Физические свойства э./м волн и их влияние на биологические системы

Естественные и многие искусственные источники генерируют электромагнитную энергию в виде электромагнитных волн. Эти волны состоят из колебательных электрических и магнитных полей, которые вступают во взаимодействие с биологическими системами, такими как клетки, растения, животные и человек. Это взаимодействие принимает различные формы, и для того, чтобы его лучше понять необходимо знать физические свойства всего спектра электромагнитных волн.

- Электромагнитные поля могут характеризоваться длиной волны, частотой или энергией. Эти три параметры взаимосвязаны, и каждый из них влияет на характер того воздействия, которое может оказываться полем на биологические системы.

- Частота электромагнитной волны является просто числом колебаний, проходящих через определенную точку за единицу времени. Она измеряется в циклах в секунду, или герцах. Один цикл в секунду равен одному герцу (Гц). Крупные деления частоты, обычно применяемые для описания радиочастотных (РЧ) полей, включают килогерцы (кГц), или одну тысячу циклов в секунду, мегагерцы (МГц), или один миллион циклов в секунду, и гигагерцы (ГГц), или один миллиард циклов в секунду.

- Чем короче длина волны, тем выше частота. Например, в средней части полоса, отведенная для службы АМ-радиовещания, имеет частоту один миллион герц (1 МГц) и длину волну около 300 м. В микроволновых печах используется частота 2,45 миллиарда герц (2,45 ГГц) и длина волны 12 сантиметров.

- Электромагнитная волна состоит из очень маленьких пучков энергии, называемых фотонами. Энергия каждого пучка или фотона прямо пропорциональна частоте волны: Чем выше частота, тем больше энергии заключено в каждом фотоне.

Характер воздействия, оказываемого электромагнитными волнами на биологические системы, определяется напряженностью поля и количеством энергии в каждом фотоне.

Электромагнитные волны низкой частоты называются "электромагнитными полями", а очень высокой частоты - "электромагнитными излучениями". В зависимости от частоты и энергии электромагнитные волны можно разделить на "ионизирующее излучение" и "неионизирующее излучение" (НИИ).

- Ионизирующее излучение представляет собой электромагнитные волны крайне высокой частоты (рентгеновские лучи и гамма-лучи), которые обладают достаточной энергией фотона для того, чтобы вызвать ионизацию (создать атомы или частицы молекул с положительным или отрицательным электрическим зарядом) путем разрушения атомных связей, которые удерживают вместе молекулы в клетках.

- Неионизирующее излучение (НИИ) является общим термином, относящимся к той части электромагнитного спектра, где энергия фотона слишком мала для разрыва атомных связей. К излучениям такого рода относятся ультрафиолетовое излучение, видимый свет, радиочастотные и сверхвысокочастотные поля, поля крайне низкой частоты (КНЧ), а также постоянные электрические и магнитные поля.

- Даже высокоинтенсивное неионизирующее излучение не может вызывать ионизацию в биологической системе. В то же время, было показано, что НИИ может вызывать другие биологические эффекты, например за счет нагревания, изменения химических реакций или индуцирования электрических токов в тканях и клетках.

Электромагнитные волны могут вызывать биологические эффекты, которые иногда, но не всегда, могут приводить к отрицательным последствиям для здоровья. Важно понять разницу между этими двумя понятиями:

- Биологический эффект имеет место, если под действием электромагнитных волн в биологической системе происходят какие-либо заметные или выявляемые физиологические изменения.

- Отрицательные последствия для здоровья имеют место, если биологический эффект выходит за пределы нормы и не может быть компенсирован организмом, приводя, таким образом, к развитию пагубных для здоровья состояний.

- Некоторые биологические эффекты могут быть безобидными, такими как реакция организма на усиление кожного кровотока при слабом нагревании под действием солнечных лучей. Некоторые эффекты могут быть положительными, такие как чувство теплоты солнечных лучей в холодный день, или даже приводить к благоприятным последствиям для здоровья (например, выработка в организме под действием солнечных лучей витамина Д). Однако некоторые биологические эффекты, такие как боль от солнечного ожога или рак кожи, приводят к отрицательным последствиям для здоровья.

Международный проект по изучению ЭМП Всемирной организации здравоохранения касается вопросов, вызывающих озабоченность в связи с влиянием радиочастотных (РЧ) и сверхвысокочастотных полей, полей крайне низкой частоты (КНЧ) и постоянных электрических и магнитных полей на состояние здоровья. Эти электромагнитные поля способны вызывать различные биологические эффекты, которые могут иметь последствия для здоровья человека.

Известно, что радиочастотные (РЧ) поля вызывают нагревание и индуцируют электрические токи. Имеются также сообщения о других установленных биологических эффектах.

- РЧ поля с частотами выше примерно 1 МГц вызывают, в основном, нагревание за счет движения молекул ионов и молекул воды в среде, где они существуют. Даже очень низкие уровни РЧ энергии приводят к небольшому нагреванию, однако оно устраняется за счет нормальных процессов терморегуляции в организме, и человек при этом ничего не замечает.

- Результаты исследований этих частот показали, что действие РЧ полей, слишком слабых для того, чтобы вызвать нагревание, может приводить к отрицательным последствиям для здоровья, включая рак и потерю памяти. Одной из основных задач Международного проекта по изучению ЭМП является выявление таких нерешенных проблем и координация исследований в этих направлениях.

- РЧ поля с частотами ниже примерно 1 МГц прежде всего индуцируют электрические заряды и токи, которые могут стимулировать клетки, например в нервных тканях и мышцах. Электрические токи уже присутствуют в организме в рамках обычных химических реакций, связанных с жизнедеятельностью. Если под действием РЧ полей в организме образуются токи, значительно превышающие этот фоновый уровень, это может привести к отрицательным последствиям для здоровья.

Электрические магнитные поля крайне низкой частоты (КНЧ). Основное действие этих полей заключается в индуцировании электрических зарядов и токов. С помощью такого механизма действия вряд ли возможно объяснить их последствия для здоровья, такие как развитие рака у детей под воздействием "экологических" уровней полей КНЧ, о чем свидетельствуют имеющиеся сообщения.

- Электрические поля КНЧ существуют там, где имеется заряд (напряжение), независимо от наличия тока. Это электрическое поле почти не проникает в организм человека. При очень высокой напряженности поля его можно ощущать по движению волос на теле. Однако некоторые исследования показывают, что действие таких полей низкой интенсивности связано с повышенной частотой случаев заболевания раком среди детей и другими последствиями для здоровья. Другие исследования не подтверждают этого. Международный проект по изучению ЭМП рекомендует провести более целенаправленные исследования в этой области для более точного определения существующего риска для здоровья.

- Магнитные поля КНЧ существуют там, где протекает электрический ток. Они легко проникают в организм человека, не претерпевая значительного ослабления. Некоторые эпидемиологические исследования указывают на связь между полями ЭМП и раком, особенно среди детей, однако другие исследования не подтверждают этого. В настоящее время проводится изучение действия низкоинтенсивных (экологических) полей КНЧ низкой интенсивности, в том числе исследование, контролируемое и поддерживаемое в рамках Международного проекта по изучению ЭМП.

Постоянные электрические и магнитные поля. В то время как основным действием этих полей на биологические системы является индуцирование электрических зарядов и токов, были выявлены также другие эффекты, которые потенциально могут приводить к отрицательным последствиям для здоровья, однако только в случае полей с очень высокой напряженностью.

- Постоянные электрические поля не проникают в организм, однако могут ощущаться по движению волос на теле. За исключением электрических разрядов, вызванных сильными постоянными электрическими полями, вероятность того, что они приводят к значительным последствиям для здоровья, очень мала.

- Постоянные магнитные поля имеют практически такую же напряженность внутри организма, что и снаружи. Очень высокоинтенсивные постоянные магнитные поля могут влиять на кровоток или изменять нормальные нервные импульсы. Однако в повседневной жизни поля такой высокой напряженности не встречаются. В то же время, нет достаточной информации в отношении последствий длительного воздействия постоянных магнитных полей такого уровня напряженности, который встречается в условиях промышленных предприятий.

Домашнее задание:

1. Т.Н.Засекина, Д.А.Засекин Е.В. Физика. 11класс, «Сиция», 2011. Повторить §46, 47 (с.178-186), читать §76 (с.287-291).

3. Дать ответы на вопросы 1-3 с.291.