Globalstrahlung

Die Sonne strahlt als näherungsweise schwarzer Strahler mit einer Oberflächentemperatur von etwa 5.800 Kelvin ein entsprechendes Spektrum ab. Durch Absorption in der Atmosphäre erreichen nicht alle Teile des Spektrums die Erdoberfläche. Absorptions findet z.B. statt durch

• Ozon (O₃) zwischen 180 nm und 340 nm („Hartley Band“), zwischen 320 nm und 360 nm („Huggins Band“ ) und (schwach) zwischen 440 nm und 740 nm („Chappius Band“).
• Unterhalb von 200 nm dissoziiert molekularer Sauerstoff O₂ , und blokiert die Strahlung vollständig („Schumann-Runge-Band“), ein weiteres Absorptionsband liegt zwischen 200 nm und 240 nm („Herzberg-Band“).
  Strahlung unterhalb von 290 nm erreicht die Erde daher nicht.
• molekularer Sauerstoff O₂ hat zudem schmale Absorptionsbänder bei 688 nm, 760 nm und 1270 nm
• Wasserdampf (H₂O) hat ein Absorptionsband bei 723 nm
• im Infraroten führen Rotations- und Vibrationsübergänge in Wasserdampf (H₂O) und Kohlendioxid (CO₂) die Absorption. IRB Strahlung oberhalb von 1400 nm wird somit stark abgeschwächt.

In der Summe wird bei senkrechtem Sonnenstand 17,7% der Strahlung in der Atmosphäre absorbiert (0,3% Sauerstoff, 1,8% Ozon, 4,1% Aerosol, 4,7% Rayleighstreuung, 6,8% Wasserdampf) [69].

Ein typisches Sonnenspektrum wie das Referenzsonnenspektrum der ASTM (Luftmasse 1.5) setzt sich wie folgt zusammen:

	Bestrahlungsstärke	Prozent Gesamtleistung	UV-Röhren-Prozent1)
UVB (280nm-315nm)	68 µW/cm²	0,07%
UVB (280nm-320nm)	150 µW/cm²	0,15%	0,3%
UVA (315nm-400nm)	4500 µW/cm²	4,5%	7,9%
sichtbar (400nm-700nm)	43000 µW/cm²	43%
Infrarot (700nm-2,5µm)	52000 µW/cm²	52%
IRA (700nm-1,4µm)	42000 µW/cm²	42%
IRB (1,4µm-3µm)	10000 µW/cm²	10%

Was wir als Tageslicht bezeichnen, ist eine gemittelte Strahlung, die sowohl direktes Sonnenlicht als auch gestreutes Himmelslicht enthält.

Die Beleuchtungsstärke an der Erdoberfläche hängt vom Wetter (Absorption durch Bewölkung) vor allem aber vom Sonnenstand (Tages- und Jahreszeit) ab.
Bei völlig klarem Himmel ergibt sich die Beleuchtungsstärke aus der Sonnenhöhe \alpha: E = 128\mathrm{klx}\mathrm{e}^{-0.5/sin(\alpha)} [15]. Die Sonnenhöhe berechnet man aus der Deklination (δ Abhängig von der Jahreszeit) und der Lage des Ortes (Breitengrad β) in Abhängigkeit der Uhrzeit (t): sin(α) = sin(β)sin(δ) - cos(β)cos(δ)cos(15t) Nur ein Teil des Lichts erreicht den Erdboden daher auf direktem Weg von der Sonne, ein gewisser Anteil wird an den Molekülen in der Atmosphäre gestreut, es kommt als Himmelsstrahlung auf den Erdboden. Bei der Rayleight-Streuung des Lichts ist die Intensität proportional zur vierten Potenz der Frequenz. Blaues Licht wird daher sehr viel stärker als grünes, gelbes oder rotes Licht gestreut. UV-Strahlung wird dementsprechend noch sehr viel stärker gestreut. Der Anteil der Himmelstrahlung variiert mit dem Sonnenstand und der Wellenlänge [69]. Während bei 10° Sonnenstand insgesamt 88% der Globalstrahlung Himmelsstrahlung sind, ist es bei 90° Sonnenstand nur noch 29%.

Selbst bei 90° Sonnenstand kommen noch 70% der Strahlung bei 300 nm vom Himmel und nicht direkt von der Sonne [69]. Das direkte Sonnenlicht ist im Gegenzug, da der blaue Anteil entfernt wurde, je nach Stärke der Streuung (was der Dicke der durchquerten Atmosphäre, und damit dem Sonnenstand entspricht) gelb, orange oder rot.

Das direkte Sonnenlicht hat im Vergleich zum Tageslicht einen geringeren Blauanteil, es erscheint gelblich. Das gestreute Himmelslicht ist dagegen im kurzwelligen Bereich stark überhöht, und erscheint in einer klaren blauen Farbe. Während der Dämmerung nimmt die absolute Intensität rapide ab, ab einem bestimmten Sonnenstand bildet sich ein Spektrum aus, dass ein Minimum im Bereich von 550 nm bis 600 nm hat [66].

Die Oberflächentemperatur der Sonne beträgt etwa 5.700 Kelvin, demnach hat das Sonnenlicht eine Farbtemperatur von 5.700 Kelvin. Durch Absorption und Streuung des Lichts in der Atmosphäre kommt es jedoch dazu, dass die Farbtemperatur des Lichts, das auf der Erdoberfläche ankommt, von Wetter und Sonnenstand abhängt. Als Norm-Wert (DIN) sind 5.500 Kelvin als Farbtemperatur des Sonnenlichts definiert. Die Wassermoleküle, Staubteilchen etc. in der Luft streuen hohe Frequenzen besonders stark. Man nennt diesen Vorgang Rayleigh-Streuung. Er bewirkt dass aus dem direkten Sonnenstrahl die hohen Frequenzen (blaues Licht) herausgefiltert werden, und nur die niedrigen Frequenzen (gelbes, rotes Licht) übrig bleiben. Diese Filterung ist um so stärker, je dicker die Luftschicht ist, die das Sonnenlicht durchdringen muss. Daher ist die Sonne rot gefärbt, wenn sie nahe am Horizont steht. Das direkte Sonnenlicht hat immer eine etwas geringere Farbtemperatur als die 5.700 Kelvin. Das gestreute hochfrequente blaue Licht erreicht die Erdeoberfläche auf indirektem Weg, und ist besonders da sichtbar, wo das direkte Sonnenlicht nicht hinkommt: im Schatten, unter Wolken, im Nebel … Die Farbtemperatur des Lichts im Schattenbereich ist daher deutlich höher als die 5.700 Kelvin des Sonnenlichts! Typische Werte im Tagesverlauf sind (Renox Audiovision Lexikon 11/06):

Kelvin	Situation
3.500	Sonnenauf- und -untergang
5.000	Morgen-/Abendsonne
5.500	Vormittag-/Nachmittagsonne
8.000	Nebel
7.000	bedeckter Himmel
9.000-12.000	blauer Himmel im Schatten
15.000-25.000	nördliches Himmelslicht

Die Ozonschicht der Erde filtert aus der UV-Strahlung der Sonne UV-C kompett heraus. Die Intenstiät der UVB Strahlung wird stark abgeschwächt (ca 90%!). Nur die UVA-Strahlung kann die Ozonschicht nahezu ungehindert passieren. UV-Strahlung wird aufgrund der kurzen Wellenlänge stark von den Molekülen in der Atmosphäre gestreut. Die Intensität der sogenannten Rayleight-Streuung (eine Näherung für Streuung an kleinen Teilchen) verläuft mit der vierten Potenz der Frequenz. Das ist die Ursache für den blauen Himmel. Da UV-Strahlung noch kurzwelliger als blaues Licht ist, ist leicht einzusehen, dass die UV-Strahlung die uns indirekt vom Himmel aus erreicht im Vergleich zur direkten UV-Strahlung aus Richtung der Sonne einen großen Anteil einnehmen muss. Tatsächlich ist die UV-Strahlung des blauen Himmels oft 10 bis 20 mal stärker als die UV-Strahlung aus Sonnenrichtung [69]. Die Grafik zeigt wie stark die UV-Werte im Tagesverlauf schwanken. Die Form der Kurve ist für UVA und UVB etwa gleich. Die Intensität der UVB-Strahlung ist jedoch wesentlich geringer als die der UVA-Strahlung. Die UVA Strahlung erreicht mittags bei unbewölktem Himmel Maximalwerte von etwa 6.000 µW/cm², die UVB-Strahlung 500µW/cm². Reptilien sonnen bei diesen Extremwerten jedoch üblicherweise nicht. Die starke Schwankung der UV-Werte, insbesondere des relativen Anteils an UVB, erklärt sich aus der unterschiedlichen Zusammensetzung des Sonnenspektrums für verschiedene Sonnenstandswinkel:

Bei niedrigem Sonnenstand ist kaum Strahlung unterhalb von 310 nm erkennbar. Der Bereich zwischen 300 nm und 310 nm füllt sich erst bei höherem Sonnenstand, der orangebraune UVB-Bereich wächst im Vergleich zum gelb-braunen UVA-Bereich. Strahlung zwischen 290 nm und 300 nm ist auch bei höherem Sonnenstand kaum vorhanden. Die unterschiedliche spektrale Zusammensetzung zeigt sich beispielsweise am Verhältnis zwischen erythemwirksamer (Sonnebrand) und VitaminD-wirksamener Dosis zu verschiedenen Tagsezeiten. Während Vormittag und Nachmittag beide Effekte etwa gleich stark sind, ist bei hohem Sonnenstand zur Mittagszeit die Vitamin D Wirkung etwa doppelt so groß wie die Erythemwirkung [373]

Wasserdampf in der Atmosphäre filtert große Bereiche des IR-Bereichs aus dem Sonnenlicht. Zusammen mit dem Spektrum eines Schwarzkörperstrahlers sind im Sonnenlicht daher nur IR-A Strahlung und langwellige IR-B Strahlung vorhanden wobei 40% der Gesamtintensität auf IR-A und nur 10% auf IR-B fallen. Da alle Lebewesen einen hohen Wassergehalt im Gewebe haben, kommt der Filterung von IR-Strahlung in der Atmosphäre durch Wasserdampf eine hohe Bedeutung zu. Gerade die Wellenlängebereiche die besonders stark zur Erhitzung des Wassers beitragen, werden aus der natürlichen Sonnenstrahlung heraus gefiltert.