Úvod o ultrafialovom žiarení

Autor: Petrík Dátum: 23.2.2016 Zobrazenia: 998 x
Pre tento článok je k dispozícii aj mapa, ktorá uľahčuje orientáciu v súvisiacich a nadväzujúcich článkoch.
zobraziť mapu

O elektromagnetickom žiarení sa už na Janurkách čo-to popísalo. V tomto článku sa zameriam na časť spektra s názvom ultrafialové. Hlavným podnetom sú naše skúsenosti s používaním prírodných olejov namiesto opaľovacích krémov. Pre plnohodnotné pochopenie problematiky treba však najprv vysvetliť, čo to ten strašiak - UV žiarenie [wiki] - vlastne je.

Ešte malá vsuvka o frekvencii a vlnovej dĺžke. Frekvencia elektro-magnetického žiarenia udáva počet kmitov za sekundu (jednotka je jeden Hertz [Hz]), vlnová dĺžka udáva vzdialenosť dvoch po sebe idúcich maxím vlny (jednotka je jeden meter, prípadne jeho násobky či zlomky [...km,m,cm,mm...]). Platí nepriama úmera - čím vyššia frekvencia, tým menšia vlnová dĺžka a naopak.

Vzťah medzi frekvenciou a vlnovou dĺžkou

Horúce telesá vyžarujú široké spektrum elektromagnetického žiarenia (tzv. vyžarovanie čierneho telesa [wiki]). Medzi také telesá patrí aj naše Slnko. Neustále bombarduje svoje okolie okrem iného aj UV žiarením, pričom vo voľnom priestore vo vzdialenosti Zeme je jeho výkon približne 140 W/m2. Na povrchu Zeme je však táto hodnota výrazne nižšia. Prečo? Veľká časť UV žiarenia je absorbovaná ozónovou vrstvou a atmosférou samotnou.

Ako UV (Ultra Violet - ultrafialové) označujeme elektromagnetické žiarenie s vlnovými dĺžkami medzi 10 a 400 nanometrov. To zodpovedá frekvenciám od 30 Phz po 750 THz - na tej najnižšej frekvencii kmitá 750 000 000 000 000-krát za sekundu a pre porovnanie - vlas má hrúbku okolo 60 mikrometrov, čo je 150-krát viac ako 400 nanometrov. Žiarenia pod 10 nanometrov už spadajú do spektra röntgenového. Tie okolo 400 už sú vo viditeľnom pásme - a to je práve fialová farba. Odtiaľ názov ultra-fialové, čiže za fialovou. Niektoré druhy vtákov či hmyzu vidia ešte aj okolo 300 nm, u ľudí je hranica asi 380 nm - je to individuálne, ešte nemusíme vedieť rozoznať presnú farbu, ale vnem jasu je prítomný. Práve toto využívajú napríklad tzv. optické zjasňovače v pracích práškoch. Sú to zlúčeniny, ktoré odrážajú UV žiarenie a zachytávajú sa na vláknach tkanín. Takéto oblečenie potom do našich očí odráža širšie spektrum žiarení a javí sa ako čistejšie či so sýtejšou farbou. Veď to poznáte - biela, belšia, ... Prípadne ste možno videli podobný efekt v divadle - javisko je čierne, herci sú celí v čiernom a napr. len rukavice majú biele. Celé sa to potom osvetlí UV lampou a zrazu to vyzerá, že sú tam len tie ruky, ktoré úplne žiaria s fialovým nádychom.

UV reflexné farby po osvetlení UV lampou
Aj takýto efekt sa dá dosiahnuť pomocou UV žiarenia a náterov, ktoré ho odrážajú
Foto: John Poppleton

UV spektrum je na základe vlastností rozdelené do 4 skupín, UV-A (320 – 400 nm), UV-B (290 – 320 nm), UV-C (100 – 290 nm) a EUV (10 - 100 nm). V okolí Zeme mimo atmosféry sú všetky zložky hojne zastúpené. Na zemskom povrchu však pociťujeme účinky len UV-A a v menšej miere UV-B. Prečo? EUV je úplne absorbované atmosférickým dusíkom. UV-C je odtienené kombináciou dvojmolekulového kyslíka (O2) a ozónu (O3) už vo výške okolo 35 km. UV-B je vo veľkej miere filtrované ozónovou vrstvou a UV-A je tlmené a rozptyľované atmosférou podobne ako viditeľné svetlo. Ozónová vrstva sa nachádza v atmosfére vo výške zhruba medzi 20 - 40 km. Koncentrácie ozónu sú tu vyššie ako pri zemskom povrchu, stále sa však môžu zdať nízke - 2 až 8 ppm (častíc na milión). Na milión častíc iných plynov pripadá len 2 až 8 molekúl ozónu. Napriek tomu je táto koncentrácia dostatočná na výrazné pohltenie UV-B žiarenia.

Mechanizmus útlmu UV-B je popísaný nasledovnými rovnicami:
2 O2 + UV → O + O3
O3 + UV → O + O2

UV-B žiarenie má dostatočnú energiu a keď trafí molekulu kyslíka, môže ju rozbiť na dva voľné atómy kyslíka. Tieto potom môžu zreagovať s inými molekulami kyslíka za vzniku molekúl ozónu. Keď je zasiahnutý ozón, môže sa rozpadnúť na molekulu kyslíka a voľný atóm kyslíka. Ten zase môže vytvoriť novú molekulu ozónu alebo s existujúcou vytvoriť dve molekuly kyslíka. Tento cyklus sa neustále opakuje, vytvárajú sa nové molekuly ozónu a následne zanikajú. Energia UV-B žiarenia sa týmto spôsobom odovzdáva atmosfére v podobe tepla. Čím je vlnová dĺžka väčšia, tým menší útlm nastáva v ozónovej vrstve - energia žiarenia klesá s rastúcou vlnovou dĺžkou, a preto je rozbitie väzieb čoraz menej pravdepodobné. Na zemský povrch sa preto dostáva malá časť UV-B, ale UV-A už nie je ozónovou vrstvou filtrované.

Na celkové množstvo UV žiarenia, ktoré sa dostane k zemskému povrchu, teda vplýva hrúbka ozónovej vrstvy na konkrétnom mieste. Táto hrúbka sa mení v závislosti od zemepisnej šírky či ročného obdobia, ale aj vplyvmi ľudskej činnosti. Okrem nej však na UV koncentráciu pôsobí veľké množstvo ďalších faktorov - oblačnosť, výskyt aerosolových častíc v ovzduší a hlavne uhol, pod ktorým lúče dopadajú. Čím je menší, tým väčšiu dráhu lúče musia prekonať a viac sa utlmia. Preto je najväčšia expozícia UV žiarením na poludnie a najmenšia večer či ráno. Rovnako to platí aj s narastajúcou vzdialenosťou od rovníka.

Porovnanie vzdialeností prechodu žiarenia atmosférou

Toto je inak aj dôvod, prečo je cez deň obloha modrá a pri východe či západe slnka červená. Fialová a modrá farba majú vlnové dĺžky okolo 400 - 450 nm, žltá okolo 580 nm a červená viac ako 700 nm. Kratšie vlnové dĺžky sú atmosférou rozptyľované oveľa viac (lebo sú bližšie rozmerom častíc). Na poludnie prechádzajú lúče krátku dráhu atmosférou a modré svetlo je rozptyľované oveľa viac ako červené - tá modrá farba, ktorú vidíme, je teda rozptýlené modré svetlo zo slnka, pričom červená ide priamejšie k našim očiam. Večer sa však dráha predlžuje a modré svetlo je oveľa viac utlmené a červené sa viac rozptyľuje. Taktiež sa modré svetlo na rozhraní atmosféry láme viac nadol ako červené, takže akoby "zapadlo skôr".

Rozptyl viditeľného svetla v atmosfére

Pri UV žiarení netreba zabúdať ani na nadmorskú výšku. Tu je princíp jednoduchý - čím sme vyššie, tým menej atmosféry máme nad sebou a tým menej energie UV žiarenia sa v nej stihne rozptýliť. Takisto záleží aj na odrazivosti okolitého prostredia - od svetlých a lesklých predmetov sa žiarenie odráža a určite časť z neho aj do miesta, v ktorom intenzitu meriame.

Takže - teraz už vieme, ako sa ultrafialové žiarenie dostane na Zem. V nasledovnom článku sa pozrieme na jeho účinky na živé organizmy a spôsoby ochrany pred týmito účinkami.

Ďalšia čitba k tejto tématike (všetko v angličtine):
www.ncbi.nlm.nih.gov
en.wikipedia.org
www.ucar.edu
www.dnva.no
Môj názor na uvádzanie zdrojov
Pre tento článok je k dispozícii aj mapa, ktorá uľahčuje orientáciu v súvisiacich a nadväzujúcich článkoch.
zobraziť mapu
Komentáre:
Informovať ma o nových komentároch
© 2018 by Janurky - Peter Janura, Katarína Janurová