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Wer viel Zeit draussen an der Sonne verbringt, schützt sich mit Sonnencreme vor schädlichen Ultraviolett-Strahlen. Diese energiereichen Strahlen sorgen für Sonnenbrand und dafür, dass unsere Haut schneller alt aussieht. Doch sie haben auch zahlreiche Eigenschaften, die sich der Mensch in technischen Anwendungen zunutze macht.
Sonnenlicht besteht aus Strahlung von unterschiedlicher Wellenlänge. Am intensivsten sind die Strahlen in dem Bereich, den wir mit den Augen sehen können: blau-grünes Licht, blau-violettes Licht und orange-rotes Licht. Die Mischung dieser verschiedenen Typen von Wellen nehmen wir als „weisses“ Licht wahr; nur wenn das Licht gebrochen wird, zum Beispiel an einer Wand von feinen Regentröpfchen, sehen wir die verschiedenen Farben des Regenbogens.
Sichtbares Licht macht aber nur einen Teil der Sonnenstrahlung aus. Daneben gibt es zum Beispiel auch Infrarot-Strahlung, deren Wellenlänge etwas länger ist als die des roten Lichts, und die wir auf der Haut als Wärme spüren. Auf der anderen Seite des Spektrums, also bei den kurzen Wellenlängen, finden wir die Ultraviolett-Strahlung (UV-Strahlung). Sie wird überwiegend von der Ozonschicht hoch oben in der Atmosphäre abgefangen, doch der kleine Teil, der zur Erdoberfläche durchdringen kann, ist immer noch sehr gefährlich für uns. Je kürzer die Wellenlänge der Strahlung ist, desto mehr Energie hat sie. UV-Strahlung können wir nicht sehen und nicht unmittelbar spüren, doch sie hat Auswirkungen auf unsere Haut und Augen.
Nicht alle Augen sehen gleich
Im Gegensatz zu uns können manche Tiere UV-Strahlung wahrnehmen. Diese Blüte erscheint dem Menschen einfarbig gelb (links); eine Biene erkennt jedoch ein Muster in UV-Farben (rechts) mit einem stark reflektierenden Zentrum. Sie steuert dadurch zielstrebig auf die Mitte der Blüte zu, wo sich Nektar und Pollen befinden. Hingegen sehen Bienen keine rote Farbe; ihre Augen reagieren nicht auf diesen Bereich des Lichts.
Auslöser von Sonnenbrand …
Die UV-Strahlung, die zur Erdoberfläche gelangt, besteht zu etwa 95% aus UV-A- und zu etwa 5% aus UV-B-Strahlen. Die energiereicheren UV-B-Strahlen verursachen den typischen Sonnenbrand; ist man ihnen nur kurz ausgesetzt, bildet die Haut braune Pigmente, die beim nächsten (massvollen!) Sonnenbad bis zu einem gewissen Grad vor den Strahlen schützen. UV-B-Strahlen können die DNA (Erbsubstanz) der Hautzellen direkt schädigen, und ein Sonnenbrand, bei dem sich die Haut entzündet und anschliessend schält, ist ein deutliches Zeichen dafür, dass eine grössere Anzahl Zellen abgestorben ist. Wiederholte Sonnenbrände können die Reparaturmechanismen des Körpers überfordern und zu chronischen Hautschäden oder Vorstufen von Hautkrebs führen.
UV-A-Strahlen verursachen normalerweise keinen akuten Sonnenbrand, aber sie dringen tiefer in die Haut ein, verletzen dort das Bindegewebe und sorgen so längerfristig dafür, dass die Haut schlaff wirkt und Falten bildet. Auch UV-A-Strahlen können die DNA der Hautzellen indirekt schädigen.
In den letzten Jahrzehnten ist die Ozonschicht in der Atmosphäre, die einen grossen Teil der UV-Strahlung abhält, immer dünner geworden ist – über dem Südpol spricht man sogar von einem Ozonloch. Deshalb ist es umso wichtiger, Haut und Augen im Sommer bei Aktivitäten im Freien mit Kleidern, Sonnenhut, Sonnencreme und Sonnenbrille zu schützen.
… und nützliches Desinfektionsmittel
Gerade die erbgutschädigenden Eigenschaften der energiereichen UV-Strahlung kann man sich aber auch zunutze machen: Mit UV-Lampen lassen sich nämlich Bakterien abtöten und Viren unschädlich machen. Dies geschieht bei ausreichender Strahlendosis innerhalb von Sekunden. Deshalb können damit nicht nur Oberflächen (z. B. in Labors oder Krankenhäusern), sondern auch Trinkwasser oder Luftströme in Klimaanlagen desinfiziert werden. Diese Methode hat den Vorteil, dass sich bei den Keimen keine Resistenzen bilden können. Ausserdem hinterlassen UV-Strahlen anders als viele chemische Desinfektionsmittel keine Rückstände.
UV-Strahlen in der Technik
Auch auf Kunststoffe hat UV-Licht einen Einfluss – man denke nur an Plastikteile, die im Sonnenlicht spröde werden, oder Farben, die ausbleichen. Andrerseits gibt es auch sehr nützliche technische Anwendungen von UV-Strahlung, zum Beispiel zum Aushärten von Kunststoffen und Trocknen von Farben und Lacken. In der Elektronik braucht man sie bei der Herstellung von Chips und Leiterplatten. UV-Strahlung wird aber auch beim Trocknen von Gelnägeln angewendet, und Zahnärzte härten Füllungen aus Kunststoff durch kurze Bestrahlung mit UV-Licht. Dazu werden natürlich UV-Strahler mit entsprechend angepasster Intensität verwendet, aber es sollten gleichzeitig auch Vorsichtsmassnahmen befolgt werden, die eine Schädigung von Haut oder Augen verhindern.
Fluoreszenz unter UV-Licht
UV-Strahlen haben auch die faszinierende Eigenschaft, gewisse Stoffe zum Fluoreszieren zu bringen. Ein fluoreszierendes Material nimmt Strahlung auf und wird dadurch angeregt, seinerseits wieder Strahlung abzugeben. Die abgegebene Strahlung hat jedoch eine andere Farbe als die aufgenommene. UV-Strahlung wird von unserem Auge nicht wahrgenommen; wenn sie aber auf ein fluoreszierendes Material trifft, wird sichtbares Licht zurückgeworfen. Das führt zu dem erstaunlichen Effekt, dass bei einer Beleuchtung mit UV-Licht gewisse Gegenstände plötzlich in unerwarteten Farben leuchten!
Der Name „Fluoreszenz“ leitet sich übrigens von dem Mineral „Fluorit“ ab, einem Kristall, der auch als „Flussspat“ bezeichnet wird. Viele andere Mineralien zeigen bei Bestrahlung mit UV-Licht ebenfalls fantastische Fluoreszenzfarben.
Es gibt noch zahlreiche weitere Beispiele für fluoreszierende Stoffe in der Natur. Die Rinde von Kastanienbäumen enthält das sogenannte Aesculin, das unter UV-Licht intensiv blau fluoresziert. Das Curcumin aus Currypulver fluoresziert gelb-grün, und der Farbstoff in braunen Eierschalen leuchtet unter UV-Licht rot.
Schwarzlicht und Ingenieurskunst
Der Mensch nutzt die Eigenschaften fluoreszierender Stoffe auf vielfältige Weise. Fluoreszierende Farbstoffe kann man künstlich herstellen, und sie werden für die unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt. Leuchtstifte und Signalfarben, wie diejenige von Warnwesten, reflektieren nicht nur das sichtbare Tageslicht, sondern auch den UV-Anteil der Sonnenstrahlung, so dass sie gerade bei weniger guten Lichtverhältnissen besonders intensiv erscheinen.
Ein Teil der Sicherheitsmerkmale von Dokumenten wie Banknoten wird mit UV-Tinte aufgedruckt und ist nur bei der entsprechenden Beleuchtung sichtbar. Ausserdem können fluoreszierende Farbstoffe bei vielen biologischen und chemischen Experimenten und Analysen verwendet werden. Die Farbstoffe werden so konstruiert, dass sie sich an den Stoff anheften, den man untersuchen möchte. Nach Abschluss des Experiments kann dann unter UV-Beleuchtung festgestellt werden, ob der Stoff noch vorhanden ist, wo er sich befindet und wie hoch seine Konzentration ist.
Fluoreszierende Farbstoffe helfen auch Ingenieurinnen und Materialwissenschaftlern, schadhafte Stellen an Bauteilen aufzuspüren. Dies ist von grosser Wichtigkeit, wenn Flugzeuge gewartet und repariert werden. Das Bauteil, das untersucht werden soll, wird dazu mit der Farbe eingesprüht. Die Oberfläche wird danach gereinigt und dann im Halbdunkel mit einer UV-Lampe beleuchtet. Dadurch wird sofort sichtbar, ob feinste Risse vorhanden sind, welche die Farbe aufgenommen haben, denn diese Stellen leuchten nun auf.
Nicht zu vergessen sind auch die Showeffekte, die in dunklen Räumen mit Hilfe von „Schwarzlicht“ (UV-A-Strahlern) möglich sind! Einerseits nutzt man dabei die Fluoreszenz von speziell dafür eingesetzten Farben, andererseits leuchten unter dem Schwarzlicht aber auch alle anderen Gegenstände auf, die sogenannte optische Aufheller enthalten. Optische Aufheller funktionieren genau so wie die oben beschriebenen Leuchtfarben – nur „leuchten“ sie weiss (oder leicht bläulich) und nicht gelb oder orange. Sehr viele weisse Textilien, Kunststoffe sowie Papier enthalten heutzutage optische Aufheller, da ihre Farbe vom menschlichen Auge dann „weisser als weiss“ wahrgenommen wird und nicht vergilbt aussieht. Das ist der Grund, warum ein schlichtes weisses T-Shirt bei Discobeleuchtung plötzlich so hell strahlt!