Thème: L'aléatoire, l'insolite, le prévisible
Sous-Thème: Ethique et responsabilité
Quels sont les effets des ultraviolets sur notre organisme et comment s'en protéger ?
I- Les ultraviolets
A)Le spectre électromagnétique et les radiations
Le rayonnement ultraviolet (UV) provient majoritairement de sources naturelles, comme le Soleil, mais aussi de sources artificielles comme les lasers, les appareils de bronzage, les appareils à souder ou encore la lumière noire.
A environ 150 millions de kilomètres de la Terre, des fusions nucléaires dans le noyau central du Soleil engendrent de l’énergie en très grande quantité. Cette énergie nous parvient sous la forme de radiations électromagnétiques transportées par des photons: des particules indivisibles qui se déplacent à la vitesse de la lumière (c=3,00*10^8 m/s dans le vide).Ces photons peuvent être absorbées ou émises par les atomes. Elles sont caractérisées par une longueur d’onde reliée à la composition et à la température du transmetteur, ici, le Soleil.
Ces radiations sont divisées en différents types décrits dans le spectre électromagnétique (ci-dessous).
La gamme spectrale s’étend par ordre décroissant de longueur d’onde, des ondes radios aux rayons gammas en passant, dans l’ordre, par les micro-ondes, les infrarouge (IR), le domaine du visible, les ultraviolets (UV) et les rayons X.
Les ondes électromagnétiques (ou représentation physique du phénomène de rayonnement) sont aussi caractérisées par leur fréquence.
La longueur d’onde (λ) d’une radiation est liée à sa fréquence (ν) par la relation:
λ=c/ν
avec:
-c, la célérité de la lumière dans le vide, 3,00*10^8 m*s^-1
-λ, la longueur d'onde en mètres
-v, la vitesse en Hertz
La longueur d’onde et la fréquence d’une même radiation sont donc inversement proportionnelles.
Le visible concentre environ 51% des émissions de radiations du Soleil contre environ 48% pour les rayonnements thermiques (IR) et seulement 5% pour les UV et ondes inférieure à 400 nm.
B) L’onde électromagnétique et sa valeur énergétique, l’onde et le photon
L’énergie des photons est inversement proportionnelle à la longueur d’onde qui leur est associée. En effet, l’onde a un caractère ondulatoire c'est-à -dire plus la trajectoire d’une onde est courte, moins celle-ci perd de l’énergie donc plus la fréquence est élevée plus l’énergie transportée est importante. On lie ces deux grandeurs (l‘énergie et la longueur d’onde) par la relation:
E= h*v=(h*c)/λ
avec:
-E, l’énergie en joules J
-h, la constante de Planck, h=6,62607004 × 10^-34 m^2 kg/s
-c, la célérité de la lumière dans le vide
Les UV ayant des longueurs d’ondes plus courtes que celles du domaine du visible (la lumière visible), ceux-ci sont plus énergétiques.
C) La subdivision des UV
Le rayonnement UV est potentiellement nocif pour les êtres vivants du fait de sa haute énergie (supérieure à celle du visible). On subdivise les UV émis par le soleil en trois classes en fonction de leur activité biologique et du pouvoir de pénétration dans la peau humaine.
Les UV-A : 315-400 nm, responsables du bronzage immédiat et du vieillissement de la peau. Ils ont un effet cancérigène, longtemps ignoré, mais aujourd’hui prouvé, qui reste toutefois très inférieur à celui des UV-B.
Les UV-B : 315-280 nm, responsables du bronzage à retardement et des coups de soleil, ils favorisent également le vieillissement de la peau et l'apparition de cancers cutanés.
Les UV-C : 280-200 nm. Ce sont les UV les plus énergétiques et les plus nocifs ; ils sont toutefois totalement filtrés par l’atmosphère. Leur effet germicide est exploité pour stériliser des objets ou l’eau.
D) Interactions des UV avec l’atmosphère
Heureusement pour les êtres vivants, le rayonnement UV arrivant dans l’atmosphère ne se retrouve pas intégralement au niveau du sol. Son interaction avec l’atmosphère est telle qu’il ne subsiste presque plus que des UV-A au niveau du sol (95 à 98%) ainsi que des UV-B en faible proportion (2 à 5%) Le rayonnement transmis par l’atmosphère ne contient plus d’UV-C. Que sont devenus les UV-C ? Ils ont été, de même qu’une fraction importante des UV-B, absorbés par l’ozone présent dans la stratosphère (couche haute de l'atmosphère).
Comme l'a décrit Einstein, le photon qui est associé à chaque longueur d'onde possède une quantité d'énergie qui lui est propre.
Lors d'un changement de niveau d'énergie, l'atome peut émettre ou absorber un photon.
On suppose qu'un atome présente deux niveaux d'énergie : E0 et E0+ΔE, avec ΔE>0. L'atome peut monter du niveau E0 au niveau E0+ΔE en lorsqu'il est percuté par un photon d'énergie ΔE : c'est l'absorption.
Une fois l'énergie de ce photon absorbée (énergie impérativement égale à ΔE), l'atome n'est plus stable, il est dans un état excité. De plus, l'énergie est en rapport direct avec la longueur d'onde (comme nous l'avons expliqué plus haut). Pour que le photon soit absorbé, il doit avoir une longueur d'onde qui vérifie la relation :
λ= h.c/ΔE
avec:
-h, la constante de Planck, h=6,62607004 × 10^-34 m^2 kg/s
-c, la célérité de la lumière dans le vide
-λ, la longueur d'onde en mètre
-ΔE, l'énergie transportée par un photon en joule.
Les UVC et 98% des UVB sont donc caractérisés par des longueurs d'onde absorbées par l'ozone (qui correspondent au changement de niveau d'énergie des atomes d'ozone).
Parallèlement, l'absorption des UV diminue de 10% tout les 1000m d'altitude de part la diminution de l'épaisseur de l'atmosphère.
Les UVA et 2% des UVB qui traversent l'ozone peuvent subir deux phénomènes ; la réflexion et la diffusion.
Quand un rayon frappe une surface et qu'il est renvoyé dans une seule direction, il est réfléchi.
Les rayons UV sont réfléchis par les sols. Tous les sols ne reflètent pas la même quantité d'UV : l'herbe, l'eau et les roches reflètent moins de 10% des UV. Le sable a un pouvoir réfléchissant plus fort, il en réfléchi 10% à 25%. Quant à la neige, son pouvoir réfléchissant est bien supérieur avec 40% à 90% d'UV réfléchis.
On appel ce pouvoir réfléchissant l'albédo : c'est le rapport entre l'énergie réfléchie et l'énergie du rayon incident. Plus l'objet apparaît blanc, plus son albédo est élevé.
Quand un rayon frappe une surface ou pénètre dans un milieu empli de fines particules (à l'exemple des gouttelettes d'eau, du brouillard, des nuages, des molécules de gaz...) et qu'il est renvoyé dans toutes les directions, il est diffusé.
Plus la longueur d'onde d'un rayon lumineux est courte, plus celui-ci est diffusée ce qui explique que nous percevons le ciel comme bleu (qui possède la plus petite longueur d'onde du visible) et que beaucoup d'UV soit diffusés par l'atmosphère.
Bien que sur Terre les UVC (les plus ionisant et les plus dangereux) ne soit pas présent, les UVA et les UVB ont tout de même de nombreux effets sur notre organisme.