Radiazione ultravioletta

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La prima fonte di luce ultravioletta sulla Terra è il Sole. Nella foto, un'immagine a falsi colori ripresa nello spettro dell'ultravioletto lontano

In fisica la radiazione ultravioletta (UV o raggi ultravioletti o luce ultravioletta) è un intervallo della radiazione elettromagnetica, appartenente allo spettro elettromagnetico, con lunghezza d'onda immediatamente inferiore alla luce visibile dall'occhio umano e immediatamente superiore a quella dei raggi X. Infatti, il termine significa "oltre il violetto" (dal latino ultra, "oltre"), poiché il violetto è l'ultimo colore ad alta frequenza visibile nello spettro percepito dall'uomo, quello con la lunghezza d'onda più corta. La radiazione ultravioletta costituisce circa il 10% della luce emessa dal Sole e viene inoltre prodotta da gas ionizzati e particolari lampade (lampade a vapori di mercurio e lampade di Wood). Essa a lunghezze d’onda elevate può causare delle reazioni chimiche, come bagliori o fenomeni di fluorescenza.

Gli effetti biologici degli UV, dovuti dalla loro interazione con molecole organiche, sono responsabili di fenomeni quali abbronzatura, efelidi, eritemi solari ed inoltre rappresentano la causa principale di tumore della pelle. Qualsiasi organismo vivente verrebbe seriamente danneggiato dai raggi UV provenienti dal Sole se una buona parte della radiazione non fosse filtrata dall'atmosfera terrestre. Una bassa lunghezza d’onda degli ultravioletti, sotto i 121 nm, ionizza l’aria in modo così rapido da essere assorbita quasi totalmente prima che raggiunga il suolo. D'altronde l’ultravioletto è anche responsabile del rafforzamento delle ossa, partecipando alla formazione della vitamina D, nella maggior parte dei vertebrati terrestri[1]. In conclusione possiamo dire che l’UV ha effetti benefici e dannosi per la salute dell’uomo.

I raggi ultravioletti sono invisibili per la maggior parte degli esseri umani: il cristallino in generale filtra le frequenze UVB o maggiori, quindi non percepisce la radiazione UV. Tuttavia ci sono delle eccezioni: in determinate condizioni bambini e ragazzi riescono a percepire l’ultravioletto fin sotto i 310 nm[2][3] e persone affette da patologie come l’afachia (assenza del cristallino) possono vederne alcune lunghezze d’onda. La radiazione UV vicina alle lunghezze d'onda visibili per l'uomo può essere vista dagli insetti[4], da alcuni mammiferi e dagli uccelli.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

La radiazione ultravioletta fu scoperta nel 1801, quando il fisico tedesco Johann Wilhelm Ritter notò che il cloruro d'argento era fotosensibile, cioè diventava scuro in presenza di "raggi invisibili" (UV) appena sotto la fine dello spettro visibile del violetto. Li chiamò "raggi ossidanti" per sottolineare la reazione chimica e distinguerli dai raggi infrarossi, scoperti l’anno prima nell'altra estremità dello spettro visibile. Tuttavia fino al XIX secolo furono chiamati "raggi chimici", sebbene vi erano coloro che ritenevano che fossero una sorta di radiazione completamente diversa dalla luce (ricordiamo John William Draper[5][6]). Nel 1878 fu scoperto la proprietà sterilizzante della luce a piccole lunghezze d’onda sui batteri e dal 1960 fu riconosciuto l’effetto degli UV sul DNA.

La scoperta della radiazione ultravioletta sotto i 200 nm, chiamata ultravioletto da vuoto (Vacuum Ultraviolet) perché fortemente assorbita dall'aria, risale al 1893 ad opera del fisico tedesco Victor Schumann.[7]

Descrizione[modifica | modifica wikitesto]

I raggi ultravioletti sono usati anche nella sicurezza, per impedire la falsificazione di passaporti, banconote, ecc...

L'UV può essere suddiviso in differenti bande, diversamente definite a seconda dei campi di studio. La suddivisione più immediata è:

  • UV vicino o prossimo (380-200 nm) e UV estremo (200-10 nm).

Qualora si consideri l'effetto dei raggi UV sulla salute umana, la gamma delle lunghezze d'onda UV è in genere suddivisa in:

  • UV-A (400-315 nm), UV-B (315-280 nm) e UV-C (280-100 nm).

Il Sole emette fotoni in una vasta gamma di frequenze, che coprono quelle della luce ultravioletta in tutte e tre le bande UV-A, UV-B e UV-C ma, a causa dell'assorbimento da parte dell'ozonosfera, circa il 99% degli ultravioletti che arrivano sulla superficie terrestre sono UV-A. Infatti quasi il 100% degli UV-C e il 95% degli UV-B è assorbito dall'atmosfera terrestre. L'intensità di queste radiazioni è espressa con l'indice UV, indice universale della radiazione UV solare, riportata nelle previsioni meteorologiche.

Molti uccelli e molti insetti, come le api, possono vedere l'ultravioletto vicino, e i fiori hanno spesso colorazioni a loro visibili.

Le porzioni di radiazione ultravioletta di alta frequenza sono considerate radiazioni ionizzanti[8].

Bande[modifica | modifica wikitesto]

Lo Standard ISO sulla determinazione dell'irradiamento solare (ISO-21348)[9] descrive i seguenti intervalli:

Nome Abbreviazione Lunghezza d'onda
(range in nanometri)
Energia per fotone
(in elettronvolt)
Note / nomi alternativi
Ultravioletto UV 100 – 400  3.10 – 12.4
Ultravioletto A UVA 315 – 400  3.10 – 3.94 Onde lunghe UV, luce nera o luce Wood
Ultravioletto B UVB 280 – 315  3.94 – 4.43 Onde medie UV
Ultravioletto C UVC 100 – 280  4.43 – 12.4 Onde corte UV, germicida
Ultravioletto Vicino NUV 300 – 400  3.10 – 4.13 Intervallo spesso visibile a diverse specie di uccelli, insetti e pesci
Ultravioletto Medio MUV 200 – 300  4.13 – 6.20
Ultravioletto Lontano FUV 122 – 200  6.20 – 10.16
Riga 

Lyman-alfa

 dell'idrogeno

H Lyman-α 121 – 122  10.16 – 10.25 Linee spettrali a 121.6 nm, 10.20 eV. Radiazione ionizzante a lunghezze d'onda più corte
Ultravioletto da vuoto VUV 10 – 200  6.20 – 124 Fortemente assorbita dall'ossigeno atmosferico, anche se le lunghezze d'onda in un range di 150-200 nm si propagano attraverso l'azoto
Ultravioletto

Estremo

EUV 10 – 121  10.25 – 124 Radiazione completamente ionizzata (secondo alcune definizioni); completamente assorbita dall'atmosfera

Ultravioletto solare[modifica | modifica wikitesto]

Livelli di ozono a varie altitudine e blocco di diverse bande di radiazione ultravioletta. Sostanzialmente, tutti i raggi UVC sono bloccati dall'ossigeno biatomico (100–200 nm) o dall'ozono (ossigeno triatomico) (200–280 nm) nell'atmosfera. Lo strato di ozono blocca per lo più i UVB. Tuttavia, i UVA è fortemente influenzato dall'ozono, e molte di queste radiazioni raggiungono la superficie terreste. L'UVA rappresenta 25% della radiazione solare che penetra l’atmosfera

Oggetti molto caldi, a causa dell'emissione di corpo nero, emettono radiazione UV. Il Sole emette radiazione ultravioletta a tutte le lunghezze d’onda, incluso l'ultravioletto da vuoto, ma persino lunghezze d'onda inferiori a 10 nm (Raggi X). Le stelle particolarmente calde emettono più UV del Sole. La luce solare nell'atmosfera terrestre più esterna è composta per circa il 50% di luce infrarossa, 40% di luce visibile e 10% di luce ultravioletta, per una intensità totale di circa 1400 W/m2 nel vuoto [10].

Sulla superficie terrestre le percentuali della luce solare diventano: 44% luce visibile, 3% ultravioletto (con il Sole alla massima altezza nel cielo zenit) e il rimanente è rappresentato dall’infrarosso[11][12]. Quindi, l’atmosfera blocca circa il 77% dei raggi UV del sole e quasi totalmente le lunghezze d’onda minori quando il sole raggiunge lo zenit. Della radiazione ultravioletta che raggiunge la superficie terreste, oltre il 95% è rappresentato dagli UVA con lunghezza d’onda maggiore, una piccola parte dagli UVB. Sostanzialmente non ci sono gli UVC. La frazione che rimane degli UVB nella radiazione UV, dopo essere passata attraverso l’atmosfera, dipende dalle condizioni atmosferiche: nuvole dense bloccano efficientemente gli UVB; ma nei cieli parzialmente nuvolosi non tutti gli UVA e UVB sono bloccati, ma vengono diffusi in tutte le direzioni dell'atmosfera. Tale effetto è prodotto dallo Scattering di Rayleigh, responsabile anche della colorazione blu del cielo.

Le bande più corte degli UVC, così come la radiazione UV più energetica prodotta dal Sole, sono assorbite dall'ossigeno e generano ozono. Lo strato dell'atmosfera dove si concentra tale forma allotropica dell'ossigeno viene detta [ozonosfera]]. Il meccanismo di produzione dell'ozone è causato dalla fotolisi mediante UV dell'ossigeno biatomico e la successiva reazione con molecole di ossigeno biatomico (). L’ozonosfera ha una importanza fondamentale in quanto assorbe la maggior parte degli UVB e dei rimanenti UVC non assorbiti dall'ossigeno.

Chimica degli UV[modifica | modifica wikitesto]

La radiazione UV porta alla degradazione UV dei materiali organici, quindi, per prevenire tale decadimento si utilizzano delle molecole in grado di assorbire parte della radiazione. Esse possono a loro volta subire gli effetti negativi degli UV, rendendo necessario monitorare periodicamente la loro capacità di assorbire la radiazione.

Nei prodotti cosmetici per la protezione solare ci sono sostanze capaci di assorbire i raggi UVA/UVB, quali: avobenzone, octyl methoxycinnamate. Per gli indumenti, il fattore di protezione ultravioletta UPF (dall'inglese: Ultraviolet Protection Factor) rappresenta l’indice di protezione dagli UV, analogo al SPF (Sun Protection Factor) per i filtri solari. Solitamente i tessuti estivi hanno un UPF di circa 6, il che significa che approssimativamente il 20% degli UV riesce ad attraversare il tessuto.

Il vetro comune è in parte trasparente agli UVA, ma è opaco per lunghezze d’onda più corte, mentre nel quarzo, in base alla qualità, può essere trasparente persino alle lunghezze d’onda dell'ultravioletto da vuoto. Dal vetro delle finestre passa circa il 90% della luce sopra i 350 nm, ma blocca oltre il 90% della luce sotto i 300 nm. Conservare delle nanoparticelle in contenitori di vetro oscurato evita di far avvenire delle reazioni chimiche che provocano il cambiamento di colore a causa degli UV. A tal proposito, un insieme di filtri di vetro sarà utilizzato per calibrare i colori della fotocamera per la missione 2019 ESA Mars , per evitare una scarsa qualità delle immagini a causa dell’alto livello di UV presente sulla superficie di Marte[13].

Il vetro di Wood è uno speciale tipo di vetro inventato da Robert Williams Wood ed ha una composizione di bario-sodio-silicato che incorpora circa il 9% di ossido di nichel. È un vetro di un colore blu-violetto molto profondo che lo rende opaco a tutta la luce visibile eccetto al rosso e al violetto.

Astronomia[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Astronomia dell'ultravioletto.

I corpi celesti molto caldi emettono principalmente luce ultravioletta (legge di Wien). È difficile osservare questa luce da terra, perché lo strato di ozono che ci protegge ne blocca la maggior parte. Quindi, quasi tutte le osservazioni UV sono condotte nello spazio, usando satelliti con a bordo telescopi e rilevatori operanti nell'ultravioletto.

Effetti sulla salute umana[modifica | modifica wikitesto]

Tubi a vapori di mercurio per l'emissione di raggi ultravioletti, quello più in alto emette raggi UV-A (lampada di Wood), l'altro raggi UV-C (lampada germicida)

I raggi ultravioletti favoriscono la conversione del 7-deidrocolesterolo che può dare origine al colecalciferolo, reazioni inerenti alla chimica della vitamina D.

Gli UV possono anche indurre eccitazione della molecola di DNA, uno stato di eccitazione che può durare un tempo più o meno lungo, e normalmente il ritorno allo stato fondamentale avviene senza che vengano indotte alterazioni; episodicamente, comunque possono prodursi legami chimici impropri tra pirimidine adiacenti, danni non sempre riparati efficacemente dai meccanismi biomolecolari.[14] Gli UV-A sono considerati meno dannosi di altre bande, ma possono sempre causare ustioni ad alte dosi e una sindrome denominata acne di Maiorca. Sono comunque considerati responsabili di cancro della pelle come il melanoma, il basalioma o tumori non melanocitici, in maniera analoga ai più energetici e dannosi UV-B[15][14]

Una lampada di Wood, che emette radiazioni principalmente nello spettro degli ultravioletti A (tra i 315 e i 390 nm) e poche nello spettro della luce violetta visibile (intorno ai 400 nm).

Sono i principali responsabili dell'invecchiamento della pelle; anche gli UV-B fanno la loro parte[16]. Alte intensità di UV-B sono dannose per gli occhi, e un'esposizione prolungata può causare fotocheratiti (welder's flash in inglese, dove welder sta per saldatore (ad arco)), e fotodermatiti[17][14]. Sia gli UV-B che gli UV-C possono danneggiare le fibre di collagene, e quindi accelerare l'invecchiamento della pelle. Gli UV-A penetrano più in profondità nella pelle, rispetto agli UV-B che gli UV-C, e alterano (danneggiano) le cellule che producono le fibre di collagene o fibroblasti. La radiazione UV-B e UV-C è inoltre in grado di attivare virus come l'Herpes simplex.[14] Alcuni filtri solari (cosmetici) proteggono bene contro i raggi UV-B ma, spesso, poco contro i raggi UV-A, i maggiori responsabili dell'invecchiamento solare. L'80% delle rughe si presume sia provocato dall'esposizione al sole.

200 euro esposti nella radiazione UV

La radiazione ionizza le molecole di DNA delle cellule della pelle, inducendo basi adiacenti di timina e citosina a formare legami covalenti. Due basi adiacenti di timina o citosina non si legano in modo normale, ma causano una distorsione dell'elica del DNA, interferendo con i meccanismi di copia e in generale con il funzionamento del DNA. Il tutto porta facilmente a delle mutazioni, che spesso sfociano in episodi di cancro[14][8][18][19]. Questo effetto degli UV-B può essere facilmente osservato in colture batteriche.

Come difesa contro la luce ultravioletta, dopo una breve esposizione il corpo si abbronza rilasciando melanina, un pigmento scuro. La quantità di melanina varia a seconda del tipo e del colore della pelle. La melanina aiuta a bloccare la penetrazione degli UV e impedisce che questi danneggino la parte profonda della pelle. Creme solari che bloccano parzialmente gli UV sono disponibili in commercio. Nonostante ciò, gran parte dei dermatologi raccomanda di non esporsi troppo al sole estivo, specialmente nelle ore centrali della giornata. A maggior protezione dell'epitelio corneale, e dei mezzi diottrici oculari, quali il cristallino e la retina, è appropriato l'utilizzo di lenti protettive. Materiali in resina o vetrosi comportano un assorbimento nello spettro dei 330 nm, con adeguate colorazioni la trasmittanza degli UV viene bloccata fino al valore di 400 nm.

Effetti positivi della luce UV comprendono l'induzione della produzione di vitamina D nella pelle, vitamina che favorisce il riassorbimento di calcio a livello renale, l'assorbimento intestinale di fosforo e calcio ed i processi di mineralizzazione dell'osso e di differenziazione di alcune linee cellulari nonché l'attivazione di alcune funzioni neuromuscolari.

Le terapie Puva ad esempio per psoriasi e vitiligine sono un altro esempio di utilizzo sanitario positivo della radiazione.

Utilizzi[modifica | modifica wikitesto]

Le lampade fluorescenti sfruttano l'emissione ultravioletta del mercurio a bassa pressione. Un rivestimento fluorescente all'interno del tubo assorbe gli UV e li trasforma in luce visibile.

Arte plastica e materiali fluorescenti. (Artista: Beo Beyond)

Lampade ultraviolette (senza lo strato di conversione in luce visibile) sono usate per analizzare minerali, gemme e nell'identificazione di vari oggetti da collezione. Molti materiali sono simili in luce visibile, ma rispondono in modo diverso alla luce ultravioletta, o presentano caratteristiche di fluorescenza diverse a seconda che vengano usati UV corti o lunghi. Coloranti UV fluorescenti sono usati in molti campi (per esempio, in biochimica e nelle indagini della polizia scientifica). La proteina fluorescente Green Fluorescent Protein (GFP) è spesso usata come marker in genetica.

Le lampade ultraviolette sono anche usate per potabilizzare l'acqua e per sterilizzare ambienti e strumenti usati in ospedali e laboratori biologici, perché uccidono quasi tutti i virus ed i batteri. L'utilizzo di queste lampade nella sterilizzazione ambientale costituisce solamente un complemento ad altre tecniche di sterilizzazione, perché i vari microorganismi possono essere riparati in piccole fessure e altre parti in ombra delle stanze.

Nel processo di produzione dei microprocessori, la luce ultravioletta viene usata per dei processi di fotolitografia.

È consigliabile utilizzare protezioni per gli occhi quando si lavora con la luce ultravioletta, specie se di corta lunghezza d'onda. I normali occhiali forniscono una leggera protezione.

La radiazione ultravioletta si usa anche nella spettroscopia ultravioletta e visibile.

La radiazione ultravioletta germicida[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Radiazione ultravioletta germicida.

La radiazione ultravioletta germicida è la radiazione ultravioletta che è caratterizzata da una banda di lunghezze d'onda tale da distruggere batteri, virus e altri microorganismi, modificandone il DNA o l'RNA e quindi inattivandoli e impedendone la riproduzione. Questo principio permette la disinfezione dell'acqua e dell'aria. L'OMS ha calcolato che la potabilizzazione dell'acqua con i raggi UV costa 2 centesimi di dollaro per 1000 litri di acqua.[20]

Il SODIS[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: SODIS.

Anche i raggi UV che provengono naturalmente dal sole possono essere degli efficaci viricidi e battericidi. Il SODIS è un sistema che usa le bottiglie in PET e la luce del sole per disinfettare l'acqua.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Matthias Wacker, Sunlight and Vitamin D, in Dermato-endocrinology, vol. 5, nº 1, 1° gennaio 2013, pp. 51–108, DOI:10.4161/derm.24494.
  2. ^ Color and Light in Nature, 2nd, Cambridge, UK, Cambridge University Press, 2001, p. 231, ISBN 978-0-521-77504-5. URL consultato il 12 October 2013.
    «Limits of the eye's overall range of sensitivity extends from about 310 to 1050 nanometers».
  3. ^ Fundamentals Of Ecology 3E, Tata McGraw-Hill Education, 2009, p. 213, ISBN 978-1-259-08109-5. URL consultato il 18 October 2013.
    «Normally the human eye responds to light rays from 390 to 760 nm. This can be extended to a range of 310 to 1,050 nm under artificial conditions.».
  4. ^ Alessandro Barghini, Bruno Augusto Souza de Medeiros, UV Radiation as an Attractor for Insects (PDF), in LEUKOS JULY 2012 PAGES 47–56, vol. 9, nº 1.
  5. ^ "On a new Imponderable Substance and on a Class of Chemical Rays analogous to the rays of Dark Heat", J.W. Draper, The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 1842, LXXX, pp.453–461
  6. ^ J.W. Draper, "Description of the Tithonometer", Phil. Magazine, 23, pp. 401-415, 1843
  7. ^ The ozone layer protects humans from this. T. Lyman, Victor Schumann, in Astrophysical Journal, vol. 38, 1914, pp. 1–4, DOI:10.1086/142050.
  8. ^ a b Come gli UV danneggiano il DNA
  9. ^ ISO 21348 Definitions of Solar Irradiance Spectral Categories (PDF), spacewx.com.
  10. ^ Solar radiation (PDF), curry.eas.gatech.edu.
  11. ^ Introduction to Solar Radiation, newport.com.
  12. ^ Reference Solar Spectral Irradiance: Air Mass 1.5, rredc.nrel.gov. URL consultato il 12 novembre 2009.
  13. ^ ELLIE ZOLFAGHARIFARD, How medieval stained-glass is creating the ultimate SPACE camera: Nanoparticles used in church windows will help scientists see Mars' true colours under extreme UV light, dailymail.co.uk, 15 October 2013.
  14. ^ a b c d e Istituto Superiore di sanità:Il rischio da esposizione alla radiazione ultravioletta naturale e artificiale
  15. ^ Wang S, Setlow R, Berwick M, Polsky D, Marghoob A, Kopf A, Bart R, Ultraviolet A and melanoma: a review, in J Am Acad Dermatol, vol. 44, nº 5, 2001, pp. 837–46, DOI:10.1067/mjd.2001.114594, PMID 11312434.
  16. ^ Photoaging of the skin
  17. ^ John A. Parrish, Kurt F. Jaenicke, R. Rox Anderson, Erythema and melanogenesis action spectra of normal human skin, in Photochemistry and Photobiology, vol. 36, nº 2, 1982, p. 187–191, DOI:10.1111/j.1751-1097.1982.tb04362.x, PMID 7122713.
  18. ^ Molecular Mechanisms of Ultraviolet Radiation-Induced DNA Damage and Repair
  19. ^ Effects of Solar Ultraviolet Photons on Mammalian Cell DNA
  20. ^ WHO - Water Sanitation and Health: sistemi per la potabilizzazione

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

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Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

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