Инкубатор:Биологическое воздействие на радиоволны и микроволны
 | Статья находится в Инкубаторе. |
Биологическое воздействие на радиоволны и микроволны — это влияние на организм человека электромагнитных полей,которые заложены в принципах функционирования органов и систем в самом человеке, основанные на электрических явлениях.
Спектр электромагнитных волн[править | править код]
Известно, что длины волн электромагнитных волн варьируются в очень широком диапазоне. Уточнение электромагнитной природы света позволило классифицировать и объединить все виды электромагнитного излучения в шкалу электромагнитных волн. Электромагнитные волны принято делить на радиоволны, микроволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Радиоволны создаются с помощью колебательных контуров и макроскопических вибраторов. Радиоволны могут существенно различаться по длине: от нескольких сантиметров до сотен и даже тысяч километров, что сравнимо с радиусом Земли (около 6400 км). Все радиодиапазоны широко используются в технике. Дециметровые и ультракороткие метровые волны используются в телекоммуникациях и радиосвязи с частотной модуляцией (FM), что обеспечивает высокое качество приема сигнала в диапазоне прямого распространения волн. Радиоволны метрового и километрового диапазона используются для радиосвязи на большие расстояния.
Для связи и радиосвязи используются волны, благодаря широкой модуляции которых хоть и теряется качество сигнала, но обеспечивается его передача на большие расстояния за счет отражения волн от ионосферы. Ионосфера отражает волны с длиной λ > 10 м. Примечательно, что в наши дни этот вид связи вытесняется спутниковой связью.
Волны дециметрового диапазона не могут охватить земной горизонт так, как метровые волны, и ограничиваются участком прямого распространения от передающей до принимающей антенны, который в зависимости от высоты антенны и мощности передатчика составляет от нескольких километров до нескольких десятков километров. Здесь на помощь приходят спутниковые транспондеры, которые отражают радиоволны, аналогично тому, как ионосфера делает это для метровых волн.
Микроволны — это поддиапазон радиоизлучения, который соответствует инфракрасному диапазону. Их также называют сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением, так как они имеют самую высокую частоту в радиодиапазоне. Длина волн микроволн варьируется от 1000 мм до 1 мм, что соответствует частотам от 300 МГц до 300 ГГц. Микроволны занимают промежуточное положение между ультракороткими волнами и инфракрасным излучением. Это промежуточное положение отражается на их свойствах: микроволновое излучение обладает свойствами как радиоволн, так и световых волн.
Реликтовое излучение доходит до Земли из всех направлений. Астрофизиков сегодня интересует излучение неба в микроволновом диапазоне из-за его неоднородностей. По их словам, они определяют, как формировались скопления галактик в ранней Вселенной, чтобы проверить истинность космологических теорий.
Сантиметровые волны, как и дециметровые и метровые радиоволны, практически не поглощаются атмосферой и поэтому широко используются в спутниковой и сотовой связи, а также в других телекоммуникационных системах. Атмосфера прозрачна для микроволн, что позволяет использовать их для связи со спутниками.
Источники радиоволн и микроволн[править | править код]
На Земле микроволны используются для решения повседневных задач, таких как разговоры по мобильному телефону или разогрев еды. Использование микроволновых печей основано на принципе быстрого вращения электронов, в результате чего электроны излучают электромагнитные волны определенной частоты, обычно 2,45 ГГц, которые легко поглощаются молекулами воды. Если мы поместим еду в микроволновую печь, содержащиеся в ней молекулы воды поглощают микроволновую энергию, преобразуя ее в тепло, в результате чего пища нагревается. Другими словами, в отличие от обычной духовки, где еда нагревается снаружи с помощью инфракрасного излучения, микроволновая печь нагревает ее изнутри.
Излучение СВЧ диапазона распространяется в направлении прямой видимости и может проникать через многие твердые предметы. Оно фокусируется и распространяется как луч, отражаясь от поверхностей. Высокоинтенсивное микроволновое излучение используется для бесконтактного нагрева материалов (термическая обработка металлов в бытовых и промышленных микроволновых печах), а также для радиолокации. Микроволновое излучение низкой интенсивности используется в средствах связи, таких как рации, мобильные телефоны (кроме первого поколения), оборудование Bluetooth, WiFi и WiMAX. Микроволновой диапазон интересен астрономам, поскольку в нем регистрируются метеориты. Реликтовое излучение, оставшееся со времени Большого взрыва (также известное как микроволновый космический фон), было излучено 13,7 миллиардов лет назад, когда горячая материя космоса стала проницаемой для самой себя. Из-за расширения пространства реликтовое излучение остыло, и сегодня его температура составляет 2,7 К.
Природные источники электромагнитных полей (радиоволн)[править | править код]
Солнечная радиация и космические лучи являются важными источниками внеземных природных полей. Солнечные взрывы и молнии также являются другими источниками радиочастотного излучения. Земля и даже человеческое тело излучают тепловое излучение с интенсивностью около 0,003 Вт/м² на частотах, превышающих 300 ГГц. Земля, подобно фильтру, защищает нас от части вредного электромагнитного излучения за пределами атмосферы. Электромагнитные волны, проходящие через этот фильтр, ограничены двумя частотными окнами: одно в диапазоне видимого света и другое в диапазоне от 10 МГц до 37,5 ГГц. Постоянные магнитные поля Земли состоят из основного поля и локального поля. Основное поле Земли является результатом движения расплавленного железа над твердым внутренним ядром Земли, а локальные поля возникают в результате намагничивания корковых пород Земли. Величина магнитных полей Земли варьируется от примерно 35 до 70 мкТл с средним значением около 50 мкТл (500 мГ) .
Синтетические источники радиочастотных электромагнитных полей[править | править код]
Передатчики телекоммуникаций, радиолокационные системы и радио- и телевизионные передатчики создают высокочастотные электромагнитные поля. Работники, работающие на башнях радио- и телевещания, подвергаются воздействию электрических полей с напряженностью 10 кВ/м и магнитных полей с интенсивностью выше 5 мА/м. Микроволновые печи также являются источниками производства радиочастотных электромагнитных полей, которые работают с выходной мощностью 600-600 Вт на частотах 915 и 2450 МГц. Эти поля чрезвычайно вредны при утечке. Наиболее важными источниками высокочастотных электромагнитных полей являются мобильные телефоны. Эти телефоны передают и принимают электромагнитные волны в диапазоне от 900 МГц до более чем одного ГГц . На частотах от 1 МГц до 1 ГГц электромагнитная энергия поглощается телом и превращается в тепловую энергию, что увеличивает температуру на один-два градуса, если скорость поглощения энергии увеличивается примерно с 4 ватт на квадратный метр. Поэтому волны на частотах около 27 МГц и 2450 МГц используются в терапевтических целях.
Механизмы биологического воздействия[править | править код]
В рамках Международной научной программы Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) по биологическим воздействиям электромагнитных полей (ЭМП) (1995-2006 гг.) сформулировано следующее положение: "Предполагается, что увеличение частоты таких медицинских последствий, как онкологические заболевания, изменения в поведении, потеря памяти, болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера, СПИД, синдром внезапной смерти внешне здорового ребенка и многие другие состояния, включая увеличение уровня самоубийств, являются результатом воздействия электромагнитных полей". Экспериментальные данные исследователей свидетельствуют о высокой биологической активности ЭМП во всех частотных диапазонах.
Электромагнитные поля только частично поглощаются тканями биологических объектов, поэтому биологический эффект зависит от физических параметров радиочастотных ЭМП, таких как длина волны (частота колебаний), интенсивность и режим излучения (непрерывный, прерывистый, импульсный с модуляцией), продолжительность и характер облучения организма (непрерывное, с перерывами), а также площадь облучаемой поверхности и анатомическая структура органа или ткани. Сочетание перечисленных параметров может привести к существенно различающимся последствиям для реакции облучаемого биологического объекта. Степень поглощения тканями зависит от способности отражения волн на границе раздела, которая определяется содержанием воды в тканях и их другими особенностями.
При относительно высоких уровнях излучаемых ЭМП современная теория принимает тепловой механизм воздействия. При относительно низких уровнях ЭМП (например, для радиочастот выше 300 МГц, интенсивность излучения менее 1 мВт/см²) принято говорить о нетепловом или информационном характере воздействия на организм. В этом случае механизмы воздействия ЭМП еще мало изучены.
При длительном многолетнем воздействии биологический эффект ЭМП накапливается, что может привести к развитию отдаленных последствий.
Вопросы дозиметрии ЭМП очень сложны. Величина поглощенной энергии определяется не только интенсивностью и частотой поля, но и размерами и формой объекта, распределением относительно векторов E и H, внутренней структурой, окружающей средой и многими другими трудно поддающимися расчету факторами. В упрощенном виде дозиметрия ЭМП для биологических объектов сводится к двум вопросам: какое количество энергии поглощено и где она сконцентрирована. В качестве такого параметра используется SAR (Specific Absorption Rate) или удельная поглощенная мощность (УПМ). УПМ представляет собой часть энергии ЭМП, поглощенной единицей массы объекта, и измеряется в Вт/кг или мВт/г.
Интенсивность воздействия, и, следовательно, характер ответной реакции любой биологической системы определяется величиной температуры, вызванной внешним облучением, или внутреннего поля. Глубина проникновения электромагнитной волны в ткани человека и животных зависит от частоты поля и содержания в них воды.
В общем можно сформулировать, что величина УПМ зависит от частоты ЭМП, ориентации облучаемого объекта относительно векторов E и H, падающей электромагнитной волны и принимает максимальные значения при определенных (резонансных) частотах. Условно кривую частотной зависимости показателя УПМ для человека можно разделить на несколько участков: до-резонансный (от крайне низких частот до 30 МГц), собственно резонансный (30-300 МГц, с резонансным максимумом около 70 МГц), резонанс отдельных частей тела - голова, шея (300-400 МГц), образование "горячих" точек (400-2000 МГц) и сверхрезонансный (свыше 2000 МГц).
Благодаря внедрению понятия УПМ и разработке практических методов его определения стало возможно сопоставлять результаты биологических экспериментов, проведенных различными методами, в различных условиях облучения и с различными объектами, частотными диапазонами, типами модуляции и т.д.
Нагревание биологического объекта является основным механизмом преобразования энергии ЭМП при высокой интенсивности. Изменение температуры тела может служить стартовым механизмом для развития различных реакций, уровень изменений которых зависит от терморегуляторных и метаболических характеристик конкретной функциональной системы организма.
На Международном симпозиуме в Варшаве в 1973 году была впервые принята классификация ЭМП в диапазоне частот 300 МГц-300 ГГц в соответствии с наблюдаемыми биологическими эффектами:
1)Высокие интенсивности (плотность потока энергии более 10 мВт/см²), при которых преобладают явные тепловые эффекты.
2)Средние интенсивности (плотность потока энергии 1-10 мВт/см²), при которых наблюдаются слабые, но различимые тепловые эффекты.
3)Низкие интенсивности (плотность потока энергии менее 1 мВт/см²), при которых отсутствуют или слабо выражены тепловые эффекты.
Тепловой механизм воздействия[править | править код]
Эффект взаимодействия ЭМП с биологической средой зависит от энергии поля, поглощенной в течение определенного времени, то есть от дозы излучения. Это основано на преобразовании энергии поля в тепло, которое происходит через два классических механизма, определяемых диэлектрическими свойствами биологического материала — индукцией токов и вращением/смещением молекул. Тепловой эффект является одним из основных механизмов воздействия электромагнитных полей на биологические ткани. Это происходит за счет преобразования радиочастотной энергии в тепловую, что приводит к повышению температуры тканей. В диапазонах частот до 10 МГц почти все живые ткани ведут себя как проводники, и выделение тепла связано в основном с проводимостью. На более высоких частотах, в ультравысокочастотном (УВЧ) и сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазонах, тепло выделяется за счет диэлектрических потерь.
Факторы, влияющие на выделение тепла[править | править код]
Количество тепла, выделяемого в различных тканях, зависит от их электрических характеристик, частоты электромагнитного поля и его интенсивности. При тепловом воздействии важную роль играют диэлектрические свойства тканей. Ткани с высоким содержанием воды наиболее подвержены нагреву, поскольку вода является сильным поглотителем в микроволновом диапазоне из-за высокой диэлектрической проницаемости. Этот эффект широко известен по микроволновым печам, где наиболее интенсивно нагреваются продукты с высоким содержанием воды. Таким образом, одно и то же электромагнитное поле может вызывать различное количество тепла в разных тканях.
Изменения в тканях[править | править код]
Исследования показывают, что значительное нагревание тканей возможно при воздействии электромагнитных полей низкой и высокой частоты с очень высокой интенсивностью, порядка 10^6 В/м для низких частот и порядка 10^2 В/м для СВЧ. Эти значения значительно превышают естественные уровни электромагнитных полей и используются в медицинских целях. При высоких уровнях интенсивности нагрев может быть настолько сильным, что возникают ожоги, некрозы, кровоизлияния и дегенеративные изменения клеток.
Медицинское применение[править | править код]
Тепловое воздействие микроволн применяется в медицине для лечения, например, рака (груди, простаты, кожи и других органов) с помощью метода микроволновой гипертермии. Раковые клетки содержат больше воды, чем нормальные, и поэтому под воздействием микроволнового сигнала (~2.45 ГГц) нагреваются сильнее, что делает их более подверженными разрушению кровотоком или химиотерапией. Например, раковые клетки меланомы содержат 82% воды по сравнению с 61% в нормальных клетках кожи.
Потенциальные вредные эффекты[править | править код]
Однако высокомощное микроволновое излучение может также вызывать вредные последствия. Ткани с высоким содержанием воды, такие как сетчатка глаза и мозговая ткань, особенно подвержены нагреву, особенно если они плохо кровоснабжаются. Длительное воздействие мощного микроволнового излучения (более 100 мВт/см²) может привести к катаракте (при нагреве на 3°C и более) и временной бесплодности у мужчин.
Глубина проникновения сигнала[править | править код]
Важно учитывать глубину проникновения микроволнового сигнала в ткани. На высоких частотах проникновение меньше, чем на низких. Примерно можно считать, что глубина проникновения составляет 0,1 длины волны. Для частот до 2,5 ГГц глубина проникновения составляет несколько сантиметров и уменьшается с увеличением частоты до менее 1 см. Это создает естественную защиту, при которой излучение не проникает глубже в ткани. Однако усиление воздействия может наблюдаться при резонансных эффектах, когда определенные органы (тело, голова и т.д.) резонируют на определенных частотах. Для большинства людей резонансное нагревание тела происходит в диапазоне 60-100 МГц, а резонансное нагревание головы достигается около 450 МГц.
Нетепловой механизм воздействия[править | править код]
Одним из современных направлений электромагнитной биологии является изучение физико-химических механизмов воздействия ЭМП на биологические системы, находящиеся на разных уровнях организации. Некоторые ЭМП хорошо известны и давно используются в промышленности, клинической практике и быту, например, сверхвысокочастотное, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения. ЭМП других частотных диапазонов, например, крайне высокочастотное (КВЧ ЭМП), изучается и применяется относительно недавно.
В настоящее время накоплено большое количество экспериментальных данных о биологической активности КВЧ ЭМП и КНЧ ЭМП. Биологические эффекты КВЧ и КНЧ ЭМП обнаружены на всех уровнях организации живых систем. Результаты многочисленных исследований свидетельствуют о том, что под воздействием КВЧ и КНЧ ЭМП изменяется поведение человека, электрическая активность его нервных и других электрически активных тканей, активность различных звеньев нервно-эндокринной и иммунной систем, метаболическая активность различных органов и тканей, активность отдельных звеньев внутриклеточной сигнализации, синтез белков и нуклеиновых кислот в клетках. Электромагнитное экранирование также вызывает значительные изменения в активности биологических процессов. Существуют теоретические и экспериментальные данные о влиянии КВЧ и КНЧ ЭМП на структурные и функциональные свойства белков и нуклеиновых кислот. Анализ литературы в области электромагнитной биологии свидетельствует о том, что эффекты ЭМП КВЧ и КНЧ, близкие по своим характеристикам к естественным и техногенным электромагнитным полям, проявляются у живых организмов на всех уровнях организации. При этом КВЧ и КНЧ ЭМП, как всепроникающий фактор, одновременно воздействуют на все ткани и клетки организма, поэтому на различных уровнях организации синхронно реализуются разноуровневые эффекты, которые на системном уровне проявляются как неспецифические адаптационные реакции. Такие неспецифические реакции возникают как на клеточном, так и на организменном уровнях. Следует отметить еще одну важную особенность воздействия электромагнитных факторов на живые системы. В экспериментальных исследованиях в большинстве случаев регистрируется ответ клетки или многоклеточного организма в пределах физиологической нормы, то есть в пределах, в которых реализуются обычные реакции на другие не повреждающие раздражители. И только при относительно сильном и длительном воздействии электромагнитных факторов регистрируются патологические нарушения, которые носят неспецифический характер. Поэтому исследователей часто интересует вопрос: может ли воздействие ЭМП на живые организмы носить какой-либо специфический характер? Если да, то на каких уровнях организации эта специфика проявляется? Ответ на этот вопрос невозможен без понимания механизмов воздействия электромагнитных полей на молекулярном, клеточном и организменном уровнях.
Характерные величины описивающие воздествия микроволн на человека[править | править код]
Воздействие ионизирующего излучения[править | править код]
При воздействии ионизирующего излучения (радиоактивного, ультрафиолетового, рентгеновского и пр.) важно значение имеет дозиметрия, то есть определение гигиенической дозы облучения (сверх фонового уровня), при которой работа с таким излучением считается относительно безопасной. Подобная дозиметрия применяется и к неионизирующим излучениям.
Основные физические величины при дозиметрии микроволнового излучения[править | править код]
Главной энергетической характеристикой микроволнового излучения является плотность потока энергии (S). Она представляет собой энергию, проходящую за единицу времени через единицу площади, перпендикулярную направлению распространения волны, и измеряется в Вт/м². Среднее значение плотности потока энергии называется интенсивностью электромагнитной волны.
Однако плотность потока энергии не учитывает, в какую ткань попадает это излучение и насколько она нагревается. Для этого введена новая физическая величина – удельная скорость поглощения (SAR). SAR – это важная дозиметрическая величина для измерения средней поглощённой микроволновой энергии в тканях человека или других биологических объектов. Среднее значение рассчитывается за период около 30 минут и по массе ткани для каждого 1 г (в США) или 10 г (в ЕС).
Зависимость SAR[править | править код]
SAR зависит прямо пропорционально квадрату среднего квадратичного локального электрического поля в ткани (|E|²) и проводимости ткани (σ), и обратно пропорционально плотности (ρ). SAR является количественной мерой локально поглощенной энергии в конкретной ткани in-vivo и измеряется в Вт/кг. Определение SAR затруднено из-за сложного характера взаимодействия электромагнитного поля с биологическим организмом.
Каждая страна устанавливает свои гигиенические нормы для неионизирующего излучения. В некоторых странах существуют нормы как для плотности потока мощности (S), так и для SAR. В частности, в США и ЕС установлены нормы для SAR, а в Болгарии – только для S. Существуют различия в нормах для населения и для персонала, работающего с таким излучением.
Гигиенические нормы и частотные диапазоны[править | править код]
Гигиенические нормы для населения в Болгарии и в других странах, могут различаться в 100 раз из-за различного понимания нетепловых механизмов воздействия. Например, нормы для S в Болгарии и странах ЕС существенно различаются. В США нормы для SAR различны для разных частотных диапазонов. Для частот до 1,34 МГц нормы для населения составляют до 100 мВт/см², затем падают до 0,2 мВт/см² для 30 МГц и остаются на этом уровне до 300 МГц. После этого нормы снова растут до 1500 МГц, достигая 1 мВт/см². В диапазоне 60-250 МГц наблюдаются резонансные максимумы SAR для всего тела.
Примечания[править | править код]
Несмотря на большое количество доказательств биологического воздействия КВЧ и КНЧ ЭМП, исследователи отмечают, что результаты, полученные различными учеными в разное время, трудно сопоставимы и часто противоречивы, что значительно затрудняет понимание как первичных, так и системных механизмов воздействия КВЧ и КНЧ ЭМП. Кроме того, в литературе очень редко рассматриваются вопросы возможного взаимодействия различных первичных механизмов воздействия этого физического фактора и их интеграции на клеточном и организменном уровнях.