Sonnenstrahlung

 

Die präzise Messung der natürlichen Sonnenstrahlung ist eine wichtige Voraussetzung für die Atmosphärenforschung, die Messung der gesamten Ozonsäule und die Bestimmung des UV-Index. Darüber hinaus erfordern sowohl die Forschung im Bereich erneuerbarer Energien als auch der Einsatz künstlicher Quellen wie beispielsweise Sonnensimulatoren genaue Messdaten zur optischen Strahlung. Die Gigahertz-Optik GmbH ist seit 1986 als Hersteller von Messgeräten und als Dienstleister ein aktiver Partner der Solar Community. Einige typische Anwendungen der Produkte von Gigahertz-Optik GmbH zur Messung der natürlichen und künstlichen Sonnenstrahlung sind in diesem Kapitel aufgelistet.

Bei allen Fragen rund um das Thema Sonnenstrahlung steht Ihnen unser Vertriebsteam gerne jederzeit zur Verfügung.

Sie erreichen uns unter der +49 (0) 8193 93700-0 oder per Mail unter info@gigahertz-optik.de.

App. 015

Rückführbare Kalibrierung von Spektralradiometern zur Messung der Sonnenstrahlung

Die Messgröße zur Bestimmung der auf eine Referenzfläche einfallenden optischen Strahlung ist die Bestrahlungsstärke, gemessen in W / m². Spektralradiometer, die im Rahmen der atmosphärischen Forschung zur Messung der spektralen Bestrahlungsstärke verwendet werden, werden hinsichtlich ihrer spektralen Bestrahlungsstärkeempfindlichkeit kalibriert und abgeglichen. Als Referenz für die Kalibrierung werden Standardlampen verwendet, deren Kalibrierung der spektralen Bestrahlungsstärke auf ein nationales metrologisches Institut rückführbar ist.

Die Gigahertz-Optik GmbH produziert und kalibriert seit 1991 die Kalibrierlampe BN-9101 für spektrale Bestrahlungsstärke. 

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Der Aufbau der 1000 W Quarz-Halogenlampe wurde in Zusammenarbeit mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) erstellt. Besondere Merkmale der Konstruktion sind die thermisch stabile Zementierung der Lampe in ihrem Halter und die Ausrichtung des Lampenwendels zum steckbaren Fadenkreuz. Als Leuchtmittel kommen FEL-Lampen der General Electric bzw. Osram Sylvania zum Einsatz. Alle Lampen werden vor der Kalibrierung auf Anomalien während des Einbrennvorganges untersucht.

Selektion vor Einbrennvorgang v02

Grafik 1: Im Rahmen der Eignungsprüfung zeigt Lampe A eine Anomalie in Form einer Absorption im Wellenlängenbereich um 280 nm. Diese beträgt im Maximum etwa 5%. Die Auswertung der Messdaten der Vorprüfung mittels einer Spline-Interpolation ergab bei dieser Lampe eine unzulässige Abweichung. Die Lampe ist damit ungeeignet für die Verwendung als Kalibrierlampe.  

 

Das Kalibrierlabor der Gigahertz-Optik GmbH ist seit 1993 für die Messgröße spektrale Bestrahlungsstärke durch den DKD-K-10601 und seit 2010 durch den DAkkS D-K-15047-01-00 akkreditiert. Die Akkreditierung bedingt eine periodische Überprüfung der im DAkkS-Kalibrierlabor durchgeführten Kalibrierungen durch die PTB. Dazu werden die Kalibrierdaten der Gigahertz-Optik GmbH durch die PTB Braunschweig überprüft.  

Determined deviations of spectral irradiance are within the measurement uncertainty of PTB

 

Die Standardlampe BN-9101 wird in vielen Kalibrierlabors als Bezugsnormal für die spektrale Bestrahlungsstärke eingesetzt. Sie hat ihre Bedeutung aber auch als Transferstandard in Ringvergleichen internationaler metrologischer Kalibrierinstitutionen. In den Referenzen [1] bis [6] spiegelt sich die wichtige Rolle des BN-9101 in der angewandten Solarmessung wieder. 


Referenzen

[1] Adaption of an array spectroradiometer for total ozone column retrieval using direct solar irradiance measurements in the UV spectral range

[2] Calibration and evaluation of CCD spectroradiometers for ground-based and airborne measurements of spectral actinic flux densities

[3] Influence of clouds on the spectral actinic flux density in the lower troposphere (INSPECTRO): overview of the field campaigns

[4] A new actinic flux 4π-spectroradiometer: instrument design and application to clear sky and broken cloud conditions

[5] Photolysis frequency measurement techniques: results of a comparison within the ACCENT project

[6] Aalto University - Instruction Manual of Operating Standard Lamps

App. 016

Klimatische Herausforderungen für Messungen der optischen Strahlung im Außenbereich

Instrumente zur Messung der Sonnenstrahlung unterliegen oft extremen klimatischen Bedingungen, da sich die Messstationen notwendigerweise in Berggebieten oder anderen feindlichen Umgebungen wie der Arktis und Antarktis befindet. Die Höhenforschungsstation Jungfraujoch (HSFJG0 [1] in der Schweiz liegt z.B. 3456m über dem Meeresspiegel. Seit den 1980er Jahren ist sie Standort für Sonnenstrahlungsmessungen mit Breitbandradiometern und Spektralradiometern. Ein Studienprojekt in den Monaten Oktober und November untersuchte, ob das Breitbandgerät WPD-UVA-03 (Gigahertz-Optik GmbH) als Monitordetektor für relativ langsam scannende Spektralradiometer wie den Bentham DTM300 Doppelmonochromator geeignet ist.

Das Breitbandmessgerät war dabei sehr anspruchsvollen Witterungsbedingungen ausgesetzt. 

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Die Lufttemperaturen auf dem Jungfraujoch reichten während des betrachteten Zeitraums von + 5 ° C bis -18 ° C mit Windgeschwindigkeiten von bis zu 150 km/h. Zusätzlich musste das Gerät sporadischer Vereisung standhalten. Third-Party-Vergleichsmessungen durch CMS-Schreder haben bestätigt, dass das UV-A-Breitbandmessgerät auch unter extremen Wetterbedingungen als Monitordetektor für scannende Spektralradiometern zur Messung der globalen Sonnenstrahlung geeignet ist. Es kann damit als Breitbandmonitor-Detektor eingesetzt werden, um die inhärenten Messunsicherheiten zu reduzieren, die sich aus den langen Messzeiten von scannenden Spektralradiometern (typischerweise 2 Minuten oder mehr) ergeben, die auf kurzfristige Ereignisse wie vorbeiziehende Wolken zurückzuführen sind.

 

Comparison of solar measurements with BTS2048 UV S and a double monochromator

Vergleichende Messung der Globalstrahlung mit BTS2048-UV-S und einem Doppelmonochromator.

 

Aufgrund ihrer hohen Streulichtunterdrückung werden zur Messung der Globalstrahlung in der Regel mit Doppelmonochromatoren aufgebaute scannende Spektralradiometer verwendet. Im Jahr 2017 hat die Gigahertz-Optik GmbH quasi als Nachfolger des Breitbandmessgerätes das wetterfeste UV-Spektralradiometer BTS2048-UV-S-WP für Messungen der Sonnenstrahlung im Außenbereich vorgestellt. Sein BiTecSensor bietet die Merkmale eines schnellen, hochauflösenden Diodenarray-Spektralradiometers kombiniert mit den Eigenschaften eines schnellen Breitbanddetektors. Dazu kommt die exzellente Streulichtunterdrückung des Diodenarray-Spektrometers in Verbindung mit einer spektral selektiven Streulichtsimulation. Für Messungen der Sonnenstrahlung im sichtbaren und NIR Wellenlängenbereich bietet Gigahertz-Optik GmbH das BTS2048-VL-TEC-WP


References

[1] High Altitude Research Station Jungfraujoch

App. 017

Messung der Sonneneinstrahlung zur Berechnung des UV-Index

Der UV-Index [1], UVI, ist ein international anerkanntes Maß, mit dem die Bevölkerung über die zu erwartende Intensität der UV-Strahlung, Gesundheitsrisiken und Sonnenschutz informieren soll. Der UVI wird üblicherweise ganzzahlig von 0 bis 11+ bekanntgegeben. Je höher der Index desto höher ist das Potential für Schäden an Haut und Augen und desto kürzer ist die Zeit, in der eine Schädigung auftreten kann. Die UVI-Werte ändern sich kontinuierlich während des Tages und variieren in Abhängigkeit vom Standort [2] und Jahreszeit erheblich. Die täglichen Vorhersagen zum UVI werden für maximale Werte getroffen, d.h. bei klaren Himmelbedingungen am lokalen Sonnenmittag, wenn die Sonne am Himmel am höchsten steht.

Die Berechnung des UVI erfolgt anhand von Messdaten der spektralen Bestrahlungsstärke der Sonne. 

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UV-Index Belastung
0 – 2 Niedrig
3 – 5 Mittel
6 – 7 Hoch
8 + Sehr hoch

UVI-Expositionsklassen

Die Messung der UV-Bestrahlungsstärke am Boden erfolgt in der absoluten physikalischen Messgröße W/m². Die wellenlängenabhängige Auswirkung der UV-Bestrahlungsstärke auf die Verursachung von Sonnenbrand wird durch das CIE-Erythema-Wirkungsspektrum [3] beschrieben. Der UVI wird von der effektiven Erythema-Bestrahlungsstärke abgeleitet, welche durch die physikalische UV-Bestrahlungsstärke bestimmt ist, gewichtet mit der CIE-Erythema Funktion. Ein UVI-Wert von 1 entspricht einer effektiven Erythem-Bestrahlungsstärke von 25 mW/m².

CIE 1998 Erythema Action Spectrum

CIE 1998 Erythema Wirkungsspektrum

Aufgrund der großen Dynamik und des steilen Wirkungsabfalls von mehr als 3 Dekaden über einen engen Spektralbereich ist es mit filterbasierten Breitbandradiometern kaum möglich, die Erythema wirksame Bestrahlungsstärke mit höchster Präzision zu messen. Folglich kommen zur Messung der Sonnenstrahlung im Rahmen der UVI-Bestimmung durch die verantwortlichen Institute vorrangig Spektralradiometer zur Anwendung. Deren Messwerte der spektralen Bestrahlungsstärke in W.m-2.nm-1 werden mit der spektralen Erythema Wirkungsfunktion gewichtet, um eine genaue Bewertung der effektiven Erythema-Bestrahlungsstärke und somit des UVI zu liefern.

Der extrem große Intensitätsunterschied zwischen der Bestrahlungsstärke im kurzwelligen ultravioletten Bereich und längeren Wellenlängen innerhalb des Sonnenspektrums ist auch eine Herausforderung für das Spektralradiometer selbst. Ein Teil der ultravioletten, sichtbaren und nahinfraroten Strahlung wird „gestreut“ und vagabundiert innerhalb des Messgerätes. Dieses unerwünschte Streulicht wird fälschlicherweise als UV-Strahlung interpretiert und beeinflusst somit das Messergebnis. Selbst scheinbar vernachlässigbares Streulicht wird signifikant, wenn es mit der Erythema-Funktion gewichtet wird. Aus diesem Grund wurden Spektralmessungen der UV-Sonnenstrahlung bisher mit aus Doppelmonochromatoren aufgebauten scannenden Spektralradiometern durchgeführt, denn nur diese boten die erforderliche Streulichtunterdrückung. 

Comparison of solar measurements with BTS2048 UV S and a double monochromator

Vergleichsmessung der globalen spektralen Bestrahlungsstärke mit einem BTS2048-UV-S und einem Doppelmonochromator-Spektralradiometer.

 

Mit den modernen CCD-basierten UV-Spektralradiometern BTS2048-UV-S (Laborversion) und BTS2048-UV-S-WP (wetterfeste Version) bietet die Gigahertz-Optik GmbH eine kompakte und kostengünstige alternative Lösung zum scannenden Spektralradiometer. Für allgemeine Messaufgaben ist der filterbasierte breitbandige Detektor XD-9506 mit einer effektiven Erythema-Bestrahlungsempfindlichkeit verfügbar.


Referenzen

[1] BfS – Was ist der UV-Index?

[2] WHO Typical UVI values worldwide

[3] ISO 17166: 1999 (E) / CIE S 007 / E-1998, "Erythema-Referenzaktionsspektrum und Standard-Erythem-Dosis"

App. 018

Messung der Gesamt-Ozonsäule bei direkter Sonneneinstrahlung

Die Sonneneinstrahlung auf der Erde ist abhängig von verschiedenen atmosphärischen Parametern. Zu diesen gehören Wolkendecke, Ozongehalt und Aerosolgehalt. Das höchste Ozongehalt der Atmosphäre herrscht in der Stratosphäre. Es bietet den wesentlichen Schutz vor der schädlichen kurzwelligen UV-Strahlung der Sonne. Bodenbasierte spektralradiometrische Messungen der direkten solaren UV-Bestrahlungsstärke können zur Bestimmung der Gesamt-Ozonsäule, TOC [1], verwendet werden. Die für diese Messaufgabe erforderlichen Spektralradiometer müssen auf den Sonnenzenit ausgerichtet werden und diesem im Tagesverlauf folgen. Dafür muss die Messung der spektralen Bestrahlungsstärke mit einem sehr engen Sichtfeld erfolgen. TOC kann durch Anwendung des Beer-Lambert-Gesetzes in Verbindung mit den bekannten Absorptionseigenschaften von Ozon im Wellenlängenbereich von 290-350 nm aus den Messdaten der spektralen Bestrahlungsstärke berechnet werden. Eine geeignete Modellierung ist erforderlich, um die Einflüsse der anderen atmosphärischen Dämpfungselemente zu minimieren [2].

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 Das kompakte wetterfeste UV-Spektralradiometer BTS2048-UV-S-WP bietet sich wegen optischen Eigenschaften und den kompakten Abmessungen ideal für den Einsatz in „Sun-Tracker“ zur Durchführung der dem Sonnenzenit nachgeführten Sonnenstrahlungsmessungen. Während eines internationalen Vergleichs [3] der Ozon-Gesamtmessungen wurde das Gerät mit Messungen der direkten Sonneneinstrahlung und anschließenden TOC-Bewertungen mit Abweichungen von weniger als 1,5% gegenüber den meisten anderen Referenzgeräten verifiziert.


Referenzen

[1] M. Huber et al., “Total atmospheric ozone determined from spectral measurements of direct UV irradiance,” Geophys. Res. Lett.22, 1995.

[2] A. Vaskuri et al., “Monte Carlo method for determining uncertainty of total ozone derived from direct solar irradiance spectra: Application to Izaña results” 

[3] R. Zuber et al., “Adaption of an array spectroradiometer for total ozone column retrieval using direct solar irradiance measurements in the UV spectral range”, Atmos. Meas. Tech 2017