Ultraviolettisäteily
Ultraviolettisäteily eli lyhennettynä UV-säteily, on sähkömagneettista säteilyä. Sen aallonpituus on lyhyempi kuin näkyvän valon, mutta pidempi kuin röntgensäteilyn. Lyhyt aallonpituus merkitsee sitä, että ultraviolettisäteilyn taajuus ja vastaavasti fotonin energia on suuri.
Ultraviolettisäteily jaetaan kolmeen säteilyalueeseen pääasiassa säteilyn ihmisterveyteen ja ympäristöön aiheuttamien vaikutusten mukaan:Suurina kerta-annoksina, usein ja pitkään altistettaessa ultraviolettisäteily on haitallista eliöille ja useimmille materiaaleille. Ultraviolettisäteily on lämmittävää, ja säteilyalueista UVC on polttavaa. Ultraviolettisäteilyllä on mahdollista tappaa bakteereja, minkä vuoksi sitä käytetään juomaveden puhdistamiseen ja esimerkiksi kirurgien leikkausvälineiden steriloimiseen.
Ultraviolettisäteily tarkoittaa ”yliviolettisäteilyä”, jonka nimessä sana ultra on latinaa. Violetti on lyhyin näkyvän valon aallonpituuden väri. Ultraviolettisäteilyä kutsutaan usein mustavaloksi, koska ultraviolettisäteily on ihmissilmälle näkymätöntä ja mahdollinen näkyvä aallonpituus on väriltään tummanviolettia.
Pian infrapuna- eli lämpösäteilyn löytämisen jälkeen, saksalainen fyysikko Johann Wilhelm Ritter alkoi tutkia näkyvän valon spektrin toista päätä. Vuonna 1801 valoherkän kemikaalin hopeakloridin avulla Ritter osoitti kauimmaisten violettien aallonpituuksien jälkeen olevan vielä säteilyä. Ritter kutsui säteilyä ”kemikaalisäteiksi”.
Tunnetuin ultraviolettisäteilyn käyttökohde lienee mustavalolamppu. Se on loisteputki, joka lähettää pitkäaaltoisinta UVA-säteilyä sekä vähän violettia valoa. Mustavalolampun lasi on usein violetti, jolloin mahdollisesti näkyvä violetti valo saadaan häivytetyksi. Ultraviolettisäteily on sellaisenaan ihmissilmälle näkymätöntä, mutta kohdistettaessa UV-säteilyä tiettyihin materiaaleihin ne hohtavat kirkkaina fluoresenssin tai fosforesenssin vaikutuksesta. Mustavalolamppuja käytetään muun muassa erikoisefektien luomiseen ja setelien aitouden varmentamiseen. Hieman lyhytaaltoisempaa UVA-säteilyä lähettäviä mustavalolamppuja käytetään solariumissa.
Valaisimissa ultraviolettisäteilyä hyödynnetään laajalti. Loisteputkivalaisimet tuottavat ultraviolettisäteilyä ylläpitämällä sähköpurkausta alipaineistetussa elohopeakaasussa. Valaisimen sisäpinta on päällystetty erilaisilla loisteaineilla, jotka absorboivat ultraviolettisäteilyä. Absorptiossa saatu energia virittää loisteaineen atomin korkeammalle energiatasolle, mistä se spontaanisti palautuu, emittoiden samalla näkyvän valon fotonin. Eri loisteaineet tuottavat erilaisen spektrin; niitä yhdistelemällä voidaan muokata lampun tuottama näkyvä valo halutunlaiseksi. Valaisimen lasi suodattaa ultraviolettisäteilyn kokonaan, joten sitä ei pääse lampun ulkopuolelle. Elohopealampuissa pääasiallinen säteily on UVC-alueella, joten suojalasin puuttuminen olisi vaarallista. Hehkulampun säteilystä vain alle sadasosa on ultraviolettisäteilyä. Ultraviolettisäteilyä lähettävään lamppuun perustuvat eräät kärpäsloukut, jossa ultraviolettivalo houkuttelee hyönteistä ja lähelle tullessaan se osuu korkeajänniteiseen ansaan ja saa surmansa.
Astronomiassa erittäin kuumat kappaleet lähettävät ultraviolettisäteilyä Wienin lain mukaan. Avaruuden kappaleita on mahdollista tutkia ultraviolettisäteilyn avulla, sillä varsinkin nuoret tähdet lähettävät paljon ultraviolettisäteilyä. Tutkimista rajoittaa maata suojaava otsonikerros, joten tutkimukset tehdään avaruudesta käsin.
Jotkin eläimet, kuten linnut, matelijat ja hyönteiset, näkevät UVA-säteilyä. Kukkien, hedelmien ja virtsan väri korostuu ultraviolettivalossa, joten sen näkemisestä on eläimille hyötyä. Ihmisenkin verkkokalvo rekisteröisi ultravioletin, mutta tavallisesti mykiö estää sen.
Yksinomaan kasvisruokavaliota noudattavat eläinlajit tarvitsevat UVB-säteilyä D3-vitamiinisynteesiin, sillä niiden kasvisravinnossa ei ole merkittäviä määriä D3-vitamiinia. UVB-säteily muodostaa iholla D3-vitamiinia, joka on välttämätöntä elimistön kalsium-aineenvaihduntaan. UVB-säteily on siten elintärkeää esim. useimmille päiväaktiivisille liskoille ja kilpikonnille, mutta käärmeille ja yöaktiivisille liskoille UVB-säteilyn merkityksestä ei ole varmaa tietoa. Terraario-oloissa päiväaktiivisille matelijoille tarjotaan aina tarkoitukseen valmistettuja UVB-säteilyä emittoivia valaisimia.
Ultraviolettisäteilyä käytetään desinfiointiin; suurienerginen UVC-säteily on tehokas keino bakteerien tappamiseen. Alun perin ultraviolettisäteily otettiin käyttöön jäteveden puhdistamisessa, mutta nykyisin yleisempi käyttökohde on juomaveden puhdistus. Myös uima-altaissa käytetään ultraviolettisäteilyyn perustuvia desinfiointilaitteita, jotka vähentävät kemikaalien tarvetta. Ultraviolettilampuilla desinfioidaan myös leikkaussaleja.
Hammaslääkäri käyttää ultraviolettisäteilyä muovipaikkojen kovettamiseen.
Useat nykyaikaiset teollisesti käytettävät pintakäsittelyaineet ovat UV-kovettuvia, jolloin prosessi haihtuvien VOC-yhdisteiden("Volatile organic compound") määrä voidaan minimoida. Kuivumisprosessissa pinnoitteesta ei haihdu juuri mitään vaan nestemäisen pinnoitteen kuiva-ainepitoisuus on lähes 100 % kun se perinteisissä vesi- ja liuotinmaaleissa voi olla reilusti alle puolet.
Auton ikkunalaseihin tulleita halkeamia korjataan UV-kovettuvan epoksin avulla.
Ultraviolettisäteilyä käytetään myös geelikynsien (rakennekynsien) kuivattamiseen.
Suurimpia ultraviolettisäteilyn tuottajia ovat erittäin kuumat kappaleet eli tähdet, joista meidän kannaltamme tärkeimpänä Aurinko. Aurinko säteilee kaikkia ultraviolettityyppejä. Säteilystä yhteensä noin 7 prosenttia on ultraviolettisäteilyä, mutta ilmakehän stratosfäärissä sijaitseva otsonikerros absorboi suurimman osan UV-B-säteilystä ja kaiken UV-C-säteilyn. Niinpä noin 99 prosenttia maahan saapuvasta ultraviolettisäteilystä on UV-A-tyyppiä. Otsonin eli kolmiatomisten happimolekyylien (O) määrä ilmakehässä on kuitenkin vähentynyt, mm. ihmisen levittämien kemikaalien takia, ja siten maanpinnalle saapuvan ultraviolettisäteilyn määrä kasvaa jatkuvasti.Ultraviolettisäteilyn voimakkuudesta tiedotetaan standardoidulla UV-indeksillä, mikä kertoo yksinkertaisella ja helposti ymmärrettävällä lukemalla ultraviolettisäteilyn voimakkuuden keskipäivällä säteilyn ollessa voimakkaimmillaan.
Ultraviolettisäteilyn on todistettu olevan mutageeninen eli geenivaurioita aiheuttava säteilytyyppi. Kaikki ultraviolettisäteilyn säteilyalueet vaurioittavat kollageenia, ja siten vanhentavat ihoa. Koska ultraviolettisäteilyn määrä on yhteydessä ihosyövän esiintyvyyteen, tutkijat pitävät otsonikatoa vakavana huolenaiheena.
UVA- ja UVB-säteily vahingoittavat ihoa. Ihosyöpä oli vuonna 2004 yksi yleisimpiä syöpiä Suomessa. Vuonna 2004 miehillä havaittiin 411 melanoomaa, 501 muuta ihosyöpää ja 2748 basalioomaa. Naisilla vastaavasti 389, 388 ja 3296. Melanooma on vaarallisin ihosyöpä. Puolet melanoomista saa alkunsa luomesta. Suurin osa luomista on vaarattomia. Jos luomi näyttää huolestuttavalta, se kannattaa näyttää lääkärille. Varhainen syövän havaitseminen ja ehkäisy ovat parhaat hoitokeinot. Varhaisessa vaiheessa havaittu ihomelanooma on hoidettavissa leikkauksella. Pitkälle edennyt melanooma voi levitä muihin elimiin.
Yleisesti ottaen UVA on ultraviolettisäteilyn vaarattomin säteilyalue, mikä johtuu siitä, että sen fotoni on pienienergisin, mutta se vanhentaa ihoa ja saattaa aiheuttaa geenivaurioita ja siten ihosyöpää. UVA-säteily tunkeutuu syvälle kudokseen, valovanhentaa ihoa mutta polttaa 1000 × heikommin kuin UVB. Iho ruskettuu, kun UVA-säteily osuu melanosyytteihin eli ihon väriainetta eli melaniinia muodostaviin soluihin.
UVA-säteily tunkeutuu myös silmässä mykiöön asti ja aiheuttaa sen samentumista eli harmaakaihia.
UVB-säteily on yhdistetty ihosyöpiin, kuten melanoomaan. Ultraviolettisäteily muuntaa ihosolujen DNA:ta aiheuttaen tymiinien välille kovalenttisia sidoksia, jolloin syntyy tymidiinia. Tymiinidimeeri aiheuttaa DNA-ketjuun "mutkan" tai taipuman, jonka yli DNA-polymeraasi ei pysty kulkemaan. Dimeeri ei mahdu DNA polymeraasin aktiiviseen kohtaan ja DNA-synteesi pysähtyy. Jos solu omat korjausmekanismit eivät pysty korjaamaan virhettä DNA-ketjussa, siihen syntyy pysyvä mutaatio. Mutaatiot voivat johtaa proteiinien vääränlaiseen laskostumiseen ja niiden toimintakyvyn muutokseen. Pahimmillaan DNA-mutaatiot voivat kokonaan estää tärkeiden proteiinien toiminnan, mikä voi johtaa solun säätelyjärjestelmien häiriintymiseen. Solun kontrolloimaton kasvu ja jakaantuminen johtavat edelleen syövän syntyyn. Säteilyn mutageenisyyden voi havaita altistamalla bakteereja ultraviolettisäteilylle. UVB-säteily vaikuttaa myös silmään, mutta tunkeutuu vain sarveiskalvolle asti, joka uusiutuu nopeasti, ja vaikutukset (valonarkuus, vetisyys) ovat siis lyhytaikaisia.
UVC-säteily on vaarallisinta, koska sillä on säteilyalueista lyhin aallonpituus ja siten suurin fotonin energia. Se imeytyy kokonaan otsonikerrokseen. Otsoni absorboi voimakkaasti UVC-säteilyä, ja se myös synnyttää tavallisista happimolekyyleistä otsonia.
Ultraviolettisäteilyn myönteinen vaikutus on D-vitamiinin tuotannon mahdollistuminen ihossa. D-vitamiinin esiaste 7-dehydrokolesteroli (7-DHC) on fotosensitiivinen vain hyvin kapealla UV-valon aallonpituusalueella, n. 270–305 nm, mikä sijoittuu UVC- ja UVB-alueiden rajalle, suurimman herkkyyden ollessa 300 nm kohdalla. Tämä on aivan alimpia aallonpituuksia, mitä auringonvalosta saavuttaa maanpinnan. D-vitamiinisynteesin ylläpitäminen edellyttää siten ihon altistumisen melko runsaalle suurienergiaiselle säteilylle, mikä vaikeuttaa turvallisen annostelun saavuttamista.
D-vitamiinin puutos aiheuttaa osteomalasiaa ja osteoporoosia.
Ultraviolettisäteilyllä voidaan myös hoitaa ihotauteja, kuten psoriasista, aknea, atopiaa sekä punajäkälää. Hoitoon käytetään luonnonvalon lisäksi UVA- ja UVB- sekä SUP-lamppuja. SUP tulee sanoista "Selective Ultraviolet Phototherapy".
UV-säteily aiheuttaa vuosittain suuria kustannuksia tuhoamalla ihmisen valmistamien tuotteiden pintarakennetta. Säteily voi aiheuttaa pintarakenteessa muun muassa halkeilua, haalistumista, värimuutoksia ja rakkuloitumista. Tämän takia ulkokäyttöön tarkoitettujen tuotteiden UV-säteilyn kesto yleensä testataan ennen markkinoille päästämistä. Testaukseen on käytännössä kaksi mahdollisuutta. Luotettavimpia ovat ulkokenttäkokeet, jotka antavat todenmukaisia tuloksia, mutta ne kestävät varsin pitkään. Vaadittavaa aikaa on pyritty lyhentämään sijoittamalla suuria ulkotestauskenttiä alueille, jotka ovat voimakkaasti säälle ja auringolle alttiina. Merkittävimmät tällaiset kentät sijaitsevat Floridassa (korkea lämpötila ja suuri ilmankosteus) ja Arizonassa (korkea lämpötila ja pieni ilmankosteus).
Usein on huomattavasti nopeampaa testata säteilynkestoa laboratorioon sijoitetuissa, erikoisvalmisteisissa kaapeissa, joissa säteilyvaikutus moninkertaistetaan käyttämällä erikoislamppuja. Laboratoriotestauksessa ei kuitenkaan saada yhtä luotettavia tuloksia, johtuen prosessin huomattavasta nopeutuksesta ja siitä, ettei lamppujen säteilyspektri ole aivan samanlaista, kuin auringon UV-säteily.