Umkehreffekt
Minimum im Intensitätsverhältnis von UV-Strahlung zweier Wellenlängen bei zenitaler Beobachtung des auf- oder untergehenden Sonnenlichts
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Der Umkehreffekt oder Götz-Effekt wird im Ultraviolett-Bereich des zenitalen Himmelslichts bei Sonnenauf- oder untergang beobachtet. Er wurde erstmals 1931 von Paul Götz beschrieben und 1934 von Götz, A. R. Meetham und Gordon Dobson verwendet, um die vertikale Verteilung des Ozons in der Erdatmosphäre zu berechnen.[1]
Mit einem Dobson-Spektrophotometer, das in den Zenit zeigt, wird die Intensität von zwei Wellenlängen im UV-Bereich gemessen. Die kürzere der beiden wird vom Ozon stark absorbiert, die längere nur schwach. Man trägt den Quotienten der Intensitäten I der kürzeren Wellenlänge und der längeren Wellenlänge gegen den Winkel zwischen Zenit und Sonne auf. Der Quotient erreicht bei einem Winkel von etwa 85 ° ein Minimum und steigt gegen den Zenit hin wieder an.[2] Die abgebildete Kurve zeigt den so genannten N-Wert, welcher durch das Logarithmieren des Quotienten ein Maximum aufweist:
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Entstehung des Effekts
Das Sonnenlicht wird in der Erdatmosphäre auf allen Höhen durch die Rayleigh-Streuung gestreut. Im Spektrophotometer kann das Streulicht aus dem Zenit gemessen werden. In Abhängigkeit von der Höhe der Streuung treten dabei zwei gegenläufige Effekte auf:
- Je mehr Moleküle in einem Luftvolumen sind bzw. je höher der Luftdruck, desto stärker wird das Licht gestreut. Durch die Streuung in größeren Höhen, wo der Luftdruck tiefer und die Streuung schwächer ist, gelangt tendenziell weniger Streulicht zum auf den Zenit gerichteten Spektrophotometer.
- Das langwelligere UV-Licht wird von Ozon kaum absorbiert. Das kurzwelligere UV-Licht wird sowohl vor als auch nach seiner Streuung von Ozon-Molekülen absorbiert. Wenn das Licht bei höherem Sonnenstand weiter unten gestreut wird, muss es zuvor auf einem vergleichsweise langen Weg die dichtere untere Atmosphäre durchdringen und wird dort stark absorbiert. Wird es bei tieferem Sonnenstand weiter oben gestreut, ist die Absorption vor der Streuung kleiner, der vertikale Weg nach der Streuung zum Spektrophotometer durch die dichtere Atmosphäre jedoch vergleichsweise kurz und die Absorption darum kleiner. Dieser Effekt verstärkt die Lichtintensität im Spektrophotometer wieder.
Götz, Meetham und Dobson konnten zeigen, dass das vom Spektrophotometer empfangene UV-Licht vorwiegend aus einer bestimmten Höhenregion stammt. Diese effektive Streuhöhe ist abhängig von der Wellenlänge und vom Sonnenstand. Das kurzwelligere UV-Licht wird in größerer Höhe gestreut als das langwelligere, und die effektive Streuhöhe verschiebt sich mit sinkendem Sonnenstand nach oben. Beträgt der Winkel zwischen Zenit und Sonne weniger als ca. 85 °, so werden beide Wellenlängen unterhalb der Ozonschicht gestreut, der Weg durch die Ozonschicht ist länger und die Absorption stärker. Bei ca. 85 ° verschiebt sich die Streuung des kurzwelligeren Lichts über die Ozonschicht, dessen Weglänge durch die Ozonschicht wird kürzer und die Absorption schwächer. Vergleicht man nun das Verhältnis der Intensitäten, nimmt dieses zunächst ab, bis es bei rund 85 ° ein Minimum erreicht und danach wieder ansteigt.[1]
Literatur
- Martin Läubli, Johannes Staehelin, Pierre Viatte: Licht Luft Ozon. Haupt Verlag, Bern 2019.