Радіобіологія фул вершин (передмовалесс, вступлесс етс. едишн)

210

нм), видиме світло (750-380 нм) та ультрафіолетове випромінювання (380-10 нм).

Таблиця 9.1. Радіотехнічна класифікація електромагнітних хвиль

В цьому діапазоні проявляються не тільки хвильові властивості випромінювань, але і корпускулярні (властивості частинок), оскільки енергія квантів випромінювання вже достатня для збудження орбітальних електронів. Крім того, випромінювання цього діапазону об’єднані в один діапазон тому, що вони підпорядковуються законам геометричної оптики.

211

Частота (f) ЕМВ пов’язана з довжиною хвилі ( ) (для умов

розповсюдження у повітрі) співвідношенням: f c / ,

де с – швидкість світла.

К

Напрям

розповсюдження

Довжина хвилі (λ)

Рис. 9.1. Електромагнітна хвиля.

Примітка: Е і Н – відповідно вектори розповсюдження електричного і магнітного полів, К – вектор напрямку розповсюдження електромагнітної хвилі.

Електромагнітне поле – це особлива форма матерії, завдяки якій відбувається взаємодія між зарядженими частинками. Вона характеризується взаємозв’язком змінних електричного і магнітного полів: всяка зміна одного з них приводить до появи іншого. Змінне електричне поле, яке породжується зарядами, що прискорено рухаються, збуджує у суміжних областях простору змінне магнітне поле, що, в свою чергу, збуджує електричне поле і т.д. Таким чином, ЕМП розповсюджується від точки до точки простору у вигляді електромагнітних хвиль, які беруть початок від джерела випромінювання.

212

Електромагнітні хвилі (ЕМХ) – це електромагнітні коливання, які розповсюджується у просторі з кінцевою швидкістю, що залежить від властивостей середовища (рис. 9.1).

Розповсюджуючись у середовищах, ЕМХ, як і всякі інші, можуть зазнавати переломлення і відбиття на межі розподілу середовищ, поглинання, дисперсію, інтерференцію, дифракцію та розсіювання при розповсюдженні в неоднорідних середовищах тощо.

Встановлено, що при проходженні ЕМХ через речовину інтенсивність їх потоку внаслідок взаємодії з атомами і молекулами речовини зменшується у відповідності із законом Бугера:

I x I 0 e x ,

де І0 – інтенсивність падаючого випромінювання, Іх - інтенсивність на глибині х речовини, - коефіцієнт ослаблення, значення якого залежить від довжини хвилі випромінювання та природи речовини, з якою воно взаємодіє.

9.1. Одиниці виміру напруженості електричного та магнітного полів, індукції магнітного поля, щільності потоку

енергії

Електромагнітні випромінювання характеризуються декількома параметрами. Основні з них: напруженість електричного поля, напруженість магнітного поля, магнітна індукція та щільність потоку енергії.

За рекомендаціями Міжнародного комітету по неіонізуючим випромінюванням (IRPA) та Міжнародної асоціації по радіаційному захисту (INIRC) в діапазоні частот менше 300 МГц інтенсивність ЕМВ рекомендовано виражати напруженістю електричної і магнітної складових цього випромінювання. Напруженість електричного поля

(Е) визначають у вольтах на метр (В/м) або кіловольтах на метр

(кВ/м), враховуючи, що 1 кВ/м = 103 В/м. Напруженість магнітного поля (Н) визначають в амперах на метр (А/м). Позасистемною одиницею напруженості магнітного поля є ерстед (Е): 1 Е = 79,58 А/м.

В діапазоні частот більше 300 МГц рекомендовано користуватися поняттям щільності потоку енергії (ЩПЕ), яка виражається в ватах на квадратний метр (Вт/м2), враховуючи, що 1 Вт/м2 = 0,1 мВт/см2 = 100 мкВт/см2.

Для характеристики магнітних полів рекомендована величина, яка називається індукцією магнітного поля (В), що рівна силі, з якою магнітне поле діє на одиничний елемент електричного струму, що

213

розміщений перпендикулярно до вектору індукції. Одиницею виміру індукції магнітного поля є тесла (Тл). Індукція магнітного поля зв’язана з напруженістю цього поля наступним співвідношенням: 1 Тл = 7,965 А/м або 1 А/м = 0,1256 Тл. Позасистемною одиницею магнітної індукції є гаус (Гс), яка чисельно дорівнює ерстеду: 1 Гс = 1

Е = 10-4 Тл.

Напруженість магнітного поля (Н) зв’язана з індукцією цього поля (В) наступним співвідношенням:

Н=B/µ,

де µ - магнітна проникливість середовища.

9.2. Електромагнітні поля природного походження

Наша планета оточена електричним полем з середньою потужністю у поверхні Землі 130 В/м, яка зменшується за експоненціальним законом від середніх широт до полюсів та екватору, а також в міру віддалення від земної поверхні (на висоті 0,5 км в середньому 50 В/м, а 6 км – 10 В/м). Для електричного випромінювання Землі характерні річні (максимум в січні-лютому до 150 - 250 В/м, мінімум в червні-липні до 100 - 120 В/м) та добові коливання (зростання на 20-40% у вечірні години), а також випадкові зміни, що спричинені грозовими розрядами, пиловими бурями, завірюхами, опадами тощо. Напруженість електричного поля Землі збільшується над височинами (гори, горби, щогли, будівлі, дерева тощо).

Слід відмітити, що поверхня Землі в цілому електровід’ємна. Середня щільність електричного заряду Землі – 1,5 нКл/м2, що створює для всієї поверхні Землі заряд 5,7·105 Кл. Над Землею міститься надлишок позитивних електричних зарядів. За рахунок переміщення зарядів циркулює електричний струм, який між іоносферою і поверхнею Землі складає приблизно 1500 А.

Напруженість магнітного поля Землі в середньому складає 47,8 А/м (0,6 Е) на Північному та 39,8 А/м (0,5 Е) на Південному магнітних полюсах. Вона створюється на магнітних полюсах Землі, в основному вертикальною складовою, яка на екваторі надзвичайно мала. В той же час існують області на земній кулі, де величина цієї складової напруженості магнітного поля набагато вища („позитивні аномалії”) або нижча („від’ємні аномалії”) середнього значення.

Горизонтальна складова магнітного поля Землі максимальна на екваторі – 20 - 30 А/м (0,25 - 0,38 Е) і зменшується у полюсів до одиниць А/м (сотих долів Е).

214

Магнітному полю Землі притаманні коливання напруженості з 11-річними та 88-річними циклами, а також більш короткочасні неперіодичні зміни – магнітні бурі, які пов’язані з активністю Сонця.

Зміна одного з полів (електричного або магнітного) Землі викликає відповідні зміни іншого. Періодичні зміни електричного або магнітного полів спричиняють електромагнітне поле, яке поширюється в просторі.

Основним джерелом ЕМВ позаземного походження є Сонце. Його випромінювання лежить, в основному, в діапазоні 10 МГц – 10 ГГц, хоча спектр простягається і в менш частотну область, яка охоплює інфрачервоне, видиме, ультрафіолетове та рентгенівське випромінювання.

Щільність потоку енергії ЕМВ від Сонця на межі атмосфери Землі складає 1350 Вт/м2. Цю величину називають сонячною постійною. Атмосфера поглинає ЕМВ, тому на поверхні Землі воно знижується і на широті Києва в середньому складає 920 Вт/м2. Інтенсивність ЕМВ Сонця, як вже відмічалося, змінюється з 11-річним та 88-річними циклами, а також значно зростає при спалахах на Сонці.

Радіовипромінювання планет, інших, ніж Сонце, зірок, галактик та других космічних об’єктів за інтенсивністю значно менше, ніж Сонця.

9.3. Штучні джерела електромагнітних полів

Основні джерела штучних ЕМВ – радіопередавальні, радіотелевізійні та радіолокаційні станції, системи зв’язку, мережа високовольтних ліній електропередач (ЛЕП), розподільні установки, перетворювачі електроенергії, випрямлячі, трансформатори, пристрої електричних підстанцій та ін. Здатність ЕМВ нагрівати матеріали використовується в різних технологіях по обробці матеріалів, їх зварювання, в сушінні та термообробці продуктів харчування, фізіотерапевтичній медицині тощо. Наведений перелік штучних джерел ЕМВ далеко не вичерпує всіх існуючих. Деякі з них будуть обговорені нижче.

Безпосередніми джерелами ЕМВ є ті частини технічних приладів, які здатні створювати ЕМХ. В радіоапаратурі – це антенні системи, генераторні лампи, катодні виводи магнетронів, екрани електронних візуальних засобів виявлення інформації, розекрановані місця фідерних трактів та ін.; на установках по термообробці матеріалів – індуктори та конденсатори, узгоджуючі трансформатори, місця нещільного з’єднання фідерних ліній та їх розекранізації тощо.

215

Радіохвилі штучного походження мають діапазон з довжиною хвилі від 5 10-5 до 108 м (частотою від 6 1012 Гц до одиниць Гц). Застосування радіохвиль з тією чи іншою довжиною хвиль пов’язане з особливістю їх утворення, випромінювання та поширення.

Існує велика кількість різноманітних випромінюючих пристроїв для передачі інформації. Їх антени конструюють так, щоб створені електромагнітні промені мали конфігурацію (діаграму спрямованості), за якою випромінювання поширюється в межах певного сектору або напрямку. При роботі радіопристроїв виникає також розсіяне радіовипромінювання, яке діє на короткій (десятки метрів) відстані.

Інтенсивне ЕМП існує навколо передавальних радіота телестанцій, РЛС, радіонавігаційних станцій, а також навколо фідерів

– ліній від передавачів до антенних полів тощо.

Радари. Радіолокаційні станції (РЛС) оснащені, як правило, антенами дзеркального типу і мають вузьконаправлену діаграму випромінювання. Її ширина в горизонтальній площині складає декілька градусів. Ці станції працюють, в основному, на частотах від 500 МГц до 15 ГГц, але деякі з них – до 100 ГГц. Основною особливістю радіолокаційних станцій є те, що періодичне переміщення антени в просторі (коловий огляд) приводить до переривання опромінення. Тривалість опромінення реальних об’єктів за один період обертання антени складає десятки мілісекунд.

Слід відмітити, що РЛС аеропортів, слідкування за повітряним простором випромінюють цілодобово, в той же час деякі з РЛС, наприклад, метеорологічні радари – не більше 12 год на добу.

Радіолокаційні станції, за допомогою яких відбувається управління повітряним рухом (літальними апаратами, в тому числі літаками), можуть створювати на виході з антени ЩПЕ до 200 Вт/м2, навігаційних систем – до 4000 Вт/м2. Це приводить до значного збільшення інтенсивності ЕМВ у просторі і створює на місцевості зони з високою ЩПЕ.

Найнесприятливіші умови створюються у районах міст, у межах яких розміщені аеропорти.

Системи супутникового зв’язку. Такі системи складаються з приймально-передавальної станції на Землі і супутника, який знаходиться на орбіті. Діаграма направленості антени станцій супутникового зв’язку має вузьку направленість. У головному промені ЩПЕ може досягати до 50 кВт/м2 і навіть інколи більше на виході з антени, чим створює суттєві рівні випромінювання на значному віддаленні. Так, наприклад, станція супутникового зв’язку електричною потужністю 225 кВт, яка працює на частоті 2,38 ГГц,

216

створює на відстані 100 км ЩПЕ, яка дорівнює 2,8 кВт/м2. Слід відмітити, що розсіювання енергії від основного проміння незначне і виникає найбільше в районі розміщення антени. Саме тому для систем супутникового зв’язку, як і для РЛС, існує два основних випадки можливості переопромінення: 1) знаходження безпосередньо

врайоні розміщення антени; 2) наближення до вісі основного проміння.

Телета радіостанції. Передавальні радіоцентри (ПРЦ) розміщені

вспеціально відведених для них зонах. Вони включають приміщення, де знаходяться радіопередавачі, а також антенні поля, на яких розміщені антенно-фідерні системи (АФС). Розташування цих центрів може бути різним. Так, для великих міст характерно їх розміщення у безпосередній близькості, або навіть серед жилої забудови.

На території розташування ПРЦ, а нерідко і за їх межами, можуть спостерігатися підвищені рівні ЕМВ низької, середньої, високої, а для радіотехнічних передаючих центрів (РТПЦ) понадвисокої та ультрависокої частоти. Для кожного ПРЦ існує індивідуальний характер розподілення та інтенсивності ЕМВ, що спричиняє надзвичайну складність детального аналізу електромагнітної обстановки.

Для радіостанцій, які працюють в діапазоні довгих хвиль (довжина хвилі 10 - 1 км; частота – 30 - 300 кГц), на відстані однієї довжини хвилі або ближче до антени ЕМВ може досягати відносно великого рівня. Так, наприклад, на відстані 30 м від антени передавача електричною потужністю 500 кВт, який працює на частоті 150 кГц (довжиною хвилі 2 км) напруженість електричного поля може досягати 630 В/м, а магнітного – 1,2 А/м.

Радіостанції середніх хвиль (довжина хвилі 1 - 0,1 км; частота 0,3 - 3 МГц) за електричної потужності 50 кВт здатні створювати на відстані від антени 30 м напруженість електричного поля 275 В/м, а на відстані 100 м – 25 В/м. Напруженість магнітного поля за цих відстаней може досягати відповідно 0,6 і 0,05 А/м.

Вдіапазоні коротких хвиль (довжина хвилі 100 - 10 м; частота 3 - 30 МГц) передавачі радіостанцій мають звичайно меншу потужність і їх часто розміщують на дахах приміщень на висоті 10 - 50 м. За електричної потужності 100 кВт напруженість електричного поля на відстані 100 м може досягати 44 В/м, а магнітного – 0,12 А/м.

Антени передавача телевізійних станцій розміщують, як правило,

вмістах на висоті більше 110 - 180 м. При потужності передавача 1 МВт на відстані 1 км напруженість електричного поля може досягати 15 В/м. За менших відстаней вона зростає.

217

Стільниковий зв’язок. В останні десятиліття надзвичайно інтенсивно розвивається стільниковий зв’язок. У розвинутих країнах його абонентами є 80 - 90 % населення. Основними елементами стільникового зв’язку є базові станції (БС) та рухомі мобільні станції (МС), які підтримують радіозв’язок з БС. Базові станції радіоканалами зв’язані з мобільними радіотелефонами (МРТ). Як ті, так і інші, є джерелами ЕМВ в діапазоні ультрависоких частот (частотою від 463 до 1880 МГц). Технічні характеристики найпоширеніших систем стільникового радіозв’язку наведені в табл.

9.2.

В Україні найпоширенішими є 3 системи: NMT-450, GSM-900 та

GSM-1800.

Зв’язок БС підтримують з МРТ, які знаходяться в зоні їх дії в режимі прийому та передачі сигналу. Їх антени встановлюються на висоті до 100 м від поверхні землі на існуючих будовах (будинках, димових трубах тощо) або на спеціально споруджених щоглах. Приймально-передавальні антени БС бувають з коловою діаграмою направленості в горизонтальній площині або секторно направлені. Діаграма направленості у вертикальній площині має вигляд вузького проміння, де зосереджено до 90 % енергії випромінювання.

Необхідною умовою для нормального функціонування системи стільникового зв’язку є розміщення антен БС вище забудов, до яких прилягає будівля або щогла, на якій розміщена ця антена. Потужність БС, як правило, складає 10 - 100 Вт.

Антени БС мають змінний графік випромінювання, який визначається завантаженням, тобто наявністю дзвінків абонентів. У нічний час завантаження БС дуже низьке.

Мобільний радіотелефон – це малогабаритний приймальнопередавальний пристрій. Потужність його випромінювання залежить від стану каналу зв’язку з БС – чим вище рівень сигналу цієї станції в місці прийому, тим менша потужність випромінювання МРТ.

Максимальна потужність МРТ знаходиться в межах 0,125 - 1 Вт, але в реальній обстановці вона звичайно не перевищує 0,05 - 0,2 Вт.

При користуванні МРТ генератор ЕМВ знаходиться безпосередньо біля голови користувача. При роботі МРТ ЕМВ сприймається не тільки БС, але і тілом користувача, в першу чергу, його головою. В залежності від стану каналу “БС – МРТ”, потужності та частотного діапазону випромінювання МРТ голова користувача при розмові може поглинати до 70% енергії, що випромінюється МРТ. Безпосереднім джерелом ЕМВ за користування МРТ є антена. Інші вузли МРТ настільки малопотужні, що їх випромінювання можна не

218

брати до уваги. Слід зважити на те, що включений МРТ навіть в режимі очікування є джерелом ЕМВ.

Таблиця 9.2. Технічні характеристики систем найпоширенішого стільникового зв’язку

Вважається, що надмірне користування МРТ може спричиняти теплові ефекти (катарактогенні) і нетеплові (неврологічні, епідеміологічні і канцерогенні). Встановлено, що електромагнітне опромінення ультрависокими частотами головного мозку потужністю до 2 Вт/кг (що і притаманне мобільним телефонам), може привести до розвитку катаракти очей за надмірного користування телефоном – при підвищенні температури клітин головного мозку на 0,5 С і більше.

Вплив на нервову систему випромінювання МРТ може супроводжуватися підвищеною втомливістю, головними болями, тимчасовим погіршенням пам’яті та концентрації уваги. Подібні явища здатні накопичуватися. У деяких користувачів МРТ

219

відчувалося поколювання та підвищення тиску в області вуха, спостерігалося підвищення сухості, ламкості та випадіння волосся.

Показана можливість випромінювання МРТ сприяти підвищенню вмісту глюкози в крові, підвищенню кров’яного тиску, викликати розлади зору, появу дерматитів та екзем.

В дослідах з експериментальними тваринами встановлена можливість появи онкологічних захворювань (пухлин головного мозку). В Швеції при дослідженні хворих з пухлинами головного мозку (1997-2003р.р.) встановлено, що користування аналоговими МРТ призводить до збільшення ризику розвитку новоутворень головного мозку. Так, користування МРТ більше 10 років за розмов 2000 годин і більше підвищує цей ризик до 80%.

Дослідження негативного впливу випромінювання МРТ на стан здоров’я людей ще не завершені. Не зроблені ще остаточні висновки відповідними спеціалістами стосовно можливості появи онкологічних захворювань, катаракт, хвороби Паркінсона і Альцгеймера внаслідок змін в тканинах головного мозку під впливом випромінювання МРТ. Все ж таки, напевно, суттєве значення має час неперервного опромінення, тобто тривалість розмови. Слід враховувати, що тільки 30 % випромінювання слугує встановленню зв’язку з БС, а останні 70 % поглинаються тілом (в основному головою) абонента.

Необхідно враховувати потенційну можливість створення випромінюванням МРТ порушень у роботі різних медичних приладів, зокрема, кардіостимуляторів, слухових апаратів тощо. Незважаючи на те, що на відстані між такими приладами та МРТ більше 10 см ніяких порушень не виявлено, все ж пацієнтам з імплантованими дефібриляторами та регуляторами серцевого ритму рекомендовано не користуватися МРТ. У багатьох країнах Європи користування МРТ заборонено у медичних закладах.

Рівень безпеки МРТ зараз прийнято оцінювати в SAR (Specific Absorption Rates) – рівень випромінювання (емісії) у ватах (Вт) випроміненої енергії на 1 кг головного мозку (Вт/кг). Таким чином, SAR - це поглинена потужність випромінювання на одиницю маси головного мозку. В табл. 9.3. наведені значення SAR для деяких МРТ:

Таблиця 9.3. Значення SAR для деяких МРТ