Quel est l'autre nom de la lumière ultraviolette ?
lumière noire
Une lampe à lumière noire émet un rayonnement UVA à ondes longues et peu de lumière visible. Les lampes fluorescentes à lumière noire utilisent un phosphore sur la surface du tube intérieur, qui émet de la lumière UVA au lieu de la lumière visible. Certaines lampes utilisent un filtre optique en verre de Wood d'un bleu-violet profond qui bloque presque toute la lumière visible avec des longueurs d'onde supérieures à 400 nanomètres. D'autres utilisent du verre ordinaire au lieu du verre Wood's, plus cher, de sorte qu'ils apparaissent bleu clair à l'œil lors du fonctionnement. Une lumière noire peut également être formée, de manière très inefficace, en utilisant une couche de verre de Wood dans l'enveloppe d'une ampoule à incandescence. Bien que moins chères que les lampes UV fluorescentes, seulement 0,1 % de la puissance d’entrée est convertie en rayonnement ultraviolet utilisable. Des lumières noires à vapeur de mercure d'une puissance allant jusqu'à 1 kW avec un phosphore émettant des UV et une enveloppe de verre de Wood sont utilisées pour les représentations théâtrales et les concerts. Les ampoules émettant des UVA/UVB sont également vendues à d'autres fins spéciales, telles que les lampes de bronzage et l'élevage de reptiles. Les colorants fluorescents UV qui brillent dans les couleurs primaires sont utilisés dans les peintures, les papiers et les textiles, soit pour rehausser la couleur à la lumière du jour, soit pour produire des effets spéciaux lorsqu'ils sont éclairés par des lampes UV. Les peintures à lumière noire qui contiennent des colorants qui brillent sous les UV sont utilisées dans un certain nombre d'applications artistiques et esthétiques.
L'ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde comprise entre 10 nm (30 PHz) et 380 nm (750 THz), plus courte que celle de la lumière visible mais plus longue que les rayons X. Le rayonnement UV est présent au soleil. Il est également produit par des arcs électriques et des lumières spécialisées telles que les lampes à vapeur de mercure, les lampes de bronzage et les lumières noires. Bien qu’ils n’aient pas l’énergie nécessaire pour ioniser les atomes, les rayons ultraviolets de grande longueur d’onde peuvent provoquer des réactions chimiques et faire briller ou fluorescer de nombreuses substances. Par conséquent, les effets biologiques des UV sont supérieurs aux simples effets thermiques, et de nombreuses applications pratiques du rayonnement UV découlent de ses interactions avec des molécules organiques.
Le bronzage, les taches de rousseur et les coups de soleil sont des effets familiers d'une surexposition, ainsi qu'un risque plus élevé de cancer de la peau. Les êtres vivants sur la terre ferme seraient gravement endommagés par le rayonnement ultraviolet du Soleil si la majeure partie de celui-ci n'était pas filtrée par l'atmosphère terrestre. Les UV « extrêmes » plus énergétiques et de longueur d'onde plus courte, inférieurs à 121 nm, ionisent l'air si fortement qu'il est absorbé avant qu'il n'atteigne le sol.
Les ultraviolets sont également responsables de la formation de vitamine D qui renforce les os chez la plupart des vertébrés terrestres, y compris les humains. Le spectre UV a ainsi des effets à la fois bénéfiques et nocifs pour la santé humaine.
La lumière proche UV est visible par certains insectes, mammifères et oiseaux. Les petits oiseaux ont un quatrième récepteur de couleur pour la lumière ultraviolette ; cela donne aux oiseaux une « vraie » vision UV. Les rennes utilisent la lumière proche des UV pour observer les ours polaires, qui sont mal visibles sous une lumière normale car ils se fondent dans la neige. La lumière UV permet également aux mammifères de voir les traces d’urine, ce qui permet aux proies de trouver de la nourriture dans la nature. Les mâles et les femelles de certaines espèces de papillons semblent identiques à l'œil humain mais très différents des yeux sensibles aux UV : les mâles arborent des motifs lumineux afin d'attirer les femelles. La plupart des rayons ultraviolets sont invisibles pour la plupart des humains : le cristallin d'un œil humain est généralement invisible. filtre les fréquences UVB ou inférieures, et les humains manquent d'adaptations des récepteurs de couleur pour la lumière ultraviolette, de sorte que les humains ne voient pas beaucoup de « lumière ou couleurs » que certains animaux voient.
Dans certaines conditions, les enfants et les jeunes adultes peuvent voir les ultraviolets jusqu'à des longueurs d'onde d'environ 310 nm, et les personnes souffrant d'aphakie (lentille manquante) ou de lentilles de remplacement peuvent également voir certaines longueurs d'onde UV. Les personnes qui n’ont pas de lentilles déclarent souvent voir une lumière ultraviolette qui semble « bleu blanchâtre » ou « violet blanchâtre ». Cela se produit parce que nos trois récepteurs de couleur (rouge, vert et bleu) sont tous sensibles à la lumière ultraviolette. La lumière entre donc comme un mélange des trois récepteurs, avec un léger clin d’œil au côté bleu du spectre.
Découverte
« Ultraviolet » signifie « au-delà du violet » (du latin ultra, « au-delà »), le violet étant la couleur des plus hautes fréquences de la lumière visible. La lumière ultraviolette a une fréquence plus élevée que la lumière violette.
Le rayonnement UV a été découvert en 1801 lorsque le physicien allemand Johann Wilhelm Ritter a observé que les rayons invisibles juste au-delà de l'extrémité violette du spectre visible assombrissaient le papier imbibé de chlorure d'argent plus rapidement que la lumière violette elle-même. Il les a appelés « rayons oxydants » pour souligner la réactivité chimique et les distinguer des « rayons thermiques », découverts l'année précédente à l'autre extrémité du spectre visible. Le terme plus simple « rayons chimiques » fut adopté peu de temps après et resta populaire tout au long du XIXe siècle, même si certains pensaient qu'il s'agissait d'un type de rayonnement totalement différent de la lumière (notamment John William Draper, qui les nomma « rayons tithoniques »). " ). Les termes rayons chimiques et thermiques ont finalement été abandonnés au profit respectivement de rayonnement ultraviolet et infrarouge.
En 1878, l’effet de la lumière à courte longueur d’onde sur les bactéries stérilisantes a été découvert. En 1903, on savait que les longueurs d’onde les plus efficaces se situaient autour de 250 nm. En 1960, l’effet du rayonnement ultraviolet sur l’ADN a été établi.
La découverte du rayonnement ultraviolet inférieur à 200 nm, appelé ultraviolet sous vide car fortement absorbé par l'air, a été faite en 1893 par le physicien allemand Victor Schumann.
Sous-types
Le spectre électromagnétique du rayonnement ultraviolet (UVR), défini au sens large entre 10 et 400 nanomètres, peut être subdivisé en un certain nombre de plages recommandées par la norme ISO ISO-21348 :
Une variété de dispositifs à semi-conducteurs et à vide ont été explorés pour être utilisés dans différentes parties du spectre UV. De nombreuses approches cherchent à adapter les dispositifs de détection de la lumière visible, mais ceux-ci peuvent souffrir de réponses indésirables à la lumière visible et de diverses instabilités. Les ultraviolets peuvent être détectés par des photodiodes et photocathodes appropriées, qui peuvent être adaptées pour être sensibles à différentes parties du spectre UV. Des photomultiplicateurs ultraviolets sensibles sont disponibles. Les spectromètres et les radiomètres sont conçus pour mesurer le rayonnement UV. Les détecteurs au silicium sont utilisés sur tout le spectre.
Les gens ne peuvent pas percevoir directement les UV, car le cristallin de l’œil humain bloque la plupart des rayonnements dans la plage de longueurs d’onde de 300 à 400 nm ; les longueurs d'onde plus courtes sont bloquées par la cornée. Néanmoins, les photorécepteurs de la rétine sont sensibles au proche UV et les personnes dépourvues de cristallin (une condition connue sous le nom d'aphakie) perçoivent le proche UV comme un bleu blanchâtre ou un violet blanchâtre.
Les longueurs d'onde des UV sous vide, ou VUV (inférieures à 200 nm) sont fortement absorbées par l'oxygène moléculaire présent dans l'air, bien que les longueurs d'onde plus longues, d'environ 150 à 200 nm, puissent se propager à travers l'azote. Les instruments scientifiques peuvent donc utiliser cette gamme spectrale en fonctionnant dans une atmosphère sans oxygène (généralement de l'azote pur), sans avoir recours à des chambres à vide coûteuses. Des exemples significatifs incluent les équipements de photolithographie à 193 nm (pour la fabrication de semi-conducteurs) et les spectromètres à dichroïsme circulaire.
La technologie de l’instrumentation VUV a été largement inspirée par l’astronomie solaire pendant de nombreuses décennies. Bien que l'optique puisse être utilisée pour éliminer la lumière visible indésirable qui contamine le VUV, en général, les détecteurs peuvent être limités par leur réponse aux rayonnements non VUV, et le développement de dispositifs « aveugles au soleil » a constitué un domaine de recherche important. Les dispositifs à semi-conducteurs à grand écart ou les dispositifs à vide dotés de photocathodes à coupure élevée peuvent être intéressants par rapport aux diodes au silicium.
Les UV extrêmes (EUV ou parfois XUV) se caractérisent par une transition dans la physique de l'interaction avec la matière. Les longueurs d'onde supérieures à 30 nm environ interagissent principalement avec les électrons de valence externes des atomes, tandis que les longueurs d'onde plus courtes interagissent principalement avec les électrons et les noyaux de la couche interne. L’extrémité longue du spectre EUV est définie par une raie spectrale He+ proéminente à 30,4 nm. L'EUV est fortement absorbé par la plupart des matériaux connus, mais il est possible de synthétiser des optiques multicouches qui réfléchissent jusqu'à environ 50 % du rayonnement EUV à incidence normale. Cette technologie lancée par les fusées-sondes NIXT et MSSTA dans les années 1990 a été utilisée pour fabriquer des télescopes pour l’imagerie solaire.
Ultraviolet solaire
Les objets très chauds émettent des rayons UV (voir Rayonnement du corps noir). Le Soleil émet un rayonnement ultraviolet à toutes les longueurs d'onde, y compris l'ultraviolet extrême où il se transforme en rayons X à 10 nm. Les étoiles extrêmement chaudes émettent proportionnellement plus de rayonnement UV que le Soleil. La lumière solaire dans l'espace au sommet de l'atmosphère terrestre (voir constante solaire) est composée d'environ 50 % de lumière infrarouge, 40 % de lumière visible et 10 % de lumière ultraviolette, pour une intensité totale d'environ 1 400 W/m2 dans le vide.
Cependant, au niveau du sol, la lumière solaire est composée à 44 % de lumière visible, à 3 % d'ultraviolet (avec le Soleil à son zénith) et le reste d'infrarouge. Ainsi, l'atmosphère bloque environ 77 % des UV du Soleil, presque entièrement dans les longueurs d'onde UV les plus courtes, lorsque le Soleil est le plus haut dans le ciel (zénith). Parmi les rayons ultraviolets qui atteignent la surface de la Terre, plus de 95 % sont constitués de longueurs d'onde plus longues d'UVA, le petit reste étant d'UVB. Il n’y a pratiquement pas d’UVC. La fraction d'UVB qui reste dans la lumière UV après avoir traversé l'atmosphère dépend fortement de la couverture nuageuse et des conditions atmosphériques. Les nuages ​​épais bloquent efficacement les UVB ; mais les jours « partiellement nuageux », les zones de ciel bleu apparaissant entre les nuages ​​sont également des sources d'UVA et d'UVB (diffusés), qui sont produits par diffusion Rayleigh de la même manière que la lumière bleue visible de ces parties du ciel.
Les bandes UVC plus courtes, ainsi que le rayonnement UV encore plus énergétique produit par le Soleil, sont absorbés par l'oxygène et génèrent de l'ozone dans la couche d'ozone lorsque des atomes d'oxygène uniques produits par photolyse UV du dioxygène réagissent avec davantage de dioxygène. La couche d'ozone est particulièrement importante pour bloquer la plupart des UVB et la partie restante des UVC qui ne sont pas déjà bloquées par l'oxygène ordinaire de l'air.
Bloqueurs et absorbeurs
Les absorbeurs de lumière ultraviolette sont des molécules utilisées dans les matériaux organiques (polymères, peintures, etc.) pour absorber la lumière UV afin de réduire la dégradation UV (photo-oxydation) d'un matériau. Les absorbeurs peuvent eux-mêmes se dégrader avec le temps, c'est pourquoi une surveillance des niveaux d'absorbeurs dans les matériaux altérés est nécessaire.
Dans les crèmes solaires, les ingrédients qui absorbent les rayons UVA/UVB, tels que l'avobenzone, l'oxybenzone et le méthoxycinnamate d'octyle, sont des absorbeurs chimiques organiques ou des « bloqueurs ». Ils contrastent avec les absorbeurs/« bloqueurs » inorganiques du rayonnement UV tels que le dioxyde de titane et l'oxyde de zinc.
Pour les vêtements, le facteur de protection contre les ultraviolets (UPF) représente le rapport des UV provoquant des coups de soleil sans et avec la protection du tissu, similaire aux indices SPF (facteur de protection solaire) pour la crème solaire. Les tissus d'été standards ont un UPF d'environ 6, ce qui signifie qu'environ 20 % des UV passeront à travers.
Les nanoparticules en suspension dans les vitraux empêchent la lumière UV de provoquer des réactions chimiques qui modifient les couleurs de l'image. Un ensemble de puces de référence de couleur pour vitraux devrait être utilisé pour calibrer les caméras couleur de la mission Mars Rover 2019 de l'ESA, car elles ne seront pas décolorées par le niveau élevé d'UV présent à la surface de Mars.
Le verre sodocalcique commun est partiellement transparent aux UVA mais est opaque aux longueurs d'onde plus courtes, tandis que le verre de quartz fondu, selon la qualité, peut être transparent même aux longueurs d'onde UV sous vide. Le verre à vitre ordinaire laisse passer environ 90 % de la lumière au-dessus de 350 nm, mais bloque plus de 90 % de la lumière en dessous de 300 nm.
Le verre de Wood est une forme de verre contenant du nickel avec une couleur bleu-violet profond qui bloque la plupart de la lumière visible et laisse passer la lumière ultraviolette.
Sources artificielles
La lumière émise par une lampe au mercure est principalement émise à des longueurs d'onde discrètes. D'autres sources UV pratiques avec des spectres d'émission plus continus comprennent les lampes à arc au xénon (couramment utilisées comme simulateurs de lumière solaire), les lampes à arc au deutérium, les lampes à arc au mercure-xénon, les lampes à arc aux halogénures métalliques et les lampes à incandescence tungstène-halogène.
"Lumières noires"
Une lampe à lumière noire émet un rayonnement UVA à ondes longues et peu de lumière visible. Les lampes fluorescentes à lumière noire utilisent un phosphore sur la surface du tube intérieur, qui émet de la lumière UVA au lieu de la lumière visible. Certaines lampes utilisent un filtre optique en verre de Wood d'un bleu-violet profond qui bloque presque toute la lumière visible avec des longueurs d'onde supérieures à 400 nanomètres. D'autres utilisent du verre ordinaire au lieu du verre Wood's, plus cher, de sorte qu'ils apparaissent bleu clair à l'œil lors du fonctionnement. Une lumière noire peut également être formée, de manière très inefficace, en utilisant une couche de verre de Wood dans l'enveloppe d'une ampoule à incandescence. Bien que moins chères que les lampes UV fluorescentes, seulement 0,1 % de la puissance d’entrée est convertie en rayonnement ultraviolet utilisable. Des lumières noires à vapeur de mercure d'une puissance allant jusqu'à 1 kW avec un phosphore émettant des UV et une enveloppe de verre de Wood sont utilisées pour les représentations théâtrales et les concerts. Les ampoules émettant des UVA/UVB sont également vendues à d'autres fins spéciales, telles que les lampes de bronzage et l'élevage de reptiles.
Lampes ultraviolettes à ondes courtes
Une lampe UV à ondes courtes peut être fabriquée à l'aide d'un tube de lampe fluorescente sans revêtement de phosphore. Ces lampes émettent de la lumière ultraviolette avec deux pics dans la bande UVC à 253,7 nm et 185 nm en raison du mercure contenu dans la lampe. De 85 % à 90 % des UV produits par ces lampes sont à 253,7 nm, alors que seulement 5 à 10 % sont à 185 nm. Le tube en verre de quartz fondu laisse passer le rayonnement de 253 nm mais bloque la longueur d'onde de 185 nm. De tels tubes ont une puissance UVC deux ou trois fois supérieure à celle d’un tube de lampe fluorescente ordinaire. Ces lampes basse pression ont une efficacité typique d'environ 30 à 40 %, ce qui signifie que pour 100 watts d'électricité consommée par la lampe, elles produiront environ 30 à 40 watts de puissance UV totale. Ces lampes « germicides » sont largement utilisées pour la désinfection des surfaces dans les laboratoires et les industries agroalimentaires, ainsi que pour la désinfection des réserves d'eau.
Lampes à décharge
Les lampes UV spécialisées à décharge contenant différents gaz produisent de la lumière UV sur des raies spectrales particulières à des fins scientifiques. Les lampes à arc à l'argon et au deutérium sont souvent utilisées comme sources stables, soit sans fenêtre, soit avec diverses fenêtres telles que le fluorure de magnésium. Ce sont souvent les sources lumineuses des équipements de spectroscopie UV pour l’analyse chimique.
La lampe excimer, une source de lumière UV développée au cours des deux dernières décennies, est de plus en plus utilisée dans les domaines scientifiques. Il présente les avantages d'une intensité élevée, d'un rendement élevé et d'un fonctionnement à diverses bandes de longueurs d'onde dans l'ultraviolet sous vide.
LED ultraviolettes
Les diodes électroluminescentes (DEL) peuvent être fabriquées pour émettre de la lumière dans la gamme ultraviolette, bien que les réseaux de LED pratiques soient très limités en dessous de 365 nm. L'efficacité des LED à 365 nm est d'environ 5 à 8 %, tandis que l'efficacité à 395 nm est plus proche de 20 %, et les puissances de sortie à ces longueurs d'onde UV plus longues sont également meilleures. De tels réseaux de LED commencent à être utilisés pour les applications de durcissement aux UV et connaissent déjà du succès dans les applications d'impression numérique et les environnements de durcissement aux UV inertes. Des densités de puissance proches de 3 W/cm2 (30 kW/m2) sont désormais possibles, ce qui, associé aux développements récents des formulateurs de photoinitiateurs et de résines, rend probable l'expansion des matériaux UV durcis par LED.
Lasers ultraviolets
Les lasers à gaz, les diodes laser et les lasers à semi-conducteurs peuvent être fabriqués pour émettre de la lumière ultraviolette, et des lasers sont disponibles qui couvrent toute la gamme UV. Le laser à azote gazeux utilise l’excitation électronique des molécules d’azote pour émettre un faisceau principalement UV. Les raies ultraviolettes les plus fortes se situent à 337,1 nm et 357,6 nm, longueur d'onde. Un autre type de laser à gaz haute puissance est le laser excimer. Ce sont des lasers largement utilisés émettant dans les gammes de longueurs d’onde ultraviolettes et ultraviolettes sous vide. Actuellement, les lasers excimer UV à fluorure d'argon (ArF) fonctionnant à 193 nm sont couramment utilisés dans la production de circuits intégrés par photolithographie. La limite actuelle de longueur d’onde de production d’UV cohérents est d’environ 126 nm, caractéristique du laser excimer Ar2*.
Des diodes laser à émission UV directe sont disponibles à 375 nm. Les lasers à diode UV ont été démontrés à l'aide de cristaux Ce: LiSAF (fluorure de lithium, strontium et aluminium dopé au cérium), un procédé développé dans les années 1990 au Laboratoire national Lawrence Livermore. Des longueurs d'onde inférieures à 325 nm sont générées commercialement dans les lasers à semi-conducteurs pompés par diode. Les lasers ultraviolets peuvent également être fabriqués en appliquant une conversion de fréquence à des lasers à basse fréquence.
Les lasers ultraviolets ont des applications dans l'industrie (gravure laser), la médecine (dermatologie et kératectomie), la chimie (MALDI), les communications sécurisées à l'air libre, l'informatique (stockage optique) et la fabrication de circuits intégrés.
Ultraviolet sous vide accordable (VUV) via un mélange de fréquences somme et différence
La bande ultraviolette sous vide (VUV) (100-200 nm) peut être générée par un mélange non linéaire de 4 ondes dans des gaz par mélange de fréquences de somme ou de différence de 2 lasers de longueur d'onde plus longue ou plus. La génération se fait généralement dans des gaz (par exemple le krypton, l'hydrogène qui résonnent à deux photons près de 193 nm) ou des vapeurs métalliques (par exemple le magnésium). En rendant l'un des lasers réglable, la lumière VUV peut être réglée. Si l'un des lasers résonne avec une transition dans le gaz ou la vapeur alors la production de VUV est intensifiée. Cependant, les résonances génèrent également une dispersion de longueur d'onde, et donc l'adaptation de phase peut limiter la plage accordable du mélange à 4 ondes. Le mélange de fréquences différentielles (lambda1 + lambda2 − lambda3) présente un avantage par rapport au mélange de fréquences somme car l'adaptation de phase peut être plus parfaite et fournir un meilleur réglage. En particulier, la différence de fréquence mélangeant deux photons d'un laser excimer ArF (193 nm) avec un laser accordable visible ou proche IR dans l'hydrogène ou le krypton offre une couverture VUV accordable améliorée de manière résonante de 100 nm à 200 nm.
En pratique, le manque de matériaux de fenêtre pour cellules gaz/vapeur appropriés au-dessus de la longueur d'onde de coupure du fluorure de lithium limite la plage de réglage à plus de 110 nm environ, et des géométries sans fenêtre sont nécessaires au-delà de ce point.
Sources plasma et synchrotron d’UV extrêmes
Des lasers ont été utilisés pour générer indirectement une lumière UV extrême (EUV) non cohérente à 13,5 nm pour la lithographie ultraviolette extrême. La lumière EUV n'est pas émise par le laser, mais plutôt par des transitions électroniques dans un plasma d'étain ou de xénon extrêmement chaud, excité par un laser excimer. Cette technique ne nécessite pas de synchrotron, mais peut produire des UV à la limite du spectre des rayons X. Les sources de lumière synchrotron peuvent également produire toutes les longueurs d'onde d'UV, y compris celles situées à la limite des spectres UV et X à 10 nm.
Effets liés à la santé humaine
L'impact du rayonnement ultraviolet sur la santé humaine a des implications sur les risques et les avantages de l'exposition au soleil et est également impliqué dans des questions telles que les lampes fluorescentes et la santé.
Effets bénéfiques
Les UVB induisent la production de vitamine D dans la peau à des taux allant jusqu'à 1 000 UI par minute. Cette vitamine aide à réguler le métabolisme du calcium (vital pour le système nerveux et la santé des os), l’immunité, la prolifération cellulaire, la sécrétion d’insuline et la tension artérielle.
Les personnes ayant des niveaux plus élevés de vitamine D ont tendance à avoir des taux plus faibles de diabète, de maladies cardiaques et d’accidents vasculaires cérébraux et ont tendance à avoir une tension artérielle plus basse. Cependant, il a été constaté que la supplémentation en vitamine D n’améliore pas la santé cardiovasculaire ni le métabolisme. Le lien avec la vitamine D doit donc être en partie indirect. Il semble que ceux qui sont plus exposés au soleil sont généralement en meilleure santé et ont également des niveaux de vitamine D plus élevés. Il a été constaté que la lumière ultraviolette (même les UVA) produit de l'oxyde nitrique (NO) dans la peau, et que l'oxyde nitrique peut abaisser la tension artérielle. L'hypertension artérielle augmente le risque d'accident vasculaire cérébral et de maladie cardiaque. Bien que l'exposition à long terme aux ultraviolets contribue aux cancers de la peau autres que le mélanome, rarement mortels, une étude danoise a montré que les personnes atteintes de ces cancers étaient moins susceptibles de mourir au cours de l'étude et étaient beaucoup moins susceptibles d'avoir un cancer. crise cardiaque, que ceux qui n'ont pas eu ces cancers.
La quantité de mélanine, un pigment brun, dans la peau augmente après une exposition aux rayons UV à des niveaux modérés en fonction du type de peau ; c'est ce qu'on appelle communément le bronzage. La mélanine est un excellent photoprotecteur qui absorbe les rayons UVB et UVA et dissipe l'énergie sous forme de chaleur inoffensive, protégeant ainsi la peau contre les dommages directs et indirects de l'ADN.
Effets nuisibles
Chez l’homme, une exposition excessive aux rayons UV peut entraîner des effets nocifs aigus et chroniques sur la peau, les yeux et le système immunitaire.
Les effets différentiels des différentes longueurs d'onde de la lumière sur la cornée et la peau humaines sont parfois appelés « spectre d'action érythémateuse ». Le spectre d'action montre que les UVA ne provoquent pas de réaction immédiate, mais que les UV commencent plutôt à provoquer une photokératite et des rougeurs cutanées (les Caucasiens étant plus sensibles) à des longueurs d'onde commençant près du début de la bande UVB à 315 nm, et augmentant rapidement jusqu'à 300 nm. La peau et les yeux sont les plus sensibles aux dommages causés par les UV entre 265 et 275 nm, qui se situent dans la bande UVC inférieure. À des longueurs d'onde d'UV encore plus courtes, les dommages continuent de se produire, mais les effets manifestes ne sont pas aussi importants en raison de la faible pénétration dans l'atmosphère. L'indice ultraviolet standard de l'OMS est une mesure largement médiatisée de la force totale des longueurs d'onde des UV qui provoquent des coups de soleil sur la peau humaine, en pondérant l'exposition aux UV en fonction des effets du spectre d'action à un moment et à un endroit donnés. Cette norme montre que la plupart des coups de soleil sont dus aux UV à des longueurs d'onde proches de la limite des bandes UVA et UVB.
Dommages cutanés
La surexposition aux rayons UVB peut non seulement provoquer des coups de soleil, mais également certaines formes de cancer de la peau. Cependant, le degré de rougeur et d'irritation des yeux (qui ne sont en grande partie pas causés par les UVA) ne permet pas de prédire les effets à long terme des UV, bien qu'ils reflètent les dommages directs de l'ADN par les ultraviolets.
Toutes les bandes de rayons UV endommagent les fibres de collagène et accélèrent le vieillissement de la peau. Les UVA et les UVB détruisent la vitamine A de la peau, ce qui peut causer des dommages supplémentaires.
La lumière UVB peut causer des dommages directs à l’ADN. Ce lien avec le cancer est l’une des raisons de s’inquiéter de l’appauvrissement de la couche d’ozone et du trou dans la couche d’ozone.
La forme de cancer de la peau la plus mortelle, le mélanome malin, est principalement causée par des lésions de l'ADN indépendantes des rayons UVA. Cela peut être constaté par l’absence de mutation directe de la signature UV dans 92 % de tous les mélanomes. Une surexposition occasionnelle et des coups de soleil sont probablement des facteurs de risque plus importants de mélanome qu'une exposition à long terme. Les UVC sont le type de rayonnement ultraviolet le plus énergétique et le plus dangereux et provoquent des effets indésirables qui peuvent être mutagènes ou cancérigènes.
Dans le passé, les UVA étaient considérés comme non nocifs ou moins nocifs que les UVB, mais on sait aujourd'hui qu'ils contribuent au cancer de la peau via des dommages indirects à l'ADN (radicaux libres tels que les espèces réactives de l'oxygène). Les UVA peuvent générer des intermédiaires chimiques hautement réactifs, tels que des radicaux hydroxyle et oxygène, qui peuvent à leur tour endommager l'ADN. Les dommages à l'ADN causés indirectement à la peau par les UVA consistent principalement en des cassures simple brin de l'ADN, tandis que les dommages causés par les UVB comprennent la formation directe de dimères de thymine ou d'autres dimères de pyrimidine et des cassures d'ADN double brin. Les UVA sont immunosuppresseurs pour tout le corps (représentant une grande partie des effets immunosuppresseurs de l'exposition au soleil) et sont mutagènes pour les kératinocytes basocellulaires de la peau.
La lumière UVB peut causer des dommages directs à l’ADN. Le rayonnement UVB excite les molécules d'ADN dans les cellules de la peau, provoquant la formation de liaisons covalentes aberrantes entre les bases pyrimidine adjacentes, produisant un dimère. La plupart des dimères de pyrimidine induits par les UV dans l'ADN sont éliminés par le processus connu sous le nom de réparation par excision de nucléotides qui emploie environ 30 protéines différentes. Les dimères de pyrimidine qui échappent à ce processus de réparation peuvent induire une forme de mort cellulaire programmée (apoptose) ou provoquer des erreurs de réplication de l’ADN conduisant à une mutation.
Pour se défendre contre les rayons UV, la quantité de mélanine, un pigment brun, dans la peau augmente lorsqu'elle est exposée à des niveaux de rayonnement modérés (selon le type de peau) ; c'est ce qu'on appelle communément le bronzage. Le but de la mélanine est d’absorber les rayons UV et de dissiper l’énergie sous forme de chaleur inoffensive, empêchant ainsi les UV d’endommager les tissus cutanés. Les UVA donnent un bronzage rapide qui dure plusieurs jours en oxydant la mélanine déjà présente et déclenchent la libération de mélanine par les mélanocytes. Les UVB donnent un bronzage qui prend environ 2 jours à se développer car ils stimulent le corps à produire plus de mélanine. Les propriétés photochimiques de la mélanine en font un excellent photoprotecteur. Cependant, les produits chimiques des écrans solaires ne peuvent pas dissiper l’énergie de l’état excité aussi efficacement que la mélanine et, par conséquent, la pénétration des ingrédients de l’écran solaire dans les couches inférieures de la peau augmente la quantité d’espèces réactives de l’oxygène.
La crème solaire prévient les dommages directs à l’ADN qui causent les coups de soleil. La plupart de ces produits contiennent un indice SPF pour montrer dans quelle mesure ils bloquent les rayons UVB. L’indice SPF n’offre cependant aucune donnée sur la protection UVA.
Certaines lotions solaires contiennent désormais des composés tels que le dioxyde de titane qui aide à protéger contre les rayons UVA. D'autres composés bloquant les UVA présents dans les écrans solaires comprennent l'oxyde de zinc et l'avobenzone.
Débat sur la sécurité des crèmes solaires
Les organisations médicales recommandent aux patients de se protéger des rayons UV en utilisant un écran solaire. Il a été démontré que cinq ingrédients de protection solaire protègent les souris contre les tumeurs cutanées. Cependant, certains produits chimiques de protection solaire produisent des substances potentiellement nocives s’ils sont illuminés au contact de cellules vivantes. La quantité de crème solaire qui pénètre dans les couches inférieures de la peau peut être suffisamment importante pour causer des dommages.
La crème solaire réduit les dommages directs à l'ADN qui causent les coups de soleil, en bloquant les UVB, et l'indice SPF habituel indique l'efficacité avec laquelle ce rayonnement est bloqué. Le SPF est donc également appelé UVB-PF, pour « facteur de protection UVB ». Cette évaluation ne fournit cependant aucune donnée sur une protection importante contre les UVA, qui ne provoquent pas principalement des coups de soleil mais sont néanmoins nocifs, car ils provoquent des dommages indirects à l'ADN et sont également considérés comme cancérigènes. Plusieurs études suggèrent que l’absence de filtres UVA pourrait être à l’origine d’une incidence plus élevée de mélanome chez les utilisateurs de crème solaire par rapport aux non-utilisateurs.
Certains produits chimiques de protection solaire produisent des substances potentiellement nocives s’ils sont illuminés lorsqu’ils sont en contact avec des cellules vivantes. La quantité de crème solaire qui pénètre à travers la couche cornée peut ou non être suffisamment importante pour causer des dommages.
Dans une expérience de Hanson et al. publié en 2006, la quantité d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) nocives a été mesurée dans la peau non traitée et dans la peau traitée avec un écran solaire. Au cours des 20 premières minutes, le film de crème solaire a eu un effet protecteur et le nombre d’espèces de ROS était moindre. Cependant, après 60 minutes, la quantité de crème solaire absorbée était si élevée que la quantité de ROS était plus élevée dans la peau traitée avec la crème solaire que dans la peau non traitée.
Aggravation de certaines affections cutanées
Le rayonnement ultraviolet peut aggraver plusieurs affections et maladies cutanées, notamment : [http://www.euroderm.org/images/stories/guidelines/guideline_Photoaggravated_dermatoses.pdf Lignes directrices européennes pour les photodermatoses > 2 troubles photoaggravés] au Forum européen de dermatologie
* Le lupus érythémateux disséminé
* Le syndrome de Sjogren
* Syndrome sinusoïdal d'Usher
* Rosacée
* Dermatomyosite
* Maladie de Darier
* Syndrome de Kindler-Weary
Dommages oculaires
L’œil est le plus sensible aux dommages causés par les UV dans la bande UVC inférieure située entre 265 et 275 nm. La lumière de cette longueur d'onde est presque absente de la lumière du soleil, mais on la trouve dans les lampes à arc de soudeur et d'autres sources artificielles. L'exposition à ceux-ci peut provoquer un « éclair de soudeur » ou un « arc oculaire » (photokératite) et entraîner la formation de cataractes, de ptérygion et de pinguecula. Dans une moindre mesure, les UVB de la lumière solaire de 310 à 280 nm provoquent également une photokératite (« cécité des neiges »), et la cornée, le cristallin et la rétine peuvent être endommagés.
Les lunettes de protection sont bénéfiques pour les personnes exposées aux rayons ultraviolets. Étant donné que la lumière peut atteindre les yeux par les côtés, une protection oculaire complète est généralement justifiée s'il existe un risque accru d'exposition, comme dans le cas de l'alpinisme en haute altitude. Les alpinistes sont exposés à des niveaux de rayonnement UV supérieurs à la normale, à la fois en raison d'un moindre filtrage atmosphérique et de la réflexion de la neige et de la glace.
Les lunettes ordinaires non traitées offrent une certaine protection. La plupart des lentilles en plastique offrent plus de protection que les lentilles en verre, car, comme indiqué ci-dessus, le verre est transparent aux UVA et le plastique acrylique couramment utilisé pour les lentilles l'est moins. Certains matériaux de lentilles en plastique, comme le polycarbonate, bloquent intrinsèquement la plupart des UV. Un revêtement protecteur est disponible pour les verres de lunettes qui en ont besoin, mais même un revêtement qui bloque complètement les UV ne protégera pas l'œil de la lumière qui arrive autour du verre.
Dégradation des polymères, pigments et colorants
La dégradation par les UV est une forme de dégradation des polymères qui affecte les plastiques exposés au soleil. Le problème apparaît sous la forme d’une décoloration ou d’une décoloration, d’une fissuration, d’une perte de résistance ou d’une désintégration. Les effets de l’attaque augmentent avec la durée d’exposition et l’intensité du soleil. L'ajout d'absorbeurs UV inhibe l'effet.
Les polymères sensibles comprennent les thermoplastiques et les fibres spéciales comme les aramides. L'absorption des UV entraîne une dégradation de la chaîne et une perte de résistance aux points sensibles de la structure de la chaîne. La corde en aramide doit être protégée par une gaine en thermoplastique pour conserver sa résistance.
De nombreux pigments et colorants absorbent les UV et changent de couleur. Les peintures et les textiles peuvent donc nécessiter une protection supplémentaire contre la lumière du soleil et les ampoules fluorescentes, deux sources courantes de rayonnement UV. Le verre des fenêtres absorbe certains rayons UV nocifs, mais les objets de valeur nécessitent une protection supplémentaire. De nombreux musées placent des rideaux noirs sur des aquarelles et des textiles anciens, par exemple. Étant donné que les aquarelles peuvent avoir des niveaux de pigments très faibles, elles nécessitent une protection supplémentaire contre les rayons UV. Diverses formes de verre pour encadrement de tableaux, notamment les acryliques (plexiglas), les stratifiés et les revêtements, offrent différents degrés de protection contre les UV (et la lumière visible).
Applications
En raison de sa capacité à provoquer des réactions chimiques et à exciter la fluorescence des matériaux, la lumière ultraviolette a de nombreuses applications. Le tableau suivant donne quelques utilisations de bandes de longueurs d'onde spécifiques dans le spectre UV
*13,5 nm : lithographie ultraviolette extrême
*30-200 nm : photoionisation, spectroscopie photoélectronique ultraviolette, fabrication de circuits intégrés standards par photolithographie
*230–365 nm : UV-ID, suivi des étiquettes, codes-barres
*230-400 nm : capteurs optiques, instruments divers
*240-280 nm : Désinfection, décontamination des surfaces et de l'eau (l'absorption de l'ADN a un pic à 260 nm)
*200-400 nm : analyse médico-légale, détection de drogues
*270–360 nm : analyse de protéines, séquençage de l'ADN, découverte de médicaments
*280-400 nm : imagerie médicale des cellules
*300-320 nm : luminothérapie en médecine
*300–365 nm : durcissement des polymères et des encres d'imprimante
*300-400 nm : éclairage à semi-conducteurs
*350-370 nm : pièges anti-insectes (les mouches sont plus attirées par la lumière à 365 nm)
*400-700 nm : rayonnement photosynthétiquement actif (les organismes photosynthétiques sont capables d'utiliser cette longueur d'onde dans le processus de photosynthèse)
La photographie
Les films photographiques réagissent au rayonnement ultraviolet, mais les lentilles en verre des appareils photo bloquent généralement les rayonnements inférieurs à 350 nm. Les filtres anti-UV légèrement jaunes sont souvent utilisés pour la photographie en extérieur afin d'éviter le bleuissement indésirable et la surexposition aux rayons UV. Pour la photographie dans le proche UV, des filtres spéciaux peuvent être utilisés. La photographie avec des longueurs d'onde inférieures à 350 nm nécessite des lentilles à quartz spéciales qui n'absorbent pas le rayonnement.
Les capteurs des appareils photo numériques peuvent avoir des filtres internes qui bloquent les UV pour améliorer la précision du rendu des couleurs. Parfois, ces filtres internes peuvent être supprimés, ou ils peuvent être absents, et un filtre externe de lumière visible prépare l'appareil photo à la photographie proche UV. Quelques caméras sont conçues pour être utilisées dans les UV.
La photographie par rayonnement ultraviolet réfléchi est utile pour les enquêtes médicales, scientifiques et médico-légales, dans des applications aussi répandues que la détection de contusions cutanées, d'altérations de documents ou de travaux de restauration de peintures. La photographie de la fluorescence produite par un éclairage ultraviolet utilise des longueurs d'onde visibles de la lumière.
En astronomie ultraviolette, les mesures sont utilisées pour discerner la composition chimique du milieu interstellaire, ainsi que la température et la composition des étoiles. Parce que la couche d’ozone empêche de nombreuses fréquences UV d’atteindre les télescopes à la surface de la Terre, la plupart des observations UV sont effectuées depuis l’espace.
Industrie électrique et électronique
Les décharges corona sur les appareils électriques peuvent être détectées par leurs émissions ultraviolettes. Corona provoque une dégradation de l’isolation électrique et une émission d’ozone et d’oxyde d’azote.
Certains modules EPROM (mémoire morte programmable effaçable) sont effacés par l'exposition aux rayons UV. Ces modules ont une fenêtre transparente (quartz) sur le dessus de la puce qui laisse entrer le rayonnement UV.
Utilisations de colorants fluorescents
Des colorants fluorescents incolores qui émettent de la lumière bleue sous UV sont ajoutés comme azurants optiques au papier et aux tissus. La lumière bleue émise par ces agents neutralise les teintes jaunes qui peuvent être présentes et fait apparaître les couleurs et les blancs plus blancs ou plus vivement colorés.
Les colorants fluorescents UV qui brillent dans les couleurs primaires sont utilisés dans les peintures, les papiers et les textiles, soit pour rehausser la couleur à la lumière du jour, soit pour produire des effets spéciaux lorsqu'ils sont éclairés par des lampes UV. Les peintures à lumière noire qui contiennent des colorants qui brillent sous les UV sont utilisées dans un certain nombre d'applications artistiques et esthétiques.
Pour aider à prévenir la contrefaçon de monnaie ou la falsification de documents importants tels que les permis de conduire et les passeports, le papier peut inclure un filigrane UV ou des fibres multicolores fluorescentes visibles sous la lumière ultraviolette. Les timbres-poste sont étiquetés avec un phosphore qui brille sous la lumière UV pour permettre la détection automatique du timbre et du recto de la lettre.
Les colorants fluorescents UV sont utilisés dans de nombreuses applications (par exemple, biochimie et médecine légale). Certaines marques de gaz poivré laisseront un produit chimique invisible (colorant UV) qui ne s'élimine pas facilement sur un agresseur pulvérisé au poivre, ce qui aiderait la police à identifier l'attaque.