Wellenlängen bei Strahlungsmessungen. im Gebiet der Meteorologie nm nm

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1 Die Solarstrahlung Die Sonne sendet uns ein breites Frequenzspektrum. Die elektromagnetische Strahlung der Sonne, die am oberen Rand der Erdatmosphäre einfällt, wird als extraterrestrische Sonnenstrahlung bezeichnet. Das Integral über das gesamte Spektrum beträgt 1,367 kw/m² (Solarkonstante). Die Sonne erscheint auf der Erde unter einem Gesichtsfeldwinkel von 32. Der Strahlengang der Strahlung verläuft damit fast parallel. kurzwellig Wellenlängen bei Strahlungsmessungen im Gebiet der Meteorologie UV-C UV-B UV-A sichtbar nm nm nm nm wird durch die Erdatmosphäre absorbiert und erreicht nicht die Erdoberfläche wird durch die Erdatmosphäre nur teilweise absorbiert; biologisch aktiv; verursacht Sonnenbrand auf der menschlichen Haut gerade außerhalb des sichtbares Spektrums; biologisch nicht sehr aktiv sichtbares Licht von violett bis rot NIR nm Wärmestrahlung langwellig (Infrarot) FIR nm Wellenlängen bei Strahlungsmessungen Wärmestrahlung abgestrahlt von der Erde, dem Himmel und dem Universum

2 Der meteorologisch bedeutsame Spektralbereich liegt bei 300 bis 3000 nm. Auf diesen Bereich entfallen etwa 96% der gesamten extraterrestrischen Sonnenstrahlung. Das Maximum der spektralen Verteilung der Sonnenstrahlung liegt bei 500 nm. Das Gesamtspektrum umfasst die allgemein als UV (Ultraviolett), sichtbares Licht und Infrarot bezeichneten Frequenzen. Auch diese Frequenzbereiche müssen je nach Aufgabenstellung nochmals unterteilt werden. Bekannt sind hierbei natürlich in erster Linie die unterschiedlichen Farben des sichtbaren Lichtes, aber auch die Unterteilung des UV-Bereiches in UV-A, UV-B und UV-C. Etwa 6% der gesamten auf die Erde treffenden Solarstrahlung ist UV-Strahlung. Je höher die Frequenz, desto energiereicher ist die Strahlung. Damit steigert sich auch die biologische Wirksamkeit. Die Schwächung der Sonnenstrahlung beim Passieren der Erdatmosphäre erfolgt vornehmlich durch folgende Prozesse: im infraroten Bereich: Absorption durch Wasserdampf und Aerosolpartikel bei relativ geringer Streuung im sichtbaren Bereich: Streuung an Molekülen und Aerosolpartikeln, schwache Absorption durch Aerosolpartikel, Ozon und andere Spurengase im ultravioletten Bereich: Streuung an Molekülen und Aerosolpartikeln, sowie stärkere Absorption durch Ozon, Schwefeldioxid, Stickstoffdioxid und andere Spurengase Die höher frequente UV-C Strahlung wird in den oberen Schichten der Atmosphäre dabei durch molekularen Sauerstoff nahezu vollständig absorbiert. Bei diesem Vorgang wird auch Ozon (O³) gebildet. Ozon wirkt hier seinerseits wieder als Filter für ultraviolette Strahlung. Die Filterwirkung von Ozon steigt bei höheren Frequenzen. Während die niederfrequenten UV-A Strahlen fast vollständig zur Erdoberfläche gelangen, werden die UV-B Strahlen zu etwa 90% durch das Ozon absorbiert. Änderungen des Ozongehaltes machen sich bei der UV-B Strahlung besonders bemerkbar. Mit zunehmender Ozonschicht verringert sich die die Erdoberfläche erreichende UV-B

3 Strahlung; mit abnehmender Ozonschicht steigt die UV-B Belastung auf der Erdoberfläche. Die Sonnenstrahlung ist der Auslöser vieler chemischer Vorgänge und physikalischer Phänomene. Ein ganz wesentlicher Vorgang beim Auftreffen der Solarstrahlung auf der Erdoberfläche ist deren Erwärmung. Dies bildet auch einen wesentlichen Beitrag für unser Überleben auf der Erde. Die Erde strahlt die empfangene extraterrestrische Sonnenstrahlung zu 70% wieder über die Atmosphäre in den Weltraum zurück. Bei der langwelligeren Strahlung handelt es sich um den Frequenzbereich von etwa bis nm. Man spricht auch von FIR - Strahlung (Fern Infra Rot). Knapp 30% der empfangenen Strahlung werden aber auch im kurzwelligen Bereich als Reflexion und Streuung in den Weltraum gestrahlt. Solarstrahlung (stark vereinfacht)

4 Auf der Erde verbleibt nur ein geringer Teil der Energie, mit der alle biologischen Vorgänge auf unserem Planeten aufrechterhalten werden. Diese Abstrahlung von Energie beeinflusst natürlich die Energiebilanz unseres Planeten. Die Energiebilanz beeinflusst ganz allgemein die meteorologischen Daten aber auch z. B. das Wachstum der Pflanzen. Das gestiegene Sicherheitsbedürfnis in Umwelt und Technologie, sowie der Wunsch nach höheren Erträgen, z. B. in der Landwirtschaft, machen es notwendig, ein exaktes Wissen über empfangene und reflektierte Strahlung zu erhalten. Dabei können sowohl das Frequenzspektrum als auch die Strahlungsintensität von Bedeutung sein. In vielen technologischen Gebieten, wie z. B. Klimatologie, Meteorologie, Hydrologie, Energieumwandlung (Solargeneratoren) und Materialprüfung ist heute eine Messung der Solarstrahlung unter Berücksichtigung vieler besonderer Aufgabenstellungen nötig.

5 Die Solar-Messtechnik zur Klimaforschung und Wettervorhersage ist heute täglicher Bestandteil vieler Aktivitäten und Informationen, und in unserem Leben nicht mehr wegzudenken. In der See-, Luft- oder Raumfahrt sind diese Messungen unumgänglich. Ein in den letzten Jahren sehr aktuell gewordenes Teilgebiet ist die Messung der Sonnenstrahlung in Zusammenhang mit der Materialprüfung. Dabei ist die Strahlungsbeständigkeit von chemischen Werkstoffen und Lebensmitteln immer mehr in den Vordergrund gerückt. In diesen Bereichen gilt es zum einen, eine qualitative Aussage über die Energie bzw. die Gesamtstrahlung in W/m² zu erhalten, und zum anderen eine exakte Aussage über den Anteil an UV-Strahlung (UV-A und UV-B), was für viele Anwendungen von besonderem Interesse ist.

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