Ultraviolettstrahlung

UV ist eine Weiterleitung auf diesen Artikel. Weitere Bedeutungen sind unter UV (Begriffsklärung) aufgeführt.

Ultraviolettstrahlung, kurz Ultraviolett, UV oder UV-Strahlung, umgangssprachlich ultraviolettes Licht, seltener und fälschlich Infraviolett-Strahlung, ist die für den Menschen unsichtbare elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen, die kürzer als das sichtbare Licht sind. Im elektromagnetischen Wellenspektrum schließt sich, ausgehend vom für den Menschen sichtbaren Bereich, dem Licht- oder Farbspektrum, an das Ultraviolett die Röntgenstrahlung an.

Die Bezeichnung ultraviolett (etwa „jenseits von Violett“) beruht darauf, dass sich das UV-Spektrum zu kürzeren Wellenlängen an Violett anschließt. Letzteres ist definitionsgemäß der für Menschen gerade noch wahrnehmbare Farbreiz. Wahrgenommen werden jene indirekt durch ultraviolette Strahlung zum Leuchten im sichtbaren Bereich angeregten fluoreszierenden Stoffe. Aus diesem Zusammenhang entstand für UV der umgangssprachliche Begriff Schwarzlicht. Scheinbar ohne Einfluss von Licht (vermeintlich schwarz) „leuchten“ Fluoreszenzflächen im Dunklen hell.

Der UV-Bereich schließt sich unmittelbar links an den sichtbaren Bereich an.

Entdeckung

Die Entdeckung der UV-Strahlung folgte aus den ersten Experimenten mit der Schwärzung von Silbersalzen im Sonnenlicht. Im Jahr 1801 machte der deutsche Physiker Johann Wilhelm Ritter die Beobachtung, dass Strahlen gerade jenseits des violetten Endes im sichtbaren Spektrum im Schwärzen von Silberchloridpapier sehr effektiv waren. Er nannte die Strahlen zunächst „de-oxidierende Strahlen“, um ihre chemische Wirkungskraft zu betonen und sie von den infraroten „Wärmestrahlen“ am anderen Ende des Spektrums zu unterscheiden. Bis ins 19. Jahrhundert wurde UV als „chemische Strahlung“ bezeichnet. Mittlerweile werden die Bezeichnungen „Infrarotstrahlung“ und „Ultraviolettstrahlung“ verwendet, um die beiden Strahlungsarten zu charakterisieren.^[1]

Anfang des 20. Jahrhunderts wurde die heilende Wirkung der künstlichen UV-Strahlung entdeckt. So berichtete der österreichische Arzt Gustav Kaiser (1871–1954), der sich in Würzburg mit elektrotherapeutischen Studien beschäftigt hatte, in der Vollversammlung der Gesellschaft der Ärzte in Wien im Februar 1902 über den Selbstversuch mit einer UV-Glühlampe, mit deren Hilfe er die Gesundung einer nicht heilen wollenden Wunde erreichte. Eine schwer erkrankte tuberkulöse Patientin soll nach dem vorliegenden Bericht mittels des „blauen Lichts“ in vier Wochen geheilt worden sein. Ermutigt durch diese Erfolge dehnte Kaiser seine Versuche mit einer Hohllinse auf Hautkrankheiten aus, wobei er ebenfalls günstige Ergebnisse erzielte. Er zog daraus den Schluss, dass die UV-Strahlung keimtötend wirkt.^[2]

Spektrum und Bezeichnungen

Einteilung nach Wellenlänge (DIN 5031-7^[3])
Name	Abkürzung	Wellenlängen- bereich	Photonen- energie
Nahes UV („Schwarzlicht“)	UV-A	380–315 nm	03,26–3,94 eV
Mittleres UV (Dorno-Strahlung)	UV-B	315–280 nm	03,94–4,43 eV
Fernes UV	UV-C-FUV	280–200 nm	04,43–6,20 eV
Vakuum-UV	UV-C-VUV	200–100 nm	06,20–12,4 eV
Extremes UV^[4]	EUV	121–10 nm	10,25–124 eV

Gemäß DIN 5031, Teil 7,^[3] umfasst das Spektrum im Ultravioletten die Wellenlängen von 100 nm bis 380 nm (Grenze zum sichtbaren Licht), die Frequenz der Strahlung reicht von etwa 790 THz (380 nm) bis 3000 THz (100 nm). Die von den häufig 400 nm als Grenze verwendete „unrunde Zahl“ von 380 nm ist durch den (Un-) Empfindlichkeitsbereich des Auges definiert. UV ist also definitionsgemäß unsichtbar für das menschliche Auge. Dieser Bereich wird in die Unterbereiche UV-A, UV-B und UV-C eingeteilt. Unabhängig von der Normung nach DIN existieren mehrere, sich überlappende und nicht genau definierte Unterteilungsmuster. Speziell für den biologischen und dermatologischen Bereich zählen beispielsweise die extrem ultraviolette und die vakuumultraviolette Strahlung hierzu. Der UV-Bereich reicht laut Weltgesundheitsorganisation (WHO) von 1 nm bis 400 nm.^[5]

Für UV-Strahlung mit Wellenlängen unter 300 nm ist in der Fotolithographie (KrF-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 248 nm) und der Lasertechnik der Begriff „tiefes Ultraviolett“ (englisch deep ultraviolet, DUV) gebräuchlich. Unterhalb 200 nm ist Ultraviolettstrahlung so kurzwellig und energiereich, dass sie durch molekularen Sauerstoff (O₂) absorbiert wird; dabei wird der molekulare Sauerstoff (O₂) in zwei freie Sauerstoffradikale (2 O^•) gespalten, die jeweils mit einem weiteren Molekül Sauerstoff (O₂) zu Ozon (O₃) weiterreagieren. UV-Strahlung mit Wellenlängen kleiner 200 nm kann sich folglich nur unter Schutzgas und die kurzwelligen Anteile unter 100 nm nur noch im Vakuum über signifikante Distanzen ausbreiten, darauf geht der Ausdruck „Vakuum-Ultraviolett“ zurück.

Eine vollständige Übersicht über die elektromagnetischen Wellenbereiche findet sich im Artikel Elektromagnetisches Spektrum.

Ultraviolettstrahlungsquellen

Veränderung der Intensitätsverteilung der Sonnenstrahlung durch die Erdatmosphäre, insbesondere die UV-Strahlung

Polarlicht über Jupiters Nordpol, vom Hubble Space Telescope im UV-Spektrum fotografiert

Bei thermischer Strahlung wird der Anteil der UV-Strahlung durch das Plancksche Strahlungsgesetz und das Wiensche Verschiebungsgesetz bestimmt. Durch angeregte Elektronen kann UV-Strahlung generiert werden, wenn deren Energie oberhalb 3,3 eV liegt. Gleiches ist bei der Temperatur der Glühwendeln von Glühlampen in geringem Maße gegeben, weshalb insbesondere Halogen-Glühlampen auch etwas Ultraviolettstrahlung aussenden.

Natürliche Quellen

Ultraviolettstrahlung ist im kurzwelligen Anteil der Sonnenstrahlung enthalten. Wegen der Absorption in der Erdatmosphäre (besonders in der Ozonschicht) dringt UV-A- und wenig UV-B-Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb 300 nm bis zur Erdoberfläche vor. Bestimmte Gase, insbesondere FCKW, wirken durch das Sonnen-UV auf die Ozonbindung und verschieben das Gleichgewicht in der Ozonschicht, das Ergebnis ist das Ozonloch, wobei die UV-B-Exposition der Erdoberfläche zunimmt.

Auch andere kosmische Objekte wie Pulsare, hochangeregte Gasmassen sowie die meisten Fixsterne senden UV-Strahlung aus. Weiterhin enthält Polarlicht eine Ultraviolettstrahlung. Natürliche irdische Ultraviolettquellen sind Gewitterblitze und Elmsfeuer.

Künstliche Quellen

Taschenlampe mit UV-Leuchtdioden

Ultraviolettstrahlung entsteht in folgenden künstlichen Quellen:

Quecksilberdampflampen: Mittel-, Hoch- und -Höchstdrucklampen
- zur Fotolithografie,
- zum Aushärten von Harzen, Klebern und Lacken,
- zur Wasser-Desinfektion
- in der Höhensonne, eine Quecksilberdampf-Hochdrucklampe, die früher häufig zur Therapie von Akne und Rachitis sowie zur Gesichtsbräunung verwendet wurde
Quarzlampen (Quecksilberdampf-Niederdruck-Lampen)
- in Solarien (UV-A, Bräunung, gesundheitlich jedoch umstritten aufgrund möglicher Hautschädigung),
- früher zur EPROM-Löschung
- zur Desinfektion in Krankenhäusern
Schwarzlichtlampen für UV-A
- Glühlampen mit Filter oder Quecksilberdampf-Niederdrucklampen mit Filter und Leuchtstoff für Deko-Zwecke, Disco,
- mineralogische Untersuchungen,
- Geldscheinkontrolle mit einem UV-Prüfgerät. Hierbei wird der sichtbare Anteil der Strahlung ausgefiltert, so dass nur die durch UV hervorgerufenen Fluoreszenz-Effekte sichtbar sind
Ultraviolett-Laser (Excimerlaser, neuerdings auch Diodenlaser)
UV-Leuchtdioden
UV-Kaltkathodenröhren (UV-CCL)

Es gibt weitere künstliche Quellen, bei denen die Ultraviolett-Emission jedoch zweitrangig ist:

Gasentladungslampen (auch Tageslichtlampen und Vollspektrumröhren; hierbei ist die UV-Emission von Tageslichtlampen gesundheitlich unbedenklich und erwünscht)
Lichtbogenschweißen
Koronaentladung, Koronabehandlung (siehe auch Ionisator)
alle Prozesse, bei denen ionisierte Gase oder sehr hohe Temperaturen auftreten (beispielsweise Laser-Materialbearbeitung, Ionenquellen, Funkenstrecken)
in geringem Maße Halogen-Glühlampen ohne Schutzglas

Intensive UV-Quellen

Das Lichtbogenschweißen ist eine intensive Ultraviolettquelle, so dass Schweißer und umstehende Personen Augen und Haut schützen müssen.
Raumfahrt: Intensives UV-B und UV-C erfordern besondere Materialien, besonders für die Raumanzüge und deren Visiere zum Außeneinsatz. Außerhalb des „UV-Filters“ der Erdatmosphäre befindliche Solarzellen werden geschädigt und haben eine geringere Lebensdauer als auf der Erde.
Bei der Laser- und Elektronenstrahl-Bearbeitung muss hinsichtlich des Arbeitsschutzes die UV-Emission beachtet werden.

Wechselwirkung

Ultraviolettstrahlung wird vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen, da sie schon vorher komplett von der Augenlinse absorbiert wird. Dabei ist der Übergang von Violett zu Ultraviolett individuell bedingt fließend. Patienten, die nach Unfällen oder chirurgischen Eingriffen ihre Linsen verloren hatten, beschrieben UV-Licht als weißliches, „milchiges“ Blau-Violett. Die absorbierende Linse schützt wahrscheinlich die Netzhaut vor Schäden, da andernfalls der relativ lang lebende Mensch erblinden könnte. Eine auffällige Änderung der Wahrnehmung im Grenzbereich Violett/ UV kann nach dem Linsentausch im Ergebnis der Operation am Grauen Star der Linse durch eine Intraokularlinse bemerkt werden. Auch scheint es einen Zusammenhang mit der Sehschärfe zu geben: Tierarten, deren Linsen weniger UV-Licht durchdringen lassen, sehen schärfer und genauer.^[6] Manche Tiere (Insekten, Vögel, Fische, Reptilien) können sie teilweise wahrnehmen. Nach Untersuchungen von 2014 lassen die Linsen von deutlich mehr Tieren als bislang angenommen ultraviolettes Licht durch, auch jene von Hund und Katze. Ob sie wirklich ultraviolette Strahlung sehen können, muss in weiteren Untersuchungen erforscht werden.^[6]

Unterhalb einer Wellenlänge von 200 nm ist die Energie eines einzelnen ultravioletten Strahlungsquants ausreichend hoch, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu lösen, also zu ionisieren. Wie bei Gamma- und Röntgenstrahlung wird daher kurzwellige Ultraviolettstrahlung unterhalb 200 nm als ionisierende Strahlung bezeichnet.

Physik

Quarzglas (Kieselglas) ist für den gesamten auf der Erdoberfläche natürlich von der Sonne kommenden UV-Bereich bis etwa 250 nm transparent. Normales Glas (Natron-Kalk-Glas), insbesondere das gewöhnliche Fensterglas lässt Ultraviolettstrahlung unterhalb von 320 nm nicht durch. Borosilikatglas (wie Jenaer Glas) lässt UV-Strahlung bis etwa 290 nm passieren, hochborhaltige Borosilikatgläser, die UV-Strahlung bis etwa 180 nm. Für UV-A ist Fensterglas durchlässig. Strahlung unterhalb von 290 nm transmittiert durch natürliche oder synthetische Quarzkristalle. Im UV-C Bereich zwischen 100 nm und 250 nm sind synthetisches Quarzglas und manche Borosilikatgläser transparent^[7]. Andererseits lassen natürlicher Quarz und gewöhnliches Kieselglas durch ihren Titangehalt keine UV-Strahlung unterhalb 200 nm transmittieren, deshalb wird für die Entladungsgefäße von UV-Lampen, die solch kurze Wellenlängen generieren sollen, hochreines Quarzglas aus synthetischem Siliziumdioxid verwendet. Solche Anwendung ist die Fotolithografie oder die Aufbereitung hochreinen Wassers, wobei UV zur Oxidation der gelösten organischen Kohlenstoffverbindungen genutzt wird. Andere Einsatzzwecke für dieses Glas sind optische Elemente für die ArF-Excimerlaser-Wellenlänge (193 nm). Allerdings trübt kurzwelliges Ultraviolett hoher Intensität Gläser und optische Komponenten. An Optiken (beispielsweise für Excimerlaser) werden daher hohe Reinheitsanforderungen gestellt. Für kürzere Wellenlängen (bis zu 45 nm) wird für Linsen, Prismen oder Fenster einkristallines Kalziumfluorid verwendet.

Ultraviolett ist auf Grund der kurzen Wellenlänge oft Anregungswellenlänge für Fluoreszenz im sichtbaren Bereich. Die UV-angeregte Fluoreszenzstrahlung kann aber selbst im Ultraviolettbereich liegen. Der Äußere Photoeffekt tritt bei Ultraviolett an allen Metalloberflächen auf. Er wird in Photomultipliern an Szintillationsdetektoren zur Registrierung ultravioletter Strahlungsimpulse genutzt (Neutrinodetektor, Nachweis und Klassifizierung ionisierender Strahlung).

Chemie

UV-Strahlung vermag organische Bindungen zu spalten. Dadurch ist sie einerseits durch Zerstörung biogener Substanz lebensfeindlich. Viele Kunststoffe werden durch Ultraviolettstrahlung durch Trübung, Versprödung, Zerfall geschädigt. Technisch kann durch energiereiche UV-Strahlung die Vernetzung von Monomeren initiiert werden, um spezielle Polymere herzustellen.^[8]

Eine besondere Bedeutung spielt die Spaltung von Sauerstoffmolekülen durch kurzwellige UV-Strahlung unterhalb 200 nm in atomaren Sauerstoff. Die Rekombination führt zur Bildung von Ozon – einem aufgrund dessen Geruchs charakteristischen Merkmal der Wechselwirkung von UV-Strahlung mit Luft. Eine Vielzahl anderer Folgereaktionen findet bei diesen Prozessen statt, wie sie sich in der Ozonschicht abspielen. Mit diesen Vorgängen in der Ozonschicht wird durch Absorptionsreaktion die Erdoberfläche vor harter (kurzwelliger) UV-Strahlung der Sonne geschützt, wodurch Schäden an biologischem Material - auch am Menschen - verhindert werden und so das Vorhandensein von Leben ermöglicht wurde.

Biologie

Obwohl die Ultraviolettstrahlung die niedrigstenergetische der ionisierenden Strahlungen ist, kann sie für den Menschen und andere Organismen gefährlich sein. UV-Strahlung mit größerer Wellenlänge vermag bereits chemische Bindungen organischer Moleküle zu zerstören. Es ist Vorsicht beim Umgang mit Sonnenlicht (Sonnenschutz) und mit technischen UV-Quellen angebracht. Der übermäßige Besuch von Solarien bleibt umstritten.

Die Wirkung der UV-Strahlung lässt sich in verschiedene Bereiche einteilen:

Bereich	Wellenlänge^[3]	Biologische Wirkung
UV-A	315–380 nm	Lange UV-Wellen mit fürs UV geringerer Energie haben eine größere Eindringtiefe in streuendes biologisches Gewebe und gelangen bis zur Lederhaut direkte Pigmentierung (Konformationsänderung des Melanins) – nur Stunden anhaltende, kurzfristige Bräune, kaum Lichtschutz erzeugend; Schädigung der Kollagene – die Haut verliert Spannkraft und altert frühzeitig; Melanomrisiko durch Bildung freier Radikale; gering erythem (kaum Sonnenbrand erzeugend).
UV-B	280–315 nm	Kurze Wellen, energiereich werden in biologischem Gewebe stärker gestreut und in Luft transmittiert bewirken in der Oberhaut um 72 Stunden verzögert Bildung von Melanin – indirekte Pigmentierung, verzögerte, langfristige Bräunung (siehe unter Hautfarbe) mit echtem Lichtschutz; dringen weniger tief ein als UV-A, aber mit stark erythemem Effekt (Sonnenbrand); führen zur Bildung des anti-rachitischen Cholecalciferol (Vitamin D₃) in der Haut. Nach 2008 veröffentlichten epidemiologischen Untersuchungen kann die Vitamin-D-Produktion durch UVB vorbeugend gegen viele Krebsformen sein. Bis 2014 liegen keine randomisierten, kontrollierten Studien darüber vor, die mit der geographischen Breite variierende Krebsinzidenz gibt jedoch epidemiologische Hinweise auf eine Korrelation.^[9]^[10] UV-B-Strahlen besitzen die stärkste kanzerogene Wirkung für die Entstehung von Basalzellkarzinomen und Plattenepithelkarzinomen.^[11]
UV-C	100–280 nm	Sehr kurzwellig, sehr energiereich, wird in biologischem Gewebe stark gestreut und in Luft schnell absorbiert gelangt nicht bis zur Erdoberfläche, Absorption durch die obersten Luftschichten der Erdatmosphäre unterhalb etwa 242 nm durch Photolyse des Luftsauerstoffs ozongenerierend. dringt aufgrund der mit kürzerer Wellenlänge zunehmenden Streuung nicht sehr tief in die Haut ein. UV-C-Strahlung (vor allem die bei niedrigem Dampfdruck, mit hoher Ausbeute (30–40 % der angelegten elektrischen Leistung) anregbare Emissionslinie des Quecksilberdampfs bei 253,652 nm) findet in der physikalischen Entkeimungstechnik eine technische Anwendung (siehe auch Quecksilberdampflampen). Während bei 280 nm (Absorptionsmaximum der meisten Proteine) die darin eingebaute Aminosäure Tryptophan die ultraviolette Strahlung absorbiert, werden bei 265 nm Nukleinsäuren am stärksten geschädigt. Bei etwa 245 nm absorbieren vor allem die Nukleinsäuren, während Proteine hier ein relatives Absorptionsminimum zwischen dem Absorptionsmaximum um 280 nm durch aromatische Aminosäuren (Tryptophan, Tyrosin und Phenylalanin) und der Absorption durch die Peptidbindung zwischen den einzelnen Aminosäuren (Maximum bei etwa 220 nm) zeigen. Daher ist bei 253,7 nm (Primärstrahlung der Niederdruck-Quecksilberdampfentladung) auch die Bestrahlung von Proteinlösungen (etwa Tierseren für die Zellkultur) zur Inaktivierung darin enthaltener Viren und Bakterien möglich.

UV-Strahlung mit Wellenlängen unter 100 nm kommt im Sonnenlicht nur mit sehr geringer Intensität vor. Die Schädigung hängt nicht nur von der Energie der UV-Strahlung ab, sondern auch von der Eindringtiefe und der Zeit der Bestrahlung des Gewebes. Beispielsweise wird UV-C-Strahlung bei 253,7 nm durch verhornte Haut praktisch schon an der Oberfläche vollständig absorbiert und ist daher weniger effektiv bei der Schädigung tieferliegender Zellschichten als UV-B-Strahlung, das schwächer absorbiert wird und bis in diese eindringt. Ein durch eine UV-C-Lampe versehentlich hervorgerufener Sonnenbrand klingt daher schon innerhalb eines Folgetages vollständig ab, die Hornhaut des Auges wird hingegen nachhaltig getrübt.

Der menschliche Körper ist an die natürlichen Strahlenbelastungen adaptiert (Hauttyp) oder kann auf die Strahlenbelastung in einem geringen Rahmen durch Schutzmechanismen reagieren (Bräunung, Verdickung) die primär durch UVB-Strahlung ausgelöst werden. Aufgrund der Reaktionszeit der Reparatur- und Schutzmechanismen ist eine langsame Steigerung der Bestrahlungsstärke und Dosis entscheidend für die Balance zwischen Nutzen und Gefährdung. Konkret werden Expositionen von Erwachsenen mit natürlicher Sonneneinstrahlung je nach Tages-, Jahreszeit und Lage (geographische Breite, Meereshöhe) und Umgebung (reflektierende Flächen, Sand, Schnee) im Bereich von 10-60min pro Tag als gesundheitsfördernd, darüber aber als gesundheitsschädigend eingestuft. Bei Jugendlichen, Kranken und unterschiedlichen Hauttypen gibt es jedoch starke Abweichungen.

Besondere Vorsicht ist bei Exposition der Augen geboten. Ultraviolett führt zu Bindehautentzündung und Trübung der Hornhaut. Beim Lichtbogenhandschweißen ist eine „Schweißblende“ wegen der kurzwelligen UV-Strahlung vorgeschrieben. Durch Lichtbögen und auch Funkenstrecken entsteht ein breites Spektrum intensiver UV-Strahlung, das bei ungeschützter Anwendung (offen liegende Körperteile) bereits nach wenigen Minuten eine Verbrennung der Haut ähnlich einem Sonnenbrand verursacht. Die Haut fühlt sich dabei „trocken“ an und fängt an zu „spannen“. Es treten Verbrennungen 1. Grades (Rötung) bis 2. Grades (Blasenbildung) auf.

Langzeitschäden wie Hautalterung, Hautkrebs oder Katarakt können auch auftreten, wenn die Erythemschwelle zwar nicht überschritten wird, die Bestrahlung aber häufig erfolgt. Haut und Augen registrieren jede UV-Strahlung und nicht nur diejenige, die über der Erythemschwelle liegt.

UV-Photonen schädigen die DNA (dies ist der Mechanismus für den direkten DNA-Schaden).

DNA-Schäden entstehen durch UV-Strahlung, wenn sich zwei benachbarte Thyminbasen kovalent miteinander verbinden, sodass sie ein Thymindimer bilden. Diese behindern die Replikation oder führen zu Mutationen. Mittels des Enzyms Photolyase und Licht können diese Dimere wieder gespalten und so die DNA repariert werden. Bei allen Plazentatieren, so auch dem Menschen, wurde die Funktion der Photolyase im Laufe der Evolution durch das Nukleotid-Exzisions-Reparatursystem (NER) übernommen.^[12] Bei Kindern, die an der Krankheit Xeroderma pigmentosum leiden, liegt ein Defekt der Reparaturenzyme des NER vor. Das hat eine absolute Unverträglichkeit natürlicher Sonnenstrahlung zur Folge („Mondscheinkinder“). Die Patienten entwickeln unter Exposition von natürlicher UV-Strahlung deutlich schneller maligne Hauttumoren als Menschen ohne vergleichbare Enzymdefekte.

UV-B-Strahlung wurde früher auch Dorno-Strahlung genannt, nach Carl Dorno, der diese intensiv untersuchte. Sie bewirkt die photochemische Bildung des anti-rachitischen Calciferol (Vitamin D) in der Haut.

Der UV-Index ist eine international festgelegte Messgröße. Er beschreibt die sonnenbrandwirksame solare Bestrahlungsstärke. In der Vorhersage und Warnung wird der UV-Index als maximal zu erwartender UV-Index (max. UVI) angegeben. Er variiert abhängig von geographischer Lage, geografischer Höhe, sowie von Jahreszeit und Wetterlage.

Weitere mögliche Schädigungen von organischem Material durch UV-Strahlung sind:

Denaturierung von Zelleiweiß
Hohe UV-Einstrahlung kann zu einer Reaktivierung von Herpes labialis führen.
Zerstörung von Vegetation: Im UV-C-Bereich haben Pflanzen fast keinen Schutz. Blätter werden bei Bestrahlung in diesem Bereich schwer beschädigt oder abgetötet. Letzteres kann auch zum Absterben der gesamten Pflanze führen. UV-A und UV-B wird von Pflanzen unterschiedlich vertragen, hohe Intensitäten führen zum Absterben, an UV-A können sich Landpflanzen „gewöhnen“.
Ultraviolette Strahlung erzeugt aus Vorläufersubstanzen (vorzugsweise Abgase) bei hoher Sonneneinstrahlung auch bodennah Ozon, welches im Smog lungenschädigend und pflanzenschädigend wirkt.
Schädigung von Kunststoffen, Farbpigmenten und Lacken. Organische Farben bleichen aus, Kunststoff trübt sich ein und wird spröde (Beispiel: Zerfall von Polyethylen-Folie bereits bei Tageslichteinfluss, Versprödung und Verfärbung von Kunststoffen in Leuchten für Gasentladungslampen). Ein Schutz ist durch resistente Pigmente oder geeignete Materialwahl möglich.

Anwendungen

Übersicht des elektromagnetischen Spektrums im Bereich der UV-Strahlung mit Anwendungsbereichen
Bezeichnung	Wellenlänge	Frequenz	Photonen-Energie	Erzeugung / Anregung	Technischer Einsatz
UV-Strahlen	1–380 nm	> 789 THz	> 5,2 × 10⁻¹⁹ J > 3,3 eV		Desinfektion, Spektroskopie
	200–380 nm	> 789 THz	> 5,2 × 10⁻¹⁹ J > 3,3 eV	Gasentladung, Synchrotron, Excimerlaser	Schwarzlicht Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Prüfung von Geldscheinen, Fotolithografie
	50–200 nm	> 1,5 PHz	> 9,9 × 10⁻¹⁹ J > 6,2 eV	Gasentladung, Synchrotron, Excimerlaser	Fotolithografie
XUV	1–50 nm	6 PHz–300 PHz	2,0 × 10⁻¹⁶–5,0 × 10⁻¹⁸ J 20–1000 eV	XUV-Röhre, Synchrotron	EUV-Lithografie, Röntgenmikroskopie, Nanoskopie

Fluoreszenzanregung

Ein Mineral unter Tageslicht und unter UV-Strahlung

Tageslicht

Den natürlichen UV-Anteil des Tageslichts macht man sich bei Waschmittel zunutze, indem ihm optische Aufheller hinzugefügt werden. Diese lassen Textilien „weißer als weiß“ erscheinen, weil sie das UV-Licht in sichtbares Licht umwandeln, und dadurch mehr sichtbares Licht aussenden als ein normal reflektierendes Objekt.

Lichtquellen

Ultraviolett ist die primäre Emission in Leuchtstofflampen, effizienten weißen Lichtquellen, in denen die Ultraviolett-Emission einer Gasentladung von Quecksilberdampf zur Anregung von im sichtbaren Spektralbereich fluoreszierenden Leuchtstoffen genutzt wird.

Auch andere Gasentladungslampen enthalten manchmal Leuchtstoffe, um die Farbwiedergabe zu verbessern, indem diese mit dem Ultraviolett-Strahlungsanteil der Entladung angeregt werden. Von sog. Tageslichtlampen und Vollspektrumröhren (u. ä. Bezeichnungen, herstellerabhängig) wird ein dem Sonnenlicht möglichst ähnliches Lichtspektrum inkl. UV und Infrarot abgegeben, um eine natürliche Beleuchtung zu ermöglichen (insb. in Innenräumen, siehe auch Ergonomie); hierbei ist die Menge der UV-Emission gesundheitlich unbedenklich.

Leuchtdioden (LED), die für den Menschen weiß erscheinendes Licht abstrahlen, benutzen eine blau strahlende Leuchtdiode im Inneren, bestehend aus Materialien wie Indiumgalliumnitrid oder Galliumnitrid. Leuchtdioden, welche UV-Strahlung abgeben, bestehen aus Aluminiumnitrid oder Aluminiumgalliumnitrid und werden ohne Leuchtstoffbeschichtung als direkte UV-Strahlungsquelle eingesetzt. UV-LEDs sind bis zu Wellenlängen knapp unter 250 nm realisierbar.

Biologische Analysen

Einige Farbstoffe, wie das in den Biowissenschaften verwendete DAPI, werden von UV-Strahlung angeregt und emittieren ein längerwelliges, meist sichtbares Licht. Fluoreszierende Stoffe werden als Marker eingesetzt, um biologische Stoffwechselvorgänge oder Genvariationen zu beobachten.

In der Forensik wird die Fluoreszenz von Blut und Sperma zur Sichtbarmachung von Opfer- oder Täterspuren eingesetzt.^[13] Diese Methode wird bei der Aufklärung von Kriminalfällen eingesetzt, wenn biologische Spuren (Blut, Sperma, Speichel) an Wänden oder in Textilien nachgewiesen werden sollen. In der Medizin wird die Fluoreszenz von organischen Stoffen ebenfalls genutzt. So können Pigmentstörungen der Haut mit Hilfe von UV-Strahlern („Wood-Lampe“) besser sichtbar gemacht werden. Auch bestimmte Hautkeime (Corynebacterium minutissimum) werden mittels dieser Diagnoseleuchten durch die Auslösung einer rötlichen Fluoreszenz (Porphyrinbildung) sichtbar.

Eine andere Anwendung ist die Herkunftsanalyse von Hühnereiern. Dabei wird ausgenutzt, dass das Abrollen charakteristische Spuren auf der Hühnereierschale hinterlässt, die sich mithilfe von Fluoreszenz nachweisen lassen. Auf diese Weise kann geprüft werden, ob es sich um Eier aus Bodenhaltung oder aus Legebatterien handelt.

Schwarzlicht

Schwarzlichtleuchtstofflampen

Schwarzlicht ist die umgangssprachliche Bezeichnung für UV-A-Strahlung, die durch spezielle Lampen mit UV-A Filter erzeugt wird. Üblich sind als Quelle Gasentladungsröhren, die mit speziellen Leuchtstoffen ausgerüstet sind, um Ultraviolettstrahlung bei 350 nm oder 370 nm ohne einen Anteil an sichtbarem Licht abzugeben. Weitere übliche Schwarzlichtquellen sind Leuchtdioden (LED) basierend auf den Verbindungshalbleitern Aluminiumnitrid oder Aluminiumgalliumnitrid. Letzterer stellt eine Legierung von Aluminiumnitrid mit Galliumnitrid dar und erlaubt über das Mischungsverhältnis dieser beiden Substanzen die konkrete Wellenlänge im Ultraviolettbereich einzustellen. Schwarzlicht kann weiters, mit schlechtem Wirkungsgrad, auch durch Glühlampen mit einem das sichtbare Licht absorbierenden Glaskolben mit Nickeloxidschicht erzeugt werden.

„Schwarzlicht“ wird oft für Showeffekte in abgedunkelten Räumen eingesetzt, wie Diskotheken, bei Zauberveranstaltungen oder auch für Schwarzlichttheater. Die Strahlung regt fluoreszierende Stoffe zum Leuchten an, und da helles Licht vermieden wird, wirken sich die Leuchteffekte besonders aus, wie dies bei Textilien, Papieren, künstlichen Zähnen und anderen Materialien mit optischen Aufhellern auffällt.

Anwendungen sind ebenfalls das Sichtbarmachen von Sicherheitsmerkmalen auf Dokumenten, wie Ausweispapieren oder Fahrscheinen, die Echtheitsprüfung von Zahlungsmitteln und die „Neon-Stempel“ am Handrücken als „Eintrittskarte“ in ein Konzert oder als Eigentümermarkierung auf einem Kunstobjekt (gegen Diebstahl).

Schulungen

UV-Strahlung wird in Schulungen zur Visualisierung von mit Fluoreszenzfarbstoffen markierten Substanzen eingesetzt:

Applikationskontrolle von Hautschutzmitteln bei der Persönlichen Schutzausrüstung (PSA)
Demonstration von Kreuzkontamination (Keimübertragung) innerhalb von Hygiene-Schulungen
Visualisierung bei der Händehygieneschulung (Waschkontrolle und Applikation von Handdesinfektionsmittel)

Analysen

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Eine Sammlung von Mineralproben leuchtet hell in verschiedenen Farben bei Bestrahlung mit UV-A.

Optische Spektroskopie: UV/VIS-Spektroskopie
Auswertung der Chromatogramme in der Dünnschichtchromatographie
Gas-Analyse (NO, NO₂, H₂S, SO₂)
Molekularbiologie: Sichtbarmachen von Nukleinsäuren mit Hilfe von Ethidiumbromid
Bestimmung der Fettungsdicke: Punkte, bei denen Reibung zwischen zwei Objekten entsteht, sind häufig gefettet. Mit Hilfe von UV-Strahlung lässt sich bestimmen, ob und wie dick eine Fettschicht auf den Objekten ist.
Bestimmung der Zinnseite von Floatglas (Photovoltaik, Dünnschicht-Solarzellen)
Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie (UPS)

Materialprüfung

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Inspektion von Glas(scheiben): Anhand von Fluoreszenz an Störungen kann man Sprünge oder Fehler in Glasoberflächen erkennen.
Prüfen von Ölschläuchen: Aufgrund der unterschiedlichen spektralen Kennlinien von Wasser und Öl im UV-Bereich kann Öl von Wasser unterschieden werden. Das kann beispielsweise zum Aufspüren defekter Ölschläuche verwendet werden.
Erkennung und Klassifizierung von Beschichtungen, beispielsweise zur Erkennung von Öl in Wasser
Inspektion von Oberleitungs- und Hochspannungsanlagen: Bei defekten Isolatoren oder angerissenen Kabeln kommt es zu sogenannten Koronaentladungen. Dabei wird an den defekten hochspannungsführenden Komponenten UV-Strahlung emittiert. Diese kann von Spezialkameras erfasst werden.
Belastbarkeits- und Bewitterungstests: Prüfung der Belastbarkeit von Materialien, die besondere Langlebigkeit erfordern. Dazu gehören Solarzellen und Materialien, die in der Automobilindustrie verwendet werden. Mithilfe moderner Testsysteme ist möglich, die natürliche UV-Einstrahlung so zu verstärken, dass innerhalb von 12 Monaten 63 Jahre natürlicher UV-Einstrahlung simuliert werden.^[14]
Belichtung spezieller UV-empfindlicher Filme zur Erkennung von Haarrissen in dünnen Metallen

Aushärtung (Vernetzung) von Polymeren

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Intensive UV-Strahlung wird in der Industrie für die Aushärtung spezieller Materialien verwendet:

Druckindustrie: zur Härtung („Trocknung“) spezieller, lösemittelfreier, UV-empfindlicher Druckfarben, vor allem beim Offsetdruck.
Lackierereien: zur Aushärtung UV-härtbarer Lacke
Zahnheilkunde: lichthärtende Materialien
Aushärten strahlenhärtender Klebstoffe
Optikindustrie: zur Härtung optischer Erzeugnisse, wie im Falle von Rezept-Brillengläsern
Kosmetikindustrie: lichthärtende Kunststoffe für das Modellieren künstlicher Fingernägel
Scheibenreparaturen am Verbundglas von Automobilen

Elektronik

In der Elektronik wird UV-Strahlung vor allem in der Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen und Schaltkreisen sowie entsprechenden Geräten eingesetzt. So erfolgt beispielsweise die Herstellung von Leiterbahnen auf Leiterplatten durch eine Belichtung einer lichtempfindlichen Schicht auf den Leiterplatten mit einer Quecksilberdampflampe. Dabei wird durch die UV-Strahlung eine fotochemische Reaktion im Fotolack ausgelöst. Das gleiche Prinzip wird auch bei der Herstellung integrierter Schaltkreise (Waferbelichtung) angewendet, vgl. Fotolithografie (Halbleitertechnik). Hierbei kamen früher ebenfalls Quecksilberdampflampen – vor allem mit die g-Linie (434 nm) und die i-Linie (365 nm) – zum Einsatz. Später KrF- und ArF-Excimerlaser (248 nm und 193 nm). Der Trend immer kürzere Wellenlängen zu nutzen, ist dabei der fortwährenden Skalierung der Transistorstrukturen geschuldet.

Neben dem Einsatz in der Herstellung wird in der Elektronik UV-Strahlung auch für weitere Anwendungen genutzt. Ein Beispiel ist das Löschen von EPROM-Speicher mit einer Quecksilberdampflampe (253,7 nm). Hierbei bewirkt die UV-Strahlung eine Freisetzung von Ladungsträgern im Floating-Gate aus Polysilizium, die freiwerdenden Elektronen haben genug Energie, um die Potentialbarriere des Siliziumdioxid-Dielektrikums zu überwinden und abzufließen.

Biologische Modifikationen

Desinfektion

Eine Niedrigdruck-Quecksilberdampfröhre ist in einer Sterilbank montiert und entkeimt so die bestrahlten Flächen mit kurzwelliger UV-Strahlung.

Ultraviolette Strahlung wird zur Behandlung von Wasser, Luft und Oberflächen eingesetzt. Aufgrund der Geschwindigkeit der Reaktion – Mikroben werden bei ausreichender Dosis innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde inaktiviert – können UV-Strahler nicht nur zur Desinfektion von Oberflächen, sondern auch zur Desinfektion von Wasser, Luft oder sogar in Klimakanälen geführten Luftströmen eingesetzt werden. Vor der Entwicklung von Laminar-Strömungs-Anlagen für Reinräume sowie dem heute üblichen und massiven Einsatz von Desinfektionsmitteln waren daher in Krankenhäusern im Dauerbetrieb arbeitende schwache Ultraviolettstrahler üblich, um die Keimzahl gering zu halten. Die zunehmende Antibiotika-Resistenz krankenhausspezifischer Keime könnte dabei in naher Zukunft zu einem Revival der altbekannten Technik führen, da sich bei der UV-Desinfektion keine mutationsbedingten Resistenzen entwickeln können.

Eine heute bereits recht verbreitete Methode ist die Trinkwasseraufbereitung mit UV-Strahlung. Dabei wird die Keimzahl im Wasser zuverlässig und in Abhängigkeit zur Dosis stark reduziert. Eine Zugabe von Chemikalien ist grundsätzlich nicht erforderlich. Gerade chlorresistente Krankheitserreger, wie Kryptosporidien, können mit UV-Strahlung inaktiviert werden. Geschmack, Geruch oder der pH-Wert des Mediums werden nicht beeinflusst. Das ist ein wesentlicher Unterschied zur chemischen Behandlung von Trink- oder Prozesswasser. Im Heimbereich werden entsprechende Geräte auch als „UV-Filter“ bezeichnet.

Im Allgemeinen kommen bei der UV-Desinfektion Niederdruck-Quecksilberdampflampen zum Einsatz (ggf. auch Mitteldruckstrahler), welche Strahlung der Wellenlänge 254 nm emittieren. Kürzere Wellenlängen (kleiner 200 nm) können alle in Wasser befindlichen organischen Stoffe (TOC) zerlegen und werden zur Herstellung hochreinen Wassers benutzt.

Bei SODIS wird länger einwirkende UV-A-Strahlung der Sonne zusammen mit der Wärme zur einfachen Wasserentkeimung auf Haushaltsebene in Entwicklungsländern genutzt.

Weitere Anwendungen

Neben der Mikroben-Desinfektion wird UV-Strahlung mit einer Wellenlänge von 254 nm auch zur Virusinaktivierung eingesetzt. Dabei wird ausgenutzt, dass die 254-nm-Strahlung bevorzugt auf die Virusnukleinsäure und weniger auf die Proteine wirkt. Strahlung der Wellenlänge 235 nm wirkt jedoch auch stark zerstörend auf Proteine.^[15]

Überdies wird UV-Strahlung zu medizinischen und kosmetischen Zwecken eingesetzt. So wirkt vor allem UV-A-Strahlung auf die Pigmentation (Melaninbildung) der menschlichen Haut, was im Wellness-Bereich zur Bräunung der Haut in einem Solarium angewendet wird. Therapeutisch kann UV-B-Strahlung (bei geeigneter Dosierung) zur Anregung der Vitamin-D-Bildung oder des Zentralnervensystems eingesetzt werden.

In der Chemie wird UV-Strahlung bei der Synthese und der Zersetzung unterschiedlicher Stoffe eingesetzt. Ein Beispiel aus der Photochemie ist die von Synthese von Vitamin D₂ und D₃. Beispiel für die Zersetzung von Stoffen sind die chlorfreie Bleichung von Zellstoff und der Abbau von Chloraminen bei der Wasseraufbereitung im Schwimmbad. Hierbei wird UV-Licht der Wellenlänge 185 nm verwendet.

Lockmittel

Gauklerblumen aufgenommen in sichtbarem Licht (links) und UV-Licht (rechts). Die Abbildung zeigt das für Bienen (nicht aber für Menschen) sichtbare Saftmal

Pflanzen nutzen bestimmte Blütenteile (UV-Male), um Insekten anzulocken, die, wie Bienen und Hummeln, UV-Strahlung wahrnehmen können. Die UV-Male der Blüten entstehen durch unterschiedliche Reflektivität für ultraviolettes Licht bestimmter Blütenteile, beispielsweise der Innen- und Außenseite. Dadurch finden Bienen auch bei im sichtbaren Bereich einfarbig aussehenden Blüten das Zentrum. Bei komplizierteren Blütenformen oder schwerer auszubeutenden Blüten kann der Weg zur Nahrungsquelle durch UV-Licht absorbierende Saftmale markiert sein.

Straßenlampen mit hohem Blau- und Ultraviolettanteil (Quecksilberdampflampen) locken Insekten an und beeinflussen das biologische Gleichgewicht. Undichtigkeiten führen zu erhöhtem Wartungsaufwand. Von umherfliegenden Insekten werden Fledermäuse angelockt und sie können dadurch im Straßenverkehr verunglücken. Die Beeinflussung des Verhaltens durch UV-Licht wird auch in Lichtfallen für den Insektenfang, in den UV-reiche Lichtquellen eingesetzt werden, ausgenutzt. Sie werden zur Schädlingsbekämpfung und zur Zählung/Artbestimmung in der Forschung eingesetzt.

Siehe auch

Ultraviolettfotografie

Weblinks

Commons: Ultraviolettstrahlung – Sammlung von Bildern

Einzelnachweise

↑ P. E. Hockberger: A history of ultraviolet photobiology for humans, animals and microorganisms. In: Photochem. Photobiol. Band 76, 2002, S. 561–579, PMID 12511035.
↑ Innsbrucker Nachrichten, 15. Februar 1902
↑ ^3,0 ^3,1 ^3,2 Deutsches Institut für Normung (Hrsg.): Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik; Benennung der Wellenlängenbereiche. DIN 5031 Teil 7, Januar 1984.
↑ ISO 21348 1. Mai 2007. Space environment (natural and artificial) — Process for determining solar irradiances.
↑ Weltgesundheitsorganisation (Hrsg.): Global Solar UV Index: A Practical Guide. 2002 (PDF; 620 kB). Nach diesem Leitfaden richtet sich auch die Norm ISO 21348 Process for Determining Solar Irradiances. 1. Mai 2007 (Entwurf als PDF).
↑ ^6,0 ^6,1 Lukas Wieselberg: Hund und Katz können UV-Licht wahrnehmen. In: science.ORF.at. 19. Februar 2014, abgerufen am 2. April 2014.
↑ SCHOTT - Glass Tubing Explorer. In: www.schott.com. Abgerufen am 11. Juli 2016.
↑ Chemie der UV-Oxidation (mit industrieller Anwendung), Menüsystematik: UV Oxidation > Oxidation organischer Inhaltsstoffe, Firma Enviolet GmbH, abgerufen 2014
↑ J. Moan, A. C. Porojnicu u. a.: Addressing the health benefits and risks, involving vitamin D or skin cancer, of increased sun exposure. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 105, 2008, S. 668–673, doi:10.1073/pnas.0710615105. PMC 2206594 (freier Volltext)
↑ Vitamin D and Cancer Prevention, National Cancer Institute 2013, abgerufen am 12. März 2014
↑ UV Strahlung und Hautkrebs, Institut für Prävention und Arbeitsmedizin der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung IPA 2011, abgerufen am 12. März 2014
↑ Powerful Skin Cancer Protection by a CPD-Photolyase Transgene. In: Current Biology, Vol. 15, Issue 2. 2006, S. 105–115, PMID 15668165.
↑ Anja Fiedler, Jessica Rehdorf, Florian Hilbers, Lena Johrdan, Carola Stribl, Mark Benecke: Detection of Semen (Human and Boar) and Saliva on Fabrics by a Very High Powered UV-/VIS-Light Source. In: Open Forensic Science Journal 1. 2008, S. 12–15, doi:10.2174/1874402800801010012 (PDF – Forensischer Artikel zur Anwendung von UV-Strahlung zur Erkennung von Sperma).
↑ 63 Years of UV Exposure in 1 Year
↑ Michael Rolle, Anton Mayr: Medizinische Mikrobiologie, Infektions- und Seuchenlehre. Georg Thieme Verlag, 2007, ISBN 978-3-8304-1060-7, S. 79.

[1] P. E. Hockberger: A history of ultraviolet photobiology for humans, animals and microorganisms. In: Photochem. Photobiol. Band 76, 2002, S. 561–579, PMID 12511035.

[2] Innsbrucker Nachrichten, 15. Februar 1902

[5031-7-3] 3,0 ^3,1 ^3,2 Deutsches Institut für Normung (Hrsg.): Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik; Benennung der Wellenlängenbereiche. DIN 5031 Teil 7, Januar 1984.

[ISO21348-4] ISO 21348 1. Mai 2007. Space environment (natural and artificial) — Process for determining solar irradiances.

[5] Weltgesundheitsorganisation (Hrsg.): Global Solar UV Index: A Practical Guide. 2002 (PDF; 620 kB). Nach diesem Leitfaden richtet sich auch die Norm ISO 21348 Process for Determining Solar Irradiances. 1. Mai 2007 (Entwurf als PDF).

[orf2014-6] 6,0 ^6,1 Lukas Wieselberg: Hund und Katz können UV-Licht wahrnehmen. In: science.ORF.at. 19. Februar 2014, abgerufen am 2. April 2014.

[7] SCHOTT - Glass Tubing Explorer. In: www.schott.com. Abgerufen am 11. Juli 2016.

[8] Chemie der UV-Oxidation (mit industrieller Anwendung), Menüsystematik: UV Oxidation > Oxidation organischer Inhaltsstoffe, Firma Enviolet GmbH, abgerufen 2014

[9] J. Moan, A. C. Porojnicu u. a.: Addressing the health benefits and risks, involving vitamin D or skin cancer, of increased sun exposure. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 105, 2008, S. 668–673, doi:10.1073/pnas.0710615105. PMC 2206594 (freier Volltext)

[10] Vitamin D and Cancer Prevention, National Cancer Institute 2013, abgerufen am 12. März 2014

[11] UV Strahlung und Hautkrebs, Institut für Prävention und Arbeitsmedizin der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung IPA 2011, abgerufen am 12. März 2014

[12] Powerful Skin Cancer Protection by a CPD-Photolyase Transgene. In: Current Biology, Vol. 15, Issue 2. 2006, S. 105–115, PMID 15668165.

[13] Anja Fiedler, Jessica Rehdorf, Florian Hilbers, Lena Johrdan, Carola Stribl, Mark Benecke: Detection of Semen (Human and Boar) and Saliva on Fabrics by a Very High Powered UV-/VIS-Light Source. In: Open Forensic Science Journal 1. 2008, S. 12–15, doi:10.2174/1874402800801010012 (PDF – Forensischer Artikel zur Anwendung von UV-Strahlung zur Erkennung von Sperma).

[14] 63 Years of UV Exposure in 1 Year

[15] Michael Rolle, Anton Mayr: Medizinische Mikrobiologie, Infektions- und Seuchenlehre. Georg Thieme Verlag, 2007, ISBN 978-3-8304-1060-7, S. 79.

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