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紫外线的危害:知己知彼,方能立于不“黑”之地丨展卷

  美好的夏日时光已经到来,太阳日日都是大大的笑脸相迎,哇哦,此时不浪更待何时?等等……即将飞奔出门的你做好防晒了吗?紫外线的“黑魔法”你真的不怕吗?为了避免还没嗨够便早早有了“明媚的忧伤”,我们在出门之前很有必要充分了解下紫外线这个“大魔王”,学会用知识来武装自己、打败紫外线,保护自己不被太阳“黑”。下文经授权节选自《看不见的光:从红外线到X光,电磁波发现史》(天津科学技术出版社,2020年4月)第6章,介绍了紫外线的“威力”和危害,以及如何躲过紫外线的伤害。

  本书对各种“光”有什么性质、如何应用、会有什么风险进行了详细的介绍,讲解清晰易懂,每个篇章都是一篇有趣的、有营养的科学小品。

 

  撰文 | 鲍勃·伯曼(Bob Berman)

  译者 | 雍寅

  说起紫外线对人类的影响,我的心情有些复杂:没有它,我们无法生存,但是每年又有太多不幸的人因为它而失去生命。

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  紫外线的“威力”几何?

  紫外线的能量来自它极短的波长。赫歇尔发现的红外线波长最长1毫米——大约一根针粗细。它们每秒至少振动30000亿次。紫外线的波长最短只有几十纳米,这样小的尺度需要通过电子显微镜才能观察到。每秒钟至少有750万亿个紫外光波经过你身边。波长较长的光(例如红外线、微波、无线电波和可见光)能够振动整个原子,甚至让活体组织温度略微升高,但是它们的能量非常微弱,不足以破坏原子结构。而紫外线的超高频率赋予了它从原子中剥离电子的能力,它可以让原子分裂,发生电离。

  正是这种电离能力让紫外线变得异常危险。如果关乎人体健康的原子(例如组成DNA的原子)被电离,那么人受到的伤害很可能是致命的,这可能意味着基因和细胞突变——癌变前兆。美国每年有8000多人死于黑色素瘤(皮肤癌),诱因几乎都是紫外线照射。另一方面,人体在受到紫外线照射时会产生维生素D,这可能是已知的最有效的防癌物质。2016年,某大型医学杂志宣称,照射紫外线有助于预防胰腺癌。

  在大气层之外,阳光中10%的能量位于紫外线的波段。但是大气能够非常有效地阻挡它们,使得77%的紫外线无法到达地表。因此,在地面测量到的看不见的阳光中最多只含有3%的紫外线,其余成分包括44%的可见光和53%的红外线。地球表面的紫外线强度还会随着时间和季节变化。在一天之中,太阳直射头顶的时候紫外线最强;在四季之中,夏天的紫外线最强。

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  UVA、UVB、UVC,傻傻分不清楚?

  紫外线并不是一个样儿。照射在人体上的紫外线95%是长波紫外线(UVA),这是能量最弱、波长最长(3200 ~ 4000埃)的一种紫外线,我们有时甚至能看到它呈现出紫色。用棱镜将阳光色散形成七彩光谱,边缘处看起来紫色最深的部分(也就是紫光马上消失之前,颜色稍微变暗的地方)就是UVA。从理论上讲,UVA与恶性黑色素瘤有关,但是总的来说它还算安全。然而,只要波长再稍微短一点点,危险的程度就会大幅上升。就算人眼能看到紫外线,我们也难以从外观上区分波长3000埃与波长3200埃的紫外线。波与波之间的距离只不过缩短了那么一点点,波长3000埃的紫外线晒伤速度就比波长3200埃的要快80倍!

  短波紫外线(UVC)波长极短(2000 ~ 2800埃),是最强大、最致命的一种紫外线。UVC不仅致癌,还能快速灭菌(见返朴文章《除了紫外线,这些光也可以杀死病毒》)。幸运的是,大气层非常有效地阻挡了UVC,每3000万年才会有一个UVC光子到达地球表面,所以我们不必担心它会危害我们的健康。(那些热衷于幻想未来人类开拓外星殖民地的人应该多了解一下UVC的特性,任何宇航员在任何地方都沐浴在超强的UVC之下,不论是在火星还是月球。)

  我们的头号公敌其实是中波紫外线(UVB,波长范围2800 ~ 3200埃),它是导致晒伤和各种皮肤癌的罪魁祸首。UVB是紫外线中的“金凤花姑娘”注[1] ,它的波长不长不短,既具有电离能力,又能穿透大气层。此外,UVB还有一项看家本领,就是诱导皮肤每分钟产生1000个国际单位的维生素D。这是非常惊人的速度,而且对我们大有裨益,因为这样一来,我们用不着在紫外线下暴露太久,也能获得足量的维生素D。

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  如何躲过紫外线的伤害?

  人体接收到的光中,大约1%是紫外线,如果阳光直射头顶,那么这个比例还会更大。这听起来似乎不算什么,但事实上,这意味着每秒钟人体要接收100万兆个紫外线光子。紫外线光子可是个个都有可能导致基因突变的。流行病学家已经发现了一种令人不安的联系:一个人终生受到的紫外线照射每增加1%,他患上皮肤癌的可能性就会增加1%,尽管真正致命的皮肤癌似乎主要源自严重的晒伤,而不是普通的阳光照射。很显然,预防的关键在于避免晒伤。

  这比听上去困难得多。紫外线实在是令人难以捉摸,所以充分了解紫外线,用知识来武装自己、保护自己是很重要的。仅仅躲在沙滩伞下面是远远不够的,因为1/3的紫外线会在大气中发生散射,所以它会从四面八方来到我们身上。由于大气的散射,你所接触的紫外线中有一半并非直接来自太阳,那些已经被散射在空中的紫外线防不胜防。如果你在户外,那么躲在阴凉处是不足以防止晒伤的,所以,在夏季,很多自以为足够小心的沙滩游客还是会把肩膀和脸晒得通红。不论你是在太阳下还是在阴凉处,周围的环境都有可能让你晒黑或者晒伤。干燥的沙子会反射12%的紫外线,潮湿的沙子会反射5%的紫外线,所以挑选到合适的地点铺沙滩垫,你就能大大降低被晒伤的可能性。涨潮的地方有海浪,周围的沙子是潮湿的,所以在这种地方待着不容易被晒伤。植被能够吸收几乎所有的紫外线,将很少的一部分反射出去。因此,和在海滩上玩耍时相比,你在草地上野餐的时候能暴露在较少的紫外线下,另外,你需要应付的是蚂蚁而不是沙蝇。你可能已经注意到了,人在刮风的天气里更容易被晒伤。这是因为水在平静的时候通常会吸收紫外线,然而一旦有起伏波动,水对紫外线的反射效果就会变得更显著。因此,在湖边或者河边野餐的时候,风平浪静的日子更加安全。

  提到紫外线和暴晒,我们马上就会联想到海滩,然而事实上积雪对紫外线的反射率更高,甚至是干燥沙子的6倍。照在积雪上的紫外线80% ~ 90%会被反射,这么一说,你肯定会觉得滑雪的人容易被晒伤。其实也不一定,这和他们滑雪的时间有关。

  在一天之中,紫外线的强弱取决于时间和太阳高度。太阳下山时,光线穿过的空气量会增多。这是因为下层大气比上层更加稠密,视线较低时,下层大气对我们的影响很大。我们用具体的数字来看一看:以光从正上方直射穿过的空气量为参照,位于天空三分之一高度(30度)的光要穿过双倍的空气量,而落日的余晖则要穿过14倍的空气量。因为大气能够过滤紫外线,所以空气越稠密,通过的紫外线就越少。每年4月下旬到8月中旬的上午11点到下午3点都是太阳高度很高的时间段,你可能会在一个小时甚至更短的时间内被晒伤。

  在春季和夏季,一天当中紫外线强度最低的时间段是早上5点到9点,以及下午5点到8点。和正午阳光相比,这7个小时里的UVA强度减少了一半,UVB至少下降了80%。虽然这时候的阳光给人的感觉依然强烈,但是并不容易把人晒伤。这段时间里,阳光中红外线的强度没有减弱,所以你的皮肤可能暂时被晒红,但是紫外线很弱,所以你不会受伤,除非你非常白嫩。如果你出身于一个蓝眼金发的家族或者红发之家,受到轻微刺激就会被晒伤的话,那么对你来说,夏天最安全的户外活动(前提是不需要戴帽子或者涂防晒霜)就是在傍晚时分,在有植被覆盖的环境中野餐。草丛能够吸收紫外线,仅将其中的3%反射到你身上。

  让我们回过头来聊聊滑雪。因为11月到次年2月这段时间里,太阳高度一直很低,所以就算在外面待一整天,你接收的紫外线的量也是非常少的。但是再往后,太阳的正午高度便日渐上升,每周上升的高度(看起来)相当于两个太阳的宽度。从3月中旬开始,正午时分的积雪会反射大量的紫外线,所以晚春季节滑雪很容易会造成严重晒伤,这在3月下旬尤其明显。这个时期积雪反射的紫外线导致人体晒伤的速度比12月快了3倍。

  在大雾蒙蒙的天气里,紫外线的量会减少一半。当空气非常潮湿时,晒黑或者晒伤所需要的时间是平时的两倍。棉质T恤和汗衫能够阻挡90%的有害紫外线,但是防紫外线效果最好的面料是密织布(例如牛仔布)。尽管颜色的影响不大,但是明亮的荧光黄阻挡的紫外线总归比柔和的颜色(例如灰色)多一些。

  图1 由于地平线附近的空气稠密,太阳落山的时候,照在我们身上的可见光和红外线都会减少,紫外线含量基本降低为零。所以,在太阳下山前的两个小时里,你不用担心自己被晒黑或者晒伤 | 图源:鲍勃·博曼

  单层玻璃窗能够阻挡从外面照射而来的半数紫外线,标准的双层玻璃窗效果更好。假设在户外1小时就能让你晒黑,那么有了普通窗户的遮挡,阳光想晒黑你就需要15个小时。所以,尽情在家里享受你梦寐已久的全裸室内日光浴吧,只是要当心附近有没有猥琐的邻居。减少紫外线暴露的办法用得越多,你就越安全。当冬天太阳高度很低的时候,身处温室中的你起码要经过160个小时的正午阳光照射才会被晒伤。

  出行的目的地当然也会影响紫外线暴露的程度。低纬度地区紫外线最强,因为那里一年四季太阳高度都很高;湿度较低的地方,例如澳大利亚的大部分地区,紫外线也是非常强烈的。你可能还不知道,去海拔高的地方就能多遇到很多紫外线,每上升305米,紫外线强度就会增加4%。因此,尽管科罗拉多的莱德维尔(Leadville)和华盛顿位于同一纬度,太阳高度相同,但是前者所获得的紫外线照射比后者要多40%。

  云层在很大程度上也能够过滤紫外线,这没什么可惊讶的。“乌云密布的天气里通常没有紫外线,”美国国家航空航天局(NASA)大气物理学家杰伊·赫尔曼(Jay Herman)在发给我的一封电子邮件中写道,“正因如此,居住在晴朗的澳大利亚的人患皮肤癌的概率比大多数美国人高很多。”在这里,云层的厚度非常重要。阴沉昏暗的云层可以挡住所有紫外线,又高又薄的卷云层则对紫外线束手无策。

  其实,保护我们免遭紫外线伤害的最大功臣聚集在10 ~ 56千米高空,它们是由3个氧原子组成的淡蓝色气体分子。臭氧层是地球抵御紫外线的主要屏障,在海拔24千米处最为稠密。但是这道屏障令人难以置信地娇贵:空气中所有的臭氧都沉淀在地球表面,也只有两枚叠起来的硬币那么厚。

  破坏臭氧的化学产品——例如氯氟烃(CFCs,用于气溶胶喷雾器和制冷剂)和卤代烷(用于灭火器)——已经被禁用了,但是曾经被释放出来的有害分子还会在未来几十年里继续对臭氧层造成破坏。NASA的物理学家用特殊的卫星监测臭氧层对紫外线的作用,他们预测,臭氧层要到2050年才能回归正常的水平。在那之前,皮肤白嫩的人要记得远离正午的阳光,千万别学疯狗和英国人注[2] 。其他人也要判断每天太阳的变化情况,适当考虑涂抹防晒霜。防晒系数(Sun Protection Factor,SPF)代表了这类产品的有效程度。一款防晒乳液上标明SPF10,那就表示,如果当前紫外线的强度能在1小时内晒伤皮肤,那么涂上它之后,就可以在10小时内阻止晒伤。

  图2 太阳风——太阳上层大气中带电粒子的连续流动——激发了距离地球表面将近160千米的空气原子,形成了美丽的极光。你可以在阿拉斯加中部看到它。无论你身在何处,天空每晚都会发出可见光(由大气中受太阳激发的原子发出紫外线形成),不过要比白天的光昏暗一些。天空总是在发光!所以,在远离人造光的乡村,只要上方没有叶子遮挡住天空,夜间徒步旅行的人就能够看清脚下的路 | 图源:安贾利·贝尔曼

  大多数防晒霜中含有二氧化钛或者氧化锌,这些化学成分能够反射、散射或者吸收紫外线,并将其作为热量消耗掉。实际上,SPF30的防晒霜能够达到SPF90的产品96%的防护效果,也就是说,只要在白天按照需要反复涂抹,使用SPF30的防晒霜也是可以的。

  如果你是长时间在室内工作的人,那么你也许会庆幸自己几乎晒不到太阳,进而彻底避免了紫外线所带来的困扰,但事情并没有你想的这么简单。虽然紫外线对我们的健康存在威胁,但是它也在维持着我们的生命,它还能治愈疾病。不过,生活方式的改变使我们越发难以获取人体必需的紫外线了。

  注释

  [1] 美国传统的童话角色。她喜欢不冷不热的粥,不软不硬的椅子,总之是“刚刚好”的东西,所以美国人常用金凤花姑娘(Goldilocks)来形容“刚刚好”。——译者

  [2] 出自诺埃尔·考沃德(Noel Coward)的著名歌曲《疯狗和英国人》(Mad Dogs And Englishmen),其中有句歌词是“唯有疯狗和英国人才会在烈日当头的正午跑出去”。——译者

  



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