Влияние спектра излучения различных источников света на организм человека

№ 6(26)’2013
PDF версия
В статье приведен обзор существующих на сегодня методов оценки излучений оптического диапазона. Основное внимание авторы статьи обращают на проблему изучения безопасности использования оптического излучения, генерируемого светодиодами. Авторы полагают, что для изучения биологических эффектов при действии оптического ультрафиолетового излучения целесообразно использовать комплекс методов, объективно оценивающих взаимодействия со структурными элементами тканей живого организма.

К использованию световых сценариев, которые сравнительно недавно начинают разрабатываться с применением инновационных технологий, прежде всего, необходим подход с позиций экологии здоровья человека. В последние годы назрела необходимость конкретизировать вводные данные и для самих световых ситуаций и для определения параметров человека не просто как усредненного среднестатистического физического тела [1–3]. Человек — социальное существо, и баланс между его биологической сутью и техногенным окружением становится краеугольным камнем его дальнейшего развития. Данная проблема усугубляется факторами урбанизации: строительство офисных и промышленных объектов без окон ведет к тому, что люди проводят при искусственном освещении не только темное время суток, но и большую часть жизни [3, 9].

Многообразие источников характеризуется различным спектральным составом, интенсивностью действующих потоков энергии, различными режимами облучения организма человека, приводящими к различным величинам энергополучения. В этих условиях очень важно иметь четкое представление о механизмах взаимодействия излучения с организмом, о характере формирования биологических эффектов, определяемых оптическим излучением [5, 9, 11, 13]. Международные дискуссии в авторитетных светотехнических журналах, идущие последние три года, способствуют новым практическим решениям как в нормировании освещения, так и в использовании наиболее совершенных источников света (ИС) и приемов освещения не только для повышения зрительной работоспособности, но и для сохранения и укрепления здоровья людей. Они вызваны рядом научных открытий в фотобиологии, психофизиологии, медицине и взволновали светотехническое сообщество открывающейся возможностью применить новые знания для создания более здоровой световой среды [6–8, 16, 17].

Мишенью для фотонов оптического излучения является хрусталик глаза. Оптическое излучение рассматривается как фактор, способствующий раннему старению хрусталика, ускорению созревания катаракты — то есть как катарактогенный фактор [12, 14]; появившиеся в последнее время публикации подтверждают свободорадикальный механизм помутнения хрусталика [14, 15]. С обнаружением в 2002 г. нового типа фоторецепторов в глазу появилось некоторое понимание того, какое невизуальное биологическое влияние оказывает свет на людей [6, 10]. При попадании света в клетки-рецепторы начинается сложная химическая реакция (с участием фотопигмента меланопсина) с продуцированием электрических импульсов. Эти клетки имеют нервные связи с двумя образованиями в мозгу: супрахиазматическими клетками (SCN), являющимися биологическими часами мозга, и с шишковидной железой (эпифизом). Шишковидная железа регулирует секрецию определенных гормонов в организме.

В сетчатке глаза световые волны определенной длины превращаются в энергию нервного импульса. Эта энергия передается по зрительному нерву в верхнюю часть спинного и в затылочную долю головного мозга, где она не только запечатлевает увиденный образ, но и влияет также на основные центры управления организмом, расположенные в головном мозге.

Считается, что эта энергия заставляет шишковидное тело вырабатывать мелатонин. Максимальное количество мелатонина вырабатывается ночью, пик активности приходится примерно на 2 часа ночи, а уже к 9 часам утра его содержание в крови падает до минимальных значений. Как известно, мелатонин — гормон эпифиза, разрушающийся под действием света, особенно при наличии в спектре волн в диапазоне 430–470 нм. В наших исследованиях такой эффект наблюдался для всех спектров ламп при энергетической освещенности 0,5–1,5 Вт/м2.

Наименьшие реакции наблюдались при 2700 и 4000 К, в то время как при действии спектра, характерного для цветовой температуры 6400 К, регистрировались наибольшие разрушения мелатонина, что, вероятно, связано с присутствием в спектре голубой части, которая подавляет мелатонин [10]. В спектре света исследуемых ламп с цветовой температурой 2700 и 4000 К энергетическая освещенность голубой части спектра составляет 0,9–1,4 мкВт/м2, а при 6400 К — 2,4–5,8 мкВт/м2. Одновременно происходит выработка и подавление кортизола — гормона бодрости. Максимальная выработка кортизола приходится на 9 часов утра, подавление его экспрессии происходит вечером и ночью.

Известно, что пришедшие на смену лампам накаливания (ЛН) компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) и светодиоды (СД) имеют в спектре излучения большую часть коротковолнового синего излучения, тогда как спектр излучения лампы накаливания содержит больше красный компонент [5, 10, 12]. Максимальная чувствительность фоторецепторов, недавно обнаруженных в сетчатке глаза, лежит на участке с короткими длинами волны (синий свет). Следовательно, больший невизуальный биологический эффект оказывает холодно-белый свет, чем свет с большим красным компонентом (тепло-белый). Таким образом, у исследователей возникает вопрос о том, как применение светодиодов и других новых ИС для внутреннего и наружного освещения отразится на естественном балансе гормонов, естественном ритме тела и здоровье человека. Ответом на этот вопрос может стать только взвешенный сравнительный анализ спектральных свойств ламп накаливания, КЛЛ и светодиодов. Установленным является тот факт, что излучение ЛН характеризуется непрерывным спектром со сравнительно большим количеством длин волн в красной части спектра, чем в синей. Следовательно, ЛН дают тепло-белый свет, коррелированная цветовая температура Тцв = 2700 K, индекс цветопередачи Rа = 97–98. КЛЛ, так же как и трубчатые ЛЛ, представляют собой разрядные ИС низкого давления, в которых УФ-излучение ртутного разряда преобразуется люминофором в длинноволновое излучение. Спектр излучения этих ламп характеризуется множеством пиков. Выбор люминофора определяет цветность и другие физические характеристики излучения. Диапазон цветовых температур 2700–6000 K, индекс цветопередачи Rа — 65–90. На рис. 1 представлены спектры излучения некоторых ЛЛ относительно кривой биологического действия с(l) и кривой световой эффективности V(l).

Спектры излучения некоторых люминесцентных ламп относительно кривой биологического действия с(l) и кривой световой эффективности V(l)

Рис. 1. Спектры излучения некоторых люминесцентных ламп относительно кривой биологического действия с(l) и кривой световой эффективности V(l) [15]:
а) Рл = 54 Вт, Fл = 4450 лм, Rа = 84, аcv = 0,5;
б) Рл = 54 Вт, Fл = 4100 лм, Rа = 88, аcv = 1;
в) Рл = 58 Вт, Fл = 3450 лм, Rа = 97, аcv = 0,9;
г) Рл = 54 Вт, Fл = 3800 лм, ЛЛ ActiViva Active 17000 K, аcv = 1,26

Генерация света в СД происходит за счет энергии, преобразуемой на границе полупроводниковых материалов с разным характером проводимости. В полупровод­нике с излучением в узкой спектральной полосе с максимумом в 450 нм сгенерирован световой поток синего цвета. Часть этого света преобразуется в более или менее непрерывный спектр в длинноволновой области. Светодиоды с Тцв = 4000 K имеют синий пик в спектре в 450 нм. У тепло-белых СД Тцв 2700–3000 K амплитуда этого пика уменьшена, а в красной области интенсивность имеет максимальное значение. Для уточнения роли различных ИС, оказывающих действие на организм человека в целом, именуемое нами как «невизуальное действие света», исследователи считают необходимым проведение расчета доли излучения различных ИС, оказывающих именно невизуальное действие. Полный биологический эффект света (доля излучения) может быть вычислен из спектра источника света и его биологического спектра действия, определенного G.C. Brainard на основании ночного подавления мелатонина [12, 15]. Чтобы получить правильное значение для разных ИС, эта доля должна быть вычислена на основе ИС, дающих равноценное значение видимого потока излучения. С этой целью общий видимый поток излучения вычислен по относительным спектральным распределениям излучений согласно формуле:

Flл = S(Еlл × Vl),

где: Flл — общий видимый поток излучения; Vl — относительная спектральная световая эффективность монохроматического излучения; Еlл — энергия монохроматического излучения.

Затем все спектральные энергетические величины источника смасштабированы и аппроксимированы, чтобы получить тот же поток в соответствии с условиями равенства:

Еl = (Еlл × Flл ЛН)/Flл.

На рис. 2 показаны относительные энергетические спектры ЛН и двух СД на основе того же выхода видимого потока излучения.

Относительные энергетические спектры ЛН и двух СД на основе того же видимого потока излучения

Рис. 2. Относительные энергетические спектры ЛН и двух СД на основе того же видимого потока излучения

Некоторые исследования показали, что закон аддитивности, который справедлив для визуальных эффектов, не полностью выполняется для невизуальных биологических эффектов [4]. Это означает, что описанная выше методика не всегда верна. Профессор G. Brainard с соавторами [15] опубликовали гипотезу, в которой они объясняют неаддитивность взаимодействия колбочек, палочек и вновь обнаруженных фоторецепторов в сетчатке. На основании этого был определен альтернативный вариант невизуального биологического спектра действия. В таблице представлены результаты расчета G. Brainard невизуальной биологической дозы различных типов источников света (DB) относительно невизуальной биологической дозы лампы накаливания (DV) [15].

Таблица. Результаты расчета G. Brainard невизуальной биологической дозы различных типов ИС относительно невизуальной биологической дозы ЛН [15]

Тип источника света

DV, %

DB,%

DB по G. Brainard

Лампа накаливания

100

100

100

ДНаТ

42

40,7

Галогенная лампа

130,05

122,7

МГЛ типа PAR

70

68

Светодиод белый

99

101,8

Светодиод белый

133,8

137,2

Светодиод синий 468

136

129,2

КЛЛ 2700 К

99,1

104,27

КЛЛ 4000 К

134,1

130,31

КЛЛ 8000 К SkyWhite

143,1

138,71

КЛЛ 17000 К ActiViva

153,2

145,43

Анализ вышеперечисленных данных позволяет с уверенностью утверждать, что доля излучения, оказывающего биологическое действие, от тепло-белых КЛЛ и светодиодов с Тцв 2700–3000 K и хорошей цветопередачей та же или меньше, чем у ЛН. Лампы с Тцв = 4000 K оказывают более высокое биологическое действие. Данная методика позволяет оценить эффективность биологического воздействия ИС любого типа при условии, что за единицу такого воздействия выбирается излучение одного из сравниваемых ИС. Использование описанных методов исследования биологических эффектов при действии оптического излучения позволило разработать допустимые нормативы облученности (СП 52.13330.2011 «Естественное и искусственное освещение. Актуализированная редакция СНиП 23-05-95). Таким образом, проектирование свето­цветовой среды города предполагает тесное взаимодействие специалистов целого ряда областей знания (архитекторов, физиологов, иммунологов, санитарных врачей), проведение клинических и экспериментальных исследований по изучению безопасности для человека инновационных технологий освещения и является основанием для разработки научно обоснованного подхода к совершенствованию создания благоприятной среды обитания человека.

Исследование выполнено в рамках Федеральной целевой программы «Исследование и разработки по приоритетным направлениям научно-технического комплекса России на 2007–2013 гг.», проект 2013-1.6-14-516-0126-022 «Исследование эффективности и безопасности для здоровья светодиодных источников света».

Литература
  1. Абрамов В. С. Белые светодиоды // Светодиоды и лазеры. 2002. № 1–2.
  2. Айзенберг Ю. Б. Задача стимулирования производства и применения энергоэффективных светотехнических изделий // Светотехника. 2009. № 2.
  3. Айзенберг Ю. Б. Современные проблемы энергоэффективного освещения // Энергосбережение. 2009. № 1.
  4. Биске К. Субъективные оценки цветопередачи в зависимости от спектра излучения источников света // Светотехника. 2007. № 5.
  5. Боммель В. Лампы для прямой замены ламп накаливания и здоровье людей / Пер. с англ. Е. И. Розовского // Светотехника. 2011. № 2.
  6. Брейнард Г. К. Восприятие света как стимула незрительных реакций человека // Светотехника. 2008. № 1.
  7. Гизингер О. Исследовательские подходы в области безопасности освещения в условиях мегаполиса // Полупроводниковая светотехника. 2013. № 21.
  8. Гизингер О. А. Методология исследований в области безопасности освещения // Современная медицина: актуальные вопросы. 2013. № 19.
  9. Долин Е. В. 4-й Московский международный форум «Светодиоды в светотехнике» // Светотехника. 2011. № 1.
  10. Долгушин И. И. Нейтрофилы и гомеостаз. Екатеринбург. УрО РАН. 2001.
  11. Гигиенические характеристики энергосберегающих источников света.
  12. Зак П. П. Потенциальная опасность освещения светодиодами для глаз детей и подростков // Светотехника. 2012. № 3.
  13. Изотов И. С. Целесообразность замены ламп накаливания энергосберегающими люминесцентными лампами в НВВИКУ //
    Сб. статей курсантов. Кстово: НВВИКУ. 2008.
  14. Кришталь В. С. Влияние цветности освещения на психофизиологическое состояние человека // Світлотехніка та електроенергетика. 2005. № 5.
  15. Brainard G. C. Photoreception for regulation of melatonin and the circadian system in humans // 5th International LRO Lighting research symposium. Orlando. 2002.
  16. Hodapp M. W. High brightness light emitting diodes. New York. Academic press. 1997.
  17. IESNA Recommended Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data. IESNA LM-63–95. New York: Illuminating Engineering Society of North America. 1995.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.