Rayonnements électromagnétiques non-ionisants

Rayonnements électromagnétiques non-ionisants

20-01-12

La plupart de ces rayonnements sont caractérisés par : leur longueur d'onde (λ), par leur fréquence f à travers la relation : f * λ = c (c célérité de la lumière).

Les rayonnements de :

• λ > 100 nm : non ionisantes car pas assez énergétiques

• λ < 100 : pour la plupart capables d'ioniser la matière (ex : de l'eau)

Il faut 13,6 eV pour ioniser l’électron le plus périphérique de l'atome d’hydrogène de la molécule d'eau H2O (E = h * nu = (hc)/λ).

λ environne 91 nm

Les rayonnements non-ionisants :

• inclus un très large spectre de radiations (classés en longueur d'onde croissante) :

  • champs électriques et magnétiques statiques

  • champs à fréquence extrêmement basse (EBF)

  • radiofréquences (microondes, domaine RMN)

  • rayonnement infrarouge

  • lumière visible

  • UV

Les champs sont d'origines très variées :

• un objet soumis à une tension électrique dégage un champs électrique

• les champs électriques ou magnétiques peuvent se former à proximité des objets soumis à des tensions électriques ou traversés par des courants électriques

• dans le domaine de la télécommunication, les ondes sont émises par des antennes servant de support d'information

• nous sommes également entourés d'ondes électromagnétiques d'origine naturelle, tel le champ magnétique terrestre

Quelques définitions :

• le rayonnement (ou champs) électromagnétique est défini comme « l'association d'un champ électrique sinusoïdal dénommé (E) et d'un champ magnétique dénommé (H) de même période (ils sont synchronisés, simultanés avec T = 1/f), qui lui est en tout point perpendiculaire

• le champ électrique (E →) :

  • vecteur créé par la présence de particules chargées

  • ce vecteur permet de déterminer la force exercée par ces charges en tout point

• intensité du champ électrique :

  • valeur ou module du champ électrique exprimée en Volt/mètre

• champ magnétique (H →) :

  • vecteur dû à la présence d'un courant électrique entrainant de part le mouvement de particules chargées des forces magnétiques à la fois d'attraction ou de répulsion

• intensité du champ magnétique :

  • c'est la valeur du module du champ magnétique (H) exprimée en ampères/mètre

• densité de flux ou induction magnétique (B →)

  • cette densité de flux est une grandeur vectorielle équivalente au champ magnétique (H) dans l'air et dans les milieux biologiques

  • elle s'exprime en Tesla (T)

• NB :

  • 1 A/m environne 4 pi * 10^-7 Tesla

  • le gauss 1 µT soit environ 10 mG

Champ proche et champ lointain :

• champ proche (zone de Fresnel) :

  • près de la structure rayonnante (à moins de λ/(2π) → d < λ/(2π))

  • l'onde électromagnétique n'est pas totalement formée

  • cette onde ne possède pas les caractéristiques d'une onde plane

  • les champs électriques et magnétiques varient fortement d'un point à l'autre

  • E et H ne sont pas corrélés et doivent être considérés et mesurés indépendamment

• champ lointain (zone de Fraunhofer) :

  • zone éloignée de la structure rayonnante d'au moins 1,6 λ → 10 λ / (2 π)

  • dans cette zone lointaine l'onde est parfaitement caractérisée

  • les relations entre E et H sont clairement définies

  • il suffi de la simple connaissance d'une de ces 2 grandeurs pour déterminer l'autre : E/H = 377 Ω (impédance des champs électromagnétiques = constante)

  • l'intensité de l'onde décroit selon 1/r²

• il existe une zone de transition, entre les 2 zones de propagation :

  • d > λ/2 π mais < 10λ/2π

Important :

• problèmes de mesure à faible distance des sources d'émission

  • cas des téléphones mobiles :

    • système GSM

    • 900 à 1800 MHz

    • λ environne 15 à 30 cm

    • la proximité de la tête est telle que l'on atteint pas les conditions de champs lointains

  • calculs difficiles et il faut tenir compte de l’impédance présentée par la tête : pour caractériser les champs (origine de controverse)

Absorption spécifique :

• énergie absorbée par unité de masse de tissu biologique (Joules/Kg) à ne pas confondre avec le Gray (J/Kg) qui exprime la dose reçu de rayonnement ionisants

Débit d'absorption spécifique :

• = DAS

• c'est la puissance radiofréquence absorbée par unité de masse de tissu biologique en W/Kg exposé à un champs électrique et caractérisé par sa conductivité électrique (sigma) et sa masse volumique (ρ)

• D.A.S = (ρ * E²)/ρ

• S.A.R = specific absorption rate

• NB : cet indice figure sur chaque portable (ou mobile) et doit être inférieur à 2 W/Kg au niveau du tronc et de la tête

Comparaison directe entre E → et B → (ou H →) :

• la force de Lorentz :

  • elle est due au champ électromagnétique qui s'exerce sur les particules chargées, c'est un produit vectoriel

  • F → = q * (E →) * q * (v →) * (B →)

• champ électrique :

  • créé par une mise sous tension d'un conducteur

  • peut exister même lorsque l'appareil électrique est éteint (mais branché)

  • la plupart des matériaux de construction protègent un peu

• champ magnétique :

  • créé par le passage d'un courant électrique dans ce conducteur

  • apparaît dés que l'appareil s'allume et que le courant passe

  • la plupart des matériaux sont incapables de réduire l'intensité du champ magnétique

Tableau classant les champs électromagnétiques selon leur fréquence/longueur d'onde et leur domaine d'utilisation
Désignation	Gamme de fréquence	Longueur d'onde	Emploi
Champ statique	0	infini	Champ magnétique terrestre
EBF (extrêmement basse fréquence)	< 300 Hz	> 1000 km	Réseau électrique (50 Hz en Europe, 60 au États-Unis
TBF (Très Basses Fréquences)	0,3 à 30 kHz	1000 à 10 km	Radiocommunication
Basses Fréquences	30 à 300 kHz	10 à 1 km	Radiodiffusion (GO)
Moyennes fréquences	0,3 à 3 MHz	1 km à 100 m	Radiodiffusion (MO et PO (moyenne onde et petites ondes) Médecine
Hautes fréquences et Très Hautes Fréquences	3 à 300 MHz	100 à 1 m	TV / Radio FM RMN / IRM
Ultra Hautes réquences	0,3 à 300 GHz	1m à 1 cm ou mm	Téléphone mobiles Radio Microondes
Infra rouge	0,3 à 385 THz	1 mm à 780 nm	télécommandes
Visible	385 à 750 THz	780 à 400 nm	Vision
Ultra violet	750 à 3000 THz	400 à 100 nm	Photothérapie Lampes germicides
X - UV		100 à 10 nm

Effets induits par des rayonnement non ionisants : à la place d'une ionisation nous observons :

• une excitation avec changement de niveau d'énergie des électrons

  • UV et Visibles

• une vibration moléculaire :

  • infrarouge proche

  • utilisation de la spectroscopie infrarouge

• une rotation et une torsion moléculaire :

  • infrarouge lointain et un peu dans le domaine radiofréquence

Le rayonnement ultraviolet :

• ces rayonnements sont subdivisés en trois bandes spectrales en fonction de leurs propriétés d'absorption et des mécanisme d'interaction biologique

• les UVA :

  • 320 à 400 nm

• les UVB

  • 280 à 320 nm

• les UVC :

  • 100 à 280 nm

Le rayonnement naturel du soleil :

• il se décompose essentiellement en 3 rayonnements :

  • IR : 55 %

  • Visible : 40 %

  • UV : 5 %

    • UVA :

      • les moins filtrés par la couches d'ozone → 95 % des UV qui arrivent au sol

    • UVB :

      • environ 5 %

      • filtrés par l'atmosphère et les nuages

    • UVC :

      • >> 0,1 %

      • filtrés par la couche d'ozone

• la quantité et la qualité du rayonnement naturel varie selon :

  • l'altitude :

    • la composition en UVB augment de 20% à 1500 m

  • la position relative au soleil :

    • la latitude

    • la saison

  • l'humidité :

    • diffraction par les molécules, gouttes d'eau)

  • pollution atmosphérique = poussière

  • heure de la journée

  • type de sol

• sous nos latitudes :

  • l'intensité du rayonnement est plus importante quand le soleil est au zénith

    • → heures solaires – 12H à 16H en été

  • les UVA sont présents du lever au coucher du soleil

  • les UVB sont présents aux heures solaires, car filtrés par l'atmosphère quand leur trajet est rasant

• type de sol :

  • on mesure la réflexion depuis le sol par une fraction, l'albédo (albus = blanc en latin)

  • c'est le rapport de l'énergie solaire réfléchie par une surface à l'énergie solaire incidente

Surface	Albédo
Surface d'un lac	0,02 – 0,04
Mer	0,02 – 0,015
Sable sec	0,25 – 0,45
Glace	0,30 – 0,40
Neige tassée	0,40 – 0,70
Neige fraiche	0,75 – 0,90

Différences entre UVA et UVB :

• UVA

  • → pénètrent dans les couches profondes de la peau (jusqu'au derme pour certaines personnes

  • → sont peu absorbés par l'ADN

  • → responsables de l'effet de bronzage immédiat et peu durable (léger mais peu durable)

  • effet chromophore des UVA

    • → capacité de certains groupements chimiques d'absorbés à des longueurs d'ondes précises (ex : 320 à 400 nm)

    • favorise la production de radicaux libres → cellules

    • favorise le vieillissement de la peau (rides)

    • études récentes montrent que cet effet favorise également le cancer cutané

• UVB :

  • pénètrent moins dans la peau (jusqu'à 1/3 du derme)

  • sont absorbés par l'ADN = effet chromophore pour l'ADN (max : 255 – 270 nm)

    • toujours efficace aux UVB environnant 280 nm

  • responsables du bronzage et des brulures à retardement

  • favorisent la production de radicaux libres oxygénés par la peau (effet chromophore sur d'autres molécules que l'ADN) → coups de soleil + inflammation à court terme

  • favorisent le vieillissement de la peau avec atteinte des fibres de collagène → cancer

Manifestations cutanées immédiates et retardées :

• effets immédiats :

  • synthèse de la vitamine D3 (UVB surtout)

  • action calorifique des infrarouges (vasodilatation dermique = rougeur de peau)

  • pigmentation immédiate (phénomène de Meirowski) → assombrissement de l'épiderme surtout → mais qui disparaît en quelques heures seulement (UVA) → peau mate

• effets retardés :

  • coups de soleil (= érythème actinique) – traduit une réaction inflammatoire provoquée essentiellement par les UVB

• effets à long terme :

  • cancers cutanés (mélanomes et carcinomes)

  • vieillissement actinique ou hélioderme (détérioration des fibres)

  • immunosuppression = diminution des défenses immunitaires cutanées

Action anti-rachitique par synthèse de la vitamine D3 :

• besoin de la vitamine D3 = facilite l'absorption du calcium et du phosphore

• deux sources :

  • alimentaire

  • synthèse

• la synthèse de provitamine D est catalysée par les UVB → vitamine D3 (cholescalciférol) par les cellules de l'épiderme

• en pratique, une exposition du visage de quelques minutes

Le bronzage :

• suite à une exposition raisonnable :

  • les UVA vont agir sur quelques précurseurs de la mélanine et provoquer une pigmentation cutanée immédiate

  • les kératinocytes envoient un message aux mélanocytes et permettent la production de cytokines

• dans les jours qui suivent :

  • l'action des UVB (environ 297 nm) stimule les mélanocytes qui produisent la mélanine (pigmentation à retardement)

  • la mélanine va colorer les cellules voisines de l'épiderme

• deux types de mélanine produite :

  • la phéomélanine (« mélanine des écossais ») qui est rouge et qui protège peu

  • l'eumélanine qui est noire et absorbe efficacement les UV

• avec l'âge le nombre de mélanocytes diminue et on bronze moins

  • au fil des expositions solaires :

    • la peau devient moins élastique

    • les cellules se renouvellent moins souvent

    • les pigments colorés s'agglomèrent et forment des tâches cutanée (= « tâche séniles »)

• les UVB vont provoquer un accroissement de la prolifération des kératinocytes qui mène à une augmentation de l'épaisseur de la peau (surtout des couches externe) et ainsi provoquer une diminution de la pénétration des UVB

  • pas le cas des UVA (cabine solaire)

Types de peau (phénotypes 0 → VI) :

• phénotype 0 :

  • albinos

• phénotypes I et II :

  • peau claire

  • blond

  • roux

  • I : bronzage quasiment impossible (on devient tout de suite tout rouge) → risque élevé de coups de soleil, de vieillissement cutané et de cancer

• phénotypes V ou VI :

  • peau mate

  • l'eumélanine est produite en grande quantité

  • rarement de coups de soleil

  • les cancers cutanés sont beaucoup plus rares

Notion de capital soleil :

• le capital soleil permet à chacun de lutter contre une quantité déterminée d'UV tout au long de sa vie

  • lorsque ce capital est épuisé :

    • la peau ne peut plus se protéger efficacement

    • nos cellules qui sont endommagées ne se réparent plus

Vieillissement cutané (héliodermie) :

• premier effet chronique d'une exposition prolongée au soleil

• se manifeste 10 à 20 ans plus tard →

  • rides profondes,

  • troubles de la pigmentation de la peau,

  • épaississement de l'épiderme,

  • atrophie de la peau avec une perte de souplesse de la peau,

  • perte d'élasticité

• le vieillissement cutané est proportionnel à la dose d'UV reçu pendant la vie

• les dégâts sont irréversibles

NB : 75 % de l'exposition totale à lieu pendant les premières 18 années de vie

Danger des UVA et UVB pour l'ADN :

• UVA :

  • l'ADN n'absorbe que très peu les photons UVA

  • effet chromophore qui excite certaines molécules

  • induction d'espèces réactives de l'oxygène : RL

  • (A – B) → (A – B)° → A° + B° radicaux libre avec un électron non apparié

  • radicaux libres :

    • peuvent endommager les composants cellulaires (liquides, protéines) et même extracellulaire comme la matrice dermique

    • action génotoxique qui implique des processus oxydatifs → photochimie

    • UVA → transition électronique → énergie libérée transférée à un autre atome (à une autre molécule)

    • production typique :

      • → radical hydroxyle (HO°)

      • → oxygène singulet (^O2°) qui est très réactif

  • lésions majoritaires (ADN) → purines oxydées (principalement par l'oxygène singulet)

  • d'autres lésions secondaires :

    • dommages aux pyrimidines et les cassures de chaines (HO°)

    • formation de dimères cyclobutane (→ dimères de thymine)

• UVB :

  • plus dommageable par le génome

  • directement absorbés par l'ADN

  • induction de réactions photochimiques → ADN

  • principales cibles :

    • bases pyrimidiques

    • thymine et cytosine

  • dans certains cas on a cassures des liaisons hydrogènes

  • si elles sont en position adjacente dans la double hélice il peut y avoir une réaction 2 à 2 en créant de nouvelles liaisons covalentes

    • → création de dimères cyclobutanes

      • dimères de thymine

      • dimère de cytosine

  • la structure chimique des bases est fortement modifiée :

    • le fonctionnement de la cellule est perturbé

  • mort cellulaire ou mutation = processus impliqué dans l'apparition des tumeurs

Cancers cutanés :

• carcinomes :

  • concernent 90 % des cancers cutanés

  • rarement mortels

  • la plupart ne se propagent pas vers d'autres organes, ce sont les carcinomes baso-cellulaires

  • mais certains se propagent un peu plus, ce sont les carcinomes spino-cellulaires

  • ils sont formés suite à une transformation des kératinocytes

  • le risque d'en développer est d'autant plus élevé quand on a :

    • la peau claire

    • été un peu trop exposé au soleil pendant l'enfance

    • été trop exposé de façon chronique, longtemps et souvent

  • guérison :

    • intervention chirurgicale superficielle (mais tôt !)

• mélanomes :

  • 10%, plus rare

  • mais beaucoup plus dangereux

  • il s'agit de tumeurs malignes à partir de cellules mélanocytes de l'épiderme

  • ils se propagent très vite (quelques semaines, ou quelques mois) à d'autres organes (on parle de métastases par atteinte ganglionnaire)

  • les UVA et les UVB sont impliqués

  • les études montrent que :

    • ce sont les expositions intermittentes et violentes (coups de soleil) et particulièrement pendant l'enfance qui sont en cause

    • les peaux claires sont plus visées ...

  • la fréquence des mélanomes semble augmenter avec l'age (épuisement du capital soleil)

Effets sur l’œil :

• les UV peuvent atteindre différentes structures de l’œil

• UV < 260 nm sont arrêtés par la cornée (UVC)

• UV < 400 nm sont pratiquement tous arrêtés par le cristallin

• UVA :

  • jusqu'au cristallin voire plus loin chez l'enfant

  • les UVA sont les plus dangereux pour les yeux et peuvent être à l'origine d'une opacification du cristallin (ça s'appelle la cataracte)

• UVB :

  • absorbés partiellement par la cornée

  • absorbés totalement par les structures qui constituent la chambre antérieur de l’œil

  • endommage plutôt les cellules de la cornée

• les pathologies :

  • la photokératite :

    • l'exposition de la cornée aux UV qui déclenche une inflammation (= kératite) et une cécité passagère, réversible en quelque jours

  • atteinte de la rétine :

    • peu de risque d'altération aiguë de la rétine sauf en cas d'observation d'une source lumineuse très intense, ce qui peut entrainer une cécité irréversible

• danger des UV artificiels (séances de bronzage, arc à souder) :

  • les paupières laissent passer une partie des UV en cas d'exposition intense

    • obligation de porter des lunettes

Sources artificielles :

• trois sources d'UV artificielles :

  • sources d'UV artificielle professionnelle

  • sources d'UV artificielle pour le confort de vie

  • sources d'UV artificielle dans le milieu médical

• généralement ce sont des lampes émettant des spéctres particuliers d'UV :

  • lampes à radiation produite par incandescence

  • lampes à radiation produites par décharges électriques dans un gaz (basse ou haute pression)

• cas des lampes à décharge basse pression :

  • (éclairage bureaux, cabine de bronzage)

  • tubes fluorescents :

    • les UV produits, puis convertis en lumière visible (enduit fluorescent sur l'intérieur du tube qui absorbe les UV pour les transformer en lumière visilble)

    • selon les types de gz et de réactif fluorescent on va obtenir différents résultats :

      • UVB à spectre étroit (311 à 313 nm)

      • UVB à spectre large

      • UVA pur

• dans le cas des cabines de bronzage, l'enduit fluorescent émet seulement les UVA

Comments

[amidsan]

Merci beaucoup ! Y aura t il la suite du cours avant la colle ?