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紫外线辐射

紫外辐射就是波长范围约10~400nm的光辐射。在这个波长范围内不同波长的紫外辐射有不同的效应,在研究和应用中,常把紫外辐射划分为:A波段(400~320nm);B波段(320~280nm);C波段(280~200nm);真空紫外波段(200~10nm)。波长小于200nm的紫外辐射由于大气的吸收,所以在空气中不能传播。

2017年10月27日,世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考,紫外线辐射(波长100-400 nm,包括UVA、UVB和UVC)在一类致癌物清单中。 [1]

太阳的紫外辐射是人类接受的紫外辐射的主体,但是由于紫外线在大气传播中的衰减过程,真正照射到地球表面的紫外辐射量只占总辐射量比例的4-。因此在实际应用中,人造紫外光源就显得尤为重要。人造紫外辐射源解决了自然光源(太阳)在时间、空间上的不足。

尽管臭氧是大气层中极其微量的组分,但它却是大气层中唯一可以吸收波长短于300nm太阳辐射的物质,其吸收系数随波长的减少而增加。臭氧层吸收了来自太阳辐射中的大部分的紫外线B,因为臭氧层的破坏主要引起这一波段的太阳辐射增强,特别是290~315nm波长范围内 的UVB辐射,在这25nm的波长范围里,由于臭氧的吸收,其辐射强度以4次幂的速率随波长递减。因此臭氧减少导致的紫外辐射增强也是高度波长依赖的。

紫外辐射强度一般用紫外线指数来表示,是衡量某地正午前后到达地面的太阳紫外辐射对人体皮肤(或眼睛)可能损害的程度指标,它主要依赖于纬度,季节,平流层臭氧,云况,海拔,地面反照率和大气污染状态等条件 [2] ,紫外线辐射强度的观测主要使用紫外光谱辐射计、滤光片式的紫外辐射表和宽带光谱计等。最常用的宽带仪器是Robertson-Berger(RB)紫外辐射计,其温度系数约0.01/K。RB辐射计的谱响应稳定性在十年以上,当然不同仪器间有些差异,所以在对RB辐射计网的标定重新核实之前,对使用RB辐射计数据得到的变化趋势必须小心地仔细检查。

正因为如此,现有的地表UV辐射资料来源有两个,仪式地基臭氧探测网和卫星臭氧探测系统,由臭氧趋势加上大气的散射和吸收等因素后构造出辐射传输模式,以此来计算紫外辐射状况,虽然模式计算的福照度可能会有误差,不过在无云和低气溶胶条件下臭氧减少与UV辐射增加之间的理论关系已被大量的研究工作所确定。再一个就是RB辐射计网和单站多滤光片仪器的直接测量。

根据UV辐射的测量来确定地表UV辐射的变化尤其是长期变化的趋势仍然是困难的,因为它要求有高精度和高稳定度的数据。最近的重要进展是通过优化仪器性能,相互对比和对数据进行再分析来评估数据的质量。不同光谱辐射计之间的几次对比实验显示了各种仪器间存在着重要差异主要表现在太阳光谱急剧变化的短波区。因此,动态范围、杂散光抑制和波长标定向问题是非常严重的。在大于310nm的波长区范围,一致性也不会优于+5-,而在更短的波长区,一致性则更差。这在某种程度上是由于标定的不确定性造成的,这个不确定性来自太阳光谱的谱型随太阳天顶角、柱臭氧量和其它大气条件的不同而改变。

正太阳紫外光谱辐射照度的精确测量对研究臭氧、云和气溶胶对太阳紫外辐射的效应,以及随时间的变化非常重要。其中太阳短波紫外辐射的准确测量可表征大气臭氧层的破坏程度,具有十分重要的意义。对太阳紫外辐射的监测工作己在世界范围内展开。过去十几年,世界范围内建立了大量台站,用来监测抵达地表的太阳紫外辐射光谱分布。中国计量科学研究院和国家气象局、北京光学仪器厂合作,于2000年开始进行太阳紫外光谱辐射测量方面的研究,自行研制了太阳紫外光谱辐射计,用来测量UVB(280nm~315nm)和UVA(315nm~400nm)波段太阳辐射和天空昼光在2π立体角内的到达地表的光谱辐射照度 [3]

对水生生物的影响

水生生物系统为人类提供了大量的食物,全球人类所有消耗的动物蛋白质中,约有30-以上来自海洋,在很多国家,特别是发展中国家,这个比例还会大大增加。因此,了解太阳UVB辐射增强对水生生态产品的产量有怎样的影响是十分重要的。另外,海洋还在全球变暖的过程中起着决定作用,海洋中浮游生物是大气中二氧化碳的主要汇,对大气中二氧化碳浓度变化趋势起着决定性的作用。

Hader等研究了太阳UVB对衣藻属的一种植物和变形藻属的一种植物运动的效应是,发现UVB能使它们游动现象减弱,辨向本能消弱,从而妨碍东东的浮游生物对变化中的环境条件和可能危险的情况不断作必要的适应。

Takeuchi等研究表明,太阳UVB辐射增强会降低海洋浮游生物的生产率,给复杂的海洋生态系统和人类带来巨大影响,这种海洋生产率的任何降低,无疑将影响全球食物的供应。Worrest也指出,UVB辐射增强将影响许多微生物的生长和节律。Dohler等研究还发现UVB辐射强烈影响固氮过程,从而影响许多重要浮生物数量减少;而某种重要的浮生物数量的减少,将会严重影响到水生生态系统中复杂的食物链及食物的总产量。据测算,大气中臭氧含量损耗16-会导致浮游生物量减少5-,也就是等于全世界每年的渔产量将减少70万吨。

UVB增强会导致海草丰度的下降及在深水层重新分布。UVB强度相对于PAR水平提高时,海草群落可能变得矮小和贫乏,群体分布消弱,生物物质减少,因此,UVB增强有改变海草群体结构和分布的潜力。

UVB辐射的增加会引起海洋浮游生物、虾、蟹幼体及贝类大量死亡,甚至造成某种生物的灭绝。UVB辐射对鱼、虾、蟹类,两栖类及其它动物的早期发育阶段有损害作用,最严重的是降低它们的繁殖能力和损害幼体的成长发育。在高纬地区的晚春季节,UVB辐射的增强可能会影响到一些物种,因为UVB辐射的增强恰好发生在它们生长发育的关键阶段,即使UVB辐射少量的增加或短期的波动也会严重地影响较敏感的物种。

对植物矿质营养的影响

Murali等报道,UVB影响大豆吸收磷的速率与使用磷的数量有关,磷较多时,UVB不影响磷吸收,反之,则有影响。Ambler等发现,未经UVB补充照射的棉花中,Zn从子叶运转到幼叶的速度是经UVB照射处理的2倍,这显示UV可抑制Zn在植物体内的运转,机理尚不明了。Dai发现,用UVB处理的水稻,叶子的电导率减小,这种抑制作用将影响水稻根系的吸收能力、植株的营养和水稻的生物产量。

Doughty和Mope发现轮藻用紫外线照射后,其细胞膜发生极化;膜阻力也随之下降。由于膜结构的损伤,细胞内Cl-、K+、 和Na+、因而大量外渗,而离子的主动吸收却不断下降。wright等用培养的烟草细胞吸收86、Rb+、和14C-、甘露醇后再进行UVB照射,结果在外渗中有大量的86、Rb+、,但无14、C-、甘露醇,因而认为UVB可能破坏了质膜上的某些特定的离子通道,但对细胞的整个结构影响不大。这种看法已为尔后的实验所证实。zill和tolbert发现小麦经UVB处理后,根部细胞K-ATP酶活力受到抑制。总的来说,UVB对矿离子的吸收和运转研究尚少。

对皮肤癌变的影响

采用2002年9月至2005 年10月逐日广西南宁太阳总辐射、云量、太阳天顶角、臭氧、水汽压、空气污染物和紫外线辐射资料,建立了基于气象要素推算紫外线曝辐量的模型;采用该模型重建 1961-2007逐日紫外线曝辐量资料,从年、春、夏、秋、冬不同尺度分析重建序列的特征;采用1991-2003年皮肤癌发病人数资料,分析紫外线曝 辐量与各类皮肤癌发病人数相关性;对未来紫外线变化进行展望。主要结论有:1961-2007年,南宁紫外线曝辐量年平均日值为95.83 W.h/m2;绝对变率以夏季最大,相对变率以冬季最大,秋季绝对变率和相对变率均最小;年平均和春、夏、秋季紫外线曝辐量有微弱的下降趋势,冬季下降趋 势明显;突变主要发生在1970 s中后期至1980 s初期和1990 s初期;年和各季最显著的周期是准7年,夏季还有明显的11年周期;1991-2003年鳞状细胞癌发病人数与紫外线曝辐量相关显著;基底细胞癌、鳞状细 胞癌、恶性黑色瘤3种皮肤癌均好发于高紫外线辐射时间;展望2050年以前紫外线变化情况,认为:偏高年份可能在2017、2031、2045年附近,偏 低年份可能在2010、2024、2038年附近 [4]

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