I když všichni víme, že to s opalováním není jen tak a že nám zvyšuje riziko rakoviny kůže, jezdíme za ním na hory, k moři, chodíme do solárek a mnohdy ani nevíme, kde jak velké riziko nám hrozí. Není moc těch, kteří ví, že se opalujeme aniž by  na nás pražilo přímé sluneční světlo a že k tomu, abychom se „spálili“, stačí odražené UV paprsky. Některé z tradovaných fám se před časem na pravou míru pokusili uvést fyzikové z Norwegian University of Science and Technology. Možná nebude na škodu si připomenout, co z jejich přesných měření vyplynulo. Tak třeba, že když mrzne tak se ve skutečnosti opalujeme „dvakrát“. Jednoduše proto, že 90 % ultrafialového záření se od krystalů suchého sněhu odráží a vlastně se tak opalujeme z vrchu i zespoda. Pokud ale krystaly navlhnou, většinu UV záření absorbují a odráží ho jen 10 – 20 %. Mělo by nám utkvět v paměti, že při lyžovačce na prašanu si si můžeme uhnat spálení tváří a rukou s rizikem aktivace zhoubného melanomu, za poloviční dobu, než za jakou jsme schopni to stihnout producírováním se na sluníčku ve sněhu rozbředlém.

Při takovém snowbordingu hrozí „spálení“ během několika minut. Podle norských vědátorů hazard a nerozum. Zřejmě nekalkulovali s uplatněním blahodárného vlivu na oční sítnici, což si zaslouží ocenit: Sláva hazardu a nevědomost budiž pochválena!

Pravdou je, že v zimním období na nás svítí Slunce pod menším úhlem a tím na nás dopadá i méně ultrafialového  záření, takže bychom měli být mnohem více chráněni.  Jenže právě zmíněný faktor odrazu zmrzlého sněhu do určité míry zase působí opačně a to nám riziko „spálení kůže“ zase zvyšuje a ještě k tomu musíme přičíst, že  lyžovat jezdíme do vyšších nadmořských výšek, kde nad námi nedrží ochranný deštník masivní vrstva atmosféry. Ta v nižších polohách velkou část UV paprsků pohlcuje. Opalování na sněhu má ještě jednu záludnost. Odražené světlo přichází z mnoha úhlů a proto se nám subjektivně nezdá tak intenzivní, jak ve skutečnosti je. Lyžování zjara, zvláště pro spoře oděné lyžaře, je podle kolektivu z Norwegian University of Science and Technology, poměrně riskantní záležitostí.

Hodně rozšířená je také představa, že se u moře opalujeme rychle a na vině mají být odražené paprsky od vodní hladiny. Ve skutečnosti tomu tak u UV záření není. Voda, jak už jsme si naznačili při zmínce o vlhkých krystalech, „opalovací“ paprsky pohlcuje. Z hladiny se odráží jen asi 6-8 % dopadajícího UV světla, což je přibližně tolik jako se ho odráží od písku, nebo od zelené louky.

Zatím jsme při našem povídání si o opalování měli na mysli den, neboli fotony přicházející ze sluníčka. Těm to z tavícího se vnitřku Slunce na povrch trvá něco mezi deseti až stosedmdesáti tisíci let, aby pak z povrchu slunce zbytek cesty směrem k nám na Zem, zvládli uletět za osm a půl minuty. Jenže to nejsou jediné fotony, které k nám přilétají. Jejich zdrojem jsou i vzdálenější místa vesmíru. Některé z fotonů  cestovaly vesmírem miliardy let, než měly to štěstí potkat se s námi, čímž paradoxně jejich pouť končí, protože srážkou s naší pokožkou zanikají. Kolik toho vlastně přilétá na nás v noci? Na počítání fotonových cizinců se zaměřil tým astrofyziků z Mezinárodního centra pro radioastronomický výzkum (ICRAR). O výsledcích nyní informuje článek připravený pro odběratele Astrophysical Journal.

Simon Driver, astrofyzik a vedoucí studie: „Při lenošení na pláži je naše tělo vystaveno každou sekundu zhruba tisíci trilionů fotonů“. (Kredit: ICRAR)

Definovat foton je stále poněkud ošidné. Někdy se mu říká kvantum elektromagnetické energie, jindy částice zprostředkující elektromagnetickou interakci. Definice naštěstí není pro nás tentokrát důležitá, jako spíš „kvantita“. A tu se vědci pokusili dát dohromady z toho, co kdy kde naměřil ve spektru vlnových délek od zlomku mikronu až po ty milimetrové. Praxe si UV záření škatulkuje na UVA, UVB, UVC, UVV a EUV.

Pod označením UVA se rozumí fotony s vlnovou délkou od 315 do 400 nm. Asi 99 % UV záření, které dopadne na zemský povrch, je právě z této spektrální oblasti.

Záření UVB má vlnovou délku v rozsahu od 280 do 315 nm. Je z převážné většiny absorbováno ozónem ve stratosféře, resp. ozónové vrstvě. Z typického slunečního záření 350–900 W/m², které dopadá na nejvyšší vrstvy atmosféry, neproniká prakticky žádné UV záření s vlnovou délkou pod cca 295 nm. I když o něm tady na zemi prakticky ani nevíme, neznamená to, že v chodu vesmíru jsou tyt fotony bezvýznamné. UVB fotony jsou zhoubné pro vše živé. Jejich energie narušuje proteiny, DNA a zvyšuje výskyt rakoviny kůže, ničí tyčinky a čípky v oku a gangliové buňky a nervová zakončení v rohovce, čemuž se v závažných případech říká sněžná slepota. Energie fotonů je nepřímo úměrná jejich vlnové délce.

UVC je nejtvrdším z UV záření,  jeho vlnová délka je pod 280 nm. Při dopadu na molekulu kyslíku vytváří ozón. To znamená, že kyslík v atmosféře nás chrání před jeho zhoubnými účinky.

Podobně je na tom záření VUV (Vacuum UV) s vlnovou délkou pod 100-200 nm. Většinou se VUV řadí pod kolonku UVC. Astronomové rádi pracují s pojmem EUV, čímž myslí „extrémní ultrafialové záření“ s vlnovými délkami nižšími než 31 nm. Ač jsou fotony tohoto záření díky své kratší vlnové délce energetičtější, je jich výrazně méně a proto úhrnná energie záření EUV je naopak velmi malá. Přesto toto záření významně ovlivňuje chemické procesy v ionosféře, zejména v její nejsvrchnější vrstvě F.

I když družice GALEX, kterou vynesla na oběžnou dráhu Pegasus XL v roce 2003 již svůj úkol splnila, data, která získala se zužitkovávají dodnes. (Kredit: NASA)

Tentokrát ale výzkumníky více než účinky záření, zajímal původ fotonů. Škatulkovali si je podle toho, zda v rodném listu mají v kolonce narození uvedeno „Slunce“, nebo přicházejí z jiné hvězdy sluneční soustavy, případně je zachytil dalekohled namířený na některou z galaxií, případně přišly zcela ze „tmy“. Jak z různých měření vyplynulo, tak i z mezigalaktického prostoru k nám přichází asi 10 miliard energetických paketů za sekundu. To znamená, že také bez ohledu na to, zda je den či noc. Zní to bombasticky, ale ve srovnání s tím, čím nás bombarduje naše Slunce, to je titěrnost.

Udělat si lepší představu o tom, kolik toho na nás svítí, umožnila pozemní měření, ale odkud přesně to na nás svítí, to dovolují zjistit až data zaslaná z flotily teleskopů, které jsme kdy do vesmíru poslali. Nynější sumarizace udělala pořádek v tom, kolik fotonů je tzv. přímý zásah ze Slunce, kolik z nich je odrazem od prachu v naší sluneční soustavě i jak  mocné je extra-galaktické světelné pozadí. Jinak řečeno, jak mocný je proud fotonů, které opustily jádra hvězd jiných galaxií a nebo ty, které byly produktem hroutící se hmoty padající ve spirále gigantických vírů černých děr a náhoda je nasměrovala zrovna na nás.

Spitzerův vesmírný dalekohled Spitzerova vesmírného dalekohledu stála celkem 670 milionů amerických dolarů. (Kredit: NASA)

Profesoru Driverovi ze Západoaustralské university při zpracování dat pomáhali počtáři z university státu Arizona a Cardiffské university. Bylo toho třeba, protože institucí, které zdroje poskytly, bylo více a získaných dat ještě víc. Nasa dala k dispozici co naměřil jejich ultrafialový vesmírný teleskop projektu Galaxy Evolution Explorer.Tříose stabilizovaná družice Galex. Její půl metrový zrcadlový dalekohled Cassegrainova typu s odrazivou plochou z taveného křemene s napařeným Al pokrytým CaF2, vybavený dvěma detektory,  měřil spektrum 135 až 180 nm a spolu s detektorem blízkého ultrafialového záření také délky 180 až 300 nm.

Také další významný zdroj dat byl od NASA: Wide-field Infrared Survey Explorer telescopes (WISE). Tento infračervený kosmický teleskop pořizoval snímky celé oblohy a pořídil jich jeden a půl milionu. V pásmu 1 - 3,4 μm snímkoval energetickou produkci  hvězd a galaxií. V pásmu 2 - 4,6 μm  snímal tepelné vyzařování z vnitřních zdrojů tepla u hnědých trpaslíků. Na délkách 3 - 12 μm pak zjišťoval tepelné vyzařování asteroidů a v ještě větších délkách až 25 μm zaznamenával projev prachových mračen v časném formování hvězd.

Leštění zrcadla pro Hubbleův teleskop. Výroba celého teleskopu stála 2,5 miliardy USD. Provozní náklady se vyšplhaly na více než dvojnásobek konstrukčních nákladů. Evropa na projekt přispěla částkou okolo 600 milionů euro.

Pochopitelně, že mohutně k novým poznatkům přispěl svými daty Spitzerův vesmírný dalekohled. Jeho necelých padesát kilogramů se zrcadlem o průměru 85 cm vyrobené z beryllia snímalo fotometrií vlnové délky od 3 do 180 mikrometrů. Spektroskopií 5 - 40 mikrometrů, spektrofotometrii 5 - 100 mikrometrů.Chybět nemohly ani údaje z Hubbleova teleskopu. Jeho zrcadlo o průměru 2,5 m Pracoval v ultrafialovém a viditelném světle a o jeho největších objevech jsme Vás na OSLU informovali řadou článků. 

Svou hřivnou k nynějšímu mapování přispěla Evropská vesmírná agentura daty získanými Herschelovou vesmírnou observatoří (zkráceně HSO), která se svým 3,5 m zrcadlem  snímala vesmír a její detektor PACS pokrýval vlnové délky od 55 do 210 mikrometrů. Detektor SPIRE se soustředil na délky 250, 350 a 500 mikrometrů. Detektor HIFbyl specialista na vysoké rozlišení ve dvou pásmech vlnové délky 157 - 212 um a  240 - 625 mikrometrů.

Herschel Space Observatory. (Kredit: Apoc2400, Wikipedia)

Protinožci asi nejvíce přispěli do projektu Galaxy And Mass Assembly survey. Ten zkoumá více než 200 000 galaxií a produkce energie vytvářené v rozsáhlé oblasti vesmíru. Jak z již dřívějších výsledků, tak i z těch nynějších vyplývá, že množství energie uvolňované ve sledovaných oblastech vesmíru, je dnes poloviční, než jak tomu bylo před dvěma miliardami let.  Pokles nastává jak na vlnových délkách  infračerveného spektra, tak u ultrafialového záření, tak.  Koncem loňského roku jsme vás o průběžných výsledcích projektu GAM již informovali. Bohužel ani tentokrát nemáme lepší zprávu a i zpřesněná měření ukazují,  že náš vesmír pozvolna umírá. Driver to rád komentuje slovy: „Náš vesmír se usadil do lenošky, udělal si pohodlí a zvolna se chystá upadnout do věčné dřímoty.“

Další poznatky by se daly parafrázovat větou, že i v noci se opalujeme, protože na nás dopadá každou sekundu 10 miliard fotonů. Poněkud paradoxní na tom je, že zatímco tady na Zemi si znečištěním ovzduší zaděláváme na problém, kosmickému nepořádku vděčíme za naše bytí. Prachoplynné částice totiž zastávají funkci filtru. Mění pro nás škodlivé záření na méně nebezpečné. Z výpočtů vyplynulo, že nám v případě UV světla, nahrazuje opalovací krém s faktorem 2. Jinak řečeno, polovinu záření způsobujícího rakovinu kůže převádí na záření, které nám genetický kód (DNA v jádrech buněk) poškodit nemůže.

Infografika ukazuje, jakou část našeho opálení máme ze záření pocházejícího z mimo naší galaxie. (Kredit: ICRAR / Dan Hutton)

To, že záření, kterému jsme vystaveni není jen zásluhou Slunce, se ví už dlouho.  Stejně jako že některé ze zdrojů jsou v naší galaxii a část v jiných galaxiích. Z mezigalaktického prostoru na nás svítí dokonce i černé díry (respektive to co do nich padá). Vesmírem ale také stále poletují fotony, které pamatují velký třesk. I ty se k nám dostávají.

Zde je přehled jak moc a odkud, toho na nás svítí:

Přepočítací tabulka k infografice. Vlevo jsou termíny s hodnotami používanými v anglicky mluvícím světě (USA, Velká Británie, Austrálie,..). Pro ČR platí pravá polovina nadepsaná „Long scale“ stejně jako pro Slovensko, EU a Arabské země.

Ze Slunce na nás každou sekundu dopadá tisíc trilionů fotonů (1 x 10²¹)

Z rozptýleného záření oblohy tři sta trilionů fotonů/sec (3 x 10²⁰)

Odražené světlo od prachu sluneční soustavy sto bilionů fotonů/sec 1 x 10¹⁴)

Z extragalaktického pozadí přilétá deset miliard fotonů/sec (1 x 10¹⁰)

Z galaxií pět miliard fotonů/sec (5 x 10 ⁹)

Od černých děr pět miliard/sec  (5 x 10⁹)

Bonusem je pozůstatek po velkém třesku, který činí deset biliard fotonů/sec (1 x 10¹⁶), ty se ale vlzhledem ke své energii, na našem opalování nepodílejí. 
Názorně vše ukazuje přiložená infografika. Nenechte se ale zmást tamními čísly. Hodnoty jsou uváděny ve škále, kterou používají v anglicky mluvících zemích. To znamená, že bilion je po našem  milion milionů, trilion = milion bilionů atd… Pro přepočet hodnot připojujeme tabulku krátké a dlouhé škály.

Záření přicházející z jiných galaxií nám přivodí jen asi deset biliontin našeho opálení.

Samozřejmě, že o zjišťování, jak hnědneme v noci, Driverovu týmu nešlo. To jen pro laiky zajímavým způsobem zpopularizoval práci svého týmu. Za jeho výsledky je potřeba vidět snahu vyznat se v evoluci energie s hmotou ve struktuře vesmíru. Tedy poznat jak funguje v praxi, co kdysi někdo dal do souvislosti vzorečkem  E = m.c².

Nynější přesná fyzikální měření toků energie lépe dovolí si udělat představu o tom, jak se ze shluku atomů v raném vesmíru tvořily prvky (tabulky sestavené Mendělejevem), jak se formovaly galaxie i jejich kupy.  Nám, trpaslíkům vesmíru přesná vstupní data dovolí nakrmit počítače a modelováním získat představu o tom, co se s celou tou rozlehlostí bude dál dít. 

Závěr

Jak se dalo tušit, s tou hrůzostrašně vypadající cifrou 10 miliard fotonů za sekundu, si ani my s přehršlí mateřských znamének na těle, nemusíme dělat těžkou hlavu. Opalováním v noci bychom začali být do bronzova až po více než miliardě let.

Literatura

Measurements of Extragalactic Background Light from the FAR-UV to the FAR-IR from Deep Ground and Space based galaxy counts, Astrophysical Journal on August 12th, 2016.