Ultraviolett ist eine Weiterleitung auf diesen Artikel. Zum Roman sieheUltraviolett (Roman).
UV ist eine Weiterleitung auf diesen Artikel. Weitere Bedeutungen sind unterUV (Begriffsklärung) aufgeführt.
Ultraviolettstrahlung, kurzUV,UV-Strahlung oderUV-Licht, istelektromagnetische Strahlung im optischen Frequenzbereich (Licht) mit kürzerenWellenlängen als das für den Menschen sichtbare Licht. Jenseits der UV-Strahlung schließt dieRöntgenstrahlung an. Die Farbwahrnehmung violett entsteht durch die kürzesten noch mit demAuge wahrnehmbaren Wellenlängen. „Ultraviolett“ (lat. ultrajenseits)[1] bedeutet „jenseits von Violett“, d. h. vergleichsweise höhereLichtfrequenzen, die jenseits derjenigen dessichtbaren Spektrums liegen.
Die Entdeckung der UV-Strahlung folgte aus den ersten Experimenten mit der Schwärzung vonSilbersalzen im Sonnenlicht. Im Jahr 1801 machte der deutsche PhysikerJohann Wilhelm Ritter inJena 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 deninfraroten „Wärmestrahlen“ am anderen Ende des Spektrums zu unterscheiden. Nach ihrer Entdeckung wurde die Ultraviolettstrahlung zunächst als „chemische Strahlung“ bezeichnet. Mittlerweile werden die Bezeichnungen „Infrarotstrahlung“ und „Ultraviolettstrahlung“ verwendet, um die beiden Strahlungsarten zu charakterisieren.[2]
Anfang des 20. Jahrhunderts wurde die heilende Wirkung der künstlichen UV-Strahlung entdeckt. So berichtete der österreichische ArztGustav Kaiser (1871–1954), der sich in Würzburg mit elektrotherapeutischen Studien beschäftigt hatte, in der Vollversammlung derGesellschaft 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 an Tuberkulose erkrankte 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 einerHohllinse auf Hautkrankheiten aus, wobei er ebenfalls günstige Ergebnisse erzielte. Er zog daraus den Schluss, dass die UV-Strahlungkeimtötend wirkt.[3]
Traditionell reicht der UV-Bereich von 380 bis 100 nm und wird mit Blick auf die Transmission atmosphärischer Gase in die Unterbereiche UV-A, UV-B und UV-C eingeteilt, siehe Tabelle. Die „unrunden“ Grenzen haben folgende Bedeutung: 380 nm ist die Empfindlichkeitsgrenze des menschlichen Auges. Ab etwa 315 nm absorbiertOzon so stark, dass Strahlung mit dieser oder geringerer Wellenlänge kaum noch durch die Ozonschicht dringt. Ab 280 nm reicht der normale, zweiatomige Sauerstoff für die völlige Absorption innerhalb der Atmosphäre. Ab etwa 200 nm wird die Absorption durch Sauerstoff so stark, dass sie auch auf laborüblichen Distanzen stört; zudem setztPhotolyse und Ozonbildung ein. Dagegen hilft Spülen des Strahlengangs mit Schutzgas oderEvakuieren, worauf der BegriffVakuum-Ultraviolett (VUV) für diesen Bereich zurückgeht. Der UV-C-Bereich endet traditionell (und gemäßDIN 5031-7,[4] die zurückgezogen wurde) aufgrund experimenteller Probleme (Transmission refraktiver Optiken) etwas willkürlich bei 100 nm. Licht dieser Wellenlänge wird bereits in derIonosphäre absorbiert.
Für die Anwendung oberhalb der Ozonschicht, also für dieAeronomie und dieAstronomie hat die Einteilung in UV-A, -B und -C keine Relevanz. Hier unterscheidet man nahes (NUV), mittleres (MUV), fernes (FUV) undextremes UV (EUV) zwischen den Grenzen 400, 300, 200, 100 und 10 nm.[5][6] Auch dieWeltgesundheitsorganisation (WHO) lässt den UV-Bereich schon bei 400 nm beginnen.[7]
Schwarzlicht ist die umgangssprachliche Bezeichnung für UV-A-Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 315 nm bis 400 nm.[8] Als Quelle für Schwarzlicht dienen unter anderemLeuchtstofflampen, die mit speziellen Leuchtstoffen ausgerüstet sind, um Ultraviolettstrahlung bei 350 nm oder 370 nm mit nur geringem Anteil an sichtbarem Licht abzugeben und kurzwellige UV-B und UV-C Strahlung unterdrücken. Mit der Verfügbarkeit von blauenLeuchtdioden kamen auch UV-Leuchtdioden (LED) auf, basierend auf Verbindungshalbleitern wieAluminiumnitrid oderAluminiumgalliumnitrid. Übliche Wellenlängen für handelsübliche Schwarzlicht-LEDs sind 365 nm und 395 nm. Letztere Wellenlänge ist spektral schon nahe am sichtbaren Spektrum und zeigt daher nur geringe fluoreszierende Effekte. Aluminiumgalliumnitrid stellt eine Legierung von Aluminiumnitrid mitGalliumnitrid dar und erlaubt es, über das Mischungsverhältnis dieser beiden Substanzen die konkrete Wellenlänge im Ultraviolettbereich im Rahmen des Herstellungsprozesses der UV-LED auf weiteren Wellenlängen einzustellen. Bei UV-LEDs werden keine speziellen Leuchtstoffe oder Farbfilter eingesetzt. Schwarzlicht kann weiters, mit schlechtemWirkungsgrad, auch durchGlühlampen mit einem das sichtbare Licht absorbierenden Glaskolben mitNickeloxidschicht erzeugt werden.
„Schwarzlicht“ wird oft für Showeffekte in abgedunkelten Räumen eingesetzt, wie Diskotheken, bei Zauberveranstaltungen oder auch fürSchwarzlichttheater. Die Strahlung regtfluoreszierende Stoffe wie z. B.Chinin im Tonic Water zum Leuchten an, und da helles Licht vermieden wird, wirken sich diese Leuchteffekte bei Papieren, Textilien, künstlichen Zähnen und anderen Materialien mitoptischen Aufhellern besonders aus.
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). Weiters kann Schwarzlicht zur Sichtbarmachung von Urinflecken eingesetzt werden und zur Visualisierung von mit Fluoreszenzfarbstoffen markierten Substanzen zur Kontrolle von Händehygienemaßnahmen.
Beim Umgang mit Schwarzlichtlampen sind die Sicherheitshinweise zu beachten. Generell werden die Risiken für Augen und Haut dann als gering eingeschätzt, wenn man die Produkte wie vorgesehen benutzt und sich an die Bestimmungen zum Gebrauch der Lichtquelle hält. Dennoch sollten längere direkte Blicke aus kurzer Distanz in die UV-A-Quelle vermieden werden.[9] Beim häufigen Umgang mit Schwarzlichtquellen, z. B. in der Materialprüfung, sind Expositionsgrenzwerte für UV-Strahlung gemäß derVerordnung zum Schutz der Beschäftigten vor Gefährdungen durch künstliche optische Strahlung (OStrV) zu beachten. Gegebenenfalls sind geeignete optischeSchutzbrillen oder Schutzhandschuhe zu tragen.
Veränderung der Intensitätsverteilung der Sonnenstrahlung durch die Erdatmosphäre, insbesondere die UV-StrahlungPolarlicht überJupiters Nordpol, vomHubble Space Telescope im UV-Spektrum fotografiert
Beithermischer Strahlung wird der Anteil der UV-Strahlung durch dasPlancksche Strahlungsgesetz und dasWiensche Verschiebungsgesetz bestimmt. Durch angeregteElektronen kann UV-Strahlung generiert werden, wenn deren Energie oberhalb 3,3 eV liegt. Gleiches ist bei der Temperatur der Glühwendeln vonGlühlampen in geringem Maße gegeben, weshalb insbesondere Halogen-Glühlampen auch etwas Ultraviolettstrahlung aussenden.
Ultraviolettstrahlung ist im kurzwelligen Anteil derSonnenstrahlung enthalten. Wegen derAbsorption in derErdatmosphäre (besonders in derOzonschicht) dringt UV-A- und wenig UV-B-Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb 300 nm bis zur Erdoberfläche vor und ist dort messbar (sieheSolares UV-Messnetz). Bestimmte Gase, insbesondereFCKW, wirken durch das Sonnen-UV auf die Ozonbindung und verschieben das Gleichgewicht in der Ozonschicht, das Ergebnis ist dasOzonloch, wobei die UV-B-Exposition der Erdoberfläche zunimmt.
Auch andere kosmische Objekte wiePulsare, hochangeregte Gasmassen sowie die meistenFixsterne senden UV-Strahlung aus. Weiterhin enthältPolarlicht eine Ultraviolettstrahlung. Natürliche irdische Ultraviolettquellen sindGewitterblitze undElmsfeuer.
Geldscheinkontrolle mit einemUV-Prüfgerät. Hierbei wird der sichtbare Anteil der Strahlung ausgefiltert, so dass nur die durch UV hervorgerufenenFluoreszenz-Effekte sichtbar sind
Es gibt weitere künstliche Quellen, bei denen die Ultraviolett-Emission jedoch zweitrangig ist:
Gasentladungslampen (auchTageslichtlampen undVollspektrumröhren; hierbei ist die UV-Emission von Tageslichtlampen gesundheitlich unbedenklich und erwünscht)
DasLichtbogenschweißen 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 dieRaumanzüge 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.
Ultraviolettstrahlung wird vom menschlichenAuge nicht wahrgenommen, da sie schon vorher komplett von derAugenlinse 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 Ultraviolettstrahlung 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 derOperation am Grauen Star der Linse durch eineIntraokularlinse bemerkt werden. Auch scheint es einen Zusammenhang mit der Sehschärfe zu geben: Tierarten, deren Linsen weniger Ultraviolettstrahlung durchdringen lassen, sehen schärfer und genauer.[10] Manche Tiere (Insekten, Vögel, Fische, Reptilien) können sie teilweise wahrnehmen. Nach Untersuchungen von 2014 lassen die Linsen von deutlich mehr Tieren als bislang angenommen Ultraviolettstrahlung durch, auch jene von Hund und Katze. Ob sie wirklich Ultraviolettstrahlung sehen können, muss in weiteren Untersuchungen erforscht werden.[10]
Unterhalb einer Wellenlänge von 200 nm ist die Energie eines Strahlungsquants ausreichend hoch, um Elektronen ausAtomen oderMolekülen zu lösen, also zuionisieren. Wie beiGamma- undRöntgenstrahlung wird daher kurzwellige Ultraviolettstrahlung unterhalb 200 nm alsionisierende Strahlung bezeichnet.
Quarzglas (Kieselglas) ist für den gesamten auf der Erdoberfläche natürlich von der Sonne kommenden UV-Bereich bis etwa 250 nm transparent. NormalesGlas (Natron-Kalk-Glas), insbesondere das gewöhnlicheFensterglas, lässt Ultraviolettstrahlung unterhalb von 320 nm nicht durch, d. h. UV-C und UV-B werden weitestgehend blockiert. Für UV-A ist Fensterglas durchlässig.Borosilikatglas (wieJenaer Glas) lässt UV-Strahlung bis etwa 290 nm passieren, hochborhaltige Borosilikatgläser die UV-Strahlung bis etwa 180 nm. Strahlung unterhalb von 290 nm transmittiert durch natürliche oder synthetischeQuarzkristalle. Im UV-C Bereich zwischen 100 nm und 250 nm sind Quarzglas aus synthetischem Siliziumdioxid und manche Borosilikatgläser transparent.[11] Andererseits transmittieren natürlicher Quarz und gewöhnliches Kieselglas durch ihren Titangehalt keine UV-Strahlung unterhalb von 200 nm, deshalb wird für die Entladungsgefäße von UV-Lampen, die solch kurze Wellenlängen generieren sollen, hochreines Quarzglas aus synthetischem Siliziumdioxid verwendet. Anwendungen für dieses Glas sind die Fotolithografie und die Aufbereitung hochreinen Wassers, wo Ultraviolettstrahlung zur Oxidation der gelösten organischen Kohlenstoffverbindungen genutzt wird. Andere Einsatzzwecke sind optische Elemente für dieArF-Excimerlaser-Wellenlänge (193 nm). Allerdings trübt kurzwelliges Ultraviolettlicht 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 einkristallinesKalziumfluorid verwendet.
Ultraviolettlicht ist auf Grund der kurzen Wellenlänge oft Anregungswellenlänge fürFluoreszenz im sichtbaren Bereich. Die UV-angeregte Fluoreszenzstrahlung kann aber selbst im Ultraviolettbereich liegen. Der äußerePhotoeffekt tritt bei Ultraviolett an allen Metalloberflächen auf. Er wird inPhotomultipliern anSzintillationsdetektoren zur Registrierung ultravioletter Strahlungsimpulse genutzt (Neutrinodetektor, Nachweis und Klassifizierungionisierender Strahlung).
UV-Strahlung vermag organische Bindungen zu spalten. Dadurch ist sie durch Zerstörung biogener Substanz lebensfeindlich. Andere biologische Prozesse (z. B. Vitamin-D-Synthese bei Menschen)benötigen jedoch UV-Strahlung, sodass eine gänzliche Vermeidung ebenfalls schädlich wäre. Viele Kunststoffe werden durch Ultraviolettstrahlung durch Trübung, Versprödung, Zerfall geschädigt. Dies kann neben der offenkundigen Schädlichkeit für UV-exponierte Plastikgegenstände (z. B. Gartenstühle) aber auch gewünscht sein, um die biologische Abbaubarkeit von Plastik zu vergrößern oder überhaupt zu ermöglichen. Technisch kann durch energiereiche UV-Strahlung die Vernetzung von Monomeren initiiert werden, um spezielle Polymere herzustellen (Photopolymerisation).[12]
Eine besondere Bedeutung spielt die Spaltung vonSauerstoffmolekülen durch kurzwellige UV-Strahlung unterhalb 200 nm in atomaren Sauerstoff. Die Rekombination führt zur Bildung vonOzon – 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 derOzonschicht abspielen. Mit diesen Vorgängen in der Ozonschicht wird durch Absorption die Erdoberfläche vor harter (kurzwelliger) UV-Strahlung der Sonne geschützt, wodurch Schäden an biologischem Material – auch am Menschen – verhindert werden und so das Leben auf dem Land ermöglicht wurde.
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 daher Vorsicht im Sonnenlicht (Sonnenschutz) und bei technischen UV-Quellen angebracht. Der übermäßige Besuch vonSolarien bleibt umstritten.
Die Wirkung der UV-Strahlung lässt sich in verschiedene Bereiche einteilen:
Kurzwellig, energiereich, wird in biologischem Gewebe stärker gestreut:
bewirkt in derOberhaut um 72 Stunden verzögert Bildung von Melanin –indirekte Pigmentierung,verzögerte,langfristige Bräunung (siehe unterHautfarbe) mit echtemLichtschutz;
dringt weniger tief ein als UV-A, aber mitstark erythemem Effekt (Sonnenbrand);
Nach 2008 veröffentlichten epidemiologischen Untersuchungen kann die Vitamin-D-Produktion durch UV-B vorbeugend gegen viele Krebsformen sein. Bis 2014 liegen keine randomisierten, kontrollierten Studien darüber vor, die mit der geographischen Breite variierende Krebsinzidenz korrelieren, es gibt jedoch epidemiologische Hinweise auf eine Korrelation.[13][14]
Sehr kurzwellig, sehr energiereich, wird in biologischem Gewebe stark gestreut:
gelangt nicht bis zur Erdoberfläche, Absorption durch die obersten Luftschichten der Erdatmosphäre, selbst im Bereich des Ozonlochs;
unterhalb etwa 242 nm durch Photolyse des Luftsauerstoffsozongenerierend;
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 auchQuecksilberdampflampen).Während bei 280 nm (Absorptionsmaximum der meistenProteine) die darin eingebauteAminosäureTryptophan die ultraviolette Strahlung absorbiert, werden bei 265 nmNukleinsäuren 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 undPhenylalanin) und der Absorption durch diePeptidbindung 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 (etwaTierseren für die Zellkultur) zurInaktivierung darin enthaltener Viren und Bakterien möglich.[16][17]
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, die 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 UV-B-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 10–60 min 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 einemSonnenbrand verursacht. Die Haut fühlt sich dabei „trocken“ an und fängt an zu „spannen“. Es tretenVerbrennungen 1. Grades (Rötung) bis 2. Grades (Blasenbildung) auf.
Langzeitschäden wie Hautalterung,Hautkrebs oderKatarakt können auch auftreten, wenn dieErythemschwelle zwar nicht überschritten wird, die Bestrahlung aber häufig erfolgt.Haut undAugen registrierenjede UV-Strahlung und nicht nur diejenige, die über der Erythemschwelle liegt.
UV-Photonen schädigen die DNA (dies ist der Mechanismus für dendirekten DNA-Schaden).
DNA-Schäden entstehen durch UV-Strahlung, wenn sich zwei benachbarteThyminbasen kovalent miteinander verbinden, sodass sie einThymindimer bilden. Diese behindern dieReplikation oder führen zuMutationen. Mittels des EnzymsPhotolyase 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.[18]Bei Kindern, die an der KrankheitXeroderma 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 Hauttumore als Menschen ohne vergleichbare Enzymdefekte.
DerUV-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:
Hohe UV-Einstrahlung kann zu einer Reaktivierung vonHerpes labialis führen.
Zerstörung vonVegetation: 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 ausVorläufersubstanzen (vorzugsweise Abgase) bei hoher Sonneneinstrahlung auch bodennah Ozon, welches imSmog 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 inLeuchten für Gasentladungslampen). Ein Schutz ist durch resistente Pigmente oder geeignete Materialwahl möglich.
Den natürlichen UV-Anteil desTageslichts macht man sich beiWaschmittel zunutze, indem ihmoptische Aufheller hinzugefügt werden. Diese lassen durch Kalkablagerungen vergraute[19] oder vergilbte[19] Textilien „weißer als weiß“ erscheinen, weil sie das UV-Licht in sichtbares blaues Licht umwandeln, das alsMischfarbe mit derVergilbung der Textilien Weiß ergibt[19]. Zusätzlich wird mehr sichtbares Licht ausgesendet als bei einem normal reflektierenden Objekt.
Ultraviolett ist die primäre Emission inLeuchtstofflampen, effizienten weißen Lichtquellen, in denen die Ultraviolett-Emission einerGasentladung von Quecksilberdampf zur Anregung von im sichtbaren SpektralbereichfluoreszierendenLeuchtstoffen 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 undVollspektrumröhren (u. ä. Bezeichnungen, herstellerabhängig) wird ein dem Sonnenlicht möglichst ähnliches Lichtspektrum inkl. UV undInfrarot abgegeben, um eine natürliche Beleuchtung zu ermöglichen (insbes. in Innenräumen, siehe auchErgonomie); 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 wieIndiumgalliumnitrid oderGalliumnitrid. Leuchtdioden, welche UV-Strahlung abgeben, bestehen ausAluminiumnitrid oderAluminiumgalliumnitrid und werden ohne Leuchtstoffbeschichtung als direkte UV-Strahlungsquelle eingesetzt. UV-LEDs sind bis zu Wellenlängen knapp unter 250 nm realisierbar.
Endothelzellen unter dem Mikroskop. Die Zellkerne sind mit DAPI blau markiert. Die Mikrotubuli wurden über einen Antikörper grün markiert. Mit rot fluoreszierendem Phalloidin wurden die Aktinfilamente markiert.
Einige Farbstoffe, wie das in den Biowissenschaften verwendeteDAPI, werden von UV-Strahlung angeregt und emittieren ein längerwelliges, meist sichtbares Licht. Fluoreszierende Stoffe finden damit unter anderem Anwendung beimMarkieren von biologischen Molekülen (z. B. dieDNS), um ihr Verhalten in biologischen Systemen zu beobachten.[20]
In derForensik wird die Fluoreszenz vonBlut undSperma zur Sichtbarmachung von Opfer- oder Täterspuren eingesetzt.[21][22] 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.
Eine Sammlung verschiedenerMinerale fluoresziert in verschiedenen Farben bei Bestrahlung mit UV-A-, UV-B- und UV-C-Strahlung.
Da es sich bei UV-Licht um eineelektromagnetische Welle handelt, kann für dieses Licht auch eine optischeSpektroskopie durchgeführt werden. Zu nennen wären hier dieUV/VIS-Spektroskopie und dieUltraviolettphotoelektronenspektroskopie (UPS). Eine weitere Anwendung sind Chromatogramme in derDünnschichtchromatographie. UV-Licht kann zurGas-Analyse eingesetzt werden zum Beispiel für die GaseNO,NO2,H2S,SO2.In derMolekularbiologie wird UV-Licht verwendet, umNukleinsäuren mit Hilfe vonEthidiumbromid sichtbar zu machen. Spezielle Anwendungen ist die Bestimmung der Fettungsdicke. Mit Hilfe von UV-Strahlung lässt sich die Dicke einer Fettschicht auf den Objekten bestimmen. Weiterhin kann die Zinnseite vonFloatglas, welches in der Photovoltaik bei Dünnschicht-Solarzellen eingesetzt wird, ermittelt werden.[23]
UV-Licht kommt in der Materialprüfung bei derInspektion von Glas(scheiben) zum Einsatz. Anhand von Fluoreszenz an Störungen kann man Sprünge oder Fehler in Glasoberflächen erkennen. Es können Qualitätsprüfungen ausgeführt werden wie beispielsweise die Qualitätsprüfung 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. Gemäß dem gleichen Prinzip lässt sich Öl in Wasser detektieren. Die Bahn nutzt UV-Licht zur Inspektion vonOberleitungs- und Hochspannungsanlagen, da es bei defekten Isolatoren oder angerissenen Kabeln zu sogenanntenKoronaentladungen kommt. Dabei wird an den defekten hochspannungsführenden Komponenten UV-Strahlung emittiert. Diese kann von Spezialkameras erfasst werden.Viele Materialien sind einer beständigen UV-Belastung ausgesetzt. Mithilfe moderner Testsysteme ist möglich, die natürliche UV-Einstrahlung so zu verstärken, dass innerhalb von 12 Monaten 63 Jahre natürlicher UV-Einstrahlung simuliert werden.[24]Bei der Prüfung von dünnen Metallen (zum Beispiel im Flugzeugbau) werden diese mit UV-Licht durchleuchtet; mit Hilfe spezieller UV-empfindlicher Filme wird dabei überprüft, ob Haarrisse im Metall vorhanden sind.
Intensive UV-Strahlung wird in der Industrie für die Aushärtung spezieller Materialien verwendet. Zu nennen sind hier spezielle, lösemittelfreie, UV-empfindliche Druckfarben, vor allem beimOffsetdruck. Es gibt UV-härtbare Materialien wie Lacke,strahlenhärtender Klebstoffe, Aushärtung von Brillengläsern, lichthärtende Kunststoffe für das Modellieren künstlicher Fingernägel und UV-härtbare Materialien für die Zahnheilkunde. Ein weiterer Einsatz ist die Scheibenreparatur desVerbundglases bei Automobilen.
In derElektronik wird UV-Strahlung vor allem bei der Herstellung vonmikroelektronischen Bauelementen und Schaltkreisen sowie entsprechenden Geräten eingesetzt. So erfolgt beispielsweise die Herstellung von Leiterbahnen aufLeiterplatten durch eine Belichtung einer lichtempfindlichen Schicht auf den Leiterplatten mit einerQuecksilberdampflampe. Dabei wird durch die UV-Strahlung eine fotochemische Reaktion imFotolack ausgelöst. Das gleiche Prinzip wird auch bei der Herstellungintegrierter Schaltkreise (Waferbelichtung) angewendet, vgl.Fotolithografie (Halbleitertechnik). Hierbei kamen früher ebenfalls Quecksilberdampflampen – vor allem 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 fortwährendenSkalierung derTransistorstrukturen geschuldet.
Neben dem Einsatz in der Herstellung wird in der Elektronik UV-Strahlung auch für weitere Anwendungen genutzt. Ein Beispiel ist das Löschen vonEPROM-Speicher mit einer Quecksilberdampflampe (253,7 nm). Hierbei bewirkt die UV-Strahlung eine Freisetzung von Ladungsträgern imFloating-Gate ausPolysilizium, die freiwerdenden Elektronen haben genug Energie, um die Potentialbarriere des Siliziumdioxid-Dielektrikums zu überwinden und abzufließen.
Eine Niedrigdruck-Quecksilberdampfröhre ist in einerSterilbank montiert und entkeimt so die bestrahlten Flächen mit kurzwelliger UV-Strahlung.Anwendung eines UV-Raumdesinfektors bei der Desinfektion eines Bewohnerzimmers eines Pflegeheimes.
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 vonLaminar-Strömungs-Anlagen fürReinräume sowie dem heute üblichen und massiven Einsatz von Desinfektionsmitteln waren daher in Krankenhäusern im Dauerbetrieb arbeitende schwache Ultraviolettstrahler üblich, um dieKeimzahl gering zu halten. Die zunehmendeAntibiotika-Resistenz krankenhausspezifischer Keime könnte dabei in naher Zukunft zu einer Wiederkehr der altbekannten Technik führen, da sich bei der UV-Desinfektion keine mutationsbedingten Resistenzen entwickeln können.
Eine heute bereits recht verbreitete Methode ist dieTrinkwasseraufbereitung 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, wieKryptosporidien, 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.
Zunehmend wird die UV-Desinfektion auch für dieBehandlung von gereinigtemAbwasser eingesetzt, etwa aus hygienischen Gründen bei Einleitung in einBadegewässer alsVorfluter oder für die Wasserwiederverwendung (z. B. alsProzesswasser,Betriebswasser oder fürBewässerung). Aus wirtschaftlichen Gründen zur Erhöhung der Standzeit und des Wirkungsgrads der UV-Strahlungsquellen wird durch eine vorherige weitestgehendeSchweb- und Feststoffentfernung dieTrübung reduziert.[25] Auch bei der Badewasseraufbereitung kommt UV-Strahlung zum Einsatz.[26]
Ferner wird UV-Strahlung in Form von UV-C Klärern in der Aquaristik eingesetzt, um das Wasser klar und keimarm zu halten. Dies reduziert die Gefahr von Ansteckung oder Ausbreitung von Krankheiten, was auch von Vorteil bei der Haltung von Tieren in Quarantäne ist.[27]
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.
BeiSODIS wird länger einwirkende UV-A-Strahlung der Sonne zusammen mit der Wärme zur einfachen Wasserentkeimung auf Haushaltsebene in Entwicklungsländern genutzt.
Neben der Mikroben-Desinfektion wird UV-Strahlung mit einer Wellenlänge von 254 nm auch zurVirusinaktivierung eingesetzt. Dabei wird ausgenutzt, dass die 254-nm-Strahlung bevorzugt auf die Virusnukleinsäure und weniger auf die Proteine wirkt. Dagegen wirkt Strahlung der Wellenlänge 235 nm auch stark zerstörend auf Proteine.[28]
Im Zuge derCOVID-19-Pandemie wurde eine Technik in der Praxis erprobt, die Bakterien, Schimmelpilze und Viren aufRolltreppen-Handläufen durch UV-Strahlung unschädlich machen soll.[29][30]Als problematisch erweist sich hierbei allerdings dieAlterung von Kunststoffen durch die eingesetzte UV-Strahlung.[31]Zur Sterilisation der Raumluft, insbesondere in Kitas und Schulen, wurden gelegentlich auch mobile Luftreiniger auf Basis von UV-C-Strahlung, als Alternative zu stationären Luftreinigern, für Räume mit eingeschränkter Lüftungsmöglichkeit empfohlen.[32][33]
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 einemSolarium angewendet wird. Therapeutisch kann UV-B-Strahlung (bei geeigneter Dosierung) zur Anregung der Vitamin-D-Bildung oder desZentralnervensystems eingesetzt werden.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts setzte Oskar Bernhard (1861–1939) Sonnenlicht zur Behandlung der „chirurgischen“ Tuberkulose ein.[34]
Die Ultraviolettbestrahlung vonMilch (Ulviolmilch) wurde einerseits zur Keimfreimachung und andererseits auch zur Anreicherung vonVitamin D durchgeführt.[35]
Gauklerblumen aufgenommen in sichtbarem Licht (links) und UV-Licht (rechts). Die Abbildung zeigt das für Bienen, nicht aber für Menschen auffällige Saftmal
Pflanzen nutzen bestimmteBlütenteile (UV-Male), um Insekten anzulocken, die, wieBienen undHummeln, UV-Strahlung wahrnehmen können. Die UV-Male der Blüten entstehen durch unterschiedlicheReflektivität 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 absorbierendeSaftmale markiert sein.
Straßenlampen mit hohem Blau- und Ultraviolettanteil (Quecksilberdampflampen) locken Insekten an und beeinflussen das biologische Gleichgewicht. Von umherfliegenden Insekten werdenFledermäuse angelockt und sie können dadurch im Straßenverkehr verunglücken.Die Beeinflussung des Verhaltens durch UV-Licht wird auch inLichtfallen für den Insektenfang, in denen UV-reiche Lichtquellen eingesetzt werden, ausgenutzt. Sie werden zurSchädlingsbekämpfung und zur Zählung/Artbestimmung in der Forschung eingesetzt.
Treten UV-Strahlungsexpositionen anArbeitsplätzen auf, müssen geeignete Schutzmaßnahmen ergriffen werden, um Schädigungen der Augen oder der Haut zu vermeiden. Beispiele hierfür sind UV-Strahlung absorbierende Fenster von Fahrzeugen, Unterstellmöglichkeiten wie Sonnenschirme oder eine Verlegung der Arbeitszeit zu früheren oder späteren Stunden.[36] Kann die Exposition nicht vermieden werden, und ist von Interesse, wie hoch die Belastung während einer bestimmten Tätigkeit ist, so kann mittels geeigneter Datenlogger die Höhe der Exposition aufgenommen werden. Ziel ist der Informationsgewinn über die Belastung, um geeignete Arbeitsschutzmaßnahmen treffen zu können sowie eine mögliche Korrelation mit Krebserkrankungen feststellen zu können.[37] Um eine komplette Übersicht zur Belastung der Bevölkerung durch die UV-Strahlung der Sonne zu erstellen und eine umfassende Prävention zu erreichen, finden weiterhin gezielte Messungen der UV-Belastung bei verschiedenen Freizeitaktivitäten statt.[38]
Adolf Eduard Herbert Meyer, Ernst Otto Seitz:Ultraviolette Strahlen, ihre Erzeugung, Messung und Anwendung in Medizin, Biologie und Technik, Walter de Gruyter & Co., Berlin 1942.
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