Inkohärente optische Strahlung
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Inkohärente optische Strahlung Schwerpunkt photobiologische Wirkung Prof. Dr. W. Schwedes 12.01.10 Kohärente, inkohärente Strahlung Kohärente, inkohärente optische Strahlung - - Kohärente Strahlung: Erzwungene Schwingung der Valenz-Elektronen Lichtwellen sind kohärent, wenn sie von einer Lichtquelle mit gleicher Wellenlänge und gleicher Schwingungsphase ausgesandt werden. Laser erzeugen kohärente Strahlung. Inkohärente Strahlung: Anregung eines Atoms durch Absorption und anschließende Emission Typische inkohärente Strahlungsquellen sind zum Beispiel Sonne, Glühlampen, Leuchtstofflampen. Unterschied kohärente, inkohärente Strahlung räumlich und zeitliche kohärente Welle - die Phase ist sowohl in zeitlicher Richtung als auch in räumlicher Richtung ohne Sprünge und vollkommen vorhersagbar. ausschließlich räumliche (transversale) Kohärenz entlang der Zeitachse springt die Phase der Welle unvorhersagbar. ausschließlich zeitliche (longitudinale) Kohärenz - entlang der Raumachse springt die Phase der Welle unvorhersagbar. http://de.wikipedia.org/wiki/Kohärenz_(Physik) Unterschied kohärente, inkohärente Strahlung https://www.fh-muenster.de/fb1/downloads/personal/Lichttechnik-Gl__h-_und_Halogenlampen.pdf Inhalt • Das elektromagnetische Spektrum die optische Strahlung: IR, VIS, UV • El.magn. Welle, Wechselwirkung Licht - Materie • Optische Strahlungsquellen – Sonne, schwarzer Strahler, globale Strahlung – Künstliche Lichtquellen • • • • • • • Strahlungsphysikalische Größen Photobiologische Wirkung Das menschliche Auge Die menschliche Haut Wirkungsspektren Grenzwerte Globaler solarer UV-Index Optische Strahlung als Teilgebiet des elektromagnetischen Spektrums Elektromagnetische Welle Transversale elektromagnetische Welle Pointingvektor P (Leistungsdichte) el. Feldstärke E magn. Induktion H Wellenlänge λ Wellenvektor IkI=2π/λ Medium Diamant Glas Quarz Wasser Luft Vakuum Lichtgeschwindigkeit 122.000 km/s 190.000 km/s 194.000 km/s 224.000 km/s < 299.800 km/s 299.800 km/s Spektrum elektromagnetischer Wellen ? optische Strahlung 100nm 1 mm Quelle: Skiba, 1990 Frequenzbereiche der Oszillatoren Technische Schwingkreise Molekülschwingungen Innere Orbitale Valenz Elektronen Kernreaktionen ? 780 nm rot 3,8 1014Hz 380 nm Violett 7,9 1014Hz ? ? Optische Strahlung Elektromagnetisches Spektrum 780nm VIS 380nm Optische Strahlung ? Elektromagnetisches Spektrum Optische Strahlung Optische Strahlung Elektromagnetisches Spektrum Kennzeichnung der Strahlung durch: - Frequenz ν - Wellenlänge λ - Photonenenergie hν Aufteilung der optischen Strahlung in die verschiedenen Bereiche Zusammenhang zwischen den die el.magn. Wellen beschreibenden Größen Entdeckung der optischen Strahlung Johann W. Ritter entdeckte im Jahr 1801 in Jena die UV-Strahlung Einordnung der optischen Strahlung in den Bereich der elektromagnetischen Strahlung Die optische Strahlung kann man unterteilen in • einen sichtbaren (VIS) und • zwei unsichtbare Bereiche (UV, IR). http://www.licht-akademie.de/Publikationen/Licht_u_Ges/li_ge_01.html Spektralbereiche der optischen Strahlung Unter optischer Strahlung versteht man die elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von 100 nm bis 1 mm. Das Spektrum der optischen Strahlung wird unterteilt in ultraviolette, sichtbare und infrarote Strahlung. Optische Strahlung Wellenlänge ultraviolette Strahlung 100 nm bis 380 nm sichtbare Strahlung 380 nm bis 780 nm Infrarotstrahlung 780 nm bis 1 mm Optische Strahlung http://www.ionto.de/cms/files/11/08/48600775500.pdf ? http://osiris2.pi-consult.de/userdata/l_2/p_25/library/data/fs-05-131-aknir_uv_strahlung.pdf Optische Strahlung IR-A von 780 nm bis 1 400 nm IR-B von 1 400 nm bis 3 000 nm IR-C von 3 000 nm bis 1 mm in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ und der Frequenz f (in logarithmischer Darstellung) Optische Strahlung Unter optischer Strahlung versteht man die elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von 100 nm bis 1 mm. Das Spektrum der optischen Strahlung wird unterteilt in ultraviolette (UV-) Strahlung im Wellenlängenbereich von λ= 100-380 nm UV-Strahlung wird weiterhin unterteilt in: UV-C (λ = 100-280 nm), UV-B (λ = 280-315 nm), UV-A (λ = 315-380 nm) sichtbare (VIS-) Strahlung im Wellenlängenbereich von λ = 380-780 nm und infrarote (IR-) Strahlung im Wellenlängenbereich von λ = 780 nm -1 mm IR-Strahlung wird weiterhin unterteilt in: IR-A (λ = 780 -1400 nm), IR-B (λ = 1400 - 3000 nm), IR-C (λ = 3000 nm -1 mm) Charakterisierung der Optischen Strahlung Charakterisierung der Optischen Strahlung Optische Strahlung Charakterisierung der Optischen Strahlung Charakterisierung der Optischen Strahlung UV-Strahlung Wellenlängenbereich UV-C (nm) UV-B (nm) UV-A (nm) Nach CIE, DIN, IEC und WHO 100-280 280–315 315-400 Einteilung der UV-Wellenlängenbereiche nach CIE; International Lighting Vocabulary, 1987; Deutscher Norm DIN 5031, Teil7; Internationaler Elektrotechnischer Kommission IEC 60825-9 und Weltgesundheitsorganisation (WHO) Wirkung von UV Warnhinweise http://www.team-strahlenschutz.de/start.html Optische Strahlung: Welle od. Teilchen? Quellen optischer Strahlung Quellen optischer Strahlung • Schwarzer Strahler (Temperaturstrahler, Sonne) • Lumineszenz • Künstliche Lichtquellen Erzeugungsmechanismen optischer Strahlung Die optische Strahlung kann aufgrund der Erzeugungsmechanismen unterteilt werden in: E n e r g y E n e r g y g a p Beispiel Lumineszenz: Lichterzeugung im Halbleiter Schwarzer Strahler (Temperaturstrahler) http://www.idd.tudarmstadt.de/media/fachgebiet_idd/studium_und_lehre/vorlesungen_4/farbwiedergabe_in_den_medien/farbwiederg abeindenmedien/fim_041_beschreibung_08_10_15_h.pdf Spektrale Strahldichte des schwarzen Körpers für verschiedene Temperaturen Wien`sches Verschiebungsgesetz Plancksches Strahlungsgesetz Das Plancksche Strahlungsgesetz gestattet die Berechnung der spektralen Strahldichte als Funktion der Wellenlänge und der Temperatur: Strahlungsgesetze Stefan-Boltzmann-Gesetz: Das Gesetz von J. Stefan (1835-1893) und L. Boltzmann (1844-1906) besagt, dass das Emissionsvermögen eines schwarzen Körpers der vierten Potenz zu seiner absoluten Temperatur über alle Wellenlängen proportional ist. Kirchhoffsches Strahlungsgesetz: Das Gesetz von G.R. Kirchhoff (1824-1887) beschreibt das Absorptionsvermögen eines Körpers als das Verhältnis von absorbierter zu auftreffender Strahlung. Bei gegebener Temperatur ist das Verhältnis von Emissionsvermögen und Absorptionsvermögen konstant und von der Temperatur und Wellenlänge abhängig. Plancksches Strahlungsgesetz: Das Gesetz von M. Planck (1858-1947) beschreibt die spektrale Verteilung der Strahlung eines sogenannten Schwarzstrahlers. Wiensches Verschiebungsgesetz: Das Gesetz von W. Wien (1864-1928) definiert die Beziehung zwischen der Wellenlänge mit maximalem Emissionsvermögen und der Temperatur eines Schwarzstrahlers. Es bestimmt also bei welcher Wellenlänge das spektrale Emissionsvermögen sein Maximum erreicht. Charakterisierung des Schwarzen Strahlers Sonne Die Sonne Die Solarkonstante bezeichnet die Menge an Energie, welche die elektromagnetische Solarstrahlung auf einen "extraterrestrischen Quadratmeter Erde" überträgt. Die einstrahlenden Energie schwankt in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen Sonne und Erde (aufgrund der elliptischen Umlaufbahn), Sonnenflecken und beträgt im genormten Mittel (extraterrestrisch) 1367 W/m² Der maximale Wert auf der Erde liegt zwischen etwa 0,8 und 1,0 kW/m2. Im Jahresmittel beträgt die Sonneneinstrahlung in Deutschland je nach Region zwischen ca. 950 und 1100 kWh/m2 Globalstrahlung extraterrestrisch, terrestrisch Es ist ein typisches Sonnenspektrum dargestellt, das oberhalb der Erdatmosphäre in ungefähr 20 km Höhe weitgehend dem Spektrum eines schwarzen Körpers von 6000 K Oberflächentemperatur entspricht a) Spektrale Bestrahlungsstärke eines schwarzen Körpers in Abhängigkeit von der Wellenlänge; Sonnenspektrum b) außerhalb der Atmosphäre und c) in Erdbodennähe AM: Maß für atmosphärische Trübung (air mass) Elektromagnetische Strahlung in der Biosphäre http://www.licht-akademie.de/Publikationen/Licht_u_Ges/li_ge_01.html Bild: T. Wilson, ESO (Science with ALMA, Symposium Madrid 2006) Jahresertrag der Globalstrahlung Sollten sämtliche schweizerische AKWs ersetzt werden, müssen jährlich 25’432’000'000 kWh an Elektrizität erzeugt werden. Die Sonne müsste für diese Leistung an Standorten mit 2000kWh Jahresertrag pro m2 eine Fläche von 12'716'000 m2 oder nur 12.7 km2 erhellen. Bei 10% Wirkungsgrad elektrischen Ertrags entspricht das einer Fläche von 127 km2. Diese Fläche entspricht 0,3 Prozent der Fläche der Schweiz oder ca. einem Viertel der Fläche, welche für Strassen verbaut wurde. http://www.sisre.com/images/globalstrahlung.gif Tagesverlauf der erythemwirksamen Bestrahlungsstärke in Westerland für ausgewählte Tage des Jahres 2000. Am 19.1 und 5.5. war der Himmel weitestgehend wolkenfrei. Ein durchziehendes Wolkenband bewirkte am 24.3. die Abnahme der Bestrahlungsstärke in den Nachmittagsstunden. Am 19.6 verursachten kleinere Schönwetterwolken eine Abnahme während der Mittagszeit. http://www.uni-kiel.de/med-klimatologie/pdftexte/uvsandmann.pdf Globalstrahlung Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche (Äquator, Deutschland) Abhängigkeit der Globalstrahlung der Sonne Ozonschicht Durch die Ozonschicht der Stratosphäre wird ein Eindringen schädlicher kurzwelliger UV-Strahlen generell vermieden, da das photostationäre Gleichgewicht (Bildung von Ozon aus Sauerstoff) zu einer vollständigen Absorption der Solarstrahlung unterhalb Wellenlängen λ ≤ 290nm führt. http://www.licht-akademie.de/Publikationen/Licht_u_Ges/li_ge_01.html Sonnenspektrum 380 < λ < 780 nm http://www.helmholtz-muenchen.de/fileadmin/FLUGS/PDF/Veranstaltungen/Koepke-lang.pdf Wechselwirkung Strahlung-Atmosphäre http://www.helmholtz-muenchen.de/fileadmin/FLUGS/PDF/Veranstaltungen/framme-lang.pdf Wechselwirkungen von Strahlung mit der Atmosphäre http://www.helmholtz-muenchen.de/fileadmin/FLUGS/PDF/Veranstaltungen/Koepke-lang.pdf Atmosphärische Fenster Refraktion Streuung Absorption Transmission Atmosphärische Fenster Atmosphärische Durchlässigkeit in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Insolation sowie für die Strahlungsabsorption vorwiegend verantwortliche Moleküle. Die Wellenlänge ist in Mikrometer ("microns") angegeben. Mittlere globale Strahlungsbilanz Erde Sonne Solarkonstante 1367 W/m² Die Albedo der Erde Die Albedo (A) Oberfläche Albedo Wolken Neuschnee (3) Gletscher Meereis Gestein (2) Wälder (1) Wasser Planetare Albedo 45-90% 75-95% 20-45% 30-40% 10-40% 5-20% 5-10% 31% Nur ein Teil der Sonnenstrahlung wird aber auch tatsächlich von der Erdoberfläche aufgenommen (absorbiert). Die Albedo bezeichnet den Anteil der Strahlung, der reflektiert wird. Die Albedo hängt von den Oberflächeneigenschaften des Materials ab. Besonders viel Strahlung reflektieren (dichte) Wolken und (frischer) Schnee. Die gesamte Erde reflektiert 31% der Sonnenstrahlung, also A = 0.31. Extraterrestrisches u. terrestrisches solares UV-Spektrum Extraterrestrisches und terrestrisches solares UV-Spektrum sowie Absorptions- querschnitt von Ozon (nach [6]). Bei den Einschnitten in den Sonnenspektren handelt es sich um so genannte Fraunhofer’sche Linien, die als Absorptionslinien in der Atmosphäre der Sonne entstehen. Auffällig ist auch die UV-B-Kante im terrestrischen Spektrum aufgrund der Absorption in der Ozonschicht. extraterrestrische u. terrestrische Bestrahlungsstärke Verteilung der extraterrestrischen und der terrestrischen Bestrahlungsstärke auf die Wellenlängenbereiche. Es zeigt sich, dass keine UV-C-Strahlung bis zum Erdboden gelangt und auch UV-B-Strahlung zu über 90% in der Atmosphäre absorbiert wird. Die Abschwächung der UV-A-Strahlung sowie des sichtbaren Lichts in der Atmosphäre sind hingegen bei unbewölktem Himmel gering. http://www.uni-kiel.de/med-klimatologie/pdftexte/uvsandmann.pdf Sonnenspektrum Die prozentuale Zusammensetzung des Sonnenspektrums, die sich beim Durchgang durch die Atmosphäre verändert Ultraviolett (UV) [%] Sichtbar (VIS) [%] Infrarot (IR) [%] Gesamtstrahlung [W/m²] außerhalb der Atmosphäre 9 47 44 1367 am Erdboden (Meereshöhe) 6 52 42 1120 *) Relative Sonnenbestrahlungsstärkeanteile und Gesamtbestrahlungsstärke außerhalb der Atmosphäre und am Erdboden. *) Gesamtstrahlung bei klarem Himmel und senkrecht stehender Sonne Wechselwirkung UV-Atmosphäre Darstellung der Zusammenhänge zwischen UV-Licht, primären und sekundären atmosphärischen Schadstoffen und deren biologische Wirkung http://www.licht-akademie.de/Publikationen/Licht_u_Ges/li_ge_01.html Künstliche optische Strahlungsquellen UV-Strahlungsquellen Spektrale Bestrahlungsstärken verschiedener Lampentypen Gebräuchliche Strahlungsquellen nach DIN 5030 Teil2 Wechselwirkung Licht Materie Wechselwirkung Licht Materie http://www2.physik.uni-greifswald.de/~pompe/SCRIPTS/up-waerme-strahlung.pdf Wechselwirkung Strahlung - Materie A = EA / EI T = ET / EI R = ER / EI (Dimensionslose Verhältniszahlen) α+τ+ρ=1 α + ρ = 1 für opake Körper A = Absorption (α) T = Transmission (τ) R = Reflexion (ρ) Absorption Strahlung wird vom Objekt absorbiert und in eine andere Form von Energie (= Strahlung anderer Wellenlänge) umgewandelt (und dann emittiert) Transmission Strahlung durchdringt (transmittiert) das Objekt, ohne daß sich die Wellenlänge der Strahlung ändert. Reflexion Strahlung wird reflektiert. Man unterscheidet gerichtete und diffuse Reflexion. %- Anteile von α, τ und ρ variieren je nach Wellenlänge und sind abhängig von der Art des Objektes (~Farbe)! http://ladamer.org/Feut/studium/fe1/FE1-03-Reflexionscharakteristika.pdf Wechselwirkung Licht - Materie Chemische und physikalische Wirkungen der optischen Strahlung http://www.licht-akademie.de/Publikationen/Licht_u_Ges/li_ge_01.html Photobiologische Wirkung Photobiologische Prozesse Der für die Erhaltung des menschlichen Lebens benötigte Strahlungsbereich liegt zwischen 0,3μm< λ <10μm. Wesentliche photobiologische Stoffwechselvorgänge finden zwischen 300nm< λ <800nm statt. Photobiologische Prozesse, die auch beim Menschen ablaufen, gehorchen den Grundgesetzen der Photobiologie und Photochemie. Zwischen passiver und aktiver Absorption der Strahlung wird unterschieden. Wenn das bestrahlte Objekt nur als Filter wirkt, keine Stoffänderungen und nur Temperaturänderungen entstehen, spricht man von passiver Absorption. Kommt es durch die Bestrahlung zu photochemischen und / oder photobiologischen Veränderungen, so findet eine aktive Absorption statt, d.h. die Strahlung wirkt aktinisch. http://www.licht-akademie.de/Publikationen/Licht_u_Ges/li_ge_01.html Grundgesetze der Photochemie Grundgesetze der Photochemie: Nur die vom Reaktionsgemisch absorbierte Strahlung ist photochemisch wirksam. Die photochemische Wirkung ist der eingestrahlten Energiemenge proportional (Bunsen-Roscoesches-Gesetz). Es besteht eine quantitative Beziehung zwischen der absorbierten Strahlung und der umgesetzten Stoffmenge. Dies bedeutet: -Die primäre photochemische Reaktion ist streng monomolekular. -Durch ein Energiequant wird ein Molekül umgesetzt. -Die Primärreaktion ist nahezu temperaturunabhängig. (Die nachfolgenden Dunkelreaktionen können von der Temperatur beeinflußt werden.) -Zwischen primär umgesetzter Stoffmenge und der absorbierten Strahlungsmenge besteht Proportionalität. http://www.licht-akademie.de/Publikationen/Licht_u_Ges/li_ge_01.html Strahlungsphysikalische Grundlagen Strahlungsleistung (auch: Strahlungsfluss) (Φ) Einheit: W Die gesamte in Form von Strahlung (auch Licht) abgegebene Leistung einer Strahlungsquelle bezeichnet man als Strahlungsleistung. Die Sonne ist eine natürliche Strahlungsquelle, die Lampen in den Solarien sind künstliche Strahlungsquellen. Die Strahlungsleistung ist unabhängig von der Lampen- und Messgeometrie und wird in [W] (Watt) angegeben. Bestrahlungsstärke (E) Einheit: W/m2 Die auf eine definierte Fläche einwirkende Strahlungsleistung (Verhältnis von Strahlungsleistung und bestrahlter Fläche) bezeichnet man als Bestrahlungsstärke. Sie wird u. a. beeinflusst von der Lampenart, vom Reflektorsystem, von der Anzahl der Lampen und vom Bestrahlungsabstand. Die Einheit ist [W/m2] (Watt pro qm) oder [mW/cm2] (Milliwatt pro qcm). Es gilt: 10 W/m2 = 1 mW/cm2. Bestrahlung (auch: Dosis) (H) Einheit: J/m2 Die „Strahlungsmenge―, die während der Bestrahlungsdauer die bestrahlte Fläche erreicht, wird als Bestrahlung (Dosis) bezeichnet. Sie wird aus der Bestrahlungsstärke und der Bestrahlungsdauer (t) berechnet und in der Maßeinheit [J/m2] (Joule pro qm) angegeben, wobei 1 J = 1 Ws (Wattsekunde) gilt. Die Bestrahlung (Dosis) von 1 J/m2 entspricht einer Bestrahlungsstärke von 1 W/m2, die 1 Sekunde lang einwirkt. Bei konstanten Betriebsbedingungen und nach Einbrennen der Lampen kann die Bestrahlungsstärke im Solarium als zeitlich konstant angesehen werden. Für diesen speziellen Fall kann die Dosis (H) einfach aus dem Produkt zwischen Bestrahlungsstärke (E) und der Expositionsdauer (t) bestimmt werden. Hierbei gilt: H = E · t (2) mit (H in [J/m2], E in [W/m2] und t in [s]). Die Beziehung (2) ist die Grundlage zur Dosierung im Solarium. Stellt man sie um, kann man auf diese Weise die Bestrahlungsdauer t = H / E ermitteln. Basis-Berechnungsformeln Einheiten der strahlungsphysikalischen Größen Photobiologisch wirksame Strahlungsgrößen erythemwirksame Bestrahlungsstärke erythemwirksame Bestrahlungsstärke Spektrale Bestrahlungsstärke der solaren Strahlung (COLIPA, 1997), relative spektrale Wirkungsfunktion des Erythems (CIE, 1994) und biologisch-effektive Bestrahlungsstärke (erythemwirksame Strahlung) Schädigung durch opt. Strahlung Durch optische Strahlung können Schädigungen an Haut und Auge hervorgerufen werden. Das Ausmaß der Schädigungen ist von den Parametern Wellenlänge, Expositionsdauer und Betriebsart (kontinuierlich oder gepulst) abhängig. UV-Strahlung Die ultraviolette Strahlung hat die höchste Quantenenergie. Sie wird aufgeteilt in UV-A, UV-B (starke biologische Wirkung) und UV C (tödlich für Bakterien und so weiter). Unterschieden werden akute und langfristige Wirkungen. Erstere verursachen Hautrötungen, Bindehaut- und Hornhautentzündungen, letztere können zu vorzeitiger Hautalterung, Hautkrebs (Basaliom, Spinaliom, malignes Melanom) und zur Trübung der Augenlinse (grauer Star) führen. sichtbare Strahlung und nahe Infrarotstrahlung Die sichtbare Strahlung (380 ≤ λ ≤ 780 nm) und Strahlung aus dem nahen Infrarotbereich (λ ≤ 1400 nm) können bis zur Netzhaut vordringen und sind daher für die Augensicherheit relevant (ausreichende Helligkeit, Vermeidung von Blendung und so weiter). Hier können in Abhängigkeit von Wellenlänge und Einwirkungsdauer photochemische und thermische Schädigungen entstehen. Eine akute Gefährdung bis hin zum Verlust des Augenlichtes besteht beim ungeschützten Blick in die Sonne. Wärmestrahlung Strahlung aus dem langwelligen Infrarotbereich (1400 nm ≤ λ ≤ 1 mm) nennt man Wärmestrahlung. Sie kann Hautverbrennungen sowie thermische Belastungen des Organismus verursachen. Bei langjähriger Einwirkung von Infrarotstrahlung kann eine Trübung der Augenlinse (grauer Star) auftreten. Für die Augensicherheit ist der sichtbare Bereich (380 ≤ λ ≤ 780 nm) und der nahe Infrarotbereich (λ ≤ 1400 nm) von besonderer Bedeutung. Hier wird die Strahlung durch die Linse des Auges fokussiert. Die Bestrahlungsstärke kann bis zu 500.000fach im Auftreffpunkt auf der Netzhaut verstärkt werden. Gesundheitsgefährdung von biologischem Gewebe durch optische Strahlung http://www.tu-ilmenau.de/fakmb/fileadmin/template/fglt/publikationen/2001/Fisch_Khanh.pdf UV-Strahlung Biologische Wirkung von UV-Strahlung Wechselwirkung optische Strahlung - Haut Wechselwirkung der optischen Strahlung mit der Haut Eindringtiefe von UV-Strahlung in menschliche Haut Eindringtiefe UV, VIS, IR in menschliche Haut Eindringtiefen der optischen Strahlung in die Haut als Funktion der Wellenlänge http://www.licht-akademie.de/Publikationen/Licht_u_Ges/li_ge_01.html Wechselwirkung: Licht – biologisches Gewebe Absorptionsspektrum von Wasser u. Hämoglobin Eindringtiefe von Strahlung in biologisches Gewebe Wechselwirkung optische Strahlung - Haut Die einzelnen Hautschichten haben einen unterschiedlichen Brechungsindex und eine unterschiedliche Verteilung der Chromophore, was zu unterschiedlichen Reflexions-, Übertragungs- und Streuungseigenschaften je nach Wellenlänge führt. Die Eindringtiefe der Strahlung in die Dermis wird wegen des Gefäßsystems mit der Absorption der Strahlung durch das Blut (Hämoglobin, Oxyhämoglobin) im Breich 300nm< λ <600nm Und durch die Streuung in der Kollagenfaserschicht beeinflußt. Die Farbstoffe in der Hornschicht sind vorrangig Melanin, Urocaninsäure und Proteine. Die Hornhautunterschicht besteht aus lebensfähigen Zellen und besitzt die gleichen Farbstoffe wie die Hornschicht. Hier spielen die Nukleinsäuren der DNA bezüglich der kurzwelligen UV-Strahlung eine lebenswichtige Rolle. Strahlung mit Wellenlängen zwischen 800nm und 1400nm (kurzwelliges Infrarot) kann am tiefsten bis in die subkutane Schicht eindringen, die daher als das optische Fenster der Haut bezeichnet wird. http://www.licht-akademie.de/Publikationen/Licht_u_Ges/li_ge_01.html Wechselwirkung optische Strahlung - Haut Verschiedene Hauttypen in Europa Hauttyp Beschreibung Identifikation Entstehung von Sonnenbrand Bräunung Bestrahlungszeit (min) I Haut: auffällig blass; Sommersprossen; Haare: rötlich; Augen: blau, selten braun; Brustwarzen: sehr blass; „Keltischer“ Typ (2 Prozent)) Nur sehr schmerzhaft Gar nicht; Rötlichweiß nach 1 bis 2 Tagen; Haut schält sich; 5 bis 10 II Haut: etwas heller als bei I; Sommersprossen: kaum; Haare: blond bis braun; Augen: blau, grün, grau; Brustwarzen: hell Hellhäutiger Europäer (12 Prozent) Nur sehr schmerzhaft Kaum, Haut schält sich 10 bis 20 III Haut: hell bis hellbraun; Sommersprossen: keine; Haare: dunkelblond, braun; Augen: grau, braun; Brustwarzen: dunkler; Dunkelhäutiger Europäer (78 Prozent) Mäßig Durchschnittlich 20 bis 30 IV Haut: hellbraun, oliv- farben; Sommersprossen: keine; Haare: dunkelbraun; Augen: dunkel; Brustwarzen: dunkel; Südlicher Typ (8 Prozent) Kaum Schnell und stark 40 Die verschiedenen Hauttypen Menschen mit empfindlichem Hauttyp I erreichen bei hohem UVI die Sonnenbrandschwelle etwa in der halben Zeit wie Personen mit Hauttyp II. Bei Hauttyp III und IV kann von rund der doppelten Zeit bis zum Erreichen der Sonnenbrandschwelle ausgegangen werden, wenn die Haut nicht vorgebräunt ist. Wiederholte Bestrahlungen führen auch zu Hautverdickungen, den sogenannten Lichtschwielen, die die tiefer liegenden Hautschichten schützen. Die natürlichen Schutzmechanismen der Haut werden allerdings erst im Lauf der ersten Lebensjahre ausgebildet, so dass Kinder besonders empfindlich gegenüber UVStrahlung sind. Hauttypen Natürliche, jährliche UV-Belastung in Mitteleuropa 100 – 300 MED Schädigung durch IR Für längerwellige Strahlung (λ>800nm) hat der menschliche Organismus keine direkten photobiologischen Empfänger entwickelt. Die Photonenenergie ist zu klein. Es kommt nur zu einer Erwärmung, die aber bei hohen Bestrahlungsstärken und Dosen Auch eine Stoffumwandlung bewirken kann. Wichtigste bekannte Hautschäden -Lichtentzündung mit vier Stadien (reversibler Entzündungsvorgang, der je nach Grad in Tagen oder Wochen abklingt) -Beschleunigung der Hautalterung durch hoch dosierte Bestrahlungen (Degenerierung des Hautbindegewebes, Altersflecken) -Entstehung von Hautkrebs durch häufige und überdosierte Bestrahlung (Karzinom, Melanom) -Schädigung des Immunsystems durch häufiges Überschreiten der erythemwirksamen Schwellenbestrahlung (Sekundärwirkung) http://www.licht-akademie.de/Publikationen/Licht_u_Ges/li_ge_01.html Sonnenbrand, Hautkrebs Chronische Wirkungen auf die Haut, speziell ein höhtes Hautkrebsrisiko, werden über die Wirkungskurve des UV-Erythems abgeschätzt. Mitteleuropäer sind einer natürlichen UV-Strahlenbelastung zwischen 100MED/Jahr und 300MED/Jahr ausgesetzt, wobei 1MED die minimale erythemale Dosis (gewichtete Strahlendosis, die bei heller, empfindlicher Haut gerade noch eine Rötung hervorruft) ist und mit 250J/m2 angesetzt wird. Eine zusätzliche jährliche Belastung von 75MED bis 100MED läßt nach 30 Jahren eine Zunahme der Hautkrebsinzidenzrate um ca. 5% erwarten. Zum Verhalten in der Sonne empfiehlt die Strahlenschutzkommission: - Haut langsam an Sonnenbestrahlung gewöhnen - Sonnenschutzmittel verwenden (kein Freibrief für exzessive Besonnung!) - Parfüms, Deodorants, Kosmetika vermeiden - Medikamente: Arzt befragen (Photosensibilisierung) - Die Zahl der "Sonnenbäder„ soll etwa 50 pro Jahr nicht überschreiten (stets Sonnenbrand vermeiden) -Lichtgewöhnung unter ärztlicher Beratung Sonnenbrand Malignes Melanom http://www.licht-akademie.de/Publikationen/Licht_u_Ges/li_ge_01.html Wechselwirkung optische Strahlung - Auge Aufbau des menschlichen Auges Eindringtiefe von optischer Strahlung verschiedener Wellenlänge in das Auge Eindringtiefe von VIS u. IR in das Auge Schnitt durch das menschliche Auge und schematische Darstellung der Eindringtiefe von Strahlung verschiedener Wellenlängenbereiche Einwirkung optischer Strahlung auf das menschliche Auge Die Bestrahlungsstärke kann bis zu 500.000-fach im Auftreffpunkt auf der Netzhaut verstärkt werden! http://www.dgzfp.de/Portals/24/PDFs/Bbonline/BB_86-CD/pdfs/V12Nolting.pdf Transmissionsvermögen verschiedener Augenmedien Spektraler Transmissionsgrad des Auges Spektraler Transmissionsgrad T(λ) bis zur Vorderseite der im Bild angegebenen Teile des Auges Wechselwirkung der UV-Strahlung mit dem Auge Wichtigste bekannte Augenschäden Wichtigste bekannte Augenschäden infolge von Überdosierungen sind: -Photokonjunktivitis (Bindehautentzündung bei Wellenlängen 200nm< λ <320nm) -Photokeratitis (Entzündung des Epithels der Hornhaut bei Wellenlängen 230nm< λ <330nm) - Katarakt (teilweiser oder völliger Verlust der Tansparenz der Augenlinse) Ähnliche Folgen hat bei längerer Einwirkung Infrarotstrahlung (λ >800nm), Glasbläserstar, bei Wellenlängen zwischen 280nm< λ <400nm - Netzhautschädigungen (hohe Bestrahlungsstärken und –dosen bei Wellenlängen 380nm< λ <800nm) Grauer Star (Linsentrübung) Grauer Star • UV-Strahlung (UV-A,B): –Photochemische Reaktion, Veränderung der Linsenzellen, Kristalline –niedrige Strahlungsintensität, z.B. auch Höhensonne –Irreversibel • IR-Strahlung (IR-A): –Feuerstar, Latenz 10-30 Jahre –Mechanismus unklar, Wärmeentwicklung? –Irreversibel Was ist ein Grauer Star? Als Grauen Star bezeichnet man eine Eintrübung der Linse des Auges. Wird die Linse trüb, sieht man verschwommen. http://www.helmholtz-muenchen.de/fileadmin/FLUGS/PDF/Veranstaltungen/framme-lang.pdf Wechselwirkung mit der Netzhaut des Auges Wechselwirkung mit der Netzhaut des Auges Forts. Spektraler Verlauf der Gefährdungsfunktionen R(λ) und B(λ) Die Wirkungsmechanismen im Sichtbaren und nahen Infrarot sind: •die thermische Netzhautgefährdung, •die thermische Netzhautgefährdung bei schwachem visuellen Reiz und •die photochemische Netzhautgefährdung durch blaues Licht. Die beiden erstgenannten Wirkungsmechanismen werden in der Bewertung mit der sog. thermischen Gefährdungsfunktion R(λ) gewichtet erfasst. Die Netzhautgefährdung durch blaues Licht wird durch die Blaulichtgefährdungsfunktion B(λ) beschrieben. Wirksamkeit von UV auf Auge Relative spektrale Wirksamkeit S (λ) für Einwirkungen auf die Augen im Wellenlängenbereich zwischen 180 nm und 400 nm Der Tagesexpositionsgrenzwert für die effektive Bestrahlung Heff(GW) durch UV-Strahleneinwirkungen auf die Augen im Wellenlängenbereich von 180 nm bis 400 nm beträgt: Heff(GW) = 30J/m² mit Hierbei ist S (λ) die relative spektrale Wirksamkeit der UV-Strahlung Expositionsgrenzwerte für Ultraviolettstrahlung für eine 8h-Periode Expositionsgrenzwerte für Ultraviolettstrahlung für eine 8hPeriode sowie relative spektrale Empfindlichkeit s(l)er, rel. Für den UVA-Bereich zwischen 315 und 400 nm sollte die Gesamtbestrahlung für das ungeschützte Auge innerhalb einer 8hPeriode einen Wert von 10 kJ/m2 (1 J/cm2) nicht überschreiten. Expositionswerte für allgemeine oder berufsbedingte 8-stündige UV-Exposition zur Vermeidung gesundheitsschädlicher Wirkungen an Haut und Auge (ungeschützt). Photobiologische Wirkungsspektren Wirkungsspektren lichtempfindliche Detektoren ——: Detektoren Wirkungsspektrum Photopsie, Photosynthese Unter Photopsie (griechisch) versteht man die Wahrnehmung von Lichterscheinungen wie Blitze, Funken oder Flimmern ohne entsprechendes Korrelat in der Außenwelt. Photobiologische Wirkungsspektren positive Wirkung kurzwelliger optischer Strahlung Positive photobiologische Wirkungen Bräunung und Bildung des Eigenschutzes der Haut: Die Sofortbräunung entsteht nach einmaliger Bestrahlung bei einer Schwellenbestrahlung von 105 J/m2 mit Wellenlängen 300nm< λ <400nm. Diese oxidative Melaninverfärbung bildet sich nach Stunden bis wenigen Tagen zurück. Die verzögerte Pigmentierung wird nach mehrmaliger Bestrahlung bei Wellenlängen 250nm< λ <400nm und einer erytemwirksamen Bestrahlung von 250J/m2 - 350J/m2 in Gang gesetzt. VitaminD3-Bildung: Durch Absorption der Strahlung (250nm< λ <320nm) wird in der Oberhaut im Verlauf mehrerer Tage Vitamin D3 gebildet. Dazu ist eine Schwellenbestrahlung von 200J/m2 erforderlich. Biologisch bewirkt VitaminD3 den Calcium-Phosphat-Stoffwechsel und fördert den Kalkaufbau der Knochen. Außerdem steuert Vitamin D3 Stoffwechselprozesse. Nach etwa einer Woche ist das Vitamin D3 wieder abgebaut. Durch Vitamin D3 können die folgenden Prozesse positiv beeinflusst werden: - Steigerung der Infektionsabwehr (immunologische Effekte), - Erhöhung der physischen Leistungsfähigkeit (körperlich und geistig), -Verbesserung der Fließeigenschaften des Blutes und der Versorgung der Organe mit Sauerstoff (Prophylaxe bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen), -Senkung des Arterioskleroserisikos (Kalkabbau wird verlangsamt, Knochenstoffwechsel wird beeinflusst), -Verbesserung des Hautzustandes und Verringerung subjektiver körperlicher Beschwerden Risiken bei Anwendung optischer Strahlung Photobiologische Wirkungsspektren nm Photobiologische Wirkung von UV-Strahlung Zusammenfassung photobiologische Wirkungsspektren Zusammenfassung photobiologische UV-Wirkungsspektren Wirkungen, Kurzzeichen, Schwellenbestrahlungen, Bereiche der spektralen Empfindlichkeit und Wellenlängen der maximalen Empfindlichkeit (nach DIN 5031 T. 10) UV-Index (UVI) Globaler, solarer UV-Index Der UVI wurde eingeführt, um die Gefährdung durch den biologisch wirksamen, kurzwelligen Anteil der natürlichen UV-Strahlung an der Erdoberfläche abzuschätzen. Der UVI gilt nicht für künstliche Strahlungsquellen. Der UVI ist ein Maß für die gesundheitlich wirksame, solare UV-Strahlung. Festlegung des UVI: Das 45-fache des UVI entspricht der biologisch wirksamen Bestrahlung in J/m², die in 30 Minuten während des Sonnenhöchststandes erreicht werden kann. Der UVI ist eine einheitenlose, ganzzahlige Zahl zwischen 1 u. 12. Globaler, solarer UV-Index Aus dem UVI kann bei Kenntnis der Erythemschwellendosis (siehe verschiedene Hauttypen) die Bestrahlungszeit abgeschätzt werden, die bei Sonnenhöchststand zu einem Sonnenbrand führt. UV-Index = UVI erythem-gewichtete UV Strahlungsflussdichte 45 ? Definition des UV-Index und empfohlene Schutzmaßnahmen http://www.bfs.de/uv/papiere/uv_monitoring.pdf UVI 10.5.2005 wolkenfreie Bedingungen http://www.helmholtz-muenchen.de/fileadmin/FLUGS/PDF/Veranstaltungen/Koepke-lang.pdf UV-Index für 12.01.10 Deutschland Kanarische Inseln
