Anales AFA Vol. 32 Nro. 4 (Enero 2022 – Abril 2022) 88-92
https://doi.org/10.31527/analesafa.2021.32.4.88
Física de la atmósfera, la tierra y el agua. Física del medio ambiente
ANÁLISIS DE LA IRRADIANCIA SOLAR UV PARA LA SINTESIS DE PRE-VITAMINA
D3 EN LA PIEL, EN ROSARIO, ARGENTINA
ANALYSIS OF THE UV SOLAR IRRADIANCE FOR THE SYNTHESIS OF PRE-
VITAMIN D3 ON THE SKIN, IN ROSARIO, ARGENTINA
A. Ipiña*1, G. López-Padilla2, A. L. Fisanotti3, M. Dávalos4 y R. D. Piacentini1
1 Instituto de Física Rosario – Universidad Nacional Rosario – Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y
Técnicas, 27 de Febrero 210BIS – (S2000EKF) Rosario – Argentina.
2 Facultad de Ciencias Físico Matemáticas – Universidad Autónoma de Nuevo León, Pedro de Alba S/N, Ciudad
Universitaria San Nicolás de los Garza (66451) – México.
3 Facultad de Ciencias Médicas - Universidad Nacional Rosario, Santa Fe 3100 (S2002KKT) Rosario - Argentina.
4 Investigadora Independiente, Monterrey (64810) - México.
Autor para correspondencia: email: ipina@ifir-conicet.gov.ar
ISSN 1850-1168 (online)
Recibido: 31/12/2020 Aceptado: 30/09/2021
Resumen:
En los últimos años, el estudio de la vitamina D ha aumentado debido al incremento en la incidencia de personas
que presentan niveles deficientes de esta vitamina. Pocos alimentos contienen vitamina D3 de manera natural,
siendo la principal fuente de obtención la radiación solar ultravioleta (UV), la cual desencadena la síntesis en la
superficie de la piel. En este estudio se determinó la irradiancia solar UV efectiva para la síntesis de pre-vitamina
D3 en la ciudad de Rosario, Argentina, utilizando tres métodos: a) Coeficiente de proporcionalidad, b) Ecuación de
Herman y c) Modelo TUV. Los valores se compararon para condiciones de cielo despejado al mediodía solar. Se
calcularon los Tiempos de Exposición Solar (TES) que alcanzan las dosis mínimas de radiación solar UV para la
síntesis de la pre-vitamina D3 y para producir eritema, en el periodo junio 2019 - mayo 2020. Se discute la
variación de los TES para acumular una dosis mínima para la síntesis de pre-vitamina D3 y aparición de eritema
con una fotoexposición del 25% de la superficie corporal (la cara, el cuello y los brazos).
Palabras clave: radiación solar UV, vitamina D, eritema, tiempos de exposición solar, Argentina.
Abstract:
In the last years, the study of vitamin D has raised due to the increase in the incidence of people who have deficient
levels of this vitamin. Few foods contain vitamina D3 naturally, the main source of obtaining the ultraviolet (UV)
solar radiation, which triggers the synthesis on the skin’s surface. In this study, the effective UV solar irradiance
for the synthesis of pre-vitamin D3 was determined in Rosario city, Argentina, using three methods: a)
Proportionality Coefficient, b) Herman’s equation and c) TUV model. The values were compared in clear sky
conditions at solar noon. The Solar Exposure Times (TES) that reach the minimum doses of solar UV radiation for
the synthesis of pre-vitamin D3 and erythema were calculated, along the period june 2019 - may 2020. The
variation of the TES to accumulate the minimum dose of pre-vitamin D3 and erythema with a photoexposure of
25% of the body (face, neck and arms) is discussed.
Keywords: UV solar radiation, vitamin D, erythema, solar exposure times, Argentina.
I. INTRODUCCIÓN
La vitamina D es una hormona que interviene en múltiples procesos en el cuerpo humano. Los más conocidos
(denominados clásicos), tienen lugar en el metabolismo fosfocálcico, regulando los niveles en sangre de calcio y
fosfato mediante distintos mecanismos. A medida que se fue avanzando con las investigaciones, se atribuyeron
muchas más funciones a la vitamina D (denominadas no clásicas), tales como la inmunomodulación y el control de
la presión arterial, entre otras.1–3 Además, su deficiencia se asoció a diferentes enfermedades, como la sarcopenia,
el Parkinson, el Alzheimer y la artritis reumatoidea.3–6 Incluso se la ha asociado a formas más graves de la
enfermedad por COVID-19.7
La principal fuente de vitamina D es la síntesis en la piel producida por la radiación solar UV, ya que muy pocos
alimentos la contienen de manera natural.8 La radiación solar UV que llega a la superficie terrestre varía en función
de la composición atmosférica (especialmente O3 estratosférico y troposférico), la ubicación geográfica, la hora del
día y los días del año. El intervalo UV es el más energético por fotón incidente (280-400 nm). Este intervalo
espectral desencadena las reacciones fotoquímicas fundamentales en los precursores de la vitamina D. En el caso
de los vegetales, se sintetiza vitamina D2 (ergocalciferol) a partir del ergosterol, mientras que en los seres humanos
se forma vitamina D3 a partir del 7-dehidrocolesterol (7-DHC) que se encuentra en las membranas plasmáticas de
los queratinocitos de la epidermis y en los fibroblastos de la dermis.9–11 Cuando este último interactúa con los rayos
UV sufre cambios conformacionales, dando como resultado la pre-vitamina D, la cual rápidamente se transforma a
vitamina D3 (colecalciferol) y se une a una proteína transportadora de la sangre. Sin embargo, para ejercer sus
efectos la vitamina D debe sufrir dos hidroxilaciones. La primera se da en el riñón, formando la 25-hidroxi-
vitamina D (calcidiol), y la segunda tiene lugar en el hígado, donde finalmente obtenemos la 1-25-dihidroxi-
vitamina D (calcitriol) o en otras palabras, la vitamina D activa.12
Por otro lado, la sobreexposición solar UV también puede producir efectos nocivos a largo plazo, que van desde el
fotoenvejecimiento, fotodermatosis hasta cánceres de piel y cataratas.13,14 Por esta razón es importante conocer los
Tiempos de Exposición Solar (TES) para iniciar la síntesis de la vitamina D3, sin provocar un daño a la piel (por
ejemplo, eritema). Para calcular los TES que producen un efecto biológico específico, se utiliza la definición de la
dosis efectiva:
22
11
400
250
tt
nm
t
t nm t
Dosis E S d dt E dt
(1)
donde
E
es la irradiancia solar espectral a nivel del suelo y
S
es el espectro de acción, que puede ser para: la
síntesis de la pre-vitamina D3 o generación de eritema. La irradiancia efectiva
t
E
, representa la irradiancia de pre-
vitamina D3 (
vitD
E
) o la irradiancia eritémica (
er
E
) según sea el caso. La integral de la irradiancia de un tiempo
1
t
a
2
t
, define la Dosis en unidades de J/m2. La Dosis Eritemica Mínima (MED por sus siglás en inglés) de un fototipo
II se encuentra en el rango 250-350 J/m2 con irradiación UVB,15 siendo la MED de referencia 2.5 la dosis eritémica
estándar.16 De manera análoga, la Dosis Mínima para generar los niveles adecuados de vitamina D3 (MDD por sus
siglas en inglés) es de 34 J/m2 con una exposición de cuerpo completo y de 136 J/m2 con una exposición del 25%
del cuerpo (brazos, cuello y cara).16,17 La MDD también se puede aproximar en términos de
1
4
MED (63 J/m2) para
un fototipo II.18 En este trabajo se presenta la estimación de la EvitD, mediante tres métodos: Coeficiente de
proporcionalidad,16 Ecuación de Herman19 y Modelo TUV.20 En particular, en este trabajo se utiliza el modelo
TUV en la determinación de los TES (
21
tt
) para acumular 1MED,
1
4
MED y 1MDD en la ciudad de Rosario,
Argentina.
II. MATERIALES Y MÉTODOS
Los datos de la columna total de ozono (O3) provienen de la Colección 3, OMTD3 v8.5, en Unidades Dobson
(DU), medidos por el Instrumento de Monitoreo de Ozono (OMI) para las coordenadas de la ciudad de Rosario,
Argentina. A bordo del satélite AURA-NASA, OMI realiza observaciones diarias en una superficie de 13 ×24
Km2 en el nadir, disponible en disc.gsfc.nasa.gov. Para las mediciones in situ de
E
se utilizó un
espectroradiómetro Optronic-OL756 con esfera integradora y para el índice UV, la estación meteorológica Davis.
Ambos instrumentos se encuentran ubicados en el Instituto de Física Rosario (CONICET-UNR), en la ciudad de
Rosario.
Coeficiente de proporcionalidad
La Commission Internationale de l’Eclairage (CIE) y la World Meteorological Organization (WMO) reportan la
siguiente relación:
vitD er
E k E
(2)
donde k tiene dos valores distintos en verano e invierno para una ciudad del hemisferio sur.16 En este trabajo, los
valores de k fueron obtenidos calculando
er
E
y
vitD
E
por medio de la Ec. (1) y las mediciones de
E
realizadas
bajo cielo despejado en verano e invierno (Fig. 1). Posteriormente, la sustitución de
er
E
y
vitD
E
en la Ec. (2)
determina
1.6k
en invierno y de
2k
en verano. Finalmente los valores diarios de
vitD
E
para ambas épocas del
año (21/Jun/2019 - 20/Sep/2019 invierno y 21/Dic/2019 - 20/Mar/2020 verano) se estimaron a partir de la
er
E
.
Esta irradiancia eritémica se deriva del índice UV medido al mediodía solar en cielo despejado por la estación
Davis. El índice UV es internacionalmente reconocido como medida de riesgo, en una escala de 0 a 20 (o más) y
resulta de multiplicar
er
E
por 40 m2/W.
FIG. 1: a) Espectros de acción de pre-vitamina D3 y eritémica, e irradiancia espectral solar medida en cielo
despejado, cerca de los solsticios de verano (28/Dic/2011) e invierno (23/Jun/2011), en la ciudad de Rosario. b)
Irradiancia ponderada por cada espectro de acción y estación del año.
Ecuación de Herman
Herman19 estableció una ecuación general de
vitD
E
para cualquier lugar geográfico:
3
200
RAF
vitD O
EU
(3)
donde el O3 es la columna total de ozono,
RAF
es el Factor de Amplificación de Radiación y
U
es una función de
ajuste, estos dos últimos dependientes el ángulo cenital solar
()
. La
vitD
E
en esta ecuación depende de la columna
total de O3 en el sitio en cuestión y de las funciones
RAF
y
U
, que a su vez dependen de la hora del día. Los
coeficientes de
U
y
RAF
se muestran en la Tabla 1, los cuales fueron obtenidos ejecutando el modelo TUV.
TABLA 1: Coeficientes 19 para obtener
()U
;
24
2 4 6
() 1
a c e
RAF b d f
Modelo TUV
El modelo Tropospheric Ultraviolet Radiation (TUV)20 emplea la ecuación de transferencia radiativa para obtener
la
E
a nivel del suelo, en los intervalos ultravioleta, visible e infrarrojo cercano. El modelo incorpora el perfil de
aerosoles cuya profundidad óptica (AOD) es de 0.34 a 340 nm (desde 5.24 km al espacio) y un perfil de O3
correspondiente a la atmósfera estándar de EE. UU. Entre los datos de entrada más relevantes se encuentran las
coordenadas del lugar (latitud, longitud y altura sobre el nivel del mar), AOD a 550 nm, reflectividad del suelo,
albedo de dispersión simple, coeficiente de Angstrom, fecha y hora del día. La columna total de O3 se toma la
medición diaria del instrumento OMI. Cabe destacar que esta medición satelital podría estar subestimada en
ciudades muy contaminadas (por ejemplo, Santiago de Chile) y tener diferencias significativas con respecto a las
mediciones terrestres.
Con el modelo TUV se calcularon los valores de
vitD
E
y
er
E
para las coordenadas de la ciudad de Rosario
(32.95°S, 60.62°W, 25 m snm). Las estimaciones se realizaron diariamente al mediodía solar local (entre las 12:00
- 13:00 h) en el periodo junio 2019 - mayo 2020.
Cálculo de los TES
Los valores de
vitD
E
y
er
E
derivados del modelo TUV fueron utilizados como base para calcular los TES. La Ec.
(1) fue resuelta sistemáticamente por un código en Python comenzando a la hora de máxima intensidad solar (
1
t
) y
terminando (
2
t
) al alcanzar: 1MED,
1
4
MED y 1MDD. Este proceso se repitió día a día, determinando el intervalo
de tiempo (
21
tt
) para generar las dosis a lo largo de todo el periodo.
III. RESULTADOS
La irradiancia pre-vitamina D3 calculada al mediodía solar empleando los tres métodos se muestra en la Fig. 2.
Como puede observarse, existe una alta similitud entre los resultados obtenidos con la Ec. de Herman y el modelo
TUV. La diferencia relativa promedio fue de 3.6% en verano y de 0.4% en invierno, respecto al TUV. Mientras
que las diferencias relativas en razón del Coeficiente de proporcionalidad con el TUV y la Ec. de Herman fueron
de: 8.5% y 8.4% en invierno, así como de 20.8% y 17.1% en verano, respectivamente.
FIG. 2: EvitD para la ciudad de Rosario obtenida con el Coeficiente de proporcionalidad, Ec. de Herman y Modelo
TUV.
Un estudio21 sobre el porcentaje de conversión de 7-DHC a pre-vitamina D3 en diferentes latitudes y épocas del
año, reveló que a latitudes mayores de
40
[S-N] en invierno, esta conversión es extremadamente ineficiente. La
magnitud de este porcentaje es inversamente proporcional a la latitud en ciudades del continente americano. El
máximo porcentaje de conversión a pre-vitamina D3 en Buenos Aires y Ushuaia lo alcanzaron en diciembre. Este
antecedente es semejante a los resultados obtenidos con los tres métodos de derivación de la
vitD
E
en Rosario, ya
que el máximo valor ocurre en diciembre (Fig. 2).
Para una exposición a partir del mediodía solar, en el periodo junio 2019 - mayo 2020 se estimaron los TES hasta
alcanzar las diferentes dosis (Fig. 3). En invierno los TES para alcanzar 1 MDD, se encuentran en promedio a los
14
5 minutos, mientras que para acumular
1
4
MED a los 11
3 minutos y para la aparición de eritema (1 MED) a
los 47
15 minutos. En verano, en promedio se requieren 4
1 min para alcanzar la dosis mínima de pre-vitamina
D3, para
1
4
MED 4
1 min y 15
2 min para la eritémica. Los TES para obtener 1 MDD y
1
4
MED tuvieron
valores semejantes, con una diferencia promedio de 1 min en ambas temporadas.
Para extender el análisis a otras latitudes, se incorporaron los valores de los TES obtenidos por dos estudios.22,23
Estos TES se muestran en la Tabla 2 para cada fototipo y dosis. Diaz et al. 2011 considera una SDDSA (dosis
ponderada por el espectro de vitamina D3), para una exposición del 9% del cuerpo (sólo la cabeza). Los valores
para las ciudades de Santiago de Chile y Punta Arenas, también fueron estimados con el modelo TUV en dos
fechas particulares de verano e invierno. Los TES para acumular un MED, en los tres estudios mostraron una ligera
concordancia. Sin embargo, en invierno Punta Arenas no alcanzó la dosis, excepto en un caso23 posiblemente
porque la dosis considerada es menor a las otras. Los TES en Santiago de Chile para acumular una MDD, fueron
más largos en el trabajo de Díaz et al. 2011, que los TES del presente estudio. El mismo trabajo reveló que 1 MDD
para Buenos Aires en verano, es alcanzada a los 13 min. A pesar de que esta ciudad se encuentra a 300 km de
Rosario, los TES se extienden también poco más del triple respecto al promedio obtenido con el modelo TUV (4
1 min). Esta diferencia se debe a que en nuestras estimaciones se considera un área de piel expuesta mayor (25%
del cuerpo).
FIG. 3: TES diarios para acumular 1
4MED, 1MDD y 1MED en una persona de un fototipo de piel II comenzando la
exposición a partir del mediodía solar.
TABLA 1: TES en minutos para cada dosis (x: no alcanzada) y fototipos obtenidos por Cabrera 2005 y Diaz et al.
2011 (celdas grises). Análisis del presente trabajo (celdas blancas) en un día de verano e invierno para acumular
1MED, ¼ MED y 1MDD.
IV. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES
El modelo TUV y la Ec. de Herman mostraron valores semejantes de
vitD
E
debido a que ambos métodos
consideran el O3 y el
como principales elementos de influencia. Sin embargo, los aerosoles atenúan la radiación
solar UV y podrían afectarla de manera importante cuando tienen lugar incendios en el Delta del río Paraná frente a
Rosario.24 Respecto a los valores derivados del Coeficiente de proporcionalidad, aunque su aplicación es práctica,
la aproximación depende del factor
k
de cada época del año.
El análisis comparativo de los TES para las MDD reveló que las principales diferencias se deben a los siguientes
factores: 1) la superficie expuesta del cuerpo (relacionada al valor de la dosis), 2) las condiciones de cielo
(despejado o nublado) y 3) la presencia de contaminación atmosférica. Por otro lado, estimamos que una MED en
Rosario se alcanza en promedio a los 15
2 min en verano, los cuales se encuentran en el intervalo esperado de
acuerdo a la latitud. Los TES calculados para una MDD y
1
4
MED indicaron una diferencia promedio entre ambos
de 0.5 min en verano y 3 min en invierno. Por lo tanto, es posible derivar los TES con relativa precisión, a partir de
la estimación de una MED.
El modelo TUV, la Ec. de Herman y el Coeficiente de proporcionalidad estiman valores de
vitD
E
para cielo
despejado, en consecuencia estos TES podrían ser considerados como un tiempo mínimo de exposición al sol,
mientras que los TES para acumular una MED pueden ser tomados como límite de tiempo superior. De esta
manera, podríamos obtener niveles adecuados de vitamina D3, evitando las consecuencias en la salud que provoca
su deficiencia, sin los efectos nocivos que conlleva la sobreexposición solar. Este estudio podría extenderse en un
futuro para analizar la contribución de los aerosoles troposféricos, así como la mezcla en altura con la capa límite
atmosférica en eventos de quema de biomasa.
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