Efekty termiczne w ciele człowieka wywołane szybkozmiennym polem elektromagnetycznym

Transkrypt

1 Efekty termizne w iele złowieka wywołane szybkozmiennym polem elektromagnetyznym Andrzej Przytulski Wydział Elektrotehniki, Automatyki i Informatyki Politehniki Opolskiej W artykule opisano jeden z bardziej znanyh i zbadanyh efektów w iele złowieka, powodowany szybkozmiennym polem elektromagnetyznym. Wskazano na zynniki deydująe o ilośi pohłanianego promieniowania, które bardzo zęsto nie są uwzględniane przy rozpatrywaniu tego zagadnienia. Opisano następstwa efektów termiznyh oraz sposoby ohrony przed mikrofalami. Słowa kluzowe: pole elektromagnetyzne w.z., mikrofale, efekty termizne, głębokość wnikania fali elektromagnetyznej, zęstotliwość rezonansowa, pomiary promieniowania w.z. połowie lat 80. XIX wieku, w państwah położonyh po obydwu stronah Oeanu Atlantykiego zazęły pojawiać się masowo sztuzne źródła pól elektromagnetyznyh, jakimi były wówzas generatory i linie przesyłowe prądu stałego bądź zmiennego. W tym drugim przypadku zęstotliwość napięia nie przekrazała zwykle wartośi 140 Hz [1, 2]. Do odbiorników energii elektryznej należały w pierwszym rzędzie lampy łukowe, żarówki oraz silniki i urządzenia grzejne. W 1897 r. włoskiemu konstruktorowi Gugielmo Maroniemu udało się przesłać pierwszy raz informaję za pomoą fal elektromagnetyznyh. Był to niewątpliwie pozątek lawinowego rozwoju urządzeń wykorzystująyh w swojej pray wysokie zęstotliwośi (w.z.). Najważniejsze źródła pól elektromagnetyznyh w.z. Fot. 1. Typowe anteny kierunkowe źródła promieniowania w.z. (wg [4]) Phot. 1. Typial diretional antennas HF radiation soures (a. [4]) Pola elektromagnetyzne wysokiej zęstotliwośi obejmują pasmo od 30 khz do 300 GHz, o odpowiada długośiom fal od 10 km do 1 mm. Zakres długih fal radiowyh mieśi się w graniah khz, fal średnih 300 khz 3 MHz, fal krótkih 3 30 MHz, a ultrakrótkih MHz. Telewizyjne staje nadawze wykorzystują zwykle zęstotliwośi w paśmie MHz. Źródłami fal elektromagnetyznyh w.z. są też inne urządzenia nadawzo-odbiorze: radiołąza, urzadzenia GPS, radia CB, różnego rodzaju radary (komunikayjne, lotnize, kosmizne, morskie i wojskowe) oraz wszystkie urządzenia z ekranami (telewizory, monitory komputerowe, wyświetlaze reklamowe i ekrany kin domowyh). Również znazna zęść sprzętu praująego w medyynie dostarza promieniowania elektromagnetyznego wysokiej zęstotliwośi. Przemysłowe piee indukyjne praują z zęstotliwośią dohodząą do 100 MHz, wysokozęstotliwośiowe spawarki do około 28 MHz, a przemysłowe i domowe kuhnie mikrofalowe do 2,45 GHz [3]. Impulsowe fale elektromagnetyzne w.z. rozprzestrzeniają się też podzas proesów załązania i wyłązania urządzeń elektryznyh, jak i zakłóeń w systemah energetyznyh. Największe emoje budzą jednak staje bazowe telefonii komórkowej, któryh sygnały nadawze zawierają się właśnie w pasmah w.z. (fot. 1) [4]. Efekty termizne i mehanizm ih powstawania Do obenej hwili w sposób zupełnie bezsporny opisano i wyjaśniono oddziaływania termizne fal w.z. W przeiwieństwie do pól niskiej zęstotliwośi organizm złowieka nie został wyposażony w reeptory ostrzegająe go przed dużym natężeniem pola elektromagnetyznego wysokiej zęstotliwośi. Dlatego też należy zahować szzególną ostrożność w kontakie z takimi właśnie polami, gdyż wystąpienie bodźa np. uzuia iepła jest w stu proentah równoznazne z wystąpieniem uszkodzenia tkanek lub komórek organizmu, przede wszystkim tyh, które nie posiadają termoreeptorów. Używają słowa reeptory dokonano tu pewnego skrótu myślowego, gdyż prawdziwe reeptory ostrzegająe przed intensywnym polem elektromagnetyznym nie istnieją. Jednak w przypadku pól wolnozmiennyh o dużyh natężeniah można wnioskować o ih obenośi np. poprzez elektryzowanie się włosów zyli efekt fizyzny [5, 6, 7, 8]. Fale elektromagnetyzne, wnikają do wnętrza iała, ulegają tłumieniu. Natężenia pól dla składowej elektryznej i magnetyznej zanikają według funkji eksponenjalnej. Zjawisko to przedstawiono poglądowo na rys. 1. Szybkość, z jaką są one tłumione zależy w bardzo dużym stopniu od zęstotliwośi. Opróz tłumienia zmieniają się też parametry samej fali, zyli jej długość i prędkość propagaji. Zmniejszenie szybkośi rozprzestrzeniania się wg zależnośi (1) powodowane jest przede wszystkim zwiększoną przenikalnośią elektryzną iała w stosunku do przenikalnośi powietrza równego w przybliżeniu przenikalnośi próżni. n = 1 e m gdzie n szybkość rozprzestrzeniania się fali w iele złowieka, e przenikalność elektryzna, a m przenikalność magnetyzna iała. (1) 145

2 Zamiana pohłoniętej energii elektryznej promieniowania na iepło zależna jest w dużym stopniu od rozkładu pola elektromagnetyznego w tkankah, a tym samym od ih właśiwośi elektryznyh. Na graniah tkanek o różnyh właśiwośiah (w szzególnośi przy skokowyh zmianah przenikalnośi elektryznej e) dohodzi do załamań i odbić linii pola, o w konsekwenji prowadzi do powstawania fal stojąyh. Tworzą się wtedy obszary z bardzo nierównomiernie rozłożoną gęstośią objętośiową moy zwane hot spots, zyli gorąe plamy. Oblizenie wydzielonego w takih punktah iepła jest bardzo trudne. Ilość zaabsorbowanej energii zależy, w bardzo dużym stopniu, od stosunku długośi fali do wymiarów iała (rys. 3). Rys. 1. Płaska fala elektromagnetyzna wnikająa do iała złowieka ulega nie tylko tłumieniu, ale zmienia diametralnie swoje parametry długość i szybkość rozprzestrzeniania się (wg [9]) Fig. 1. The plane eletromagneti wave, while penetrating the human body, is not only suppressed but also hanges its parameters diametrially its length and veloity of spread (a. [9]) O ile dla przenikalnośi magnetyznej względnej m r wewnątrz iała można przyjąć wartość równą jednośi (m =m 0 m r), to dla względnej przenikalnośi elektryznej e r jest to lizba dohodząa w pewnyh partiah iała do kilkudziesięiu (e =e 0 e r ). Nie zależy ona tylko od rodzaju tkanki, ale również od zęstotliwośi (rys. 2). Rys. 2. Zależność przenikalnośi względnej i przewodnośi tkanek bogatyh w wodę od zęstotliwośi (wg [9]) Fig. 2. The dependene of relative permeability and ondutane of tissues abounding in water on frequeny (a. [9]) Ze wzoru (2) wynika wprost, że przy stałej zęstotliwośi fali f zmniejsza się też jej długość l. Po wyjśiu z iała powinna ona powróić do swoih pierwotnyh parametrów, tzn. pozątkowej długośi i szybkośi rozprzestrzeniania się. l n = (2) Ze względu na dużo większą przewodność właśiwą iała 0,1 1 S/m, (w tkankah o dużej zawartośi wody 0,3 10 S/m rys. 2) wobe przewodnośi powietrza S/m, fala jest tam o wiele szybiej tłumiona, a jej zaabsorbowana energia zamieniana na iepło. Miarą tego zjawiska jest tzw. SAR (Speifi Apsorption Rate), podająy mo przypadająą na jednostkę wagi iała w W/kg. Ilość pohłanianej moy przez dobrze przewodząe tkanki np. mięśnie, zy dobrze przewodząe płyny ustrojowe, jest znaznie większa od tej absorbowanej przez tłuszze lub kośi. f Rys. 3. Zależność zęstotliwośi rezonansowyh wnikająyh fal w.z. od wzrostu złowieka Fig. 3. The dependene of resonane frequenies of waves penetrating the human body on the height of a person Rezonans występuje wówzas, gdy wzrost równy jest połowie długośi rozprzestrzeniająej się fali. Ze względu na rozmiary iała zęstotliwośi rezonansowe dla złowieka leżą w szerszyh pasmah niż np. dla radioodbiornika. Dla mężzyzny mierząego 170 m (rys. 3, lewa strona) zęstotliwośi rezonansowe leżą w przedziale MHz. Częstotliwośi takie używane są przez nadajniki UKW. Dla sześioletniego dzieka (rys. 3, prawa strona) zęstotliwośi rezonansowe zawierają się w graniah MHz i używane są m.in. przez nadajniki telewizyjne. W liznyh publikajah opisano wyniki badań, oddziaływania pól elektromagnetyznyh w.z. prowadzonyh na szzurah lub myszah. Dla zwierząt tyh zęstotliwośi rezonansowe leżą w zakresah gigaherowyh i z tyh też względów nie można przenosić uzyskanyh wyników bezpośrednio na złowieka. Jako przykład może służyć mysz, która przy zęstotliwośi rezonansowej 2 GHz absorbuje około sześćdziesięiokrotnie więej energii na jednostkę wagi iała niż złowiek [10]. 146

3 Bardzo uważnie należy przyjrzeć się głębokośi wnikania fali elektromagnetyznej do wnętrza organizmu, gdyż zależy ona głównie od zęstotliwośi (rys. 4) oraz zawartośi wody w tkankah. Dla tkanek tłuszzowyh i kośi głębokość wnikania fali o zęstotliwośi 0,3 GHz wynosi 32 m. Dla mięśni i skóry przy 10 GHz nie przekraza 0,34 m. Znają zęstotliwość źródła promieniowania w.z. i parametry elektryzne iała, można będzie określić, do jakiej głębokośi zahodzić będą przemiany fal elektromagnetyznyh na iepło. Rys. 5. Wnikanie fal elektromagnetyznyh o różnej długośi (zęstotliwośi) w iało złowieka Fig. 5. Eletromagneti waves of various lengths (frequenies) penetrating the human body Jak hronić się przed promieniowaniem elektromagnetyznym w.z. Rys. 4. Głębokość wnikania fali elektromagnetyznej do iała w zależnośi od zęstotliwośi i zawartośi wody w tkankah (wg [9]) Fig. 4. The penetration depth of eletromagneti waves in the human body depending on the frequeny and water ontent in tissues (a. [9]) Wartośi d uzyskuje się z oblizeń dotyząyh wnikania fali elektromagnetyznej do środowiska dobrze lub słabo przewodząego [11, 12]. Kryterium określająe, zy środowisko jest dobrze, zy słabo przewodząe, ma następująą postać: f g = g, (3) 2pe gdzie f g jest zęstotliwośią granizną zależną od przewodnośi środowiska g i jego przenikalnośi elektryznej e. Środowisko jest uznawane za dobrze przewodząe, jeżeli przy danyh jego parametrah g i e, zęstotliwość jest na tyle mniejsza od zęstotliwośi graniznej, że prądy przesunięia dielektryznego można pominąć. Fale długie (o małej zęstotliwośi) przenikają przez iało prawie bez tłumienia, natomiast mikrofale zostają stłumione do zera na bardzo małyh głębokośiah (rys. 5). Według zależnośi (4) [11, 12] można oblizyć umowną głębokość wnikania fali d dla środowiska dobrze przewodząego: 2 d =, (4) wmg gdzie w jest pulsają fali, µ przenikalnośią magnetyzną iała, a g jego przewodnośią. Umowną głębokośią wnikania fali elektromagnetyznej nazywa się odległość od powierzhni przewodnika, na której amplituda fali maleje e-krotnie. Przyjmuje się, że warstwa przewodząa o głębokośi ztereh d ałkowiie wytłumia falę. Do najbardziej skuteznyh środków ohrony należy ekranowanie źródła pól na zasadzie klatki Faradaya. Osłabienie gęstośi moy po zastosowaniu mosiężnego oplotu przedstawiono poglądowo na rys. 6. Innymi sposobami są: obniżenie moy nadajnika lub ałkowite jego wyłązenie oraz wytyzenie strefy niebezpieznej i odgrodzenie jej w taki sposób, aby nie było do niej dostępu. Poza tym stałej kontroli lekarskiej należy poddawać personel przebywająy w miejsah o zwiększonej moy promieniowania, jak również zapewnić mu odpowiednie ubrania ohronne. Źródłami niepożądanego i potenjalnie niebezpieznego promieniowania w.z. w urządzeniah wykorzystująyh mikrofale są: nieszzelnośi obudowy ekranująej lub płaszzy przewodów konentryznyh, zaniezyszzone lub zaśniedziałe powierzhnie wtyzek, kabli lub kołnierzy falowodów. Dlate- Rys. 6. Osłabienie gęstośi moy promieniowania generatora spawarki wysokozęstotliwośiowej (około 28 MHz) przez mosiężny oplot o średniy ozek około 1 mm, a) po ekranowaniu, b) przed ekranowaniem Fig. 6. The weakening of the radiated power density of a high-frequeny welder generator (about 28 MHz) by a brazen braid with the diameter of meshes of about 1mm, a) after sreening, b) before sreening 147

4 go użytkowanie tyh urządzeń odbywać się może tylko w doskonałym stanie tehniznym. Osoby, które zmuszone są do przebywania w sąsiedztwie silnego emitera mikrofal muszą być bezwzględnie od niego ekranowane. Wizjery i inne otwory tehnologizne muszą być zbudowane w sposób gwarantująy tłumienie szkodliwego promieniowania. Wydobywać się mogą na zewnątrz tylko fale o niskih zęstotliwośiah. Średnie kształtek rurowyh otworów muszą spełniać warunek: D < l min 6e r i mieć wystarzająą długość w elu zapewnienia odpowiedniego tłumienia. Istnieje niebezpiezeństwo, że wolnostojąe ekrany blaszane wpadną w rezonans i utworzą nowe źródło promieniowania na zewnątrz. Wiele firm produkuje ekranująe ubrania z metalizowanego nylonu oraz okulary z gęstą metalową siatką. Nowośią są marynarki i kurtki ze spejalną kieszenią na telefony komórkowe (fot. 2). Produeni gwarantują osłabienie promieniowania niemal w 100 %. Metody pomiarów pól elektromagnetyznyh w.z. Pomiary natężeń pól elektryznego i magnetyznego w zakresie w.z. odbywają się analogiznie jak pomiary pól niskiej (5) zęstotliwośi. Szzególną uwagę należy zwróić przy tym na to, aby długość anteny pomiarowej była krótsza od długośi mierzonej fali. Dla bezpieznyh pomiarów mikrofal jest do dyspozyji spora lizba spejalistyznyh mierników. Szzególnie w Niemzeh można spotkać wiele tego rodzaju przyrządów, od bardzo prostyh (i mało preyzyjnyh) w enie już od 100, do urządzeń bardzo wysokiej klasy, któryh koszt zamyka się w kwoie kilku tysięy EUR. Pomiary dokonywane są za pomoą zujnika bezkierunkowego. Antena zamknięta jest w kulistej osłonie. Wyświetlaz oddalony jest znaznie od zęśi mierząej, tak aby wyeliminować zakłóenia wprowadzane przez iało złowieka i przez sam miernik. Czujnik składa się z zespołu trzeh dipoli ustawionyh względem siebie pod kątem prostym. Obiążenie ih stanowią termoelementy, diody lub termistory [13]. Sygnałem wyjśiowym z tyh elementów są napięia stałe, proporjonalne do gęstośi moy lub zmiany ih rezystanji pod wpływem iepła, będąego efektem termiznym wyhwytywanego promieniowania. Fot. 3 przedstawia jeden z przyrządów pomiarowyh oferowany w Niemzeh. Mimo dosyć wysokiej eny (około 5800 ) miernik ten ma istotne wady. Największą z nih jest to, że zakres pomia- Fot. 3. Jeden z mierników natężenia pola elektryznego w paśmie od 100 khz do 3 GHz (wg [14]) Phot. 3. One of the eletri-field intensity meters, measuring in the ranges of 100kHz to 3GHz, is offered for 5800 on the German market (a. [14]) rowy zamyka się w graniah od 100 khz do 3 GHz. Oznaza to, że w wyniku pomiaru otrzymuje się wartośi natężenia pola ze wszystkih składowyh zęstotliwośiowyh leżąyh w podanym paśmie. Nie można wię powiedzieć, z jakiego źródła (np. ze staji telefonii komórkowej) pohodzi promieniowanie i zy przekraza ono zaleane granie. Profesjonalne przyrządy pomiarowe praują, wykorzystują metody selekji zęstotliwośi. Tylko pomiary z ih użyiem gwarantują poprawny i pozbawiony wątpliwośi wynik. Można wię zmierzyć mo promieniowania poszzególnyh staji nadawzyh. Zastosowane analizatory spektralne przedstawiają wyniki pomiarów najzęśiej na ekranie, obrazują właśnie ih pasma zęstotliwośi i mo promieniowania. Natężenia pola elektryznego z poszzególnyh źródeł rozróżniane są z dokładnośią do 0,001 V/m. Koszt najtańszego przyrządu pomiarowego działająego według takiej zasady wynosi Spotykane w Niemzeh analizatory spektralne promieniowania kosztują wielokrotność wymienionej kwoty. Fot. 2. Kieszeń MOBILE SAFE męska kurtka wyprodukowana przez zeską firmę Blažek, zastosowany materiał redukuje, jak zapewnia produent radiaję o 99,9999 %... (napis widozny u dołu zdjęia) Phot. 2. The poket of MOBILE SAFE a man s jaket, made by Blažek, a Czeh firm, in whih the used material redues radiation about 99,9999 %... (the insription an be seen at the bottom of the photograph) Niebezpiezeństwa powodowane oddziaływaniem termiznym fal w.z. Ciepło wytworzone w wyniku przepływu prądów wywołanyh promieniowaniem elektromagnetyznym zakłóa proesy regulaji temperatury w organizmie. Jeżeli zaabsorbowana mo 148

5 nie przekraza 1 W/kg (iepło o takiej moy wytwarzane jest w podstawowym proesie przemiany materii), to w pełni zdrowy organizm jest w stanie poradzić sobie z takim jego nadmiarem. Ta dodatkowa energia usuwana jest na zewnątrz w wyniku yrkulaji krwi, poenia się, oddyhania, ale również przez konwekję i wypromieniowywanie. Jeżeli jednak mehanizmy regulaji temperatury odmawiają posłuszeństwa, to następstwem tego jest jej wzrost. Od około 40 C pojawiają się zakłóenia w układzie krwionośnym, od 41 C następują uszkodzenia mózgu, a przy temperaturze 43 C pojawia się udar ieplny, prowadząy najzęśiej do śmieri. Ta ostatnia temperatura powoduje również lokalne uszkodzenia tkanek w przypadku tworzenia się gorąyh punktów (hot spots). W zależnośi od gęstośi wywołanego prądu i zasu jego przepływu zmiany w tkankah mogą być odwraalne, ale przy uzuiah bólu spowodowanyh zbyt wysoką temperaturą są to zwykle uszkodzenia trwałe. Na szzególne niebezpiezeństwo narażone są organy słabo ukrwione, w któryh wytworzone iepło nie jest odprowadzane przez przepływająą krew. Są to przede wszystkim gałki ozne i jądra. Istnieje wię niebezpiezeństwo zmętnienia sozewek (katarakta) lub wystąpienie niepłodnośi w wyniku przegrzania jąder. Dlatego też wszystkie międzynarodowe przepisy ustalająe dopuszzalną wartość SAR, zaleają granię leżąą dużo poniżej moy wytwarzanej przez kilogram iała w podstawowym proesie przemiany energii (1 W/kg). Jako przykład można tu podać normę amerykańską ANSI (Amerian National Standards Institute), według której dopuszzalna mo absorbowanego promieniowania to 0,4 W kg. Należy mieć na uwadze fakt, że wystąpienie w organizmie dużej gęstośi prądów, nawet w zasie kilku µs, uszkadza błony komórkowe. Innymi zjawiskami towarzysząymi istnieniu pól elektromagnetyznyh w.z. są szumy i trzaski. Występują one w głowie osoby poddanej ekspozyji, a ih przyzyną są lokalne przegrzania i ih rozprzestrzenianie się. Zakońzenie W artykule przedstawiono efekty ieplne powodowane w iele złowieka falami elektromagnetyznymi w.z., które zostały potwierdzone szeregiem badań prowadzonyh głównie w zagraniznyh plaówkah naukowyh. Jeżeli hodzi o wpływ pól elektromagnetyznyh wysokiej zęstotliwośi na system nerwowy, mózg, funkjonowanie sera i układu krwionośnego oraz zmian biologiznyh poprzez wpływ na hromosomy, np. w wyniku rezonansu ząstek w otozeniu mikrofal, to nadal nie znaleziono jednoznaznyh odpowiedzi. Bibliografia 1. Przytulski A.: Standaryzaja napięć i zęstotliwośi z. 1 Historia za oeanem. Napędy i Sterowanie nr 7/8 2010, s Przytulski A.: Standaryzaja napięć i zęstotliwośi z. 2 Historia na kontynenie europejskim. Napędy i Sterowanie nr , s ( ) Mobilfunk und Elektrosmog Antworten auf oft gestellte Fragen. Ministerium für Umwelt und Forsten, Mainz Przytulski A.: Efekty biologizno-fizyzne w iele złowieka wywołane polem elektrostatyznym. Śląskie Wiadomośi Elektryzne nr , s Przytulski A.: Efekty biologizno-fizyzne w iele złowieka wywołane wolnozmiennym polem elektryznym. Śląskie Wiadomośi Elektryzne nr , s Przytulski A.: The biologial and physial effets in human body indued by eletrostati and slowly-varying eletri field. XXXI Międzynarodowa Konferenja z Podstaw Elektrotehniki i Teorii Obwodów IC-SPETO Gliwie-Ustroń Luzak H.: Arbeitswissenshaft. 2, vollständig bearbeitete Auflage, Springer Verlag, Berlin und Heidelberg Strahlung und Strahlenshutz. Eine Information des Bundesamtes für Strahlenshutz, 2. Auflage, Salzgitter Łukaniszyn M., Jaszzyk B.: Podstawy elektromagnetyzmu. Skrypt Politehniki Opolskiej nr 252, Opole Wunsh G., Shulz H.G.: Elektromagnetishe Felder. VEB Verlag Tehnik, Berlin Booth K., Hill S.: Optoelektronika. Wydawnitwo Komunikaji i Łąznośi, Warszawa Thermal effets in the human body indued by the quik-variable eletromagneti field One of the best known and investigated effets in the human body indued by the quik-variable eletromagneti field has been desribed in the paper. At the same time, some fators have been shown whih determine the amount of absorbed radiation but often they are not taken into onsideration when this problem is being examined. The onsequenes of thermal effets and some possibilities for proteting people against mirowaves have also been desribed. Keywords: HF eletromagneti field, mirowaves, thermal effets, penetration depth of eletromagneti wave, resonane frequeny, HF radiation measurements dr inż. Andrzej Przytulski Urodzony r. w Ostrowi Mazowiekiej. Absolwent Wydziału Matematyki, Fizyki i Chemii Wyższej Szkoły Pedagogiznej w Opolu (1977) i Instytutu Elektrotehniki Wyższej Szkoły Inżynierskiej (1979) w tym samym mieśie. Stopień naukowy doktora nauk tehniznyh z energoelektroniki w Tehnishe Hohshule Ilmenau (1984). Tematem rozprawy doktorskiej była symulaja yfrowa przekształtników energoelektroniznyh stosowanyh w napędah berlińskiej szybkiej kolei miejskiej. Obenie zajmuje się efektami biologizno-fizyznymi w iele złowieka powodowanymi polami elektromagnetyznymi oraz historią elektrotehniki. a.przytulski@po.opole.pl 149