Kierunek: Elektrotechnika wersja z dn Promieniowanie optyczne Laboratorium

Transkrypt

1 Kierunek: Elektrotechnika wersja z dn Promieniowanie optyczne Laboratorium Temat: OCENA WPŁYWU LAMP ELEKTRYCZNYCH NA REGULACJĘ RYTMU OKOŁODOBOWEGO Opracowanie wykonano na podstawie: [1] Wandachowicz K.: Obliczanie rozkładów cyrkadialnych wielkości promienistych we wnętrzach. Prace Instytutu Elektrotechniki, zeszyt 256, Warszawa [2] Gall D.: Die Messung circadianer Strahlungsgrößen. Licht und Gesundheit, Berlin, 26. und 27. Februar [3] Mark S. Rea: Light - Much More Than Vision. Lighting Research Center, Rensselaer Polytechnic Institute, [4] Impact of Light on Human Beings, licht.wissen 19. Fördergemeinschaft Gutes Licht, ISBN no. PDF edition March [5] Lucas J. i inni: Measuring and using light in the melanopsin age. Trends in Neurosciences, January 2014, Vol. 37, No PODSTAWOWE WIADOMOŚCI 1.1. Skutki promieniowanie optycznego Skutek promieniowania optycznego jest to fizyczna, chemiczna lub biologiczna przemiana wywołana oddziaływaniem promieniowania optycznego na materię (do takich przemian zalicza się zjawiska fotoelektryczne, fotooptyczne, fotochemiczne i fotobiologiczne). Aktyniczność właściwość promieniowania optycznego umożliwiająca wywoływanie przemian chemicznych w pewnych rodzajach materii żywej lub nieożywionej (np. fotosyntezę, fotoutlenianie, fotodysocjację, redukcję sieciowanie polimerów, denaturację białek i inne) Rytm okołodobowy Całe życie na Ziemi jest zorganizowane przestrzennie i czasowo. Wiele procesów w przyrodzie jest rytmicznych. Ziemia obraca się wokół własnej osi co 24 godziny i krąży wokół Słońca co 365 dni. Stąd kolejność dnia i nocy, lata i zimy. Księżyc z kolei krąży wokół Ziemi, powoduje powstawanie przypływów i ustanawiając miesięczny rytm. Cykle te miały istotny wpływ na siedliska. Wiele roślin dostosowuje swoją strategię przetrwania do dnia i nocy. Otwierają one swoje kwiaty w odpowiedzi na pierwsze światło słoneczne, dzięki czemu ich nektar jest dostępny dla owadów. Owady zapylają roślinę zapewniając w ten sposób przetrwanie sobie oraz im (roślinom). Organizmy wielokrotnie muszą dostosowywać swój wewnętrzny zegar do zewnętrznych rytmów. Zdolność ta okazała się użyteczną ewolucyjną umiejętnością. Siatkówka oka zawiera dwa rodzaje fotoreceptorów odpowiedzialnych za widzenie: czopki, pręciki. Receptory te połączone są z ośrodkami wzrokowymi w mózgu za pośrednictwem komórek zwojowych (ang. RGCs retinal ganglion cells). Okazuje się, że około 1 procent z tych komórek występujących na siatkówce jest światłoczułych (iprgcs). Komórki te zawierają światłoczuły pigment zwany melanopsyną i są połączone z ulokowanym w podwzgórzu (część podkorowa mózgowia) ośrodkiem odpowiedzialnym za regulacje rytmu okołodobowego. 1

2 Rys. 1. Naukowcy odkryli komórki zwojowe w siatkówce, które nie mają funkcji wzrokowej. Są najbardziej wrażliwe w nosowej i dolnej części siatkówki. Pręciki (rod) i czopki (cone) są odpowiedzialne za widzenie. Cykl okołodobowy nazywany cyklem cyrkadialnym (od łacińskiego circa - około, dies - dzień) jest najstarszym z rytmów wrodzonych i wytworzył wiele stałych mechanizmów fizjologicznych (np. senność ogarniającą nas wieczorem). Na rytm okołodobowy wpływa przede wszystkim światło, które pełni rolę synchronizatora cyklu dzień-noc i faz aktywności i spoczynku (czuwanie-sen). Pobudzenie receptorów iprgcs wpływa na tłumienie wytwarzania hormonu melatoniny. Poziom hormonu melatoniny zmienia się w ciągu dnia i zmiany te są powiązane z cyklem okołodobowym. Rys. 2. Dobowe zmiany zachodzące w organizmie człowieka Ostatnie badania wskazują, że światłoczułe komórki zwojowe (iprgcs) są odpowiedzialne nie tylko za regulacje rytmu okołodobowego. Wpływają one również na procesy adaptacji do jasności i ciemności oraz procesy poznawcze, naukę i pamięć. W roku 2001 opublikowano dane opisujące czułość widmową światłoczułych komórek zwojowych (iprgcs). Na ich podstawie przyjęto krzywą względnej widmowej skuteczności cyrkadialnej C(). Maksymalna czułość widmowa krzywej C() przesunięta jest, w stosunku do krzywej V(), w kierunku krótkofalowej części widma. W związku z tym promieniowanie z większym udziałem niebieskiej części widma (promieniowanie o wyższej temperaturze barwowej) będzie bardziej skuteczne w pobudzaniu światłoczułych komórek zwojowych (iprgcs) i regulowaniu rytmu okołodobowego. 2

3 C(l) V(l) [nm] Rys. 3. Krzywe względnej widmowej skuteczności świetlnej V() i względnej widmowej skuteczności cyrkadialnej C() Po odkryciu receptorów odpowiedzialnych za kształtowanie rytmu okołodobowego powstało wiele produktów i towarzyszących im publikacji firm produkujących sprzęt oświetleniowy, które próbują zachęcić szczególnie pracodawców do instalacji systemów oświetleniowych pomagających regulować cykl okołodobowy pracowników. Systemy te mają za zadanie pobudzić aktywność pracowników w określonych godzinach pracy. Cel ten ma być osiągnięty poprzez ekspozycje na światło o chłodniejszej barwie co prowadzi do spadku poziomu melatoniny. Okazuje się jednak, że te działania mogą przynieść niekorzystne skutki. Badania wskazują, że tłumienie melatoniny za pomocą ekspozycji na sztuczne światło w nocy (np. w przypadku pracowników pracujących na trzecią zmianę) może prowadzić do zwiększenia ryzyka zachorowalności na raka piersi i prostaty. Obecnie trwają badania zmierzające do ustalenia wymaganych dawek promieniowania ocenionego według skuteczności cyrkadialnej, które będą wywoływały pożądany skutek w kształtowaniu cyklu okołodobowego. Rys. 4. Dynamiczne oświetlenie wspomaga uczenie się i chroni sytuacje stresowe. Chłodne kolory światła w połączeniu z wysokim natężeniem światła ożywiają i pobudzają koncentrację; ciepłe jasne kolory w połączeniu z niskim natężeniem światła mają działanie uspokajające Czynniki decydujące o poziomie tłumienia melatoniny Do najważniejszych czynników decydujących o poziomie tłumienia melatoniny należy zaliczyć: natężenia oświetlenia (natężenie pionowe na powierzchni oka), rozkład widmowy promieniowania (istotny udział krótkofalowej części VIS), czas ekspozycji. Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono zależność wydolności wzrokowej oraz poziomu natężenia oświetlenia w funkcji natężenia oświetlenia na powierzchni oka. 3

4 Rys. 5. RVP wydolność wzrokowa jako szybkość i dokładność przetwarzania tekstu o dużym kontraście luminancji dla młodych obserwatorów. Metalonin skuteczność tłumienia melatoniny przy ekspozycji w nocy przez jedną godzinę na światło o różnej temperaturze barwowej. Rys. 6. Wpływ czasu ekspozycji na poziom tłumienia melatoniny w funkcji natężenia oświetlenia na powierzchni oka dla ekspozycji w nocy. Trzy poziomy tłumienia melatoniny 25%, 40% i 50%. Dla skutecznego tłumienia melatoniny niezbędne jest uzyskanie natężenia oświetlenia na pow. oka o wartości co najmniej 1000 lx. Wtedy po około 20 minutach obserwuje się zmniejszenie poziomu melatoniny o 25%. Jeżeli poziom natężenia oświetlenia wynosi około 200 luksów to niezależnie od czasu ekspozycji poziom melatoniny nigdy nie zmniejszy się o więcej niż 25%. Bardzo często przebywając w pomieszczeniach oświetlonych światłem sztucznym doświadczamy tego, że poziom tłumienia melatoniny jest niedostateczny ze względu na niższe poziomy natężenia oświetlenia Cyrkadialne wielkości promieniste Strumień świetlny Φ definiowany jest zależnością: Φ = K m Φ e V() d [lm] (1) K m - największa wartość widmowej skuteczności świetlnej równa 683 [lm W -1 ], Φ e - rozkład widmowym strumienia energetycznego [W m -1 ]. 4

5 Strumień cyrkadialny Φ c definiowany może być zależnością (2): Φ c = K Φ e [W ef ] (2) K - stała, której wartość przyjmuje się równą 1; W ef - jednostka strumienia cyrkadialnego, waty efektywne oznaczające rozkład mocy promienistej ocenionej za pomocą względnej widmowej skuteczności cyrkadialnej C(). Związek pomiędzy strumieniem cyrkadialnym a strumieniem świetlnym może być wyrażony za pomocą zależności (3). W ten sam sposób można przedstawić związek pomiędzy innymi wielkościami fotometrycznymi i cyrkadialnymi. Φ c Φ = K K m C() d Współczynnik oddziaływania cyrkadialnego a cv podaje stosunek pomiędzy wielkościami cyrkadialnymi (tutaj pomiędzy strumieniami) i fotometrycznymi. a cv = Φ e Φ e C() d Pomiędzy wielkościami cyrkadialnymi promienistymi X ec a wielkościami fotometrycznymi X v zachodzi związek: X ec Φ e Φ e a = K cv m X V() d C() d V() d v W tabeli 1 podano wartości współczynnika oddziaływania cyrkadialnego a cv dla różnych źródeł promieniowania charakteryzujących się odmiennymi rozkładami widmowych. Źródła z większym udziałem niebieskiej części widma (zachmurzone niebo, świetlówki o chłodnej barwie) mają większe wartości współczynnika a cv i są bardziej skuteczne w pobudzaniu światłoczułych komórek zwojowych (iprgcs). (3) (4) (5) Tabela 1. Wartości współczynnika oddziaływania cyrkadialnego a cv dla różnych źródeł promieniowania Źródło promieniowania Wartość współczynnika oddziaływania cyrkadialnego a cv Słońce 0,83 Zachmurzone niebo 1,73 Bezchmurny nieboskłon 1,02 Księżyc 0,62 Żarówka 0,40 Lampa sodowa 0,21 Świetlówka w barwie: - ciepłej (0,36), neutralnej białej (0,60), dziennej (1,18), Biolux (1,2) LED, barwa niebieska 6,90 LED, barwa biała 1,0 2,0 5

6 2. PRZEBIEG ĆWICZENIA Badane lampy połączyć z zaciskami wyjściowymi zasilacza napięcia przemiennego. Naprzeciwko lampy ustawić głowicę spektrofotometru. Rejestrować rozkłady widmowe badanych lamp w zakresie od 380 nm do 780 nm ze skokiem 5 nm. Ze wzoru (6) wyznaczyć współczynnik oddziaływania cyrkadialnego mierzonego rozkładu widmowego: a cv = =380nm =380nm E e () C ( ) Δ E e () V ( ) Δ Ze wzoru (7) wyznaczyć skuteczność cyrkadialną badanej lampy: (6) E e () C ( ) Δ K c = =380nm E e () Δ gdzie: =380nm W ef W W E e () m 2 - zmierzona za pomocą spektrofotometru wartość widmowa natężenia napromienienia, nm C() względna widmowa skuteczność cyrkadialna (7) Zanotować wartość temperatury barwowej T b oraz wskaźnika oddawania barw R a. Wyniki pomiarów i obliczeń zamieścić w tabeli 2. Przeprowadzić analizę uzyskanych wyników. Przeanalizować wpływ rozkładów widmowych badanych lamp na skuteczność regulacji cyklu okołodobowego. Sformułować wnioski. 6

7 TABELA 2. Ocena wpływu lamp elektrycznych na regulację rytmu okołodobowego W ef Lp Nazwa badanej lampy T b [K] R a a cv K c W