Краткое изложение теоретического материала Состав солнечной радиации. Ультрафиолетовая часть солнечного спектра.

Солнце является источником энергии, тепла и света на нашей планете. Солнечной радиации обязана своим существованием вся органическая жизнь на Земле.

С физической точки зрения солнечная энергия представляет собой электромагнитное и корпускулярное излучение. Электромагнитное излучение охватывает диапазон длин волн от самых коротких, гамма- и рентгеновских, с длиной волны до 10 нм, ультрафиолетовые (от 10 до 400 нм), видимую часть спектра (от 400 до 760 нм), инфракрасное излучение (от 760 до 100000 нм) и наиболее длинный диапазон радиочастот. Энергетический максимум солнечного излучения приходится на видимую часть спектра. Корпускулярная составляющая солнечной радиации состоит главным образом из электронов, протонов, α-частиц и др.

Электромагнитный состав солнечной радиации

(за R.F. Donnelly, O.R.White, 1980)

	Длина волны  в нанометрах
Диапазон радиочастот	> 100 000
Дальний инфракрасный участок	100 000 – 10 000
Инфракрасный участок	10 000 – 760
Видимый или оптический участок	760 – 400
Ультрафиолетовый участок	400 – 120
Крайний ультрафиолетовый участок	120-10
Мягкое рентгеновское излучение	10-0,1
Жесткое рентгеновское излучение	< 0,1

Энергия Солнца на границе атмосферы, падающая на 1 см² поверхности, перпендикулярной направлению лучей, в течение 1 минуты и выраженную в калориях, называют солнечной постоянной (в среднем равняется 1,98 кал. см²/мин).

Вследствие поглощения, отражения и рассеяния лучистой энергии она подвергается как количественным, так и качественным изменениям при прохождении через воздушную оболочку Земли. В результате достигает поверхности Земли не более 43 % первоначальной мощности солнечной радиации. Количество отраженной от Земли лучистой энергии, которая выражается в процентах от падающей на нее энергии, называется альбедо. Максимально отражает лучистую энергию выпавший снег, водная поверхность, песок, а минимальной отражающей способностью обладают влажная почва, чернозем. Основной составной частью радиационного баланса является прямая солнечная радиация, интенсивность которой возрастает в течение года с севера на юг.

Баланс солнечной энергии формируется таким образом: годовое количество солнечной энергии на границе атмосферы принимают за 100 %. От Земли отражается и возвращается в космическое пространство 42 % энергии, причем 38 % отражается атмосферой и только 4 % - поверхностью Земли. Остальные 58 % поглощаются атмосферой (14 %) и почвой (44 %). Нагретая поверхность Земли возвращает назад всю поглощенную энергию. При этом излучение энергии земной поверхностью составляет 20 %, на согревание воздуха и испарение влаги уходит 24 %.

Количество солнечной радиации в отдельных районах Земли зависит от угла падения солнечных лучей. Чем больше высота Солнца над горизонтом, тем больше количество солнечной энергии, падающей на единицу площади. Когда Солнце находится у линии горизонта, солнечные лучи проходят в атмосфере путь, почти в 35 раз длиннее, чем в том случае, когда Солнце находится в зените.

Годовой режим инсоляции изменяется в зависимости от широты местности и высоты над уровнем моря. С подъемом на первые 3000 м радиация увеличивается на 10 % на каждый километр высоты.

Максимум солнечной радиации на протяжении суток наблюдается в 12 часов дня, когда Солнце максимально приближается к зениту. Максимальное напряжение солнечной радиации в южных широтах наблюдается в марте-апреле, а в северных – в апреле-мае. Другой, наименее выраженный, максимум наблюдается в августе-сентябре. Минимальное полуденное значение характерно для декабря. Снижение наблюдается также в июле-августе. Такое распределение радиации обусловлено высотой Солнца и степенью прозрачности атмосферы.

Таким образом, в течение года наибольшие значения прямой солнечной радиации наблюдаются не летом, когда солнце достигает в полдень наибольших высот, а весной, что объясняется уменьшением прозрачности воздуха в летнее время за счет большой запыленности атмосферы и повышенной влажности. При безоблачном небе максимум радиации приходится на короткие УФ-лучи, при пасмурном небе максимум радиации смещается в более длинноволновую область спектра. При облачной погоде интенсивность УФ-радиации у поверхности Земли может снижаться на 80 %, за счет запыленности атмосферного воздуха эта потеря составляет от 11 до 50 %. В весьма широком диапазоне колеблется спектральный состав лучистой энергии.

Наибольшее значение у поверхности Земли имеет оптическая часть солнечного спектра, включающая инфракрасные лучи с длиной волны 2800 – 760 нм, видимые (760 – 400 нм) и ультрафиолетовые (400 – 290 нм). При этом, если на границе атмосферы ультрафиолетовая часть солнечного спектра составляет 5 %, видимая – 52 % и инфракрасная – 43 %, то у земной поверхности соответственно 1, 40 и 59 %. Поскольку солнечная радиация является одним из видов электромагнитных излучений, ее биологическое действие зависит от энергии кванта, глубины проникновения в ткани тела, интенсивности облучения (количества энергии на единицу площади в единицу времени), его режима, определяющего, в частности, дозу облучения, площади облучения, условий, при которых происходит облучение, и состояния организма.

Таблица 1.

Спектральный состав и биологическое действие солнечной радиации

Вид излучения	Длина волны, нм	Энер-гия кванта, эВ	Прони-цаемость кожи, мм	Первичное действие	Биологический эффект	Примеча-ние
Инфракрас-ное	4000 –760	0,01– 1,6	1 – 25	глубокое тепловое	увеличение обмена веществ в коже, усиление действия УФ-излучения
Видимое	760 – 400	1,6 – 3,2	- 2	глубокое тепловое, слабое фотохимии-ческое	ощущение света, тонизирующее действие
Ультрафио-летовое:	400 – 290	3,2 -6,0	Доли мм			Диапазон УФИ, дости-гающий поверх-ности земли
область А (длинные)	400 – 315			фотохими-ческое	пигментообразующее (загарное), слабое общестимули-рующее
область В (средние)	315 – 280			фотохими-ческое	сильное общестимули-рующее, загарное, синтез холекальци-ферола (витаминооб-разующее), слабое бактерицидное,	Биологи-чески наиболее ценное
область С (короткие)	280 - 180			фотохимическое	сильное бактерицидное	Короче 290 нм задержи-ваются слоем озона на высоте 20-30 км

Наибольшим биологическим действием обладает ультрафиолетовая часть спектра солнечной радиации, наиболее коротковолновые ( менее 290 нм) лучи которой (губительные для всего живого) поглощаются слоем кислорода и озона в верхних слоях земной атмосферы и не доходят до поверхности Земли. Однако загрязнение атмосферы промышленными выбросами, особенно фреоном, способствует разрушению озонового слоя атмосферы, возникновению так называемых «озоновых дыр», через которые проникают эти, губительные для всего живого, наиболее коротковолновые УФ-лучи .

Рис. 2.1. Спектральный состав и основные свойства ультрафиолетового излучения (УФИ)

УФ-лучи занимают промежуточное положение между тепловой и проникающей радиацией и поэтому объединяют в себе их черты. УФ-радиацию подразделяют на длинноволновую часть – 315 – 400 нм (область А); средневолновую – 280 – 315 нм ( область В) и коротковолновую, с длиной волны короче 280 нм (область С) – в искусственных источниках УФИ.

Биологическое действие ультрафиолетовой радиации.

Ультрафиолетовая часть солнечного спектра оказывает как биогенное, так и абиогенное действие на живые организмы. Биогенное действие включает общестимулирующее, витаминообразующее и пигментообразующее.

1. Общестимулирующее (эритемное) действие УФР свойственно диапазону 250 – 320 нм, с максимумом при 250 и 297 нм (двойной пик) и минимумом при 280 нм. Это действие проявляется в фотолизе белков кожи (УФ-лучи проникают в кожу на глубину 3-4 мм), сопровождающемся образованием продуктов фотолиза – гистамина, холина, аденозина, пиримидиновых соединений и др., которые, попадая в кровяное русло, стимулируют обмен веществ в организме, ретикулоэндотелиальную систему, костный мозг, влияют на систему кроветворения, активность дыхательных ферментов, функции печени, центральную нервную систему и пр. Общестимулирующее действие УФР усиливается за счет эритемного эффекта, особенно если одновременно действует интенсивное инфракрасное излучение.

2. D-витаминообразующее (антирахитическое) действие – свойственно диапазону 315 – 280 нм (область В) с максимумом в диапазоне 280-297 нм. Под действием УФР из эргостерина (7,8-дегидрохолестерина) в кожном сале (в сальных железах) вследствие расщепления бензольного кольца образуется витамин D₂ (эргохолекальциферол), витамин D₃ –(холекальциферол), а из провитамина 2,2-дегидроэргостерина – витамин D_4.

3. Пигментообразующее (загарное) действие характерно для диапазонов областей А и В с длиной волны 280 – 340 нм с двумя максимумами при 320-330 и 240–260 нм. Оно обусловлено превращением аминокислот тирозина, диоксифенилаланина, продуктов распада адреналина, под влиянием УФР и фермента тирозиназы в черный пигмент меланин. Меланин защищает кожу и весь организм от избыточного действия УФ, видимой и инфракрасной радиации.

Абиогенное действие УФР включает:

1. Бактерицидное действие, свойственное областям С и В, охватывает диапазон длин волн от 300 до 180 нм с максимумом при длине волны 254 нм. Под влиянием ультрафиолетовых лучей сначала возникает раздражение бактерий с активизацией их жизнедеятельности, сменяющееся с увеличением дозы УФО бактериостатическим эффектом, а затем фотодеструкцией, денатурацией белков и, в конечном итоге, гибелью микроорганизмов.

2. Фотоофтальмологическое действие УФР (воспаление слизистой оболочки глаз) проявляется высоко в горах (снежная болезнь у альпинистов) и как профессиональная вредность у электросварщиков, физиотерапевтов, работающих с искусственными источниками УФ-излучения без соблюдения правил техники безопасности.

3. Канцерогенное действие УФР проявляется интенсивной инсоляции в условиях жаркого тропического климата и на производствах с высокими уровнями и длительным действием технических источников УФР (электросварка и пр).

Ультрафиолетовые лучи обладают широким спектром биологического действия на организм человека, при этом возникают функциональные изменения, в основном, положительно сказывающиеся на общем состоянии здоровья и физической и умственной работоспособности. Так, под влиянием УФ-лучей отмечается усиление деятельности надпочечников, щитовидной и других эндокринных желез, интенсифицируется трофика, ускоряется регенерация тканей, повышается обмен веществ (белковый, жировой, углеводный, минеральный), причем за счет активизации соответствующих ферментных систем наблюдается эффект распада излишних жировых отложений. Изменяется тканевое дыхание кожного эпителия, усиливается деятельность ретикуло-эндотелиальной и кроветворной систем. УФ-излучение вызывает изменения в иммунобиологическом состоянии организма, способствует усилению реакции фагоцитоза, что приводит к повышению защитных сил организма, повышению иммунитета. В эксперименте доказано, что под влиянием УФ-облучения медленнее, по сравнению с необлученными животными, развиваются моделируемые заболевания (гипертония, атеросклероз, рак, нефрит и др.).

Под влиянием УФ-лучей улучшаются процессы заживления ран, когда большое значение приобретают агенты, разрушающие клеточную субстанцию, что связано с выработкой гистаминоподобных веществ, которые изменяют активную реакцию тканей в кислую сторону и этим повышают проницаемость капиллярной стенки и клеточных мембран. Гистамин играет роль защитного механизма. Таким образом, бактерицидное действие УФ-лучей на раны, их способность ускорять выделение гноя, стимулировать кератопластические функции организма и успокаивать боль способствуют также ускорению заживления ран.

Механизм биологического действия УФ-лучей на организм сложен и до настоящего времени полностью не изучен. Многочисленные теории объясняют общебиологическое действие УФ радиации с различных позиций: усиленной выработки гистаминоподобных веществ, активизации сульфгидрильных групп белковых молекул, стимулированием гипофизарно-адреналовой системы и пр.

Как уже отмечалось выше, биологическое действие любого электромагнитного излучения зависит от энергии кванта, глубины проникновения в ткани тела, интенсивности облучения (количества энергии на единицу площади в единицу времени), его режима (определяющего, в частности, дозу облучения), площади облучения, условий, при которых происходит облучение, и состояния организма.

Схематично процесс воздействия на организм можно представить в виде последовательных стадий. Первая стадия – это первичное, чисто физическое, энергетическое, взаимодействие между квантами электромагнитного излучения и молекулами облучаемых тканей, в результате чего в зависимости от энергии кванта наблюдается тепловой эффект, возбуждение или ионизация атомов и молекул. После этого в облученном участке протекает следующая стадия в виде цепочки биохимических реакций и сопровождающих их физиологических процессов (например, расширение капилляров). Далее, вследствие нейро-рефлекторных и гуморальных связей развивается генерализованная реакция целостного организма (третья стадия), в которой определяющую роль играет нейро-эндокринная регуляция. Этими особенностями объясняется то, что ультрафиолетовое излучение Солнца, проникающее на доли миллиметра в кожу, способно вызвать и выраженный местный воспалительный процесс (эритему) и общую реакцию организма.

Таким образом, биофизическую схему физиологического действия УФ-радиации можно изобразить так: поглощение квантов – первичное энергетическое взаимодействие – цепь биохимических реакций – физиологические акты в облученной ткани – физиологическая реакция целостного организма.

Ультрафиолетовое излучение, особенно области В, обладает сильным фотохимическим действием. Энергия квантов этого излучения достаточна для того, чтобы возбуждать входящие в состав молекул белков и нуклеиновых соединений остатки аминокислот (тирозин, триптофан, фенилаланин и др.), пиримидиновых и пуриновых оснований (тимин, цитозин и др.). В результате происходит распад белковых молекул (фотолиз белков) с образованием ряда физиологически активных соединений (гистаминоподобные, холин, ацетилхолин и др.), активизирующих гипофизарно-адреналовую систему, обменные и трофические процессы.

Экспериментально доказаны различия кожной эритемной реакции, возникающей при действии коротковолновых и длинноволновых УФ-лучей. Так, УФ-лучи области А вызывают повышение температуры кожи и усиление кровоснабжения облученных участков кожи за счет расширения сосудов, а действие коротковолновой УФ-радиации приводит к снижению температуры кожи и ее покраснению. Загарный эффект для отдельных областей УФ-спектра также имеет свои отличия. Так, при длине волны 300 нм относительная единица составляет 1,7, а при длине волны 370 нм – 0,17 , т.е. в 10 раз меньше. В основе этой реакции лежит рефлекторный акт, в котором непосредственное участие принимает ЦНС. Эритема имеет, как правило, резкие границы и развивается только в месте действия УФ-радиации. Характерной чертой является проявление эритемы после латентного периода, при этом эритема переходит в загар. На месте эритемы набухают клетки эпидермиса, появляется инфильтрат, впоследствии возникает ороговение, толщина эпителия увеличивается и процесс завершается пигментацией облученного участка кожи, т.е. загаром.

Пигмент меланин, придающий коже эффект загара, локализован в клетках базального слоя эпидермиса и образуется в результате действия окислительного фермента из бесцветных пропигментов – меланогенов. Процесс образования пигмента изменяет оптические свойства кожи и это приводит к увеличению поглощения ею солнечных лучей. Чувствительность кожи весной повышается по сравнению с осенним периодом. Оптические свойства кожи могут резко изменяться в зависимости от степени влажности кожи. Смуглая кожа быстрее привыкает к УФ-лучам и менее чувствительна к ним по сравнению с не пигментированной. Возникающие под влиянием УФ-лучей фотохимические реакции способствуют синтезу витаминов D (кальциферолов), в частности холекальциферола (витамин D₃) в поверхностных слоях кожи из находящегося в кожном сале провитамина 7,8-дегидрохолестерина. Это определяет антирахитический эффект УФО.

Абиогенное действие УФ-радиации связано с фототоксическим, фотоаллергенным и канцерогенным эффектами, проявляющимися у людей, и бактерицидным действием на микроорганизмы.

Общеизвестно бактерицидное действие УФ-лучей, широко используемое на практике, в частности для санации и дезинфекции разных объектов окружающей среды – воздуха, воды, пищевых продуктов, хирургических инструментов и т.д.

Ультрафиолетовая радиация обеззараживает воду от брюшнотифозной, кишечной и синегнойной палочек, холерного вибриона и др. микроорганизмов. Эта особенность радиации играет важную роль в самоочищении рек и морей. Механизм этого действия состоит в том, что в теле бактерий происходят фотохимические процессы, которые вызывают коллоидно-химические изменения белковых молекул, что приводят к гибели бактерий. Вегетативные формы микробов и вирусы погибают под прямыми солнечными лучами в течение 10-15 минут, споровые формы – 40-60 минут. Наиболее сильным бактерицидным действием обладает ультрафиолетовое излучение области С, которую генерируют бактерицидные и ртутно-кварцевые лампы. Кроме этого, коротковолновые УФ-лучи изменяют газовый состав атмосферы, являются ионизаторами воздуха, а в окружающих предметах вызывают фотоэлектрический эффект. УФ-лучи поглощаются кислородом, азотом и водородом. Это приводит к фотодиссоциации молекул кислорода. Освобождающийся атомарный кислород, соединяясь с молекулой кислорода, образует озон – О₃. Озон также обладает способностью поглощать УФ-лучи.

Таким образом, ультрафиолетовая радиация оказывает не только общебиологическое влияние, но и обладает специфическим действием, свойственным определенному диапазону длин волн. Волны в диапазоне от 400 до 320 нм оказывают общестимулирующее, эритемно-загарное действие, от 320 до 280 нм – антирахитическое и слабобактерицидное, коротковолновая УФ-радиация в диапазоне волн от 280 до 180 нм оказывает повреждающее действие на биологическую ткань. На земной поверхности биологические объекты не подвергаются губительному действию самой коротковолновой УФ-радиации, поскольку волны длиной менее 290 нм рассеиваются и поглощаются в верхних слоях атмосферы. Из всего спектра УФ-радиации у земной поверхности наибольший удельный вес имеет УФ-радиация, оказывающая эритемное действие.

Учитывая высокую биологическую активность УФО, становится очевидным, что для организма человека как недостаток, так и избыток УФ-радиации приводит к неблагоприятным последствиям.