Welche Auswirkungen hat die Sonnenstrahlung auf uns?

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1 Einleitung Die kurze Frage Welche Auswirkungen hat die Sonnenstrahlung auf uns? zu beantworten, ist nahezu unmöglich. Wir müssen uns zuerst damit befassen, welche Arten von Strahlung von der Sonne ausgesendet werden, und welche davon uns auf der Erde erreichen. Andererseits müssen wir die Auswirkungen der Strahlung in direkte und indirekte Auswirkungen trennen. Die direkten Auswirkungen sind diejenigen, die unseren Körper direkt beeinflussen. Die wohlige Wärme, die wir empfinden, wenn wir am Strand in der Sonne liegen, oder der Sonnenbrand danach sind zwei Ergebnisse, die wir zu erwarten haben. Es gibt aber noch viele weitere direkte Auswirkungen, die wir nicht so augenscheinlich erfahren. Es sind heilende, aber auch Krankheit erregende Wirkungen. Sichtbares Licht und ein gewisses Maß an UV-Strahlung sind für die Gesundheit des Menschen unerlässlich. Hierzu zählt die Aktivierung der D-Provitamine in der Haut. Ein Mangel an Vitamin D führt zu Rachitis. Auch für die Haut ist UV-Strahlung notwendig. Die UV- Strahlung kann zur Heilung von Hautkrankheiten wie z. B. Schuppenflechte und Akne angewandt werden. Der menschliche Körper reagiert sehr differenziert, wenn die Bestrahlung gewisse Grenzen überschreitet. Der Sonnenbrand ist dabei wohl für jeden die bekannteste negative Erscheinung. Dass auch Hautkrebs durch UV-Strahlung entsteht, ist heute wohl hinreichend bekannt. Die indirekten Auswirkungen sind in ihrer Zahl so groß, dass man sich vorab klarmachen muss, dass unser Leben auf diesem Planeten ohne Sonnenstrahlung nicht möglich ist. Die Sonnenstrahlung beeinflusst in ähnlicher Form, wie sie den menschlichen Körper beeinflusst, auch Tiere und Pflanzen, sowie unseren Erdboden. Da uns Tiere und Pflanzen als Nahrung dienen, bekommen wir die Auswirkungen dann indirekt ebenfalls zu spüren. Menschen, Tiere und Pflanzen erleben nicht nur direkte Auswirkun-

2 gen der Strahlung. Die Strahlung beeinflusst unser Wetter in einem ganz beträchtlichen Ausmaß. Unter Wetter wird hierbei aber nur der kurzzeitige aktuelle physikalische Zustand unserer Atmosphäre verstanden. Das Wetter mit seinen sehr komplexen und sich gegenseitig beeinflussenden Ereignissen und Geschehen kann aber nicht nur kurzzeitig betrachtet werden, es bestimmt über einen mittelfristigen Zeitraum die Witterung und damit auch, in längeren Zeiträumen betrachtet, das örtliche Klima, aber auch das gesamte Klima der Erde. Die Sonne strahlt Energie in solch einem Umfang aus, den wir als Menschen kaum in seinen wirklichen Dimensionen begreifen können. Die ungeheuren Kräfte, die in den durch Sonnenstrahlung bewirkten Luft- und Wasserbewegungen entstehen, werden uns von Zeit zu Zeit durch Wirbelstürme oder Überschwemmungen deutlich. Wetteraufzeichnungen und Wettervorhersagen gehören heute zu den Dingen unserer Zivilisation, die nicht wegzudenken sind. Unsere heutige Zivilisation und der technische Fortschritt, wie der Straßen-, Seeoder Luftverkehr wäre ohne die Messung der Wetterdaten nicht aufrecht zu erhalten. Aber auch der persönliche Schutz vor Glatteis oder Lawinen ist ohne die Messung der Sonnenstrahlung kaum möglich. Da vor all diesen Messungen andere detaillierte Aufgabenstellungen stehen, ist es notwendig, auch für diese Aufgabenstellungen entsprechend konzipierte Sensoren zu entwickeln. Die Technik bietet verschiedenartige Verfahren zur Erfassung der geforderten Messgrößen. Diese Arbeit soll einen kurzen Überblick über die derzeit auf dem Markt verfügbaren Sensoren und ihre vorrangige Anwendung geben.

3 Die Sonne Die Sonne bildet das Gravitationszentrum unseres Sonnensystems. Sie ist der Energielieferant für unsere Erde. Die von der Sonne abgestrahlte Energie ermöglicht, direkt oder indirekt, erst alle Lebensvorgänge auf der Erde. Die Sonne besteht aus Wasserstoff (71%) und Helium (27%) sowie 2% schwerer Elemente. Nahe dem Sonnenzentrum herrscht eine Temperatur von ungefähr 16 Millionen Kelvin. Der nukleare Vorgang im Sonnenkern erstreckt sich auf einen Bereich, der rund ein Viertel des Sonnendurchmessers (etwa km) ausmacht; der Gesamtdurchmesser der Sonne beträgt km. Die Masse der Sonne entspricht Erdmassen. Die Sonne strahlt mit einer Leistung von 3,72 x MW, dies entspricht einer Strahlungsleistung von 63 MW/m² an der Sonnenoberfläche. Trifft diese Strahlung bei einem mittleren Abstand Erde-Sonne auf eine senkrecht zu den Sonnenstrahlen orientierte Fläche von 1m² Größe, ergibt dies im langjährigen Mittel eine Leistung von 1,367 kw/m². Man bezeichnet dies als Solarkonstante. Die von der Sonne abgestrahlte Energie ändert sich nicht um mehr als 0,1% unabhängig davon, ob sich die Sonne in einer aktiven oder ruhigen Phase befindet. Die Sonne verzeichnet Zyklen der Aktivität und der Ruhe von jeweils 11 Jahren. Die oberste, mit etwa 400 km relativ dünne Schicht, ist die Photosphäre. In dieser Schicht herrscht eine Temperatur von ca Kelvin. Diese Temperatur verursacht die weiße, für das menschliche Auge sichtbare Strahlung. Die Erde ist im Durchschnitt ungefähr 150 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt. Jeweils Anfang Januar erreicht die Erde ihren der Sonne nächsten Punkt mit etwa 147 Millionen Kilometer. Nach 6 Monaten, jeweils am 4. Juli erreicht sie ihren der Sonne fernsten Punkt mit etwa 152 Millionen Kilometer. Die Strahlung und damit das Licht benötigt etwa 8,3 Minuten, um von der Sonne zur Erde zu gelangen. Die direkte Sonnenstrahlung ist durch diese Entfernungsunterschiede jeweils Anfang Januar etwa 7% intensiver als am 4. Juli. Die Temperaturunterschiede auf der Erde während der verschiedenen Jahreszeiten werden aber nur zu einem kleinen Teil durch diese

4 Veränderung der von der Erde empfangenen Sonnenstrahlung auf Grund dieses Entfernungsunterschiedes beeinflusst. Umlaufbahn der Erde um die Sonne Seit etwa 4,5 Milliarden Jahren befindet sich die Sonne in diesem Stadium ihrer Entwicklung. In der Sonne ist noch genug Energie (Wasserstoff) vorhanden, um den gegenwärtigen Zustand für weitere 4,5 Milliarden Jahre aufrecht zu erhalten.

5 Die Atmosphäre Einen Wesentlichen Einfluss auf die Intensität der Sonnenstrahlung, die auf die Erdoberfläche auftrifft, hat die Atmosphäre unserer Erde. Die Höhe der Atmosphäre erreicht etwa 70 bis 80 km. Wesentliche Bestandteile unserer Atmosphäre sind die Gase Stickstoff (~78%) und Sauerstoff (~21%). Desweiteren sind etwa ein Dutzend weitere Gase, sowie Wasserdampf zu den Hauptbestandteilen der Atmosphäre zu zählen. Ihr Volumen beträgt allerdings nur 1% - der verbleibende Anteil. Da sich die verschiedenen Schichten der Atmosphäre sehr unterschiedlich verhalten, nimmt man hier eine Unterteilung mit speziellen Namen vor. Die Atmosphäre Die unterste Schicht wird als Troposphäre bezeichnet. Die Troposphäre reicht bis zur Tropopause und hat eine Höhe von >10 km. Es ist die wolkenreichste Schicht. Die Tropopause ist die Grenzschicht zwischen Troposphäre und Stratosphäre. Sie liegt zwischen 8 und 10 km Höhe in den Polarregionen und etwa 18 km Höhe in der Nähe des

6 äquatorialen Gürtels. Die Temperatur innerhalb der Tropopause liegt unter -50 C. Die Stratosphäre ist wegen der geringen Luftfeuchte nahezu wolkenlos. Oberhalb der Stratosphäre erstreckt sich die Mesosphäre ab etwa 50 km über der Erdoberfläche. Darüber folgt die Ionosphäre, welche auch vielfach als Thermosphäre bezeichnet wird. Ihre Ausdehnung reicht bis in eine Höhe von etwa 640 km. Jenseits der Ionosphäre erstreckt sich die Exosphäre. Sie stellt die äußere Grenze der Atmosphäre dar und reicht bis etwa km. Etwa die Hälfte der Masse unserer Atmosphäre befindet sich jedoch in den unte-ren 5 bis 6 km. Beim Durchqueren der Atmosphäre wird die extraterrestrische Sonnenstrahlung durch Extinktion in Folge von Streuung und Absorption an Luftmolekülen, Aerosolpartikeln, Wolkentropfen und Wolkenkristallen abgeschwächt. Die Streuung der Sonnenstrahlung erfolgt im gesamten spektralen Bereich. Man unterscheidet hierbei verschiedene Arten: 1) Streuung an Wolkentropfen und / oder Wolkenkristallen (relativ gleichmäßig im gesamten Spektralbereich) 2) Streuung an Molekülen (Rayleigh-Streuung), (größere Streuung bei kürzeren Wellenlängen) 3) Streuung an Aerosolpartikeln (Mie-Streuung), (je nach Partikelverteilung; größere Streuung bei kürzeren Wellenlängen) Gasmoleküle rufen dabei eine relativ hohe Absorption der Solarstrahlung hervor. Das typische Spektrum der Sonnenstrahlung auf Meeresniveau bei Normatmosphäre nach DIN ISO 2533 ist im folgenden Bild dargestellt.

7 Solarstrahlung auf Meeresniveau Luftdruck- und Temperaturschwankungen in der Atmosphäre beeinflussen die Absorption und somit den Transmissionsgrad ebenfalls.

8 Die Erde Wieviel und welche Arten von Strahlung auf der Erdoberfläche auftreffen, hängt natürlich von den unterschiedlichsten Eigenschaften der Atmosphäre ab. Andererseits ist aber die Größe unserer Erde und ihre Position im Raum ein wichtiger Faktor. Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist die Beschaffenheit der Erdoberfläche, denn von ihr hängt es ab, wieviel der Strahlung absorbiert oder reflektiert wird. Die Erde hat am Äquator etwa einen Durchmesser von km. Dies bedeutet einen Erdumfang von km. Die Erdoberfläche wird dabei zu 70,8% von Wasser bedeckt. Die Sonne liefert der Erde über 99,98% aller Energie. Dies führt zu einer mittleren Temperatur auf der Erdoberfläche von 14 C. Zeitlich und örtlich treten dabei extrem unterschiedliche Temperaturen auf. Die höchste witterungsbedingte Temperatur betrug 57,3 C in Libyen; die niedrigste gemessene Temperatur betrug -89,2 C in der Antarktis. Einfallswinkel der Solarstrahlung

9 Da die Erde um die Sonne kreist, und sich außerdem um die eigene Achse dreht, ändert sich der Einfallswinkel der Solarstrahlung dauernd. Das Verhältnis zwischen Intensität der Strahlung und dem Einfallswinkel auf der Erdoberfläche kann als eine Cosinusfunkti-on beschrieben werden. Man bezeichnet diese Funktion auch als das Lambert sche Gesetz. Ein weiterer Einfluss wird durch die Inklination der Erdachse hervorgerufen. Der entscheidende Faktor ist dabei die tageszeitliche Änderung des Einfallswinkels der Strahlung. Inklination der Erde Die Erde ist aber auch keine plane Scheibe. Durch ihre annähernd kugelförmige Gestalt - mit ihrer Gravitationskraft - bindet sie die Atmosphäre ebenfalls ringförmig. Durch das Verhältnis zwischen Erddurchmesser (Oberflächenkrümmung) und Höhe der Erdatmosphäre wird die Intensität der Strahlung, die auf der Erdoberfläche auftrifft, zusätzlich beeinflusst.

10 Wenn die Sonne direkt senkrecht steht, und somit der Einfallswinkel zur Erdoberfläche 90 beträgt, ist die höchste Intensität der Solarstrahlung zu verzeichnen. Je niedriger die Sonne am Himmel steht, desto mehr Strahlung wird durch die Atmosphäre gestreut und desto weniger Strahlung erreicht die Oberfläche. Außerdem hat die Strahlung einen längeren Weg durch die Atmosphäre zurückzulegen und erfährt so eine größere Dämpfung. Knapp über dem Horizont beträgt diese Strecke etwa das 5-fache der direkten Strecke. Man spricht in diesem Fall von der atmosphärischen Tiefe. Die Wirkung der atmosphärischen Tiefe wird außerdem durch die Beschaffenheit der Atmosphäre beeinflusst. Atmosphärische Tiefe Die Strahlung wird zusätzlich durch die Eigenschaften der Erdoberfläche beeinflusst. Leicht zu verstehen ist, dass eine mit Schnee bedeckte Oberfläche mehr Energie reflektiert als z. B. eine mit schwarzem Schiefer bedeckte Oberfläche. Den Teil der Strahlung, der hier reflektiert wird, bezeichnet man als Albedo.

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