Строение солнца. Спектр солнечного излучения: описание, особенности и интересные факты

Живительные лучи.

Солнце испускает три типа ультрафиолетовых лучей. Каждый из этих типов по-разному воздействует на кожу.

Большинство из нас после отдыха на пляже чувствует себя более здоровыми и полными жизни. Благодаря живительным лучам в коже образуется витамин D, который необходим для полноценного усвоения кальция. Но благотворно воздействуют на организм только небольшие дозы солнечного облучения.

Но сильно загорелая кожа это все-таки поврежденная кожа и,как следствие преждевременное старение и высокий риск развития рака кожи.

Солнечный свет - электромагнитное излучение. Кроме видимого спектра излучения в нем присутствует ультрафиолетовое, которое собственно и отвечает за загар. Ультрафиолет стимулирует способность пигментных клеток меланоцитов производить больше меланина, выполняющего защитную функцию.

Типы УФ лучей.

Существуют три типа ультрафиолетовых лучей, которые различаются по длине волны. Ультрафиолетовое излучение способно проникать сквозь эпидермис кожи в более глубокие слои. Это активизирует процесс производства новых клеток и кератина, в результате кожа становится более жесткой и грубой. Солнечные лучи, проникая сквозь дерму разрушают коллаген и приводят к изменениям толщины и текстура кожи.

Ультрафиолетовые лучи А.

Эти лучи обладают наиболее низким уровнем радиации. Раньше было принято считать, что они безвредны, однако, в настоящее время доказано, что это не так. Уровень этих лучей остается практически постоянным на протяжении всего дня и года. Они проникают даже сквозь стекло.

УФ лучи типа А проникают сквозь слои кожи, достигая дермы, повреждают основание и структуру кожи, разрушая волокна коллагена и эластина.

А-лучи способствуют появлению морщин, уменьшают эластичность кожи, ускоряют появление признаков преждевременного старения, ослабляют защитную систему кожи, делая ее более подверженной инфекциям и, возможно, онкологическим заболеваниям.

Ультрафиолетовые лучи В.

Лучи этого типа испускаются солнцем лишь в определенные времена года и часы дня. В зависимости от температуры воздуха и географической широты они обычно проникают в атмосферу в период с 10 до 16 часов.

УФ лучи типа В наносят коже более серьезный урон, так как взаимодействуют с молекулами ДНК, которые содержатся в клетках кожи. В-лучи повреждают эпидермис, что приводит к появлению солнечных ожогов. В-лучи повреждают эпидермис, что приводит к появлению солнечных ожогов. Излучение этого типа усиливает активность свободных радикалов, которые ослабляют естественную защитную систему кожи.

Ультрафиолетовые лучи В способствуют появлению загара и вызывают солнечные ожоги, ведут к преждевременному старению и появлению темных пигментных пятен, делают кожу грубой и шершавой, ускоряют появление морщин, могут спровоцировать развитие предраковых заболеваний и рака кожи.

Протуберанец на поверхности

Излучение Солнца, которое известно как солнечный свет, представляет собой смесь электромагнитных волн, от инфракрасных (ИК) до ультрафиолетовых лучей (UV). Оно включает в себя видимый свет, который находится между ИК и УФ в электромагнитном спектре.

Скорость распространения электромагнитных волн

Все электромагнитные волны (ЭМ) распространяются со скоростью приблизительно 3,0х10*8 м/с в вакууме. Пространство не является идеальным вакуумом, оно, на самом деле, содержит частицы в низкой концентрации, электромагнитные волны, нейтрино и магнитные поля. Поскольку, среднее расстояние между Землей и Солнцем более 149,6 млн. км, то требуется около 8 минут, чтобы излучение добралось до Земли. Солнце светит не только в ИК, видимом и УФ диапазоне. В основном, оно выделяет гамма-лучи высокой энергии.

Однако, фотоны гамма-излучения проходят длинный путь до поверхности, они постоянно поглощаются солнечной плазмой и повторно излучаются с изменением своей частоты.

К тому времени, как они добираются до поверхности, фотоны гамма лучей представляют собой ИК, видимый и УФ спектры. Инфракрасное излучение это тепло которое мы ощущаем. Без него и видимого света, жизнь на Земле была бы невозможна. Во время солнечных вспышек, оно также испускает рентгеновские лучи. Когда электромагнитное излучение Солнца достигает атмосферы Земли, часть его поглощается, в то время, как остальное долетает до поверхности Земли.

В частности, УФ излучение поглощается озоновым слоем и повторно излучается в виде тепла, что приводит к нагреву стратосферы.

Солнце излучает свою энергию во всех длинах волн, но по-разному. Приблизительно 44% энергии излучения приходится на видимую часть спектра, а максимум соответствует желто-зеленому цвету. Около 48% энергии, теряемой Солнцем, уносят инфракрасные лучи ближнего и дальнего диапазона. На гамма-лучи, рентгеновское, ультрафиолетовое и радио излучение приходится лишь около 8%.

Видимая часть солнечного излучения при изучении с помощью спектроанализирующих приборов оказывается неоднородной – в спектре наблюдаются линии поглощения, впервые описанные Й.Фраунгофером в 1814 году. Эти линии возникают при поглощении фотонов определенных длин волн атомами различных химических элементах в верхних, относительно холодных, слоях атмосферы Солнца. Спектральный анализ позволяет получить информацию о составе Солнца, поскольку определенный набор спектральных линий исключительно точно характеризует химический элемент. Так, например, с помощью наблюдений спектра Солнца было предсказано открытие гелия, который на Земле был выделен позже.

В ходе наблюдений ученые выяснили, что Солнце – мощный источник радиоизлучения. В межпланетное пространство проникают радиоволны, которые излучает хромосфера (сантиметровые волны) и корона (дециметровые и метровые волны). Радиоизлучение Солнца имеет две составляющие – постоянную и переменную (всплески, «шумовые бури»). Во время сильных солнечных вспышек радиоизлучение Солнца возрастает в тысячи и даже миллионы раз по сравнению с радиоизлучением спокойного Солнца. Это радиоизлучение имеет нетепловую природу.

Рентгеновские лучи исходят в основном от верхних слоев хромосферы и короны. Особенно сильным излучение бывает в годы максимума солнечной активности.

Солнце излучает не только свет, тепло и все другие виды электромагнитного излучения. Оно также является источником постоянного потока частиц – корпускул. Нейтрино, электроны, протоны, альфа-частицы, а также более тяжелые атомные ядра все вместе составляют корпускулярное излучение Солнца. Значительная часть этого излучения представляет собой более или менее непрерывное истечение плазмы – солнечный ветер, являющийся продолжением внешних слоев солнечной атмосферы – солнечной короны. На фоне этого постоянно дующего плазменного ветра отдельные области на Солнце являются источниками более направленных, усиленных, так называемых корпускулярных потоков. Скорее всего они связаны с особыми областями солнечной короны – коронарными дырами, а также, возможно, с долгоживущими активными областями на Солнце. Наконец, с солнечными вспышками связанны наиболее мощные кратковременные потоки частиц, главным образом электронов и протонов. В результате наиболее мощных вспышек частицы могут приобретать скорости, составляющие заметную долю скорости света. Частицы с такими большими энергиями называются солнечными космическими лучами.

Солнечное корпускулярное излучение оказывает сильное влияние на Землю, и прежде всего на верхние слои ее атмосферы и магнитное поле, вызывая множество геофизических явлений. От вредного влияния излучения Солнца нас защищает магнитосфера и атмосфера Земли.

Кандидат физико-математических наук Е. ЛОЗОВСКАЯ.

С наступлением теплых летних дней нас так и тянет погреться на солнышке. Солнечный свет улучшает настроение, стимулирует образование в коже жизненно необходимого витамина D, но в то же время, к сожалению, способствует появлению морщин и увеличивает риск развития рака кожи. Значительная часть как полезных, так и вредных эффектов связана с той частью солнечного излучения, которая невидима для человеческого глаза, - ультрафиолетом.

Спектр электромагнитного излучения и спектр солнца. Граница между ультрафиолетом В и С соответствует пропусканию земной атмосферы.

Ультрафиолет вызывает различные повреждения молекул ДНК в живых организмах.

Интенсивность ультрафиолета B зависит от широты и времени года.

Одежда из хлопка служит хорошей защитой от ультрафиолета.

Солнце служит главным источником энергии для нашей планеты, а поступает эта энергия в виде излучения - инфракрасного, видимого и ультрафиолетового. Ультрафиолетовая область расположена за коротковолновой границей видимого спектра. Когда речь идет о влиянии на живые организмы, в ультрафиолетовом спектре солнца обычно выделяют три области: ультрафиолет А (УФ-А; 320-400 нанометров), ультрафиолет В (УФ-В; 290-320 нм) и ультрафиолет С (УФ-С; 200-290 нм). Деление это достаточно произвольно: граница между УФ-В и УФ-С выбрана из тех соображений, что свет с длиной волны менее 290 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 320 нм вызывает гораздо более сильную эритему (покраснение кожи), чем свет в диапазоне 320-400 нм.

Спектральный состав солнечного света во многом зависит от времени года, погоды, географической широты и высоты над уровнем моря. Например, чем дальше от экватора, тем сильнее коротковолновая граница сдвигается в сторону длинных волн, поскольку в этом случае свет падает на поверхность под косым углом и проходит большее расстояние в атмосфере, а значит, сильнее поглощается. На положение коротковолновой границы влияет и толщина озонового слоя, поэтому под "озоновыми дырами" на поверхность Земли попадает больше ультрафиолета.

В полдень интенсивность излучения на длине волны 300 нм в 10 раз выше, чем за три часа до этого или три часа спустя. Облака рассеивают ультрафиолет, но только темные тучи способны блокировать его полностью. Ультрафиолетовые лучи хорошо отражаются от песка (до 25%) и снега (до 80%), хуже от воды (менее 7%). Поток ультрафиолета возрастает с высотой, приблизительно на 6% с каждым километром. Соответственно в местах, расположенных ниже уровня моря (например, у берегов Мертвого моря), интенсивность излучения меньше.

ЖИЗНЬ ПОД СОЛНЦЕМ

Без света жизнь на Земле не могла бы существовать. Растения используют солнечную энергию, запасают ее с помощью фотосинтеза и обеспечивают энергией через пищу всех остальные живые существа. Человеку и другим животным свет обеспечивает возможность видеть окружающий мир, регулирует биологические ритмы организма.

Эту жизнерадостную картину немного осложняет ультрафиолет, поскольку его энергии достаточно, чтобы вызвать серьезные повреждения ДНК. Ученые насчитывают более двух десятков различных болезней, которые возникают или усугубляются под действием солнечного света, среди них пигментная ксеродерма, плоскоклеточный рак кожи, базалиома, меланома, катаракта.

Конечно, в процессе эволюции наш организм выработал механизмы защиты от ультрафиолета. Первый барьер, который преграждает потенциально опасному излучению доступ в организм, - кожа. Практически весь ультрафиолет поглощается в эпидермисе, наружном слое кожи толщиной 0,07-0,12 мм. Чувствительность к свету во многом определяется наследственной 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 пигмент образуется при облучении светом УФ-В диапазона. Правда, эффект проявляется не сразу, а спустя 2-3 дня после пребывания на солнце, зато 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.

Наиболее уязвимы к действию ультрафиолета люди с очень светлой кожей. У них даже кратковременное пребывание на ярком солнце вызывает эритему - покраснение кожи. За возникновение эритемы отвечает в основном УФ-В излучение. В качестве меры действия ультрафиолета на организм часто используют такое понятие, как минимальная эритемная доза (МЭД), то есть такая, при которой глазом заметно слабое покраснение. На самом деле величина МЭД различна не только у разных людей, но и у одного человека на разных участках тела. Например, для кожи живота белого незагорелого человека величина МЭД составляет около 200 Дж/м 2 , а на ногах - в три с лишним раза выше. Эритема обычно возникает через несколько часов после облучения. В тяжелых случаях развивается настоящий солнечный ожог с волдырями.

Какие вещества в эпидермисе кроме меланина поглощают ультрафиолет? Нуклеиновые кислоты, аминокислоты триптофан и тирозин, уроканиновая кислота. Наиболее опасны для организма повреждения нуклеиновых кислот. Под действием света в диапазоне УФ-В образуются димеры за счет ковалентных связей между соседними пиримидиновыми (цитозином или тимином) основаниями. Поскольку пиримидиновые димеры не вписываются в двойную спираль, эта часть ДНК теряет способность к выполнению своих функций. Если повреждения небольшие, специальные ферменты вырезают дефектный участок (и это еще один довольно эффективный механизм защиты). Однако, если ущерб больше, чем способность клетки к ремонту, клетка гибнет. Внешне это проявляется в том, что обожженная кожа "слезает". Повреждение ДНК может приводить к мутациям и как следствие - к раковым заболеваниям. Происходят и другие повреждения молекул, например образуются сшивки ДНК с белками. Кстати, видимый свет способствует залечиванию повреждений нуклеиновых кислот (это явление называется фотореактивацией). Предотвращать опасные последствия фотохимических реакций помогают антиоксиданты, содержащиеся в организме.

Еще одно следствие ультрафиолетового облучения - подавление иммунитета. Возможно, такая реакция организма призвана ослабить воспаление, вызванное солнечным ожогом, однако при этом снижается устойчивость к инфекциям. Сигналом для подавления иммунитета служат фотохимические реакции уроканиновой кислоты и ДНК.

МОДА НА ЗАГАР - СИМВОЛ ИНДУСТРИАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА

Долгое время белая кожа считалась отличительной чертой знатных и богатых: сразу было видно, что ее обладателям не приходится с утра до ночи работать в поле. Но в ХХ веке все изменилось, бедные слои населения теперь проводили целые дни на заводах и фабриках, а богатые могли позволить себе отдыхать на свежем воздухе, у моря, демонстрируя красивый золотистый загар. После Второй мировой войны мода на загар приобрела массовый характер; загорелая кожа стала считаться признаком не только достатка, но и отменного здоровья. Разрослась туристическая индустрия, предлагающая отдых у моря в любое время года. Но прошло некоторое время, и врачи забили тревогу: оказалось, у любителей загара частота рака кожи возросла в несколько раз. И в качестве спасительного средства было предложено всем без исключения пользоваться солнцезащитными кремами и лосьонами, в состав которых входят вещества, отражающие или поглощающие ультрафиолет.

Известно, что еще во времена Колумба индейцы имели обыкновение раскрашивать себя красной краской, чтобы защититься от солнца. Возможно, древние греки и римляне использовали для этих целей смесь песка с растительным маслом, поскольку песок отражал солнечные лучи. Применение химических солнцезащитных средств началось в 1920-х годах, когда в качестве солнцезащитного средства была запатентована парааминобензойная кислота (ПАБК). Однако она растворялась в воде, так что защитный эффект исчезал после купания, и к тому же раздражала кожу. В 1970-е годы на смену ПАБК пришли ее эфиры, почти нерастворимые в воде и не вызывающие сильного раздражения. Настоящий бум в области солнцезащитной косметики начался в 1980-е годы. Поглощающие ультрафиолет вещества (в косметологии за ними закрепилось название "УФ-фильтры") стали добавлять не только в специальные "пляжные" кремы, но и почти во все косметические продукты, предназначенные для использования в дневное время: крем, жидкую пудру, губную помаду.

По принципу действия УФ-фильтры можно разделить на две группы: отражающие свет ("физические") и поглощающие ("химические"). К отражающим средствам относятся разного рода минеральные пигменты, прежде всего диоксид титана, оксид цинка, силикат магния. Принцип их действия прост: они рассеивают ультрафиолет, не давая ему проникнуть в кожу. Окись цинка захватывает область длин волн от 290 до 380 нм, остальные - несколько меньше. Основной недостаток отражающих средств тот, что они представляют собой порошок, непрозрачны и придают коже белый цвет.

Естественно, что производителей косметики больше привлекали прозрачные и хорошо растворимые "химические" УФ-фильтры (известные в фотохимии как УФ-абсорберы). К ним относятся уже упоминавшаяся ПАБК и ее эфиры (сейчас их почти не используют, так как появились сведения, что они разлагаются с образованием мутагенов), салицилаты, производные коричной кислоты (циннаматы), антраниловые эфиры, оксибензофеноны. Принцип действия УФ-абсорбера заключается в том, что, поглотив квант ультрафиолета, его молекула изменяет свою внутреннюю структуру и преобразует энергию света в тепло. Наиболее эффективные и светостойкие УФ-абсорберы работают по внутримолекулярному циклу переноса протона.

Большинство УФ-абсорберов поглощают свет только в УФ-В области. Обычно солнцезащитные средства содержат не один УФ-фильтр, а несколько, как физических, так и химических. Общее содержание УФ-фильтров может превышать 15 процентов.

Для характеристики защитной эффективности кремов, лосьонов и прочей косметической продукции стали использовать так называемый солнцезащитный фактор (по-английски "sun protection factor", или SPF). Идея солнцезащитного фактора была впервые предложена в 1962 году австрийским ученым Францем Грайтером и принята представителями косметической и фармацевтической промышленности. Солнцезащитный фактор определяется как отношение минимальной дозы ультрафиолета, необходимой для возникновения эритемы при действии на защищенную кожу, к дозе, вызывающей такой же эффект при незащищенной коже. Получила широкое распространение популярная интерпретация: если без защиты вы обгораете за 20 минут, то, намазав кожу кремом с защитным фактором, скажем, 15, получите солнечный ожог только пробыв на солнце в 15 раз дольше, то есть через 5 часов.

ОБМАНЧИВОЕ ЧУВСТВО ЗАЩИТЫ

Казалось бы, решение проблемы ультрафиолета найдено. Но на деле все не так просто. В научной литературе стали появляться сообщения, что у людей, которые постоянно пользуются солнцезащитными препаратами, частота возникновения таких разновидностей рака кожи, как меланома и базалиома, не только не снизилась, но и возросла. Было предложено несколько объяснений этого обескураживающего факта.

Первым делом ученые предположили, что потребители неправильно пользуются солнцезащитными средствами. При тестировании кремов принято наносить на кожу 2 мг крема на 1 см 2 . Но, как показали исследования, люди часто наносят более тонкий слой, в 2-4 раза меньше, соответственно уменьшается и фактор защиты. Кроме того, кремы и лосьоны частично смываются водой, например во время купания.

Нашлось и другое объяснение. Как уже отмечалось, большинство химических УФ-абсорберов (а именно они наиболее широко используются в косметике) поглощают свет только в УФ-В области, предотвращая развитие солнечного ожога. Но, по некоторым данным, меланома возникает под действием УФ-А излучения. Не пропуская УФ-В излучение, солнцезащитные средства блокируют природный предупреждающий сигнал - покраснение кожи, замедляют образование защитного загара, и в результате человек получает избыточную дозу в области УФ-А, которая как раз и может спровоцировать рак.

Результаты опросов показывают, что те, кто пользуется кремами с более высоким фактором защиты, проводят на солнце больше времени, а значит, неосознанно подвергают себя большему риску.

Нельзя забывать и о том, что смесь химических веществ, которые входят в состав защитных кремов, при длительном воздействии ультрафиолета может стать источником свободных радикалов - инициаторов окисления биомолекул. Некоторые из УФ-фильтров потенциально токсичны либо вызывают аллергию.

"СОЛНЕЧНЫЙ" ВИТАМИН

Настало время вспомнить о том, что поми-мо многочисленных негативных эффектов ультрафиолета есть и позитивные. И самый яркий пример - фотосинтез витамина D 3 .

В эпидермисе содержится довольно много 7-дигидрохолестерола, предшественника витамина D 3 . Облучение светом УФ-В диапазона запускает цепочку реакций, в результате которых и получается холекальциферол (витамин D 3), пока еще не активный. Это вещество связывается с одним из белков крови и переносится в почки. Там оно превращается в активную форму витамина D 3 - 1, 25-дигидроксихолекальциферол. Витамин D 3 необходим для всасывания кальция в тонком кишечнике, нормального фосфорно-кальциевого обмена и образования костей, при его недостатке у детей развивается тяжелое заболевание - рахит.

После облучения всего тела в дозе 1 МЭД концентрация витамина D 3 в крови возрастает в 10 раз и возвращается к прежнему уровню через неделю. Применение солнцезащитных средств подавляет синтез витамина D 3 в коже. Дозы, необходимые для его синтеза, невелики. Считается достаточным ежедневно проводить на солнце примерно по 15 минут, подставляя солнечным лучам лицо и руки. Суммарная годовая доза, необходимая для поддержания уровня витамина D 3 , составляет 55 МЭД.

Хронический дефицит витамина D 3 приводит к ослаблению костной ткани. К группе риска относятся темнокожие дети, живущие в северных странах, и пожилые люди, которые мало бывают на свежем воздухе. Некоторые исследователи считают, что увеличение частоты заболеваемости раком при использовании солнцезащитных средств связано именно с блокировкой синтеза витамина D 3 . Не исключено, что его дефицит приводит к возрастанию риска рака толстой кишки и молочной железы.

Другие полезные эффекты ультрафиолета связаны в основном с медициной. Ультрафиолетом лечат такие заболевания, как псориаз, экзема, розовый лишай. Датский врач Нильс Финсен в 1903 году получил Нобелевскую премию за применение ультрафиолета в лечении волчаночного туберкулеза кожи. Метод облучения крови ультрафиолетом сейчас успешно применяют для лечения воспалительных и других заболеваний.

СОЛОМЕННАЯ ШЛЯПКА ОТ ЗАГАРА

Вопрос о том, полезен или вреден ультрафиолет, не имеет однозначного ответа: и да, и нет. Многое зависит от дозы, спектрального состава и особенностей организма. Избыток ультрафиолета безусловно опасен, но на защитные кремы полностью полагаться нельзя. Требуются дополнительные исследования, чтобы установить, в какой степени употребление солнцезащитных средств может способствовать развитию раковых заболеваний.

Лучшее средство уберечь кожу от солнечного ожога, преждевременного старения, а заодно и снизить риск развития рака - одежда. Для обычной летней одежды характерны защитные факторы выше 10. Хорошими защитными свойствами обладает хлопок, правда в сухом виде (при намокании он пропускает больше ультрафиолета). Не забудьте про шляпу с широкими полями и солнцезащитные очки.

Рекомендации достаточно просты. Избегайте бывать на солнце в самые жаркие часы. Будьте особенно осторожны с солнцем, если принимаете лекарства, обладающие свойствами фотосенсибилизаторов: сульфаниламиды, тетрациклины, фенотиазины, фторхинолоны, нестероидные противовоспалительные препараты и некоторые другие. Фотосенсибилизаторы входят и в состав некоторых растений, например зверобоя (см. "Наука и жизнь" № 3, 2002 г.). Усиливать действие света могут ароматические вещества, входящие в состав косметики и духов.

Учитывая, что у ученых есть сомнения в эффективности и безопасности солнцезащитных кремов и лосьонов, не пользуйтесь ими (а также дневной косметикой с высоким содержанием УФ-фильтров) без особой необходимости. Если такая необходимость возникла, отдавайте предпочтение тем средствам, что обеспечивают защиту в широком спектре - от 280 до 400 нм. Как правило, такие кремы и лосьоны содержат окись цинка или другие минеральные пигменты, поэтому имеет смысл внимательно прочесть состав на этикетке.

Защита от солнца должна быть индивидуальной, в зависимости от места жительства, сезона и типа кожи.