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Messungen der räumlichen und zeitlichen Verteilung der solaren Strahlung

Die Messung der solaren Strahlung am Boden ist wichtig um eine Vielzahl von Prozessen innerhalb der Atmosphäre der Erde zu beschreiben und zu verstehen. Eine genaue Kenntnis über die Entstehung, die zeitliche Entwicklung und die Auswirkungen solcher Prozesse auf uns Menschen und unsere Umwelt ist dabei von großem Interesse. Die Messung der solaren Strahlung am IMUK findet u. a. in folgenden Gebieten Anwendung:

  • Quantifizierung des Einflusses solarer Strahlung auf die Biosphäre
  • Quantifizierung des Einflusses solarer Strahlung auf den Menschen (z. B. Vitamin D Produktion in der Haut, Sonnenbrandbildung)
  • Grundlagenforschung zum Strahlungstransfer in Polargebieten
  • Ergänzung von Satellitenmessungen (Bodenmessungen sind genauer)
  • Validierung von Satellitendaten
  • Trenduntersuchungen
  • Einfluss von Wolken auf das Strahlungsfeld (Anwendung im Bereich der Solarenergie)
  • Monitoring

 

Messgrößen für Bodenmessungen sind:

  • (Spektrale) globale Bestrahlungsstärke

     Gesamte an der Erdoberfläche auf eine horizontale Empfangsfläche auftreffende Solarstrahlung.

  • (Spektrale) direkte Bestrahlungsstärke

     Teil der Gesamtstrahlung die auf direktem Weg die Erdoberfläche erreicht.

  •  (Spektrale) diffuse Bestrahlungsstärke

     Teil der Gesamtstrahlung der über Streuung an atmosphärischen Partikeln (Wolken, Staub etc.) die Erdoberfläche erreicht.

  • Spektrale Strahldichte

     Strahlung die die von einem bestimmten Raumelement des Himmels ausgeht.

Instrumente

Zur Messung der oben genannten Größen werden am IMUK verschiedene Geräte verwendet, die sich in ihrer räumlichen, zeitlichen und spektralen Dimension unterscheiden:

1.  Die Pyranometer, UV-Biometer und UV-Dosimeter am IMUK (Abb. 1) bestimmen die Strahlung die insgesamt am Erdboden ankommt (globale Bestrahlungsstärke) integriert über einen festgelegten Spektralbereich. Pyranometer werden aufgrund ihrer langen Stabilität und der günstigen Anschaffungskosten am IMUK für das Monitoring verwendet. Die Daten finden u. A. Anwendung in Untersuchungen zur Optimierung der Ausrichtung von Solarzellen (Behringer et al. 2011)

UV-Biometer und UV-Dosimeter wichten das Signal zusätzlich in Bezug auf die Empfindlichkeit der Haut zur Bildung von Sonnenbrand und liefern mit dem UV-Index ein Maß für die schädigende Wirkung der UV-Strahlung auf die menschliche Haut (Seckmeyer et al. 2013).

2.  Das wellenlängenscannende Spektralradiometer (Seckmeyer et al 2001, Wuttke et al. 2006a) am IMUK ist in der Lage das Eingangssignal spektral zu zerlegen (Spektralbereich: 280 nm – 2500 nm). Dabei ist es möglich pro Zeitschritt das Signal einer Wellenlänge zu messen was bei der Aufnahme eines ganzen Spektrums zu vergleichsweise hohen Messzeiten führt. Das wellenlängenscannende Spektralradiometer ist durch das NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change) als hochgenaues Messgerät zertifiziert und wird am IMUK für die Messung der spektralen globalen Bestrahlungsstärke und Strahldichte verwendet. Dieses Gerät wird aufgrund ihrer Genauigkeit am IMUK als Referenz für andere Geräte verwendet (Riechelmann et al. 2013).

Hochgenaue spektrale Messungen der globalen Bestrahlungsstärke und der Strahldichte finden besonders Anwendung in der Untersuchung von weltweiten Trends (Glandorf et al. 2004) aber auch in der Grundlagenforschung zum Strahlungstransfer in Polargebieten (Wuttke et al. 2006b) oder der Quantifizierung des Einflusses solarer Strahlung auf die Biosphäre und den Menschen (Seckmeyer et al. 2012 und 2013).

 

3.  Das Array Spektralradiometer (Seckmeyer et al. 2010) am IMUK ist in der Lage ein gesamtes Spektrum zeitgleich zu messen (Spektralbereich: 280 nm - 900 nm) und ist somit deutlich schneller. Ein Nachteil ist jedoch die geringere Präzision im Vergleich zu wellenlängenscannenden Geräten was u. A. auf einen relativ hohen Anteil von Streulicht am Gesamtsignal zurückzuführen ist.

Mit Array Geräten wird am IMUK ebenfalls spektrale globale Bestrahlungsstärke und Strahldichte gemessen mit dem Vorteil dass Einflüsse von zeitlich schnellen Änderungen in der Zusammensetzung der Atmosphäre (z. B. Wolken, Aerosole etc.) auf die spektrale Strahlung am Boden deutlich besser untersucht werden können.

4.  Ein am IMUK entwickeltes und weltweit bisher einmaliges bildgebendes Spektralradiometer (MUDIS; Riechelmann et al. 2013) ist in der Lage die spektrale Strahldichte (Spektralbereich: 300 nm -700 nm) aus mehreren Richtung gleichzeitig und somit die räumliche Variation der Strahlung zu messen. Das hat den Vorteil dass Einflüsse von zeitlich schnellen Änderungen in der Zusammensetzung der Atmosphäre (z. B. Wolken, Aerosole etc.) auf das Strahlungsfeld deutlich besser untersucht werden können. Anwendung finden solche Messungen etwa um den Einfluss der Strahlungsverteilung auf den Ertrag von Solaranlagen und die Vitamin D Produktion und Entstehung von Sonnenbrand der menschlichen Haut zu untersuchen.

Darstellung einer Messung der spektralen Strahldichte bei 500 nm mit dem am IMUK entwickelten Bildgebenden Spektralradiometer MUDIS (Riechelmann et al.2013) verglichen mit einem hemisphärischen Foto aufgenommen zur selben Zeit unter bewölkten und wolkenlosen Situationen. Dabei ist der Einfluss von Wolken deutlich zu erkennen (IMUK 2015).

Charakterisierung, Qualitätssicherung und Qualitätskontrolle

Um Messungen mit hoher Qualität durchführen zu können, müssen bestimmte Anforderungen an die Geräte und dessen Charakterisierung, Qualitätssicherung und Qualitätskontrolle gestellt werden. Besonders für spektrale Messgeräte im UV-Bereich gelten hohe Anforderungen, da die Geräte in diesem Bereich oft an die Nachweisgrenze der zu messenden Strahlung kommen. Eine gute Kenntnis der Geräte, ihrer Funktionsweise sowie ihrer Stärken und Schwächen ist ebenfalls wichtig.