Promieniowanie UV

Wiadomości ogólne

promieniowanie UV, nadfiolet, ultrafiolet, promieniowanie elektromagnetyczne o fali dł. 10–400 nm., nie wywołujące wrażeń wzrokowych. Obszar promieniowania nadfioletowego dzieli się umownie na 4 części:
· zakres A o dł. fali 315–400 nm,
· zakres B 280–315 nm,
· zakres C 200–280 nm i
· nadfiolet próżniowy 10–200 nm,
lub też dzieli się na nadfiolet bliski (200–400 nm) i nadfiolet daleki, próżniowy (10–200 nm), który swoją nazwę zawdzięcza temu, że można go badać tylko w próżni, gdyż fale o odpowiadających mu długościach są b. silnie pochłaniane przez powietrze.
Do detekcji promieniowania nadfioletowego wykorzystuje się: fotoogniwa, fotopowielacze, przetworniki promieniowania. Dzięki dużej energii fotonów promieniowania nadfioletowego (zwł. z zakresu B i C) pochłaniane przez substancję może wyraźnie wpływać na jej właściwości fizyczne i chemiczne; promieniowanie nadfioletowe może wywoływać fotoluminescencję, zjawisko fotoelektryczne, reakcje fotochemiczne (utlenianie, redukcję, rozkład, polimeryzację); odznacza się dużą aktywnością biologiczną; wpływa na przemianę ergosterolu w wit. D2, wyzwala produkcję pigmentu; szczególnie wyraźne działania mutogenne i bakteriobójcze ma promieniowanie nadfioletowe z zakresu C, które jest silnie absorbowane przez kwasy nukleinowe, stanowiące podstawowy materiał genetyczny w jądrach komórek; zaburza przemianę materii w komórce i może spowodować jej zniszczenie.
Najsilniejszym naturalnym źródłem promieniowania nadfioletowego jest Słońce. Do powierzchni Ziemi dociera jednak nieznaczna jego część w wyniku silnego pochłaniania, jakiemu ulega to promieniowanie w atmosferze ziemskiej, gł. dzięki zawartemu w niej ozonowi (stąd niezmiernie ważnym problemem jest zapobieganie obserwowanemu od pewnego czasu zmniejszaniu się całkowitej zawartości ozonu w atmosferze). Udział promieniowania nadfioletowego w świetle słonecznym zależy od: szerokości geogr. (największy jest między 30 szerokości pd. a 30 szerokości pn.), wysokości położenia Słońca na niebie, wysokości n.p.m. (na każde 1000 m przybywa 15% promieniowania nadfioletowego), stopnia czystości powietrza, ilości promieniowania odbitego (od śniegu, powierzchni wody, piasku, chmur typu cumulus). Promieniowanie nadfioletowe emitują też różne ciała ogrzane co najmniej do temp. ok. 3000 K.
Najbardziej rozpowszechnionymi sztucznymi źródłami promieniowania nadfioletowego są lampy wyładowcze (gł. rtęciowe). Dzięki swoim właściwościom promieniowanie nadfioletowe jest wykorzystywane m.in. w technice oświetleniowej (świetlówki), w analizie luminescencyjnej, w badaniach nieniszczących, do sterylizacji pomieszczeń, w biologii w badaniach mikroskopowych tkanek i komórek, w kryminalistyce, muzealnictwie, w przemyśle do przyspieszania procesów polimeryzacji tworzyw sztucznych. Promieniowanie nadfioletowe odkryli 1801 J. Ritter i W.H. Wollaston.




Porównanie promieniowania UVA i UVB


Promieniowanie UVB Promieniowanie UVA
Zakres długości fal 280-320 nm Zakres długości fal 320-400 nm
Najsilniejsze w godzinach od 10 rano do 3 po południu, w okresie letnim jego natężenie jest najwyższe Jego natężenie jest takie samo przez cały dzień, od wschodu do zachodu słońca., niezależnie od pogody oraz pory roku czyli zimą jest równie intensywne jak latem.
Stanowi 5 % całego promieniowania UV docierającego do Ziemi. Stanowi 95 % całego promieniowania UV docierającego do Ziemi.
Jest ono filtrowane przez chmury i szyby okienne lub samochodowe, tak więc w pochmurne dni oraz podczas pobytu w pomieszczeniach lub samochodzie dociera do nas mniejsza dawka promieni UVB. Nie zatrzymują go ani chmury, szyby okienne czy samochodowe, czyli nawet siedząc w samochodzie lub w nasłonecznionym pokoju, bądź w pochmurny dzień latem czy zimą jesteśmy poddani działaniu takiej samej dawki promieni UVA.
Ponieważ są to promienie o krótszej długości nie wnikają głęboko w skórę, głównie tylko do poziomu naskórka. Jako promienie o dłuższym zasięgu penetrują skórę bardzo głęboko, aż do poziomu skóry właściwej
To ono jest odpowiedzialne za rumień posłoneczny i poparzenia skóry, gdyż mimo krótszej długości promienie te posiadają wyższą energię w porównaniu z promieniami UVA. Tak więc niekorzystne efekty działania promieni UVB są widoczne w krótkim czasie. Nie wywołuje rumienia. Efekty jego niekorzystnego działania są zauważalne po latach, gdyż jego dawki kumulują się dając o sobie znać w przyszłości np. w postaci zniszczonej, pokrytej licznymi zmarszczkami skóry lub zmianami nowotworowymi.
Powoduje obniżenie odporności immunologicznej organizmu, przez co także przyczynia się do zmian nowotworowych, nie tylko skóry, ale także innych organów. W dużej mierze przyczynia się do zmian nowotworowych skóry Może być jednym z powodów zaćmy-choroby oczu. Przyczynia się do pojawiania się reakcji fotouczulających.


Promieniowanie nadfioletowe i jego wpływ na żywe organizmy

Promieniowanie nadfioletowe to promieniowanie elektromagnetyczne o mniejszych długościach fal niż te, które są widziane przez oko jako różnobarwne światła. Ma zdolność wywoływania reakcji fotochemicznych w wielu materiałach i organizmach (promieniowanie widzialne może natomiast wywołać takie reakcje w niewielu substancjach, np. barwnikach siatkówki oka, dzięki czemu widzimy światło i barwy, lub w zielonych częściach roślin - fotosynteza). Jeżeli żywy organizm lub materiał naświetlimy promieniowaniem nadfioletowym w małych dawkach, wywołane reakcje fotochemiczne mogą mieć na nie pozytywny wpływ. Słońce (promieniowanie nadfioletowe) pobudza tworzenie się witaminy D


Promienie nadfioletowe mają bardzo pozytywny wpływ na proces leczenia wielu schorzeń. Zalecane jest szczególnie w następujących przypadkach:
1. Choroby gardła i nosa, przewlekle nieżyty oskrzeli, dychawica oskrzelowa
2. Krzywica
3. Nerwobóle nerwu kulszowego
4. Gościec tkanek miękkich,
5. Trądzik pospolity
6. Czyraczność
7. Łuszczyca, łysienie plackowate
8. Trudno gojące się rany,
9. Stany rekonwalescencji

Szkodliwe działanie nadfioletu
Szkodliwe działanie nadfioletu występuje przy napromieniowaniu skóry i oczu. Skutki biologiczne oddziaływania nadfioletu zależą od ilości pochłoniętego promieniowania (będącego funkcją czasu ekspozycji, napromienienia, długości fali oraz rodzaju tkanki poddanej ekspozycji).
Najczęściej obserwowanym objawem działania promieniowania nadfioletowego na skórę jest rumień. Promieniowanie to może wywołać również złuszczanie się naskórka, wzrost ilości barwników, oparzenia oraz zmiany przednowotworowe i nowotworowe (czerniak).
Promieniowanie nadfioletowe oddziałuje także na oczy, może ono uszkodzić rogówkę i spojówkę oka. Promieniowanie o fali krótszej niż 300 nm jest całkowicie pochłaniane przez warstwy zewnętrzne oka, natomiast o fali dłuższej - przez soczewkę. Najbardziej niebezpieczne są fale o długościach od 260 nm do 270 nm.
Dłuższa ekspozycja na promieniowanie nadfioletowe może doprowadzić do trwałych zmian w oku, a nawet do wystąpienia zaćmy.
Poniżej podano typowe źródła promieniowania nadfioletowego, przy których jest wymagane stosowanie środków ochrony indywidualnej, a głównie sprzętu ochrony oczu i twarzy:
· niskoprężne lampy rtęciowe np. używane: do dezynfekcji (w medycynie, przemyśle farmaceutycznym, spożywczym
· wysokoprężne lampy rtęciowe UV np. używane: w poligrafii (kopiowanie, wykonywania matryc sitodrukowych, utwardzanie fotopolimerów, suszenie farb i lakierów), w solariach (fototerapia), w przemyśle meblarskim (suszenie lakierów);
· wysokoprężne lampy metahalogenkowe UV np. używane: w fototerapii (leczeniu łuszczycy), poligrafii, przemyśle chemicznym (do fotopolimeryzacji).
Analizując zagrożenia wywołane promieniowaniem nadfioletowym należy uwzględnić natężenie tego promieniowania na stanowisku pracy. Jeżeli napromienienie koniunktywalne przekracza 30 J/m2, w przypadku narażenia nie powtarzającego się w następnym dniu, a 18 J/m2 w przypadku ekspozycji powtarzającej się w kolejnych dniach należy stosować sprzęt ochrony oczu i twarzy. Jeżeli napromienienie erytemalne przekracza 30 J/m2 należy chronić również skórę pracownika. Najbardziej narażone na promieniowanie nadfioletowe są odkryte części ciała - szczególnie twarz oraz dłonie.

Jak promieniowanie ultrafioletowe zabija komórki?
Promieniowanie ultrafioletowe (UV) zabija komórki niszcząc ich DNA. Ten rodzaj promieniowania inicjuje reakcję chemiczną pomiędzy dwoma cząsteczkami tyminy (jednej z zasad azotowych wchodzących w skład nukleotydów DNA). Powstający w tej reakcji dimer tymidynowy jest bardzo stabilny, jednak komórki dość dobrze radzą sobie z naprawą tego rodzaju uszkodzeń DNA - naprawa najczęściej polega na wycięciu dwóch nieprawidłowo połączonych zasad azotowych i wstawieniu na ich miejsce nowych cząsteczek. Jednak ten system naprawy uszkodzeń DNA może się załamać, kiedy zniszczenia materiału genetycznego są zbyt rozległe Im dłużej komórka jest poddawana działaniu promieniowania UV, tym więcej dimerów tymidynowych powstaje w jej DNA i tym większe jest ryzyko, że enzymy naprawiające uszkodzenia pomylą się albo nie zauważą jakiegoś dimeru. Komórka nie będzie mogła prawidłowo działać, jeżeli jej procesy życiowe zostaną zakłócone przez błędną naprawę uszkodzeń DNA albo przez zniszczenia pozostające w materiale genetycznym. W takiej sytuacji są dwie możliwości. Bardzo rozległe zniszczenia materiału genetycznego spowodują śmierć komórki. Jeśli uszkodzenia DNA nie są zbyt dotkliwe, komórka może zmienić się w komórkę rakową albo w komórkę, której do przemiany w komórkę nowotworową brakuje jeszcze uszkodzeń kilku genów. Mówiąc ogólnie, promieniowanie ultrafioletowe zabija komórki, bo powoduje liczne uszkodzenia ich materiału genetycznego. Białko kodowane przez gen p53 jest odpowiedzialne za sprawdzenie, czy doszło do uszkodzeń DNA i zwolnienie cyklu komórkowego (podobne zadanie mają też białka kodowane przez inne geny). Jeśli wykryte zniszczenia można naprawić, p53 wysyła w ich kierunku specjalne białka naprawcze. Jeśli uszkodzenia są za bardzo rozległe, p53 zmusza komórkę do wejścia na drogę apoptozy - programowanej śmierci komórki.

Ultrafiolet i opalanie

Podczas gdy w minionych stuleciach bladość uważana była za wytworną, to w czasach obecnych naturalna opalenizna ciała jest oznaką aktywności fizycznej, atrakcyjności i zdrowia. Atrakcyjnie opalona skóra wzmaga siłę oddziaływania. Wszystko jedno czy w pracy, czy też poza nią: każdy prezentuje się po prostu lepiej. Opalenizna nie jest w zasadzie niczym innym jak ochroną organizmu przed promieniami słonecznymi. Promieniowanie ultrafioletowe jest podzielone na trzy części: UV-A, UV-B oraz UV-C. Promienie UV-A uszkadzają włókna kolagenowe i elastynowe, przez co skóra traci sprężystość i wiotczeje. Efektem końcowym są zmarszczki. Promienie UV-B w sposób trwały uszkadzają komórki skóry. Przykładem są nieznikające przebarwienia po długotrwałym i intensywnym nasłonecznianiu. Nie oznacza to, że mamy całkowicie wystrzegać się słońca. Trzeba po prostu korzystać z niego w sposób umiarkowany i używać kremów z filtrami przeciwsłonecznymi. Należy też zachować zdrowy rozsądek i nie przesadzać z opalaniem w solarium.

Udowodnionym korzystnym efektem działania promieniowania UVB na skórę jest umożliwienie syntezy witaminy D3, która jest potrzebna z kolei do przyswajania wapnia i fosforu. Witamina D3 przede wszystkim wpływa korzystnie na prawidłowe ukształtowanie się i utrzymanie w dobrej kondycji kości i zębów. Dla zapoczątkowania syntezy witaminy D3 potrzebna jest obecność fal o długości 280 nm, czyli z zakresu UVB. Ważna jest też dawka promieniowania, okazuje się jednak, że dla wytworzenia odpowiedniej ilości witaminy D3 wystarczy dziennie przebywać na słońcu tylko przez 15 minut z odsłoniętą twarzą i dłońmi. Dla wyjaśnienia dodam, że w czasie kąpieli słonecznych i dłuższego przebywania na słońcu nie istnieje niebezpieczeństwo "przedawkowania" witaminy D3, co jest natomiast możliwe przy braniu tabletek z tą witaminą.


Paradoksem jest więc to, że od kiedy pojawiły się preparaty z filtrami anty-UVB wzrosła ilość przypadków raka skóry. Używając kremów ochronnych, ludzie poczuli się pewnie i bezpiecznie. Dzięki filtrom anty-UVB skóra tak szybko nie ulegała poparzeniom, co sprawiło, że ludzie mogli przebywać coraz dłużej na słońcu mając pozorne wrażenie, że są całkowicie chronieni przed niekorzystnym działaniem słońca. Prawda jest jednak taka, że w zasadzie żadne filtry nie są w stanie ochronić skóry w 100 %. Dawne kremy ochronne z filtrami anty-UVB, chroniły przed promieniowaniem UVB w 80 %, zaś przed UVA w 20 %. Obecnie nadal nie udało się odkryć idealnych filtrów ochronnych. Dzisiejsze maksymalne filtry anty-UVB chronią w ok. 97 %, zaś filtry anty-UVA w ok. 80 %. Większa możliwość wystąpienia raka skóry oraz silniejsze działanie promieniowania UV zostało w ostatnim czasie spowodowane przez powiększające się uszkodzenie warstwy ozonowej.

Dziura ozonowa


Nadfioletowe promieniowanie Słońca padało prawie bez przeszkód na powierzchnie Ziemi, a więc również na powierzchnię praoceanów. Natychmiastowe konsekwencje tego były dwojakie. Obficie występujące w atmosferze i zawierające węgiel, azot oraz tlen cząsteczki metanu, dwutlenku węgla i amoniaku, podobnie jak kilka innych jeszcze prostych związków dawno już były obecne w dosyć dużych stężeniach we wszystkich wodach stojących, to znaczy w oceanach i morzach. Częściowo dostały się tam przez to, że wiatr i fale nieustannie mieszały wyższe warstwy wody z zalegającym nad nim powietrzem. Głównie jednak zostały one zapewne wypłukane z atmosfery w czasie tysięcy lat oberwania chmur w poprzedniej epoce Ziemi. Promieniowanie nadfioletowe Słońca mogło docierać aż na kilka metrów w głąb wzbogaconej o owe cząsteczki wody. W warstwie o takiej grubości dało to wymienionym cząsteczkom bodziec do łączenia się w większe kamyki budulcowe. Jednakże ta sama energia, która to zdziałała, w następnej chwili rozkładała znowu wielkie cząsteczki na ich składniki początkowe. Tak został uruchomiony proces krążenia, nie kończące się budowanie i rozpad, który niewątpliwie rozgrywał się u powierzchni wszystkich wód.
Tego rodzaju zamknięty obieg jest właściwie klasycznym przykładem sytuacji bez wyjścia.
Według obecnego stanu wiedzy istnieją dwie przyczyny, dzięki którym w tym szczególnym przypadku rozwój nie stanął w miejscu i wyjść mógł po za stadium. Przede wszystkim krążenie, jak wspominaliśmy, przebiegało tylko w pobliżu powierzchni wody, w warstwie o grubości może dziesięciu, na pewno nie więcej niż piętnastu metrów. Na większych głębokościach promieniowanie nadfioletowe nie mogło już oddziaływać z dostateczną siłą, ponieważ warstwy wody znajdujące się powyżej zaczynają grać role skutecznego filtra! Wobec tego część wielkich cząsteczek powstałych na skutek działania promieni nadfioletowych zawsze mogła się schronić w tych głębszych rejonach wód.
Mówiąc ściślej, nie do uniknięcia było aby część z nich,zanim doszło do rozpadu, nie została przez normalne wirowe ruchy wody przepędzona w głębiny, do których promieniowanie nadfioletowe już nie docierało. Niezależnie, więc od krążeniowego charakteru procesu ich powstawania rozgrywającego się na najwyższym piętrze, owe cząsteczki, tak ważne dla dalszego rozwoju prawdopodobnie wciąż dalej nagromadzały się poniżej warstw wody poddanych działaniu promieniowania nadfioletowego.
Drugi proces natomiast, inicjowany jednocześnie przez owo promieniowanie również na powierzchni wody był przyczyną, że cząsteczki nie były skazane na pozostanie raz na zawsze w owych głębiach.
Energia tych krótkofalowych promieni jest tak wielka, że potrafi rozłożyć nowe cząsteczki wody na ich części składowe. Stąd prawdopodobnie na powierzchni mórz i oceanów pra-Ziemi musiało nastąpić to co naukowcy nazywają mianem fotodysocjacji / rozpad spowodowany działaniem światła/ wody, związek H2O został rozszczepiony na wolny wodór i wolny tlen. Uwolniony wodór, najlżejszy ze wszystkich znanych nam pierwiastków, unosił się bez przeszkód w górne warstwy atmosfery, aż się w końcu gubił w wolnym Wszechświecie. Tlen pozostał. Jest jednak jak wspomniałem, szczególnie skutecznie działającym filtrem promieni nadfioletowych. Dlatego też proces dysocjacji nie przebiegał w sposób ciągły, ani jako część pewnego cyklu, lecz według zasady sprzężenia zwrotnego: ulegał samorzutnemu zahamowaniu, z chwilą gdy atmosfera osiągała określoną zawartość tlenu, zawartość dostateczną do odparcia promieniowania nadfioletowego w takim stopniu, że dalsze wytwarzanie tlenu droga fotodysocjacji ustawało. Samoregulujący się charakter tego procesu doprowadził ponadto do tego, że wynikający z niego udział tlenu w atmosferze prawdopodobnie ustalił się z dużą dokładnością na pewnej określonej wartości. W pewnym momencie produkcja tlenu wygasała. Skoro tylko stężenie tlenu spadało ponownie poniżej tej wartości/np. przez procesy utleniania się na powierzchni co pozbawiało atmosferę tlenu/było to oznaką, że skuteczność nadfioletowego filtru ustaje.
Natychmiast rozpoczynała się w związku z tym fotodysocjacja wody.
Utrzymywała się ona tak długo dopóki ponownie nie zostało osiągnięte dokładnie to samo pierwotne stężenie tlenu. I to jest po krótce efekt ureya /na cześć jego odkrywcy chemika amerykańskiego laureata Nobla -Harolda C Ureya.
Uszkodzona Tarcza: czarne miejsce w środku tego obrazu satelitarnego wskazuje dużą
powierzchnię zbyt cienkiej warstwy ozonu nad Antarktyką.



Pomiary całkowitej zawartości ozonu i promieniowania UV-B
Ultrafioletowe promieniowanie, choć niewidzialne, ma silne działanie fotochemiczne - przy długości fali poniżej 300 nm wywołuje już jonizację i jest zabójcze dla organizmów żywych. Znaczne ilości promieniowania ultrafioletowego emituje Słońce - Ziemię chroni przed nim warstwa ozonowa, pochłaniająca promieniowanie ultrafioletowe o długości fali poniżej 285 nm, a także powietrze, które pochłania całkowicie promieniowanie ultrafioletowe w zakresie ultrafioletu dalekiego.
W Centralnym Obserwatorium Geofizycznym IGF PAN w Belsku od 1963 roku prowadzone są pomiary całkowitej zawartości i rozkładu pionowego ozonu w atmosferze. Całkowita zawartość ozonu jest wielkością, od której w dużym stopniu zależy dopływ do powierzchni Ziemi słonecznego promieniowania nadfioletowego. Jednostką całkowitej zawartości ozonu jest atmocentymetr (atm-cm). Całkowita zawartość ozonu wynosi 1 atm-cm jeśli grubość warstwy ozonu w pionowej kolumnie powietrza w atmosferze po sprowadzeniu go do warunków normalnych ciśnienia i temperatury wynosi 1 cm; tysięczną część atm-cm nazywamy dobsonem [D].
Seria pomiarów całkowitej zawartości ozonu w Belsku jest ceniona nie tylko ze względu na czas trwania (od 1963 roku), lecz także z powodu jej wysokiej jakości. Dane uzyskane w Belsku wykorzystywane są w licznych opracowaniach modelowych i statystycznych dotyczących zmian ozonu w skali globalnej.
Rysunek 1 przedstawia roczny przebieg średnich dziennych całkowitej zawartości ozonu z lat 1963-2002 (linia granatowa) wraz z ich odchyleniem standardowym ±1s (linia granatowa przerywana) oraz przebieg aktualnych wartości średnich dziennych w bieżącym roku. Linia czerwona przedstawia przebieg wieloletnich średnich dziennych wartości całkowitej zawartości ozonu pomniejszonych o 20%. Jeżeli średnia dzienna zawartości ozonu znajduje się poniżej tej linii, wówczas mówimy o wystąpieniu „mini-dziury” ozonowej.



Rysunek 2 przedstawia przebieg Indeksu UV w Belsku. Indeks promieniowania UV jest to maksymalna moc promieniowania UV-B wyrażona w [W/m2], zarejestrowana w danym dniu, pomnożona przez czynnik 40 [m2/W]. Indeks UV jest bezwymiarowym parametrem dającym informację o poziomie mocy promieniowania UV-B w danym dniu. Maksymalną wartość Indeks UV może osiągnąć w obszarach równikowych do 16 jednostek; wartości maksymalne obserwowane aktualnie w Belsku wynoszą 8 jednostek.


7 grudnia 1968 r.; satelita OAO 2 (o masie 1996 kg), okrążając Ziemię po prawie kołowej orbicie w odległości około 770 km od powierzchni, umożliwił wykonanie pierwszej mapy rozkładu źródeł promieniowania nadfioletowego na sferze niebieskiej. Następny i ostatni satelita tej serii, OAO 3 (o masie 2223 kg), nazwany Copernicus, został wyniesiony na orbitę podobną do orbity swego poprzednika 21 sierpnia 1972 r. Wyposażony był w teleskop o średnicy 82 cm, za pomocą którego wykonano wiele obserwacji różnych źródeł promieniowania nadfioletowego.
Najbardziej zasłużonym dla astronomii w nadfiolecie okazał się jednak satelita IUE (International Ultraviolet Explorer), będący wspólnym dziełem Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), USA i Wielkiej Brytanii. Wyniesiony został 26 stycznia 1978 r. na okołoziemską orbitę quasi-stacjonarną. Na pokładzie obiektu o masie 382 kg znajdował się teleskop o średnicy 45 cm, wyposażony w dwa spektrografy, które obejmowały zakres widma 119-192 nm i 189-303 nm. Za pomocą IUE uzyskano widma bardzo wielu gwiazd, kwazarów i komet. Przewidywany początkowo na 3 lata okres funkcjonowania satelity przedłużył się aż do 30 września 1996 r., dostarczając nauce ponad 100 tys. obserwacji astronomicznych, co stawia IUE w rzędzie najbardziej produktywnych spośród orbitalnych obserwatoriów astronomicznych (wyniki obserwacji IUE stanowiły podstawę ponad 3500 opublikowanych prac naukowych).

Rysunki w załączniku