josé a. martínez lozano grupo de radiación solar de valencia mayo 2003 radiación solar uv...
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José A. Martínez Lozano
Grupo de Radiación Solar de Valencia
Mayo 2003
Radiación Solar UVEfectos Biológicos
Radiación solar UV. Efectos biológicos 2
Radiación Solar UV. Efectos Biológicos
• El espectro de la radiación UV. Influencia de la atmósfera.
• Medida de la radiación UV a nivel del suelo. • Efectos biológicos de la radiación UV.• Fotoprotección.
• El índice de predicción eritematica (UVI). • Modelización de la radiación UV.• La predicción del UVI en la Comunidad Valenciana.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 4
Influencia de la atmósfera
El espectro de la radiación emitida por el solIrradiancia solar espectral () comparada con la irradiancia espectral de un
cuerpo negro a 5777 K (---).
Radiación solar UV. Efectos biológicos 5
Influencia de la atmósfera
Radiación solar UVDistribución de la irradiancia solar extraterrestre
Banda EspectralLong. onda
(nm)Irradiancia
I (W.m-2)Fracción del total
(%)
Ultravioleta 109.8 8.0
Visible400 <
634.4 46.4
Infrarrojo 622.8 45.6
Radiación solar UV. Efectos biológicos 6
Influencia de la atmósfera
Radiación solar UVDistribución de la irradiancia solar ultravioleta extraterrestre
Banda EspectralLong. onda
(nm)IrradianciaI (W.m-2)
Fracción del total (%)
UV-C250 < <
29011.0 0.8
UV-B 290 < < 320 23.6 1.7
UV-A 320 < < 400 75.2 5.5
Radiación solar UV. Efectos biológicos 7
Influencia de la atmósfera
Efectos de la atmósfera sobre la radiación solar UVAbsorción
Mecanismos de absorción-emisión de los elementos gaseosos
Atómos:• Transiciones electrónicas
Moléculas diatómicas:• Transiciones electrónicas• Transiciones vibracionales• Transiciones rotacionales
Moléculas triatómicas:• Transiciones electrónicas• Transiciones vibracionales• Transiciones rotacionales
Radiación solar UV. Efectos biológicos 8
Influencia de la atmósfera
Efectos de la atmósfera sobre la radiación solar UVAbsorción
Constituyentes gaseosos de la atmósfera
Formando moléculas diatómicas:• Nitrógeno Molecular (N2)
• Oxígeno Molecular (O2)
Transiciones energéticas:Electrónicas y vibracionales.
Muy energéticas. Bandas de absorción ubicadas en el UV y visible.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 9
Influencia de la atmósfera
Efectos de la atmósfera sobre la radiación solar UVAbsorción
Constituyentes gaseosos de la atmósfera
Formando moléculas triatómicas:Lineales: Dióxido de carbono (CO2),
Oxidos de nitrógeno (NO2)Transiciones electrónicas, vibracionales y rotacionales con dos
grados de libertad (abarcan hasta el IR térmico)
Triangulares top: Ozono (O3) Vapor de agua (H2O)
Transiciones electrónicas, vibracionales y rotacionales con tres grados de libertad (abarcan hasta el microondas)
Radiación solar UV. Efectos biológicos 10
Influencia de la atmósfera
Efectos de la atmósfera sobre la radiación solar UVAbsorción
Radiación solar UV. Efectos biológicos 11
Influencia de la atmósfera
Efectos de la atmósfera sobre la radiación solar UVAbsorción
Componentes gaseosos con bandas de absorción en el UV
Moléculas diatómicas• Nitrógeno Molecular (N2)
• Oxígeno Molecular (O2)
Moléculas triatómicas• Lineales: Oxidos de nitrógeno (NO2)
• Triangulares top: Ozono (O3)
Radiación solar UV. Efectos biológicos 12
Influencia de la atmósfera
Efectos de la atmósfera sobre la radiación solar UVAbsorción
Componentes gaseosos con bandas de absorción en el UV
Moléculas diatómicasNitrógeno Molecular (N2)
Bandas de absorción - 80 nm: bandas de ionización
80 - 100 nm: Tanaka-Werley100 - 145 nm: Lyman-Birge-Hopfield
Radiación solar UV. Efectos biológicos 13
Influencia de la atmósfera
Efectos de la atmósfera sobre la radiación solar UVAbsorción
Componentes gaseosos con bandas de absorción en el UV
Moléculas diatómicasOxígeno Molecular (O2)
Bandas de absorción - 100 nm : Hopfiel100 - 125 nm: Bandas no muy bien conocidas. Lyman (121.6 nm)125 - 200 nm: Schumann-Runge. Continuo en 175-200 nm200 - 260 nm: Horzberg. Continuo muy débil.
Se solapa con la Hartley de ozono
Radiación solar UV. Efectos biológicos 14
Influencia de la atmósfera
Efectos de la atmósfera sobre la radiación solar UVAbsorción
Componentes gaseosos con bandas de absorción en el UV
Moléculas triatómicasOzono (O3)
Bandas de absorción200 - 300 nm: Hartley. La más fuerte300 - 360 nm: Huggins. Fuerte dependencia con la temperatura400 - 850 nm: Chappuis. Máximo amplio alrededor de 600 nm. Es la única absorción importante en el visible
Radiación solar UV. Efectos biológicos 15
Influencia de la atmósfera
Efectos de la atmósfera sobre la radiación solar UVAbsorción
Componentes gaseosos con bandas de absorción en el UV
Moléculas triatómicasOxidos de Nitrógeno (NO2)
Bandas de absorciónPresenta una banda que se extiende de 200-600 nm, aunque su
influencia es mucho menor que la del ozono.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 16
Influencia de la atmósfera
Efectos de la atmósfera sobre la radiación solar UVAbsorción
Radiación solar UV. Efectos biológicos 17
Influencia de la atmósfera
Efectos de la atmósfera sobre la radiación solar UVAbsorción
Perfil de absorción con la altura
Termosfera: Oxigeno Molecular (Schumann-Runge 100-175 nm) Mesosfera: Oxigeno Molecular (Schumann-Runge 175-200 nm) Estratosfera Oxigeno Molecular (Herzberg 200-240 nm) Ozono (Hartley 200-310 nm)Estratosfera/troposfera Ozono Huggins 310-400 nm)Troposfera Ozono (Chappuis 400-850 nm)
Radiación solar UV. Efectos biológicos 18
Influencia de la atmósfera
Efectos de la atmósfera sobre la radiación solar UVAbsorción
Efectos de la absorcion
Termosfera (para alturas superiores a 100 km)
-100 nm : Oxígeno molecular se disocia en Oxigeno atómico Nitrógeno molecular se disocia en Nitrógeno atómico
O y N presentan bandas de absorción electrónicas.Absorben la UV más energética y se ionizan
Formación de las capas de la Ionosfera
Radiación solar UV. Efectos biológicos 19
Influencia de la atmósfera
Efectos de la atmósfera sobre la radiación solar UVAbsorción
Efectos de la absorcion
Atmósfera Media (Troposfera+Estratosfera)
Fotoquímica del Ozono
Radiación solar UV. Efectos biológicos 20
Influencia de la atmósfera
Fotoquímica del ozono (Bases de la teoría de Chapman, 1930)
Disociación del O2 por absorción
de radiación de alta frecuencia
O2 + h O + O (< 242 nm)
Recombinación parcial
O2 + O + M O3 + M
(M molécula de aire necesaria
para la conservación del momento)
Radiación solar UV. Efectos biológicos 21
Influencia de la atmósfera
Fotoquímica del ozono (Bases de la teoría de Chapman, 1930)
Destrucción parcial (fotodisociación)
O3 + h O2 + O (> 242 nm)
Otras reacciones desencadenadas por el O generado en la disociación de O2
O + O3 2O2
O + O + M O3 + M
Este esquema es el responsable del máximo de O3 en la estratosfera media
Radiación solar UV. Efectos biológicos 22
Influencia de la atmósfera
Fotoquímica del ozono (Bases de la teoría de Chapman, 1930)
Radiación solar UV. Efectos biológicos 23
Influencia de la atmósfera
Fotoquímica del ozono
Este ciclo natural puede verse alterado por distintos mecanismos de destrucción de ozono, que tienen lugar a diferentes alturas de la atmósfera: Alta estratosfera (por encima de 55 km)
Radicales OH y átomos de H, producidos por la disociación de H2 y NH4.
Estratosfera media• Óxidos de nitrógeno. El causante es el NO, que a su vez
deriva del N2O que es un contaminante producido en la superficie
• Cloro (denominado en este contexto clorina). Deriva de la disociación de los CFC (básicamente CFC-11 y CFC-12) generados en la superficie
Radiación solar UV. Efectos biológicos 24
Influencia de la atmósfera
Fotoquímica del ozono
Destrucción por oxidos de nitrógenoNO + O3 NO2 + O2
N O2 + O NO + O2
Balance neto: O3 + O 2 O2
Destrucción por clorinaCl + O3 ClO + O2
ClO + O Cl + O2
Balance neto: O3 + O 2 O2
Radiación solar UV. Efectos biológicos 25
Influencia de la atmósfera
Fotoquímica del ozonoDestrucción del ozono antártico: 2O3 + Cl = 3O2 + Cl
Radiación solar UV. Efectos biológicos 26
Influencia de la atmósfera
Efectos de la atmósfera sobre la radiación solar UVDispersión
La dispersión es un proceso continuo (no depende de la longitud de onda)
Está originado por:• Moléculas de aire. Dipersión de Rayleigh• Aerosoles (incluyen gotas de agua y cristales de hielo). Dispersión de Mie
Las nubes básicamente reflejan parte de la radiación incidente, dispersando el resto. Prácticamente no absorben en el rango UV.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 27
Influencia de la atmósfera
Efectos de la atmósfera sobre la radiación solar UVDispersión
Variación del espesor óptico de Rayleigh
Radiación solar UV. Efectos biológicos 28
Influencia de la atmósfera
Radiación UV a nivel del suelo
Factores que determinan la radiación solar UV incidente a nivel del suelo
Altura solarNormalmente en un día de verano, en las cuatro horas centrales alrededor del mediodía solar se recibe el 50% de la radiación UV.
Altitud del terreno sobre el nivel del marLos niveles de radiación aumentan aproximadamente un 6% por cada km que ascendemos sobre el nivel del mar.
Reflectividad del suelo (albedo)Especialmente importante en la nieve (80%), pero también en la arena (40%). No así en el agua, donde solo es de un 5%.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 29
Influencia de la atmósfera
Radiación UV a nivel del suelo
Factores que determinan la radiación solar UV incidente a nivel del suelo
Dispersión molecular Mayor cuando menor es la longitud de onda, lo que explica el color azul del cielo en ausencia de nubes. En el rango UV el 50% de la radiación que llega al suelo lo hace en forma de radiación difusa.
Ozono estratosféricoSu influencia sobre la radiación ultravioleta es tan importante que su estudio es el principal factor a tener en cuenta en la estimación de la radiación UV a nivel del suelo en ausencia de nubes.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 30
Influencia de la atmósfera
Radiación UV a nivel del suelo
Factores que determinan la radiación solar UV incidente a nivel del suelo
NubosidadEs el principal atenuante de la radiación solar en general, pero en el caso de la radiación UV solo tiene gran importancia cuando las nubes son bajas.
AerosolesActúan mediante procesos combinados de absorción y dispersión. Actualmente constituyen el mecanismo menos conocido de todos los que influyen sobre la radiación.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 32
Medida de la radiación UV
Medidas espectrales a nivel del sueloInstrumentación: Espectroradiómetro Brewer
Respuesta espectral
286.5-363 nm
Respuesta coseno5% para un ángulo cenital solar hasta 60º
Precisión1% (medidas de ozono en dirección solar)
Resolución0.6 nm a 303.2, 306.3, 310.1 313.5, 316.8, 320.1 nm
Dimensiones 70 x 46 x 34 cm.
Peso34 kg (90 kg sistema entero)
Rango de temperatura ambiental
- 20 ºC hasta + 40 ºC
Radiación solar UV. Efectos biológicos 33
Medida de la radiación UV
Medidas espectrales a nivel del sueloInstrumentación: Espectroradiómetro Optronic
Rango: 250-800 nm
Ancho de banda: 2 nm
Mínimo paso banda: 0.05 nm
Doble monocromador:
1200 líneas/mm
Receptor: esfera integradora ( PTFE)
Detector: fotodiodo silicio
(estabilizado en Temperatura)
Radiación solar UV. Efectos biológicos 34
Medida de la radiación UV
Medidas integradas a nivel del sueloInstrumentación: Radiómetro de banda ancha YES
Respuesta espectral
280-330 nm
Respuesta coseno5% para un ángulo
cenital solar hasta 60º
Sensibilidad1.97 V/(W/m2) de
irradiancia UVB efectiva
Área activa del sensor
Diámetro aproximado de 2.54 cm
Tamaño del sensor
12.9 cm de altura y 14.6 cm de diámetro la base
Peso 1.3 kg
Tiempo de respuesta
0.1 s
Rango de temperatura
ambiental- 40 ºC hasta + 40 ºC
Radiación solar UV. Efectos biológicos 35
Medida de la radiación UV
Medidas integradas a nivel del sueloInstrumentación: Radiómetro de banda ancha YES
Radiación solar UV. Efectos biológicos 36
Medida de la radiación UV
Aplicaciones de las medidas de radiación UV
Cuando se establece un programa de medidas de UV a nivel del suelo, normalmente es con uno o varios objetivos requeridos por comunidades de usuarios distintas, y que requieren estrategias experimentales diferentes.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 37
Medida de la radiación UV
Aplicaciones de las medidas de radiación UV
- Determinar procesos que afectan a la cantidad de UV que alcanza la superficie terrestre, estableciendo la relación causa-efecto de los factores que influyen sobre los niveles de UV (por ejemplo ozono, aerosoles, etc). Medidas espectrales.
- Determinar tendencias de valores de UV, normalmente a lo largo de períodos de décadas, con el fin de detectar anomalías que pueden tener lugar durante periodos de tiempo relativamente cortos (meses o años). Medidas espectrales y de banda ancha.
- Desarrollar una climatología de la radiación UV, necesaria para establecer la distribución geográfica y estacional de valores medios y oscilaciones de la UV que alcanza la superficie terrestre. Medidas de banda ancha.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 38
Medida de la radiación UV
Climatologia de la radiacion UV
Disponer de una red de densidad adecuada que permita establecer valores climáticos de irradiancia UV, en particular UVB.
Los instrumentos deben ser robustos, de fácil manejo y coste no muy elevado: Radiómetros de banda ancha.
Debe proporcionar información a la comunidad de usuarios en varios campos: como salud humana, comportamiento de ecosistemas terrestres y marítimos, envejecimiento de materiales, etc.
Es el tipo de red que se emplea para la determinación del UVI.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 40
Efectos biológicos
Efectos de la radiación UV
Acciones fotobiológicas más importantes:
• Bactericida
• Eritemática
• Hemolítica
• Coagulación de la albúmina
• Destrucción del ADN.
La radiación UV, y particularmente la UVB, tiene una gran influencia en el desarrollo de los ecosistemas terrestres y marinos, siendo en muchos casos un indicador del desarrollo de los mismos
Radiación solar UV. Efectos biológicos 41
Efectos biológicos
Efectos de la radiación UV
Al margen de los efectos biológicos, la acción de la radiación solar UV es muy importante en procesos tan diferentes como:
• Degradación de materiales empleados en la construcción.
• Degradación de plásticos y pinturas
• Detoxificación catalítica.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 42
Efectos biológicos
Efectos de la radiación UV sobre los seres humanos
Piel
Corto plazo: eritema (quemadura solar) y bronceado
Largo plazo: fotoenvejecimiento prematuro, engrosamiento cutáneo, aparición de pecas y lunares, queratosis solar y cáncer de piel no melanoma
El cancer de piel no melanoma es el mas frecuente de entre los cánceres en humanos.
De todos estos efectos el más común es el eritema o quemadura solar.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 43
Efectos biológicos
Efectos de la radiación UV sobre los seres humanos
OjosCataratas
Fotoqueratitis
Sistema inmunológico
Aumento del riesgo de infecciones
Reducción de las defensas corporales
Radiación solar UV. Efectos biológicos 44
Efectos biológicos
Efectos de la radiación UV sobre los seres humanos
Algunas estimaciones del UNEP (United Nations Environment Programme)
A nivel mundial se detectan anualmente alrededor de 2 millones de canceres de piel tipo no-melanoma, y 200.000 melanomas malignos.
Del orden de 12 a 15 millones de personas sufren ceguera debido a cataratas. La OMS estima que el 20% de ellas son debido a la exposición de la radiación UV.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 45
Efectos biológicos
Efecto eritemático(Eritema = quemadura solar)
¿Se puede cuantificar la capacidad de la radiación UV para provocar eritema?
Los efectos biológicos se cuantifican mediante sus espectros de acción:
Medida de un efecto biológico en función de la longitud de onda de la radiación que lo induce.
El espectro de acción del eritema humano (respuesta de la piel frente a la quemadura solar) muestra un valor máximo en los 297 nm. La CIE (Comission Internationale de l'Eclarage) adoptó en 1987 una "Curva Estándar de Eritema".
Radiación solar UV. Efectos biológicos 46
Efectos biológicos
Efecto eritemáticoCurva estándar del espectro de acción eritemática normalizada a 1 para la
longitud de onda de 297 nm
Radiación solar UV. Efectos biológicos 47
Efectos biológicos
Efecto eritemático
Irradiancia UV eritematica (UVER)
El espectro de acción del eritema humano se utiliza para la determinación de la radiación ultravioleta eritemáticamente activa (UVER).
Esta radiación UVER se calcula superponiendo la curva espectral de la radiación solar incidente a nivel del suelo con la curva del espectro de acción del eritema de la CIE.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 48
Efectos biológicosEfecto eritemático
Dosis eritemática a nivel del suelo (línea de trazos)
Efecto combinado de la irradiancia solar espectral a nivel del suelo (línea continua) y de la respuesta espectral de la piel humana (línea de puntos).
10-3
10-2
10-1
100
280 300 320 340 360 380 400
(nm)
Irra
dian
cia
espe
ctra
l (W
m-2
nm-1
)
Radiación solar UV. Efectos biológicos 49
Efectos biológicos
FototiposEl estudio de la influencia eritemática se realiza a partir de la dosis mínima de UVER necesaria para producir un enrojecimiento apreciable en la piel. Esta dosis se conoce internacionalmente como MED (mínimum erythemal dosis), y está referida a un tipo de piel considerada como normal (fototipo).
Fototipos definidos por la norma DIN 5050
Tipo de piel
Bronceado QuemaduraColor de
peloColor de ojos MED(J/m2)
I Nunca Siempre Rojo Azul 200
II A veces A veces Rubio Azul/verde 250
III Siempre Rara vez Castaño Gris/marrón 350
IV Siempre Nunca Negro Marrón 450
Radiación solar UV. Efectos biológicos 50
Efectos biológicos
Fototipos
La mayoría de los países europeos han adoptado para la MED de los distintos fototipos las recomendaciones del grupo de trabajo de la Acción COST 713.
Fototipo MED
Tipo I 200 J/m2 (20 mJ/cm2)
Tipo II 250 J/m2 (25 mJ/cm2)
Tipo III 350 J/m2 (35 mJ/cm2)
Tipo IV 450 J/m2 (45 mJ/cm2)
Radiación solar UV. Efectos biológicos 51
Efectos biológicos
Fototipos
Actualmente (CIE, 2000)
SED (Standard Erythema Dose)
Definida de forma inequívoca: 100 J/m2 (10 mJ/cm2) de radiación UVER
Radiación solar UV. Efectos biológicos 53
Fotoprotección
Fotoprotección
Efectos de la UV sobre la piel inmediatos o agudos :Relativamente fáciles de estudiar en el laboratorio
Efectos de la UV sobre la piel a largo plazo:Estudios epimediológico
Canceres de tipo no melanoma:Debidos a los efectos acumulativos de una exposición solar prolongada. Las pieles tipo I y II son las mas sensibles a ellos.
Paises con predominio de fototipos I y II:Ascenso del número de canceres de piel alrededor de un 7% anual.En Australia el cancer cutáneo se ha incrementado 10 veces mas que en Europa.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 54
Fotoprotección
Fotoprotección
Causas de este incremento:
Existe consenso entre los epidemiólogos en que la causa no radica en la disminución de la capa de ozono, sino principalmente en que los hábitos de la población han cambiado frente al sol, y ello desde la infancia.
Las vacaciones generalizadas y la mejora de la calidad de vida, junto con el mito del bronceado estético y saludable, han hecho que se incrementara la exposición solar y las condiciones fueran más agresivas.
Solución práctica al problema:
Cambio en los hábitos de exposición solar y una fotoprotección solar adecuada.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 55
Fotoprotección
FotoprotecciónMecanismos de fotoprotección
Barreras físicas
Cualquier material que absorba o disperse la radiación.
Para la radiación solar, la atmósfera constituye el primer filtro efectivo. Se puede considerar que al mediodía en verano en cielos sin nubes la atmósfera reduce en un factor 20 (para atmósferas limpias) y 30 (para atmósferas turbias) el poder eritemático de la radiación solar.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 56
Fotoprotección
FotoprotecciónMecanismos de fotoprotección
Protectores químicos
Filtros solares tópicos y/o agentes sistémicos.
La fotoprotección sistémica incide sobre los mecanismos de las lesiones producidas por la radiación o sobre sus consecuencias para evitar justamente los efectos nocivos inmediatos y a la largo plazo de las radiaciones no ionizantes, especialmente la UV.
Una acción antioxidante seria la base de la acción fotoprotectora.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 57
Fotoprotección
FotoprotecciónMecanismos de fotoprotección
Protectores biológicos
Mecanismos de defensa propios del organismo afectado, en particular la liberación de la melanina y la queratina.
El bronceado, originado por la liberación de melanina, es normalmente considerado como signo de buena salud y estéticamente agradable.
Sin embargo el bronceado es un síntoma de daño de la piel. No previene el daño solar, es en sí mismo un daño solar.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 58
Fotoprotección
FotoprotecciónFiltros solares
Sustancias que atenúan la radiación UV mediante absorción o reflexión.
Actualmente todos los filtros protegen frente a la radiación UVB y UVA.
Filtros químicos
Preparados que contienen moléculas que absorben la radiación UV, aplicándose de forma directa sobre la piel para disminuir la UV que penetra en la epidermis.
Filtros físicos
Pantallas opacas que reflejan y dispersan la radiación. Preparados micronizados cuyas partículas reflejan las radiaciones de longitudes de onda más cortas que el visible, por lo que son invisibles.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 59
Fotoprotección
Factor de Protección Solar (FPS)
La capacidad de fotoprotección de un determinado material frente a la radiación UVB se expresa en términos del factor de protección solar (sun protection factor, SPF), que proporciona el nivel de protección frente al eritema inmediato.
El SPF es un valor adimensional obtenido a partir de medidas de laboratorio y refleja la proporción de radiación UVB que es filtrada por un determinado producto. Se aplica normalmente a protectores solares de uso tópico, pero se han desarrollado índices similares para productos tales como tejidos o cristales ópticos.
El SPF es un valor integrado para todo el intervalo espectral considerado.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 60
Fotoprotección
Factor de Protección Solar (FPS)
Para determinar los factores de protección se realiza una integración ponderada respecto al espectro de acción de la reacción a considerar.
De esta manera se puede definir de forma general un factor de protección integrado frente a la radiación solar (FP) a partir de la expresión
FPS =
donde I es la irradiancia espectral en el rango considerado, es la transmisividad espectral del material utilizado, y es el espectro de acción normalizado de la reacción a considerar frente a la radiación I.
390
λ λ
250390
λ λ λ
250
I ε dλ
I ε τ dλ
Radiación solar UV. Efectos biológicos 61
Fotoprotección
Factor de Protección Solar (FPS)
Para suele utilizarse el espectro de acción correspondiente a la Curva Estándar de Eritema normalizada a 1 para la longitud de onda de máxima acción (297 nm).
Esta curva corresponde, estrictamente hablando, a la respuesta eritemática de la piel humana frente a la radiación UVB, y su extrapolación a la radiación UVA no es inmediata.
Con el objetivo de simplificar los cálculos la curva de efectividad eritemática relativa, , se ha aproximado a las expersiones analíticas siguientes
= 1.0 para 250 < < 298 nm = 100.094(298-) para 298 < < 328 nm = 100.015(139-) para 328 < < 390 nm
Radiación solar UV. Efectos biológicos 62
FotoprotecciónFactor de Protección Solar (FPS)
No existe una relación lineal entre el FPS y la reducción de la radiación solar que proporcionan los fotoprotectores.
Por ello en Australia el límite superior del FPS es 15, con etiquetado de los productos como 15, independientemente de que su FPS sea 16 o 60.
En Estados Unidos se ha sugerido recientemente que se debería fijar un límite superior de 30 para los productos comercializados en dicho país.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 64
UVI. Predicción
Definición del UVI
A principios de los años 90 surge la necesidad de introducir índices para la predicción de las dosis de radiación ultravioleta incidente a nivel del suelo.
Finalidad:Facilitar a la opinión pública, a través de los medios de comunicación, información sobre los niveles que alcanza la radiación ultravioleta incidente sobre la superficie terrestre, y sus posibles efectos nocivos sobre la salud.
Constituyen una forma sencilla de expresar la intensidad de la radiación UV en relación con su capacidad para desencadenar determinados procesos biológicos.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 65
UVI. Predicción
Definición del UVI
El Indice que mayor difusión ha tenido hasta la fecha es el índice relativo a la acción eritemática de la radiación UV (UVI) .
El UVI se obtiene a partir del espectro de acción del eritema inducido por la radiación UV sobre la piel humana (espectro de acción de la CIE).
Se expresa numéricamente multiplicando la irradiancia UV eritemática (UVER, expresada en Wm-2) por 40.
Recientemente (1998) la OMM y la OMS redefinieron el UVI como un parámetro físico ponderado biológicamnte (a biologically weigthed physical parameter).
Radiación solar UV. Efectos biológicos 66
UVI. Predicción
Definición del UVIRecomendaciones de la OMM y la OMS acerca de cómo establecer el UVI
• Debe ser referido como "UV Index" (abreviaremos como UVI). Se
deben evitar UVB Index, Solar UV index, etc.
• El UVI se debe definir como un parámetro físico, obtenido a partir de
una magnitud biológica ponderada (el espectro de acción de la CIE).
De esta manera es una unidad de medida.
• Se debe obtener integrando hasta los 400 nm (así se engloba la UVA)
• Está definido en referencia a una superficie horizontal (algunos
autores utilizan el término global solar UV index.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 67
UVI. Predicción
Definición del UVIRecomendaciones de la OMM y la OMS acerca de la predicción del UVI
• Debe hacerse con referencia al valor máximo diario, si este no se tiene
al mediodía solar.
• Se debe usar el valor medio correspondiente a 30 minutos.
• Debe presentarse como un número entero obtenido por redondeo.
• Debe realizarse teniendo en cuenta el efecto de las nubes.
• Los programas de predicción que no incorporan el efecto de las nubes
deben referirse a él como UVI para días claros o UVI para cielo
despejado.
• El UVI obtenido por predicción debe validarse frente a observaciones
rutinarias de superficie.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 68
UVI. Predicción
Definición del UVIRecomendaciones de la OMM y la OMS acerca de la presentación del
UVI
• Hacerla en base al UVI nunca a tiempo de quemadura. Si se hace de esta manera debería presentarse para diferentes tipos de piel.
• Nunca debe asociarse el UVI a un determinado FPS, dando la impresión de que el uso de protectores solares permiten un mayor tiempo de exposición al sol.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 69
UVI. Predicción
Definición del UVIGlobal Solar UV Index. A Practical Guidehttp://www.who.int/peh-uv/UVIorg.htm
A joint recommendation of:• World Health Organization (WHO)• World Meteorological Organization (WMO)• United Nations Environmental Programme (UNEP)• International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection
(ICNIRP)
WHO, Geneve, 2002.
Representante español: Fernando Tena
Radiación solar UV. Efectos biológicos 70
UVI. Predicción
Definición del UVIGlobal Solar UV Index. A Practical Guide
Código de colores para la presentación del índice UV
BAJO <2
MODERADO 3-5
ALTO 6-7
MUY ALTO 8-10
EXTREMO 11+
Radiación solar UV. Efectos biológicos 71
UVI. Predicción
Definición del UVIGlobal Solar UV Index. A Practical Guide
Radiación solar UV. Efectos biológicos 72
UVI. Predicción
Predicción del UVI
La predicción del UVI supone
Conocer los valores de irradiancia UV incidentes a nivel del suelo para un día determinado.
Modelizar, conociendo dichos valores, la radiación UV que incide a nivel del suelo en base a una predicción a 24 o 48 horas de los valores de:
• Ozono
• Nubosidad
• Aerosoles
Radiación solar UV. Efectos biológicos 73
UVI. Predicción
Predicción del UVI
La comprobación de la bondad de la predicción del UVI supone
Disponer de una red de medida de la irradiancia UV eritemática con una densidad suficiente para que abarque las diferentes características geográficas y climáticas del territorio considerado.
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Modelización UV
Modelización
• Modelos espectrales de dispersión múltiple. Resuelven la Ecuación de Transferencia Radiativa considerando multidispersión. Normalmente utilizan alguna variante del método de ordenadas discretas (DISORT).
• Modelos espectrales simples.No cconsideran multidispersión. Utilizan ecuaciones paramétricas, o bien resuelven la Ecuación de Transferencia Radiativa mediante la aproximación de los dos flujos.
• Modelos empíricos. Utilizan parametrizaciones directas de los valores de UV, sin tener en consideración los componentes atmosféricos. Son modelos integrados.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 76
Modelización UV
Modelización
Modelos de dispersión múltiple
Características comunes:
• Bastante actualizados
• Desarrollados o adaptados para el rango UV
• Disponibilidad gratuita
• Parámetros de entrada normalmente disponibles
Radiación solar UV. Efectos biológicos 77
Modelización UV
Modelización
STAR (System for Transfer of Atmsopheric Radiation)Ruggaber, Dluigi y Nakajima, 1994<[email protected]>
SBDART (Santa Barbara Disort Atmospheric Radiative Transfer)Ricchiazzi, Yang, Gautier, 1996<ftp://icess.ucsb.edu/pub/esrg/sbdart>
TUV 3.9 (Tropospheric Ultraviolet and Visible Radiation Model)Madronich, 1997<http://acd.ucar.edu/models/open/tuv/tuv.html>
UVSPEC (forma parte de libRadtran)Kylling, 1998<ftp://smaug.uio.no/pub/arveky>
Radiación solar UV. Efectos biológicos 78
Modelización UV
ModelizaciónComparacion de modelos en el marco de la Accion COST-713
Espectrales de dispersion múltiple:• DISORT• GOMETRAN• SBDART• STAR• UVSPEC
Espectrales simples:• TUV• DIFFEY• GREEN• SMARTS2• SPECTRAL2
Radiación solar UV. Efectos biológicos 79
Modelización UV
ModelizaciónConclusiones de la comparacion
Modelos espectrales de dispersión múltiple. • En el 80% de los casos se desvían sólo 0.5 unidades del valor del UVI. • Es dificil discernir entre dos modelos diferentes. Todos presentan
resultados similares
Modelos espectrales simples. • Comportamiento muy dispar. • Las desviaciones respecto al UVI oscilan entre 1 y 10 unidades.
Modelos empíricos. • Solo proporcionan buenos resultados para las condiciones atmosféricas
para las que han sido desarrollados.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 81
UVI en Valencia
Predicción GRSV
Origen
Convenios entre Conselleria de Medi Ambient y la Universitat de Valencia, a través del Grupo de Radiación Solar de Valencia (GRSV)
Años 2001/02Diseño, instalación y puesta a punto de una red de medida de la radiación solar UVB en la Comunidad Valenciana.
Años 2003/04Validación de la predicción del UVI en la Comunidad Valenciana. Desarrollo de un modelo para la predicción del UVI de la radiación difusa.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 82
UVI en Valencia
Predicción GRSV
Red de medida
Diseñada a partir de una rejilla de coordenadas geográficas de densidad grado-grado.
La Comunidad Valenciana se enmarca entre los 37º 50’ de latitud de Pilar de la Horadada (Alicante) y los 40º 42’ de Fredes (Castellón), lo que un total de 4 estaciones de medida, instaladas en la costa por criterios demográficos.
Además, con el fin de analizar la influencia de la altura sobre, así como la presencia de nieve, es conveniente instalar una quinta estación en una zona a la mayor altitud posible.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 84
UVI en Valencia
Predicción GRSVRed de medida
ESTACIÓN LONGITUD LATITUD ALTITUD(m)
Prat de Cabanes 00º09’56”E 40º08’13”N 14
Aras de los Olmos 01º06’33’W 39º57’01”N 1277
Valencia 00º20’09”W 39º27’49”N 0
Denia 00º02’09”E 38º49’19”N 44
La Mata 00º39’31”W 38º00’30”N 12
Radiación solar UV. Efectos biológicos 85
UVI en Valencia
Predicción GRSVRed de medida
Sensores
Radiómetro modelo UVB-1 de la casa YES (Yankee Environmental Systems). Estos instrumentos son los mismos que actualmente están en uso en la red de medida del INM.
Adquisición y transmisión de datos
Equipo de adquisición de datos, que incluye software y protocolo de comunicacione
Equipo de comunicación GSM, incluyendo antena.
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UVI en Valencia
Predicción GRSVRed de medida
Respuesta espectral relativa del YES UVB-1 () y espectro de acción eritemática (---).
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UVI en Valencia
Predicción GRSVModelo de predicción
Inicialmente se analizaron cuatro modelos: • SBDART• STAR• UVA-GOA• SunIsdin
Finalmente se optó por implementar el SBDARTMuy completo, que da buenos resultados. Este es el modelo que se utiliza desde hace 2 años para hacer la predicción del índice UV que ofrece el Servei de Meteorologia de Catalunya a través de http://www.meteocat.com/marcs/marcos_previsio/marcs_índice UV.htm.
El modelo STAR es también muy completo y sencillo de implementar por su interfaz en Java.
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UVI en Valencia
Predicción GRSVModelo SBDART 2.0
SBDART, acrónimo de Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer, es un modelo de transferencia radiativa que considera una atmósfera plano paralela (Ricchiazzi y col., 1998). http://www.crseo.ucsb.edu/esrg/pauls_dirhttp://arm.mrcsb.com/sbdart/
Desarrollado en código FORTRAN, está diseñado para el análisis de una amplia variedad de problemas de transferencia radiativa a través de la atmósfera. Su última versión es la 2.0.
Toma como modelo de absorción por gases los de baja resolución del LOWTRAN7. Permite elegir entre tres espectros distintos de radiación estraterrestre: LOWTRAN7, 5S y MODTRAN-3. En nuestro caso utilizamos el LOWTRAN7 dada su alta resolución espectral.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 91
UVI en Valencia
Predicción GRSVModelo SBDART 2.0
Permite elegir entre seis perfiles de atmósfera estándar, que son los utilizados con el código 5S. Para nuestra red de UVB es adecuado elegir como perfil atmosférico verano en latitudes medias o invierno en latitudes medias.
Permite considerar aerosoles estratosféricos y troposféricos. En ambos casos, el programa permite elegir un tipo de aerosoles según los definidos por el modelo LOWTRAN7 o incluso elegir un perfil de aerosoles definido por el mismo usuario.
La ecuación de transferencia radiativa se resuelve por métodos numéricos integrando con DISORT (DIScreet Ordinate Radiative Transfer). El método de ordenadas discretas proporciona un algoritmo estable para resolver las ecuaciones de la transferencia radiativa plano paralela en una atmósfera verticalmente no homogénea.. SBDART permite utilizar hasta 40 capas de atmósfera y 16 ángulos cenitales y azimutales.
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UVI en Valencia
Predicción GRSVModelo SBDART 2.0
Primer cuadro de diálogo del SBDART en la página web
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UVI en Valencia
Predicción GRSVModelo SBDART 2.0
Inconvenientes importantes:No permite introducir el valor del ozono estratosférico.No permite definir la resolución espectral.
Alternativa:Utilizar el programa en un sistema operativo Unix. En este caso los datos de entrada se escriben en un fichero de texto, llamado INPUT, en el que se especifica una serie de variables y su valor. La ventaja clara de esta versión es que se pueden introducir multitud de parámetros si se conocen o bien modificar sólo algunos de ellos, y el programa utiliza el resto de variables con el valor que el asigna por defecto.
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UVI en Valencia
Predicción GRSVModelo SBDART 2.0
Fichero INPUT para el día 1 de Octubre 2002 en Valencia
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UVI en Valencia
Predicción GRSVModelo SBDART 2.0
Fichero de salida del SBDART versión máquina Unix, índice UV
Radiación solar UV. Efectos biológicos 96
UVI en Valencia
Predicción GRSVCorrección de nubosidad y altura
La acción COST 713 (Vanicek y col., 2000) propone calcular en primer lugar el índice UV para cielos despejados y después hacer la corrección por presencia de nubosidad y altura sobre el nivel del mar.
La expresión resultante es
donde UVI0 es el valor del índice UV para cielos despejadosCMF el factor de modificación de nubes, que es un número adimensional que vale entre 0 y 1 dependiendo del tipo de nubosidaddH es el gradiente de altura, en km.
0UVI=UVI ×CMF×(1+0.08×dH)
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UVI en Valencia
Predicción GRSVCorrección nubosidad
CMF para diferentes tipos de nubes y cubierta nubosa (0 octas representa el cielo completamente despejado y 8 octas representa
cielo totalmente cubierto)
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UVI en Valencia
Predicción GRSV
Presentación de resultados al usuario
Página web (en realización)
En ella se pueden distinguir dos partes:
Información dinámica, que ha de actualizarse cada día. Información estática, de tipo general sobre el tema de UV.
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UVI en Valencia
Predicción GRSV
Información dinámicaMapa de la Comunidad Valenciana indicando el valor del índice UV previsto
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UVI en Valencia
Predicción GRSV
Información dinámicaEvolución horaria del índice UV: para cielos despejados (en negro), para
nubes medias (en azul), para nubes bajas (en rosa)
Radiación solar UV. Efectos biológicos 101
UVI en Valencia
Predicción GRSV
Información estática de tipo técnico
Estaciones de la red de medidas de la UVB de la Comunidad Valenciana.
Instrumentación.
Manual de información al usuario: para saber más sobre la radiación solar
ultravioleta.
Links de interés.
Radiación solar UV. Efectos biológicos 102
UVI en Valencia
Predicción GRSV
Información estática de tipo divulgativo
1. ¿Qué es la radiación solar ultravioleta (UV)?2. Factores atenuantes de la radiación solar ultravioleta.3. Efectos biológicos sobre el hombre de la radiación UV.4. Cómo evaluar los efectos de UVB sobre el hombre.5. Un sencillo índice que da cuenta de UVB: índice UV.6. Sensibilidad a la exposición solar: tipos de piel o fototipos y dosis
acumuladas (MED y SED).7. Cómo protegerse del Sol: Fotoprotección y SPF (factores de protección
solar).8. Por una exposición controlada y responsable: Recomendaciones.9. 20 preguntas y respuestas básicas sobre la radiación UV.
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UVI en Valencia
Algunos resultadosDia despejado de invierno (UVER)
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
La Mata 8 de Febrero de 2002 U
VE
R 1
0 m
inu
tal (
W/m
2 )
Hora UTC
Radiación solar UV. Efectos biológicos 104
UVI en Valencia
Algunos resultadosDia despejado de verano (UVER)
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Denia 16 de Junio de 2002U
VE
R 1
0 m
inut
al (
W/m
2 )
Hora UTC
Radiación solar UV. Efectos biológicos 105
UVI en Valencia
Algunos resultadosDia nuboso de primavera (UVER)
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Aras del Olmo 5 de Mayo de 2002
UV
ER
10
min
utal
(W
/m2 )
Hora UTC
Radiación solar UV. Efectos biológicos 106
UVI en Valencia
Algunos resultadosInfluencia de la altura sobre el nivel del mar sobre el UVI
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Aras del Olmo 20 de Julio de 2002
UV
I
Hora UTC
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Cabanes 20 de Julio de 2002
UV
I
Hora UTC
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UVI en Valencia
Títulos de crédito
Contribuyeron a desarrollar la red de medida y el modelo de predicción del UVI en la Comunidad Valenciana
M. José Marín
Fernando Tena
M. Pilar Utrillas
Grupo de Radiación Solar de Valencia
http://www.uv.es/solar/