紫外線輻射對人體的影響及其預報
摘 要: 世界氣象組織規定了單位紫外線指數相當于25mw/ m2 的紅斑加權劑量率。紫外線指數預報,大致可分為統計預報和模式預報兩種方法。統計預報主要依賴于紫外線的實測資料和對相關氣象要素的觀測。而模式預報主要依賴于對平流層臭氧的預報和大氣輻射傳輸模式的應用。關鍵詞: 紫外線; 太陽輻射; 人體健康。
紫外線的監測與預報是城市環境氣象服務的一個重要組成部分, 與常規天氣預報相比, 它的資料采集, 分析研究, 預報制作, 產品開發都與前者不大相同, 它所涉及的范圍廣, 內容多。
1 太陽輻射與紫外線
太陽輻射是以電磁輻射的形式傳遞給地球的,它包括了γ射線、χ射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電波等等, 它們構成了完整的太陽光譜。紫外線是太陽輻射的重要組成部分, 它不但對細菌有破壞作用, 而且對病毒也有殺傷作用。另外, 紫外線還可用于空氣和飲水的消毒。紫外線在太陽光譜中, 位于紫光和χ 射線之間, 波長約為5～400nm , 肉眼無法看見。但是,凡能透過可見光的物質, 也能吸收紫外線, 例如,玻璃能吸收波長小于350nm 的紫外線, 空氣能吸收波長小于200nm 的紫外線。表1 光波長及其對應顏色紫藍淺蘭綠黃綠黃橙紅波長范圍
2 紫外線對人體健康的影響
紫外線的波長在5 - 400nm 之間。按其波長分為: 長波紫外線(UVA) , 波長在320 - 400nm 之間; 中波紫外線(UVB) , 波長在290 - 315nm 之間; 短波紫外線(UVC) , 波長在290nm 以下。由于短波紫外線(UVC) 大部分被臭氧層和云層吸收, 能到達地面并影響人體健康的只不過是長波(UVA) 和中波紫外線(UVB) 。UVB 作用于皮膚表層, 短時間內, 就會引起皮膚發紅, 誘發炎癥, 對皮膚細胞造成傷害。夏季外出旅游, 海濱游泳, 人們發現皮膚變黑了, 這就是由于UVB 照射的原因。因此, 人們把UVB 叫做休假紫外線。UVA 作用于皮膚表層時, 約有35 %～50 %透過表層, 到達真皮層, 其見效雖不象UVB 那么快,但卻能引起一次性的皮膚黑化, 令肌膚長時間失去彈性。同時, 還有助于擴大UVB 的影響, 具有相當于15 倍UVB 的量。由于UVA 屬于長波紫外線,其波長足以穿透玻璃窗, 窗簾, 甚至陰雨天也可以穿過云層, 射到皮膚。于是, 人們把UVA 稱為生活紫外線。
紫外線輻射對皮膚的傷害主要來自UVA 和UVB。UVB 在夏季特別強, 受UVB 的過度照射后,皮膚產生紅斑, 表皮增厚并老化, 甚至出現皮膚癌; UVA 不隨季節變化, 受UVA 的過度照射后,皮膚彈性降低, 皺紋增多, 老化加速, 這些都屬于不可復原的損傷, 決不可等閑視之。人們接觸的陽光中, 約有6 %左右是紫外線。其中, UVB 約占015 % , UVA 約占516 % , 后者是前者的10 倍之多。紫外線不僅存在于直射的日光之中, 還存在于下墊面的反射之中。積雪的反射率最強為85 % ,沙灘為25 % , 水面為5 % , 綠地為3 %。在日光下,人體受到日光和下墊面反射光同時照射。陰天約有60 %～80 %的紫外線能穿透云層, 到達地面。即使在雨天, 還會有20 %～40 %的紫外線威脅皮膚。所以, 護膚應是全天候的。紫外線隨著海拔升高,強度增大, 海拔高度每上升100 米, 紫外線輻射強度增加113 %。冰雪覆蓋的高山、雪原, 對眼睛的危害較大, 容易引起結膜炎、角膜炎、雪盲癥等。
3 紫外線輻射強度預報
使用“紫外線指數預報”。“紫外線輻射強度”是指一天中太陽在空中的最高位置(一般是中午前后) ,到達地面的太陽光中紫外線輻射對人體的皮膚、眼睛等可能的損壞程度。
311 預報量級的劃分
紫外線指數的取值范圍為0 - 15 ; 預報等級分為5 級, 各級所對應的紫外線指數及其輻射強度,對人體可能的影響和所需采取的防護措施見表2。表2級別到達地面的紫外線輻射量( 280 ～400nm)W/ m2紫外線指數紫外線輻射強度對人體可能影響( 皮膚曬紅時間[分鐘])需采取的防護措施一級< 5 0 , 1 , 2 最弱100 - 180 不需采取防護措施;二級5 - 10 3 , 4 弱60 - 100 可以適當采取防護措施, 如: 涂抹防曬霜等三級10 - 15 5 , 6 中等30 - 60 外出時戴遮陽帽, 太陽鏡和太陽傘等, 涂抹SPF 大于15 的防曬霜;四級15 - 30 7 , 8 , 9 強20 - 40 除了上述防護措施外, 上午十點至下午四點避免外出, 或盡可能在遮陰處;五級〉= 30 10 或大于10 很強小于20 盡可能不在室外活動, 必需外出時, 要采取各種防護措施。
312 紫外線輻射強度預報模式
31211 晴天無云情況
3121111 瞬時通量密度
瞬時UV 輻射通量密度參數化公式為:Ωw - 1 ="η•Ω•(a/" r) 2 [1 ]式中ΩW- 1為晴天紫外線總輻射; Ω 為太陽總輻射; ΩW- 1與Ω的比值η暫定為01053(a/ r) 2 為日地距離訂正值:(a/ r)2 ="1100011" +01034221cos (d) +0100128sin (d) +01000719cos2d + 01000077sin2d [2 ]其中: d = 2πm/ 365m 為日數(正整數) , 以1 月1日為始, 12 月31 日為止。由于1 月1日(a/ r) = 019832 , 7 月1日(a/ r) = 1101671 , 與1 的偏差很小, 故不作日地距離訂正也行。Ω的預報方程是: Ω= So (C1 - C2τ) •Sin (h)[3 ]式中So 為太陽常數(So = 1367W/ m2 ±013 %) ,C1C2 為經驗系數, Benov 分別取C1 = 01944 , C2 ="01063" , τ為混濁度系數, 對于空氣污染較重的大城市τ= 315 - 415 , 中小城市τ= 215 - 315 , 鄉村τ="115" - 215。h 為太陽高度角: Sin (h) = sinΦsinδ+cosΦcosδ•cosω [4 ]這里Φ 為城市緯度, δ為太陽赤緯, ω 為時角。ω= (12 - ΤRE) ( - π/ 12) (弧度) [5 ]式中ΤRE表示真太陽時, 它與地方時ΤLOC的關系為ΤRE ="ΤLOC" + △T (時) [6 ]ΤLOC = T北京+ (λ2120°E) ×4′(時)這里λ為城市緯度, T北京表示北京時, △T 表示時差, 由于它很小可以忽視不計。太陽赤緯δ的近似公式, 即δ= 01006918 - 01399912cos ( d) + 01070257sin( d ) - 01006758cos2d + 01000907sin2d -01002697cos3d + 0100148sin3d (弧度) [7 ]其中d 同[2 ] 式3121112 任意時段(ω12ω2) 內的UV 總量ΩT- 1 = ∫ωω21ΩUV - 1dω [8 ]將[1 ] - [ 7 ] 式代入[ 8 ] 積分后即可得到時段ω1 - ω2 內的UV 總量。當ω1 為日出, 或ω2 為日落時, 還需計算出相應的日出日落時的時角ω0 ,ω0 = - arccos ( - tgφ•tgδ) [9 ]天空有云時的UV 總輻射ΩW- 2是在晴天UV 總輻射的基礎上進行云量、反射率和季節等因素的訂正, 方法是ΩUB - 2 = [ △ΩW+f (ω, δ, η) ] ΩUV - 1 [10 ]式中△ΩSUV = 011 ×ηt (A1•A2) / (1 - A1A2) [11 ]這里ηr 為總云量, A1 和A2 分別為地面和云對UV 的反射率, A2≈011 ; A1 取為黃裸地01024 , 黑裸地01066 , 水泥地01067 , 砂地01042 , 草地01021 , 新雪01835。無量綱函數f (ω, δ, η) 的表達式為f (ω, δ, η) = (β1η1 +β2η2 +β3η3 ) sin (δ+01369445π) [12 ]其中δ為太陽赤緯, 同(7) 式; η1 , η2 和η3–47 –紫外線輻射對人體的影響及其預報
4 紫外線防御對策
由于臭氧層被破壞, 達到地面的紫外線輻射量增加, 給人類和地球生物帶來各式各樣的問題。有研究表明, 即使全球都能實現目前限制使用氟里昂的計劃, 今后紫外線的增加還要持續20 年左右,恢復臭氧和原狀則需要50 年的時間。在21 世紀, 人們需要調整工業布局, 保護大氣層。同時, 人們還需要改變生活習慣, 學會使用化妝品防御紫外線對皮膚的損害, 以對付不斷增強的紫外線。在防紫外線的遮光藥品中, 如能將紫外線吸收劑和散射劑適當配合起來, 就可以防御到達地面的長波紫外線(UVA) 和中波紫外線(UVB) 對皮膚的損害。表示防御程度的指標是SPF (太陽防護指數) , SPF 值越高, 表示防御紫外線的能力越強。根據日本氣象廳的計算, SPF = 35 就足夠了。為了避免紫外線輻射的危害, 夏季, 人們應盡可能避開午間外出。必須外出時, 應采取防護措施, 如戴太陽鏡, 遮陽帽等等。另外, 在服裝的顏色上, 以紅色最佳, 白色次之, 黑色避之。因為,黑色衣服能大量吸收紫外線, 而紅色衣服則能迅速“吃掉”紫外線。
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