Ультрафиолетовое излучение

Ультрафиолетовое излучение (УФ-излучение, ультрафиолет, UV) — это электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым светом и рентгеновским излучением. Длина волны УФ-излучения составляет от 10 до 400 нм, что короче, чем у фиолетового света, но длиннее, чем у рентгеновских лучей. Ультрафиолетовое излучение невидимо для человеческого глаза, однако обладает высокой фотохимической и биологической активностью. В зависимости от длины волны и источника УФ-излучение может оказывать как полезное (например, синтез витамина D), так и вредное (повреждение ДНК, рак кожи) воздействие на живые организмы.

Физическая природа и классификация

Ультрафиолетовое излучение является частью электромагнитного спектра и подчиняется общим законам распространения волн. Его основными свойствами являются способность к ионизации атомов и молекул (для коротковолнового диапазона), а также сильное поглощение атмосферой Земли.

Поддиапазоны

УФ-излучение традиционно делится на три основных поддиапазона, различающихся по длине волны и биологическому действию:

Диапазон	Длина волны (нм)	Основные характеристики
УФ-А (ближний ультрафиолет)	315–400	Наименее энергичный, проникает через атмосферу и кожу на значительную глубину. Вызывает фотостарение кожи и участвует в синтезе витамина D.
УФ-В (средний ультрафиолет)	280–315	Частично поглощается озоновым слоем. Вызывает покраснение кожи (эритему), ожоги, повреждение ДНК и почти полностью ответственен за развитие рака кожи.
УФ-С (дальний ультрафиолет)	10–280	Наиболее энергичный, смертельно опасен для живых клеток. Полностью поглощается атмосферой Земли (кислородом и озоном), до поверхности не доходит. Используется в бактерицидных лампах.

Иногда выделяют также вакуумный ультрафиолет (длины волн короче 200 нм), который сильно поглощается воздухом и распространяется только в вакууме.

История открытия и изучения

Ультрафиолетовое излучение было открыто экспериментально в 1801 году немецким физиком Иоганном Вильгельмом Риттером. Он обнаружил, что хлорид серебра разлагается быстрее в области спектра за фиолетовой границей видимого света, то есть там, куда человеческий глаз не чувствителен. Термин «ультрафиолет» (буквально «за фиолетовым») вошёл в употребление позже, в середине XIX века.

В 1852 году английский физик Джордж Габриель Стокс сформулировал правило флуоресценции, согласно которому длина волны испускаемого света всегда больше длины волны поглощаемого излучения — явление, основанное на УФ-возбуждении. Важные исследования проводились в XX веке: в 1970-х годах было окончательно доказано, что УФ-излучение является одним из главных факторов риска меланомы кожи. Снижение толщины озонового слоя в 1980-х годах стимулировало изучение воздействия УФ-В на экосистемы.

Источники ультрафиолетового излучения

Естественные источники

Основным естественным источником УФ-излучения является Солнце. Однако благодаря озоновому слою стратосферы до поверхности Земли доходит лишь около 5% УФ-В и почти весь УФ-А. Количество достигающего поверхности излучения зависит от:

Высоты Солнца над горизонтом (полдень, широта, сезон).
Толщины и целостности озонового слоя (над Антарктидой — «озоновая дыра»).
Облачности и загрязнения атмосферы.
Высоты над уровнем моря (с высотой плотность атмосферы снижается, УФ больше).

Искусственные источники

Ртутные кварцевые лампы (бактерицидные) — испускают интенсивное УФ-С (254 нм) для стерилизации воздуха, воды и поверхностей.
Ксеноновые дуговые лампы — имитируют солнечный спектр, используются в научных исследованиях и кинопроекции.
Галогенные лампы накаливания — испускают небольшое количество УФ-А.
Сварочные дуги — мощный источник УФ-В и УФ-С; без защиты вызывают «сварочную вспышку» — острый кератит глаз.
Лазеры (эксимерные) — применяются в микрохирургии глаза (LASIK) и дерматологии.
Светодиоды (LED) — современные УФ-светодиоды производят узкополосное УФ-излучение (365–405 нм) для отверждения полимеров, фальшивомонетной экспертизы.
Солярии — специальные лампы, испускающие преимущественно УФ-А и частично УФ-В для искусственного загара. В ряде стран (Австралия, Бразилия) их использование запрещено или строго ограничено из-за канцерогенного риска.

Воздействие на живые организмы

Биологические эффекты

УФ-излучение обладает широким спектром биологического действия, которое зависит от дозы и длины волны:

Синтез витамина D: под действием УФ-В в коже человека из производных холестерина образуется витамин D3, необходимый для усвоения кальция и работы иммунной системы. Для синтеза достаточно кратковременного (10–20 минут в день) облучения без солнцезащитных средств.
Эритема (солнечный ожог): вызывается УФ-В; проявляется покраснением, отёком, болью. Хроническое воздействие ведёт к фотостарению (морщинам, пигментации) и кератозу.
Повреждение ДНК: УФ-В и УФ-С вызывают образование пиримидиновых димеров — сшивок соседних нуклеотидов. Если механизмы репарации не справляются, развиваются мутации, ведущие к раку кожи (базалиома, плоскоклеточный рак, меланома).
Иммуносупрессия: УФ-излучение подавляет местный и общий иммунный ответ, что может реактивировать вирусные инфекции (например, герпес) и снижать эффективность вакцинации.
Ультрафиолетовая катаракта: при длительном воздействии УФ-А повреждается хрусталик глаза, что ведёт к его помутнению и слепоте.

Польза и риск

Разумные дозы УФ-излучения необходимы для здоровья. Недостаток солнечного света (особенно в северных широтах) ведёт к дефициту витамина D, авитаминозу и сезонным аффективным расстройствам. В то же время чрезмерное пребывание на солнце и посещение соляриев признаны Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) канцерогенными для человека (группа 1). Ожоги в детстве и юности — главный фактор риска меланомы в зрелом возрасте.

Защита

Основные меры защиты от избыточного УФ-излучения:

Ограничение времени пребывания на солнце в часы максимальной инсоляции (10–16 часов).
Использование солнцезащитных кремов с SPF (Sun Protection Factor) 30+ и защитой от УФ-А (PA+++).
Ношение закрытой одежды из плотных тканей, головных уборов,
Ношение солнцезащитных очков с маркировкой UV400, блокирующих до 99% УФ-излучения.
УФ-индекс (UVI) — международный стандартизированный показатель интенсивности солнечного УФ-излучения (от 0 до 11+), который используется в прогнозах погоды для информирования населения.

Применение

Медицина

Ультрафиолет широко применяется в медицине и фармации:

Стерилизация: бактерицидные лампы (254 нм) инактивируют бактерии, вирусы и грибы; используются в операционных, перевязочных, лактационных комнатах, особенно актуально в период пандемий.
Фототерапия: узкополосное УФ-В (311 нм) применяют для лечения псориаза, витилиго, атопического дерматита и других кожных заболеваний.
ПУВА-терапия: комбинация УФ-А с фотосенсибилизатором (псорален) — эффективна при псориазе и грибовидном микозе.
Диагностика: УФ-лампы (светильники Вуда) используются для выявления грибковых инфекций кожи (дерматофитии, микроспория) и витилиго, а также в криминалистике для идентификации меток.

Техника

Полимеризация: УФ-светодиоды отверждают полимерные смолы, клеи и лаки (стоматология, 3D-печать, электроника, производство компакт-дисков).
Световые стабилизаторы: в УФ-отверждаемых покрытиях за счёт фотоинициаторов происходит «застывание» материала.
Фотолитография: УФ-излучение используется в производстве микроэлектроники (микросхемы, печатные платы) для переноса изображения с фотошаблона на фоторезист. С развитием литографии в глубоком УФ (DUV, 193 нм) и экстремальном УФ (EUV, 13,5 нм) достигнуты нанометровые технологические нормы.
Защита от подделок: водяные знаки и люминофорные метки на купюрах, документах и ценных бумагах видны только при УФ-освещении.
Контроль качества: УФ-излучение применяется для неразрушающего контроля (трещины, герметичность сварных швов) с помощью флуоресцентных индикаторов.

Экология

Очистка воды: УФ-лампы уничтожают микроорганизмы без химических реагентов (озонирования или хлорирования); широко используется в станциях водоподготовки и бытовых фильтрах.
Обеззараживание воздуха: УФ-рециркуляторы для помещений (школы, больницы, общественный транспорт).

Криминалистика и наука

В криминалистике УФ-лампы позволяют выявлять следы биологических жидкостей (кровь, сперма, слюна) и стирающиеся надписи на документах. В астрофизике ультрафиолетовое излучение используется для изучения горячих звёзд, активных галактических ядер и межзвёздной среды, так как атмосфера Земли его практически не пропускает — наблюдения ведутся с космических телескопов (например, «Хаббл», Swift). УФ-спектроскопия — мощный инструмент анализа химического состава веществ.

Правила безопасности при работе с искусственными источниками

При работе с УФ-лампами, особенно открытыми, необходимо соблюдать строгие меры предосторожности:

Персонал должен использовать специальные защитные очки, блокирующие УФ-излучение.
Кожа должна быть закрыта плотной одеждой (хлопок, синтетика), возможны ожоги, даже если лампа не горячая.
В производственных помещениях с УФ-источниками (литография, стерилизация) устанавливаются блокировки, отключающие излучение при открытии дверцы.
Время нахождения вблизи мощных бактерицидных ламп строго регламентировано нормативами СанПиН.

Источники

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ). «Ультрафиолетовое излучение: воздействие на здоровье и меры защиты».
Научный комитет по вопросам окружающей среды и здоровья (SCOEL). Совместные рекомендации ЕС.
Головин Ю.И., Карташов В.М. «Физика и техника ультрафиолетового излучения». — М.: Физматлит, 2012.
Белицкая Л.А., Бредихин С.А. «Ультрафиолетовое излучение и его применение в медицине и технике». — СПб.: Лань, 2015.
СанПиН 2.2.4/2.1.8.327-99 «Гигиенические требования к ультрафиолетовому излучению производственных источников».

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →