Спектър на слънчевата светлина

Какво е слънчева радиация?

Слънчевата радиация е лъчиста (електромагнитна) енергия от слънцето. Тя осигурява светлина и топлина за Земята, необходима е за метаболизма на живите същества и дава енергия на растенията за фотосинтеза.

Слънчевият спектър включва три основни ленти от лъчи с определена дължина на вълната: ултравиолетови лъчи, видима светлина и инфрачервени лъчи (фиг. 1). Дяловете на тези лъчи (на морското равнище) са както следва:

• инфрачервеното лъчение съставлява 49,4% от слънчевия спектър;
• видимата светлина - 42,3%;
• ултравиолетовите лъчи са  над 8% от общото слънчево лъчение.

Слънчевата радиация, която не се абсорбира или отразява от атмосферата (например от облаците), достига повърхността на Земята. Земята поглъща по-голямата част от енергията, достигаща нейната повърхност, малка част се отразява. Общо приблизително 70% от входящата радиация се абсорбира от атмосферата и повърхността на Земята, докато около 30% се отразява обратно в космоса и не загрява повърхността.

От какви лъчи се състои ултравиолетовото лъчение?

Ултравиолетовото лъчение е разделени на различни ивици (фиг. 2):

• Ултравиолетови С лъчи (UVC) с дължина на вълната между 200 nm и 280 nm;
• Ултравиолетови B лъчи (UVB) с дължина на вълната между 280 nm и 320 nm;
• Ултравиолетови А лъчи (UVА) с дължина на вълната между 320 nm и 400 nm. UVA лъчите допълнително да се подразделят на UV-A I или дълговълнови А лъчи (340-400 nm) и UV-A II късовълнови А лъчи (320-340 nm);

UVC практически не достигат до земната повърхност, тъй като се поглъща от озоновия слой на атмосферата. Количеството UV лъчи, които попадат върху човешката кожа и съотношението на UVB и UVA лъчите зависи от редица фактори, напр. географска ширина, сезон, част от деня, облачност и дебелина на озоновия слой.

Кои са основните фактори, които определят колко UV лъчи ще атакуват кожата ни?

Идентифицирани са няколко основни фактора, от които зависи какво количество UV ще попадне върху земната повърхност:

Слънчева кота: това къде в небето е слънцето определя колко лъчи ще достигнат до нас. Колкото по-дълъг е пътят на лъчите през атмосферата, толкова повече лъчи се абсорбират и съответно по-малко достигат до земната повърхност. Най-дълъг е пътят на лъчите когато слънцето е на хоризонта,  а когатото е точно над нас, пътят е най-кратък, което означава, че по-малко UV лъчи се абсорбират и до нас достига максималното количество от тях.

Озонов слой: озонът е газ, който естествено присъства в атмосферата. Голямото количество озон в стратосферата често се нарича „озонов слой“. Той се намира основно в два слоя от атмосферата на височина от 20 - 40 км. Неговата най-важна функция е да предпазва всички живи организми от ултравиолетовата радиация на слънцето. Озонразрушаващите вещества - хлорофлуоровъглеводороди (известни също като фреони) и халони, използвани в хладилници, спрейове и пожарогасители са намалили количеството озон в стратосферата.

Когато фреоните достигнат горните слоеве на атмосферата, те са изложени на UV лъчите, което ги кара да се разпадат и да образуват хлорен газ. Хлорът реагира с кислородните атоми в озона и разкъсва озоновата молекула.

Над 50% от озона в антарктическата стратосфера е изчерпан, което води до образуването на т.нар. „озонова дупка“. По-високи нива на UV лъчи през зимата в Австралия са наблюдавани през 90-те години в сравнение със 70-те години, което води до прогнози, че честотата на свързания с UV лъчи рак на кожата ще се увеличи поради изчерпаните нива на озона.

Протоколът от Монреал за веществата, които разрушават озоновия слой е подписан през 1987 г. Това е международно споразумение за опазване на околната среда за защита на озоновия слой чрез намаляване на производството и употребата на фреони. От самото му стартиране атмосферните нива на фреоните са значително намалени и се очаква стратосферният озон да се възстанови напълно до 2050 година.

Облаци: облаците в известна степен намаляват количеството UV лъчи, което достига до земната повърхност, но е погрешно да се предполага, че щом времето е облачно, нашата кожа е извън риск. UV лъчите преминават в достатъчно степен през облаците, освен това разсейването им под различен ъгъл на практика може да увеличи нивата на UV лъчите над очакваните стойности.

Отразяване от земната повърхност: мислим си, че заплахата за нашата кожа идва от небето, но има повърхности, които могат да отразяват UV лъчите в толкова значима степен, че да увеличат количеството лъчи, с които трябва да се справи кожата. Албедо е отразяващата способност на някаква повърхност. Това е отношението на потока радиация, отразен от дадена повърхност към потока на падащата радиация. Наблюденията показват, че албедото на различните повърхности се изменя в сравнително тесни граници от 10 до 30%, но изключение правят водата и снегът. Албедото на снега е  средно 60%, а при пресен сняг може да достигне и 90%. Албедото на водна повърхност силно зависи от ъгъла на падане на слънчевите лъчи, но средно е 15%.

Надморска височина: Количеството UV лъчи се увеличава на по-голяма надморска височина, тъй като атмосферата има по-малък шанс да абсорбира лъчението. Установено е, че UV се увеличава с до 4% на всеки 300 метра увеличение на надморската височина.

Аерозоли и замърсители: Малките частици във въздуха, могат да разпръснат слънчевите лъчи и могат да окажат влияние върху нивата на UV лъчите, достигащи земната повърхност.

Директно и разсеяно ултравиолетово лъчение: UV лъчението има способността да се разсейва, което означава, че дори ако стоим под сянка, но можем да видим големи области на небето, разсеяното UV все още може да достигне до нас. Това обяснява защо сянката, въпреки че е важна част от слънцезащитата, не осигурява адекватна защита сама по себе си.

С участието на толкова много фактори е трудно да се измери „на око“ дали в даден ден нивото на ултравиолетовите лъчи е опасно. Отговаряйки на тази необходимост учените са дефинирали прост параметър, който да се използва като индикатор за възможностите и границите на полезно използване на UV радиацията. Той е наречен Слънчев Ултравиолетов Индекс. Това е просто едно число (от 1 до 12) показващо в относителни единици максималното количество слънчева ултравиолетова радиация, достигаща до земната повърхност в съответния ден и час, на съответното място.

Какво трябва да знаем за UV лъчите?

Най-високо енергийни са UVC лъчите, но те в нормални условия не достигат до кожата, тъй като се поемат от озоновия слой на атмосферата. Прониквателната способност е в обратно пропорционална връзка с дължината на вълната (най-дълговълновите лъчи – UVA – имат по-голяма дълбочина на проникване в кожата. Ранната пигментация се дължи основно на UVA лъчи, а UVB лъчите определят в по-голяма степен изгарянето на кожата (фиг. 1).

Фигура 1. Сравнение на лъчите от ултравиолетовия спектър.

Важни характеристики на UVA лъчите:

• имат по-голяма дължина на вълната, но по-ниски енергийни нива в сравнение с другите UV лъчи;
• по-проникващи са от UVB лъчите, което означава, че могат да повлияят на клетките по-дълбоко в кожата;
• причиняват косвено увреждане на ДНК (чрез образуване на свободни радикали);
• карат кожата да старее преждевременно, което води до видими бръчки, свързани са с някои видове рак на кожата;
• UVB лъчите почти не се абсорбират от озоновия слой, около 95% от UV лъчите, които достигат до земята, са UVA лъчи;
• предизвикват незабавен тен, а понякога и слънчево изгаряне;
• UVA лъчите са основният тип светлина, използвана в солариумите;
• могат да проникнат през прозорци и облаци.

Важни характеристики на UVB лъчите:

• те имат по-къси дължини на вълната и по-високи енергийни нива;
• увреждат най-външните слоеве на кожата;
• директно увреждат ДНК;
• причиняват повечето видове рак на кожата, но те също могат да допринесат за преждевременното стареене на кожата;
• абсорбират се частично от озоновия слой, около 5% от UV лъчите, които достигат до земята, са UVB лъчи.
• прекомерното излагане на UVB лъчи води до слънчеви изгаряния, обикновено ефектите от тях се забавят или се появяват няколко часа след излагане на слънце;
• повечето солариуми използват комбинация от UVA и UVB лъчи. Специалните солариуми само за UVB могат да се рекламират като безопасни, но въпреки това причиняват увреждане на кожата. Нито един солариум не е безопасен за употреба или препоръчителен;
• UVB не проникват през прозорците и е по-вероятно да бъдат филтрирани от облаци.

Важни характеристики на UVC лъчите:

• Ултравиолетовите С (UVC) лъчи имат най-късите дължини на вълните и най-високите енергийни нива от трите вида UV лъчи. В резултат на това те могат да причинят сериозни щети на всички форми на живот;
• За щастие UVC радиацията се филтрира напълно от озоновия слой. В резултат на това тези лъчи от слънцето никога не достигат до земята;
• Изкуствените източници на UVC включват заваръчни горелки, специални крушки за унищожаване на бактерии и живачни лампи;
• Въпреки, че не се считат за риск от рак на кожата, UVC лъчите могат да причинят сериозни увреждания на човешките очи и кожата, включително тежки изгаряния и язви по кожата.

Какво е влиянието на прекомерното излагане на ултравиолетови лъчи върху кожата?

Прекомерните дози ултравиолетово лъчение причиняват фотохимично увреждане на тъканите: UV фотоните разрушават структурите на ДНК директно или индиректно от образуването на свободни радикали. Кожата може да претърпи ранни промени като еритема (зачервяване) до образуване на мехури и оток, както и късни тежки последици – кожен рак и фотостареене.

През 2006 г. Научният комитет по потребителските продукти на Европейския съюз представи становище относно биологичните ефекти на ултравиолетовото лъчение в солариуми и заяви, че използването на солариум за постигане и поддържане на тен, независимо чрез UVB и/или UVA лъчи, вероятно ще увеличи риска от злокачествен меланом на кожата и очен меланом. Във връзка с това становището е, че солариумите не трябва да се използват от лица на възраст под 18 години. През 2009 г. Международната агенция за изследване на рака (International Agency for Research on Cancer,ARC) направи преглед на всички доказателствата, свързани с канцерогенните ефекти на ултравиолетовото лъчение от солариуми и класифицира използването на излъчващи ултравиолетови лъчи за целите на придобиване и поддържане на тен като канцерогенни за хората.

Разбира се наред с неблагоприятните ефекти ултравиолетовите лъчи има и полезно действие – участват в образуването на витамин D (стероиден хормон), който е от съществено значение за човешкото здраве. Той има водещо значение за растежа на костите и поддържане на тяхната здравина. Участва и в процесите на ограничаване на възпалителните процеси, както и в защитата спрямо ултравиолетови лъчи. Връзката между дефицита на витамин D и различни болести, вкл. рак, е тема на многобройни публикации в научната литература. Провитамин D се образува в кожата от превръщането на 7-дехидрохолестерол под влиянието на светлина от UVB диапазона. По-нататъшно превръщане във физиологично активни 25-хидрокси  и 25-дихидрокси производни се случва в черния дроб и бъбреците. Проучвания в Лил, Франция са показали, че през юни, за светла кожа са достатъчни 20-30 минути излагане на лицето и ръцете на слънчева светлина, за да се образува достатъчно количество витамин D. Добър показател за нивото на витамин D в човешкото тяло е наличието на 25-хидроксивитамин D в кръвта - нива под 10 ng/ml са показват дефицит на витамин D. Друг източник на витамин D може да бъде хранителният прием: рибата и рибеното масло съдържат достатъчно количество, в по-малка степен витамин D присъства в говеждия черен дроб, сиренето и яйчният жълтък.

Производството на витамин D, индуцирано от UV, е ограничено. След достигане на плато няма по-нататъшно увеличаване, напротив високите UV дози могат да доведат до разграждане на витамин D и да намалят нивото му.