SciELO - Scientific Electronic Library Online

 
vol.130 número1Cirugía de la insuficiencia mitral isquémicaResistencia de Streptococcus pneumoniæ a penicilina y su asociación con factores clínicos y epidemiológicos: Clinical and epidemiological aspects índice de autoresíndice de materiabúsqueda de artículos
Home Pagelista alfabética de revistas  

Servicios Personalizados

Revista

Articulo

Indicadores

Links relacionados

Compartir


Revista médica de Chile

versión impresa ISSN 0034-9887

Rev. méd. Chile v.130 n.1 Santiago ene. 2002

http://dx.doi.org/10.4067/S0034-98872002000100003 

Radiación ultravioleta productora
de eritema en Valdivia.
Comparación entre inferencias
satelitales, modelo de transferencia
radiativa y mediciones desde Tierra

Erythemal Ultraviolet Radiation in
Valdivia. A comparison among
satellite data, a radiative transfer
model and ground-based
observations

Charlotte Lovengreen vd M1, José Luis Alvarez B2,
Humberto Fuenzalida P3 y Miguel Aritio G4

Correspondencia a: Charlotte Lovengreen v d M. Instituto de Física, Universidad Austral de Chile. Casilla 567, Valdivia, Chile. Fono: (56) 63 221069 Fax: (56) 63 221200 E-mail: clovengr@uach.cl

To evaluate dose rates and daily doses (DDE) at Valdivia in Southern Chile, ultraviolet irradiances recorded every 15 min from 1998 to 2000 with a high resolution spectroradiometer were weighted with an erythemal action spectrum. Exposure times to get one MED (210 J/m2) in Summer are 10, 12, 18 and 24 min for skin types I trough IV respectively. DDE estimations included in NASA Web products overestimate measurements by 16% on average in Summer, with an absolute uncertainty of 980 J/m2 at the 95% level. Observed dose rates for clear days are in fair agreement with the numerical output from a numerical model, suggesting that acute episodes can be predicted if total ozone can be forecasted and the population is instructed on corrections for cloud effects (Rev Méd Chile 2002; 130: 17-25)
(Key Words: Erythemal dose; Ozone; Spectrophotometry, ultraviolet; Ultraviolet radiation)

Recibido el 31 de julio, 2001. Aceptado en versión corregida el 19 de noviembre, 2001.
Financiamiento: Proyectos DID UACH S-199902 y DID S-200104, Proyecto IAI CRN 026.
Instituto de Física, Universidad Austral de Chile (Valdivia), Centro de Ciencias Básicas,
Universidad Austral de Chile (Puerto Montt) y Departamento de Geofísica,
Universidad de Chile, Santiago, Chile.
1 Magister en Física
2 Ph D. Physics
3 Ph D. Atmospheric Sciences
4 Licenciado en Física

En las últimas tres décadas, cambios de estilo de vida han resultado en un notorio aumento de la exposición (y sobreexposición) a la radiación ultravioleta de origen solar. Por otra parte, el ozono en la atmósfera que rodea la Tierra -el filtro natural que protege de la radiación ultravioleta dañina- ha sufrido una disminución global desde la década del 70, a raíz de su destrucción, particularmente importante durante las primaveras en el continente Antártico y su vecindad. Los promedios mensuales de ozono total obtenidos desde el espacio con el TOMS1* para la región de Valdivia desde 1978 a la fecha, muestran una tendencia decreciente promedio de 5,6% por década.

Existen evidencias de que la radiación ultravioleta (RUV) está relacionada en el corto plazo con el enrojecimiento de la piel (eritema), aunque favorece la síntesis de Vitamina-D, y en un plazo mayor con el desarrollo de cáncer a la piel, cataratas y supresión del sistema inmune1-3. Sin embargo, la información cuantitativa de niveles de RUV que recibe la población chilena en diferentes regiones del país es muy escasa. Este trabajo intenta caracterizar, a través de variables con aplicación dermatológica, sus variaciones en la X Región de Los Lagos sobre la base de observaciones recolectadas durante tres años, mediante un instrumento confiable en Valdivia. Las observaciones fueron comparadas con otras dos fuentes de información que no tienen restricciones geográficas de aplicación, estimaciones en base a mediciones desde el espacio y resultados de un modelo numérico de transferencia radiativa, con el fin de estimar sus confiabilidades.

Se presentan los niveles de RUV a que está expuesta la población en Valdivia y el entorno geográfico que presenta un régimen de radiación similar. De acuerdo a información del TOMS, esta ciudad, ubicada en la latitud 39,8°S y distante 12 km de la costa del Pacífico, está fuera del área donde se produce la rápida destrucción del ozono estratosférico (llamado "agujero de ozono") y más bien protegida naturalmente por un cinturón de elevadas concentraciones de ozono que la circunda. Sólo ocasionalmente masas de aire empobrecidas de ozono alcanzan la latitud de Valdivia, especialmente hacia fines de la primavera, presentándose breves episodios con elevadas irradianzas2* UV que alcanzan la superficie terrestre.

Naturaleza de la radiación ultravioleta. La RUV del espectro solar se divide en 3 partes (A, B y C). La región UV-C se caracteriza por tener longitudes de onda menores que 280 nm y es muy dañina para plantas y animales, pero es eficientemente absorbida por el oxígeno y ozono estratosférico sin alcanzar la superficie terrestre. El ozono, que absorbe la mayor parte de las longitudes de onda cortas, tiene un efecto casi despreciable a los 320 nm. Por ello se define la UV-B como el intervalo de 280 a 315 nm, ya que estas longitudes de onda están afectadas fuertemente por las variaciones de este gas. Las longitudes de onda del UV-A van desde 315 a 400 nm.

En condiciones de cielos despejados, la irradianza UV que alcanza la superficie terrestre depende del ángulo cenital del sol (SZA, ángulo de incidencia de los rayos solares medido con respecto a la vertical en el punto), de la cantidad total de ozono en la atmósfera y en menor grado de la distancia Sol-Tierra. Ello implica que básicamente la RUV aumenta desde las regiones polares al ecuador dado que el sol en culminación máxima presenta ángulos cenitales cada vez menores y para un lugar geográfico determinado existe un ciclo diario con máximas en torno al mediodía solar.

Espectros de acción. Un espectro de acción describe la efectividad relativa de distintas longitudes de onda en la generación de una respuesta biológica particular, la cual puede provocar diversos efectos perjudiciales sobre los organismos. Un espectro de acción dado se utiliza como factor ponderante de la irradianza de modo que, integrado sobre todo el espectro ultravioleta, proporciona la irradianza biológicamente efectiva o tasa de dosis medida en W/m2 o bien en µW/cm2. La dosis efectiva de RUV para un período de exposición particular (J/m2) se obtiene sumando la tasa de dosis sobre tal intervalo de tiempo. Puesto que las quemaduras solares tienen un efecto perjudicial sobre la piel humana, se ha definido el espectro de acción eritémico CIE4 para la evaluación de los efectos dañinos de la RUV sobre la piel. El espectro de acción eritémico está representado en la Figura 1 junto a espectros solares típicos. También se incluye el producto de ambas curvas, cuya área representa la tasa de dosis correspondiente a los espectros solares señalados.


Figura:
1.a). Espectros UV solares típicos obtenidos con el espectrorradiómetro SUV-100. Se incluye el espectro de acción de eritema asociado al eje derecho (¾).
¾
21 de agosto 1998, 13:00 h local, SZA 52,0°, 317,5 DU

_

9 de diciembre 1998, 14:00 h local, SZA 17,4°, 232,5 DU
 ...
14 de enero 1999, 14:00 h local, SZA 18,7°, 268,9 DU
1.b). Irradianza de UV ponderada con el espectro de eritema. El área bajo la curva corresponde a la tasa de dosis.
¾
21 de agosto 1998: 7,61 µW/cm2

_

9 de diciembre 1998: 37,3 µW/cm2
 ... 14 de enero 1999: 30,1 µW/cm2

Dosis eritémica mínima. Para describir el potencial eritémico de la RUV se utiliza la Dosis Eritémica Mínima (MED). Un MED se define como la dosis efectiva de UV que causa un enrojecimiento perceptible de la piel humana no expuesta previamente. Sin embargo, como no todos los individuos tienen la misma sensibilidad a la radiación UV debido a las diferentes capacidades de autoprotección de sus pieles, el MED varía entre 200 y 500 J/m2. La Tabla 1 muestra los valores MED para diferentes tipos de piel de acuerdo con las normas alemanas DIN 5050-1 y DIN 5050-23*.

Indice de UV. Por simplicidad se informa al público de los niveles de RUV al mediodía, a través de un índice que se calcula a partir de la tasa de dosis de eritema y corresponde a un valor proporcional a éste que en condiciones normales cubre el intervalo de 0 a 15.

MATERIAL Y MÉTODO

Para la cuantificación de la RUV se usa un espectrorradiómetro UV de alta resolución4*. El instrumento mide la irradianza solar en el intervalo ultravioleta y parte del visible (290 a 600 nm) con una resolución espectral de 0,6 nm. En el intervalo de interés, desde 290 a 340 nm el barrido se realiza en pasos de 0,2 nm y tarda 15 min. Mayores detalles de las características del instrumento se describen en la referencia 5. En la Figura 1 se representan espectros típicos medidos en Valdivia, señalándose la fecha y hora de inicio del barrido.

Con los espectros obtenidos entre los años 1998-2000 se calculó la tasa de dosis de eritema extractando el valor diario promedio del mediodía como promedio de los 5 barridos más cercanos a la culminación solar. La tasa de dosis en términos del índice UV se obtiene dividiendo la tasa de dosis de eritema expresada en µW/cm2 por 2,56. Además se calculó la dosis diaria como la suma de las tasas de dosis obtenidas en cada barrido, asociándole un valor fijo durante sus 15 min de duración. Una persona cuya jornada laboral transcurre al exterior recibe aproximadamente tal dosis diaria y para convertirla a unidades MED se la dividió por 210 J/m2 (Tabla 1).


Paralelamente se extrajo de la página WEB de la NASA5* la información para Valdivia de la dosis eritémica diaria obtenida por el TOMS, para compararla con los datos medidos in situ. Finalmente, para los días totalmente despejados se calculó la tasa de dosis de eritema con un modelo de transferencia radiativa7 para el instante en que se contaba con el dato de ozono total del TOMS.

RESULTADOS

Régimen de dosis eritemáticas diarias y de tasas de dosis de eritema en torno al mediodía. En los 3 años de registro analizados en este trabajo existe información sobre la dosis diaria en Valdivia para 938 días, lo cual representa 85,7% del total. En la Figura 2 se presenta la dosis obtenida para cada día, evidenciando el ciclo anual con valores máximos en verano por sobre 7000 J/m2/d. En invierno la dosis diaria no supera los 1000 J/m2/d, durante el período entre el 15 de mayo y el 15 de agosto. Estas dosis diarias se expresan también en unidades MED (eje derecho). Casi el 10% de los días analizados presenta una dosis diaria de más de 30 MED. Se destacan en la Figura aquellos días en que existen alzas notorias, los cuales corresponden a niveles bajos de ozono (232 DU6*, 253.6 DU y 263 DU para el 9 de diciembre de 1998, el 31 de diciembre de 1999 y el 1º de enero de 2000 respectivamente), coincidiendo con días parcialmente nublados o despejados y cercanos al solsticio de verano, alcanzándose en una oportunidad un máximo de 40 MED.


Figura 2. Variación de la dosis eritémica diaria en Valdivia desde el 1º de enero 1998 hasta el 31 de diciembre 2000. En el eje derecho se expresa la dosis en unidades MED. Se señalan en el gráfico valores puntuales extremos medidos en los veranos 1998-1999 y 1999-2000.

Por otra parte es de interés analizar las tasas de dosis a que se expone la población en torno al mediodía, correspondiendo ello al momento en que el SZA es menor. Para Valdivia el SZA mínimo del día varía entre 16° en torno al 21 de diciembre y 65° en torno al 21 de junio. En la Figura 3 se representan los índices de UV medidos como valor promedio horario en torno a las 17:00 UTC7*, que corresponde al mediodía local. Se señalan los límites que definen los índices en categorías de bajo, moderado, alto y extremadamente alto. En Valdivia, al mediodía en el 20% de los días analizados, el índice de UV alcanza valores sobre 9. La información expresada en términos de "tiempo de exposición mínima para producir eritema", se muestra en la Figura 4. En los días de verano la piel tipo I necesita de solo 12 a 15 min. En cambio la piel tipo 4 puede exponerse cerca de 30 min para producir el mismo efecto.


Figura 3. Indice UV promedio horario medido en torno al mediodía. El índice de UV multiplicado por un factor 2,5 corresponde a la tasa de dosis eritémica medida en µW/cm2. En el eje derecho se señalan los intervalos que definen el índice de UV como bajo, moderado, alto y extremadamente alto.


Figura 4. Tiempos de exposición para absorber 1 MED de radiación solar al mediodía en Valdivia para los diferentes tipos de piel. Los tiempos corresponden a mediciones de algunos meses en torno al verano 1998-1999.

Comparación con dosis diaria regional según NASA. La NASA estima la dosis eritémica diaria para todo el planeta sobre cuadrángulos de 1° de latitud (110 km) por 1,25° de longitud (100 km a la latitud de Valdivia). Para evaluar en qué medida los datos para el cuadrángulo que contiene a Valdivia corresponden a las medidas in situ del SUV-100, se compararon los resultados de los 3 años mencionados. Calculando una regresión lineal entre ambas bases de datos, se observa una tendencia a la sobreestimación en los valores calculados por la NASA. Este hecho se verifica en la Figura 5, en que se ha trazado a través del conjunto de datos la recta ajustada por mínimos cuadrados y se incluye el intervalo de confianza del 95% asociado a los datos de la NASA. La ecuación que relaciona los datos de la NASA con los medidos in situ expresados en J/m2 es:

Dosis diaria (SUV) = 0,894 Dosis Diaria (NASA) - 76,68


Figura 5. Relación entre la dosis diaria medida en Valdivia con el SUV-100 y aquella informada por NASA para este lugar geográfico. Se ha trazado la recta de mínimos cuadrados a través del conjunto de datos y se muestra el intervalo de confianza del 95% asociada a los datos de la NASA.

La sobreestimación es particularmente crítica en invierno, cuando existe una gran variabilidad nubosa. Si se analiza la diferencia a través del promedio móvil de 10 días se obtiene una oscilación estacional con sobreestimaciones estivales en torno a 10% y en invierno a 50%.

Estimación de la tasa de dosis por modelación numérica versus observaciones. Dado que se cuenta con información de tasas de dosis de eritema para 169 días perfectamente despejados, se evaluó la predictibilidad de la tasa de dosis para estas condiciones con un modelo de transferencia radiativa8*. Para tal fin se usó el modelo DISORT7, incorporando dispersión molecular, con perfiles verticales típicos de temperatura, un suelo que refleja el 5% de la radiación incidente y un perfil característico de distribución del ozono en la atmósfera. Para cada cálculo se ingresan al modelo el valor del ozono total y el SZA. En la Figura 6 aparecen superpuestas las curvas regulares obtenidas de DISORT cubriendo todo el intervalo de ángulos solares cenitales (10° a 70°) y del ozono total (230 a 350 DU), junto con las curvas quebradas interpoladas de los datos observados. Los datos del SUV-100 corresponden a medidas cercanas al mediodía. Se ha tomado en cuenta la hora en que el satélite, con el TOMS a bordo, mide el valor de ozono total para este lugar geográfico, lo cual ocurre a no más de dos horas del mediodía. La Figura 6 muestra una apreciable coincidencia entre los resultados del modelamiento y las observaciones del SUV para tasas de dosis 10, 15 y 20 µW/cm2. Sólo en aquellas de 25 y 30 µW/cm2 aparecen diferencias en el sentido de una leve subestimación por el modelo. Regresiones lineales múltiples de la forma

Tasa de dosis = a + b*SZA + c*[O3]

donde la tasa de dosis se mide en µW/cm2, el SZA en ° y el ozono total [O3] en DU, fueron ajustadas resultando los coeficientes señalados en la Tabla 2. Estos coeficientes para el modelamiento y las observaciones son similares y dan cuenta del 97% de la variación de las tasas de dosis reflejando que los factores más relevantes han sido incorporados. La diferencia entre los coeficientes del ozono no debe sorprender porque los montos de este gas, para el caso de las observaciones, han sido extraídos de información del TOMS correspondiente a los pasajes más cercanos a Valdivia (pasajes que distan de la ciudad en promedio unos 30 km aproximadamente). Aunque esta información tiene mejor resolución que las dosis eritémicas (40 por 40 km) se ven suavizados en el valor del promedio espacial. Cabe notar que las líneas quebradas de la Figura 6 se obtuvieron mediante interpolación de las observaciones más próximas, ocultando una dispersión de los datos que no se puede apreciar en ella. Con estas salvedades es posible aproximar las tasas eritémicas para un día despejado, calculando el SZA si se conoce el ozono total. En la Tabla 3 se muestran los errores aproximados de usar las curvas suaves del DISORT para el nivel de tasa de dosis señalado.


Figura 6. Curvas punteadas regulares corresponden a las tasas de dosis obtenidas con el modelo DISORT cubriendo el intervalo de ángulos solares cenitales desde 10° a 70° y el ozono total de 230 DU a 350 DU. Las curvas quebradas interpoladas de los datos observados se superponen a las anteriores. El análisis sólo considera días despejados.



DISCUSIÓN

Considerando todo tipo de días, despejados y con nubosidad, el régimen anual de dosis diaria de eritema en Valdivia (40°S) (con un promedio anual de 2700 J/m2, máximos estivales de 7000 (33,3 MED) y mínimos invernales de 700 (3,3 MED)), resulta compatible con los valores registrados en Santiago (33°S) donde cifras homólogas son de 3000, 8000 y 800 J/m2 (Fuenzalida H, datos no publicados) y con las de Lauder, Nueva Zelanda (45°S) con 2200, 5000 y 5008, respectivamente. Es preciso recordar que la nubosidad puede atenuar los valores estivales apreciablemente (Figura 2). En casi 10% de los días analizados la dosis diaria excede los 30 MED. El índice máximo de UV promedio medido en una hora en torno al mediodía es de alrededor de 12 en verano y 1,5 en invierno, pero en verano el índice puede exceder de 13 en episodios de bajo ozono. A mediodía, en verano, los tiempos de exposición para producir 1 MED varían en torno a 10, 13, 18 y 24 min para el tipo de piel I, II, III y IV, respectivamente.

La estimación de la dosis eritémica diaria para Valdivia informada por la NASA resulta 10% por encima de lo observado y la dispersión de valores define un intervalo de confianza de ± 980 J/m2 para incluir el 95% de los casos. En consecuencia, durante el verano el error relativo puede alcanzar a ±16%, pero en invierno la estimación espacial carece de valor. La discrepancia con las mediciones in situ se debe originar en dos factores. En primer lugar la estimación de la NASA se hace en base a una observación diaria del estado de la atmósfera y en aquellos lugares donde la nubosidad tiene un marcado ciclo diario este factor origina errores apreciables. En segundo término, también afecta la resolución espacial de ambas mediciones pues los valores estimados por el TOMS corresponden a un promedio sobre un cuadrángulo de 110 por 100 km centrado a unos 35 km al norte de Valdivia y 10 km mar afuera y por tanto con 60% de su área sobre el océano. Cabe esperar que en la medida que el aire marino se inestabiliza al penetrar al continente con formación de nubosidad, el TOMS entregue sobreestimaciones con relación a la observación del SUV-100. Este resultado previene acerca del riesgo que tiene el uso de la serie del TOMS en estudios epidemiológicos, siendo preferible la medición desde tierra cuando ella esté disponible.

Para un día despejado, el modelo usado para predecir la tasa de dosis de eritema muestra una concordancia razonable con los datos de 169 días medidos in situ. Sin embargo, la omisión del efecto de la nubosidad, que es importante y muy complejo de modelar, restringe su aplicación médica. Además, el error de la modelación crece para los casos de dosis extremas y debe ser importante en situaciones anómalas en que, por ejemplo, el perfil vertical de ozono se aparta de la distribución típica usada en el modelo, como ocurre en incursiones de masas de aire empobrecidas en ozono. El valor de esta técnica se orienta más bien hacia el pronóstico de episodios con riesgo dermatológico por tasas de dosis elevadas siempre que se cuente con un método predictivo para la cantidad de ozono total y se instruya a la población acerca del efecto de la nubosidad, elemento cuya predicción es aún problemática.

1* TOMS: Total Ozone Mapping Spectrometer, un sistema montado por la NASA en diferentes satélites que provee mapas globales diarios del ozono total.

2* Irradianza: mide la energía que incide en la unidad de tiempo sobre una superficie horizontal desde todo el hemisferio superior; se expresa en Watts/m2 o bien en microwatts/cm2.

3* DIN Deutsches Institut für Normierung, Normenausschuss Lichttechnik. FNL. DIN 5050-1 Ausgabe: 1992-05 Solarien und Heimsonnen, Messverfahren, Typeinteilung, Kennzeichnung y DIN 5050-2 Ausgabe: 1998-06 Solarien und Heimsonnen-Teil 2: Anwendung und Betrieb.

4* SUV-100 fabricado por Biospherical Instruments Inc, BSI, San Diego, California.

5* http://jwocky.gsfc.nasa.gov

6* El DU (Unidad Dobson) es la unidad en que se expresa el total de ozono en la columna atmosférica; 100 DU equivalen a una capa de 1 mm de espesor de ozono a la presión de 1 atmósfera y 0°C.

7* UTC: Universal Time Coordinate.

8* Modelo de transferencia radiativa: es un algoritmo numérico que evalúa las irradianzas simulando las atenuaciones que sufre la radiación solar al cruzar la atmósfera por diversos procesos. En el caso mostrado no se incorporan los efectos de la nubosidad ni del material particulado.

REFERENCIAS

1. IARC. Monographs on the evaluation of Carcinogenic Risks to Humans 1992; Vol 55, Solar and Ultraviolet Radiation. International Agency for Research on Cancer, Lyon.        [ Links ]

2. WMO (World Meteorological Organization) Scientific Assessment of Stratospheric Ozone: 1998. In Global Ozone Research and Monitoring Project, Report Nº 44, Geneve 1998. En http://sedac.ciesin.org/ozone/docs/UNEP98/UNEP98p14.html http://sedac.ciesin.org/ozone/docs/UNEP98/UNEP98p15.html        [ Links ]

3. Slaper H, Velders GJM, Daniel JS, De Gruijl FR, Van Der Leun JC. Estimates of ozone depletion and skin cancer incidence to examine the Vienna Convention achievements. Letters to Nature 1996; 384: 256-8.        [ Links ]

4. Mckinley AF, Diffey BL. A reference action spectrum for ultraviolet induced erythema in human skin. En: Passchier WR, Bosjanokovic BFM (Eds), Human Exposure to Ultraviolet Radiation: Risks and Regulations. Elsevier, Amsterdam. 1987; 83-7.        [ Links ]

5. Díaz SB, Morrow JH, Booth CR. UV Physics and Optics. En: De Mora S, Demers S, Vernet S (Eds), The effects of UV Radiation in the Marine Environment. Cambridge University Press 2000; 35-71.        [ Links ]

6. WMO 1994b. Report of the WMO Meeting of Experts on UV-B Measurements, Data Quality and Standardization of UV Indices. World Meteorological Organization Global Atmosphere Watch Report Nº 95, Geneve 1994.        [ Links ]

7. Stamnes K, Tsay SC, Wiscombe WJ, Jayaweera K. Numerically stable algorithm for discrete-ordinate method radiative transfer in multiple scattering and emitting layered media. Applied Optics 1988; 27: 2502-9.        [ Links ]

8. McKenzie RL, Bodeker GE, Keep DJ, Kotkamp M, Evans JH. UV radiation in New Zealand: measured North to South differences, and relationship to other latitudes. Weather and Climate 1996; 16: 17-26.        [ Links ]

 

 

 

Creative Commons License Todo el contenido de esta revista, excepto dónde está identificado, está bajo una Licencia Creative Commons