Влияние электромагнитных полей (ЭМП) на живые организмы

Страница: 2/7

Магнитное поле Земли.

Магнитное поле Земли распределено, как показано на рисунке:

Принято характеризовать это поле четырьмя параметрами – горизонтальной составляющей напряжённости (Н), вертикальной составляющей (Z), углом наклонения I и углом склонения D. Величина Н максимальна у экватора (0,3-0,4 э) и убывает к полюсам до сотых долей эрстеда; Z уменьшается от 0,6-0,7 э у полюсов, почти до нуля у экватора. В областях магнитных аномалий значения Z могут быть намного выше (или ниже), чем в соседних районах.

Элементы земного магнетизма испытывают временные вариации – изменение магнитной активности. Эти изменения измеряют в единицах γ=105 э и оценивают либо по К-индексам от 0 до 9 (соотв.-м изменению амплитуды напряжённости в среднем от 4 до 500γ, либо и-мерой, вычисляемой по формуле:

где ΔН – среднее и значение изменения Н в единицах γ, Ф – геомагнитная широта, Ψ – угол между геомагнитным и географическим меридианом и D – угол склонения.

Вариации, носящие на первый взгляд произвольный характер, получили название магнитных возмущений, или (при больших изменениях) магнитных бурь. Эти возмущения встречаются в трёх формах: синфазные – появляющиеся спорадически и протекающие одновременно по всей планете, локальные – ограниченные определённой областью у поверхности Земли, и перманентные – наблюдаемые непрерывно в некоторых областях земной поверхности. При синфазных и локальных магнитных наиболее сильно возрастает

Напряжённость горизонтальной составляющей геомагнитного поля– до нескольких тысяч γ . Перманентные вариации – до сотен γ – наблюдаются непрерывно в течение дня, независимо от общей величины магнитной активности.

Все эти виды магнитной активности являются результатом солнечной активности, связанной как с увеличением числа солнечных пятен, так и со вспышками на Солнце. Поэтому вариации магнитной активности носят соответствующий периодический характер.

Наконец, имеется группа магнитных возмущений периодического характера, которые называют короткопериодными колебаниями (или микроимпульсациями магнитного поля).

Периоды этих колебаний охватывают диапазон от сотых долей секунды до нескольких минут, а амплитуды изменений не превышают нескольких единиц γ. Т.о., общий частотный спектр периодических изменений геомагнитного поля занимает интервал от 10-5 до сотен герц.

Атмосферики.

Атмосфериками называют ЭМП, создаваемые атмосферными разрядами. Частотный диапазон атмосфериков широк – от сотен герц до десятков мегагерц. Их интенсивность максимальна на частотах вблизи 10 Кгц и убывает по мере возрастания частоты. В районах, близких к местам грозовых разрядов, напряжённости электрической составляющей ЭМП атмосфериков – порядка десятков, сотен и даже тысяч В\м на частотах, близких к 10 Кгц.

Основными очагами атмосфериков являются континенты тропического пояса, а к высоким широтам интенсивность грозовой деятельности убывает.

Известна суточная и сезонная периодичность грозовой деятельности. Грозовая деятельность связана также с солнечной активностью: во время вспышек на Солнце атмосферики значительно усиливаются.

Радиоизлучения Солнца и галактик.

Частотный диапазон радиоизлучения Солнца и галактик довольно широк – от 10 Мгц до 10 Ггц. Интенсивность солнечного радиоизлучения напрямую связано с солнечной активностью. Поток радиоизлучений из галактик на частоте 100 Мгц составляет по порядку величины Вт\м2\ Мгц.

Интенсивность этих радиоизлучений изменяется с суточной периодичностью, что связано с вращением Земли относительно источников излучений. Кроме того, радиоизлучения изменяются по интенсивности с периодичностью 27-28 дней, связанной с вращением Солнца, и, наконец, с 11-летней периодичностью солнечной активности.

ЭМП в окрестности генераторов различных частотных диапазонов.

С развитием электроэнергетики, радио- и телевизионной техники появилось большое число разнообразных источников ЭМП.

В диапазоне от низких до ультравысоких частот электромагнитные поля в окрестностях генераторов следует рассматривать как поля индукции, а не как поток излучения радиоволн. Поля индукции быстро ослабляются по мере удаления от источника и за пределами окрестностями радиусом в несколько длин волн (где и расположены чаще всего рабочие места обслуживающего персонала) напряжённости ЭМП составляют уже незначительную долю от их начальных величин.

ЭМП промышленной частоты (50 Гц) возникают у линий электропередач, трансформаторов и т.п. В непосредственной близости от этих источников напряженности ЭМП могут быть и весьма значительными (до нескольких тысяч В\м).

Высокочастотные ЭМП – от десятков до сотен килогерц – наиболее интенсивны вблизи промышленных генераторов для высокочастотной закалки металлов, сушки древесины и т.п. В этих условиях Е может достигать на рабочих местах значений тысяч В\м, а Н – десятков а\м.

Ультравысокочастотные ЭМП – от нескольких Мгц до десятков Мгц – наиболее интенсивны в рабочих помещениях радио- и телевизионных станций, где напряжённости Е доходят до сотен В\м.

Сверхвысокочастотные ЭМП – от сотен до тысяч Мгц , возникающие вблизи соответствующих установок (например, радиолокационных), оцениваются уже по плотности потока мощности, значения которой могут достигать нескольких мВт\см2.

«Радиофон».

За счёт многочисленных радио- и телевизионных станций вокруг Земного шара создаётся своеобразный «радиофон». Оценка интенсивности «радиофона» и её изменений во времени весьма затруднительна.

В районах, расположенных в окрестностях радио- и телевизионных станций, интенсивность «радиофона» может быть весьма значительной – порядка десятых долей В\м. В удалённых районах интенсивность «радиофона» значительно ниже и основной вклад в него вносят коротковолновые станции. Так как все станции излучают некогерентно, «радиофон» представляет собой результат суммирования излучений.

Что касается изменения интенсивности «радиофона» в зависимости от времени суток, то оно имеет место только в районах первого типа, где основными источниками «радиофона» являются длинноволновые и средневолновые станции, а также телевизионные станции, работающие в метровом диапазоне. Эти станции, как правило, прекращают работу в период примерно от 1 часа до 6 часов утра. Коротковолновые же станции, ведущие передачи по всему Земному шару, работают практически круглосуточно.

Общее представление об уровне интенсивности «радиофона» может дать сравнение его с уровнем атмосферных помех. Считают, что уровень радиосигналов в 10-100 раз выше уровня помех.

Физические основы взаимодействия электромагнитных полей с биологическими объектами.

Биологические объекты в электростатическом поле.

В тканях живых организмов, находящихся в электростатическом поле, индуцируются электрические заряды на поверхностях раздела сред с различными электрическими параметрами, а также происходит поляризация связанных зарядов. При этом допущении можно оценить распределение заряда. Индуцированного на поверхности тела, исходя из формул, выведенных для проводящих тел простых геометрических форм, находящихся в электрическом поле. Например, тело человека можно рассматривать как гомогенный проводящий эллипсоид.

Хилл теоретически рассмотрел возможный механизм взаимодействия электростатического поля с макромолекулами тканей. Электрическое поле вызывает поляризацию макромолекул в растворе, обусловленную как наличием постоянного дипольного момента у молекул, так и изменением расположения протонов в молекуле. Такое действие может влиять на относительную стабильность двух возможных конфигураций макромолекул. На основе этих соображений автор делает вывод, что под действием полей напряжённостью порядка 10000 в\см может произойти разделение цепей ДНК (переход от спаренного состояния к неспаренному), а это может послужить пусковым механизмом для разделения хромосом в клеточном ядре, предшествующего делению клетки. Другая возможность – влияние поля на состояние белковых цепей в мышечных волокнах (переход от длинной цепи к короткой), что может служить пусковым механизмом для мышечного сокращения.

Биологические объекты в магнитостатическом поле.

Постоянное магнитное поле в принципе может оказывать влияние на различные процессы в биологических объектах: на­считывают до 20 возможных видов такого рода взаимодействий. Сделано немало попыток теоретического рассмотрения основных физических механизмов биологических эффектов магнитного поля и оценки величин на­пряженности поля, при которых возможны такие эффекты. Эти теоретические исследования можно разделить на две основные группы в зависимости от того, какие эффекты магнитного поля (микроскопические или макроскопические) в них рассматрива­ются.

В первой группе исследований исходное предположение со­стоит в том, что механизмы биомагнитных эффектов обусловлены физическими явлениями, возникающими на молекулярном и даже на атомном уровне. Так, одни авторы видят основную причину биомагнитных эффектов в ориентации диамагнитных или пара­магнитных молекул под действием магнитного поля, другие пред­полагают, что это поле может вызывать искажения валентных углов в молекулах, третьи обращают внимание на ориентацию спинов молекул в магнитном поле и т. п.

Недавно было высказано предположение, что в молекулах воды, помещенной в магнитное поле, мо­гут происходить орто - пара-переходы. Необходимая для этого магнитная энергия (в расчете на молекулу) весьма невелика - например, в сотни раз меньше, чем для разрывов слабых водо­родных связей в молекуле. В результате орто-пара-переходов в водных растворах могут возникать области с параллельной ориентацией спинов, что приведет к выталкиванию из таких об­ластей растворенных веществ.

Макроскопические механизмы биомагнитных эффектов рас­сматривались на различных моделях. Рассчитано, что в магнитном поле с напряженностью 3*105 э эритроциты должны вращаться со скоростью 68 град\мин, т. е. вдвое быстрее, чем за счет теплового движения, однако установ­ление равновесного состояния в таком эффекте будет весьма медленным. Более вероятен эффект возникнове­ния градиента электрического потенциала в кровеносных сосу­дах под действием магнитного поля (магнитоэлектрический эф­фект). Например, в аорте при скорости кровотока 100 см/сек под действием магнитного поля напряженностью 500 э будет индуцироваться электрическое поле с градиентом 0,14 мв\см, а при напряженности 5*Ю5 э - поле с градиентом 5 мв\см, что сравни­мо уже с чувствительностью нервных клеток, составляющей 10 мв\см.

С позиций магнитомеханических явлений рассматривались также пульсирующие давления, которые могут возникать в тканях ор­ганизмов при взаимодействии магнитного поля с биотоками, ча­стоты которых варьируют от 10 до 2*103 имп/сек. По расчетам, при напряженности поля 102-103 э на участках, где про­текают биотоки, могут возникать пульсирующие пондеромоторные силы, оказывающие давления порядка 10-6-10-1 дин/см2. Чувствительность человеческого уха (10-4 дин/см2} находится как раз в этих пределах. Предполагается возможность резонансных эффектов такого рода, когда частота вынужденных механических колебаний в данном участке орга­низма (или органа) совпадает с собственной частотой его свобод­ных колебаний. В этом случае магнитомеханический эффект мо­жет быть существенным и при весьма малых напряженностях поля, например в геомагнитном поле.

Большинство авторов, исходя из теоретических сообра­жений и расчетов, основанных на микроскопических и макроско­пических концепциях, приходит к заключению, что биомагнит­ные эффекты возможны только при достаточно высоких напря­женностях поля - по крайней мере, в тясячи эрстед.

Поглощение энергии ЭМП в тканях и преобразование ее в тепловую

Механизм преобразования в живых тканях энергии ЭМП в тепловую считали единственно возможной причиной любых биоло­гических эффектов, вызываемых ЭМП от низких частот до сверхвысоких. На этой основе были разработаны и получили широкое распространение методы применения ЭМП высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот для лечения различных заболеваний. Исходя из этой концепции, пытались оценивать предельно допустимые интенсивности ЭМП ра­диочастот при изучении их профессиональной вредности.

Тепловая концепция биологи­ческих эффектов ЭМП противоречит результатам ряда исследований, проведенных с ЭМП слабых интенсивностей. Однако в тех случаях, когда биологические объекты подвергаются воздей­ствию ЭМП достаточно высоких интенсивностей (при которых тепловой эффект уже возможен), она представляется полезной. Поэтому мы подробно рассмот­рим теоретические и экспери­ментальные данные о тепловых эффектах ЭМП различных ча­стот.

В низкочастотном и высокочастотном диапазонах преобразование энергии ЭМП в теп­ловую связано в основном с потерями проводимости, возникающими за счет выделения, в тканях джоулева тепла инду­цированными в них ионными токами.

До частот порядка 10 Мгц размеры тела человека и круп­ных животных (а тем более мелких) малы по сравнению с длиной волны, а ткани тела можно рассматривать как про­водящую среду. Поэтому вы­полняются условия квазиста­ционарности и расчеты можно производить как для ста­тического поля; мощность ЭМП, поглощаемая в единице объема тела, может быть в этом случае вычислена по законам постоян­ного тока:

Р = i2ρ вт\см3

Величину плотности тока i следует вычислять применительно к форме и электрическим параметрам биологического объекта. Такой расчет для человека, находяще­гося в переменном электрическом или магнитном поле в диапа­зоне частот от 100 Кгц до 1 Мгц, сделан при следующих допуще­ниях:

1. Тело человека приближенно рассматривается как гомоген­ный (по электрическим свойствам) проводящий эллипсоид;

2. Рассматривается только однородное электрическое или магнитное поле, в котором тело (эллипсоид) расположено так, что его большая ось параллельна силовым линиям.

При этих условиях плотность тока в случае электрического поля равна

ie=1,3*10-13 *f*E а/см2,

а в случае магнитного поля

iн=1,3*10-11*f*H а/см2

(Е выражено в в/м, Н — в а/м, f —в гц).

Количество тепла, выделяемое при этом в теле человека, бу­дет определяться из соотношений:

QE=2*10-20* ρср*f2*E2 кал/мин

QH=2*10-16 ρср*f2*H2 кал/мин

(ρср - среднее удельное сопротивление тканей тела человека).

В диапазонах ультравысоких и сверхвысоких частот преоб­разование энергии ЭМП в тепловую связано уже не только с по­терями проводимости, но и с диэлектрическими потерями. При этом доля диэлектрических потерь в общем поглощении энергии ЭМП в тканях возрастает с частотой. Например, потери, связанные с релаксацией молекул воды в тканях, при частоте 1 Ггц составляют около 50% от общих потерь, при частоте 10 Ггц - около 90% и при частоте 30 Ггц—около 98%.

В этих частотных диапазонах (выше 100 Мгц) размеры те­ла человека и крупных животных уже сравнимы с λ или превы­шают ее, а ткани тела уже нельзя рассматривать как проводя­щую среду; наконец, нельзя считать различные ткани гомоген­ными по электрическим свойствам. Иначе говоря, условие квазистационарвости здесь не выполняется и необходимо рас­сматривать поток волн, часть которого отражается от поверхно­сти тела, а остальная часть постепенно поглощается в электриче­ски негомогенных тканях.

С учетом отражения мощность ЭМП, поглощаемая на 1 см2 поверхности объекта, или действующая мощность (Рд) будет равна

Рд = Ро*(1-К),

где Ро — плотность потока мощности, падающая на поверхность объекта, К—коэффициент отражения.

Значения коэффициента отражения ЭМП разных частот от различных тканей при разных частотах и глубина проникновения энергии ЭМП в глубь тканей (т. е. глубина, на которой энергия умень­шается в е раз) приведены в таблицах.

Коэффициент отражения от границ раздела между тканями при различных частотах

Частота, Мгц

Границы раздела

100

200

400

1000

3000

10000

24 500

35000

Воздух — кожа

0,758

0,684

0,623

0,570

0,550

0,530

0.470

Кожа — жир

0,340

0,227

0,231

0,190

0,230

0,220

Жир — мышцы

0,355

0,3515

0,3004

0,2608

Реферат опубликован: 7/04/2005 (51758 прочтено)