Die Veränderung der UV-Strahlung

Nachdem der Einfluss der einzelnen Faktoren auf die UV-Strahlung angesprochen worden ist, stellt sich die Frage nach der Veränderung der UV-Strahlung während der letzten Jahrzehnte sowie für die Zukunft (anhand einer eigenen Auswertung von rekonstruierten Satellitendaten wird dies in Kapitel 5.0 detaillierter thematisiert). Im Rahmen von BayFORKLIM wurde die UV-Strahlung in Abhängigkeit von Ozon und weiteren Einflussfaktoren am Hohenpeißenberg und in Würzburg untersucht, um die Veränderung der Strahlung seit 1968 abschätzen zu können. In der Untersuchung (Rekonstruktion) wurde nach WINKLER (2004) eine Erhöhung der erythemwirksamen UV-Spitzenwerte sowie Verstärkungs- (Frühjahr, Sommer) aber auch Abschwächungseffekte (Herbst) bei der mittleren UV-Dosis in Abhängigkeit von der Jahresdosis ermittelt, wobei sich der Einfluss der Ozonreduktion insbesondere im Frühjahr bemerkbar macht (GANTER und KÖHLER, 1998). Nach Meinung von WINKLER (2004) kommt es im Frühjahr teilweise zu einer Kompensation des ozonbedingten UV-Anstiegs durch meteorologische Veränderungen (mehr Wolken, Abnahme der Sonnenstunden). Im Sommer hingegen wird der Ozoneffekt durch eine Zunahme der Sonnenstunden, weniger Bewölkung und geringere Trübung verstärkt – eine Erklärung für die erhöhte UV-Strahlung. Die Abnahme im Herbst lässt sich mit einer Überkompensation (weniger Sonnenstunden, mehr Wolken) erklären, die eine Reduktion der UV-Strahlung zur Folge hat.

Die Abbildung 54 zeigt die Entwicklung der UV-Strahlung über Europa auf Grundlage einer Modellberechnung von DEN OUTER (2003). Eine Zunahme der UV-Strahlung zwischen 8 – 9 % für Mitteleuropa (1980 – 2001) ist ersichtlich. Die Zunahme der Strahlung wird vom Autor in erster Linie dem Rückgang des Ozon zugeschrieben, obwohl auch meteorologische Einflüsse (Bewölkung, etc.) eine Rolle spielen. Zudem muss erwähnt werden, dass die UV-Strahlungsveränderung generell einer hohen Variabilität unterliegt und auch stark wellenlängenabhängig ist.

Abbildung 54: Zunahme der UV-Strahlung über Europa auf Grundlage von Modellberechnungen zwischen 1980 und 2001. Quelle: DEN OUTER, 2003.

Die hier genannten Beispiele zur Veränderung der UV-Strahlung stehen in engem Zusammenhang mit der Ozonreduktion, die von den Autoren hervorgehoben wurde. Wie im Kapitel 2.5.2 zum Ozon diskutiert, ist mit einer – eventuell verzögerten – Regeneration des Ozonloches aufgrund klimatischer Einflüsse (z.B. Stratosphärentemperatur) bis etwa 2065 zu rechnen. Insofern wird die UV-Strahlung zunehmend von Faktoren des Klimawandels beeinflusst. Das heißt, kurzfristige Niedrigozonereignisse oder etwa Veränderungen der Wetterlagen und Bewölkung bekommen einen größeren Stellenwert, wenn es um die Veränderung der UV-Strahlung geht. Im Folgenden wird die Entwicklung der zukünftigen UV-Strahlung anhand von Studien erläutert.

REUDER et al. (2004b) haben in einer Untersuchung die zukünftige UV-Strahlung mit und ohne Wolken modelliert. Dabei wurde die erythemgewichtete UV-Strahlung unter Berücksichtigung der Ozonregeneration für jeweils 5 Modelljahre um 1990 (Szenario mit 1x CO2) und 5 Modelljahre unter der Annahme einer Verdopplung des CO2 (Szenario 2x CO2) um 2050 für verschiedene Orte in Bayern berechnet. Die Abbildung 55 zeigt die Ergebnisse der Studie für Würzburg und den Hohenpeißenberg. Der Einfluss des Klimawandels auf die UV-Strahlung ist in den mittleren und unteren Abbildungen ersichtlich, die die prozentuale Veränderung von HERY (erythem-effektive Bestrahlung) zwischen den Szenarien für wolkenlose und bewölkte Verhältnisse abbilden. Die ganzjährige Abnahme der UV-Strahlung (mittlere Abbildung) ist darauf zurückzuführen, dass in diesem Falle nur das stratosphärische Ozon eine Rolle spielt, wobei hier eine

Regeneration bis 2050 angenommen wird. Die Abhängigkeit von der Jahreszeit ist nach Meinung der Autoren darauf zurückzuführen, dass die Erholung des Ozons im Sommer und Herbst zusätzlich durch photochemisch gebildetes Ozon in der Troposphäre verstärkt wird. Unter Berücksichtigung der Bewölkungsveränderung (untere Abbildung 55) ergibt sich ein anderes Bild, denn während der Herbst- und Wintermonate wird der ozonbedingte Rückgang der UV-Strahlung nur wenig gemildert, teilweise sogar verstärkt. In den Sommermonaten hat der Rückgang der Bewölkung eine Überkompensation des Ozons zur Folge und führt zu einer Zunahme der UV-Strahlung von bis zu 15 %.

Abbildung 55: Mittlere Tagesexposition (oben) der UV-Strahlung (erythemgewichtet, HERY) für das 1x CO2- und 2x CO2- Szenario für Würzburg und Hohenpeißenberg. Die offenen Symbole beschreiben wolkenlose Bedingungen, ausgefüllte Symbole beschreiben die Bedingungen unter Wolkeneinfluss. Die unteren Abbildungen zeigen die prognostizierte Veränderung der mittleren täglichen UV-Exposition zwischen 1x CO2- und 2x CO2- Szenarien mit und ohne Berücksichtigung der Bewölkung. Quelle: REUDER et al., 2004b.

Der Rückgang der Bewölkung ist vermutlich auf eine Umstellung der Witterungssituationen zukünftiger Sommer mit weniger feuchten Westwetterlagen und vermehrten trockenen Ostwetterlagen zurückzuführen. Es zeigt sich für die Zukunft, dass in den Sommermonaten in Bayern mit einer Zunahme der UV-Strahlung zu rechnen ist, die stärker als die zu erwartende Abnahme der UV-Strahlung durch die Erholung der Ozonschicht ausfällt, was sich auf die klimatisch bedingte Bewölkungsveränderung zurückführen lässt (vgl. REUDER et al., 2004b).

Vor dem Hintergrund des Einflusses der UV-Strahlung auf die Hautkrebsinzidenz wurde

Klimawandels entwickelt. Das Modell prognostiziert die Entwicklung der UV-Strahlung und damit eine mögliche Veränderung der Hautkrebsinzidenz. An dieser Stelle ist vorerst nur die Entwicklung der UV-Strahlung von Interesse. In dem Modell wurde versucht, die Einflüsse des Klimawandels auf das Ozon zu berücksichtigen. Es wurden unter anderem die Veränderung der Stratosphärentemperatur (Abnahme) und der sich damit verändernde Ozonkreislauf, die Veränderung der atmosphärischen Dynamik sowie der Einfluss des Polarwirbels in das Modell integriert. Zunächst wurde ermittelt, dass sich die Regeneration der Ozonschicht unter dem Einfluss des Klimawandels verzögert, was die ozonbedingte Erhöhung der UV-Strahlung länger anhalten lässt. Die Abbildungen 56 und 57 zeigen die prozentuale Veränderung der UV-Strahlung zwischen 1980 und 2020 ohne (56) und mit (57) Einfluss des Klimawandels.

Abbildung 56: Prognose zur Entwicklung der effektiven UV-Strahlung im Jahre 2020 ohne dem Einfluss des Klimawandels. Quelle: K^ELFKENS et al., 2002.

Die Veränderung der UV-Strahlung ist deutlich sichtbar, wobei auf die unterschiedliche Skalierung bzw. Klassifizierung hingewiesen werden muss. Die Zunahme ist in erster Linie auf die verzögerte Ozonkonzentration zurückzuführen, die in der Wissenschaft allerdings noch umstritten ist (siehe Kapitel 2.5). Das Maximum der UV-Strahlung ist nach Meinung der Autoren etwa 2020 erreicht und in Mitteleuropa 4 – 6 % höher mit Einfluss des Klimawandels als ohne diesen. Unsicherheiten der Prognose bestehen beispielsweise in der fehlenden Berücksichtigung der Bewölkung und der Aerosole oder im fehlenden Verständnis um das Zusammenwirken der Ozonchemie, der atmosphärischen Dynamik und der Treibhausgase.

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Abbildung 57: Prognose zur Entwicklung der effektiven UV-Strahlung im Jahre 2020 mit dem Einfluss des Klimawandels. Quelle: KELFKENS et al., 2002.

Die Abbildung 58 zeigt in einer Übersicht eine qualitative Bewertung bzw. Abschätzung zum Einfluss des Klimawandels auf die UV-Strahlung. Je nach Position der Kästchen im Koordinatensystem lässt sich die Beeinflussung durch den Klimawandel (Y-Achse) sowie der Einfluss auf die UV-Strahlung (X-Achse) ablesen. Die farbliche Unterlegung beschreibt, ob der Einfluss sicher, oder eher unsicher ist. Zudem lässt sich an den Hochzahlen erkennen, ob es sich um einen direkten oder indirekten Einfluss auf die UV-Strahlung handelt. Beispielsweise ist der Einfluss der Aerosole auf die UV-UV-Strahlung relativ hoch und zudem erwiesen, allerdings werden Aerosole durch den Klimawandel eher wenig beeinflusst. Als weiteres Beispiel lässt sich die Bewölkung nennen, deren Einfluss auf die Strahlung sehr hoch ist, sie selber aber auch durch den Klimawandel beeinflusst wird. Da der Solarzyklus nicht vom Klimawandel beeinflusst wird, wurde das Feld entsprechend farblos gehalten.

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Abbildung 58: Qualitative Abschätzung zum Einfluss des Klimawandels auf die UV-Strahlung. Entwurf: J.

AUGUSTIN, 2009.

Aus der Abbildung 58 geht zusammengefasst der Einfluss des Klimawandels auf die UV-Strahlung hervor. Es wird deutlich, dass der Klimawandel direkt oder indirekt zahlreiche Prozesse beeinflusst, die wiederum unterschiedlich starke Auswirkungen auf die UV-Strahlung haben. Ein zentrales Problem besteht in der Überlagerung und gegenseitigen Beeinflussung dieser Prozesse. So können bestehende Szenarien zur Veränderung der UV-Strahlung nur mit einer Auswahl der gezeigten Faktoren durchgeführt werden, um die Unsicherheiten möglichst gering zu halten. Die Bewölkung ist ein gutes Beispiel dafür, denn sie hat eine hohe raumzeitliche Variabilität auf der einen Seite – und eine Abhängigkeit von weiteren Faktoren wie den Aerosolen und Wasserdampfgehalt auf der anderen Seite – was eine Prognose nochmals erschwert.

0 ^hoch

Bewölkung¹

NAO/AO²

Solarzyklus¹ QBO²

Aerosole¹ Wetterlagen²

Polarwirbel²

Atmosphär. Gase²

Ozonkreislauf¹

PSC¹ Wasserdampf²

hoch

Temp. Stratosphäre² Temp. Troposphäre²

1 direkter Einfluss auf UV

2 indirekter Einfluss auf UV

Einfluss durch Klimawandel ist: sicher / unsicher Einfluss auf UV-Strahlung

Kernaussagen: Die UV-Strahlung und ihre beeinflussenden Parameter

• Deutliche Abhängigkeit der UV-Strahlungsintensität vom Sonnenstand bzw.

Sonnenzenitwinkel (50 % der erythemwirksamen Energie 1 Std. vor und nach Sonnenhöchststand)

• Wirkung des Ozons auf die UV-Strahlung stark wellenlängenabhängig, je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Filterwirkung

• Absorptionseigenschaften der Aerosole von der Aerosol Optischen Dicke (AOD) abhängig, wobei weniger die Aerosolmenge sondern der Aerosoltyp entscheidend für die Filterung ist (bis zu 50 % Abnahme bei starker Luftverschmutzung)

• Strahlungsdurchlässigkeit einer Wolke wird entscheidend durch die optische Dicke beeinflusst und ist zudem von der Wellenlänge abhängig

• Wolken können die UV-Strahlung schwächen (bis zu 99 % bei Cumulusnimbus congestus), aber auch stärken, wenn die UV-Strahlung bei Teilbewölkung an den Wolken reflektiert bzw. gebündelt wird und sich dadurch erhöht

• Zunahme der UV-Strahlung mit der Höhe (zwischen ca. 7 und 25 % pro 1000 m) aufgrund abnehmender Emissionen aus Bodennähe (z.B. Staub); durch sich überlagernde Prozesse allerdings schwer prognostizierbar

• Zunahme der UV-Strahlung im Frühjahr und Sommer, vermutlich bedingt durch Ozonverluste

• Große Unsicherheiten bei der Modellierung der zukünftigen UV-Strahlung; erste Ergebnisse zeigen jedoch eine weitere Zunahme in den nächsten zwei Dekaden, insbesondere unter Berücksichtigung des Klimawandels