Warto przeczytać

Promieniowanie ultrafioletowe, często określane skrótem UV, to promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fal mniejszych od długości fali światła fioletowego – skrajnej barwy odbieranej przez człowieka. Zakres promieniowania ultrafioletowego obejmuje zakres długości fal od ${10}^{-8}m$ do $3,8·{10}^{-7}m$ (od 10 do 380 nm). Od strony fal dłuższych granica zakresu ultrafioletu jest zdeterminowana fizjologią ludzkiego oka. Natomiast dolna granica jest umowna. Zakres nadfioletu częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego. Długości fal od 10 do 100 nm różne źródła przypisują do ultrafioletu lub do promieni rentgenowskich.

RWUhUHdaUspEq

Rys. 1. Zdjęcie przedstawia różne naczynia: talerze, kieliszki, wazony oświetlone światłem ultrafioletowym. Naczynia wykonane są z tak zwanego szkła uranowego, które po oświetleniu światłem UV świeci zielonym światłem.

Jak wszystkie fale elektromagnetyczne, promieniowanie ultrafioletowe rozchodzi się w próżni z prędkością światła $c=3·{10}^8\frac{m}{s}$. Falę elektromagnetyczną charakteryzuje:

• częstotliwość $\nu$, czyli liczba pełnych zmian pola magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach (Hz),

• długość fali $\lambda$, czyli odległość między sąsiednimi punktami, w których pole elektryczne i magnetyczne mają taką samą fazę.

Wielkości te są ze sobą związane: im większa jest częstotliwość, tym mniejsza długość fali:

Promieniowanie elektromagnetyczne ma podwójną naturę: falową i korpuskularną. Oznacza to, że można je opisać również jako zbiór cząstek - fotonów - poruszających się z prędkością światła $c$. Energia fotonu jest wprost proporcjonalna do częstotliwości fali i wynosi:

Korpuskularna natura promieniowania elektromagnetycznego przejawia się tym wyraźniej, im mniejsza jest długość fali promieniowania, a większa częstotliwość. Częstotliwość, a więc i energia promieniowania ultrafioletowego, jest tak duża, że nie można pominąć jego korpuskularnej natury. Przejawia się ona między innymi w zjawisku jonizacji, w którym foton wybija elektron z atomu lub cząsteczki. Właśnie w zakresie ultrafioletu przebiega granica między promieniowaniem jonizującym i niejonizującym.

Promieniowanie ultrafioletowe o długości fali poniżej 300 nm wywołuje jonizację. Promieniowanie jonizujące jest szkodliwe dla organizmów żywych. Może doprowadzić do uszkodzenia łańcuchów DNA, w wyniku czego dochodzi do mutacji i rozwoju nowotworów.

Promieniowanie ultrafioletowe ma silne działanie fotochemiczne, czyli może inicjować reakcje chemiczne, takie jak synteza, utlenianie, redukcja lub rozpad.

Najważniejszym źródłem promieniowania ultrafioletowego na Ziemi jest Słońce. Jednak do powierzchni Ziemi nie dociera całe promieniowanie emitowane ze Słońca. Znaczna jego część jest pochłaniana przez atmosferę, w szczególności przez warstwę ozonową. Do Ziemi dociera najmniej energetyczna część promieniowania ultrafioletowego.

Warstwa ozonowa to część stratosferyStratosferastratosfery, w której występuje zwiększona koncentracja ozonu OIndeks dolny 3₃. Zwiększona to nie znaczy duża – jest to zaledwie kilka cząsteczek OIndeks dolny 3₃ na milion cząsteczek powietrza. Ozon ten jest jednak niezwykle ważny dla życia na Ziemi, bo absorbuje najbardziej szkodliwe promieniowanie ultrafioletowe ze Słońca. Jak to się dzieje?

R1b64wXttVWQi

Rys. 2. Zdjęcie przedstawia morski krajobraz. Nisko nad horyzontem, nad linią morza, na ciemnym niebie widać wschodzące słońce, którego światło odbija się w wodzie, tworząc na powierzchni morza świetlistą smugę.

Tworzenie cząsteczek ozonu w stratosferze.

Cząsteczki ozonu powstają w stratosferze dzięki temu, że fotony promieniowania ultrafioletowego o długości fali mniejszej niż 240 nm w akcie fotolizyFotolizafotolizy rozbijają dwuatomowe cząsteczki tlenu OIndeks dolny 2₂:

Foton, który spowodował fotolizę, oddał całą swoją energię, a więc został zaabsorbowany. Pojedyncze atomy tlenu szybko łączą się z cząsteczkami OIndeks dolny 2₂, tworząc cząsteczki ozonu OIndeks dolny 3₃:

Cykl ozonowo – tlenowy.

Cząsteczki ozonu również są rozbijane przez fotony promieniowania ultrafioletowego, ale do tej reakcji wystarcza nieco mniejsza energia fotonu, odpowiadająca długościom fal 240 – 310 nm:

Atom tlenu natychmiast tworzy cząsteczkę ozonu z inną molekułą tlenu:

gdzie $E_{k}$ to energia wydzielająca się podczas reakcji jako energia kinetyczna cząsteczki ozonu, co powoduje wzrost temperatury otoczenia.

Cykl składający się z aktu rozbijania cząsteczki ozonu przez foton UV i ponownej kreacji molekuły OIndeks dolny 3₃ powtarza się, zapewniając niemal stały udział ozonu w tej warstwie stratosfery. Energia promieniowania ultrafioletowego zamienia się na energię cieplną powietrza w stratosferze.

Zanikanie ozonu.

Zdarza się, że wolny atom tlenu napotka cząsteczkę ozonu lub inny atom tlenu. Wtedy w wyniku reakcji powstają cząsteczki dwuatomowego tlenu:

Jednak te reakcje są rzadkie z powodu małej koncentracji ozonu w powietrzu. Przed erą przemysłową ilość ozonu w stratosferze prawie nie zmieniała się. Rozwój cywilizacji spowodował, że do atmosfery dostały się związki uwalniające atomy chloru Cl, które są katalizatorami reakcji prowadzących do zaniku molekuł ozonu. Każdy atom chloru katalizuje dziesiątki tysięcy takich reakcji, zanim opuści stratosferę. Z tego powodu nad Antarktydą powstała dziura ozonowa, przez którą na Ziemię zaczęło przedostawać się szkodliwe promieniowanie ultrafioletowe.

Zakres promieniowania ultrafioletowego dzielimy na podzakresy ze względu na skutki działania promieniowania na organizmy żywe:

• Promieniowanie UV‑C o długości fal 100 – 280 nm – jest w całości pochłaniane przez warstwę ozonową atmosfery. Promieniowanie to ma charakter silnie bakteriobójczy. Lampy UV‑C, emitujące promieniowanie ultrafioletowe, stosuje się do dezynfekcji pomieszczeń i urządzeń. Usuwają wirusy, bakterie i grzyby, ale podczas ich używania trzeba uważać, aby nie narazić ludzi na promieniowanie UV‑C, które powoduje oparzenia skóry i uszkodzenia wzroku.

• Promieniowanie UV‑B o długości fal 280–320 nm – stanowi 5% promieni ultrafioletowych docierających do powierzchni Ziemi. Nie przenika przez szkło okienne, ale przechodzi przez szkło kwarcowe. Jego natężenie zależy od pory roku i dnia – jest najsilniejsze latem pomiędzy godziną 10 a 15, zwłaszcza w bezchmurny dzień. Natężenie promieniowania UV‑B zwiększa się wraz z wysokością nad poziomem morza. Niewielka dawka tego promieniowania powoduje opaleniznę, ale zbyt duża może być przyczyną poparzenia słonecznego i wywołać zmiany nowotworowe. Promieniowanie to ma też korzystny wpływ na zdrowie człowieka – już niewielka dawka powoduje wytwarzanie cennej witaminy D3 w skórze.

• Promieniowanie UV‑A o długości fal 320–400 nm – stanowi 95% promieniowania UV docierającego do powierzchni Ziemi. Przenika przez szkło okienne. Dociera w skórze najgłębiej, w okolice naczyń krwionośnych. Jest najmniej szkodliwe w porównaniu z promieniowaniem z pozostałych zakresów, ale długotrwała ekspozycja przyspiesza procesy starzenia się skóry i może być przyczyną zaćmy, czyli zmętnienia soczewki oka.

Słowniczek