Der Sonnengang

Eine sehr wichtige Größe hinsichtlich der Strahlungsintensität ist der Sonnenstand bzw.

die Sonnenhöhe. So schreibt IQBAL (1986), dass die wichtigste Größe zur Charakterisierung der UV-Strahlung die Sonnenhöhe ist, da die spektrale Bestrahlungsstärke mit zunehmender Sonnenhöhe stark zunimmt. Nach SECKMEYER

(1999) ändert sich die spektrale Bestrahlungsstärke in Abhängigkeit von der Sonnenhöhe mit der Tages- und Jahreszeit und der geographischen Länge und Breite. Je nach Standort des Beobachters auf der Erdoberfläche ergibt sich somit aufgrund der Rotation der Erde um ihre eigene Achse sowie durch ihre Bahn um die Sonne eine abhängige Position der Sonne am Himmel. Diese wird nach SANDMANN (2002) durch den Zenitwinkel

(θ) (Winkel zwischen Sonnenmittelpunkt und Zenit) sowie durch den Azimutwinkel (α) (Winkel zwischen Sonnenmittelpunkt und geographischer Nordrichtung) festgelegt. Dabei nimmt der Zenitwinkel Werte zwischen 0° (Zenit) bis 90° (Horizont) an, der Azimutwinkel entsprechend Werte zwischen 0° und 360°. In der Literatur wird neben der Darstellung des Zenitwinkels parallel dazu auch der Sonnenhöhenwinkel (h) (Winkel zwischen dem Sonnenmittelpunkt und dem Horizont) verwendet. Dabei gilt der Sonnenhöhenwinkel (h) = 90° – θ.

In der Abbildung 12 zeigt SCHÖNWIESE (1994) den Zusammenhang zwischen der Tageslänge (D), der Sonnenhöhe (H) und der extraterrestrischen Einstrahlung (I) in Abhängigkeit von der geographischen Breite (Nordhemisphäre) während der Sommer- und Wintersolstitium (Zeitpunkt, an dem die Sonne die maximale nördliche oder südliche Deklination erreicht).

Abbildung 12: Tageslänge (D), Sonnenhöhe (H) und extraterrestrische Sonnenstrahlung (I) der Nordhemi-sphäre während Sommer- (Index S) bzw. Wintersolstitium (Index W) in Abhängigkeit von der geo-graphischen Breite. Quelle: SCHÖNWIESE, 1994.

Zu erkennen ist die jahreszeitliche Abhängigkeit der Sonnenhöhe zur Tageslänge und solaren Einstrahlungsenergie. Beispielsweise nimmt die Einstrahlungsenergie mit nördlicher Breite zu, obwohl die Sonnenhöhe abnimmt, was auf die sommerliche Tageslänge in den Polargebieten zurückzuführen ist.

Abbildung 13: Sonnenstandsdiagramm für Westerland, Sylt. Zeitangaben in MEZ. Quelle: SANDMANN, 2002.

SANDMANN (2002) hat eine Reihe von Untersuchungen in Westerland (Sylt) durchgeführt, aus der auch das Sonnenstandsdiagramm (Abbildung 13) stammt. Dabei sind der Azimutwinkel sowie der Sonnenhöhenwinkel zusammen mit dem Zenitwinkel aufgetragen.

Die Veränderung dieser Winkel wird in Kapitel 3.2 von Bedeutung sein, wenn es um die Strahlungsexposition und UV-biologische Wirkung geht. Für ausgewählte Tage ist der Sonnenverlauf zu entsprechenden Uhrzeiten abzulesen. Betrachtet man den Tag der Sommersonnenwende (21.06.), so ist Sonnenaufgang um ca. 4:00h bei einem Azimutwinkel von ca. 45° (Nordosten) und Sonnenuntergang um ca. 21:00h bei einem Azimutwinkel von ca. 315° (Nordwesten). Zwischen 12:00h und 13:00h MEZ erreicht die Sonne ihren höchsten Sonnenstand mit einem Sonnenhöhenwinkel von ca. 58° bzw.

Zenitwinkel von ca. 32°. Die Zeit des Sonnenhöchststandes wird nach SANDMANN (2002) als Kulminationszeit bezeichnet. Der Grund dafür, dass für Westerland ein Zeitfenster von 1 Stunde für den Sonnenhöchststand angegeben wird, ist nach Angaben des Autors der, dass innerhalb einer Zeitzone die mittlere Sonnenzeit eines einzigen Meridians auch für alle anderen Meridiane gilt. Die mittlere Sonnenzeit definiert sich nach BÄR (2009) daher über eine mit gleichmäßiger Geschwindigkeit (und damit frei von Schwankungen der Tageslänge) auf einer Kreisbahn am Himmelsäquator bewegende fiktive Sonne. Innerhalb der mitteleuropäischen Zeitzone ist dies die mittlere Sonnenzeit des 15. östlichen Längenkreises, was etwa der geographischen Länge von Görlitz entspricht. Entsprechend hat die Sonne auch nur exakt an diesem Ort bzw. auf dieser Länge um 12:00h ihren höchsten Stand. Insofern wird die mittlere Sonnenzeit für Orte westlich des Längenkreises in einem Zeitfenster angegeben oder muss entsprechend berechnet werden. Die mittlere

Sonnenzeit wurde nach BÄR (2009) eingeführt, weil die „wahre“ Sonnenzeit (Tageslänge definiert nach Sonnenauf- und Sonnenuntergang am Horizont) im Jahresverlauf nicht gleichmäßig verläuft. Hintergrund ist die Schiefe der Ekliptik und der ungleiche Umlauf der Erde um die Sonne. So entsteht eine Differenz zwischen „wahrer“ und mittlerer Sonnenzeit, die als Zeitgleichung bezeichnet wird. Eine detaillierte Untersuchung wurde von STICK (2007) durchgeführt, die auch auf das Problem Mittagszeit im Hinblick auf die Sonnenexposition der Menschen aufmerksam macht. Dermatologen empfehlen die Sonne mittags zu vermeiden, was hinsichtlich des Schutzes der Haut vor der Sonne präzisiert werden müsste. Der Sonnenhöchststand kann innerhalb Europas sehr unterschiedlich sein, was auf die Umstellung der Uhr auf mitteleuropäische Sommerzeit, auf die geographische Länge des Ortes sowie auf die Zeitgleichung (im Sommer maximal –6,5 min.) zurückzuführen ist. In Summe erreicht die maximale Verspätung des Sonnenhöchststandes gegenüber der gesetzlichen Zeit an der spanischen Atlantikküste etwa 2h 40 min (vgl. STICK,2007).

Abbildung 14: Mittagshöhe als Funktion der Zeitgleichung und Jahresverlauf der Kulminationszeit der Sonne für Westerland, Sylt. Quelle: S^ANDMANN, 2002.

In der Abbildung 14 ist die Mittagshöhe (max. Sonnenhöhenwinkel) als Funktion der Zeitgleichung (rechts) und der Jahresverlauf der Kulminationszeit der Sonne (links) für Westerland, Sylt abgebildet. Deutlich wird die Schwankung der Mittagshöhe bzw. des maximalen Sonnenhöhenwinkels in Bezug zur Uhr- und Jahreszeit. Zwischen November und Februar liegt eine Zeitdifferenz von ca. 30 Minuten vor. In der rechten Abbildung ist der Jahresverlauf der Kulminationszeit sichtbar. Die Zeit des Sonnenhöchststandes (MEZ) wird dabei für Sylt mit 12:27h angegeben.

Das Kapitel nennt Grundlagen in Hinblick auf die Quelle der UV-Strahlung – der Sonne – die wichtig sind, wenn es um den Einfluss des Klimawandels auf Hautkrebserkrankungen geht. Die großskaligen Einflüsse (z.B. Variabilität der Solarkonstante) bewirken Veränderungen in der Atmosphäre, die sich in der Ozonbildung bzw. Ozonverteilung bemerkbar machen können und somit wiederum das Auftreten und die Wirkung der UV-Strahlung auf den Menschen mitbestimmen.

Bevor auf die Dynamik der Stratosphäre und Troposphäre eingegangen wird, wird im nächsten Kapitel Grundlegendes zu atmosphärischen Gasen erläutert. Diese haben Einfluss auf die Bildung bzw. Zerstörung von Ozon und sind in diesem Kontext nicht zu vernachlässigen.

Kernaussagen: Die Sonne

• Einfluss von Sonnenflecken(-zyklen) bedeutsam in Hinblick auf die Energiezufuhr für die Erde bzw. Solarkonstante

• Hohe Variabilität der Energiezufuhr zwischen Sonnenfleckenmaximum und -minimum in Abhängigkeit von der Wellenlänge (z.B. 50 % im UV-Bereich)

• Einfluss des Sonnenfleckenzyklus auf die chemische, thermische und dynamische Struktur der mittleren Atmosphäre sowie auf die UV-Strahlung (z.B.

Sonnenfleckenmaximum bis zu 1,2 K wärmer auf 100 hPa Niveau)

• Tagesgang der Sonne wichtig für die Intensität der UV-Strahlungsintensität

2.3 Die Spurenstoffe in der Atmosphäre und ihr Einfluss auf den

Neben den Hauptkomponenten Stickstoff (ca. 78 %) und Sauerstoff (ca. 21 %) setzt sich die Atmosphäre aus zahlreichen Spurenstoffen (Spurenga58se und Aerosole) zusammen.

Die Spurenstoffe stammen aus natürlichen (Vulkanismus), aber auch aus anthropogenen (z.B. Landwirtschaft) Quellen und können in gasförmiger, fester oder flüssiger Phase vorkommen. Zu den Spurengasen zählen beispielsweise O3 (Ozon), H2O (Wasserdampf), Methan (CH4) oder Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs). Nach JUNGE (1987) wurden seit den 1980er Jahren zahlreiche Erkenntnisse über die komplexen und photochemisch initiierten Zusammenhänge der zahlreichen Spurengase in der Atmosphäre gewonnen, die durch von Radikalen getragene homogene und heterogene Reaktionen ablaufen.

Hinsichtlich ihrer Bedeutung unterscheidet der Autor zwischen Kreisläufen einzelner Spurengase und den kombinierten Kreisläufen wichtiger Schlüsselelemente, die in der Atmosphäre mit jeweils mehreren Verbindungen in Gas- und Teilchenform vorhanden sind. Zu den Kreisläufen zählen:

• der Schwefelkreislauf,

• der Stickstoffkreislauf,

• der stratosphärische und der troposphärische Ozonhaushalt,

• der Kohlenstoffkreislauf,

• der Kreislauf der halogenhaltigen Kohlenwasserstoffe und

• der Kreislauf der Aerosole.