Ali bliskavice povzročajo škodo v pigmentih zaradi UV sevanja?

Avtor članka: Uroš Miklavčič

Ko sem pisal tale uvod sem se ravno poglabljal v knjigo z naslovom The Science of Discworld II: The Globe avtorja Terrya Pratchetta in dveh njegovih prijateljev Iana Stewarta in  Jacka Cohena. Knjiga je delno znanstvena, delno fikcija (to vsekakor ni isto kot znanstvena fantastika). Rdeča nit knjige so zgodbe – kako so zgodbe vplivale na našo evolucijo in razvoj civilizacije in celotne znanosti. Zgodbe so v pravih rokah lahko zelo močno orodje za motivacijo ali celo nadzor, v znanosti pa so zelo nevarna past v katero se ujame nemalo znanstvenikov. Ena izmed zgodb, ki mi je prišla na uho pred nekaj mesci gre nekako takole: Fotografi ne smejo fotografirati slikarskih in drugih starejših umetniških del v raznih galerijah in muzejih, saj bliskavice na fotoaparatih poleg vidne svetlobe oddajajo tudi nevarno UV sevanje, ki lahko poškoduje pigmente v umetniških delih.

Ker se mi je zdela zgodba iz trte zvita sem začel iskati literaturo na to temo in kmalu ugotovil, da je praktično ni. Vse kar sem našel je bil en članek kjer so dejansko merili spekter izsevane svetlobe neke bliskavice, ki je namenjena za UV fotografijo kar mi ni veliko pomagalo, saj je bliskavica narejena za to, da seva UV svetlobo. Zato sem se odločil, da izvedem svoje meritve.

V nadaljevanju si bomo najprej ogledali nekaj osnovnih pojmov, ki jih moramo razumeti za pravilno interpretacijo raziskave. Nato si bomo ogledali izsledke naših meritev in nato še oceno teh izsledkov.

Da razjasnimo osnovne pojme si najprej oglejmo kaj je UV svetloba kot je definirano na spletni enciklopediji Wikipedia [4]: »Últravijólično valovánje (kratica UV) je elektromagnetno valovanje z valovno dolžino krajšo od valovne dolžine vidne svetlobe, vendar daljšo od valovne dolžine rentgenskih žarkov. Območje ultravijoličnega valovanja lahko razdelimo na »bližnje UV območje« (valovna dolžina 380–200 nm) ter »ekstremno -« ali »vakuumsko UV območje« (200–10 nm). Pri preučevanju vpliva ultravijoličnega valovanje na okolje in zdravje človeka se pogosto območje razdeli na območje UV-A (380–315 nm), imenovano tudi dolgovalovno območje ali »črna svetloba«, UV-B (315–280 nm), imenovano tudi srednjevalovno območje, ter UV-C (280-10 nm), imenovano kratkovalovno ali »baktericidno« območje.«

Slika 1: valovne dolžine UV sevanja

Fotografska bliskavica je zgrajena iz vira svetlobe (žarnica), napajanja (baterija) in difuznega stekla (ki razprši izsevano svetlobo po večji površini). Prav slednji del pa je, kot se bo izkazalo, ključni del bliskavic v naši zgodbi.

Če opustimo kakšne eksotične rešitve in studijsko opremo ugotovimo, da vir svetlobe v bliskavicah pride v dveh okusih: Arc Xenon in LED (svetleča dioda) pri čemer so slednje prisotne pretežno v mobilnih telefonih.

Če si pogledamo spektralno porazdelitev izsevane svetlobe (spodaj) posameznega svetlobnega vira opazimo, da Xenonska sijalka seva svetlobo izjemno enakomerno od UV do IR področja, medtem ko ima bela svetleča dioda dve tipična vrha v svojem spektru in ne posega v UV področje kot tudi ne v IR področje.

Slika 2: Spektralna krivulje xenonske in živosrebrne svetilke [3]

 

Slika 3: Spektralan krivulja bele LED diode [2]

Naša zgodba se zapleta, saj imajo vse vgrajene bliskavice na fotoaparatih, kot tudi znanje bliskavice vgrajene Xenonske žarnice. To pomeni, da je v naši zgodbi očitno skrito zrno resnice.
Preden si pogledamo naše meritve si poglejmo zakaj je UV svetloba tako nevarna za pigmente in ostale materiale.

Veliko pigmentov in barvil absorbira UV svetlobo česar posledica je razbarvanje, zato slike in tekstil potrebuje dodatno zaščito tako pred dnevno svetlobo kot tudi umetnimi viri svetlobe, ki oddajajo UV sevanje. Stara umetniška dela, kot so akvareli in oljne slike, so zato shranjena tako, da na njih ne pada dnevna svetloba. Navadno okensko steklo sicer absorbira del UV svetlobe, a dragocena umetniška dela vseeno potrebujejo dodatno zaščito. Muzeji včasih namestijo črne zavese čez akvarelne in tekstilne umetnine. Akvareli so še posebej dovzetni za UV sevanje, saj akvarelne barve vsebujejo izredno malo pigmentov.

Kaj se torej dogaja na atomski oz. molekularno ravni? Če citiram kar je zapisal Prof. dr. Tomaž Zwitter s Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani v delu z naslovom Zaščita kulturnih spomenikov pred svetlobnim onesnaženjem ([1], strani 2, 3]): »Atomi so sestavljeni iz atomskih jeder in elektronov, ki posamezne atome vežejo v molekule in tudi sicer določajo kemične lastnosti snovi. Svetloba vpliva na elektrone v atomih. Elektron lahko zaradi absorpcije svetlobe preide v višje energijsko stanje, preneha kemijsko vezati sosednja atoma ali pa celo zapusti gostiteljski atom. Pomembna lastnost atomov je, da imajo energije njihovih elektronov lahko le določene vrednosti, ki so odvisne od vrste atoma in od atomov v soseščini, torej od kemijskih vezi. Tako ima tudi razlika med energijo elektrona pred absorpcijo svetlobe in po njej točno določeno vrednost.«

V nadaljevanju Tomaž zapiše še sledeče: »Cepitev kemijskih vezi je dokaj drastičen primer spremembe kemijskega stanja materiala in s tem od svetlobe povzročenih poškodb. Večina snovi zahteva za cepitev vezi energije, ki jih imajo le fotoni ultravijolične svetlobe tipa UV-C. Fotoni vidne ali infrardeče svetlobe imajo premajhno energijo, zato do cepitve ne pride ne glede na gostoto energijskega toka svetlobe. Svetloba tipov UV-A in UV-B, torej tista z energijami, večjimi od vidne svetlobe, vendar navadno premajhnimi za cepitev vezi, prav tako povzroča poškodbe. Elektron po absorpciji sicer ostaja vezan na atom, vendar preide v višje energijsko stanje in deluje kot prosti radikal. Lep primer je absorpcija v papirnih barvilih, ki jo v svoji odlični in prosto dostopni monografiji o staranju materialov obravnava Feller ([1], stran 51). Barvilo najprej vpije foton in preide v vzbujeno stanje. Taka vzbujena molekula barvila nato prenese vzbuditveno energijo na molekulo kisika. Ko vzbujeni kisik reagira z dvema molekulama vode, nastaneta dve molekuli vodikovega peroksida. Peroksid pa lahko bodisi razbarva barvilo bodisi poškoduje celulozo v papirnati podlagi. Večina poškodb muzejskih predmetov nastane s takimi verižnimi reakcijami, ki so včasih zelo zapletene. Tako ne smemo preuranjeno sklepati, da do poškodb ne bo prišlo, ker je energija fotonov premajhna za cepitev kemijskih vezi. Vzbujanje elektronov v višja vzbujena stanja namreč zahteva manjše energije od cepitve. Tako materialu lahko škodi že osvetljevanje z dolgovalovno ultravijolično ali modro vidno svetlobo.«

Ker smo videli, da fotografske bliskavice s svojimi xenonskimi sijalkami pokrivajo vsa štiri potencialno zelo škodljiva področja valovnih dolžin (UV-C, UV-B, UV-A in modro) se nam lahko začne svitati, da prvotna zgodba očitno stoji na zelo trdnih temeljih.

Da vse skupaj ni tako kritično kot se zdi pa bodo pokazale meritve, ki si jih bomo ogledali v nadaljevanju.

Meritve sem opravil na Naravoslovnotehniški fakulteti (Oddelek za tekstilstvo), ki spada pod Univerzo v Ljubljani, pod mentorstvom Jureta Ahtika. S pomočjo spektrofotometra X-Rite i1 sem izmeril spektralne porazdelitve izsevane svetlobe na vgrajenih bliskavicah v fotoaparatih Canon A590, Canon 550D, Canon 40D. Za primerjavo sem izmeril še spekter bliskavice na telefonu iPhone 4G. Nato sem izmeril še spekter izsevane svetlobe na zunanjih bliskavicah Canon SpeedLite 430 EX ter SpeedLite 430 EX II, Nikon Speedlight SB-900 ter na starejšem Braun 28CB. Opomba, ki je tu na mestu je sledeča: spektrofotometer X-Rite i1 meri spekter od 380 nm do 730 nm v korakih po 10 nm. Ker vemo, da UV svetloba sega krepko pod 380 nm obstaja možnost, da naslednje meritve ne kažejo popolnoma realne situacije. Ker boljše opreme nimamo tudi boljših meritev ni bilo mogoče opraviti. Dvom v korektnost meritev je tako popolnoma legitimen in v kolikor kdorkoli dokaže, da se pod 380 nm s spektralno krivuljo še kaj dogaja bom z veseljem spremenil mnenje. Dokler pa teh meritev ni, stojim za svojimi ugotovitvami, ki sledijo spodaj.

Oglejmo si najprej vgrajene bliskavice na fotoaparatih in iPhonu:

Kot lahko vidimo se spekter bliskavice na iPhonu lepo ujema s spektrom ki ga predvidevajo meritve najdene na spletu [3]. Če pogledamo ostale meritve pa kaj hitro opazimo, da niso popolnoma konsistentne z meritvami, ki so bile opravljene na goli žarnici [4]. Spektri so dejansko konsistentni s trditvami proizvajalcev, ki pravijo, da v svoje bliskavice vgrajujejo UV filtre. To je očitno pri strmem padcu spektralne krivulje na vseh grafih pri približno 400 nm valovne dolžine. Ali to pomeni, da smo razkrinkali laž, ki nam jo servirajo kustosi v galerijah? Spomnimo besed Tomaža Zwittra ki pravi: »Tako materialu lahko škodi že osvetljevanje z dolgovalovno ultravijolično ali modro vidno svetlobo.« To pomeni, da vgrajene bliskavice načeloma ne bodo povzročale škode zaradi oddanega UV sevanja, a bi ga lahko povzročile zaradi visokih stopenj sevanja v modrem področju. Vprašanje, kako močni bi morali biti ti bliski z določene razdalje in predvsem koliko bi jih potrebovali, da bi v pigmentih povzročili trajne poškodbe, tako ostaja odprto. Kar lahko z gotovostjo trdimo pa je, da vgrajene bliskavice ne morejo povzročiti škode zaradi oddanega UV sevanja, saj tega praktično ni. Seveda moramo v zakup vzeti dejstvo, da naš spektrofotometer meri le valovne dolžine od 380 nm do 730 nm v korakih po 10 nm kar se mi zdi v tem primeru relativno nenatančna metoda merjenja (v smislu razpona), a vseeno na zelo ilustrativen način pokaže tisti strm padec na spektralni krivulji, ki očitno nakazuje, da se načeloma v nižjih valovnih dolžinah res ne dogaja prav veliko.

Ista zgodba se ponovi tudi pri zunanjih bliskavicah. Tudi te uporabljajo xenonske sijalke in tudi te imajo vgrajene UV filtre, ki zaustavijo prodor UV sevanja. To velja tudi za starejšo Braunovo bliskavico. Rezultati meritev so spodaj:

Kot je razvidno iz meritev se zgodba ponavlja. Izredno podobne krivulje in vedno padec pri okoli 400 nm. Rahla izjema je le Braunov 28CB, ki ima malce drugačno spektralno krivuljo in kasnejši padec, kar lahko nakazuje na dejstvo, da filtri čez čas izgubljajo na svoji učinkovitosti filtriranja.

Ker so se vse meritve tako neverjetno ujemale sva z Juretom sklenila, da opraviva še eno meritev, ki bo pokazala ali je realno, da so dobljene meritve tako podobne ali ne. Odločila sva se, da odstraniva prednje steklo iz ene izmed bliskavic in meritve ponoviva. Jure je tako razstavil Canonovo bliskavico SpeedLite 430EX in jaz sem ponovil meritev. Po prvih skrbeh, ko sva ugotovila, da je za prednjim razpršilnim steklom še eno steklo, ki ščiti žarnico in bi lahko bilo to steklo nosilec filtra se je pri meritvah izkazalo, da je skrb odveč, saj so meritve pokazale tisto kar sva po tihem pričakovala. Padec je izginil:

To sedaj pomeni, da so bile tako prvotne meritve kot tudi trditve proizvajalcev popolnoma resnične. Bliskavice vsebujejo sijalke, ki so zmožne oddajati UV sevanje, a ga proizvajalci bliskavic uspešno zajezijo z vgradnjo filtrov v končne produkte. Verjamem, da bi meritve še bolj govorile v prid temu, če bi lahko odstranila še drugo stekelce v bliskavici, a sva zaradi bojazni, da bi s tem trajno uničila popolnoma delujočo bliskavico raje odnehala in se zadovoljila s tem kar sva izmerila do tedaj.

Kot lahko vidimo smo (delno) razkrinkali še eno dolgo živečo zgodbo. Res je, da bliskavice ne povzročajo škode z oddajanjem UV svetlobe, a na drugi strani tudi drži, da bliskavice teoretično lahko povzročijo škodo zaradi oddane svetlobe v modrem spektru. Kako realno je, da ta svetloba dejansko povzroči škodo pa je vprašanje na katerega nismo odgovorili. Da bi lahko odgovorili na to vprašanje bi bilo potrebno, sedaj ko vemo kaj meriti, meritve ponoviti in upoštevati moč svetlobnega toka, čas bliska in povprečno razdaljo bliskavice od nosilca pigmentov (platno, tapiserije, freske, itn … ).

Literatura

1. 1. http://www.arhiv.gov.si/fileadmin/arhiv.gov.si/pageuploads/KONSERVACIJA/publikacije/Svetloba_in_kult_dediscina.pdf
2. 2. http://www.kolumbus.fi/michael.fletcher/wht_led.gif
3. 3. http://www.olympusfluoview.com/theory/images/noncoherentsourcesfigure2.jpg
4. 4. http://sl.wikipedia.org/wiki/Ultravijoli%C4%8Dno_valovanje

 

Avtor članka: Uroš Miklavčič
Spletna stran avtorja: http://havoc.si/