TARTU ÜLIKOOL Loodus- ja tehnoloogiateaduskond Marge Parek D-VITAMIINI SÜNTEESIVA ULTRAVIOLETTKIIRGUSE VARIEERUVUS TARTU- TÕRAVERE METEOROLOOGIAJAAMAS Bakalaureusetöö keskkonnatehnoloogia erialal Juhendaja: Ph.D. K. Eerme Tartu 2009
SISUKORD 1. SISSEJUHATUS... 3 2. ÜLEVAADE KIRJANDUSE PÕHJAL... 4 2.1. D-VITAMIINI TALV EESTIS... 4 2.2. UV-KIIRGUSE KÄTTESAADAVUST MÕJUTAVAD TEGURID... 6 2.3. UV-KIIRGUSE KÄTTESAADAVUS ENNE JA PÄRAST D-VITAMIINI TALVE... 7 3. MÕÕTMISED JA TAUSTAANDMED... 10 3.1. MÕÕTMISANDMED...10 3.2. TAUSTAANDMETE VALIK...11 4. TULEMUSED JA ANALÜÜS... 14 4.1. D-VITAMIINI SÜNTEES PILVITUL AASTAL...14 4.2. D-VITAMIINI SÜNTEES PILVES AASTAL...16 5. KOKKUVÕTE... 18 6. KIRJANDUSE LOETELU... 20 SUMMARY... 22 LISAD... 23 2
1. SISSEJUHATUS Mitmed päikesekiirguse alased statistilised uuringud on aastakümneid tagasi tõestanud positiivset seost ultraviolettkiirguse (UV-kiirguse) ja nahavähi tekke vahel ning seetõttu hoiatatakse inimesi liigse päikesekiirguse eest. Vähem levinud on aga teadmised ultraviolettkiirguse kasulikest toimetest. Enamikus ühiskonnagruppides on UV-kiirguse poolt inimnahas sünteesitav D-vitamiin selle bioaktiivse aine efektiivseimaks allikaks organismis. D-vitamiini puudus on ülemaailmselt muutumas järjest tõsisemaks probleemiks seetõttu, et inimeste toitumisharjumused on muutunud ning ei viibita piisavalt päikese käes. Liiga väikesed UV-kiirguse doosid võivad soodustada mitmete haiguste tekkimist, nagu osteoporoos [1], suhkruhaigus, reumaatiline artriit, hulgikoldeline skleroos [2], mitmed vähi vormid [3] jpm. Ameerika Ühendriikide kohta tehtud uuring näitab isegi, et D-vitamiini defitsiidist tingitud juhtumite tekitatud summaarne kahju on osutunud koguni 7-8 korda suuremaks ülemäärasest päevitamisest põhjustatud vähijuhtumite omast [4]. Lühilainelist UV-B kiirgust efektiivse lainepikkusega 297 nm ümbruses nimetatakse vahel teisisõnu antirahhiitiliseks kiirguseks, rõhutades seost D-vitamiini sünteesiga [5]. D-vitamiini süntees naha pindmises kihis toimub vaid siis, kui kiiritustihedus ületab teatud läviväärtust. Laiuskraadidel üle 50 esineb talviti periood, mil UV-B kiirguse tase ei küüni ka pilvitu ilma korral vitamiin D sünteesiks vajaliku läveni [6]. Sellest tulenevalt nimetatakse vastavat perioodi D-vitamiini talveks. D-vitamiini süntees ei sõltu siiski mitte ainult geograafilisest laiusest ja aastaajast, vaid ka teistest parameetritest sealhulgas peamiselt osoonist, pilvisusest, õhu aerosoolisisaldusest, aluspinna peegeldumisvõimest ja asukoha kõrgusest üle merepinna [6]. Nende muutujate varieeruvus määrab seega D-vitamiini talve kestvuse ja D-vitamiini kättesaadavuse. Käesoleva töö sisuks on vitamiin D sünteesiks vajaliku läve ületava kiirguse saamise võimaliku ajalise kestuse uurimine eri aastaaegadel Tartu-Tõravere meteoroloogiajaamas UV-kiirguse lainepikkusel 306 nm tehtud mõõtmiste andmete põhjal. 3
2. ÜLEVAADE KIRJANDUSE PÕHJAL 2.1. D-VITAMIINI TALV EESTIS Liiga madala UV-kiirguse taseme kahjulikkust tervisele märgati 20. sajandi algusaastatel, mil piirkonniti esinevaid laste rahhiidi juhtumeid hakati seostama tööstusliku keskkonnareostusega, mis takistas UV-kiirguse jõudmist maapinnani [7]. Teaduses hakati esmakordselt UV-kiirguse D-vitamiini sünteesivale ja seega vähivastasele rollile tähelepanu pöörama alles 1980. a paiku [8]. Pärast Antarktika osooniaugu avastamist 1985. a. ja selle tekkemehhanismi selgitamist 1987. a. kaldus UVkiirguse toimete uurimine jällegi liigselt tema kahjulikele efektidele, kuna oli karta kiiritustiheduse suurenemist stratosfääri osoonikihi hõrenemise tõttu. Käesoleval ajal on UV-kiirguse füsioloogiliste ja muude toimete uurimine saamas järjest aktuaalsemaks. [8] Eesti kiirgusmõõtmiste põhivara asub Tartu-Tõravere Meteoroloogiajaamas. Päikesekiirguse mõõtmised on seal välja arendatud Tartu Observatooriumi teaduslikul juhendamisel ja toimuvad 1950date aastate algusest. Sealsete pikaajaliste mõõtmiste andmetel osutuvad Päikese integraalse kiirguse ja ka UV-kiirguse võimalikud doosid meie ilmastikuoludes aastate lõikes üsna stabiilseteks ajal, mil koguneb nende põhiline osa, st suvisel poolaastal. Ajavahemikus kevadisest pööripäevast kuni sügisese pööripäevani saabub maapinnale keskmiselt 80% aastasest integraalse kiirguse ja 90% aastasest erüteemse kiirguse doosist [8]. Erüteemne kiirgus on lainepikkuste järgi kaalutud toimega UV-kiirgus, mis tekitab naha punetust ja mille horisontaalsele ühikulisele pinnale langeva võimsuse hetkväärtusi avaldatakse UV-indeksina. UVindeksi ühikuks on 25 mw m -2 üle erüteemse kiirguse tundlikkusfunktsiooni integreeritud kiirgusvõimsust. Peale suplementide võtmise, saab inimene D-vitamiini omastada kas nahas toimuva sünteesi kaudu, kui see on paljastatud UV-kiirgusele, või ka mõnedest toiduainetest nagu rasvased kalad, kalamaksaõli, munakollased, D-vitamiiniga rikastatud või, margariin või teised piimatooted [6]. Eestis pole siiani D-vitamiiniga toiduainete rikastamine tavaks 4
saanud, nagu mõnedes teistes põhjamaades. Toidulisandite tarbimise puhul on aga oht üle doseerida, mis pole samuti tervislik. Seega on turvaline, kui D-vitamiini sünteesi põhiosa jääb siiski päikesekiirguse kanda. UV-kiirgusest indutseeritud D-vitamiini süntees saab aga toimuda vaid siis, kui kiirgus ületab teatud läviväärtuse. Selleks väärtuseks on varasemates uuringutes üle D-vitamiini sünteesi mõjuspektri määratud integraalne kiiritusvõimsus, millele lainepikkusel 306 nm on vastavuses kiiritustihedus 1 mw m - 2 nm -1 [9]. Kui UV-indeks on seotud efektiivse erüteemse kiiritustiheduse skaalaga ja tema väärtused ei sõltu nahatüübist, siis D-vitamiini sünteesiks tarvilik ületatav läveväärtus sõltub naha pigmenteerumisastmest. Eelpool toodud läveväärtus kehtib meie laiuskraadide asukate heleda naha puhul. Tumedanahaliste inimeste nahas rohkelt leiduv pigment melaniin kaitseb nahka UV-kiirguse eest ning neil on seetõttu vajaliku koguse D-vitamiini sünteesiks tarvis suuremaid doose UV-kiirgust. Ületades läveväärtuse, fotolüüsib päikesespektri see osa, mis jääb UV-B alasse (290-315 nm), 7-dehüdrokolesterooli inimnahas previtamiin D 3 -ks ning see omakorda konverteeritakse läbi termaalse protsessi provitamiin D 3 -ks [10]. Provitamiin D 3 sünteesi fotokeemiline reaktsioon toimub maksimaalse efektiivsusega lainepikkuse 297 nm juures [9]. Suhteliselt kõrgelt käiva Päikese korral on D-vitamiini sünteesiva kiirguse doosid garanteeritud iga päev. D-vitamiini talvel seevastu jääb UV-kiirguse kiiritustihedus igasuguse ilma korral alla D-vitamiini sünteesiks vajaliku taseme. Pilvitu ilma ja normaalse klimaatilise osooni tingimustes kestab siinne D-vitamiini talv 100-105 päeva, alates keskmiselt 6. novembril, mil keskpäevane Päikese kõrgus on 16,5 ning lõppedes 19. veebruaril Päikese kõrgusega 21,5.[9] Nihe talvise pööripäeva suhtes on ligi kaks nädalat. Erinevus Päikese kõrguse läveväärtuste vahel tuleneb klimaatilise osooni aastase käigu eripärast kuna pikaajaliselt silutud keskmine osooni tase on maksimumis kevadel ning miinimumis sügisel [9] ning osoonil on UV-B kiirgusele tugevalt neelav mõju. Joonisel 1 on toodud osoonikihi keskmise paksuse aastane graafik Tõraveres1979-2009 a mõõdetud andmete põhjal. Informatsiooni õige edastamise seisukohalt peab märkima, et arhiivis on tühimik 1994.-1995. a kohta, kui tavapärased osooni mõõtmise 5
instrumendid orbiidil toimisid ebastabiilselt ega andnud tihti usaldusväärseid tulemusi. Päikesepaisteliste ilmadega tehti sel ajal Tõraveres maapealseid osooni koguhulga vaatlusi [11]. Pilves ilmade kohta andmeid ei ole. 450 400 350 osooni koguhulk (DU) 300 250 200 150 100 50 0 1 32 61 92 122 153 183 214 245 275 306 336 päevad aasta algusest Joonis1. Osooni koguhulga keskmine aastane käik Tõraveres (1979-2009) 2.2. UV-KIIRGUSE KÄTTESAADAVUST MÕJUTAVAD TEGURID D-vitamiini sünteesiva kiirguse kättesaadavuse võtmefaktoriks piisava Päikese kõrguse ning vähese pilvisuse perioodil ongi peamiselt osoon. Lisaks mõjutavad veel ka aerosooli hulk õhus, aluspinna peegeldumisvõime ja kõrgus merepinnast. Kuna osoonil on UV-B kiirgusele tugevalt neelav mõju võivad väga ekstreemsed osooni tasemed (500 DU/100 DU) globaalses skaalas vähendada/suurendada D- 6
vitamiini talve esinemise laiuskraadi umbes 10 kraadi võrra ning pikendada/lühendada selle kestvust umbes 2 kuu võrra. [6] Eesti tingimustes esinevad suurimad osooni kõikumised veebruaris. Selle kuu ekstreemseimad näitajad Tõraveres on olnud 190 DU ja 548 DU, mis on ligikaudu ±50% võrreldes selle ajaperioodi klimaatilise osooniga. Kuna osooni sisaldus atmosfääris on võtmefaktor, võib spektraalse kiirguse väärtus ületada D- vitamiini sünteesiks vajaliku läve mitmeid päevi enne või pärast traditsioonilise Dvitamiini talve algust. Näiteks 2005. aastal registreeriti üle läveväärtuse küündivaid väikeseid doose juba 4. ja 5. veebruaril, mil ilm oli selge ja atmosfääri läbipaistvus hea ning osooni tase oli alla 25% klimaatilisest väärtusest. [9] Atmosfääri aerosoolid samuti nõrgendavad maapinnani jõudvat UV-B kiirgust, teisalt olenevalt aluspinna peegeldumisest võib UV-B kiirgus võimenduda. Lumikate või hägune atmosfäär võivad muuta D-vitamiini talve esinemise laiuskraadi paari ühiku võrra ja D-vitamiini sünteesi perioodi 1-2 nädala võrra. Teoreetiline maapinna tõstmine 3000 m võrra annaks kiirguse võimendumisel sama efekti kui maapind merepinna kõrgusel oleks kaetud lumega. [6] Pilvedel on üldiselt nõrgendav toime UV-B kiirgusele. Tihe pilvisus on võimeline vähendama maapinna kiirgustaset kuni 1 %-ni võrreldes selge pilvitu ilma tasemega. Isegi mõningad hajusad pilved horisondil võivad märgatavalt vähendada UV-kiirguse taset. D-vitamiini süntees inimnahas võib ka ekvaatoril täielikult seiskuda, kui tegemist on väga tiheda pilvisusega st veesisaldusega atmosfääri vertikaalses sambas 2700 g m -2 või rohkem. Geograafilisel laiusel 70 kraadi peatub D-vitamiini süntees isegi kesksuvisel ajal, kui pilvede veesisaldus ületab 1500 g m -2. [6] 2.3. UV-KIIRGUSE KÄTTESAADAVUS ENNE JA PÄRAST D- VITAMIINI TALVE D-vitamiini produtseeriva kiirguse inimesele kättesaadav doos üleminekuperioodidel ( D-vitamiini talvest suveni ja vastupidi) sõltub peamiselt pilvkattest ja atmosfääri osooni koguhulgast. Atmosfääri läbipaistvus avaldab vähem mõju. Lumikatte 7
peegeldustegur võib värske lume korral küündida kuni 90 %-ni. Rohelistel taimedel on see kõigest 2 %. Üleminekuperioodid on ligikaudu ühe kuu pikkused ajavahemikud kevadel ja sügisel, mil D-vitamiini sünteesi läviväärtus tavaliselt ületatakse, ent see ei pruugi juhtuda selleks ebasoodsate ilmastikutingimuste või osooni korral. Lähtuvalt kirjanduse allikast [8], on üleminekuperiood kevadel 20. veebruarist 31. märtsini ning sügisel 28. septembrist kuni 5. novembrini. Selline tulemus saadi konstrueerides nn 306 nm lainepikkusega kiirguse doosi ideaalne aastane tsükkel lähtudes 2002-2005 aasta andmetest. Töös [9] on kasutusele võetud D-vitamiini sünteesi indeks, mis esindaks nii pilvisuse kui ka atmosfääri osooni mõju UV-kiirguse kättesaadavusele. Sisse toodud indeks võimaldab määrata D-vitamiini sünteesi võimalikkust mineviku aastatel, kui lühilainelise UV-kiirguse mõõtmisi veel ei toimunud. D-vitamiini sünteesi indeksi läveväärtus muutub koos päikese keskpäevase tõusuga peaaegu lineaarselt. Üleminekuperioodide pikkused valiti lähtuvalt kõige madalamatest võimalikest läveväärtustest. Varaseim reaalne kuupäev talvisest perioodist lähtudes, mil D-vitamiini sünteesiv kiirgus polnud kättesaadav, oli 7. oktoober ning hiliseim 23. märts. [9] D-vitamiini sünteesiv kiirgus oli üleminekuperioodidel kättesaadav päevadel, mil esines sagedasti keskpäevaseid päikeselisi episoode ning osooni tase oli keskmisest madalam võrreldes selle päeva klimaatilise osooni tasemega. Selline olukord esineb tavaliselt atmosfääri kõrgrõhkkonna tingimustes, kui koguosoon ongi enamasti alla oma klimaatilise väärtuse. [9] Mõnikord võivad ka D-vitamiini talve viimase kahe nädala jooksul saadaval olla väikesed doosid D-vitamiini sünteesivat kiirgust, seda juhul kui osooni koguhulk atmosfääris juhtub olema väga madal. Esimesed 10 päeva peale tavapärase D-vitamiini talve lõppu ilmutasid siiski suuri aastatevahelisi erinevusi nende päevade arvus, kui vastav doos oli saadaval, kõikudes ühest kümneni. Keskmine päevane doos oli kevadperioodil 0.81 ning sügisperioodil 0.71 klimaatiliselt vastava pilvitu päeva väärtusest. Dooside muutlikkus on suurem kevadel, väiksem sügisel. [9] Suveperiood kestab allika [9] alusel 1. aprillist 27. septembrini. 306 nm lainepikkusega kiirguse päevadoosi tõenäosustihedus oli sel perioodil lähedane normaaljaotusele. Klimaatiliselt vastavate pilvitute päevade doosid kõikusid 0.055-st 8
kuni 1.45-ni ning keskmine ning mediaan olid mõlemad ca 0.72. [9] Juhtudel, kui uuritav suurus muutub väga laias diapasoonis või jaotub väga asümmeetriliselt, ei ole tavaline keskväärtus talle kuigi heaks iseloomustajaks [12]. 9
3. MÕÕTMISED JA TAUSTAANDMED 3.1. MÕÕTMISANDMED Antud töö koostamisel on kasutatud Tartu-Tõravere Meteoroloogiajaamas (58,3 pl, 26,5 ip, 70 m üle merepinna) mõõdetud kiirguse ja ilma andmeid. UV-B kitsasriba mõõtmisi 306 nm lainepikkusel alustati jaamas 2002. aasta veebruaris [13]. Kuna tehniliselt ei ole võimalik ehitada teravapiiriliselt kiirguse UV-A ja UV-B piirkondi eraldavaid tajureid, siis tehakse mõõtmisi laia- või kitsasribaliste sensoritega nende piirkondade sees. Tõraveres mõõdetakse UV-B kiirgust Kipp&Zoneni firma sensoriga CUVB1, mille spektraalse tundlikkuse maksimum asub lainepikkusel 306 nm ja riba laius 50 % tundlikkuse tasemel on 2 nm. [14]. D-vitamiini produtseeritakse nahas küll maksimaalse efektiivsusega lainepikkusel 297 nm, kuid eeldatakse, et spektraalsed kiiritustihedused lainepikkustega 306 nm ja 297 on käituvad sarnaselt ja on omavahel proportsionaalsed [9]. Kiiritustihedus lainepikkusel 305 või 306 nm iseloomustab hästi kogu UV-B kiirgusvoogu. Tõraveres alates 2002. aastast tehtud mõõtmiste andmetest määratud korrelatsioonikordaja 306 nm kiiritustiheduse ja kogu vahemiku 290-315 nm kiiritustiheduse vahel oli ligi 0.99. [11] Sensoriga CUVB1 mõõdetud kiiritustiheduse andmed salvestatakse meteoroloogiajaamas üheminutilise ajalise lahutusega. Päevasummad avaldatakse ühikutes J m -2 nm -1 ja on integreeritud arvestades kõiki päeva jooksul mõõdetud väärtusi. Spektraalse kiiritustiheduse hetkväärtused avaldatakse ühikutes mw m -2 nm -1. Lisaks spektraalse kiiritustiheduse hetkväärtustele ja päevasummadele oli autoril kasutada ka muid atmosfääri karakteristikute andmeid, mis suures osas on kättesaadavad alates 1955. aastast. Nende hulka kuuluvad integraalse otse- ja hajuskiirguse päevasummad, päevase päikesepaiste kestus tundides, registreeritud erüteemse kiirguse päevasumma ning pilvede vaatlusandmed. Samuti, nagu mainitud, andmed osooni ning 10
306 nm kiiritustiheduse päevadoosi kohta, aerosooli optiline paksus nii integraalses kiirguses kui ka üksikutel lainepikkustel, lume esinemise või mitteesinemise märge, erüteemse, integraalse otsekiirguse ja summaarse kiirguse selge ilma normaalväärtused, päeva pikkus ning suhted, kui palju võimalikust neid kiirgusi ja päikesepaistet igal päeval oli. 3.2. TAUSTAANDMETE VALIK Kättesaadavate andmete põhjal koostas autor empiiriliselt aastatest 2002-2007 nn ideaalse, võimalikult vähese pilvisusega aasta. Konstrueeritud teoreetilisse aastasse sai kokku 83 päeva, mille kogupilvisus päeva jooksul oli keskmiselt 1 pall või alla selle. Selliste päevade aasta keskmine pilvisus oli 0.6 palli. Erandina on uues ideaalses aastas siiski ca 15 päeva, kus pilvisus oli üle ühe (kuni 3), kuna eesmärk oli saada võimalikult ühtlane, ilma pikemaajaliste aukudeta päevade jada. Päevad suurema pilvisusega kui üks pall langesid suuremalt jaolt (70%) sügis- ning talvekuudesse, mil ilmad on tihtipeale sajused või lihtsalt pilves. Tulemuseks saadi seega aasta, mille igas kuus on 6 kuni 9 päeva, vastavalt pilvitute ilmade esinemistihedusele. Pikim järjestikune ajaline auk on 10-päevase kestusega ja see asetseb novembris. Keskmine ajaline tühik päevade vahel on 3,4 päeva. Tihedamalt on sattunud päevi kevad- ja suvekuudesse, mil taevas on üldiselt selgem. Pilvitu aastase tsükli päevade valikul pidas autor silmas ka osooni väärtusi, et kõrvalekalded osooni keskmise aastase käigu kõverast kummalegi poole oleks omavahel tasakaalus st. nende summa kuu piirides oleks nulli lähedal. Valitud päevade keskmine osooni tase on 311,8 DU, miinimum 223 DU ning maksimum 428 DU. Atmosfääri optilise tiheduse samad statistikud on vastavalt 0.078 m 2, 0.001 m 2 ja 0.388 m 2. Konstrueeritud pilvitu aasta osooni käik ning D-vitamiini sünteesiva kiirguse päevase kestuse kõver tundides on toodud joonisel 2. 11
450 400 350 300 14,00 12,00 10,00 osoon tunnid Polünoom (tunnid) Polünoom (osoon) osoon, DU 250 200 8,00 6,00 tunnid 150 4,00 100 50 2,00 0 0,00 2.jaan 18.jaan 5.veebr 15.veebr 24.veebr 11.märts 24.märts 7.apr 18.apr 30.apr 9.mai 27.mai 8.juuni 19.juuni 3.juuli 15.juuli 31.juuli 9.aug 24.aug 3.sept 14.sept 26.sept 10.okt 26.okt 3.nov 23.nov 14.dets 20.dets päevad aastas Joonis 2. D-vitamiini sünteesiva kiirguse kestuse ning osooni graafikud koos neid modelleerivate kuuenda astme polünoomidega teoreetilisel pilvitul aastal. Graafik demonstreerib visuaalselt hästi D-vitamiini sünteesi ja osooni taseme pöördvõrdelist seost: mida kõrgem keskmisest on osooni tase, seda vähem keskmisest toimub samal ajal D-vitamiini sünteesi. Võrreldes varem publitseeritud Tõravere osooni klimaatilise aastase käiguga [11] on siin vaadeldud aastatel osooni koguhulgad aasta alguses märgatavalt väiksemad ja seetõttu ületab ka D-vitamiini sünteesiv kiirgus läve varem kui see on töös [9]. Pilvisuse mõju hindamiseks koostas autor ka teoreetilise pilves aastase tsükli. See koosneb aastate 2003-2007 hulgast valitud 22 päevast, mille kogupilvisus on 9-10 palli. Päevade valikut limiteeris atmosfääriosooni aastase käigu jälgimine, et võimalikult minimaalseks viia kõrvalekaldeid keskmisest, pilvitu aasta osooni käigust. Pilvise aasta osooni käik ning D-vitamiini sünteesiva kiirguse kestus on toodud joonisel 3. 12
400 12 350 300 10 osoon tunnid osoon, DU 250 200 8 6 tunnid Polünoom (tunnid) Polünoom (osoon) 150 4 100 50 2 0 0 15.jaan 29.jaan 12.veebr 26.veebr 11.märts 25.märts 8.apr 22.apr 6.mai 20.mai 3.juuni 17.juuni 1.juuli 15.juuli 29.juuli 12.aug 26.aug 9.sept 23.sept 7.okt 21.okt 4.nov 18.nov 2.dets 16.dets päevad aastas Joonis 3. D-vitamiini sünteesiva kiirguse kestuse ning osooni graafikud koos neid modelleerivate kuuenda astme polünoomidega teoreetilisel pilves aastal. Pilvisesse aastasse valitud päevade hulgas on ka neid, mil taevas oli kaetud paksemate kiudpilvedega, millest UV-kiirgus üpris hästi läbi tuleb. Erinevat tüüpi lauspilvisuse jaoks eraldi ei olnud võimalik sarnaseid graafikuid koostada. Seepärast on saadud päevade jada ja joonestatud graafik vaid umbkaudseks võrdlemiseks pilvitu aasta graafikuga. 13
4. TULEMUSED JA ANALÜÜS 4.1. D-VITAMIINI SÜNTEES PILVITUL AASTAL Antud töö raames olemasolevate mõõtmisandmete alusel koostatud aastane tsükkel näitab, et aastaringse võimalikult selge taeva korral kestab D-vitamiini talv Tõraveres vaatlusaluses aastate vahemikus ligikaudu 87 päeva, ca 4. novembrist kuni ca 29. jaanuarini. (Päikese keskpäevased kõrgused on nendel kuupäevadel vastavalt 16,1 ja 13,7.) Sel perioodil inimnahas D-vitamiini ei sünteesita. D-vitamiini sünteesiks vajalik lävi ületatakse kindlasti 9. veebruarist 2. novembrini (päikese maksimaalsed kõrgused vastavalt 17,1 ja 16,8 ), s.o. 267 päeval aastast. Seega, enne ja pärast D-vitamiini talve on kokku 11 päeva, mil võidi D-vitamiini sünteesiks vajalik lävi ületada või ka mitte. Kõige olulisem määraja 11-päevasel üleminekuperioodil on osoon. UV-B kiiritustihedus on väga tundlik osooni koguhulga suhtes, mis kevadel muutub amplituudiga maksimaalselt kuni ±50% ja sügisel kuni ±30% [5]. Väga kõrge osooni sisalduse korral ei pruugi UV-kiirgus ületada vitamiini sünteesiks vajalikku läve, kuigi nn konventsionaalne D-vitamiini talv on lõppenud. (vt. 7. veebruar, tabel 1) Eeldades, et UV-kiirguse kiiritustihedus on korrelatsioonis Päikese keskpäevase kõrgusnurga aastase käiguga, koostas autor sujuva kõvera, mis iseloomustaks D- vitamiini sünteesi kõige paremini arvestades etteantud võrdlemisi hajusaid punkte. Saadud lähendusmudeliks osutus 2. järku polünoom, mis lõikub x-teljega punktides 29. jaanuar ja 16. november. Päikese aastane käik ning mainitud polünoom on toodud joonisel 4. Trendijoone usaldusväärsust näitab trendijoone kordaja väärtusega 0,96, mis on üpris ligilähedane 1-le, osutades seega trendijoone väärtuste lähedusele tegelikele andmetele. 14
D-vitamiini süntees,h 15 10 y = -0,0006x 2 + 0,1996x - 5,5 R 2 = 0,9646 Päikese kõrgus, kraadi Polünoom (D-vitamiini süntees,h) 60 50 D-vitamiini süntees, h 5 0-5 1.jaan 16.jaan 31.jaan 15.veebr 1.märts 16.märts 31.märts 15.apr 30.apr 15.mai 30.mai 14.juuni 29.juuni 14.juuli 29.juuli 13.aug 28.aug 12.sept 27.sept 12.okt 27.okt 11.nov 26.nov 11.dets 26.dets 40 30 20 10 Päikese kõrgus, kraadi -10 Päevad aastas 0 Joonis 4. Päikese kõrguse aastane käik ning pilvitu aasta D-vitamiini sünteesiva kiirguse kestuse graafik koos seda iseloomustava 2. järku polünoomi, selle valemi ning kirjeldusvõimega. Graafiliselt silumise meetodil saadud kevadine ülemineku kuupäev, 29. jaanuar, ühtib empiiriliselt leitud kuupäevaga. Sügisesed ülemineku kuupäevad seevastu erinevad. Tegelike andmete põhjal lõpeb D-vitamiini süntees 12 päeva varem, 4. novembril. Siinkohal tuleb märkida, et novembrisse valitud päevade pilvisused juhtuvad olema suuremad kui 1 pall, välja arvatud ühe erandiga, sedagi kuu alguses. Novembrikuule iseloomuliku ilma tõttu on selle kuu tarvis pilvitu aasta koostamisel selgete päevade arv praktiliselt 0 ning ka väikese pilvisusega päevade arv on limiteeritud. Seega UV-kiirgust jõuab maapinnani vastavalt vähemal määral ning võib järeldada, et reaalselt lakkabki D- vitamiini süntees inimnahas selle tõttu varem, kui see juhtuks pilvitu ilma parameetrite korral. Joonisel 4 on märgata nihet Päikese kõrguse graafiku ning D-vitamiini sünteesi graafiku sümmeetrias. Nihke võib taaskord panna fakti arvele, et kevadperioodil on reeglina osooni koguhulgad suuremad kui sügisperioodil (vt. joonis 1). 15
4.2. D-VITAMIINI SÜNTEES PILVES AASTAL Lauspilves aasta korral kestab D-vitamiini talv vähemalt 28. oktoobrist 25. veebruarini (s.o. 121 päeva), D-vitamiini sünteesi periood on 8. märtsist 17. oktoobrini (224 päeva) ning D-vitamiini sünteesimine on määramata kokku 20 päeval enne ja pärast D-vitamiini talve (tabel 2). Valitud päevade arvu vähesuse tõttu ei ole otstarbekas määrata täpseid ülemineku kuupäevi, kuna juhuslikkus võib mängida liiga suurt rolli ja määramatus on väga suur. Võttes aluseks tulemuse, et pilvitul aastal kestab D-vitamiini süntees keskmiselt 7.0 ja pilvisel aastal 5.8 tundi päevas, siis võib jämedalt arvestades öelda, et pilvitul aastal on integraalselt võimalik sünteesida 20% võrra rohkem D-vitamiini. Selline arvutus on aga kindlasti väga umbmäärane ja vahet ei saa automaatselt ainult pilvede arvele panna, kuna ka atmosfääri aerosool mängib UV-kiirguse nõrgenemisel mõningat rolli. Aerosooli optilise paksuse mõju jälgimine maapinnani jõudvale UV-kiirgusele on antud töö puhul aga veidi raskendatud, kuna optilise paksuse andmestik on suuresti auklik. Samuti pole see ka omaette eesmärk. Tühimikud andmetes tekivad seetõttu, et aerosooli optilist paksust saab mõõta ainult siis kui päikeseketas ei ole pilvedega kaetud. Joonistelt 2 ja 3 on näha, et D-vitamiini sünteesi kestus pilvitu aasta suvel võib küündida kuni 12 tunnini päevas, pilves aastal seevastu küündib D-vitamiini sünteesi järjestikune ajaline kestus veidi üle 10 tunni. Seega selge ilma korral esineb bioloogiliselt efektiivset kiirgust maksimaalselt paar tundi kauem võrreldes sellega, kui taevas on lauspilves. Ekstremaalselt paksude pilvede korral võib vahe olla muidugi märksa suurem. Graafilist kujutist pilvise ja pilvitu aasta D-vitamiini sünteesi võrdlusest näitab joonis 5. 16
14,00 12,00 pilvitu aasta pilves aasta 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 1.jaan 1.veebr 1.märts 1.apr 1.mai 1.juuni 1.juuli 1.aug 1.sept 1.okt 1.nov 1.dets D-vitamiini süntees, h päev aastas Joonis 5. Pilvitu ja pilves aasta D-vitamiini sünteesi ajalise kestuse võrdlus. Internetis on huvilistel võimalik Norra töögrupi [6] poolt välja töötatud programmi [15] abil välja arvutada inimnahas D-vitamiini sünteesiva kiirguse kestus soovitud päeval. Valida tuleb ka konkreetne geograafiline asukoht, pilvisuse tase koos võimaliku veesisaldusega, atmosfääriosoon ning aluspinna tüüp või selle albeedo. Võrdluseks käesoleva töö tulemustega: Tartu-Tõraveres pilvitu ilma korral, kui nähtavus on 25 km, kestab D-vitamiini talv 8. novembrist 18. veebruarini. Pilves ilmaga, kui pilvede veesisaldus on 400 g m -2, kestab vastav periood 8. oktoobrist 27. märtsini. Mõlemal puhul on aluspinnaks valitud kuiv põllumaa. Juhul, kui aluspind on sellest erinev, näiteks kõrge albeedoga värske lumi, nihkuvad D-vitamiini sünteesi alguse ja lõpu kuupäevad kuni kümmekond päeva. Sellest ka mõningane erinevus antud töö tulemustega, sest siin pole aluspinna tüüpi ega peegeldusvõimet arvesse võetud. 17
5. KOKKUVÕTE Nagu eelpool täiesti pilves aastase graafiku alusel näidatud, on D-vitamiini süntees eesti inimesele garanteeritud perioodil 8. märtsist 17. oktoobrini (224 päeva). Päikese maksimaalsed kõrgused on siis vastavalt 26,7º ja 22,2º. Ka kõige optimistlikuma stsenaariumi ehk selge taevaga aasta korral lakkab D-vitamiini süntees talveperioodil kindlasti umbes 87-ks päevaks 4. novembrist 29. jaanuarini. Päikese maksimaalne keskpäevane kõrgus jääb siis D-vitamiini sünteesiks liiga madalaks (kuni 16,37º) ning klimaatilise osooni tingimustes UV-kiirgus liiga nõrgaks. Käesoleva töö tulemuste järgi on ajavahemikel 30. jaanuarist kuni 7. märtsini (37 päeva) ning 18. oktoobrist kuni 3. novembrini (17 päeva) D-vitamiini süntees küsimärgi all. Nendel perioodidel on suuresti otsustavaks faktoriks osoonikihi paksuse kõrvalekalded klimaatilisest keskmisest. Erinevalt antud töös esitatud peaaegu pilvitu aasta spekulatsioonist ei ole selline kliima ja ilmastik reaalselt võimalik. Samuti ei esine meie laiuskraadil terve aasta pikkust tsüklit, kus taevas oleks pidevalt pilvedega kaetud. Reaalne olukord jääb ilmselgelt nende kahe ekstreemumi vahele. Aastane keskmine pilvisus on ca 7-8 palli, olles suveperioodil enamasti alla selle, kuid kevad-, sügis-, ja suures osas ka talveperioodil üle 7. Antud töö raames saadud aastaste tsüklite koostamisel pole arvestatud vähemtähtsate tegurite nagu aerosooli optiline tihedus, lumikate vm mõjuga, mis on registreeritud mõõtmistulemusi tõenäoliselt veidi ühele või teisele poole kallutanud. Selliste sekundaarsete mõjutegurite täpne osakaal D-vitamiini sünteesiva kiirguse kättesaadavusele on kindlaks tegemata, kuid võib arvata, et teatud olude kokkulangevusel võib mõõdetava suuruse väärtus keskmisest suhteliselt kaugele sattuda ning täpse lõpptulemuse saamisel eksitavaks osutuda. Nende tegurite mõju elimineerimine nn normaaltingimustega aasta konstrueerimiseks oleks käesolevast töömahukam ülesanne. Eelpoolt toodud kuupäevad on kindlasti väga ligikaudsed. Aastased nii pilvitu kui ka pilves ilma tsüklid on konstrueeritud vaid kuue aasta mõõtmiste põhjal. Samuti pole need pidevad ega korrapärased andmete jadad. On selge, et mida suurem oleks mõõdetud kiirgusparameetritega aastate arv, seda usaldusväärsem oleks tulemus. 18
Kuna Eestis resideeruvale inimesele on D-vitamiini kättesaadavus talveperioodil teatud ajavahemikus limiteeritud, tuleks defitsiit kompenseerida kas toidulisandite abil või toidusedeli rikastamise kaudu D-vitamiini sisaldavate toiduainetega. Ajal, mil UV-B kiirguse kättesaadavus pole takistatud, piisab Eesti laiuskraadidel heleda nahatüübiga inimesel vajaliku koguse vitamiin D sünteesimiseks, kui 2-3 korda nädalas viibitakse katmata näo ja kätega umbes 15 minutit väljas. D-vitamiini sünteesiks piisab veerandist kuni poolest päikesepõletust tekitavast doosist [5]. 19
6. KIRJANDUSE LOETELU 1. Dawson-Hughes, B., R. P. Heaney, M.F. Holick, P. Lips, P. J. Meunier and R. Vieth (2005) Estimates of optimal vitamin D status. Osteoporos. Int. 16, 713-716. 2. Ponsoby, A-L., R. M. Lucas and I. A. F. Van der Mei (2005) UVR, vitamin D and three autoimmune diseases multiple sclerosis, type 1 diabetes, rheumatoid arthritis. Photochemistry and Photobiology, 81, 1267-1275. 3. Berwick, M. and D. Kesler (2005) Ultraviolet radiation exposure, vitamin D and cancer. Photochem. Photobiol. 81, 1261-1266. 4. Grant W. B., C. F. Garland and M. F. Holick (2005) Comparisons of estimated economic burden die to insufficient solar ultraviolet irradiance and vitamin D and excess solar UV irradiance in the United States. Photochem. Photobiol. 81, 1276-1286. 5. Eerme, K., M., Vaht, U. Veismann (2007) Päikese ultraviolettkiirgus Eestis: mõõtmine, sõltuvus ja mõju. Eesti arst 2007:86 (5),322-328. 6. Engelsen, O., M. Brutstad, L. Aksnes and E. Lund (2005) Daily duration of vitamin D synthesis in human skin with relation to latitude, total ozone, altitude, ground cover and cloud thickness. Photochem. Photobiol. 81. 1287-1290. 7. Moon, S. J., A. A. Fryer and R. C. Strange (2005) Ultraviolet radiation, vitamin D and risk of prostate cancer and other diseases. Photochem. Photobiol. 81, 1252-1260. 8. Eerme, K., U. Veismann, I. Ansko (2008) Päikese ultraviolettkiirgus ja loodus. XXXI Eesti looduseuurijate päev. Planeet Maa: globaalsed ja lokaalsed probleemid. 24-41. 9. Eerme, K., U. Veismann, I. Ansko and S. Lätt (2006) Year-to-year variations of the vitamin D synthesis related UV-B radiation in Estonia in autumn and spring. In: Proceedings of SPIE. Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere 6362, (15): 1-11. 10. Webb, A. R., L. Kline and M. F. Holick (1988) Influence on season and latitude on the cutaneous synthesis of vitamin D3: exposure to winter sunlight in Boston 20
and Edmonton will not promote vitamin D3 synthesis in human skin. J. Clin. Endocrinol. Metab. 67, 373-378. 11. Eerme, K., Veimann, U., and Koppel, R. (2002) Estonian total ozone climatology. Ann. Geophys., 20, 247-255. 12. Wilks, D. S. (2006) Statistical methods in the atmospheric sciences. Second edition. Academic Press. Elsevier. 627.p. 13. Ansko, I., Eerme, K., Lätt, S., Noorma, M., Veismann, U. (2008) Study of suitability of AvaSpec array spectrometer for solar UV field measurements. Atmos. Chem. Phys. Discussions, 8, 4199-4211. 14. Russak, V., Kallis, A. (2003) Eesti kiirguskliima teatmik. 102-113. 15. http://nadir.nilu.no/~olaeng/fastrt/vitd.html, seisuga 23.05.09 21
Variability of D-vitamin Synthesizing UV radiation at Tartu Tõravere Meteorological Station. SUMMARY Widely known connection between ultraviolet radiation (UVR) and skin cancer has shadowed the beneficial aspects of UVR. In most societies, UVR-mediated synthesis of vitamin D in skin is the major means of obtaining this vitamin. In the geographic latitudes above 50 there is a period in each winter when the level of short-wave ultraviolet radiation remains below the threshold needed for vitamin D synthesis in human skin. According to the annual cycle of cloudless weather constructed on the basis of the measured data from 2002 2005 the vitamin D winter at the Tartu-Tõravere Meteorological Station (58.3 N, 26.5 E, 70 m a.s.l.) lasted from approximately Nov 17 to Jan 28. The daily durations of vitamin D synthesising UVR were calculated for 83 totally or nearly cloudless days and for 22 overcast days. Proceeding from these hypothetical cloudless and overcast yearly cycles the vitamin D producing irradiance is guaranteed on 224 days (March 8 Oct 17) for Estonian people. However, it is not available during a period of at least 87 days (Nov 4 Jan 29) when the noon solar elevation is too low for vitamin D producing irradiance to be effective on any weather conditions. Before and after the vitamin D winter there are transition periods when the possibility of vitamin D synthesis depends besides cloudiness greatly on total ozone and may be available but not guaranteed on all days. Compared to a previously publicised scientific article the vitamin D synthesizing irradiance in this paper exceeded its threshold level a couple of weeks earlier. This is due to ozone levels being lower at the start of the year of the studied years than climatic total ozone. To get a more trustworthy result via a similar empirical approach as described here a more extensive assemble of measured data including more years with necessary recorded data should be brought into play. 22
LISAD Tabel 1. Pilvitu aasta KUUPÄEV UV-KIIRGUSE SÜNTEES, tundi OSOON, DU KOGUPILVISUS 2.jaan 0,00 306 0 10.jaan 0,00 300 0,1 15.jaan 0,00 0,2 18.jaan 0,00 310 0 21.jaan 0,00 310 0 29.jaan 0,00 343 1,8 5.veebr 1,13 287 2,9 7.veebr 0,00 428 1,6 9.veebr 2,28 295 0,1 15.veebr 0,93 368 0 20.veebr 4,75 272 1,3 23.veebr 4,43 316 0 24.veebr 5,07 276 0 3.märts 5,72 292 0 7.märts 5,52 334 1 12.märts 6,25 341 0,3 16.märts 5,88 370 0 21.märts 7,48 296 0,1 25.märts 6,50 386 0,3 28.märts 6,97 368 0 4.apr 8,20 339 0 8.apr 7,33 413 0 12.apr 8,75 344 0,7 16.apr 9,17 358 0,9 19.apr 9,62 327 0,3 22.apr 9,22 360 0,3 26.apr 9,40 368 0 1.mai 8,77 386 0 5.mai 9,38 379 0,2 8.mai 10,73 337 0 10.mai 11,00 322 0,5 12.mai 11,45 303 1,9 21.mai 11,42 338 0,1 28.mai 11,42 358 0 30.mai 11,62 347 0 3.juuni 12,22 306 0 9.juuni 11,75 351 0,2 14.juuni 12,13 328 1,9 18.juuni 12,05 336 0,4 23
20.juuni 12,05 335 0,4 30.juuni 12,27 321 0,1 1.juuli 12,40 307 0,5 4.juuli 11,87 340 0,4 11.juuli 12,12 314 0,8 13.juuli 12,22 303 0,7 16.juuli 11,73 336 1 17.juuli 11,95 310 0,1 22.juuli 11,78 304 2,1 1.aug 11,40 302 0,2 7.aug 11,17 294 0,4 9.aug 10,98 298 0 10.aug 11,23 274 0,1 15.aug 10,03 300 1,8 20.aug 10,20 308 0 25.aug 9,55 308 0,2 27.aug 9,35 310 0,5 2.sept 9,5 288 0,7 4.sept 9,48 268 0,6 9.sept 8,48 318 0 11.sept 9,00 264 0,8 15.sept 8,27 294 0,4 16.sept 8,38 281 0 24.sept 7,35 293 0 27.sept 6,85 282 0,1 5.okt 6,63 246 1,2 8.okt 6,32 244 0,2 11.okt 5,68 256 0,3 14.okt 5,62 236 0 21.okt 3,93 320 1,5 27.okt 3,45 287 0,9 28.okt 3,25 254 2,6 2.nov 3,47 223 0 4.nov 0,00 335 1,1 8.nov 0,00 281 2,5 19.nov 0,00 289 3,1 24.nov 0,00 291 1,2 26.nov 0,00 246 2,2 8.dets 0,00 289 0,25 15.dets 0,00 278 1 16.dets 0,00 270 0,2 19.dets 0,00 312 0,9 21.dets 0,00 263 0,8 24.dets 0,00 301 0,6 keskmine 7,00 311,9753086 0,59695122 24
Tabel 2. Pilves aasta UV-KIIRGUSE KUUPÄEV SÜNTEES, tundi OSOON, DU KOGUPILVISUS 15.jaan 0 309 9,7 13.veebr 0 332 10 25.veebr 0 344 10 8.märts 4,82 344 9,8 14.märts 4,87 349 9,7 7.apr 7,47 348 10 25.apr 9,2 354 9 6.mai 10,23 345 10 30.mai 10,18 349 10 11.juuni 11,08 330 9,7 30.juuni 9,52 327 10 22.juuli 10,9 315 9 29.juuli 9,55 305 10 7.aug 10,28 309 9,8 20.aug 8,57 275 9,2 12.sept 7,05 274 10 26.sept 6,2 275 10 3.okt 4,75 270 10 17.okt 3,63 268 10 28.okt 0 263 10 7.nov 0 274 10 27.dets 0 279 10 keskmine 5,83 310,82 9,8 25