Als UV-Strahlung wird elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen kürzer als 380 nm bezeichnet. Der deutsche Physiker Johann Wilhem Ritter entdeckte 1801 die UV Strahlung, indem er Sonnenlicht durch ein Prisma aufspaltete und auf ein mit Hornsilber bestrichenes Papier fallen lies. Er stellte eine starke Schwärzung des Silbers außerhalb des violetten Bereichs feststellte und bezeichnete die Strahlung in Abgrenzung der ein Jahr zuvor durch Wärmewirkung nachgewiesenen “Wärmestrahlung” (eigentlich Infrarotstrahlung) als de-oxidierende Strahlung, später wurde sie als chemische Strahlung bezeichnet.

Die biologische Wirkung UV-Strahlung erkannte man erst rund 100 Jahre später. In den 1890ern erkannte man, dass sowohl Sonnenbrand als auch Hautbräunung durch UV-Strahlung verursacht wird. Um 1900 entwickelte der dänische Physiker Niels Fiensen die Phototherapie und setzte eine Kohlenbogen-UV-Lampe zur Behandlung verschiedener Hautkrankheiten ein. In den 1920ern wurde nachgewiesen, dass UV-Strahlung Vitamin D bildet und dass sowohl UV-Strahlung als auch über die Nahrung zugeführtes Vitamin D (Lebertran) zur Behandlung und Vorbeugung von Rachitis eingesetzt werden kann. [592Albert, M. R., & Ostheimer, K. G. (2002). The evolution of current medical and popular attitudes toward ultraviolet light exposure: Part 1. Journal of the American Academy of Dermatology, 47(6), 930–937.; 593Albert, M. R., & Ostheimer, K. G. (2003). The evolution of current medical and popular attitudes toward ultraviolet light exposure: Part 2. Journal of the American Academy of Dermatology, 48(6), 909–918.; 594Albert, M. R., & Ostheimer, K. G. (2003). The evolution of current medical and popular attitudes toward ultraviolet light exposure: Part 3, Journal of the American Academy of Dermatology, 49(6), 1096–1106.]

Ab 1900 galt UV-Strahlung sowohl in der medizinischen Fachwelt als auch in der Gesellschaft als hervorragendes Mittel zur Prävention von Erkrankungen, viele Firmen entwickelten Kohlenbogen- oder Quecksilberdampf-UV Lampen (1907:Uviol), mit ohne Filter um Strahlung unterhalb von 280nm zu unterdrücken, wobei bei Strahlung unterhalb von 280nm Sonnenbrillen zum Schutz der Augen empfohlen wurden. Die ersten Mischlichtlampen kamen 1930 auf den Markt (GE S-1,S-2). [592Albert, M. R., & Ostheimer, K. G. (2002). The evolution of current medical and popular attitudes toward ultraviolet light exposure: Part 1. Journal of the American Academy of Dermatology, 47(6), 930–937.; 593Albert, M. R., & Ostheimer, K. G. (2003). The evolution of current medical and popular attitudes toward ultraviolet light exposure: Part 2. Journal of the American Academy of Dermatology, 48(6), 909–918.; 594Albert, M. R., & Ostheimer, K. G. (2003). The evolution of current medical and popular attitudes toward ultraviolet light exposure: Part 3, Journal of the American Academy of Dermatology, 49(6), 1096–1106.]

In den 1930ern zeigten Tierversuche, dass UVB-Strahlung Hautkrebs verursacht, so dass das Spektrum von UV-Lampen auf den UVA-Bereich eingeschränkt wurde ich die UV-Begeisterung langsam abebbte. Seit 1976 auch Hautschäden durch UVA beobachtet, gleichzeitig aber Schutz- und Reparaturmechanismen durch UVB bekannt wurden, legt man mehr und mehr Wert auf sonnenähnliche UV-Spektren. Mischlichtlampen wurden durch Leuchtstofflampen ersetzt. [588Hockberger, P. E. (2002). A history of ultraviolet photobiology for humans, animals and microorganism. Photochemistry and Photobiology, 76(6), 561–579.; 425Jüstel, T. (2000). Designing uv phosphor blends for suntanning lamps. In C. R. Ronda (Ed.), Physics and chemistry of luminescent materials (pp. 77–90).The Electrochemical Society.]

Historisch wurden die einzelnen Bereich der UV-Strahlung danach unterteilt, welche Materialien UV-Strahlung absorbieren bzw nach welchen Schichten die Strahlung noch nachweisbar ist. Die Grenzen werden je nach Fachbereich und Anwendung anders gesetzt.

• Röntgenstrahlung < 100 nm
  Strahlung unterhalb von 100 nm wird im Weltall absorbiert, da bei dieser Wellenlänge das Seriengrenzkontinuum von Wasserstoff liegt, mit dem das Weltall mit sehr geringem Druck gefüllt ist. Unterhalb von 100 nm spricht man von Röntgenstrahlung.
• Vakuum-UV 100 nm - 200 nm
  Strahlung mit Wellenlängen kleiner als 200 nm wird von Luft von Stickstoff und Sauerstoff absorbiert, kann sich in Luft daher nur wenige Millimeter weit ausbreiten.
• UV-C: 200 nm - 280 nm
  Strahlung unterhalb von 280 nm wird von Ozon absorbiert, kann daher die Erdatmosphäre nicht erreichen. Tatsächlich kommt auch unterhalb von 290 nm keine UV-Strahlung auf der Erdoberfläche an und auch unterhalb von 300 nm ist die UV-Strahlung sehr gering.
• UV-B: 280 nm - 315 nm / 320 nm
  Bei Strahlung der Wellenlänge kleiner als 315 nm nahm man in den 1930er Jahren die Grenze für die Schädigung von DNA an. Neuere Erkenntnisse zeigen, dass die Grenze eher bei 320 nm festzusetzen sei. Im europäischen Raum ist die Definition 280-315 nm häufiger, im amerikanischen Raum eher 280-320 nm.
• UV-A: 315 nm / 320 nm - 380 nm / 400 nm
  Oberhalb von 380 nm beginnt nach DIN der Strahlungsbereich den das menschliche Auge wahrnehmen kann, und der als Licht bezeichnet wird. Häufig wird aber auch die runde Grenze von 400 nm genutzt.
  • In der Dermatologie und bei der Beurteilung von Sonnenschutzmitteln wird die UVA-Strahlung weiter unterteilt in UV-A 1: 340 - 400 nm und UV-A 2: 320 - 340 nm. Ich nutze hier eine ähnliche Unterteilung, da kurzwelliges UVA (UVA2) eine wichtige Rolle bei der Vitamin-D3-Regulierung spielt und langwelliges UVA (UVA1) für Reptilien sichtbar ist.

Die harten Grenzen zwischen UVA-, UVB- und UVC-Strahlung haben wenig mit der biologischen Wirkung von UV-Strahlung gemeinsam. Strahlung mit 314,9 nm Wellenlänge zählt voll als UVB-Strahlung, Strahlung mit 315,1 nm Wellenlänge nicht, biologisch haben aber beide Wellenlängen fast die selbe Wirkung. Es hat sich daher eine zusätzliche Einheit für UV-Strahlung etabliert, die stärker an der biologischen Wirkung angelehnt ist.

Der UV-Index mit der heutigen Skala wurde 1992 in Kanada eingeführt und orientiert sich an der bereits länger bekannten und definierten Wirkfunktion für Sonnenbrand (CIE 1987). Er hat sich sehr schnell weltweit durchgesetzt und ist heute standardisiert durch WMO, WHO, UNEP und ICNIRP. Der UV-Index ist eine wissenschaftliche Größe. Man hat jedoch die Einheit so gewählt, dass die Zahl für die durchschnittliche Bevölkerung leicht verständlich ist. Eine effektive Bestrahlungsstärke von 2,5 µW/cm²_eff entspricht dem UV-Index-Wert 1. Weltweit wird der UV-Index im Wetterbericht als Warnung vor intensiver UV-Strahlung des Sonnenlichts verwendet. Er wird in einem globalen Netzwerk von wissenschaftlichen Einrichtungen gemessen, in Deutschland an 10 Standorten durch das Bundesamt für Strahlenschutz und das Umweltbundesamt¹⁾.

Der UV-Index wird aus einer spektralen Messung durch Multiplikation²⁾ mit der Wirkfunktion für Erythembildung und Integration ermittelt: \[UVI = \frac{\int\limits_{250 nm}^{400 nm} E_\lambda(\lambda) \cdot W(\lambda) \mathrm{d}\lambda}{2,5 µW/cm²} = 0,4 \cdot \frac{\int\limits_{250 nm}^{400 nm} E_\lambda(\lambda) \cdot W(\lambda) \mathrm{d}\lambda}{µW/cm²} \]

$E_\lambda(\lambda)$: Bestrahlungsstärke des Sonnenlichts, Einheit µW/cm²/nm, $\lambda$: Wellenlänge, Einheit nm, $W(\lambda)$ Erythem Wirkspektrum (CIE 1987)

$W = \left\{ \begin{array}{cc} 1 & \mathrm{wenn\,\,} \lambda < 298 \mathrm{nm} \\ 10^{0,094\cdot(298-\lambda)} & \mathrm{wenn\,\,} 298 \mathrm{nm} <\lambda < 328 \mathrm{nm}\\ 10^{0,015\cdot(139-\lambda)} & \mathrm{wenn\,\,} 328\mathrm{nm} <\lambda < 400\mathrm{nm} \end{array} \right\} $

Die Standard-Erythmale-Dosis sind 100 J/m² erythemgewichtete Strahlung.

Typische Umrechnungen:

• eine Stunde lang UV-Index 1 entspricht 0,9 SED
• 1 SED = UV-Index 1,1 x 1 h = UV-Index 3,3 x 20 min = UV-Index 6,7 x 10 min

Typische Jahreswerte für Menschen durch natürliche Sonnenstrahlung sind 100 - 500 SED.

Die minimale Erythemdosis (MED) oder Erythemschwellendosis gibt an welche erythemgewichtete UV-Dosis nötig ist, um einen Sonnenbrand auszulösen. Das unterscheidet sich je nach Hauttyp:

Die J/m² geben die Dosis an erythemgewichteter UV-Strahlung auf der Hautoberfläche an, also die Bestrahlungsstärke über einen gewissen Zeitraum. 90 J/m² =³⁾ 2,5 µW/cm² × 1h.

Da UV-Index = 1 genau 2,5 µW/cm² entspricht, lässt sich für einen vorhandenen UV-Index ausrechnen, nach welcher Bestrahlungsdauer die Dosis für 1 MED erreicht wird.

$ \mathrm{Sonnendauer\,in\,Stunden} = \frac{\mathrm{MED}}{90 \cdot \mathrm{UVIndex}} $, $ \mathrm{Sonnendauer\,in\,Minuten} = \frac{\mathrm{MED}}{1,5 \cdot \mathrm{UVIndex}} $

Die US-Behörde für Lebens- und Arzneimittel FDA definiert für Sonnenstudio-Lampen 1 MED = 156 J/m². Diese Umrechnung nutzen auch einige Messgeräte, wie das Solarmeter 7.0. Damit lassen sich UV-Index und MED/h in einander umrechnen⁴⁾

• UV-Index = 1 entspricht 0,5769 MED/h
• 1 MED/h entspricht UV-Index 1.73333

Der UV-Index beschreibt nur die normierte Erythemwirkung des Lichts. Auch für weitere biologische Wirkungen des UV-Lichts (DNA-Schädigung, Bindehautentzündung, DNA-Bildung) existieren definierte Wirkspektren [73Strahlungsphysik im optischen bereich und lichttechnik: photobiologisch wirksame strahlung, größen, kurzzeichen und wirkungsspektren. (2000). No. DIN 5031-10Deutsches Institut für Normung e.V.]. Alle diese Wirkspektren haben einen glatten Übergang in der Nähe der Grenze zwischen UVB und UVA. Sie ähneln dem Wirkspektrum der Erythembildung stärker als sie der Definition von UVB-Strahlung ähneln. Wenn es nicht möglich ist, die effektive Bestrahlungsstärke für eine bestimmte biologische Wirkung im UVB-Bereich aus dem zugehörigen Wirkspektrum zu berechnen, kann der UV-Index in vielen Fällen die bessere Wahl als die UVB-Bestrahlungsstärke sein.

Ein weiterer Vorteil des UV-Index gegenüber der UVB-Bestrahlungsstärke besteht darin, dass das glatte Wirkspektrum des UV-Index leichter mit radiometer nachgebildet werden kann als die harte Kante der UVB-Definition. Außerdem ist der UV-Index den meisten Menschen aus dem Wetterbericht vertraut und es ist leicht, Referenzdaten aus dem Habitat von Tieren auf diesem Weg zu erhalten.

[592] Albert, M. R., & Ostheimer, K. G. (2002). The evolution of current medical and popular attitudes toward ultraviolet light exposure: Part 1. Journal of the American Academy of Dermatology, 47(6), 930–937.
[593] Albert, M. R., & Ostheimer, K. G. (2003). The evolution of current medical and popular attitudes toward ultraviolet light exposure: Part 2. Journal of the American Academy of Dermatology, 48(6), 909–918.
[594] Albert, M. R., & Ostheimer, K. G. (2003). The evolution of current medical and popular attitudes toward ultraviolet light exposure: Part 3, Journal of the American Academy of Dermatology, 49(6), 1096–1106.
[588] Hockberger, P. E. (2002). A history of ultraviolet photobiology for humans, animals and microorganism. Photochemistry and Photobiology, 76(6), 561–579.
[425] Jüstel, T. (2000). Designing uv phosphor blends for suntanning lamps. In C. R. Ronda (Ed.), Physics and chemistry of luminescent materials (pp. 77–90).The Electrochemical Society.
[73] Strahlungsphysik im optischen bereich und lichttechnik: photobiologisch wirksame strahlung, größen, kurzzeichen und wirkungsspektren. (2000). No. DIN 5031-10Deutsches Institut für Normung e.V.