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José A. Martínez Lozano Grupo de Radiación Solar de Valenc Mayo 2003 Radiación Solar UV Efectos Biológicos

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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 3

El espectro de la radiación UV

Influencia de la atmósfera

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 31

Medida de la radiación UV a nivel del suelo

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 39

Efectos biológicos de la

radiación UV

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 52

Fotoprotección

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 63

El índice de predicción eritemática (UVI)

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.

Radiación solar UV. Efectos biológicos 74

Modelización de la radiación UV

Radiación solar UV. Efectos biológicos 75

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.

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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 80

La predicción del UVI en la Comunidad Valenciana

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 83

UVI en Valencia

Predicción GRSVRed de medida

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

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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

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UVI en Valencia

Predicción GRSVRed de medida

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UVI en Valencia

Predicción GRSVRed de medida

Respuesta espectral relativa del YES UVB-1 () y espectro de acción eritemática (---).

Radiación solar UV. Efectos biológicos 89

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

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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

Radiación solar UV. Efectos biológicos 100

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.

Radiación solar UV. Efectos biológicos 103

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

Radiación solar UV. Efectos biológicos 107

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/

Radiación solar UV. Efectos biológicos 108

UVI en Valencia

Títulos de crédito

Consiguió que esta presentación fuese presentable

M. Pilar Utrillas

Grupo de Radiación Solar de Valencia

http://www.uv.es/solar/