42

ГЛАВА 1 ЗАЩИТА ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

1.1 Общая характеристика проблемы: человек в условиях повышенного уровня электромагнитного поля

Впроцессежизнедеятельностичеловекнаходитсявусловияхпостоянного воздействия электромагнитных полей естественного и искусственного (ан- тропогенного) происхождения.

Результатынаблюдений, исследованийсвидетельствуют, чтовсеживые организмыичеловекобнаруживаютвысокуючувствительностькэлектриче- скимимагнитнымполям, параметрыкоторыхблизкикестественнымпарамет- рамполейбиосферы.

Электромагнитные поля (ЭМП) естественных источников (геомагнитное поле, атмосферных разрядов, излучения звезд и галактик) влияют на формиро- ваниебиологическихритмов.

Выявлена взаимосвязь между солнечной и геомагнитной активностью, и состоянием здоровья человека, с увеличением солнечной активности увеличи- вается количество гипертонических кризов, инфарктов миокарда, психопатоло- гическихрасстройств.

В настоящее время в связи с интенсивным развитием радиосвязи, радио- локации, расширением сферы применения электромагнитной энергии для вы- полнения технологических операций, массовым распространением бытовых электрических и радиоэлектронных устройств большинство населения факти- чески живет в ЭМП искусственной (антропогенной) природы, обладающего весьмасложнойпространственной, временнойичастотнойструктурой.

Искусственные источники создают ЭМП значительно больших интен- сивностей, чем естественные. Клинико-физиологическими исследованиями ус- тановлено, что ЭМП искусственного происхождения играют определенную роль в развитии сердечнососудистых, онкологических, аллергических заболе- ваний, болезнейкрови, атакжемогутоказыватьвлияниенагенетическиеструк- туры. При систематическом воздействии ЭМП вызывают выраженные измене- ния в состоянии здоровья населения, в том числе у лиц, профессионально не связанных с источниками ЭМП, причем эффекты воздействия слабоинтенсив- ных полей могут носить отдаленный характер. Отмечена высокая чувст- вительность и поражаемость нервной системы, хрусталика глаза, семенных же- лез у мужчин, выявлены нарушения функциональной регуляции всех звеньев эндокринного аппарата, нарушение липидного обмена и ряд других отклоне- ний. Значительное число работ свидетельствует об отрицательном воздействии ЭМПнагенетическиеструктуры, клеточныемембраны, иммуннуюсистему, гор- мональныйстатус. В публикацияхпоследних лет активнообсуждается вопросо канцерогенной опасности ЭМП, так называемой, «промышленной» частоты - 50 ГцвРоссиииЕвропе, 60 ГцвАмерике.

43

Электромагнитные излучения антропогенных источников («электромаг- нитное загрязнение») представляют большую сложность с точки зрения, как анализа, такиограниченияинтенсивностейоблучения.

Электромагнитныеполя(ЭМП) широкоиспользуютвтехникеивбыту: в радиосвязи, телевидении, радиовещании, радиолокации, медицине, биологии, астрономии, геофизике,...

Применение новых технологических процессов улучшает условия труда, повышаетпроизводительность, комфортностьжизнедеятельности, что, вообще, способствуетувеличениюсреднейпродолжительностижизни.

Однако, наряду с благами, ЭМП обусловили появление ряда проблем по защите "персонала" и населения от воздействия ЭМП. Опасность воздействия, как переменных, так и постоянных ЭМП усугубляется тем, что они не обнару- живаютсяорганамичувстввплотьдо ЭМПоптическогодиапазона.

1.2 Определение ЭМП

Электромагнитное поле — это особая форма материи, посредством кото- рой осуществляется взаимодействие между заряженными частицами непод- вижными или движущимися зарядами (током). [1.1] Оно характеризуется взаи- мосвязаннымипеременнымиэлектрическогополяимагнитногополя.

Взаимная связь электрического и магнитного полей заключается в том, что всякое изменение одного из них приводит к появлению другого: перемен- ное электрическое поле, порождаемое ускоренно движущимися зарядами (ис- точником), возбуждает в смежных областях пространства переменное магнит- ноеполе, которое, всвоюочередь, возбуждает в прилегающихкнему областях пространствапеременноеэлектрическоеполе, и.т.д.

Таким образом, электромагнитное поле распространяется от точки к точ- кепространстваввидеэлектромагнитныхволн, бегущихотисточника[1.1].

Благодаря конечности скорости распространения электромагнитное поле может существовать автономно от породившего его источника и не исчезает с устранением источника (например, радиоволны не исчезают с прекращением токавизлучившейихантенне).

Т.е. порождение электромагнитного поля переменным магнитным полем и магнитного поля переменным электрическим приводит к тому, что электри- ческое и магнитное поля не существуют обособленно, независимо друг от дру- га. Компоненты векторов, характеризующих ЭМП, образуют, согласно теории относительности, единую физическую величину — тензор ЭМП, элементы которого преобразуются при переходе от одной инерционной системы отсчёта к другой в соответствии с Лоренца преобразованиями. ЭМП неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими час- тицами; приускоренномдвижениичастицЭМП«отрывается» отнихисущест- вуетнезависимовформеэлектромагнитнойволны[1.1].

Движение ЭМП происходит по направлениям, перпендикулярным к ли- ниям напряженности электрического и магнитного полей; движение сопровож-

45

терференцию; при распространении в неоднородных средах наблюдаются ди- фракцияволн, рассеяниеволнидругиеявления.

В диапазонах более коротких длин волн, в особенности, в диапазонах рентгеновского и γ - излучения, доминируют процессы, имеющие квантовую природу, и они могут быть описаны в рамках квантовой электродинамики на основе представлений о дискретности этих процессов. Т.е. при больших часто- тах электромагнитного поля становятся существенными его квантовые (дис- кретные) свойства, и электромагнитное поле можно рассматривать как поток квантов поля — фотонов. В этом случае классическая электродинамика непри- менима, и электромагнитное поле описывается квантовой электродинамикой

[1.1].

1.3.1 Параметры электромагнитных волн

Период и частота. Периодом, Т, электромагнитного колебания называют наименьший промежуток времени, по истечении которого повторяются значе- ниявсехвеличин, характеризующихколебание.

Частотой, f, электромагнитныхколебанийназываютчислополныхколебанийза единицувремени. Частотасвязанаобратнопропорциональноспериодомэлек-

тромагнитногоколебания: f = 1 .

T

Частота электромагнитного колебания (частота переменного ЭМП) имеетразмерность герц, Гц, (1 Гц=1 колебание в секунду). Кратными единица- миявляютсякилогерц(1 кГц= 103 Гц), мегагерц(1 МГц = 106 Гц) игигагерц(1

ГГц=109 Гц).

Круговой частотой, ω, переменного ЭМП называют число колебаний, которые совершаются

за 2π: единиц времени: ω = 2πf = 2π .

T

Круговая (угловая, циклическая) частота имеет размерность радиан в се- кунду, рад/с.

Скорость и длина волны. Электромагнитной волной называется распро- страняющееся в пространстве (или среде) переменное электромагнитное поле.

Скорость распространения электромагнитной волны, ν, определяется свой-

проницаемостьсредысоответственно;

µ=µ′µ0 , ε=ε′ε0

µ′, ε′ - относительнаямагнитнаяидиэлектрическаяпроницаемостьсредысоот- ветственно; µ0 , ε0 - магнитнаяиэлектрическаяпостоянныевакуумасоответст- венно.

В вакууме µ′ =1, ε′ =1 и скорость электромагнитной волны определяется извыражения:

46

где: с- скоростьсветаввакууме(однаизосновныхфизическихконстант) при-

ñ

µ0 = 4π·10-7 Гн/м- магнитнаяпостоянная; тогдаэлектрическуюпостоянную, ε0, можноопределитьизвыражения(1.3.1):

Для практических целей, в расчетах можно использовать значения скоро- сти света в вакууме (воздушном пространстве), с, и электрической постоянной, ε0, следующиезначения:

Длиной волны, λ, называется расстояние, на которое распространяется фронт электромагнитной волны за время, равное периоду колебаний в источни- ке, Т, (длину волны можно также определять как ближайшее расстояние между

точкамиЭМПсодинаковымифазами): l = ν , f

иливвакууме(ввоздухе): l = ñ . f

Длинаволныизмеряетсявметрах, м, (кратныеединицы: - см, 1 см=1·10-2

м; - мм, 1 мм=1·10-3 м; - мкм, 1 мкм=1·10-6 м; - км, 1 км=1·103 м).

Электромагнитные поля частотой, равной нулю, f=0, называются ста- тическими(электростатическимиимагнитостатическими).

Зоны воздействия ЭМП. У переменных ЭМП различают ближнюю и дальнюю зоны воздействия. Границы раздела ближней зоны (зоны индукции), где электромагнитная волна еще не сформировалась, и дальней зоны (зоны из- лучения, волновой зоны) определяются следующими простыми соотношения-

ми[1.2]:

- дляненаправленныхизлучателейиантенн

где: d - диаметрапертуры, м;

- дляантенндругихтипов:

где: L1, L2 - горизонтальныйивертикальныйразмерыантенны, м.

Взонеиндукции(ближнейзоне) электрическиеимагнитныеполяможно считать независимыми друг от друга, поэтому эту зону можно характеризо- вать как электрической, так и магнитной составляющими электромагнитного поля.

Интенсивность. В гигиенической практике интенсивность ЭМП харак- теризуетсяследующимивеличинамивдиапазонечастот0... 300 МГц;

-Е - среднеквадратическим значением напряженности электрического поля,

единица измерения ! вольт на метр (В/м); кратные единицы киловольт на метр(1 кВ=1·103 В/м), милливольтнаметр(1 мВ/м=1·10-3 В/м)

-Н - среднеквадратическим значением напряженности магнитного поля,

имеющей размерность ампер на метр (А/м) (кратные единицы килоампер на метр (1 кА=1·103 А/м), миллиампер на метр (1 мА/м=1·10-3 А/м), либо, В, маг- нитнойиндукцией, единицаизмерения- Тесла(Тл).

Переменноеэлектромагнитноеполеявляетсясовокупностьюдвухвзаи- мосвязанныхпеременныхполей- электрическогоимагнитного. Прирас- пространенииэлектромагнитнойволнывсреденапряжённостиЕиНсвязаны соотношением:

среде (величина безразмерная); ω - круговая частота электромагнитных колеба- ний, µ=µ′ ×µ0 - абсолютная магнитная проницаемость среды, Гн/м; σ - удельная

электропроводность среды, См/м; k = µσω2 - коэффициент затухания элек-

тромагнитной волны в среде, м-1; δ - глубина проникновения электромагнитной волнывпроводящуюсреду(толщинаповерхностногослоя), м.

Дляполяввакууме(воздушнойсреде) справедливосоотношение:

B= µ0 H

Ввоздухе, на расстояниях от источника больших длины волны, λ, (в

дальнейзоне), напряженностиЕиНсвязаныпростымсоотношением[1.2]:

где: Z0 - волновоесопротивлениевоздуха(вакуума), равное120π=377 Ом.

48

В диапазоне частот 300 МГц ... 3000 ГГц интенсивность ЭМП характери- зуется - плотностью потока энергии, ППЭ, выраженной в ваттах на метр квад- ратный (Вт/м2), которая показывает, какое количество энергии протекает за 1 сек. сквозь площадку в 1 м2, расположенную перпендикулярно направлению

распространения волны. Кратные единицы измерения ППЭ: - мкВт/см2, 1 мкВт/см2=1·10-2 Вт/м2; - кВт/м2, 1 кВт/м2=1·103 Вт/м2; - МВт/м2, 1 МВт/м2=1·106 Вт/м2; - ГВт/м2, 1 ГВт/м2=1·109 Вт/м2.

В вакууме (воздушном пространстве) для дальней зоны, с учётом соот-

ношений(1.3.2):

ППЭ=Е·Н,

Дляненаправленного источникаизлучения(коэффициентнаправленного излучения - G=1) при излучении сферических волн (в дальней зоне) плотность потока энергии может быть выражена через мощность, подводимую к излуча- телю, РИСТ (мощностьвантенне):

где: R - расстояниеотисточникаизлучениядоточкинаблюдения. Длянаправленногоисточникаизлучения(G>1) вдальнейзоне:

1.3.2 Спектр электромагнитных волн

Спектрэлектромагнитныхволнпочастотедостигает1023 Гц[1.1]. Взави- симости от энергии фотонов (квантов) ЭМИ подразделяют на область неиони- зирующихиионизирующихизлучений.

ВнастоящеевремяиспользуютсятришкалычастотЭМП:

-«радиотехническая» (принятая Международным консультативным ко- митетомпорадиосвязи(МККР), приведенав«Регламентерадиосвязи»);

-«медицинская», изложенная в документах Всемирной организации здравоохранения(ВОЗ);

-«электротехническая» (предложенная Международной электротехниче- скойкомиссией(МЭК)).

Втаблице1.1 представлена«радиотехническая» шкаласпектраЭМИ.

49

В таблицах 1.1, 1.2 отображено деление на диапазоны и поддиапазоны неионизирующих и ионизирующих ЭМИ по частоте и, соответственно, длине волныввакууме(ввоздухе).

с = λ

Таблица1.1

Международная классификация радиоволн

Таблица 1.2 составлена на основе «радиотехнической» шкалы, а так- жесиспользованием«Регламентарадиосвязи» [1.3] идругихисточников. В нейпредставленвесьспектрЭМИнеионизирующихиионизирующихизлу- чений.

50

частоты (СНЧ), инфранизкие частоты (ИНЧ), очень низкие частоты (ОНЧ), низкиечастоты(НЧ);

б) высокочастотного спектра: средние частоты (СЧ), высокие частоты (ВЧ), оченьвысокиечастоты(ОВЧ);

в) сверхвысокочастотного спектра: ультравысокие частоты (УВЧ), сверх- высокие частоты (СВЧ), крайневысокие частоты (КВЧ), гипервысокие частоты

(ГВЧ);

• оптическогосподдиапазонами:

- инфракрасноеизлучение(ИК- излучение), - видимое(электромагнитное излучение, воспринимаемоечеловекомкаксвет), - ультрафиолетовоеизлучение (УФ- излучение);

51

• лазерное излучение - это монохромное ЭМИ длин волн оптического диапазона.

Вгигиеническойпрактикекнеионизирующимизлучениямотносяттакже постоянныеэлектрическиеимагнитныеполя.

ИонизирующиеЭМИ: рентгеновское, γ- излучение.

Однако, нет четких границ диапазонов и поддиапазонов. Поэтому, про- ведение таких границ является условным. Принято деление на диапазоны и поддиапазоны по десятичному принципу. Исключение сделано лишь для диа- пазона видимых лучей; этот диапазон невелик и имеет довольно четко выра- женные границы, обусловленные свойствами человеческого глаза восприни- мать электромагнитные колебания как свет. Основными диапазонами ЭМИ яв- ляются: радиочастотный (радиоволн); оптический, объединяющий ИК, види- мый, УФ диапазоны; рентгеновское излучение (рентгеновы лучи); гамма излу- чение(гамма-лучи).

Граница между диапазоном радиоволн и ИК волн выражена весьма не- четко. Поэтому волны λ=1 мм ... 0,1 мм считают промежуточными между ра- диоволнами и ИК поддиапазоном. Однако, в настоящее время техника гене- рации и приема волн λ=1 мм ... 0,1 мм по применяемым способам ближе к ра- диотехнике, чем к ИК - технике и в "Регламенте" [1.3] они, однозначно от- несеныкдиапазонурадиоволн.

Рис. 1..2 Спектрэлектромагнитныхволн

Также нет четкой границы между УФ и рентгеновским излучением, и границырентгеновскогоизлученияиу- излученияперекрываются.

52

1.4 Механизм действия ЭМП на организм человека (как физический процесс)

Механизм действия ЭМП на организм человека пытались установить многие исследователи. П.П.Лазарев (1935 г.), подробно проанализировав об- ширный материал по биологическому действию ЭМП, предложил ионную теорию. Согласно этой теории: - т. к. в клетках живой ткани есть некоторое количество свободных заряженных частиц (ионов), то под воздействием внеш- негопеременногоЭМПворганизмевозникаюттокипроводимости, ориентиро- ванные по направлению электрического поля (Е – составляющей внешнего ЭМП) [1.4]. Токпроводимости– этодвижениесвободныхзарядов.

Напряженность E, В/м

Рис. 1.3. К объяснению теплового характера воздействия ЭМП на организм человека (а) - ионная теория, б) – дипольная теория)

При смене полярности электрического поля, Е, меняется и направление токов проводимости (два раза за период колебания); заряженные частички (ио- ны) поворачиваются(ориентируютсяпополю), приэтом, претерпеваюттрение, вследствие этого выделяется тепло, что ведет к повышению температуры орга- низма. Кроме того, у непроницаемых и полупроницаемых перегородок, мем- бран клетокпроисходит скопление ионов. Скоплениеионов может вызвать вы- падение коллоидов, сопровождающееся явлением перехода клетки из нормаль- ногоспокойногосостоянияввозбуждённое. Изменениявколлоидахпридейст- вии тепла и ионов неидентичные. При действии тепла осаждение коллоидов, как правило, является необратимым процессом, в то время как при действии ионов - обратимым, т. е. после исчезновения причины, вызвавшей увеличение концентрацииионов, частицысвернувшегосяколлоидавновьрастворяются.

Ноионнаятеориявсегонеобъясняла.

Позже П. Дебай, X. Закк (1936 г.) предложили другую теорию - диполь- ную. ПодвоздействиемвнешнегоЭМПнейтральные молекулы(воды, белков), из которых состоит тело человека, поляризуются; полярные молекулы (диполи) ориентируются по направлению электрического поля, образуют це- почки из диполей; образование цепочек связано с притяжением между части-

53

цами, т.е. связанные заряды образуют дипольные моменты, дипольные токи (токиполяризации).

Рис. 1.4. Под воздействием внешнего ЭМП в организме человека нейтральные молекулы поляризуются, и образуют цепочки из диполей

Под воздействием внешнего переменного ЭМП происходит движение (повороты по направлению Е– составляющей внешнего ЭМП) диполей за счет переменной поляризации; при поворотах диполей по направлению Е, диполи трутся друг об друга, при этом выделяется тепло и происходит нагрев тканей человека.

Обе теории признаны правомерными, поскольку одна из них (ионная) объясняет влияние ЭМП на заряженные частицы, а другая (дипольная) – на нейтральные молекулы [1.4, 1.5]. Эти теории раскрывают общие признаки ме- ханизмадействия ЭМП на организм, нопри этом онинеобъясняютпоследова- тельностибиологическихизменений.

Энергия ЭМП поглощается организмом человека, превращается в другой вид энергии – тепло. Эти теории объясняют тепловой характер воздействия ЭМП наорганизмчеловека. Этотепловаятеория.

Тепловой эффект является следствием поглощения энергии ЭМП (прояв- ляется, в основном, в диапазонах ВЧ и СВЧ). Чем больше напряженность поля ивремявоздействия, темсильнеепроявляютсяуказанныеэффекты.

Организм себя начинает защищать, увеличивается нагрузка на систему терморегуляции, кровеносныесосудырасширяются, увеличиваетсяпритоккро- ви к периферии тела, отдача тепла в окружающее пространство увеличивается, температура тела поддерживается в норме. Но механизм терморегуляции справляется до тех пор, пока интенсивность ЭМП не превышает теплового по- рога.

Избыточная теплота отводится до известного предела путем увеличения нагрузки на механизм терморегуляции. По мере увеличения поглощённой энергии ЭМП или с увеличением плотности потока энергии воздействующего ЭМП выше величины ППЭ=10 мВт/см2, называемой тепловым порогом, ор-

ганизм не справляется с отводом излишней теплоты, и температура тела повы- шается, чтоприводиткнеконтролируемомуповышениютемпературытела. Это приноситвредздоровью.

Наиболее интенсивно электромагнитные поля воздействуют на органы с большимсодержаниемводы.

Перегрев же особенно вреден для тканей со слаборазвитой сосудистой системой или с недостаточным кровообращением (хрусталик глаза, мозг, поч- ки, желудок, семенные железы, желчный пузырь и мочевой), так как кровенос- ную систему можно уподобить системе водяного охлаждения. Облучение глаз