6-6. Promieniowanie optyczne (nadfioletowe, widzialne i podczerwone)

dr inż. Agnieszka Wolska - Centralny Instytut Ochrony Pracy- Państwowy Instytut Badawczy

6-6.1. Wprowadzenie

Promieniowanie optyczne jest to część widma promieniowania elektromagnetycznego o długościach fal z przedziału 100 nm – 1mm. Promieniowanie optyczne dzieli się na promieniowanie nadfioletowe (UV), widzialne (VIS) i podczerwone (IR)  (6-6. slajd 1).



 (6-6. slajd 1)

Fizyczną, chemiczną lub biologiczną przemianę wywołaną oddziaływaniem promieniowania optycznego na materię nazywa się skutkiem promieniowania optycznego.

W przypadku nielaserowego promieniowania optycznego, którego wiązka jest niespójna, uzyskiwane gęstości mocy promieniowania maleją z kwadratem odległości od źródła promieniowania. Natomiast w przypadku promieniowania laserowego, które charakteryzuje się wysoką spójnością, uzyskiwane gęstości mocy mogą być bardzo duże nawet w znacznych odległościach od źródła, gdyż promieniowanie to niełatwo ulega rozproszeniu i może pokonywać znaczne odległości. Dlatego przypadkowy kontakt ciała człowieka z wiązką bezpośrednią lub odbitą promieniowania laserowego wiąże się z dużym zagrożeniem dla jego zdrowia.
Różne cechy obu ww. rodzajów promieniowania optycznego były przyczyną opracowania dla nielaserowego promieniowania optycznego oraz dla promieniowania laserowego osobnych kryteriów oceny zagrożenia oraz przyjęcia różnych najwyższych dopuszczalnych wartości.

Źródła nielaserowego promieniowania optycznego

Źródła nielaserowego promieniowania optycznego dzieli się na:
- źródła naturalne
- źródła elektryczne
- źródła (procesy) technologiczne.


Najważniejszym z punktu widzenia życia na Ziemi naturalnym źródłem nielaserowego promieniowania optycznego jest Słońce. Promieniowanie słoneczne przy powierzchni Ziemi przy niezachmurzonym niebie zawiera około 7% promieniowania nadfioletowego, 43% promieniowania widzialnego i 50 % promieniowania podczerwonego. Wartości te zmieniają się zależnie od szerokości geograficznej, pory dnia i roku, stanu pogody itp. Do naturalnych źródeł nielaserowego promieniowania optycznego należą również nieboskłon, Księżyc, planety, gwiazdy itd. [5].


Do elektrycznych źródeł promieniowania optycznego zalicza się świetlówki UV (UV-A, UV-B, UV-C, ), lampy Wooda ( 6-6. slajd 4)



 6-6. slajd 4

lampy rtęciowe wysoko- i średnioprężne, lampy indukcyjne, żarówki, wysokociśnieniowe halogenowe promienniki UV, lampy kwarcowe, ksenonowe, wodorowe, metalohalogenkowe, źródła ledowe w zakresie UV, IR oraz promieniowania widzialnego: białego oraz monochromatycznego promienniki podczerwieni takie jak lampy kwarcowe kwarcowo-halogenowe i gazowe, lampy sodowe nisko- i wysokoprężne oraz źródła światła przeznaczone do ogólnych celów oświetleniowych ( 6-6. slajd 5).


 6-6. slajd 5

Elektryczne źródła nielaserowego promieniowania optycznego wykorzystywane są w wielu dziedzinach gospodarki i życia człowieka, do których zalicza się m.in.:

• przemysł elektroniczny (kasowniki pamięci EPROM), chemiczny (procesy fotopolimeryzacji), meblarski -(utwardzanie i suszenie farb i lakierów), poligraficzny (kopiowanie, wykonywanie matryc sitodrukowych, utwardzanie fotopolimerów, suszenie farb i lakierów), metalowy (defektoskopy);
• dezynfekcję (szpitale, przemysł spożywczy, farmaceutyczny, salony fryzjerskie, oczyszczalnie wody i ścieków itp.)  (6-6. slajd 2)
• medycynę (np. fototerapia, leczenie łuszczycy w dermatologii, leczenie żółtaczki fizjologicznej, urządzenia terapeutyczne w rehabilitacji ( (6-6. slajd 3), analityka medyczna),
• weterynarię,
• hodowlę młodych zwierząt  (6-6. slajd 6)
• kosmetykę (solaria),
• urządzenia stosowane w pracach badawcze (np. spektrofotometry).

 



 (6-6. slajd 2)



 (6-6. slajd 3



 (6-6. slajd 6)

Nielaserowe promieniowanie optyczne stanowi także produkt uboczny działalności zawodowej człowieka. Są to różnego rodzaju procesy (źródła) technologiczne do których zalicza się m.in. spawanie łukowe  (6-6. slajd 7) i gazowe, cięcie łukiem plazmowym, cięcie tlenowe, natryskiwanie cieplne, elektrodrążenie, zgrzewanie oraz wszelkiego rodzaju procesy hutnicze (wytop stali, żeliwa, metali nieżelaznych  (6-6. slajd 8),szkła)


 (6-6. slajd 7



 (6-6. slajd 8)


Źródła promieniowania laserowego

Jedynymi źródłami promieniowania laserowego są lasery (urządzenia laserowe), które wytwarzają lub wzmacniają spójną wiązkę promieniowania optycznego w procesie kontrolowanej emisji wymuszonej. Promieniowanie laserowe charakteryzuje się monochromatycznością, wysoką spójnością (czasową i przestrzenną), kierunkowością rozchodzenia się wiązki oraz możliwością uzyskiwania bardzo dużych gęstości mocy promieniowania.
Lasery znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle (cięcie, spawanie, obróbka powierzchni, drążenie małych otworów, litografia, znakowanie, korekcja pamięci RAM itp.) telekomunikacji, medycynie (chirurgia ogólna, okulistyka, dermatologia, laryngologia, biostymulacja, stomatologia, ginekologia, urologia itp.), nauce  (6-6. slajd 9), lokacji i nawigacji, metrologii interferencyjnej, holografii, w różnego rodzaju sprzęcie biurowym oraz codziennego użytku jak drukarki laserowe, nagrywarki i odtwarzacze CD i przy wytwarzaniu efektów specjalnych np. w różnego rodzaju widowiskach artystycznych.



 (6-6. slajd 9

6-6.2. Skutki działania promieniowania optycznego na organizm człowieka

Promieniowanie optyczne jest ważnym czynnikiem środowiska o dużej aktywności biologicznej niezbędnym do prawidłowego rozwoju i działalności człowieka. Jednak jego nadmiar może powodować szereg niekorzystnych skutków biologicznych. Biologiczne działanie może wywołać jedynie promieniowanie pochłonięte. Promieniowanie pochłonięte przez tkanki inicjuje reakcję fotochemiczną lub termiczną w wyniku, których dochodzi do określonego skutku biologicznego takiego jak np. zaczerwienienie skóry, pigmentacja skóry, uszkodzenie rogówki czy siatkówki oka. Skutki narażenia na promieniowanie zależą od parametrów fizycznych promieniowania, wielkości pochłoniętej dawki oraz właściwości optycznych i biologicznych eksponowanej tkanki [5, 6].

Mechanizmy fotochemiczne uszkodzeń tkanki dominują w obszarze nadfioletu, zwłaszcza poniżej 320 nm. Ze wzrostem długości fali prawdopodobieństwo, że energia fotonu promieniowania będzie wystarczająca do wzbudzenia reakcji fotochemicznej maleje, osiągając praktycznie zero dla fal powyżej 800 nm. Na  (6-6. slajd 10) przedstawiono schematycznie skutki nadmiernej ekspozycji na promieniowanie optyczne oraz głębokość wnikania promieni w skórę.



 (6-6. slajd 10

6-6.2.1. Promieniowanie nadfioletowe

Promieniowniem nadfioletowym (UV) nazywa się promieniowanie optyczne o długości fali (l) mieszczącej się w zakresie 10 ÷ 400 nm. Wyróżnia się następujące zakresy nadfioletu w zależności od długości fali (l)  (6-6. slajd 11):

• UV-A (nadfiolet bliski) - 315 ÷ 400 nm UV-B (nadfiolet średni) - 280 ÷ 315 nm
• UV-C (nadfiolet daleki) - 100 ÷ 280 nm



 (6-6. slajd 11)


Działanie promieniowania nadfioletowego ma charakter fotochemiczny a skutek biologiczny tego promieniowania zależy od ilości pochłoniętego promieniowania, długości fali i od rodzaju eksponowanej tkanki. Ilość pochłoniętego przez tkankę promieniowania jest zależna od jej napromienienia oraz współczynników odbicia i przepuszczania.

Rozróżniamy dwa podstawowe rodzaje szkodliwego oddziaływania nadfioletu na organizm człowieka: na skórę oraz na oczy.


Oddziaływanie nadfioletu na skórę

Promieniowanie nadfioletowe pochłonięte przez skórę może spowodować zarówno szereg szkodliwych reakcji fotochemicznych, np. rumień skóry, zmiany przednowotworowe i nowotworowe, wzrost pigmentacji, złuszczanie się naskórka, jak i korzystnych np. wzrost odporności organizmu, powstawanie witaminy D3, obniżenie ilości cholesterolu, szybsze gojenie się ran, ustępowanie infekcji i niektórych chorób skóry .

Najbardziej widocznym, najczęściej spotykanym i badanym objawem ekspozycji skóry na nadfiolet jest jej rumień (zaczerwienienie) czyli erytema]  (6-6. slajd 11).



 (6-6. slajd 11)

Stopień zaczerwienienia i jego przebieg zależą od wielkości napromienienia i długości fali promieniowania. Wzrost dawki promieniowania powoduje skrócenie okresu utajenia (latencji), po którym pojawia się zaczerwienie. Promieniowanie UV-C wywołuje rumień o jasnym odcieniu, po okresie utajenia wynoszącym przeciętnie 2 ÷ 3 godziny. Rumień taki ustępuje stosunkowo szybko, po około 2 ÷ 3 dniach. Natomiast promieniowanie pasma UV-B wytwarza rumień intensywniejszy, pojawiający się po 5 ÷ 6 godzinach i trwający dłużej (około 4 ÷ 5 dni).
Duże dawki promieniowania UV-B mogą doprowadzić do poparzenia skóry objawiającego się bolesnymi obrzękami i pęcherzami. Skuteczność wywoływania rumienia przez pasmo UVA jest bardzo mała, około 1 000 razy mniejsza niż pasma UV-B .


Po ustąpieniu rumienia pojawia się pigmentacja czyli opalenizna skóry, która powstaje na skutek gromadzenia się melaniny w naskórku. Wówczas skóra zaczyna nabierać ciemniejszego zabarwienia, prze co zaczyna spełniać funkcję ochronną przed promieniowaniem nadfioletowym. Mimo, że powtarzająca się ekspozycja skóry na promieniowanie nadfioletowe uodparnia na jego działanie to długotrwałe narażenie na wysokie natężenia UV prowadzi do niekorzystnych zmian w naskórku: przyspiesza proces starzenia się skóry oraz wywołuje zmiany przednowotworowe i nowotworowe.


Wielokrotne narażenie skóry na promieniowanie nadfioletowe, szczególnie na promieniowanie o dużym natężeniu, może spowodować nadmierne rogowacenie, które jest czynnikiem sprzyjającym powstawaniu nowotworów, takich jak rak podstawnokomórkowy i płaskokomórkowy oraz czerniak  (6-6. slajd 13).



 (6-6. slajd 13)

W krajach leżących w strefach o dużym nasłonecznieniu oraz wśród osób wykonujących prace na wolnym powietrzu jak np. w budownictwie, rybołówstwie czy rolnictwie została stwierdzona większa zachorowalność na nowotwory skóry. W ostatnich latach do istotnych czynników wpływających na wzrost ilości docierającego do powierzchni Ziemi promieniowania UV są tzw. dziury ozonowe, a mieszkańcy obszarów Ziemi nad którymi znajdują się te dziury są szczególnie zagrożeni na to promieniowanie. Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) szacuje, że zmniejszenie się warstwy ozonu w stratosferze o blisko 10% może spowodować dodatkowo w ciągu roku około 300 tys. zachorowań na nowotwory skóry, w tym około 4,5 przypadków czerniaka złośliwego. Proces powstawania nowotworów skóry pod wpływem ekspozycji na długotrwałe działanie nadfioletu jest związany z pochłanianiem tego promieniowania przez DNA. Pod wpływem nadfioletu w DNA powstają dimery pirimidyn i właśnie temu zjawisku przypisuje się główną rolę w procesie inicjowania zmian nowotworowych. Rozkład widmowy skuteczności karcinogennej nadfioletu dla skóry człowieka nie został do tej pory jednoznacznie ustalony. Na podstawie wyników badań eksperymentalnych przeprowadzanych na zwierzętach przyjmuje się, że najbardziej skuteczne pod względem wywoływania nowotworów jest promieniowanie o długościach fali zbliżonych do 300 nm [4] .


Oddziaływanie nadfioletu na oczy

Promieniowanie nadfioletowe pochłonięte przez oczy może powodować stany zapalne rogówki, spojówek, uszkodzenie siatkówki i rogówki oraz powstawania zaćmy fotochemicznej. Najczęściej spotykanym, ostrym objawem narażenia oka na nadfiolet jest stan zapalny rogówki i spojówek.

Promieniowanie o długości fali poniżej 290 nm jest silnie pochłaniane przez rogówkę i spojówkę oka. Absorpcja tego promieniowania powoduje stany zapalne rogówki objawiające się światłowstrętem, wzmożonym łzawieniem, uczuciem obcego ciała („piasku”) w oku, spazmem powiek, niekiedy upośledzeniem widzenia. Objawy zapalenia pojawiają się po okresie utajenia zależnym od widma promieniowania i wielkości pochłoniętej dawki UV.

Działanie promieni należących do pasma UV-C charakteryzuje krótki okres utajenia, krótszy nawet niż 30 minut, w przypadku dużych dawek promieniowania, a objawy zapalenia ustępują po około 14 godzinach od ekspozycji. W przypadku pasma UV-B okres utajenia jest dłuższy i wynosi od 6 do 24 godzin, a objawy zapalenia ustępują po około 24 ÷ 48 godzinach od ekspozycji. Z badań wpływu UV na rogówkę oka ludzkiego wynika, że maksymalną skuteczność wywoływania zapalenia rogówki posiadają fale o długości 270 nm, a wartość progowa napromienienia powstania tego objawu wynosi 40 J/m² [4] .

Zapalenie spojówek wywołane nadfioletem powstaje po okresie utajenia około 5 ÷ 10 godzin i objawia się ich zaczerwienieniem, swędzeniem, pieczeniem, łzawieniem. Czasami występuje światłowstręt, a w przypadku większej dawki dochodzi do bólu i zakłócenia prawidłowego widzenia. Objawy ustępują po upływie od 10 godzin do kilku dni, zależnie od wielkości ekspozycji i intensywności powstałych zmian. Maksymalną skutecznością wywoływania zapalenia spojówek charakteryzują się fale o długości 260 nm, a wartość progowa napromienienia tego objawu wynosi 50 J/m² [4] .

Promieniowanie nadfioletowe dłuższe od 290 nm jest przepuszczane przez rogówkę i ciecz wodnistą i dociera do soczewki oka. W soczewce jest silnie pochłaniane co może doprowadzić do powstawania zjawiska fluorescencji przeszkadzającego w procesie widzenia. Natomiast długotrwałe narażenie soczewki na intensywne promieniowanie UV prowadzi do powstania zaćmy (fotochemicznej) czyli trwałego zmętnienia soczewki  (6-6. slajd 14).



 (6-6. slajd 14)

Rozwój zaćmy jest powolny i trwa wiele lat. Przypuszcza się, że największą skuteczność wywoływania zaćmy posiadają fale o długości 300 ÷ 320 nm . Promieniowanie UV powyżej 300 nm docierające do siatkówki oka może być przyczyną powstawania schorzeń lub uszkodzeń siatkówki o charakterze fotochemicznym.

6-6.2.2. Promieniowanie widzialne

Promieniowaniem widzialnym (VIS) nazywamy promieniowanie optyczne zdolne do bezpośredniego wywoływania wrażeń wzrokowych, z których wynika widzenie. Granice widmowego przedziału promieniowania widzialnego nie są ściśle określone i ogólnie przyjmuje się dolną granicę przedziału między 360 i 400 nm a górną między 760 i 830 nm . Najczęściej przyjmuje się jednak jako zakres promieniowania widzialnego przedział o długości fali od 380 nm do 780 nm. Poszczególnym długościom fal promieniowania widzialnego (inaczej mówiąc światła) odpowiadają różne barwy światła począwszy od barwy fioletowej aż do czerwonej ( 6-6. slajd 15)

W przypadku nielaserowego promieniowania widzialnego można jedynie mówić o jego szkodliwym działaniu na oczy człowieka. Intensywne promieniowanie widzialne, zwłaszcza tzw. światło niebieskie, o długościach fali 400 ¸ 500 nm, może powodować termiczne lub fotochemiczne uszkodzenia i schorzenia siatkówki oka . Promieniowanie takie występuje podczas procesów technologicznych jak np. spawanie oraz jest emitowane przez promienniki elektryczne, np. lampy do naświetlania warstw światłoczułych. Jest ono także składową promieniowania słonecznego docierającego do Ziemi.

W praktyce najczęściej dochodzi do uszkodzenia fotochemicznego siatkówki z uwagi na sumowanie się skutków ekspozycji w ciągu całodziennego okresu narażenia. Natomiast termiczne uszkodzenie siatkówki źródłami przemysłowymi praktycznie nie zdarza się z powodu naturalnego odruchu obronnego oka przed źródłami światła o dużej jaskrawości.

Natomiast widzialne promieniowanie laserowe o dużej mocy może powodować również oparzenia skóry.


6-6.2.3. Promieniowanie podczerwone

Promieniowniem podczerwonym (IR) nazywa się promieniowanie optyczne o długości fali (l) wynoszącej od 780 nm do 1 mm. Promieniowanie to dzieli się na następujące zakresy w zależności od długości fali (l)  (6-6. slajd 16):

-IR-A (podczerwień bliska) 780-1400 nm

-IR-B (podczerwień średnia) 1400-3000 nm

-IR-C (podczerwień daleka) 3000 nm - 1 mm

 



 (6-6. slajd 16)

Działanie podczerwieni na organizm człowieka ma przede wszystkim charakter termiczny co objawia się wzrostem temperatury narażonej tkanki i tkanek sąsiednich, a niekiedy również całego organizmu. Promieniowanie to, po przekroczeniu określonego poziomu natężenia może powodować oparzenia skóry, a także choroby oczu takie, jak zaćma, degeneracja naczyniówki czy siatkówki, które są zaliczane do chorób zawodowych.

Wzrost temperatury napromienianej tkanki zależy od natężenia jej napromienienia, szybkości chłodzenia, a także czasu ekspozycji. W przypadku ekspozycji dłuższych niż 0,1 s, jakie zwykle występują w przemyśle, istotną rolę odgrywa chłodzenie tkanki przez przepływającą przez nią krew, a także odprowadzenie ciepła drogą przewodnictwa. Dlatego uważa się, że jeżeli nie doszło do uszkodzenia termicznego tkanek dobrze chłodzonych w ciągu kilkunastu sekund trwania narażenia, to nie dojdzie do niego również po dłuższej ekspozycji. Nie dotyczy to oczywiście tkanek źle chłodzonych, np. soczewki oka, której temperatura narasta przez długi czas .

Należy również pamiętać, że promieniowanie podczerwone może wywoływać korzystne skutki dla organizmu człowieka. W lecznictwie napromieniowanie tkanki podczerwienią wykorzystuje się między innymi do uzyskania miejscowej poprawy ukrwienia i pobudzenia przez to procesów metabolicznych. Ma to znaczenie szczególnie w leczeniu ograniczonych przewlekłych procesów zapalnych tkanek miękkich kończyn, stawów oraz niektórych części głowy, jak zatoki przynosowe, jama nosowa, ucho zewnętrzne, itp. Głęboko wnikające promieniowanie IR-A przyspiesza także proces gojenia następstw urazów stawów i części miękkich kończyn. Są to niektóre z przykładów zastosowania podczerwieni w medycynie .

Szkodliwe działanie promieniowania podczerwonego rozpatruje się z punktu widzenia zagrożenia oczu i skóry.  (6-6. slajd 17):


Oddziaływanie na skórę

Skutek zagrożenia podczerwienią w niewielkim stopniu zależy od długości fali promieniowania, a głównie od własności optycznych i termicznych napromienianej tkanki. Podczerwień bliska jest w dużej części odbijana przez skórę, a ponieważ w warstwie naskórka jest słabo pochłaniana, więc pozostała część wnika do najgłębiej położonych warstw tkanki skórnej, a nawet podskórnej, nagrzewając je. Ponieważ obszary te są dobrze chłodzone przez przepływającą przez nie krew, odprowadzającą nadmiar ciepła do wnętrza organizmu, przyrost temperatury tkanki jest wolniejszy niż w przypadku braku chłodzenia, a zatem odczucie parzenia występuje później, przy większych poziomach natężenia napromienienia. Jednak dostarczenie organizmowi dużych ilości ciepła może doprowadzić do jego przegrzania, dlatego promieniowanie IR-A jest pod tym względem bardziej niebezpieczne niż promieniowanie długofalowe, które prawie całkowicie zostaje pochłonięte w zewnętrznej, nie ukrwionej warstwie naskórka i rzadziej jest przyczyną przegrzania, natomiast łatwiej może spowodować oparzenie skóry. Stwierdzono, że promieniowanie IR-A o natężeniu napromienienia 2 000 W/m2 może doprowadzić do oparzenia skóry, natomiast ten sam efekt w przypadku promieniowania IR-C występuje już przy natężeniu 1 000 W/m2 .


Do czynników, które mają wpływ na reakcję skóry na podczerwień zalicza się także wielkość napromieniowanej powierzchni (małe obszary skóry, zwłaszcza poniżej 1 cm2,wymagają większego natężenia napromienienia niż obszary o większych powierzchniach do uzyskania takiego samego przyrostu temperatury oraz cechy osobowe charakteryzujące poszczególnych ludzi, takie jak stan skóry, jej wilgotność, grubość poszczególnych warstw, itp. Głównym mechanizmem obronnym organizmu przed nadmiernym wzrostem temperatury skóry jest odczuwanie bólu. Według wyników badań nad skutkami ekspozycji skóry na podczerwień odczucie bólu pojawia się, gdy temperatura skóry osiągnie wartości z zakresu 41 ÷ 53 °C, a objawy oparzenia I stopnia występują zazwyczaj po przekroczeniu około 50 °C. Ponieważ receptory ciepła znajdujące się w skórze dostatecznie wcześnie sygnalizują niebezpieczeństwo przekroczenia dozwolonej temperatury, to do poparzeń skóry spowodowanych podczerwienią może dojść głównie w przypadku ekspozycji na promieniowanie laserowe .


Receptory ciepła znajdujące się w skórze dostatecznie wcześnie sygnalizują nadmierny wzrost jej temperatury i w normalnych warunkach nie notuje się oparzenia skóry promieniowaniem podczerwonym. Znacznie bardziej zagrożona jest gałka oczna, nie posiadająca receptorów ciepła.


Oddziaływanie podczerwieni na oczy

Oczy są w większym stopniu niż skóra narażone na szkodliwe działanie podczerwieni. Gałka oczna w zasadzie nie dysponuje mechanizmami (receptorami ciepła) ostrzegającymi przed tym rodzajem promieniowania. Podczerwień jest najsilniej pochłaniana przez rogówkę: całkowicie w paśmie IR-C i częściowo w paśmie IR-B (powyżej 2 500 nm). Rogówka ma receptory wywołujące ból, gdy jej temperatura osiągnie około 47 °C. Natomiast oparzenie rogówki może wystąpić już w temperaturze o kilka stopni niższej. Dlatego ekspozycja oka na promieniowanie o dużym natężeniu może prowadzić do poparzenia rogówki.


Do soczewki oka dociera przede wszystkim promieniowanie z pasma bliskiej podczerwieni IR-A oraz częściowo z pasma IR-B (o długościach fali poniżej 2400 nm). Gdy natężenie promieniowania jest duże, następuje przegrzanie soczewki ułatwione brakiem w niej naczyń krwionośnych, poprzez które ciepło mogłoby być odprowadzone. W wyniku przegrzania może dojść do zmian chemicznych związków białkowych soczewki, co objawia się powstawaniem zmętnienia (zaćmy). Tak więc najpoważniejszą chorobą związaną z narażeniem oka na promieniowanie podczerwone jest zaćma podczerwienna (tzw. zaćma hutnicza), czyli zmętnienie soczewki. Ponieważ zaćma rozwija się wolno, zwykle kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt lat i powstaje pod wpływem wielu czynników, dotychczas nie wyjaśniono mechanizmu jej powstawania. Przeważa pogląd , że zaćma taka jest wynikiem nie tylko bezpośredniego pochłaniania promieniowania podczerwonego przez soczewkę, lecz przede wszystkim pośredniego jej nagrzewania przez tęczówkę. Obecnie, stosunkowo duża liczba przypadków zaćmy hutniczej występuje w zakładach, gdzie dochodzi do częstego narażenia pracowników na intensywne promieniowanie podczerwone.

Długotrwała ekspozycja na promieniowanie podczerwone może również wywoływać stany zapalne tęczówek i spojówek, wysuszanie powiek i rogówek oraz zapalenie brzegów powiek



Tablica 1. Zestawienie szkodliwych skutków towarzyszących nadmiernej ekspozycji na promieniowanie optyczne

Zakres widmowy promieniowania	Skutki
	Oko	Skóra
Nadfiolet C (180 nm - 280 nm)	Zapalne uszkodzenie rogówki	Rumień, przyspieszone starzenie skóry, zwiększona pigmentacja
Nadfiloet B (280 nm - 315 nm)
Nadfiloet A (315 nm - 400 nm)	Zaćma fotochemiczna	Ciemnienie pigmentu. Reakcje fotouczuleniowe	Oparzenia skóry
Promieniowanie widzialne (400nm - 780 nm)	Fotochemiczne i termiczne uszkodzenie siatkówki	Reakcje fotouczuleniowe
Podczerwień A (780 nm - 1400 nm)	Zaćma, oparzenie siatkówki
Podczerwień B (1,4 µm - 3,0 µm)	Przymglenie rogówki, zaćma, oparzenie rogówki
Podczerwień C (3,0 µm - 1 mm)	Oparzenie rogówki

6-6.2.4. Promieniowanie laserowe

Zagrożenia powodowane promieniowaniem laserowym dotyczą oczu oraz skóry i obejmują przypadkowe, krótkotrwałe ekspozycje a nie zamierzone ekspozycje stosowane do celów medycznych. Najbardziej zagrożone promieniowaniem laserowym są oczy. W przypadku działania fal o długości od 400 nm do 1400 nm (najczęściej spotykane typy laserów emitują promieniowanie z tego właśnie zakresu) największym zagrożeniem jest uszkodzenie siatkówki oka. Spowodowane to jest wnikaniem tego promieniowania do oka i jego ogniskowaniem na siatkówce. Promieniowanie o długości fal poniżej 400 nm i powyżej 1400 nm nie wnika do wnętrza oka ale powoduje uszkodzenie rogówki oka [2,4]. W przypadku skóry potrzebne są znacznie większe niż dla oka dawki promieniowania, aby wywołały one biologiczny skutek oddziaływania promieniowania laserowego. W odniesieniu do skóry, biologicznym skutkiem działania promieniowania laserowego może być uszkodzenie tkanki takie jak: zwęglenie, oparzenie lub rumień [4]
Działanie promieniowania laserowego na tkankę ma różny charakter w zależności od gęstości mocy promieniowania i od czasów ekspozycji. Zestawienie szkodliwych efektw towarzyszcych nadmiernej ekspozycji oczu i skóry na promieniowanie laserowe podano w tablica 2.

Tablica 2. Rodzaje zagrożeń dla oka i skóry związane z ekspozycją na promieniowanie laserowe [8].



 

6-6.3. Najwyższe dopuszczalne wartości ekspozycji na promieniowanie optyczne

6-6.3.1. Nielaserowe promieniowanie nadfioletowe

Jako kryterium oceny zagrożenia promieniowaniem nadfioletowym przyjęto niedopuszczenie do powstania rumienia skóry, zapalenia rogówki i spojówki oka, rozwoju zmian nowotworowych skóry i zaćmy soczewki.

Zgodnie z rozporządzeniem Ministra Pracy i Polityki Społecznej z 27 maja 2010 r. [10] obowiązują następujące wartości maksymalnych dopuszczalnych ekspozycji (MDE):

• najwyższe dopuszczalne napromienienie skuteczne H_s promieniowaniem nadfioletowym oka i skóry w ciągu dobowego wymiaru czasu pracy bez względu na długość jego trwania wynosi 30 J/m² , wyznaczane według krzywej skuteczności S_l w zakresie 180 ÷ 400 nm.
  
• w celu niedopuszczenia do powstania zaćmy UV, dodatkowo ograniczono całkowite napromienienie H_UVA oczu promieniowaniem pasma 315 ÷ 400 nm do wartości 10 000 J/m² w ciągu dobowego wymiaru czasu pracy bez względu na długość jego trwania:
W normie PN-EN 14255-1: 2010 [11] oraz w rozporządzeniu Ministra Pracy i Polityki Społecznej z 27 maja 2010 r.[10] określono rozkład widmowy względnej skuteczności biologicznej promieniowania nadfioletowego S_l powodującego powstanie rumienia skóry oraz stanów zapalnych rogówki i spojówki oka.

 

6-6.3.2. Nielaserowe promieniowanie widzialne

Jako kryterium zagrożenia promieniowaniem widzialnym przyjmuje się niedopuszczenie do powstania uszkodzenia fotochemicznego i termicznego siatkówki oka, natomiast jako kryterium zagrożenia promieniowaniem podczerwonym przyjmuje się niedopuszczenie do powstania uszkodzenia termicznego rogówki, spojówki, soczewki i siatkówki oka oraz skóry.

Zagrożenie siatkówki oka

Jako kryterium zagrożenia siatkówki oka promieniowaniem widzialnym i podczerwonym przyjmuje się niedopuszczenie do powstania uszkodzenia termicznego i fotochemicznego siatkówki oka (6-6.slajd.19). Widmową skuteczność uszkodzenia fotochemicznego siatkówki określa krzywa B_l , natomiast uszkodzenia termicznego siatkówki – krzywa R_l które przedstawiono na  (6-6. slajd 19).



 (6-6. slajd 19)

W normie PN-EN 14255-2: 2010 [12] oraz w rozporządzeniu Ministra Pracy i Polityki Społecznej z 27 maja 2010 r.[10] określono rozkład widmowy względnej skuteczności biologicznej uszkodzenia fotochemicznego siatkówki oka B_l oraz rozkład widmowy względnej skuteczności biologicznej uszkodzenia termicznego siatkówki oka R_l

Zagrożenie fotochemiczne siatkówki oka

Ocenę zagrożenia fotochemicznego siatkówki oka dokonuje się dla promieniowania pasma 300 ÷ 700 nm (umownie nazwanego światłem niebieskim). W zależności od czasu ekspozycji i wielkości kątowej źródła promieniowania (a )wyznacza się skuteczne wartości luminancji energetycznej (radiancji) lub natężenia napromienienia (ważone wg krzywej Bl ) - względnej skuteczności widmowej zagrożenia fotochemicznego siatkówki. Maksymalne dopuszczalne ekspozycje (MDE) stosowane przy ocenie zagrożenia fotochemicznego siatkówki oka przedstawiono w tablicy 3.

Tablica 3. Wartości MDE przy ocenie zagrożenia fotochemicznego siatkówki oka [6, 7, 9])



Zagrożenie termiczne siatkówki

Ocenę zagrożenia termicznego siatkówki dokonuje się dla źródeł emitujących w zakresie 380-1400 nm tj. promieniowanie widzialne i bliską podczerwień (IRA). W przypadku źródeł z silnym bodźcem świetlnym tzn. źródła o luminancji świetlnej większej niż 1 cd/cm2 (10 000 cd/m2) poziom ekspozycji wyznacza się dla zakresu widmowego 380 nm – 1400 nm. Natomiast dla źródeł o słabym bodźcu świetlnym jak np. rozgrzane do wysokiej temperatury obiekty, płynne aluminium itp., które emitują głównie bliską podczerwień poziom ekspozycji wyznacza się dla zakresu widmowego 780 nm -1400 nm. W obu ww. przypadka obowiązują inne wartości MDE. W przypadku oceny zagrożenia termicznego promieniowaniem widzialnym rozpatrujemy W zależności od kąta widzenia źródła promieniowania (α) i jednorazowego czasu ekspozycji (ti) wyznacza się odpowiednio wartości skutecznej luminancji energetycznej (LR) z zakresu 380- 1400 nm z uwzględnieniem skuteczności widmowej uszkodzenia termicznego siatkówki oka R(λ). Maksymalne dopuszczalne ekspozycje (MDE) dla zagrożenia termicznego siatkówki oka promieniowaniem 380 nm – 1400 nm w zależności od czasu ekspozycji i wielkości źródła światła (od której zależy współczynnik Cα we wzorach na MDE) przedstawiono w tablicy 4

Tablica 4. Wartości MDE przy ocenie zagrożenia termicznego siatkówki oka [6, 7, 9]



Zagrożenie termiczne rogówki i soczewki oka

Ocenę zagrożenia termicznego rogówki i soczewki należy dokonywać dla zakresu 780 ¸ 3000 nm na podstawie pomiaru całkowitego natężenia napromienienia (EIR) w tym zakresie, a wartości MDE zależą od czasu jednorazowej ekspozycji i wynoszą odpowiednio [1, 6, 7, 8, 9]:

EIR = 18 000 t_i ^-0,75 W·m^-2, gdy czas jednorazowej ekspozycji ti < 1 000 s,

lub:

EIR = 100 W·m-2, gdy czas jednorazowej ekspozycji t_i ≥ 1 000 s.

Zagrożenie termiczne skóry

Ocenę obciążenia termicznego skóry należy dokonywać dla zakresu 380-3000 nm w przypadku, gdy czas jednorazowej ekspozycji ti <10 s. Wówczas całkowite napromienienie skóry H_skóra nie powinno przekraczać wartości określonej równaniem [8, 9]:

H_skóra = 20 000*t_i^0,25 J·m^-2

Ocenę obciążenia termicznego działającego na człowieka w gorącym środowisku pracy - wskaźnik WBGT - dokonuje się w przypadku jednorazowej ekspozycji na podczerwień dłuższej niż 10 s.



6-6.3.3. Promieniowanie laserowe

Dla każdego urządzenia laserowego określana jest klasa lasera, która bezpośrednio związana jest z bezpieczeństwem jego użytkowania. Klasa lasera informuje użytkownika o skali zagrożeń związanych z jego użytkowaniem [2, 13]. Zgodnie z aktualną normą laserową [13] lasery dzieli się na siedem klas (1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B, 4), a każdej z klas odpowiada odpowiedni opis umożliwiający jej zidentyfikowanie, które przedstawiono w tablicy 3. Lasery klasy 1 zapewniają największe bezpieczeństwo dla użytkownika, podczas gdy lasery klasy 4 stwarzają największe zagrożenie i przy ich obsłudze należy przestrzegać szczególnych środków bezpieczeństwa.
Lasery są klasyfikowane na podstawie granicy emisji dostępnej (GED) – tj. maksymalnego poziomu promieniowania emitowanego z lasera dozwolonego w obrębie danej klasy laserów. Wartości GED są odniesione do długości fali promieniowania laserowego oraz czasu trwania ekspozycji i określane przez wartości [13]:


• o mocy lub energii promieniowania albo natężenia napromienienia lub napromienienia, gdy laser można traktować jako punktowe źródło promieniowania.
• o luminancji energetycznej lub luminancji energetycznej zintegrowanej, gdy laser można traktować jako rozciągłe źródło promieniowania.

Wartości GED dla danej klasy lasera podane są w normie PN-EN [13]. Klasyfikacja lasera lub urządzenia laserowego oraz jego oznaczenie jest obowiązkiem producenta, a nie użytkownika. Użytkownik natomiast powinien sprawdzić czy spełnione są wszystkie wymagania dla danej klasy lasera określone w PN-EN [13].

W Polsce podstawowe kryteria oceny zagrożenia promieniowaniem laserowym określone są w dwóch rozporządzeniach MPiPS:

• z dnia 27 maja 2010 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy pracach związanych z ekspozycją na promieniowanie optyczne [10 ]
• z dnia 29 lipca 2010 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy [9].

Najwyższy poziom promieniowania laserowego nie powodujący uszkodzeń oczu lub skóry jest określany jako maksymalna dopuszczalna ekspozycja – MDE. Wartości MDE zależą od [2, 9]

• długości fali promieniowania laserowego
• czasu trwania impulsu laserowego lub czasu trwania ekspozycji
• rodzaju tkanki narażonej na działanie promieniowania
• charakteru ekspozycji (bezpośrednie patrzenie w wiązkę promieniowania lub patrzenie na promieniowanie rozproszone)
• rozmiaru obrazu na siatkówce oka, w przypadku promieniowania w zakresie 400 – 14000 nm.


W związku z powyższym wartości MDE są bardzo zróżnicowane. Szczegółowe wartości MDE określa rozporządzenie ministra pracy i polityki społecznej w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy

Kiedy patrzy się na wiązkę, obraz na siatkówce jest znacznie mniejszy niż wówczas, gdy patrzy się na promieniowanie rozproszone. Dlatego wartości MDE dla oka w przypadku patrzenia w wiązkę (źródła punktowe) są około tysiąca razy mniejsze (tzn. MDE są bardziej restrykcyjne) niż w przypadku patrzenia na wiązkę rozproszoną, np. po odbiciu od elementu obrabianego wiązka laserową lub elementów otoczenia.

W przypadku źródeł laserowych emitujących promieniowanie impulsowe powtarzalne niezależnie od długości fali, należy określić wartości MDE oka i skóry dla każdego z poniższych warunków [2, 8, 9]:

a) zagrożenia pojedynczym impulsem: należy określić MDE na pojedynczy impuls promieniowania (MDEpoj). Ekspozycja na dowolny pojedynczy impuls w ciągu impulsów nie może przekraczać MDEpoj o tym czasie trwania impulsu,

b) zagrożenie ciągiem impulsów w czasie trwania ekspozycji: należy określić MDE na ciąg impulsów w czasie trwania ekspozycji. Ekspozycja na dowolną grupę (lub podgrupę impulsów w ciągu impulsów) dostarczonych w czasie trwania ekspozycji nie może przekraczać MDE dla tego czasu trwania ekspozycji,

c) zagrożenie termiczne ciągiem impulsów, których oddziaływanie ma charakter addytywny:

- należy określić wartość skumulowanego termicznego współczynnika korekcyjnego Cp = N-0,25, gdzie N oznacza liczbę impulsów w czasie trwania ekspozycji, a następnie przemnożyć przez wyznaczoną wartość MDE dla pojedynczego impulsu MDEpoj i do analizy przyjąć wartość wynikową nowego MDET

MDE_T = C_p · MDE_poj ,

- dla danej długości fali rozpatrywanego promieniowania laserowego, gdy czas trwania pojedynczego impulsu jest krótszy od czasu Tmin określonego w tabeli 11, należy do obliczeń MDE przyjąć czas trwania impulsu równy Tmin, natomiast gdy czas trwania pojedynczego impulsu jest dłuższy od Tmin należy do obliczeń przyjąć rzeczywisty czas trwania impulsu.

Jeżeli dla danej długości fali promieniowania laserowego istnieje więcej niż jedna wartość MDE, stosuje się wartość bardziej restrykcyjną.

Istotnym jest określenie czasu trwania ekspozycji. W zależności od analizowanego zagrożenia i trybu pracy lasera jest to: czas trwania impulsu, czas jednorazowej ekspozycji (dla zagrożenia termicznego) lub całkowity czas ekspozycji w ciągu zmiany roboczej (dla zagrożenia fotochemicznego) [2, 6].

6-6.4. Sposoby ochrony człowieka przed nadmiernym promieniowaniem optycznym w środowisku pracy

Profilaktyka zagrożenia pracowników promieniowaniem optycznym na stanowiskach pracy wiąże się z szeregiem działań mających na celu stworzenie bezpiecznych warunków pracy a tym samym z ograniczeniem ryzyka zawodowego do małego.
W przypadku sztucznych źródeł promieniowania zagrożenie promieniowaniem optycznym należy uwzględniać już na etapie projektowania i urządzania stanowisk pracy. Tam gdzie jest to możliwe należy wprowadzać automatyzację produkcji tak, aby odsunąć człowieka od procesów, gdzie istnieje zagrożenie promieniowaniem optycznym. Jeśli nie jest możliwe do uniknięcia narażenia pracowników na promieniowanie optyczne, to wówczas istotnym jest .

-odpowiednia organizacja pracy a w szczególności wprowadzenie odpowiednich procedur postępowania na stanowiskach pracy, gdzie występuje zagrożenie promieniowaniem optycznym i nadzoru nad ich przestrzeganiem
-dobór i stosowanie odpowiednich środków ochrony indywidualnej
-dobór i stosowanie odpowiednich środków ochrony zbiorowej
-monitorowanie zagrożenia promieniowaniem optycznym na stanowiskach
-pracy poprzez pomiary odpowiednich parametrów tego promieniowania niezbędnych do oceny ryzyka5
-szkolenie pracowników na temat zagrożenia i ochrony przed
-promieniowaniem optycznym, o wykonywanie wstępnych i okresowych ogólnych badań lekarskich oraz
-okresowych badań okulistycznych i dermatologicznych ukierunkowanych na
-ujawnianie zmian patologicznych pojawiających się na skutek ekspozycji na
-promieniowanie optyczne.

 

6-6.5. Literatura

1. ICNIRP: Guidelines on limits of exposure to broad-band incoherent optical radiation (0,38 to 3 m). Health Physics, 77(3):539-555, 1997.
2. Nowicki M.: Promieniowanie laserowe. W: Czynniki szkodliwe w środowisku pracy. Wartości dopuszczalne. Red. M. Pośniak., J.Skowroń, Warszawa, CIOP-PIB 2020, s 255-288
3. Owczarek,G, Pościk A. Wolska A. Promieniowanie optyczne w Dobór środków ochrony indywidualnej pod red K.Majchrzyckiej i A. Pościka, Warszawa, CIOP-PIB, 2007, 301-332.
4. Sliney D. Wolbarsht M.: Safety with lasers and other optical sources. New York Plenum Press, 1980.
5. Wolska A. Promieniowanie optyczne w środowisku pracy. CIOP-PIB, Warszawa, 2013
6. Wolska A. Sztuczne promieniowanie optyczne. Zasady oceny ryzyka zawodowego. Poradnik, CIOP-PIB Warszawa, 2013.
7. Wolska A. Nielaserowe promieniowanie optyczne w Czynniki szkodliwe w środowisku pracy. Wartości dopuszczalne, CIOP-PIB, Warszawa, 2020
8. Dyrektywa 2006/25/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 5 kwietnia 2006 r. w sprawie minimalnych wymagań w zakresie ochrony zdrowia i bezpieczeństwa dotyczących narażenia pracowników na ryzyko spowodowane czynnikami fizycznymi (sztucznym promieniowaniem optycznym) (dziewiętnasta dyrektywa szczegółowa w rozumieniu art. 16 ust. 1 dyrektywy 89/391/EWG) (Dz. Urz. UE L 114 z 27.04.2006, str. 38)
9. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 6 czerwca 2014 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (DzU z 2014 poz. 817).
10. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 27 maja 2010 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy pracach związanych z ekspozycją na promieniowanie optyczne. (tekst jednolity DzU 2013, poz. 1619)
11. PN EN 14255 – 1: 2010 Pomiar i ocena ekspozycji osób na niespójne promieniowanie optyczne -- Część 1: Promieniowanie nadfioletowe emitowane przez źródła sztuczne na stanowisku pracy
12. PN EN 14255 – 2: 2010 Pomiar i ocena ekspozycji osób na niespójne promieniowanie optyczne -- Część 2: Promieniowanie widzialne i podczerwone emitowane przez źródła sztuczne na stanowisku pracy
13. PN-EN 60825-1: 2014 Bezpieczeństwo urządzeń laserowych. Część 1: Klasyfikacja sprzętu, wymagania i przewodnik użytkownika.