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UV-Index Messung

Messung der Sonneneinstrahlung zur Berechnung des UV-Index

App. 017

Der UV-Index [1], UVI, ist ein international anerkanntes Maß, mit dem die Bevölkerung über die zu erwartende Intensität der UV-Strahlung, Gesundheitsrisiken und Sonnenschutz informieren soll. Der UVI wird üblicherweise ganzzahlig von 0 bis 11+ bekanntgegeben. Je höher der Index desto höher ist das Potential für Schäden an Haut und Augen und desto kürzer ist die Zeit, in der eine Schädigung auftreten kann. Die UVI-Werte ändern sich kontinuierlich während des Tages und variieren in Abhängigkeit vom Standort [2] und Jahreszeit erheblich. Die täglichen Vorhersagen zum UVI werden für maximale Werte getroffen, d.h. bei klaren Himmelbedingungen am lokalen Sonnenmittag, wenn die Sonne am Himmel am höchsten steht.

Die Berechnung des UVI erfolgt anhand von Messdaten der spektralen Bestrahlungsstärke der Sonne. 

"Das Bundesamt für Strahlenschutz am Schneefernerhaus - Vermessung der UV-Strahlung in 2666 m Höhe"

UV-Index

Belastung

0 – 2

Niedrig

3 – 5

Mittel

6 – 7

Hoch

8 +

Sehr hoch

UVI-Expositionsklassen

Die Messung der UV-Bestrahlungsstärke am Boden erfolgt in der absoluten physikalischen Messgröße W/m². Die wellenlängenabhängige Auswirkung der UV-Bestrahlungsstärke auf die Verursachung von Sonnenbrand wird durch das CIE-Erythema-Wirkungsspektrum [3] beschrieben. Der UVI wird von der effektiven Erythema-Bestrahlungsstärke abgeleitet, welche durch die physikalische UV-Bestrahlungsstärke bestimmt ist, gewichtet mit der CIE-Erythema Funktion. Ein UVI-Wert von 1 entspricht einer effektiven Erythem-Bestrahlungsstärke von 25 mW/m².

CIE 1998 Erythema Wirkungsspektrum

Aufgrund der großen Dynamik und des steilen Wirkungsabfalls von mehr als 3 Dekaden über einen engen Spektralbereich ist es mit filterbasierten Breitbandradiometern kaum möglich, die Erythema wirksame Bestrahlungsstärke mit höchster Präzision zu messen. Folglich kommen zur Messung der Sonnenstrahlung im Rahmen der UVI-Bestimmung durch die verantwortlichen Institute vorrangig Spektralradiometer zur Anwendung. Deren Messwerte der spektralen Bestrahlungsstärke in W.m-2.nm-1 werden mit der spektralen Erythema Wirkungsfunktion gewichtet, um eine genaue Bewertung der effektiven Erythema-Bestrahlungsstärke und somit des UVI zu liefern.

Der extrem große Intensitätsunterschied zwischen der Bestrahlungsstärke im kurzwelligen ultravioletten Bereich und längeren Wellenlängen innerhalb des Sonnenspektrums ist auch eine Herausforderung für das Spektralradiometer selbst. Ein Teil der ultravioletten, sichtbaren und nahinfraroten Strahlung wird „gestreut“ und vagabundiert innerhalb des Messgerätes. Dieses unerwünschte Streulicht wird fälschlicherweise als UV-Strahlung interpretiert und beeinflusst somit das Messergebnis. Selbst scheinbar vernachlässigbares Streulicht wird signifikant, wenn es mit der Erythema-Funktion gewichtet wird. Aus diesem Grund wurden Spektralmessungen der UV-Sonnenstrahlung bisher mit aus Doppelmonochromatoren aufgebauten scannenden Spektralradiometern durchgeführt, denn nur diese boten die erforderliche Streulichtunterdrückung. 

Vergleichsmessung der globalen spektralen Bestrahlungsstärke mit einem BTS2048-UV-S und einem Doppelmonochromator-Spektralradiometer.

 

Mit den modernen CCD-basierten UV-Spektralradiometern BTS2048-UV-S (Laborversion) und BTS2048-UV-S-WP (wetterfeste Version) bietet die Gigahertz-Optik GmbH eine kompakte und kostengünstige alternative Lösung [4] [5] zum scannenden Spektralradiometer. Für allgemeine Messaufgaben ist der filterbasierte breitbandige Detektor XD-9506 mit einer effektiven Erythema-Bestrahlungsempfindlichkeit verfügbar. Die BTS2048-UV-S-WP-Serie wurde erfolgreich nach WMO und im Vergleich zu einem Brewer in [4] und [6] validiert.

Referenzen

[1] BfS – Was ist der UV-Index?

[2] WHO Typical UVI values worldwide

[3] ISO 17166: 1999 (E) / CIE S 007 / E-1998, "Erythema-Referenzaktionsspektrum und Standard-Erythem-Dosis"

[4] R. Zuber et al. 2018, “Global spectral irradiance array spectroradiometer validation according to WMO”, Meas. Sci. Technol. 29 105801

[5] S. Lorenz et al. 2018, BTS Array Radiometer Validation for Solar UV Radiation Monitoring and Integration of the Alpine Climate Region, ECUVM 2018, Vienna

[6] González, C., Vilaplana, J. M., Bogeat, J. A., and Serrano, A.: Comparison of global UV spectral irradiance measurements between a BTS CCD-array and a Brewer spectroradiometer, Atmos. Meas. Tech., 15, 4125–4133, https://doi.org/10.5194/amt-15-4125-2022, 2022.