Warum gibt es im Winter weniger UV-Licht auf der Erde?

Für eine Definition des UV-Index und eine grobe Diskussion der Einflussfaktoren siehe zB https://en.wikipedia.org/wiki/Ultraviolet_index .

Sie können das dort gezeigte Modell mit tatsächlich gemessenen Daten für die USA vergleichen: http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/stratosphere/uv_index/uv_annual.shtml .

Beide Quellen werden Ihre Aussage stützen, dass die UV-Exposition im Sommer deutlich höher ist (um fast eine Größenordnung) als im Winter.

Diese Grafik

zeigt den Unterschied in der Bestrahlungsstärke zwischen der Ober- und Unterseite der Atmosphäre. Für den UV-B-Bereich von 280-315nm werden über 50% der Strahlung absorbiert, wenn sie im rechten Winkel durch die Atmosphäre gehen, dh die Extinktion wird deutlich größer sein als bei tief stehender Sonne über dem Horizont. Ich würde zustimmen, dass der geometrische Winkel einen signifikanten Unterschied in der verfügbaren Bestrahlungsstärke ausmacht. Kombinieren Sie das mit der Zeit, die wir draußen verbringen (oder nicht draußen verbringen) und der Tatsache, dass wir in europäischen Breiten fast vollständig bedeckt sind und unsere tatsächliche UV-Belastung im Sommer nur einen winzigen Bruchteil davon betragen kann. Allerdings gilt eine ungefilterte Sommerexposition von mehr als einer halben Stunde als gefährlich.

Die Rötung der Sonne hat mit Rayleigh-Streuung zu tun , wenn die Sonne mehr Atmosphäre durchdringt. (siehe Bild). Dies hängt gewissermaßen mit weniger Energie zusammen, ist aber nicht die Hauptursache.

Der Grund, warum wir weniger Sonnenenergie pro Quadratmeter erhalten, ist, dass der Winkel der Sonne am Himmel die Streuung des Lichts beeinflusst. (siehe aktualisiertes Bild). Abgesehen von atmosphärischen Effekten ist es die Sünde des Winkels mal der Spitzenenergie. Bei einem Winkel von 90 Grad oder direkt über dem Kopf beträgt die berechnete maximale Sonnenenergie 1.369 Watt pro Quadratmeter (die auch mit der Entfernung variiert), aber die Energie der Sonne wird hauptsächlich von der Sünde des Winkels bestimmt.

45 Grad: 1.369 * sin(45) W/m^2 oder 71 % von Overhead oder Zenit. 20 Grad über dem Horizont, 1.369 * sin (20), nur 34 % der maximalen Sonnenenergie. Der Winter entspricht einer niedrigeren Sonne am Himmel, das Sonnenlicht ist breiter gestreut. Wenn die Sonne tief am Himmel steht, trifft messbar weniger Energie auf denselben Bereich.

Das Durchqueren von mehr Atmosphäre verstärkt dies etwas, aber der Sonnenwinkel ist die Hauptursache.

Aber mir kam gerade ein Gedanke in den Sinn, als ich darüber nachdachte, dass wir hier morgens und abends meistens rotes Licht sehen, das obere Ende des sichtbaren Spektrums kommt nicht durch.

Es kommt zumindest teilweise durch. Sie sehen einen sehr blauen Himmel, wenn die Sonne am rötlichsten ist. Dieser blaue Himmel kann Ihnen einen Sonnenbrand bescheren, wenn Sie im Winter in den Bergen Ski fahren.

Allerdings ist selbst unter Berücksichtigung des Blue-Sky-Effekts (der offensichtlich einen erheblichen ultravioletten Anteil hat) die Menge an ultraviolettem Licht, die durch die Atmosphäre dringt, im Winter im Vergleich zum Sommer tatsächlich stark reduziert. Der Grund ist die Menge an Atmosphäre, die die einfallende Sonnenstrahlung passieren muss.

Für sichtbares Licht wird dies durch "Luftmasse" quantifiziert . Die Menge an sichtbarem Licht, die im Winter die Erdoberfläche erreicht, ist im Vergleich zum Sommer aufgrund der Menge an Atmosphäre, durch die Licht von der Sonne wandern muss, erheblich reduziert.

Allerdings absorbiert die Erdatmosphäre und insbesondere die Stratosphäre ultraviolettes Licht noch besser als sichtbares Licht. Das ultraviolette Äquivalent der "Luftmasse" ist noch stärker vom Sonnenzenitwinkel abhängig als sichtbares Licht.