Einleitung
Einleitung
Zu viel wie zu wenig Sonnenschein schadet [1].
Der Mensch kann Helligkeit und Dunkelheit, Hitze und Kälte, Nässe und
Trockenheit, Lärm und Stille wahrnehmen. Leider verfügt er nicht
über ein Sinnesorgan, das ihn über zu viel oder zu wenig
ultraviolette Strahlung (UV) informiert. So tritt der Sonnenbrand als Symptom
akuter Überdosierung erst Stunden nach übermäßiger
UV-Exposition in Erscheinung. Die Symptomatik chronischer Unterdosierung wird
bestenfalls nach Monaten, oft niemals erkannt [2].
Der Mensch ist dem modernen Leben nur teilweise angepasst, das ihn
jetzt konfrontiert mit
-
überwiegendem Aufenthalt in geschlossenen, verglasten
Räumen, oft bei künstlicher Beleuchtung,
-
den Gefahren, die infolge der Verminderung atmosphärischen
Ozons drohen (vermehrte UV-Penetration zur Erdoberfläche),
-
einer UV-B-filternden Smogglocke bei weitgehender Bedeckung der
Haut mit Kleidern,
-
Migration und Massentourismus in ungewohnte Klimazonen,
-
weit verbreitete UV-Überdosierung in Freizeit und
Urlaub,
-
Anwendung künstlich erzeugter UV-Strahlen.
So ist ein wachsendes Bedürfnis verständlich, die
UV-Bestrahlungsstärke jederzeit und an jedem Ort einfach und ausreichend
genau bestimmen zu können. Anders gesagt wäre es vorteilhaft, sofort
und ohne technische Hilfsmittel erfahren zu können, ob man gerade dabei
ist, sich dem Sonnenschein vernünftig oder übermäßig lange
auszusetzen, und wie man Überdosierung vermeiden kann. Hier wird ein
solches Verfahren vorgestellt.
Wesentliche Voraussetzungen für dessen Entwicklung waren der
UV-Index (UVI), die Schattenregel und ein Rechenprogramm von O. Engelsen
[3]. Zunächst werden UVI und Schattenregel
besprochen. Dann wird beschrieben, wie beide zum Abschätzen der aktuellen
Bestrahlungsstärke miteinander verknüpft werden. Mithilfe des so
ermittelten UVI ist leicht herauszufinden, wie lange man sich dem Sonnenschein
am konkreten Ort und zur konkreten Zeit aussetzen darf.
Der UV-Index (UVI)
Der UV-Index (UVI)
Der UVI ist ein Maß für die Stärke des
Sonnenscheins, genau gesagt für die Erythemwirksamkeit der
Sonneneinstrahlung. Er kann Werte von 1 – 10 und mehr
erreichen. Dabei stehen kleinere Zahlen für geringere
Erythemwirksamkeiten. Um die Mittagszeit ist die Erythemwirksamkeit der
Sonnenstrahlung in der Regel am größten. Die Berechnung des UVI
erfolgt durch Multiplikation der erythemwirksamen Bestrahlungsstärke
Eer mit der Zahl 40. Für die Referenzsonne nach DIN
67 501 [4], die das Spektrum der
Sonneneinstrahlung in Meeresspiegelhöhe bei einem Sonnenhöhenwinkel
(siehe unten) von γ = 90 °, bei
wolkenlosem und klarem Himmel und bei der für die Tropen vergleichsweise
hohen Ozonkonzentration von 320 Dobson-Einheiten beschreibt, beträgt die
erythemwirksame Bestrahlungsstärke
Eer = 0,2541 W/m², was einer sehr
starken UV-Einstrahlung der Sonne entspricht. Der zugeordnete UV-Index
beläuft sich damit auf
UVI = 0,2541 × 40 = 10,164.
Nach ganzzahliger Rundung ergibt sich für die Referenzsonne der
UVI = 10.
Für Vorhersagen wird meist der zu erwartende Mittagswert des
UVI als ganze Zahl angegeben, der bei gleichbleibender atmosphärischer
Transparenz dem Tagesspitzenwert entspricht. Ein prognostizierter UVI von 1
bedeutet, dass an diesem Tage bei Sonnenhöchststand eine erythemwirksame
Bestrahlungsstärke von maximal 25mW/m² erwartet wird. Analog
entspricht ein UVI von 2 einer erythemwirksamen Bestrahlungsstärke von
50 mW/m² usf.
Solche Maximalwerte können kostenlos aus dem Internet entnommen
werden, beispielsweise für Deutschland, das hierfür in drei Regionen
unterteilt wurde [5]. Als Beispiel zeigt
[Abb. 1] den Jahresgang der Tagesspitzenwerte des
UVI für das Jahr 2007 im Meteorologischen Observatorium Lindenberg
(geografische Breite 52 ° N), die aus täglichen Messungen im
Minutentakt mit Spektralradiometern des Typs Spectro 320 D berechnet wurden.
Die UVI sind mit Ampelfarben bewertet. Von Anfang Oktober bis Mitte März
bleibt der in Lindenberg gemessene UVI im grünen Bereich ([Abb. 1]).
Abb. 1 Jahresgang 2007 des UVI,
gemessen im Meteorologischen Observatorium Lindenberg.
Angegeben sind die täglichen Höchstwerte der
30-Minuten-Mittel (rote Punkte). Die für geringe (obere Kurve) und hohe
Ozonwerte (untere Kurve) mit einem Strahlungstransportmodell für
wolkenlosen Himmel und mittlere Aerosolkonzentration berechneten typischen
Jahresgänge des UVI sind durch blaue Punkte dargestellt. Wir danken Herrn
Dr. rer. nat. Uwe Feister.
Die Weltgesundheitsorganisation (WHO), der
Australische Krebsrat (Cancer Council Australia), die
Internationale Beleuchtungskommission (CIE), die
Internationale Kommission zum Schutz vor nicht-ionisierender Strahlung (ICNIRP), das Bundesamt für Strahlenschutz und andere
Gremien empfehlen bei maximalen UVI von
-
bis 2,5 – grüner Bereich: kein Schutz
erforderlich
-
3 bis 7 – von 11 bis 15 Uhr den Schatten suchen, Schutz
durch Kleidung und Creme
-
8 bis 10 – von 11 bis 15 Uhr im Hause bleiben, ansonsten
ist in dieser Zeit Schutz durch Kleidung und Creme obligatorisch.
Die Schattenregel
Die Schattenregel
Je höher die Sonne steigt, umso kürzer werden die
Schatten. Der Winkel, der vom Horizont und einem den Kopf einer aufrecht
stehenden Person gerade nicht mehr tangierenden Sonnenstrahl gebildet wird, ist
der Sonnenhöhenwinkel (siehe [Abb. 2]). Er
kann maximal 90° erreichen.
Abb. 2 Der vom Horizont und
einem den Kopf der Person tangierenden Sonnenstrahl gebildete
Sonnenhöhenwinkel wird mit steigendem Sonnenstand größer.
Für Schattenlänge = 1 ist der
UV-Index = 4.
Für
Schattenlänge = 1 + ⅓ ist
der UV-Index < 3.
Der Physiker L. Holloway hat den mittleren UV-B-Anteil des
Sonnenscheins an klaren Sommertagen zu unterschiedlichen Tageszeiten gemessen
und in Beziehung zum Sonnenhöhenwinkel und zur Erythemwirksamkeitskurve
der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE)
gesetzt. Es stellte sich heraus, dass bei einem Sonnenhöhenwinkel von
> 45 ° die Sonnenbrandwahrscheinlichkeit fünfmal
größer war als für den Rest des Tages [6]. Wenn dagegen der Schatten eines Menschen vom Hauttyp II
deutlich länger war als dessen Körpergröße, so kam es erst
nach mehr als einstündiger Besonnung zum Sonnenbrand [7]. Holloway betonte, dass zum Vermeiden
übermäßiger Sonnenexposition einfache und jedermann
verständliche Botschaften verbreitet werden sollten [8].
Methode zur nicht-instrumentellen Abschätzung des
UV-Index
Methode zur nicht-instrumentellen Abschätzung des
UV-Index
Aus dem Internet [5], Presse, Funk und
Fernsehen sind prognostizierte Tagesspitzenwerte des UVI ausgewählter
Regionen zu erfahren. Gestützt auf Messdaten des Deutschen Wetterdienstes
veröffentlicht das Bundesamt für Strahlenschutz dreimal
wöchentlich manuell erstellte Dreitagesprognosen der UVI bei
Sonnenhöchststand, die jeweils für die Regionen Nord-, Mittel- oder
Süddeutschland gelten [5]. Gute Gründe sprechen
für eine aktuelle Abschätzung des UVI an Ort und Stelle. Dies kann
mithilfe geeigneter Messgeräte geschehen. Dabei sind technische Probleme
und unter Umständen verhängnisvolle Bedienungsfehler nicht
auszuschließen. Wir entwickelten deshalb ein einfaches und anschauliches
Verfahren, das ohne Messgerät auskommt und jederzeit und an jedem Orte
angewandt werden kann. Es basiert auf der Schattenregel und erfordert als
Messparameter lediglich die eigene Körpergröße und
Schattenlänge. Aus diesen zwei leicht messbaren Größen ergibt
sich der Sonnenhöhenwinkel γ (siehe [Abb. 2]), dem der UVI proportional ist. Unter
Verwendung eines Rechenprogramms von O. Engelsen [3]
ergeben sich die in [Tab. 1] dargestellten
Abhängigkeiten.
Tab. 1 Abhängigkeit des
UV-Index vom Sonnenhöhenwinkel γ.
| Körpergröße/Schattenlänge [tan
γ]
|
Sonnenhöhenwinkel
γ
|
UVI
|
Standardabweichung des UVI
|
| 4
|
76,0
|
8,5
|
0,2
|
| 2
|
63,4
|
6,8
|
0,2
|
| 1,5
|
56,3
|
5,7
|
0,1
|
|
1
|
45,0
|
3,7
|
0,1
|
|
0,75
|
36,9
|
2,4
|
0,1
|
| 0,5
|
26,6
|
1,2
|
0,03
|
| 0,25
|
14,0
|
0,3
|
0,01
|
Sind Körpergröße und Schattenlänge gleich
groß, so entspricht das einem aktuellen UVI von 3,7. Ist der eigene
Schatten um ⅓ länger als man selbst groß ist, so ergibt sich
ein aktueller UV-Index von < 3.
In [Tab. 1] sind weiterhin die kleinen
Standardabweichungen auffällig, die durch jahresperiodische Schwankungen
entstehen (vergleiche auch [Abb. 4]). Die
angegebenen Werte des UVI können in der Natur, vor allem durch
Trübung und Bewölkung, erheblich verkleinert werden.
In [Abb. 3] ist der errechnete
Tagesspitzenwert des UVI in Abhängigkeit von der Jahreszeit für vier
Regionen dargestellt.
Abb. 3 UV-Index für
Rügen, München, Mallorca und am Äquator (nach Engelsen
[3]).
Ganz anders als auf Mallorca oder gar am Äquator wird auf
Rügen (etwa 54 ° N) von Anfang Oktober bis Mitte März der
UVI = 2,4 nicht erreicht ([Abb. 3]). Dieses Ergebnis ähnelt in
Dänemark bei 56 ° N durchgeführten Dosimetermessungen
[9].
Die aus Körpergröße und Schattenlänge von uns
abgeschätzten aktuellen UVI erweisen sich auch im Vergleich zu den in
Lindenberg gemessenen Werten als plausibel (vergleiche [Abb. 1], [3]
und [4]).
In [Abb. 4] ist die geringe
jahresperiodische Schwankung des maximalen UVI dargestellt. Die errechneten
Werte können in der Natur vor allem durch Trübung, Bewölkung und
Höhe modifiziert werden.
Abb. 4 Einfluss der Jahreszeit
auf den für Sonnenhöhenwinkel 76° errechneten UV-Index.
Diskussion
Diskussion
Das UV-Strahlenklima der Erde ist eine äußerst
komplizierte Materie und kann nur unter Berücksichtigung diverser
Randbedingungen exakt beschrieben werden. Die hier vorgestellte Methode zur
Abschätzung des aktuellen UV-Index soll jederzeit für jedermann
anwendbar sein. Sie ist in diesem Sinne alltagstauglich, weil sie nur
wesentlich modifizierende Randbedingungen berücksichtigt. Die Genauigkeit
der selbst ermittelten UVI ist für den vorgesehenen Zweck ausreichend, wie
Vergleiche mit den Ergebnissen meteorologischer Observatorien zeigen. Der
Gültigkeitsbereich des UVI wurde regional eingeschränkt, um die
Anzahl der zu berücksichtigenden Randbedingungen klein zu halten. In
unserem Falle ist er auf Breitenlagen wie Mitteleuropa inklusive dessen
Mittelgebirge begrenzt. Auch der in den Medien angegebene, ganzzahlig gerundete
UVI ist ein nur grobes Maß.
Das hier erstmals vorgestellte Verfahren ist einfach, kostenfrei und
überall ohne technische Hilfsmittel anwendbar. Die zugehörigen
Empfehlungen gelten für Hauttyp II. Die abgeschätzten aktuellen UVI
werden im Gültigkeitsbereich durch Tages- oder Jahreszeit (siehe
[Abb. 3]) oder geografische Faktoren wie Lage und
Höhe nur wenig modifiziert. Der geringe Einfluss der Jahreszeit geht aus
[Abb. 4] hervor.
Die individuelle Sonnen-UV-Tagesdosis hängt primär von
folgenden Faktoren ab:
-
von der maximalen Sonnenhöhe,
-
von der Tageslänge (Jahreszeit und geografische
Breite),
-
vom Wetter und
-
von der im Freien verbrachten Zeit und der Art und Weise, wie
diese verbracht wird [10].
Die Sonnenhöhe wird mit dem Sonnenhöhenwinkel γ
erfasst. Die Tageslänge geht in die Berechnung des UVI nicht ein. Das
Wetter, insbesondere Bewölkung, Ozongehalt der Atmosphäre, Aerosole
und Luftverunreinigung kann die Stärke des auf der Erdoberfläche
auftreffenden Sonnen-UV vermindern. So wird das Verfahren eher zu große
UVI ergeben.
Von besonderer praktischer Bedeutung sind die den
Sonnenhöhenwinkeln von 45 ° bzw. 36,9 °
entsprechenden UVI (siehe [Tab. 1]). Bei
Sonnenhöhenwinkel γ= 45 ° ist der Schatten
eines aufrecht stehenden Menschen so lang wie dieser Mensch groß ist.
Praktisch bedeutet das:
-
Ist der eigene Schatten so lang wie man selbst groß ist,
so entspricht das einem aktuellen UVI von knapp 4.
-
Ein UVI von 4 entspricht einer Bestrahlungsstärke von
100 mW/m², d. h. die Sonnenbrandschwellendosis eines nicht
UV-adaptierten Menschen vom Hauttyp II wäre am Mittag in Berlin unter
Umständen bereits innerhalb von 42 Minuten erreichbar.
-
Dann sind Schutzmaßnahmen oder eine Begrenzung der
Aufenthaltsdauer erforderlich. Dies ist noch dringlicher am Vormittag, wenn
die
Sonne ihren Tageshöchststand noch nicht erreicht hat.
-
Ist der eigene Schatten um die Mittagszeit um ⅓
länger als man selbst groß ist, d. h. das Verhältnis
Körpergröße/Schattenlänge ist wie 0,75/1,00, so ergibt
sich ein aktueller UV-Index von < 3.
-
Den aktuellen Empfehlungen der WHO und anderer Gremien zufolge
sind Schutzmaßnahmen erst ab UV-Index = 3
erforderlich.
Im Extremfall kann sich ein nicht UV-adaptierter Mensch vom Hauttyp
II bei UVI < 3 beispielsweise um die Mittagszeit in Berlin bereits
innerhalb von 56 Minuten einen leichten Sonnenbrand zuziehen. Das zeigt, dass
auch die erwähnten Empfehlungen der WHO und anderer Gremien zumindest
teilweise auf einem Kompromiss beruhen, der vermutlich die bislang
ausgeklammerte UV-Adaptation der Haut berücksichtigt. Streng genommen
betreffen die Empfehlungen zur Begrenzung der Aufenthaltsdauer im Sonnenschein
nur die nach wochenlanger UV-Karenz nicht UV-adaptierte Haut. In den
zurückliegenden Jahren waren es in erster Linie australische Fachleute,
die über die Gefahren übermäßiger Besonnung
aufklärten und erfolgreiche Präventionskampagnen starteten. Unter dem
Eindruck neuerer Erkenntnisse über Art und Ausmaß des weit
verbreiteten Vitamin-D-Mangels sind es wiederum australische Gremien
(Cancer Council Australia, Osteoporosis Australia,
Australasian College of Dermatologists, Australian and New Zealand Bone and
Mineral Society – New guidelines in relation to the risks and benefits of
sun exposure), die jetzt zu ausreichender Besonnung aufrufen
[11].
Das hier vorgestellte Verfahren zur Abschätzung des UVI
empfiehlt sich als einfache Methode zur Begrenzung der täglichen
Sonnen-UV-Exposition. Zudem vermag es das Verständnis darüber
verbessern, zu welchen Tages- und Jahreszeiten UV-Schutzmaßnahmen
sinnvoll sind oder auch nicht. Selbstverständlich kann das Verfahren
für viele andere Zwecke erforderliche Präzisionsmessungen nicht
ersetzen. Es sollte durch den direkten Vergleich gemessener und
abgeschätzter UVI weiter überprüft werden. Möglicherweise
wird es sich auch zur Kontrolle einer noch zu definierenden minimal
erforderlichen UV-Tagesdosis eignen.
Danksagung
Danksagung
Wir danken Herrn Dr. rer. nat. Helmut Piazena für kritische und
anregende Diskussion.
