Bestråling af hud med infrarød stråling – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Bestråling af hud med ...

03. februar 2014

Bestråling af hud med infrarød stråling

Hej Spørg om Fysik
Jeg og en kollega sidder og ”nørder” lidt i bygningsreglementet, og er slået noget ud af kurs, hvorfor vi godt kunne tænke os lidt hjælp til et spørgsmål.

Der står I bygningsreglementet:
”Det fremgår af bygningsreglement 1995, kapitel 6.2, stk. 4, at der i det tidsrum, hvor flugtvejene skal anvendes til evakuering af bygningen, ikke må forekomme temperaturer, røgkoncentrationer eller andre forhold, som hindrer evakuering. Dette kan f.eks. opnås ved, at der ikke optræder kritiske forhold for personer, inden evakueringen er tilendebragt. At en person bliver udsat for kritiske forhold, er ikke ensbetydende med, at vedkommende omkommer ved branden.

Kritiske forhold kan jf. /2/ og /3/ fastsættes ud fra nedenstående:

Derfor er vores spørgsmål – hvad er f.eks. 2,5 kW/m² - og kan man omskrive det til noget forståeligt ? eksempelvis hvordan føles det ?

Med venlig hilsen / Yours sincerely
J R

Varme legemers udstråling. Når man taler om bestråling, må man skelne imellem øjne, som forholdsvis let beskadiges (følsom hud der beskadiges er ofte øjenlågene) og hud, idet øjnene i visse tilfælde kan blive beskadiget af beherskede mængder infrarød stråling, hvis man ikke anvender beskyttelsesbriller, masker etc.

Planckkurver der viser strålingen fra varme legemer

Varme genstande, det kan være glødende kanonkugler eller varme gasser (flammer), udsender infrarød stråling. Bølgelængderne og intensiteten afhænger af strålingskildens temperatur, samt af afstanden og hvad der imellem en selv og kilden. Generelt aftager strålingen i dette tilfælde med kvadratet på afstanden uden specielle materialer imellem (afstandsafhængigheden gælder ikke meget tæt på kilden). Vi ved alle, at når man nærmer sig til et stort st. Hansbål, bliver varmestrålingen hurtigt kraftigere, til den er uudholdelig.

Sorte strålende legemer, som udsender varmestråling, udsender dem med forskellige bølgelængder og intensitet, som det ses på figuren. Bemærk på den lodrette akse er der en faktor 10 imellem punkterne, strålingen vokser altså meget kraftigt med temperaturen. Den maksimale stråleintensitet vokser med temperaturen i femte (T5), og samtidigt flyttes maksimet imod kortere bølgelængder dvs. imod synligt lys. Området for synligt lys er på figuren fra 0,4 til 0,7 på den vandrette akse, så ved f.eks. 800 grader ses strålingen stort set ikke med øjnene (mørkt rødglødende genstande), men der er stadig megen stråling, hvad man normalt kan mærke på huden.

Brændeglas

Sammenligning med solstråling

Taler vi om solstråling er den direkte stråling her i landet lidt over 900 W/m2 på flade vinkelret på strålingen midt på sommeren i klart vejr om sommeren. Imellem 56 og 59 % er infrarødt altså varmestråling eller ca. 520 W/m2. Den tilladte vedvarende strålingsintensitet er altså ca. 5 gange større end solens varmestråling, når den er kraftigst. Tager man et brændglas, og holder det i en afstand af f.eks. håndens bagside, så billedet af solens billede har en diameter på 0,46 gange af brændglassets diameter, vil man få en ret klar fornemmelse af hvad ca. 2,5 kW/m2 er for en strålemængde.

Tilsvarende vil man meget kortvarigt under et par sek. forsøge sig med 10 kW/m2, så skal pletten være 0,23 gange brændglassets diameter, pas på!

Tilbagekastning fra huden

Hvad sker der?

For huden er effekten kompliceret. Der er 60-70% vand i huden, men egenskaberne er anderledes end vand i mange henseender. Huden er vores største organ, 4% af kropsvægten og med et overflade areal for en gennemsnits voksen på 1,6 til 2 m2. Tykkelsen er generelt 1,6 til 2 mm dog f.eks. på fødder, hænder og andre specielle steder tykkere. Den består af 2 lag, et tyndt ydre lag (epidedermis) og et noget tykkere indre lag (dermis). Det ydre lag overhuden af døde celler er 0,07 til 0,12 mm tykt undtagen de specielle steder. Underhuden er en blanding af blodåre, hårsække, svedkirtler og meget mere. Funktionerne er komplekse og forskellige, idet underhuden indeholder såvel beskyttelsesforanstaltninger (køling af blodet, beskyttelse imod UV stråling i form af solbrændthed samt følesans). Desuden har huden betydning for vedligeholdelse af væske og elektrolytisk balance såvel som kropstemperaturen.

Indtrængning i hud af 1,23 mikrometer stråling

m (med samme talstørrelser, som i grafens vandrette akse), det er sammenfaldende med maksimet af naturens normale infrarøde strålingskilders maksimale udstråling. Som det ses af grafen, afhænger refleksionsevnen af hudens karakter. Det forklarer, hvorfor huden beskytter os rimeligt imod solens stråler og stråling fra meget varme genstande. Samtidigt er refleksionsevnen lav ved lave temperaturer, er huden god til at opsuge og udstråle varmestråling fra og til koldere kilder, så langbølget varmestråling kan udsendes og optages omkring kropstemperatur. En anden vigtig faktor er, hvor dybt strålingen trænger ind i huden. Dette afhænger på kompleks måde af væskegennemstrømningen og hudens farvning.

1. grads forbrænding her solskoldning

Den maksimale gennemtrængelighed for huden ligger på 1,2 µm, men ved ca 2 µm og kortere bølgelængder er gennemtrængeligheden af huden lav. På figuren ses, hvor dybt strålingen trænger ind i huden, og det fremgår at omkring 50% af strålingen trænger omkring 0,8 mm ind ved denne bølgelængde (1,23 µm). Den farlige stråling for vævet er altså den nær infrarøde stråling (nært ved synligt lys). Ved en hudtemperatur på ca. 44,5 °C  fremkalder bestråling smerte. De første skader på huden sætter ind ved hudtemperaturer på 46-47 °C. Når hudtemperaturen 70 °C bliver hudens enzym systemer ødelagt (f.eks. greb om en varm genstand  eller damp). Desuden kan der fremkaldes gendefekter ved skader på den lokale DNA.

Som eksempel på værdier af stråling og virkningerne, som skal tages med et vist forbehold da målingerne spreder noget afh. Af hudtype mm.:

2. grads forbrænding af knæ

52 kW/m2        Fiberplader antændes på 5 sek.

29 kW/m2     Træ antændes efter en periodes bestråling

16 kW/m2      Hudforbrændinger med blister på 5 sek. omgående smerte

10 kW/m2      Anden grads forbrændinger med blister på 9 sek.

6,4 kW/m2      Anden grads forbrændinger med blister på 18 sek.

4,5 kW/m2     Anden grads forbrændinger med blister på 30 sek.

2,5 kW/m2     I længere perioder skinskader (forbrændinger)

2 kW/m2        Er grænseværdien for udholdelig smerte ved bestråling lange perioder skinskader

1,4 kW/m2     Sollys højsommer solskoldning på 30 min.

3. grads forbrænding af hånd

Svaret er altså, at de opgivne grænser er valgt, så den lave lige præcist klarer en vis tid uden skader dog lidt afhængigt af hudtype, og den høje er over skadesgrænsen, men der er stadig ganske lidt tid at løbe på.

Førstehjælp ved brandsår er køligt, blidt rindende vand på stedet, indtil det ikke gør ondt mere (måske flere timer), i alle tilfælde indtil redningsmandskab eller læge kommer tilstede og kan overtage problemet. Jeg kan kun anbefale, at alle lader sig uddanne i livreddende førstehjælp samt førstehjælp ved de almindeligste ulykker, så man betrykkende kan hjælpe personer i nød.

Med venlig hilsen
Malte Olsen