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Rubrica di meteorologia

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La Radiazione Solare

 

 

Informazioni generali

La radiazione solare include la radiazione ultravioletta (UV), la radiazione visibile (luce), e la radiazione infrarossa (IR). Vedete figure sotto.

La radiazione e' caratterizzata dalla lunghezza d’onda, generalmente espressa in nanometri (1nm=1 miliardesimo di metri). In questa pagina ci occuperemo di analizzare la radiazione ultravioletta. Nel descrivere gli effetti biologici la radiazione ultravioletta e' spesso suddivisa in tre bande spettrali:

 

UV-C (100-280 nm) E’ la componente piu' dannosa per gli esseri viventi, completamente assorbita, tuttavia, dall’ossigeno e dall’ozono presenti nell’alta atmosfera.  Gli UV- C rappresentano lo 0.5% dell’energia totale solare terrestre.

UV-B (280-315 nm)  L’ozono stratosferico e' il maggiore assorbitore di questa componente UV-B. Essa rappresenta l’1,5% dell’energia totale solare. Grazie all’effetto di “schermatura” dell’ozono, la radiazione che raggiunge la superficie terrestre ha generalmente lunghezza d’onda maggiore di 290 nm.

UV-A (315-400 nm)  L’80 % degli UV e' compreso in questo intervallo che contiene il 6,3% dell’energia solare extraterrestre.

 

Le componenti UV-A e UV-B sono responsabili dell’abbronzatura della pelle.

La radiazione UV puo' essere misurata come irradianza – radiazione incidente sull’unita' di superficie – espressa in W/m2, o come dose – energia incidente sull’unita' di superficie durante un determinato periodo di tempo – espressa in J/m2.

Sotto sono descritti i fattori che influenzano la radiazione UV incidente sulla superficie terrestre.

 

Ozono atmosferico
La radiazione UV e' assorbita e diffusa dall’atmosfera.

La radiazione UV-C viene completamente assorbita nell’alta atmosfera dalle molecole di ossigeno e di ozono.

Gran parte della radiazione UV-B e' assorbita nella stratosfera dalle molecole di ozono e solo una piccola percentuale raggiunge la superficie terrestre.

La radiazione UV-A attraversa liberamente l’atmosfera.

Quindi, a livello di superficie terrestre  la radiazione UV e' composta principalmente da UV-A e solo in piccola parte da UV-B.

La radiazione UV-B e' nota per essere dannosa biologicamente, mentre quella UV-A e' molto meno dannosa, ma e' nota per il suo potere abbronzante sulla pelle umana.

L’intensita' della radiazione UV-B incidente sulla superficie terrestre dipende fortemente dal contenuto di ozono nell’atmosfera e quindi dallo spessore dello strato di ozono. Un fattore, che descrive la sensibilita' dell’intensita' della radiazione UV-B alle variazioni dell’ozono totale e' il cosiddetto Radiation Amplification Factor (RAF).

Per piccole variazioni nello spessore dello strato di ozono il RAF rappresenta la variazione percentuale dell’intensita' della radiazione UV-B per una variazione dell’1% nella colonna totale di ozono.

 

Elevazione solare
L’elevazione solare e' l’angolo tra un piano orizzontale e la direzione dei raggi solari. L’angolo zenitale solare (SZA) e' spesso impiegato al posto dell’elevazione solare: e' l’angolo fra lo zenith e la direzione dei raggi solari. Per ampie elevazioni solari la radiazione UV e' piu' intensa perche' i raggi solari devono compiere un tragitto piu' breve nell’atmosfera e quindi attraversano una minore quantita' di sostanze assorbenti. Poiche' la radiazione UV dipende strettamente dall’elevazione solare variera' anche con la latitudine, con la stagione e con l’ora del giorno, ed infatti e'  piu' alta ai tropici, in estate e al mezzogiorno.

 

Altitudine
La radiazione UV incidente aumenta con l’altitudine perche' la quantita' di sostanze in grado di assorbirla decresce con la quota. Da alcuni rilevamenti emerge come l’irradianza UV aumenti di circa il 6-8% ogni 1000 metri di quota.

 

Diffusione atmosferica
La radiazione solare e' costituita da una componente diretta e da una diffusa.

La radiazione solare viene diffusa dalle molecole di aria, di aerosol e di vapor d’acqua.

La componente diretta e' costituita dai raggi solari che attraversano direttamente l’atmosfera senza aver subito diffusione ed assorbimento.

La componente diffusa e' costituita da raggi solari che sono stati sottoposti a diffusione prima di raggiungere la superficie terrestre.

La diffusione dipende molto dalla lunghezza d’onda della radiazione. Il cielo sembra azzurro perche' la radiazione azzurra e' diffusa molto di piu' rispetto alle altre componenti. La radiazione UV viene diffusa ancora piu' facilmente e la radiazione UV-B che giunge sulla terra e' costituita da componente diretta e diffusa nel rapporto 1:1 (durante giornate serene).

 

Nubi e foschia

La radiazione UV incidente e' maggiore se il cielo e' sereno. Le nubi generalmente riducono la radiazione UV, ma l’attenuazione  dovuta alle nubi dipende sia dallo spessore che dal tipo di nube. Nubi sottili o molto sparse hanno soltanto un piccolo effetto sulla radiazione UV che giunge al suolo. In certe condizioni e per brevi periodi, scarsa presenza di nubi puo' anche provocare un aumento della radiazione UV rispetto a quella che si avrebbe in condizioni di cielo sereno. In condizioni di foschia la radiazione UV e' assorbita e diffusa dal vapor d’acqua e dagli aerosol provocandone una  attenuazione.

 

Riflessione del suolo
Parte della radiazione che raggiunge il suolo viene assorbita dalla superficie del suolo ed in parte viene riflessa verso lo spazio. La quantita' di radiazione riflessa dipende dalle caratteristiche della superficie. Molte superfici naturali come prati, suolo nudo ed acqua riflettono meno del 10% della radiazione incidente. La neve fresca, invece, puo' riflettere fino all’80% della radiazione incidente. Durante la primavera, in giornate di cielo sereno la riflessione della neve puo' far salire i valori di radiazione UV, su superfici inclinate, fino a valori estivi. Questo e' molto importante ad alte altitudini e ad elevate latitudini. La sabbia puo' riflettere fino al 25% circa della radiazione incidente e puo' incrementare l’esposizione alla radiazione UV sulle spiagge. Circa il 95 % della radiazione UV penetra nell’acqua e circa il 50% arriva alla profondita' di 3m (in acqua limpida).

 

L'Indice UV

 

Definizione

L’indice UV si calcola moltiplicando l’intensita' della radiazione UV efficace nello stimolare l’insorgenza dell’eritema solare(radiazione eritemigena) per il fattore 40 (m2/W). L’intensita' della radiazione eritemigena corrisponde alla dose di radiazione in grado di provocare una scottatura.

 

L'indice UV e' la quantita' di danno alla pelle provocata dalla radiazione UV quando il sole si trova nella posizione piu' alta nel cielo. La quantita' di radiazione UV, che raggiunge la terra, e' in relazione all'elevazione del sole nel cielo, alla quantita' di ozono nella stratosfera e alla copertura nuvolosa. L'indice UV varia da 0 (durante la notte) a 15 o 16 (ai tropici in pieno sole). La radiazione UV non e' costante durante la giornata, presenta un picco quando il sole si trova nella posizione piu' alta, mentre risulta essere bassa al tramonto e al mattino. Piu' e' alto l'indice UV, e piu' elevato sara' il danno provocato alla pelle. Conseguentemente, piu' alto e' l'indice UV e minore dovra' essere il tempo di esposizione al sole.

Le Piante e animali sono particolarmente sensibili alle radiazioni UV-B. Gli UV-B provocano sull'uomo, eritemi, una riduzione della sintesi della vitamina D, lo sviluppo di cancro alla pelle ed un indebolimento del sistema immunitario. La radiazione UV-A va da 320 a 400 nm. Lo strato di ozono assorbe poco questa fascia di radiazioni.

La radiazione UV-A e' necessaria per la sintesi della vitamina D; tuttavia, dosi troppe elevate di radiazioni UV-A causano un precoce invecchiamento della pelle ed un indebolimento del sistema immunitario. I simboli sulle mappe riportate sotto mostrano l'indice UV per diverse zone Europee.

Il rischio di danno alla pelle puo' essere determinato, dalla seguente tabella:

Indice UV	Pelle molto Chiara	Pelle Chiara	Pelle Scura	Pelle Molto Scura
1-2	Basso	Basso	Basso	Basso
3-4	Medio	Basso	Basso	Basso
5	Alto	Medio	Basso	Basso
6	Molto Alto	Medio	Medio	Basso
7	Molto Alto	Alto	Medio	Medio
8	Molto Alto	Alto	Medio	Medio
9	Molto Alto	Alto	Medio	Medio
10	Molto Alto	Alto	Alto	Medio

 

 

 Radiazione UV e spettri di azione
Uno spettro di azione descrive l’effetto relativo della radiazione UV, per ciascuna lunghezza d’onda (280-400 nm), nel determinare una certa risposta biologica.

La risposta biologica puo' essere riferita a vari effetti dannosi e per svariati soggetti biologici come uomo, animali e piante.

Uno spettro di azione per un dato effetto biologico viene impiegato come fattore moltiplicativo, dipendente dalla lunghezza d’onda; le irradianze a ciascuna lunghezza d’onda vengono moltiplicate per i rispettivi coefficienti dello spettro di azione ed infine sommate (integrate) sull’intero intervallo di lunghezza d’onda UV al fine di trovare l’irradianza biologicamente efficace (in W/m2) della radiazione in esame.

La dose UV (in J/m2) per un particolare periodo di esposizione viene determinata sommando (integrando) l’irradianza biologicamente efficace sull’intero periodo di esposizione. I piu' importanti sono gli spettri di azione dell’eritema, dell’assorbimento del DNA e quello relativo al tumore della pelle.

 

Minima dose per l’eritema
Poiche' l’ustione da sole e' uno dei piu' frequenti effetti negativi sulla pelle dell’uomo, lo spettro di azione piu' consigliato nella determinazione dei danni provocati dalla radiazione UV sulla  pelle, risulta essere quello del CIE relativo all’eritema.

La “Dose Minima per l’Eritema” (MED) viene impiegata per descrivere le potenzialita' della radiazione UV nell’indurre la formazione dell’eritema e 1 MED viene definita come la dose di UV effettiva in grado di provocare un arrossamento percettibile della pelle umana non precedentemente esposta al sole.

Comunque, poiche' le persone non sono ugualmente sensibili alla radiazione UV a causa delle differenti capacita' di autodifesa della pelle (pigmentazione), 1 MED varia fra le popolazioni europee in un intervallo compreso fra 200 e 500 (in J/m2).

 

L’Indice UV – Un parametro sulla radiazione UV per la popolazione
Originariamente l’indice UV e' stato definito in modi diversi nei vari paesi ed e' stato utilizzato per informare la popolazione sui rischi legati alla radiazione UV.

In seguito la sua definizione e' stata standardizzata e pubblicata dall’Organizzazione Mondiale della Sanita' (WHO), dall’Organizzazione Meteorologica Mondiale (WMO),  dal Programma Ambiente delle Nazioni Unite (UNEP) e dalla Commissione Nazionale sulle Radiazioni Non-Ionizzanti (ICNIRP).

L’Indice UV e' raccomandato come mezzo per la diffusione al pubblico dei rischi alla salute derivanti dalla esposizione alla radiazione UV ed al fine di informare la popolazione sulle misure di protezione da adottare.

Esiste un documento emesso dal WHO (World Health Organization) che e' una interessante guida all'indice UV. La potete scaricare cliccando qui.

Se la nuvolosita' ed altre rilevanti variabili ambientali sono tenute in considerazione nel calcolo dell’ Indice UV, i fattori di correzione che sono usati nel calcolo dovrebbero essere stabiliti.

 

Uso pratico dell'indice UV

 

L’indice UV e le sue variazioni indotte dalle nubi e dalla quota
L’irradianza ultravioletta in una qualunque localita' e' influenzata dalle nubi e dipende dalla quota sul livello del mare. Se, ad una certa quota, UVI₀ rappresenta l’indice UV per cielo sereno la seguente equazione puo' essere utilizzata per calcolare l’indice UV, per cielo nuvoloso ad una quota diversa:

UV = UVI₀ x CMF x (1+ 0.08 x dH)

dove CMF e' chiamato Fattore di Modificazione per le Nubi (numero compreso tra 0 e 1 – vedi tabella 1) e dH e' la differenze di quota (in Km) fra le due quote. La tabella 1 mostra i valori di CMF per vari tipi di nube e diversi gradi di copertura del cielo.

Tipi di cute
L’effetto dannoso della radiazione UV non dipende soltanto dalla dose ricevuta, ma anche dalla sensibilita' dei vari individui. La cute umana viene classificata in quattro gruppi sulla base della sua capacita' di abbronzarsi. Questa classificazione e' presentata nella tabella 2, che fornisce anche la dose approssimativa (in J/m2) necessaria a provocare l’arrossamento della cute (1 MED). Quindi  1 MED varia al variare dei tipi di cute.

Tempo di esposizione consigliato
E’ il tempo massimo di esposizione al sole senza subire scottature, non avendo adottato alcuna precauzione. Tale tempo puo' essere calcolato per ciascun tipo di cute sulla base dell’Indice UV e del valore di 1 MED per ogni tipo di cute. Ad esempio, in Figura 3 sono rappresentati i tempi di esposizione consigliati per differenti valori di Indice UV e MED secondo la definizione DIN-5050 (vedi tabella 2). E’ importante sottolineare come il valore di 1 MED non sia un valore preciso per ciascun tipo di cute. Studi dermatologici hanno evidenziato come per uno stesso tipo di cute il valore di 1 MED possa variare considerevolmente a seconda della sensibilita' individuale. Per descrivere ulteriormente questo fenomeno sarebbero necessari dettagliati studi sulla fotosensibilita' delle popolazioni europee.

Esposizione al sole
La cute e gli occhi sono gli organi sottoposti alla maggiore esposizione ai raggi ultravioletti solari. Sebbene i capelli e le unghie siano anch’essi ben esposti sono molto meno importanti dal punto di vista medico. L’esposizione ai raggi ultravioletti puo' produrre sia effetti cronici che acuti sulla cute, sugli occhi e sul sistema immunitario. Gli effetti acuti includono l’eritema della pelle e la fotocheratite degli occhi. Gli effetti cronici sono il cancro della cute ed il suo precoce invecchiamento, mentre gli effetti cronici sugli occhi includono la cataratta, ecc.  Mentre la radiazione UV-B causa l’eritema e vari tumori della pelle, la radiazione UV-A ha un principale effetto sui tessuti sottocutanei e puo' alterare la struttura delle fibre elastiche e quindi provocare un precoce invecchiamento della pelle. E’ comunque  importante sapere che la pelle possiede una certa capacita' di adattamento parziale alla radiazione UV grazie alla produzione della melanina, cosa che invece non e' possibile per l’occhio umano.

Protezione della cute
La cute e' ben protetta dagli abiti. Una maglietta, un cappello ed un paio di pantaloni proteggono molto bene dalla radiazione solare. Abiti trasparenti alla radiazione UV devono essere indicati chiaramente. Le parti di cute che non sono protette dagli abiti dovrebbero essere protette mediante l’impiego di creme solari contenenti filtri UVA e UVB. Alla prima esposizione al sole della stagione si raccomanda l’uso di creme solari con fattore di protezione (SPF) di 15, mentre per i bambini sarebbe necessario salire fino a 20. Un’attenzione particolare va rivolta per i bambini ed i neonati. Inoltre e' da considerare che il potere protettivo di una crema solare, oltre che dalla qualita' della stessa, dipende dalla corretta applicazione della crema. Per la maggior parte degli individui adulti la corretta quantita' di crema da impiegare corrisponde a circa 30-40 grammi (una mano piena) al fine di ottenere l’effetto del fattore di protezione dichiarato.  Le creme vanno applicate prima dell’esposizione al sole e subito dopo ogni bagno. Le creme, se opportunamente utilizzate proteggono da scottature, tumori della pelle ed dal suo invecchiamento.

Creme solari e fattori di protezione
Il fattore di protezione solare delle creme solari indica quanto piu' a lungo tu possa stare esposto al sole senza scottarti, impiegando la crema, rispetto al tempo che vi potresti permanere senza. Per esempio, se il tuo tempo di esposizione consigliato e' 30 minuti, utilizzando una crema con fattore protettivo 8 il tempo di esposizione sale di 8 volte e cioe' fino a 4 ore (senza scottarsi). E’ da notare come applicando piu' volte la stessa crema, non si aumenta il tempo di esposizione consigliato – cioe' non esiste un effetto additivo; l’unica cosa che si puo' fare per aumentare il tempo di esposizione e' quella di utilizzare una crema con fattore protettivo maggiore.  Inoltre, la crema applicata un giorno non ha piu' effetto il successivo, l’effetto protettivo esiste solo nel giorno stesso dell’applicazione. Creme con fattori protettivi superiori a 30 non hanno molto senso e sono prodotti principalmente per scopi commerciali.

Oltre al tipo di cute, anche alcune reazioni cutanee o oculari  possono modificare la sensibilita' alla radiazione ultravioletta. Tali reazioni di fotosensibilita' possono essere causate da numerosi agenti interni o esterni. Alcune droghe, antibiotici, o vari tipi di antiinfiammatori, antimicrobici, profumi ecc.  possono favorire eritemi anche per basse dosi di radiazione UV.

Protezione degli occhi
Gli occhi possono essere protetti da occhiali con lenti dotate di filtri UVA e UVB, il tipo di filtro deve essere indicato dal produttore. Occhiali con filtri UVA e UVB sono particolarmente indicati per i bambini poiche' la trasmissione della radiazione UV negli occhi e' maggiore nei bambini che negli adulti, essendo la loro retina meno spessa. Gli occhiali senza filtri UV non dovrebbero essere utilizzati.

Una semplice guida per l’adozione delle misure protettive per diversi livelli di indice UV e per le cuti piu' sensibili (cute di tipo I e neonati) e per cuti piu' tolleranti (tipo III) e' presentata in tabella 4. Questa guida rappresenta soltanto indicazioni sommarie ed e' un esempio di come il pubblico potrebbe essere informato.

Tabella 4: Semplice guida per l’adozione delle misure di protezione