Воздействие ультрафиолетового излучения на организм человека

Санкт-Петербургский Государственный  Политехнический Университет

 

Факультет медицинской физики и биоинженерии

Кафедра физико-химических основ медицины

 

 

 

Реферат по дисциплине «Основы взаимодействия физических полей с биообъектами» на тему:

«Воздействие ультрафиолетового излучения на организм человека»

 

 

 

Выполнила:

студентка 5 курса

группы № 5181 / 10

Кузнецова Е.П.

 

Преподаватель:

Самойлов В.О.

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2013

 

Содержание:

1. Введение……………………………………………………………………….3
2. Характеристика ультрафиолетового излучения………………………….4
3. Ультрафиолетовое излучение Солнца……………………………………..5
4. Воздействие ультрафиолетового излучения на человека………………7
5. Вывод………………………………………………………………………….15
6. Литература…………………………………………………………………..16

 

Введение

Известно, что облучение человека ультрафиолетовым (УФ) излучением активирует иммунную систему, способствует синтезу витамина D, имеет бактерицидное действие и применяется для лечения некоторых видов дерматита. При этом чрезмерное воздействие излучения УФ диапазона способно нанести вред здоровью человека. Так, при длительном облучении возникает ожог кожи, фотоаллергия, повреждается ДНК клеток кожи, что служит причиной развитию злокачественных новообразований.

Физиологический эффект УФ излучения меняется в зависимости от длин волн его спектра. Лучи, представляющие наибольшую опасность для человека, задерживаются атмосферой земли, от более мягкого излучения кожа может защитить себя сама (при непродолжительном воздействии).

Помимо физиологического, УФ излучение обладает так же и косметическим эффектом. Несмотря на то, что научно доказано пагубное влияние избытка УФ излучения, люди продолжают облучать себя в стремлении получить золотистый загар. При этом использование солнцезащитных кремов для снижения дозы облучения оказывает неоднозначное действие.

 

 

 

Характеристика ультрафиолетового излучения

Ультрафиолетовое (УФ) излучение — электромагнитное излучение, длины волн которого лежат в диапазоне 10 — 380 нм, а частота – в диапазоне 7,9·1014 — 3·1016 Гц.

Диапазон ультрафиолетового излучения может быть по-разному поделен на подгруппы. Стандарт ISO по определению солнечного излучения (ISO-DIS-21348) предлагает следующее разделение:

Наименование	Аббревиатура	Длина волны в нанометрах	Количество энергии на фотон
Ближний	NUV	400 нм — 300 нм	3.10 — 4.13 эВ
Средний	MUV	300 нм — 200 нм	4.13 — 6.20 эВ
Дальний	FUV	200 нм — 122 нм	6.20 — 10.2 эВ
Экстремальный	EUV, XUV	121 нм — 10 нм	10.2 — 124 эВ

 

 

Для дальнего и экстремального диапазона часто используется термин «вакуумный» (VUV), так как волны этого диапазона сильно поглощаются атмосферой Земли.

Наименование	Аббревиатура	Длина волны в нанометрах	Количество энергии на фотон
Ультрафиолет А, длинноволновый диапазон	UVA	400 нм — 315 нм	3.10 — 3.94 эВ
Ультрафиолет B, средневолновый диапазон	UVB	315 нм — 280 нм	3.94 — 4.43 эВ
Ультрафиолет С, коротковолновый диапазон	UVC	280 нм — 100 нм	4.43 — 12.4 эВ

Граница между УФ-В и УФ-С выбрана из тех соображений, что свет с длиной волны менее 280 нм не достигает поверхности Земли, поскольку земная атмосфера, благодаря кислороду и озону, выполняет роль эффективного природного светофильтра. Граница между УФ-В и УФ-А основана на том, что излучение короче 315 нм вызывает гораздо более сильную эритему (покраснение кожи), чем свет в диапазоне 315-400 нм.

Граница между УФ-В и УФ-С выбрана из тех соображений, что свет с длиной волны менее 280 нм не достигает поверхности Земли, поскольку земная атмосфера, благодаря кислороду и озону, выполняет роль эффективного природного светофильтра. Граница между УФ-В и УФ-А основана на том, что излучение короче 315 нм вызывает гораздо более сильную эритему (покраснение кожи), чем свет в диапазоне 315-400 нм.

Ультрафиолетовое излучение Солнца

Основной источник ультрафиолетового излучения на Земле — Солнце. Соотношение интенсивности излучения УФ-А, УФ-Б и УФ-С, общее количество ультрафиолетовых лучей, достигающих поверхности Земли, зависит от следующих факторов:

• от высоты Солнца над горизонтом;

• от высоты над уровнем моря;

• от атмосферного рассеивания (в том числе от толщины озонового слоя);

• от состояния облачного покрова;

На каждые 100 м вверх от поверхности Земли интенсивность ультрафиолетового излучения возрастает на 3...4%. На долю рассеянного ультрафиолета в летний полдень приходится 45...70% излучения, а достигающего земной поверхности – 30...55%. В пасмурные дни, когда диск Солнца закрыт тучами, поверхности Земли достигает главным образом рассеянная радиация. Поэтому можно хорошо загореть не только под прямыми лучами солнца, но и в тени, и в пасмурные дни. Когда Солнце стоит в зените, в экваториальной области поверхности земли достигают лучи длиной 290...280 нм. В средних широтах коротковолновая граница, в летние месяцы, составляет примерно 297 нм. В период эффективного освещения верхняя граница спектра составляет порядка 300 нм. За полярным кругом земной поверхности достигают лучи с длиной волны 350...380 нм.

В настоящее время общепринято мнение, что все живое на Земле от губительного воздействия жесткого, биологически опасного ультрафиолетового излучения Солнца защищает озоновый слой. Поэтому немалую тревогу во всем мире вызвало сообщение о том, что в этом слое обнаружены "дыры" - области, где толщина озонового слоя существенно уменьшена. После ряда исследований был сделан вывод, что разрушению озона способствуют фреоны - фторхлорпроизводные предельных углеводородов (CnH2n+2), имеющие химические формулы типа CFCl3, CHFCl2, C3H2F4Cl2 и другие. Фреоны к тому времени уже находили широчайшее применение: они служили рабочим веществом в домашних и промышленных холодильниках, ими в качестве пропеллента (выталкивающего газа) заряжались аэрозольные баллончики с парфюмерией и бытовой химией, их использовали для проявки некоторых технических фотоматериалов. И поскольку утечки фреонов при этом колоссальны, в 1985 году была принята Венская конвенция по защите озонового слоя, а 1 января 1989 года составлен Международный (Монреальский) протокол о запрещении производства фреонов.

Ультрафиолетовое излучение Солнца лежит в диапазоне длин волн от 10 до 400 нм. Чем короче длина волны, тем больше энергии несет излучение. Энергия излучения расходуется на возбуждение, диссоциацию и ионизацию молекул газов атмосферы. Расходуя энергию, излучение ослабевает, или, иначе, поглощается. Это явление количественно характеризуют коэффициентом поглощения. С уменьшением длины волны коэффициент поглощения увеличивается - излучение воздействует на вещество сильнее.

Принято подразделять УФ излучение на два диапазона - ближний УФ (длина волны 200-400 нм) и дальний, или вакуумный (10-200 нм). Вакуумный УФ поглощается в высоких слоях атмосферы и создаёт ионосферу.

На своем пути излучение продолжает изменять спектральный состав за счет поглощения коротких волн. На высоте 34 километра излучений с длиной волн короче 280 нм не обнаружено. Наиболее же биологически опасным считается излучение с длинами волн от 255 до 266 нм. Из этого следует, что губительный УФ поглощается, не достигнув озонового слоя, то есть высот 20-25 километров. А до поверхности Земли доходит излучение с минимальной длиной волны 293 нм, опасности не  
представляющее. Таким образом, озоновый слой не принимает участия в поглощении биологически опасного излучения.

Существует гипотеза о том, что все живое на Земле от биологически опасного ультрафиолета защищает не озон, а кислород атмосферы. Именно кислород, поглощая это коротковолновое излучение, преобразуется в озон.

Согласно данной гипотезе, при поглощении энергии коротковолнового УФ излучения часть молекул ионизуется, теряя электрон и приобретая положительный заряд, а часть диссоциирует на два нейтральных атома. Свободный электрон, образовавшийся при ионизации, соединяется с одним из атомов, образуя отрицательный ион кислорода. Разноименно заряженные ионы соединяются, образуя нейтральную молекулу озона. Одновременно атомы и молекулы, поглощая энергию, переходят на верхний энергетический уровень, в возбужденное состояние. Для молекулы кислорода величина энергии возбуждения равна 5,1 эВ. В возбужденном состоянии молекулы находятся около 10-8 секунды, после чего, испуская квант излучения, распадаются (диссоциируют) на атомы.

В процессе ионизации кислород имеет преимущество: он требует для этого наименьшей энергии среди всех составляющих атмосферу газов - 12,5 эВ (у водяного пара - 13,2; углекислого газа - 14,5; водорода - 15,4; азота - 15,8 эВ).

Таким образом, при поглощении УФ в атмосфере образуется смесь, в которой преобладают свободные электроны, нейтральные атомы кислорода, положительные ионы молекул кислорода, при их взимодействии образуется озон.

Взаимодействие УФ излучения с кислородом происходит по всей высоте атмосферы - есть сведения, что в мезосфере, на высоте от 50 до 80 километров, уже наблюдается процесс образования озона, который продолжается в стратосфере (от 15 до 50 км) и в тропосфере (до 15 км). Вместе с тем верхние слои атмосферы, в частности мезосфера, подвержены такому сильному воздействию коротковолнового УФ, что ионизуются и распадаются молекулы всех составляющих атмосферу газов. Не может не разлагаться и только что образовавшийся там озон, тем более, что для этого требуется почти такая же энергия, как и для молекул кислорода. И тем не менее разрушается он не полностью - часть озона, который в 1,62 раза тяжелей воздуха, опускается в нижние слои атмосферы до высоты 20-25 километров, где плотность атмосферы (примерно 100 г/м3) позволяет ему находиться как бы в равновесном состоянии. Там молекулы озона создают слой повышенной концентрации. При нормальном атмосферном давлении толщина озонового слоя составляла бы 3-4 миллиметра.

Таким образом, от жесткого УФ излучения все живое на Земле защищает кислород атмосферы, озон же оказывается всего лишь побочным продуктом этого процесса.

 

Воздействие ультрафиолетового излучения

на человека

Основная часть УФ излучения проникает в глубину не более чем на 1 мм, поэтому непосредственное его действие проявляется на коже. Короткие УФ лучи поглощаются, прежде всего, белками клеточных ядер, а длинные - плазматическими белками.

В процессе эволюции организм человека выработал механизмы защиты от ультрафиолета. Первый барьер, который преграждает потенциально опасному излучению доступ в организм, - кожа. Чувствительность к свету во многом определяется способностью организма производить меланин, темный пигмент, который поглощает свет в эпидермисе и тем самым защищает более глубокие слои кожи от фотоповреждений. Меланин вырабатывают особые клетки кожи - меланоциты. Ультрафиолетовое облучение стимулирует выработку меланина. Наиболее интенсивно этот биологический процесс протекает при облучении светом УФ-В диапазона. Эффект от такого воздействия проявляется спустя 2-3 дня после пребывания на солнце и сохраняется в течение 2-3 недель. При этом ускоряется деление меланоцитов, возрастает число меланосом (гранул, содержащих меланин), увеличивается их размер. Свет УФ-А диапазона тоже способен вызывать загар, но более слабый и менее стойкий, поскольку число меланосом не увеличивается, а происходит лишь фотохимическое окисление предшественника меланина в меланин.

По восприимчивости к солнечным лучам выделяют шесть типов кожи. Кожа типа I очень светлая, она легко обгорает и совсем не покрывается загаром. Кожа типа II легко обгорает и покрывается слабым загаром. Кожа типа III быстро покрывается загаром и обгорает в меньшей степени. Кожа типа IV еще более устойчива к солнечным лучам. Кожа типов V и VI темная от природы (например, у коренных жителей Австралии и Африки) и почти не подвержена повреждающему действию солнца. У представителей негроидной расы риск развития немеланомного рака кожи ниже в 100 раз, а меланомы - в 10 раз по сравнению с европейцами.

При достаточно интенсивном и длительном воздействии наступает асептическое воспаление – эритема. В основе этого процесса лежит гибель клеток эпидермиса с последующей денатурацией белков, которые далее расщепляются протеолитическими ферментами с образованием биологически активных веществ - гистамина, серотонина, ацетилхолина и других. Жиры окисляются с образованием различных продуктов окисления, прежде всего перекисей липидов. Спектр эритемного действия УФ излучения имеет максимум при длине волны 297 нм и глубокий спад около 280 нм, а при дальнейшем уменьшении длины волны эффективность УФ излучения снова возрастает.