4. Солнечная радиация и ее гигиеническое значение.

4.1. Характеристика солнечного излучения. Световой климат. Вся органическая жизнь на земле обязана своим существованием солнечной радиации, которая является источником энергии, тепла и света на земном шаре. Солнцем испускаются корпускулярные и электромагнитные излучения. Корпускулярные излучения называются солнечным ветром, они представлены электронами, протонами, ядрами гелия и другими частицами. Электромагнитный спектр солнечного излучения весьма широк, в него входят излучения диапазона радиочастот, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, гамма - и рентгеновское излучения. Солнечное электромагнитное излучение распространяется со скоростью 300000 км/сек и достигает Земли за 8 минут. Частицы же солнечного ветра имеют меньшую скорость – 300 км/сек, в связи с чем достигают Земли через несколько суток. Скорость и интенсивность излучений резко возрастают в периоды солнечной активности. Проявлениями солнечной активности являются солнечные пятна и солнечные вспышки. Солнечные пятна представляют собой гигантские электромагниты с поперечником в несколько тысяч километров и напряженностью магнитного поля в тысячи раз выше напряженности магнитного поля Земли. Солнечные вспышки являются отражением взрывов, происходящих на Солнце. Мощность вспышек сравнима с мощностью взрыва тысяч термоядерных бомб. Во время вспышек усиливается выброс коротковолнового ионизирующего излучения и высокоэнергетических частиц, скорость которых может достигать 1000-2000 км/сек, вследствие чего до Земли они доходят уже за 2-3 суток.

На пути к Земле солнечный ветер взаимодействует в основном с геомагнитным полем Земли, а электромагнитное излучение – с нижними слоями стратосферы и тропосферой. Магнитное поле действует как броня и не пропускает заряженные частицы близко к Земле. Электромагнитное же излучение вступает в химическое и физическое взаимодействие с компонентами земной атмосферы. При этом происходит ослабление интенсивности солнечного излучения, поглощение озоновым слоем коротковолнового и формирование длинноволнового излучения, за счет неравномерного нагрева земной поверхности и атмосферы осуществляются циркуляция воздушных масс и другие процессы, определяющие погодные и климатические условия. Поверхности Земли достигают лишь средне- и длинноволновое ультрафиолетовое, видимое и коротковолновое инфракрасное излучения.

Количество солнечного излучения, доходящее до земной поверхности в той или иной местности, называется световым климатом. Световой климат обусловливается как природными (географическая широта, местности, сезон года, время суток, рельеф местности, климат, погода, отражательная способность земной поверхности) так и антропогенными факторами (загрязнение атмосферы и др.).

Мощность общего потока солнечного излучения на поверхности Земли зависит от толщины слоя атмосферы, через которую она проходит. Толщина этого слоя определяется высотой солнцестояния над горизонтом и высотой местности над уровнем моря. Чем выше Солнце над горизонтом, тем меньше толщина атмосферы, через которую проходят солнечные лучи. Так, если масса атмосферы (толщина слоя воздуха на уровне моря) при высоте стояния Солнца 60° равна в условных единицах 1,1, то при заходе и восходе Солнца – 35,4, т.е. косые лучи проходят больший путь до земной поверхности, чем прямые. Уменьшением толщины атмосферы объясняется и возрастание интенсивности солнечной радиации по мере увеличения высоты местности.

Высота солнцестояния зависит от географической широты, времени года и суток. С увеличением географической широты, т.е. с удалением от экватора, высота солнцестояния уменьшается. Снижается она и в зимние месяцы. Изменение высоты солнцестояния отражается не только на количестве, но и качественном составе солнечного излучения. Так, с уменьшением высоты солнцестояния снижается доля ультрафиолетового и видимого излучения, увеличивается доля инфракрасного. Если в зените (90º) доля ультрафиолетового излучения составляет 4%, а видимого – 46%, то у горизонта ультрафиолетовое излучение практически отсутствует, а доля видимого снижается до 28%.

В атмосфере постоянно происходят процессы поглощения, рассеивания и отражения солнечного света. Поэтому общее суммарное излучение, достигающее земной поверхности, складывается из прямого, исходящего непосредственного от Солнца, рассеянного небосводом и отраженного от поверхности различных объектов. Чем больше высота солнцестояния, тем больше величина прямого излучения. Облака, отражая прямое солнечное излучение, увеличивают его рассеяние, в связи с чем интенсивность солнечного излучения может снижаться на 47-56%. В загрязненной атмосфере солнечное излучение поглощается пылью, газами, аэрозолями, дымом, поступающими в воздух с промышленными выбросами, выбросами автотранспорта, отопительных установок и др. Значительно снижается суммарное солнечное излучение в туманную и влажную погоду.

Особенно сказываются процессы рассеяния и отражения солнечного излучения на интенсивности ультрафиолетовой составляющей, доля которой в солнечном спектре и так невелика – от 0,6 до 10% на уровне земной поверхности. Причем, большую часть из них – до 70-75% составляет рассеянное, а не прямое, излучение. В высоких широтах (выше 57,5°) наблюдается дефицит ультрафиолетового излучения: в течение ноября - февраля средневолновое ультрафиолетовое излучение практически отсутствует, а в октябре – марте интенсивность его весьма мала. В районах, расположенных между 57,5° и 42,5° южных и северных широт, большей частью наблюдается ультрафиолетовый комфорт, в зонах ниже 42,5° - избыточное ультрафиолетовое излучение. Более высока интенсивность ультрафиолетового излучения и в горах, где на каждые 1000 м высоты над уровнем моря она возрастает на 15%.

4.2.Влияние солнечной радиации на организм человека. Солнечная радиация оказывает выраженное биологическое действие. Под действием энергии солнечного излучения в организме происходят разнообразные биохимические и физиологические превращения, совокупность которых называется фотобиологическими процессами. В основе их лежат фотохимические реакции: фотоионизация, фотовосстановление и окисление, фотодиссоциация и др.

Характер фотобиологических процессов зависит от энергии излучения. Благодаря энергии солнечного излучения стимулируется обмен веществ, синтез углеводов, жиров, белков, витаминов и пигментов, в частности, в растениях – синтез хлорофилла и др. Важную роль играют составляющие солнечного спектра в обеспечении процесса зрения у животных организмов, регуляции роста и развития растений, связанных с такими их свойствами, как фототаксис, фототропизм, и фотопериодизм. Вместе с тем, излучения, обладающие значительной энергией, оказывают повреждающее действие на организм.

Энергия солнечного излучения определяется длиной его волны: чем меньше длина, тем больше энергия. Среди излучений солнечного спектра, достигающих земной поверхности, наибольшей длиной (760-4000 нм) обладает инфракрасное излучение, затем следует видимое излучение - 400-760 нм. Наименьшую длину волны имеет ультрафиолетовое излучение - 290-400 нм, поэтому кванты этого излучения несут наибольший запас энергии. В связи с разным уровнем энергии, передаваемым клеткам, инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения оказывают неоднозначное воздействие на организм человека.

Гигиеническое значение инфракрасной радиации. Основная часть электромагнитного спектра солнечной радиации представлена инфракрасным излучением. На земной поверхности при высоте солнцестояния 60° она составляет 53%, у горизонта – 72%. Инфракрасные лучи, обладающие большой длиной волны (4000-15000 нм), задерживаются при прохождении через атмосферу, поверхности же Земли достигают более короткие лучи - с длиной волны 760- 4000нм.

Главный эффект инфракрасного излучения – тепловой. Именно этот эффект определяет важнейшую роль инфракрасного излучения в процессах планетарного масштаба. Благодаря энергии инфракрасного излучения происходит нагревание земной поверхности, неравномерность которого обусловливает движение воздушных и водных масс на Земле и формирование погодных и климатических условий.

Таким образом, влиянием климата и погоды в определенной степени реализуется опосредованное воздействие инфракрасного излучения на организм. При прямом действии инфракрасное солнечное излучение вызывает поверхностное или глубинное прогревание тканей. Глубоко (до 4-5 см) проникает в ткани коротковолновое инфракрасное излучение (760 -1500 нм), тогда как лучи с длиной волны 1500-4000 нм поглощаются преимущественно поверхностными слоями кожи, богатыми терморецепторами, в связи с чем при действии длинноволнового ИК-излучения более выражено ощущение жжения. Несмотря на малую энергию фотонов, ИК-излучение оказывает, хотя и слабое, фотохимическое действие, проявляющееся в некотором усилении обмена веществ, ускорении ферментативных и иммунобиологических процессов, усилении биологического действия ультрафиолетовых лучей. За счет нагрева тканей, действия активных соединений, образующихся при фотохимических реакциях, а также раздражения нервных рецепторов кожи при действии ИК-излучения усиливается кровоток, ослабляется тонус мышц и сосудов, нормализуются вегетативные реакции, вследствие чего проявляется болеутоляющий и противовоспалительный эффект. Эти свойства ИК-излучения широко используются в физиотерапевтической практике, где используются его искусственные источники – лампы соллюкс и Минина.

При длительном и интенсивном воздействии солнечного ИК-излучения может наблюдаться перегревание организма различной степени выраженности, в тяжелых случаях – тепловой или солнечный удар. Однако наиболее мощному воздействию ИК-излучения люди подвергаются в производственных условиях. В горячих цехах интенсивность ИК-излучения может достигать 12,6-25,2 МДж/(м² ч), тогда как интенсивность солнечного теплового излучения в умеренных широтах, например, не превышает 3,77 МДж/(м² ·ч). Длительное воздействие как производственного, так и солнечного ИК-излучения, помимо перегревания, может привести к развитию тепловой катаракты вследствие поглощения хрусталиком тепловых лучей и затрудненного отвода тепла из-за плохой васкуляризации.

Гигиеническое значение видимого света. Видимые лучи в спектре солнечного электромагнитного излучения составляют от 28% при стоянии солнца над горизонтом до 46% при стоянии солнца в зените, при голубом небе – 65 %. Дневная освещенность на открытой местности зависит от многих факторов: высоты солнцестояния, погодных и климатических условий, чистоты воздуха. Диапазон значений освещенности в связи с этими условиями широк, он колеблется от 65000 до 1000 лк и менее.

Видимое излучение обладает более выраженным, чем инфракрасные лучи, фотохимическим действием, которое проявляется большей частью в присутствии фотосенсибилизаторов. Фотосенсибилизаторами называются вещества, которые, вбирая кванты лучистой энергии, претерпевают кратковременные изменения, а, отдавая окружающим тканям эту энергию в концентрированном виде, вновь восстанавливают свои свойства. Одними из таких фотосенсибилизаторов являются зрительные пигменты сетчатки, при воздействии на которые видимого излучения обеспечивается работа зрительного анализатора. При этом весьма важной является способность видимого излучения обусловливать не монохроматичную зрительную информацию, а представленную в различных цветах, что связано с присутствием в его спектре излучений различного цвета: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового. Цветовая гамма, создаваемая солнечным светом, оказывает различное воздействие на организм, и, прежде всего, на психоэмоциональную сферу: синий и фиолетовый цвета угнетают, голубой успокаивает, зеленый индифферентен, ярко-желтый раздражает, красный – возбуждает. Наиболее оптимальными для работы зрительного анализатора считаются волны зеленого и желтого диапазонов спектра видимого света.

Действуя рефлекторно через зрительный анализатор и, в некоторой степени, через периферические нервные окончания, солнечный свет оказывает общебиологическое действие. Он стимулирует обменные процессы в организме, повышает активность коры больших полушарий головного мозга, усиливает секрецию гипофиза, в связи с чем повышается жизненный тонус человека, улучшается его самочувствие и эмоциональное состояние. Отмечено, что видимое излучение играет определенную роль и в процессах роста и развития организма.

Свет является главным синхронизатором биологических ритмов у человека: суточных, сезонных, годовых и др. Рассогласование между природным (свет) и техногенными (часы, радио, телевидение, искусственное освещение, график и место работы и др.) регуляторами биоритмов приводит к нарушению режима сна и бодрствования, ухудшению самочувствия, развитию депрессий и т.д.).

Видимое излучение, особенно в диапазоне волн, граничащих с инфракрасным излучением, оказывает тепловое воздействие, доля которого составляет около половины тепловой энергии, передаваемой солнечным излучением. Коротковолновая фиолетовая часть спектра, граничащая с длинноволновым ультрафиолетовым излучением, вызывает те же эффекты, что и последнее – эритемный, загарный и слабо бактерицидный.

Особое гигиеническое значение видимого света для работы органа зрения, за счет которого организм получает до 80 % информации о внешнем мире, требует создания достаточного уровня естественного освещения в помещениях, как за счет прямого солнечного облучения (инсоляции), так и за счет рассеянного и отраженного (см. главу VII).

Гигиеническое значение ультрафиолетового излучения. Ультрафиолетовое излучение обладает значительно большей энергией, чем инфракрасное и видимое. Но и спектр самого излучения неоднороден по энергии фотонов, вследствие чего в нем выделяют 3 области, отличающиеся по длине волны и биологической активности: область А- длинноволновое излучение (ближнее ультрафиолетовое, эритемно-загарное) с длиной волны 400-320нм; область В – средневолновое излучение (витаминообразующее) с длиной волны 320-280 нм; область С – коротковолновое излучение (далекое ультрафиолетовое, бактерицидное) с длиной волны 280-210 нм. До земной поверхности, как отмечалось выше, доходят только длинно- и средневолновые ультрафиолетовые лучи. Коротковолновое ультрафиолетовое излучение обычно получают с помощью искусственных источников.

Ультрафиолетовые излучения могут оказывать полезное (биогенное) действие и повреждающее (абиогенное). Характер действия зависит от длины волны излучения и его дозы. Биогенный эффект наблюдается при действии малых, не превышающих оптимального уровня, доз длинно- и средневолнового излучения. Абиогенные эффекты характерны, прежде всего, для коротковолнового УФ-излучения, энергия которого намного превышает энергию УФ-лучей других диапазонов. Однако абиогенное действие могут оказывать и длинно-, и средневолновые лучи, если получаемая доза их намного превышает пороговую эритемную.

Биогенное действие проявляется в виде общестимулирующего, эритемно-загарного и антирахитического (вит. Д –образующего) эффектов. В механизме действия ультрафиолетового излучения выделяют несколько компонентов: биофизический, гуморальный и нервно-рефлекторный. Гуморальный компонент обусловлен образованием в результате фотохимических реакций биологически активных соединений (гистамина и гистаминоподобных веществ, ацетилхолина, серотонина и др.), которые стимулируют обменные процессы в организме. Биофизический компонент связан с изменением ионного состава и коллоидного состояния белков клеток вследствие фотоэлектрического действия УФ-излучения. И, наконец, нервно-рефлекторный компонент характеризуется стимуляцией многих функций вследствие раздражения нервных окончаний в коже образующимися гистамином и гистаминоподобными веществами и другими соединениями.

Благодаря сочетанному гуморальному, биофизическому и нервно-рефлекторному воздействиям проявляется выраженный общестимулирующий эффект УФ-излучения. В частности, повышается активность ферментов тканевого дыхания, активируются процессы метаболизма белков, жиров, углеводов, минеральных веществ, стимулируются кроветворение, рост клеток, регенерация тканей. Весьма важным является также повышение резистентности организма к инфекциям, что объясняется усилением фагоцитарной активности лейкоцитов, бактерицидных свойств кожи и крови, стимуляцией синтеза антител. Следует отметить, что под действием УФ-излучения повышается устойчивость не только к инфекциям, но и к действию ионизирующих излучений, токсических и канцерогенных агентов, фиброгенных пылей и др.

Общестимулирующим действием обладают как длинно- , так и средневолновые УФ-лучи, но наиболее выражено оно у средневолнового УФ-излучения. Кроме общебиологического действия для каждого диапазона УФ-излучения характерны и свои специфические эффекты. Так, длинноволновое УФ-излучение оказывает преимущественно эритемно-загарное действие, а средневолновое – стимулирует синтез вит.Д в коже и обладает слабым бактерицидным действием. Ультрафиолетовая эритема развивается через 1-3 часа после облучения, а иногда и раньше. Ее отличают четкие контуры, а также последующее образование пигмента меланина в коже (загар). Загар, а также утолщение эпидермиса, развивающееся под влиянием УФ-лучей, являются защитной реакцией организма на действие солнечной радиации. Быстрое образование загара – один из показателей хорошей реактивности организма.

Средневолновые УФ-лучи обладают антирахитическим действием, так как способствуют образованию в коже витаминов Д₂, Д₃. Д₄ путем изомеризации в фотохимических реакциях провитаминов Д. Наибольшим антирахитическим действием отличаются лучи с длиной волны 313 ммк. При недостаточном облучении УФ-лучами процессы образования вит. Д замедляются, вследствие чего нарушается фосфорно-кальциевый обмен и процессы остеобразования. У детей развиваются рахит, тетания, замедляются процессы роста и развития. У взрослых могут наблюдаться явления остеопороза, ослабевает связочный аппарат, плохо срастаются кости при переломах, эмаль зубов становится хрупкой и быстро разрушается.

Таким образом, наиболее ценными в биологическом отношении являются средневолновые УФ-лучи, так как именно они обладают выраженным общестимулирующим, антирахитическим и закаливающим действием, укрепляют иммунный статус организма, способствуют хорошей регенерации тканей, стимулируют процессы роста и развития. Немаловажное значение имеет также вызываемая ими активация процессов высшей нервной деятельности, за счет которой повышается умственная работоспособность, предупреждается раннее развитие утомляемости. Описан положительный эффект УФ-облучения у больных неосложненными формами ишемической болезни сердца и гипертонической болезни.

Современная среда характеризуется повышенным риском развития ультрафиолетовой недостаточности (солнечного голодания), которая обусловливается не только климатическими особенностями региона, но и условиями быта и трудовой деятельности людей, загрязнением воздуха, нерациональной планировкой жилых и общественных зданий, преобладанием туманных и пасмурных дней, и т.д. Наиболее часто характерные для УФ-недостаточности проявления наблюдаются у проживающих в северных широтах, рабочих горнорудной, угольной промышленности, метростроителей, детей, учащихся школ и вузов, находящихся большую часть дня в помещении. Для профилактики светового голодания планировка и застройка населенных пунктов должна осуществляться так, чтобы обеспечить не менее чем 3-х часовую инсоляцию окон жилых помещений (см. главу VII). Оконные стекла должны быть прозрачными для ультрафиолетового излучения, что не принимается во внимание при современном строительстве, когда окна большинства общественных учреждений застекляются тонированными стеклами. Должны проводиться активные мероприятия по предупреждению загрязнения атмосферного воздуха пылью, дымом, копотью, химическими веществами.

Наряду с указанным для профилактики светового голодания проводится УФ-облучение искусственными селективными и интегральными источниками УФ-излучения. Селективные источники (эритемные люминесцентные лампы - ЭУВ) дают излучения, максимум которых сосредоточен в одной узкой части УФ-спектра. Спектр излучения интегральных источников (прямые ртутно-кварцевые лампы - ПРК) представлен излучениями всех диапазонов УФ-спектра и видимого спектра. Для облучения используются светооблучательные установки длительного и кратковременного действия. В светооблучательных установках длительного действия лампы обычно встроены в светильники помещений вместе с обычными люминесцентными лампами, используемыми для освещения. Профилактическая доза при этом получается в течение 3-6 часов пребывания в помещении. При кратковременном облучении, которое проводится в специальных помещениях – фотариях, профилактическая доза получается за несколько минут. Особенно важным является восполнение светового голодания для детей, так как их организм наиболее чувствителен к недостатку УФ-излучения. При проведении УФ-облучения обязательно его дозирование и четкий контроль за ним. Вначале определяют биологическую (эритемную) дозу облучения с помощью биодозиметра И.Ф.Горбачева. Она равна минимальному времени облучения незагорелой кожи на предплечье или животе, после которого через 8-14 часов появляется минимально выраженная эритема. Ежедневная суточная доза при облучении, проводимом с профилактической целью, составляет 1/8 -3/4 биодозы. Обычно облучение в установках кратковременного действия начинают с 1/4 или 1/8 биодозы в зависимости от состояния человека и, прибавляя ежедневно или через день такими же долями, доводят до облучения в дозе, равной 1,5 биодозам, после чего делают перерывы на 2-3 месяца.

Светооблучательные установки длительного действия устанавливают, прежде всего в детских садах, детдомах, яслях, школах, больницах, санаториях, домах отдыха, общежитиях, производственных помещениях, лишенных естественного света, спортивных залах. В этих помещениях суточная профилактическая доза получается в течение целого дня.

Коротковолновые УФ-лучи обладают выраженным бактерицидным действием, а также оказывают вредное воздействие на организм человека. Абиогенное действие проявляют и длинно- и средневолновые лучи, если интенсивность облучения высока (5 и более минимальных эритемных биодоз). К абиогенным эффектам ультрафиолетового излучения относятся ожоги, фотодерматиты, эрозии, язвы, кератоконъюнктивиты, кератиты, катаракта, птеригий, солнечный эластоз, фотосенсибилизация, обострение хронических заболеваний внутренних органов, канцерогенное и мутагенное действие. Канцерогенное действие в основном характерно для излучения с длиной волны 280-340 нм, но оно реализуется лишь при длительном воздействии очень высоких доз (свыше 40 биодоз) солнечного облучения или излучения от искусственных источников. Вместе с тем, прогнозируется увеличение заболеваемости раком кожи вследствие увеличения количества и размеров озоновых дыр.

Абиогенные эффекты могут быть обусловлены не только солнечным излучением, но и различными искусственными источниками ультрафиолетового излучения: бактерицидными облучателями, электросварочными аппаратами, плазменной горелкой, фотоэлектрическим сканнером, лазерами, флюоресцентными панелями и др. Для профилактики неблагоприятного воздействия солнечного УФ-излучения работы на открытом воздухе не должны проводиться в период с 10 до 14 часов или же работа должна проводиться с ограничением времени пребывания на солнце и в солнцезащитная одежде с использованием солнцезащитных средств. При работе с искусственными источниками обязательно нормирование УФ-излучения, использование защитных средств, соответствующей сигнализации.