SIMULAÇÕES DO PERÍODO MÁXIMO DE EXPOSIÇÃO DO SER HUMANO À RADIAÇÃO SOLAR UV-B ABSTRACT

SIMULAÇÕES DO PERÍODO MÁXIMO DE EXPOSIÇÃO DO SER HUMANO À RADIAÇÃO SOLAR UV-B Marcelo de Paula Corrêa (1, 2) e Artemio Plana-Fattori (1)

(1) Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG – USP

(2) Aluno de Pós-Graduação (Mestrado em Meteorologia), bolsista FAPESP

ABSTRACT

The excess of exposure by the human being to the Sun and, consequently to UV-B radiation, can bring serious risks to the health like the skin cancer and catarats. In this study, simulations are carried out to determine the maximum time of exposure to the Sun at any day of the year, in the period

of 11h30m to 12h30m (maximum intensity of solar radiation) in two distinct sites (Brasília, alt. 1171m

and Guarujá, alt. 4m). It was taken in consideration concepts of radiative transfer using all the orders of light scattering, real ozone concentrations profiles (radiative code Lowtran-7) and aerosol absence in the atmosphere, as well as two distinct situations for the surface (refletances null and 25%).

1. INTRODUÇÃO

O excesso de exposição do ser humano ao Sol e, consequentemente à radiação UV-B, pode trazer sérios riscos à saúde, como o câncer de pele e a catarata. Com o crescente aumento da incidência destas doenças em grandes centros urbanos, segundo a “American Academy of Dermatology” (http://www.aad.org/SkinCancerNews/), torna-se necessário o controle do tempo de exposição à radiação solar diariamente.

Neste estudo são apresentadas simulações com o objetivo de determinar a máxima duração do período de exposição de um ser humano sem qualquer proteção (cremes, chapéu, óculos de Sol, etc.) à

radiação solar entre 11h30m e 12h30m, sem que sejam atingidos limiares estabelecidos

internacionalmente para a ocorrência de prejuízo à saúde. Este intervalo de tempo, cujo limite superior vale 60 minutos, é a partir daqui denominado período máximo de exposição. Estas simulações são efetuadas ao longo do ano para duas localidades distintas (Brasília, alt. 1171m and Guarujá, alt. 4m). Leva-se em consideração conceitos de transferência radiativa utilizando todas as ordens de espalhamento da luz, perfis reais de concentração de ozônio, ausência de aerossol na atmosfera e duas situações distintas para a superfície (refletância nula e 25 %).

2. METODOLOGIA

2.1. Irradiância Solar Absorvida pela Pele Humana

O cálculo da quantidade de energia solar que atinge um determinado alvo em superfície deve levar em consideração as características da fonte de radiação (o Sol), do meio óptico absorvedor ou espalhador (a atmosfera) e dos detetores (pessoas, plantas, animais ou mesmo radiômetros). O valor da

irradiância espectral numa superfície horizontal (S(λ) – [Wm-2/µm]), nas condições propostas para este

trabalho, é determinada pela relação:

o atm O o 2 ) ( T ) ( T ) ( S d d ) ( S 3 λ λ µ λ     = λ (1)

onde os termos à direita representam, respectivamente: i) a correção devida à variação diária da distância média Terra-Sol, ii) a irradiância espectral solar no topo da atmosfera numa superfície normal à incidência, iii) a transmitância direta relativa à presença do ozônio, iv) a transmitância global (direta + difusa) relativa a composição molecular da atmosfera e, v) o cosseno da distância zenital solar.

Os comprimentos de onda utilizados variaram de 280 nm a 320 nm, que abrange a região da radiação UV-B no espectro eletromagnético. Ao longo deste intervalo, a espessura óptica vertical da composição molecular da atmosfera assume valores entre 0,92 e 1,63.

Na avaliação da transmitância atmosférica foram utilizadas as equações propostas por Skartveit & Olseth (1988) que expressam a transmitância atmosférica como função da espessura óptica vertical

(τRλ) (Fröhlich & Shaw, 1980; Young, 1980) e do cosseno da distância zenital do Sol (µo), para

espalhamento molecular e superfície lambertiana com albedo A. Sendo assim, a transmitância global (direta + difusa) é dada por:

)) ( s A 1 ( )] exp( 1 )[ , ( f ) exp( T R o R R o R o R atm λ λ λ λ τ − µ τ − − τ µ + µ τ − = (2) onde, A = albedo da superfície

s

Elbert (1954))

fR = fração da irradiância solar que não atinge a superfície terrestre

Tais equações são aproximações daquelas apresentadas por Chandrasekhar (1960) e Deirmendjian & Sekera (1954), as quais incorporam todas as possíveis ordens de espalhamento da luz em uma atmosfera plano-paralela, para Espalhamento Rayleigh conservativo. O domínio de validade destas equações determina valores menores que 1,3 para a espessura óptica (Margraaf & Griggs, 1969) porém, a extensão do domínio de validade para valores de espessuras ópticas até 1,6 (UV-B), caso deste trabalho, deve-se à alta absorção da radiação pelo ozônio e o comportamento monotônico das curvas de transmitância molecular. Margraaf & Griggs (1969) representam a mesma transmitância através de uma expansão polinomial em 5 termos e pode-se constatar que uma expansão em maior número não se faz necessária para o domínio de validade utilizado neste estudo.

Deve-se observar, da equação (2), que a refletância da superfície incrementa a transmitância atmosférica por possibilitar o retorno de radiação à atmosfera a qual pode promover retro-espalhamento para o solo.

A energia do feixe incidente também é atenuada pela absorção do ozônio, representada pela

variável TO₃. A absorção pelo ozônio é proporcional à concentração deste elemento na atmosfera, cuja

maior densidade encontra-se entre 20 e 30 km de altitude. Os cálculos de 3

O

T foram efetuados com o

código radiativo Lowtran 7 (Kneizys et al., 1988), implementando-se as características de uma

atmosfera tropical, variando-se a concentração de O3 na camada (240 a 320 Unidades Dobson (DU)),

de acordo com as concentrações médias tabeladas em Robinson (1966) para a faixa de latitudes que abrange o Brasil. Ainda, através do código Lowtran 7, foram obtidos os valores das irradiâncias

espectrais incidentes (So_λ) no topo da atmosfera, para o intervalo de comprimento de onda utilizado

neste trabalho.

A pele humana reage à radiação solar segundo um fator de refletividade, função do comprimento de onda. Green et al. (1974) apresentam uma expressão que exprime a dependência deste

fluxo solar global incidente em relação a resposta do sistema biológico. Este fator, ε(λ), representa a

eficiência relativa do fóton ultravioleta para induzir uma resposta biológica dos cromatóforos e é a representação de um espectro para a ocorrência do eritema na pele humana.

2 692 , 2 / ) 5 , 296 ( 692 , 2 / ) 5 , 296 ( 13 , 3 / ) 4 , 311 ( ) e 1 ( e . 9796 , 3 e 1 04485 , 0 ) ( _λ− − λ − λ + ₊ + = λ ε (3)

A análise da expressão (3) demonstra um pico máximo de eficiência em 296 nm (região do UV-B) e praticamente se anula para valores acima de 320 nm, que compreende a região do espectro UV-A. Por este motivo, explica-se a importância da aplicação deste estudo para a região do UV-B.

A quantidade total de energia que o ser humano absorve, dentro do espectro UV-B, é obtida

pela integração do produto entre a irradiância espectral solar que atinge a superfície e o fator ε(λ) que

caracteriza a reação da pele humana.

A integração, no intervalo de comprimento de onda para o UV-B, é dada por:

∫

2.2. Período Máximo de Exposição

A análise do período máximo de exposição ao Sol deve levar em consideração o horário do dia, o dia do ano e a localização do alvo (latitude, longitude e altitude), já que a posição do disco solar é

função destes parâmetros. Desta forma, nos cálculos µo deve ser considerado como um valor médio

das posições do disco solar entre o período de 11h30m e 12h30m, a fim de respeitar o horário de máxima

incidência e, portanto, de maiores cuidados à exposição do ser humano. De acordo com Paltridge & Platt (1976) e Boczko (1984), a posição do disco solar é dada por:

))µo =senϕsenδo +cosϕcosδocos(ζ−180+15(∈t +UTC (5)

onde: ϕ = latitude, δo = declinação, ζ = longitude, ∈t = equação do tempo e UTC = “Universal Time

Coordinate”.

3. RESULTADOS

Os resultados aqui apresentados levam em consideração uma atmosfera plano-paralela, livre de nuvens e aerossóis, para as localidades do Guarujá (24°00’S e 46°22’W, alt. 4 m) e Brasília (15°45’S e 47°57’W, alt. 1171 m). O interesse nestas duas localidades decorre de sua importância no presente contexto sócio-econômico. Os gráficos sugerem períodos máximos de permanência do ser humano, sob o Sol, livre de protetores solares para diferentes conteúdos de ozônio na atmosfera, no horário de máxima intensidade de radiação solar. Estes diagramas são apresentados para dois tipos distintos de superfície para o Guarujá (refletância nula ou igual a 25% caracterizando, respectivamente, regiões sobre o mar ou sobre a orla marítima) e um tipo para Brasília (refletância 25%).

O tipo de pele do indivíduo tem fundamental importância na determinação do tempo de exposição e, de acordo com a “Environmental Protection Agency" (EPA) – NOAA – EUA (http://www.noaa.gov/uvb/appen.html), são quatro os tipos fundamentais de pele de acordo com a pigmentação: branca (tipo I), levemente morena (II), levemente bronzeada/morena (III) e mulata/negra (IV). Através destes tipos básicos, aplica-se a mínima dose de energia requerida para ocorrer o avermelhamento e, conseqüentemente, a ocorrência de eritema.

Os resultados obtidos podem ser resumidos como se segue:

1. O período de exposição aumenta quando o conteúdo de ozônio aumenta, já que contribui

para uma menor quantidade de radiação solar disponível na baixa atmosfera;

2. O período de exposição aumenta, de acordo com o tipo de pele, do tipo I para o tipo IV;

3. O ciclo anual do período de exposição apresenta um máximo no final de junho (solstício de

inverno no Hemisfério Sul);

4. Para uma dada altitude, o período de exposição diminui com o aumento do albedo de

superfície, já que o alvo recebe radiação adicional em função do retro-espalhamento atmosférico de radiação refletida pela superfície;

5. Para uma dada superfície (mesmo albedo), o tempo de exposição diminui à medida que

aumenta a altitude (maior disponibilidade de radiação solar à superfície.

6. O período de exposição pode atingir o limite de 60 minutos conforme as condições

Guarujá (4m) - A = 0 Guarujá (4m) - A = 0,25 Brasília (1171m) - A = 0,25

Tipo I

Tipo II

Tipo III

Tipo IV

Conteúdo Total de Ozônio na Camada:

Figura 1: Tipo de Pele: Bronzeamento:

Tempo de Exposição à I Pálida / Branca Avermelhamento / Descascamento

Radiação Solar UV-B, sendo II Morena Clara Bronzeado Leve / Avermelhamento

A = Albedo da Superfície. III Morena Bronzeado Moderado

IV Morena Escura / Negra Bronzeamento Rápido

0 10 20 30 40 50 60 0 90 180 270 360 Dia do ano Tempo (minutos) 0 10 20 30 40 50 60 0 90 180 270 360 Dia do ano Tempo (minutos) 0 10 20 30 40 50 60 0 90 180 270 360 Dia do ano Tempo (minutos) 0 10 20 30 40 50 60 0 90 180 270 360 Dia do ano Tempo (minutos) 0 10 20 30 40 50 60 0 90 180 270 360 Dia do ano Tempo (minutos) 0 10 20 30 40 50 60 0 90 180 270 360 Dia do ano Tempo (minutos) 0 10 20 30 40 50 60 0 90 180 270 360 Dia do ano Tempo (minutos) 0 10 20 30 40 50 60 0 90 180 270 360 Dia do ano Tempo (minutos) 0 10 20 30 40 50 60 0 90 180 270 360 Dia do ano Tempo (minutos) 0 10 20 30 40 50 60 0 90 180 270 360 Dia do ano Tempo (minutos) 0 10 20 30 40 50 60 0 90 180 270 360 Dia do ano Tempo (minutos) 0 10 20 30 40 50 60 0 90 180 270 360 Dia do ano Tempo (minutos) 240 DU 280 DU 320 DU

4. CONCLUSÃO

Deve-se destacar que o intuito principal deste estudo é analisar a importância da proteção à radiação UV-B, no dia a dia em localidades de interesse sócio-econômico, sob condições atmosféricas extremas, como céu aberto (ausência de nuvens) e limpo (ausência de aerossóis). Nestas condições, presume-se que as estimativas do período de exposição correspondam a valores máximos da irradiância UV-B disponível na proximidade do solo.

De maneira geral, o período máximo de exposição do ser humano à radiação solar diminui: (a) durante o verão, (b) com a escassez de ozônio na estratosfera, (c) com a capacidade que a superfície possui de refletir luz solar e, (d) de acordo com a altitude em que se encontra o observador. Desta forma, nossos resultados são coerentes com advertências dirigidas às populações residentes em regiões montanhosas em quaisquer épocas do ano, e não apenas a praticantes de esportes de neve (http://nic.fb4.noaa.gov:80/products/stratosphere/uv_index/uv_clouds.html).

No específico caso brasileiro, deve-se lembrar a ocorrência de concentrações humanas significativas em altitudes intermediárias àquelas correspondentes ao Guarujá e a Brasília, tais como São Paulo, Belo Horizonte, Curitiba e Campinas. Em outras palavras, estas populações encontram-se expostas a condições intermediárias àquelas apresentadas nas colunas 2 e 3 da Figura 1. Constitui recomendação deste estudo o uso de protetores solares (cremes, chapéus, óculos de sol, etc) por estas populações, mesmo que a distância ao litoral possa representar um fator de resistência cultural.

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Boczko, R., 1984: Conceitos de Astronomia, Editora Edgard Blücher, 429pp.

Chandrasekhar, S., 1960: Radiative Transfer, Dover Publications Inc., 393pp.

Chandrasekhar, S. & Elbert, D.D., 1954: The Ilumination and Polarization of the Sunlit Sky on

Rayleigh Atmosphere, Transactions of the American Philosophical Society, 44: 643 – 728.

Deirmendjian, D. & Sekera, Z., 1954: Global Radiation Resulting from Multiple Scattering in a

Rayleigh Atmosphere, Tellus 6: 382 – 398.

Fröhlich, C. & Shaw, G. E., 1980: New Determination of Rayleigh Scattering in the Terrestrial

Atmosphere, Applied Optics, V. 19, N° 11: 1773-1775.

Green, A. E. S et al., 1974: Photochem. and Photobiol., V. 19: 251 – 259.

Kneizys et al., 1988: Users Guide to LOWTRAN 7, Environmental Research Papers, N° 1010 - Air

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Marggaf, W. A. & Griggs, M., 1969: Aircraft Measurements and Calculations of the Total

Downward Flux of Solar Radiation as a Function of Altitude, Journal of Atmospheric Sciences,

V. 26: 469 – 477.

NOAA (National Oceanic and Atmopheric Administration) / EPA (Environmental Protection

Agency), 1998: Technical Appendices to the Experimental UV Index Factsheet – http://www.noaa.gov/uvb/appen.html

Paltridge, G. W. & Platt, C. R. M., 1976: Radiative Processes in Meteorology and Climatology,

Elsevier Publishing Co., 318pp.

Robinson, N., 1966: Solar Radiation, Elsevier Publishing Co., 347pp.

Skartveit, A. & Olseth, J. A., 1988: Some Simple Formulas for Multiple Rayleigh Scattered

Irradiance, Solar Energy, V. 41, N° 1: 19 – 20.

Young, A. T., 1980: Revised Depolarization Corrections for Atmospheric Extinction, Applied