Воздействие ультрафиолетовой радиации солнца на живые организмы

Зачем нам нужен ультрафиолетовый свет? Он же оказывает бактерицидное действие! этот факт воспринимается большинством архитекторов и гигиенистов как догма, а попытки оспорить или хотя бы уточнить его - как непростительная ересь... Между тем, явные проявления - лишь незначительная часть более сложных процессов.



Ещё в XVII веке, выполняя опыт с разложением солнечного луча в трёхгранной призме на монохроматические полосы, Исаак Ньютон допускал существование в нём иных лучей, отличных от семи основных, различимых глазом. Но подобрать физический опыт, который способен доказать это, оказалось непросто.

Изобретение Христианом Гюйгенсом и Робертом Гуком жидкостного термометра позволило доказать наличие в солнечном спектре тепловых («под-красных») лучей. Термометр, помещённый в тёмную зону со стороны красного луча, нагревается значительно быстрее, чем в любом из участков видимого спектра. Доказать существование «за-фиолетовых» лучей было сложнее.

Хлорид серебра (капризное соединение) тяжело получается, но легко разлагается под действием света, образуя тёмный осадок - ценное свойство, давно известное и применяемое для получения примитивных фотографий в камерах-обскурах. В 1801 году немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер, помещая пластинки с хлоридом серебра в монохроматические полосы спектра, обнаружил, что наиболее интенсивное потемнение происходит не в одном из видимых лучей, а в тёмной области со стороны фиолетового луча. Выявленные лучи назвали «восстановительными», «химическими», сразу оценив их большое значение для физики и природы. С другими их свойствами человечеству ещё предстояло познакомиться.

В 1882 году среди рабочих Путиловского завода в Санкт-Петербурге были диагностированы случаи потери зрения - фотофталмии, отличные от известного ранее ожога роговицы инфракрасными лучами, характерного для металлургов и стеклодувов, вызываемые разложением зрительного пурпура в колбочках сетчатки глаза под воздействием ультрафиолетовых лучей от сварочных дуг. Подобную природу имеет и снеговая слепота, известная альпинистам только источник ультрафиолетовых лучей здесь - солнце.


Рис. 1. (2) Относительная эффективность эритемного действия лучей с различной длиной волны.

Другое действие ультрафиолетовой радиации солнца знакомо всем с детства, это - загар. Под воздействием проникающих в кожу лучей зёрна диоксифенилалани-на преобразуются в меланин - тёмный пигмент, защищающий организм от дальнейшего проникновения лучей. Лучи с меньшей длиной волны проникают на меньшую глубину - образование меланина происходит интенсивнее и ближе к поверхности. Такой загар темнее, но менее стойкий - верхние слои кожи постепенно ороговевают и счищаются. Наибольшую эритемную эффективность имеет излучение с длиной волны 295 нм (Рис. 1).

Загорание часто сопровождается образованием эритемы (покраснения кожи), при избыточном воздействии: сгорании вплоть до болезненной чувствительности и образования волдырей. Под воздействием ультрафиолетовых лучей содержащийся в коже гистидин преобразуется в гистамин, который в малых дозах действует на организм благоприятно: укрепляет иммунитет, оказывает тонизирующее действие до тех пор, пока кровообращение в тканях позволяет распространять его по организму, предотвращая накапливание, но в больших количествах вызывает аллергическую реакцию. Из равных доз ультрафиолетовой радиации эффективнее та, которая поступает за меньший промежуток времени, пока гистамин не успел распространиться и усвоиться организмом. Более высокая температура воздуха или одновременное воздействие инфракрасных лучей интенсифицируют кровообращение в коже и уменьшают риск возникновения эритемы. Таким образом, «сгореть» на солнце намного проще при низкой температуре воздуха или, загорая высоко в горах.


Рис. 2. (7) Зависимость доли убитых бактерий от продолжительности облучения.

Наиболее уязвима к эритемному действию ультрафиолетовой радиации кожа спины человека (грудь, конечности и лицо менее восприимчивы). Также взрослые люди от 20 до 50 лет имеют больше шансов получить эритему, чем дети или пожилые. По оценкам гигиенистов полезной является одинарная эри-темная доза на площади кожи около 500 смІ, которую можно получить за 5 минут пребывания на открытом воздухе.

Важным является также для человека антирахитное действие солнечной радиации - синтез витамина D.

Большие исследования в области влияния ультрафиолетовых лучей на организм человека выполнил в начале XX века датский физиолог Нильс Финзен, основавший в 1904 году в Копенгагене институт лучевой терапии.


Рис. 3. (6) Бактерицидная эффективность лучей с различной длиной волны.

Наиболее важное, с точки зрения архитектурной гигиенистики, бактерицидное воздействие ультрафиолетовых лучей солнца. Бактерии, как и прочие одноклеточные, не имеют эпителиального покрова, защищающего организм от радиации и прочих факторов внешней среды. Белки их клеток подвержены непосредственному действию ультрафиолетовых лучей, имеющих большую химическую силу. Под действием лучей солнца или других искусственных источников ультрафиолетовой радиации, белок в телах бактерий денатурируется, коагулируется и выпадает в виде хлопьев. Возможна другая форма бактерицидного действия лучей, при которой изменяется химический состав питательной среды, повышается её кислотность. Различные штаммы имеют разную восприимчивость к радиации. В общем она возрастает в таком порядке: дифтерийные бактерии -> бактерии кори -> стафилококки -> кишечная палочка -> бациллы холеры -> бациллы тифа. Грибки и плесени также восприимчивы к ультрафиолетовой радиации, хотя и в меньшей степени. Некоторые бактерии способны к образованию спор. Споры бактерий сохраняют жизнеспособность в значительно менее благоприятных условиях: жар, облучение, химическое воздействие, - при которых сами бактерии гибнут. При возвращении к благоприятным условиям споры развиваются в бактерии. Для борьбы с такими штаммами требуется многократное регулярное облучение. Также бактерии на влажных поверхностях проявляют большую стойкость к облучению.

Ультрафиолетовое облучение в больших дозах губительное для бактерий, в малых количествах (суббактерицидных дозах), лишь способствует их росту до 30-40%, содействуя их естественному отбору. Для эффективной борьбы желательно обеспечивать поверхности минимальной бактерицидной дозой ультрафиолетовой радиации (гибель 90% бактерий) или даже полной бактерицидной дозой, которая больше минимальной в 3-5 раз (Рис. 2).

Лучи с различной длиной волны имеют разную эффективность. Наибольшую эффективность имеют лучи с длиной волны около 255 нм (Рис. 3), не достигающие поверхности Земли. Нижняя зарегистрированная на Земле граница длины волны солнечной радиации - 293 нм. Видимая часть спектра также имеет некоторый бактерицидный эффект, меньший максимального на 4-5 порядков. За единицу бактерицидной дозы радиации принят 1 бакт., равный облучению потоком монохроматической радиации с длиной волны 255 нм, мощностью 1Вт в течение 1 минуты. Достаточной дозой для стерилизации сухой поверхности считается 50 мбакт/смІ.


Рис. 4. (1, 3, 5) Спектр прямой и рассеянной солнечной радиации в эффективной

Исходя из этих величин, и приняты действующие в нашей стране последние полвека нормативы: 3 часа непрерывной инсоляции комнаты, остеклённой в два [умеренно загрязнённых] стекла, гарантируют гибель всех бактерий кишечной палочки на плёнке из мясного агар-агара в чашке Петри на подоконнике. В связи с усложнением градостроительных задач, в последние годы отмечается «демократизация» санитарно-эпидемиологических требований к инсоляции помещений.




Рис. 5. Бактерицидная интенсивность прямой и рассеянной солнечной радиации на открытой местности.


Рис 6. Спектральная прозрачность различных типов стеклопакетов (по базе данных Glad 2004/3).

Российские санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.1/2.1.1.1076-01

«Гигиенические требования к инсоляции и солнцезащите помещений жилых и общественных зданий и территорий» предписывают обеспечивать помещения южной зоны (южнее 48° с.ш.) не менее 1,5 часа в день с 22 февраля по 22 октября, центральной зоны (58° с.ш.-48° с.ш.) - не менее 2 часов в день с 22 марта по 22 сентября и северной зоны (севернее 58° с.ш.) - не менее 2,5 часов в день с 22 апреля по 22 августа.

В целом оценка инсоляции помещений исключительно по её продолжительности является чересчур упрощённым методом. Такие методы были хороши в эпоху расчётов при помощи таблиц, номограмм и логарифмических линеек. Сейчас же, при всё более возрастающем уровне автоматизации расчётов, возможным становится применение дозиметрических методов оценки инсоляции в помещениях как более точных и адекватных поставленным задачам. Зная время инсоляции помещения, площадь и спектральный состав потока солнечной радиации и спектральные характеристики остекления, можно рассчитать бактерицидный эффект в помещении и сопоставить его с требуемым (пропорциональным площади помещения квартиры или суммарной площади поверхностей).

Рассеянная солнечная радиация (свет неба), присутствующая также в неинсолируемых помещениях, тоже обладает бактерицидным эффектом (Рис. 4) вследствие рассеяния лучей с короткой длиной волны в атмосфере, причём в ультрафиолетовой части спектра на горизонтальную поверхность поступает почти равное количество прямой и рассеянной радиации.

Далее предлагается пример расчёта бактерицидного эффекта прямой и рассеянной солнечной радиации в летний полдень в средней полосе в помещениях, остекленных четырьмя различными типами стеклопакетов (Рис. 6). В видимой области спектра они имеют почти идентичные кривые прозрачности, кроме солнцезащитного стеклопа-кета с пониженным пропусканием. В области ультрафиолета их пропускание существенно разнится, причём триплекс практически непрозрачен для ультрафиолетовых лучей.

Как видно из рисунка 5, на открытой местности наибольшей бактерицидной интенсивностью обладают лучи с длиной волны 300330 нм, на этот отрезок приходится 40% интенсивности прямой радиации и 51% - для рассеянной, при том, что на этот отрезок приходится всего лишь 0,43% энергии прямой радиации и 2,8% рассеянной. Всего на ультрафиолетовое излучение приходится 74% эффекта прямой и 89% рассеянной. Тем не менее, вследствие высокой интенсивности радиации в видимом участке на видимый свет тоже приходится ощутимая доля эффекта. Внутри помещений эта доля только возрастает. По результатам расчётов (Рис. 7, 8), доля видимого света в бактерицидном эффекте прямой / рассеянной солнечной радиации составляет при остеклении флоат-стеклом - 67 / 45%, теплозащитном остеклении - 78 / 60%, солнцезащитном - 86 / 75% и триплексом - 99 / 98%. Следовательно, для неинсолируемых помещений свойства стекла имеют большее значение.


Рис. 7. Бактерицидная интенсивность прямой солнечной радиации в помещениях, остеклённых различными типами стеклопакетов.


Если принять бактерицидную интенсивность солнечной радиации на открытой местности в летний полдень на солнце за 1000, то в тени она составит 429. А внутри инсолируемых / неинсолируемых помещений, остеклённых флоат-стеклом - 256 / 83, теплозащитным стеклопакетом - 205 / 61, солнцезащитным стеклопакетом - 163 / 45, триплексом - 147 / 35. Следовательно, для дезинфекции помещений, остеклённых триплексом, необходимо увеличивать нормативную продолжительность инсоляции (или площадь остекления) в 1,75 раза.


Рис. 8. Бактерицидная интенсивность рассеянной солнечной радиации в помещениях, остеклённых различными типами стеклопакетов.

Конечно, такой расчёт является всего лишь упрощённым примером. Для получения достоверных данных необходимо учитывать изменения спектра солнца и неба в течение дня, суточную сумму рассеянной солнечной радиации, угол падения солнечных лучей на плоскость остекления, отражённую радиацию, внутренние свойства помещения, понижение эффективности для долговременного облучения и другие факторы.


Литература:

1. Белинский В.А. Ультрафиолетовая радиация солнца и неба. - М: МГУ, 1968. - 228с.
2. Галанин Н.Ф. Лучистая энергия и её гигиеническое значение. - Л: Медгиз, 1952. - 204с.
3. Кондратьев К.Я. Лучистая энергия солнца. / Под ред. проф. П.Н.Тверского. -Л.: ГИМИС, 1954. - 600 с.
4. Лазарев Д.Н. Ультрафиолетовая радиация и её использованием -М.:Энергоиздат, 1952.
5. Маркус Т.А., Моррис Э.Н. Здания, климат и энергия. - Л.:Гидрометеоиздат, 1996. - 543 с.
6. Мейер А. Зейтц Э. Ультрафиолетовое излучение. Его получение, измерение и применение в медицине, биологии и технике. - М: Наука, 1952 - 575с.
7. Суханов И.О. Лучистая энергия солнца и архитектура. Ташкент: ФАН, - 1973. - 224с.
8. Штейнберг А.Я. Расчёт инсоляции зданий. - К.:Будівельник, 1975. - 119с.м