähnliche Unterteilung, da kurzwelliges UVA (UVA2) eine wichtige Rolle bei der Vitamin-D3-Regulierung spielt und langwelliges UVA (UVA1) für Reptilien sichtbar ist.
-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 nmUV-A ^  +
-Oberhalb von 380 nm beginnt nach DIN der Strahlungsbereich den das menschliche Auge wahrnehmen kann, und der als Licht bezeichnet wird. |+
  
 ===== UV-Index ===== ===== UV-Index =====
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 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. 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. 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 Umweltbundesamt((http://www.bfs.de/DE/themen/opt/uv/uv-index/uv-index_node.html)).+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/cm²<sub>eff</sub> 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 Umweltbundesamt((http://www.bfs.de/DE/themen/opt/uv/uv-index/uv-index_node.html)).
  
 Der UV-Index wird aus einer spektralen Messung durch Multiplikation((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.)) mit der Wirkfunktion für Erythembildung und Integration ermittelt: Der UV-Index wird aus einer spektralen Messung durch Multiplikation((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.)) mit der Wirkfunktion für Erythembildung und Integration ermittelt:
-\[UVI = \frac{40}{µW/cm²} \int\limits_{250 nm}^{400 nm} E_\lambda(\lambda) \cdot W(\lambda) \mathrm{d}\lambda\] +\[UVI = \frac{\int\limits_{250 nm}^{400 nm} E_\lambda(\lambda) \cdot W(\lambda) \mathrm{d}\lambda}{2,µW/cm²} = 0,4 \cdot \frac{\int\limits_{250 nm}^{400 nm} E_\lambda(\lambda) \cdot W(\lambda) \mathrm{d}\lambda}{µW/cm²} \] 
-$E_\lambda(\lambda)$: Bestrahlungsstärke des Sonnenlichts, Einheit µW/cm²/nm, $\lambda$: Wellenlänge, Einheit nm, $W(\lambda)$ Erythem Wirkspektrum (CIE 1798)(($W = \begin{array}{cc} 1 & \mathrm{wenn\,\,} \lambda < 298 \mathrm{nm} \\ 10^{0,094\cdot(298-\lambda)} & \mathrm{wenn\,\,} 298 \mathrm{nm} <\lambda < 328 \mathrm{nm}\\  10^{0,015\cdot(139-\lambda)} & \mathrm{wenn\,\, 328\mathrm{nm} <\lambda < 400\mathrm{nm} \end{array}$))+ 
 +$E_\lambda(\lambda)$: Bestrahlungsstärke des Sonnenlichts, Einheit µW/cm²/nm,  
 +$\lambda$: Wellenlänge, Einheit nm, $W(\lambda)$ Erythem Wirkspektrum (CIE 1987) 
 + 
 +$W = \left\{ \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} \right\} $ 
 + 
 +{{ :uv:erythem_wirkfunktion.png  }} 
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 +==== UV-Index und SED ==== 
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 +Die Standard-Erythmale-Dosis sind 100 J/m² erythemgewichtete Strahlung.  
 + 
 +Typische Umrechnungen: 
 +  * eine Stunde lang UV-Index 1 entspricht 0,9 SED 
 +  * 1 SED = UV-Index 1,1 x 1 h = UV-Index 3,3 x 20 min = UV-Index 6,7 x 10 min 
 + 
 +Typische Jahreswerte für Menschen durch natürliche Sonnenstrahlung sind 100 - 500 SED. 
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 +==== UV-Index und MED ==== 
 + 
 +Die minimale Erythemdosis (MEDoder  Erythemschwellendosis gibt an welche erythemgewichtete UV-Dosis nötig ist, um einen Sonnenbrand auszulösen. Das unterscheidet sich je nach Hauttyp: 
 + 
 +^ Fitzpatrick Hauttyp ^ MED in J/m² ^ MED in mJ/cm² ^  
 +| I (rötliches Haar, Sommersprossen|  150-300  |  15–30 
 +| II (helle Haut und Haare) |  250-400  |  25–40 
 +| III (mittelhelle Haut, braune Haare) |  300-500  |  30–50 
 +| IV (olivbraune Haut, dunkle Haare) |  450-600  |  45–60 
 +| V (dunkle Haut, schwarzes Haar) |  600-900  |  60–90 
 +| VI (dunkelbraune Haut, schwarzes Haar) |  900-1500  |  90–150  |  
 + 
 +Die J/m² geben die Dosis an erythemgewichteter UV-Strahlung auf der Hautoberfläche an, also die Bestrahlungsstärke über einen gewissen Zeitraum. 90 J/m² =((1 J/m² = 10<sup>6</sup> µWs / 10<sup>4</sup> cm² · 1 / 3600s/h = 0,027778 µW/cm² · h)) 2,5 µW/cm² × 1h.  
 + 
 +Da UV-Index = 1 genau 2,5 µW/cm² entspricht, lässt sich für einen vorhandenen UV-Index ausrechnen, nach welcher Bestrahlungsdauer die Dosis für 1 MED erreicht wird. 
  
-[{{ :uv:erythem_wirkfunktion.png | Wirkfunktion für Erythembildung Spektrale Gewichtung für UV-Index }}]{{clear}}+$ \mathrm{Sonnendauer\,in\,Stunden} = \frac{\mathrm{MED}}{90 \cdot \mathrm{UVIndex}} $, $ \mathrm{Sonnendauer\,in\,Minuten} \frac{\mathrm{MED}}{1,5 \cdot \mathrm{UVIndex}} $
  
 +Die US-Behörde für Lebens- und Arzneimittel FDA definiert für Sonnenstudio-Lampen 1 MED = 156 J/m². Diese Umrechnung nutzen auch einige Messgeräte, wie das Solarmeter 7.0. Damit lassen sich UV-Index und MED/h in einander umrechnen((\\ UV-Index = 1 entspricht 2,5 µW/cm²))
 +  * UV-Index = 1 entspricht 0,5769 MED/h
 +  * 1 MED/h entspricht UV-Index 1.73333
  
 ==== UV-Index und UVB-Bestrahlung im Vergleich ==== ==== 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 {{wikindx>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.+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 {{wkx>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.
  
 {{ :uv:wirkfunktionen_vergleich.png }} {{ :uv:wirkfunktionen_vergleich.png }}
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 ====== Literatur ====== ====== Literatur ======
  
-{{wikindxbib}} +{{wkxbib}} 
strahlung/uv.1454098299.txt.gz · Last modified: 2019/02/16 09:25 (external edit)

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