Was sind die physikalischen Prozesse, die daran beteiligt sind, sich durch das Sonnenlicht warm zu fühlen?

Angenommen, ein Mensch liegt an einem Strand. Er/sie beginnt sich warm zu fühlen, nachdem er/sie seine/ihre Haut dem Sonnenlicht ausgesetzt hat. Ich nehme an, dass das Gefühl auf die Fähigkeit des menschlichen Körpers zurückzuführen ist, den Temperaturanstieg der Haut zu „messen“.

Jetzt möchte ich verstehen, welche physikalischen Prozesse an diesem Temperaturanstieg beteiligt sind. Stellen Sie sich eine Gruppe von Photonen vor, die in einem bestimmten Zeitintervall auf die Haut auftreffen. Ich habe versucht, die möglichen Wechselwirkungen aus teilchenphysikalischer Sicht zwischen Photonen und dem menschlichen Gewebe aufzulisten, und ich kam zu dem Schluss, dass die möglichen Wechselwirkungen sein könnten:

  1. Photoionisation
  2. Compton-Streuung
  3. Rayleigh-Streuung
  4. Paarproduktion

Die ersten 3 scheinen vernünftig zu sein, aber die vierte erfordert eine zu hohe Energieschwelle: Es gibt keine einfallenden Photonen, die diese Energie haben könnten. Ich schließe das, indem ich das Spektrum des Sonnenlichts betrachte, das tatsächlich die Erdoberfläche unterhalb der Atmosphäre erreicht. Ich denke also, dass die Paarproduktion in dieser Situation keine Rolle spielt.

Gibt es noch andere Interaktionsprozesse zwischen Photonen und Gewebemolekülen, die an der Erwärmung des menschlichen Gewebes beteiligt sind?

Nachdem ich die Prozesse aufgelistet habe, frage ich mich, was eigentlich die Temperatur erhöht: Steigt die Temperatur, weil die Photonen-Molekül-Wechselwirkungen zu einem Übergang von Molekülen in angeregte Schwingungszustände führen? oder vielleicht Übergänge zu angeregten Rotationszuständen?

Ich dachte, dass eine andere Möglichkeit darin besteht, dass die Photonenwechselwirkungen die kinetische Energie der Wassermoleküle in der Haut erhöhen oder vielleicht die Gitterschwingung anderer Gewebe (Haut, Knochen oder andere) erhöhen. Finden diese Prozesse gleichzeitig statt? Einer dieser Prozesse (z. B. Übergang in angeregte Rotationszustände) dominiert die anderen ?

Ich suche nach einer qualitativen Antwort, ohne zu sehr auf die Biologie des menschlichen Körpers einzugehen. Ich möchte mir nur ein ungefähres Bild dieser Situation in meinem Kopf machen. Ich möchte ein mentales „Video“ erstellen, von dem Moment an, in dem ein Photon oder eine Gruppe von Photonen auf die Haut trifft, bis zu dem Moment, in dem Gewebemoleküle betroffen sind und die Temperatur zu steigen beginnt.

Ich danke im Voraus jedem, der diese Frage beantwortet.

Sie vermissen in Ihrer Liste die gute altmodische Photoabsorption, die meiner Meinung nach der relevanteste Prozess hier ist. Ich bin mir ziemlich sicher, dass die menschliche Haut normalerweise durch normales Licht nicht in hohem Maße ionisiert wird.
Dies ist wirklich eine biologische Frage, aber es gibt genug "Crossover", dass ich nicht dafür bin, hier zu schließen.

Antworten (1)

Sie haben die Aufnahme von Gartensorten vergessen! Hier befördert Licht Elektronen von niedrigeren Energiezuständen in höhere Energiezustände. Die Haut besteht jedoch aus vielen kleinen Partikeln, daher ist auch die Streuung wichtig.

Hier ist das mentale Video:

  1. Sonnenlicht beleuchtet die Haut.
  2. Das Licht trifft auf eine ungeordnete dielektrische Grenzfläche, die aus größtenteils transparenten Partikeln im Wellenlängenbereich besteht.
  3. Es kommt zu massiver Streuung (letztendlich angetrieben durch Brechung und Beugung) und das Licht dringt bis zu einer gewissen Tiefe in die Hautschicht ein.
  4. Gleichzeitig findet durch die Wechselwirkung des Lichts mit den Hautmolekülen eine kontinuierliche Photoabsorption statt. Dies regt die Elektronen zu höheren Nichtgleichgewichtsenergiezuständen an.
  5. Die Elektronen entspannen sich wieder in ihren Grundzustand, übertragen dabei aber ihre überschüssige Energie in Molekülschwingungen (Wärme).
  6. Diese Schwingungen aller Zellen innerhalb der Absorptionstiefe verschmelzen und breiten sich durch intermolekulares Gedränge (kein Fachbegriff) aus, bis sie die Nerven in der Haut erregen.
  7. Die Nerven senden ein Signal an das Gehirn, das die Person darüber informiert, dass die Haut jetzt warm ist.
Schöne Folge. Beachten Sie, dass ein zweiter Mechanismus für das „Hitzegefühl“ auftritt, wenn die Epidermis physisch geschädigt ist, dh Sonnenbrand, aber das zeigt sich eher später.
Das wirklich Coole daran ist, dass derselbe Absorptionsprozess (Photonen klopfen an Elektronen) der Beginn der Photosynthese ist. Abgesehen davon, dass es nicht nur Wärme erzeugt, sondern eine chemische Reaktion auslöst, die Kohlenstoffe aus CO2 herausschlägt
Was sind die physikalischen Prozesse, die daran beteiligt sind, sich durch das Sonnenlicht warm zu fühlen?
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