Курс лекция по гигиене. Пивоваров Ю. П. Гигиена и экология человека (Курс лекций)
 Скачать 1.7 Mb.
|
|
Лекция 26 Электромагнитные поля и их влияние на организм в процессе жизни и профессиональной деятельности человека Жизнь на Земле возникла, развивалась и продолжается в условиях воздействия относительно слабых электромагнитных полей (ЭМП) естественного происхождения, источниками которых являются излучения Солнцаа и Космоса, магнитные свойства Земли, грозовые разряды и пр. Эти поля, являясь постоянно действующим экологическим фактором с изменяющимся уровнем интенсивности, оказывают определенное влияние на жизнедеятельность человека, животных, растений. Широкое использование электромагнитной энергии в самых различных областях человеческой деятельности привело к тому, что к существующему естественному электромагнитному фону в биосфере Земли прибаоились ЭМП искусственного происхождения. В результате к настоящему времени (особенно в крупных городах) сложилась такая электромагнитная ситуация, для характеристики которой стали широко использоваться такие понятия, как "электромагнитный смог" и "электромагнитное загрязнение окружающей среды". Исследования различных авторов свидетельствуют о том, что за последние десятилетия суммарная напряженность ЭМП антропогенного происхождения на различных участках земной поверхности возросла по сравнению с естественным фоном от 2 до 5 порядков. В первую очередь, вблизи высоковольтных линий электропередач, радио и телестанций, средств радиолокации, различных энергетических и энергоемких установок промышленного, медицинского и бытового назначения. В результате резко увеличилась потенциальная опасность этого физического фактора и риск для здоровья широких слоев населения. Проблема электромагнитной безопасности 345 особенно обострилась в последнее время в связи с массовым внедрением в повседневную жизнь телевизоров, персональных компьютеров, мобильных средств радиотелефонной и космической связи, разнообразных электрических и электронных изделий медицинского и бытового назначения. Сегодня общепризнана точка зрения, что техногенные ЭМП могут играть заметную этиологическую роль в эпидемиологии нервно-психических, сердечно-сосудистых, онкологических, офтальмологических и ряда других заболеваний. Они могут оказывать неблагоприятное воздействие на генетические структуры, эндокринную и иммунную системы организма, функции воспроизводства потомства. Имеются данные о повышенной чувствительности детей, беременных женщин и больных людей к ЭМП даже малой интенсивности. Вот почему Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) включила электромагнитное загрязнение среды в число наиболее важных экологических проблем, на решение которой направлены усилия ученых во всем мире. Особенно интенсивно ведутся научные исследования в России, США, Германии, Швеции, Великобритании, Японии и других странах. Работы специалистов разных стран по решению этой проблемы рассматриваются в рамках международных организаций: Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), Международного комитета по защите от неионизирующих излучений (JCNJRP) и Европейского комитета по электромагнитной совместимости (СЕNЕLЕС). Отсюда вполне понятно, почему в последние годы резко возросло число исследований и публикаций по вопросам электромагнитной биологии, медицины, экологии и гигиены. Очевидно, что на данном этапе медико- биологических исследований необходимо иметь четкие представления об энергетической, сигнальной и информационной роли ЭМП, их регулирующем, стабилизирующем и дестабилизирующем влиянии на живые системы, принципах их гигиенической регламентации, степени опасности для основных биофизиологических процессов, протекающих в организме человека. 346 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭМП Электромагнитные поля являются видом материи и обладают массой и энергией, которые перемещаются в пространстве в виде электромагнитных волн. Они состоят из электрической (Е) и магнитной (Н) составляющих, которые перпендикулярны друг к другу и направлению распространения. Основными параметрами электромагнитных волн являются частота (f), длина волн ( l ) и скорость распространения (с), которые связаны между собой соотношением f = с/ l , справедливым для свободного пространства, где с = 3х10 8 м/с (скорость света). Частота обычно выражается в герцах (Гц), килогерцах (кГц), мегагерцах (мГц) и гигогерцах (гГц), а длина волны — в километрах, метрах, дециметрах, сантиметрах и миллиметрах. Если скорость света выражена в м/с, частота — в мГц. то длину волн в метрах можно определить по форм.ле: l = 300/f. В электромагнитной волне, распространяющейся от источника излучения, в зависимости от расстояния различают три условные зоны: ближнюю, промежуточную и дальнюю. Ближняя — это зона не сформировавшейся волны с неоднородной структурой электромагнитного поля. Поэтому напряженность электрической и электромагнитной составляющей должна оцениваться раздельно. Дальняя зона характеризуется сформировавшейся электромагнитной волной, где соотношение между Е и Н постоянно (ЕВ/м =377 хН А/м ). Размеры этих зон зависят от типов антенн, длины волны излучения и площади раскрытия антенны. К дальней зоне относится область, находящаяся на расстоянии от источника излучения более 2L 2 / l . где Е — максимальный линейный размер источника. Не менее важным для взаимодействия с биологическими объектами является поляризация электромагнитной волны, которую определяет положение векторов Е и Н в пространстве. Энергия квантов электромагнитного поля в диапазоне частот от долей Гц до 300 ГГц достаточна низка и не способна вызывать ионизацию атомов или 347 молекул веществ. Поэтому этот участок электромагнитных излучений относится к неионизирующим. Интенсивность электромагнитного поля в диапазоне от долей Гц до 300 МГц оценивается раздельно по электрической составляющей Е в вольтах на метр (В/м) и по магнитной Н в амперах на метр (А/м). В диапазоне частот от 300 мГц до 300 гГц интенсивность электромагнитного поля оценивается плотностью потока энергии (ППЭ), единицей измерения которого является ватт на квадратный метр (Вт/м 2 ) или (мВт/см2, мкВт/см 2 ). Интенсивность магнитных полей измеряется также в теслах (Тл), милитеслах (мТл), микротеслах (мкТл) и нанотеслах (нТл). Для передачи или приема информации несущую электромагнитную волну модулируют. Различают модуляцию амплитудную, частотную фазовую. 2. БИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭМП С БИОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ Основываясь на общих принципах закона Grotthus-Draper, эффект взаимодействия ЭМП с биологической средой зависит от поглощенной за определенное время энергии поля, т.е. от дозы облучения. В его основе лежит преобразование энергии поля в тепло, которое происходит по двум классическим механизмам, определяемым диэлектрическими характеристиками биологического материала: индуцирование токов и вращение/перемещение молекул. Вопросы дозиметрии ЭМП очень сложны, т.к. величина поглощенной энергии определяется не только интенсивностью и частотой поля, но и размерами, формой объекта, его расположением относительно Е и Н векторов, внутренней структурой, окружающим пространством и многими другими трудно учитываемыми факторами. В упрощенной форме дозиметрия биологических объектов в ЭМП сводится к двум вопросам: какое количество энергии поглощено и где оно сосредоточено. В качестве этой характеристики 348 используется параметр SAR (Specic Absorbed Rate), применяемый в зарубежных исследованиях, или УПМ (Удельная поглощенная мощность) — в отечественных. УПМ представляет собой поглощенную единицей массы объекта часть энергии ЭМП и измеряется в Вт/кг или мВт/г. В дозиметрии ЭМП используются как теоретические, так и экспериментальные методы, взаимно дополняющие друг друга. Теоретическая дозиметрия состоит в решении уравнений Maxwell, с помощью которых с определенной степенью приближения оценивается структура распределения энергии поля вне и внутри реального объекта. Экспериментальная дозиметрия заключается в инструментальном определении общей УПМ и структуры ее распределения в самом объекте, включая и локальные величины в отдельных точках. Для этой цели в последние годы стали широко использоваться повторяющие оригинал модели (фантомы) человека или животных. Они изготавливаются из материалов, по своим диэлектрическим свойствам имитирующих: кожу, мышцы, кости, мозг, кровь и пр. После или в процессе воздействия ЭМП с помощью различных методов регистрируются температура в определенных точках модели или величины электрического и магнитного поля. Интенсивность воздействия, а следовательно, и характер ответной реакции любой биологической системы определяется величиной температуры или внутреннего поля, индуцированного внешним облучением. Глубина проникновения электромагнитной волны в ткани человека и животных зависит от частоты поля и содержания в них воды. В самом общем виде можно констатировать, что величина УПМ зависит от частоты ЭМП, ориентации облучаемого объекта относительно векторов Е и Н, падающей электромагнитной волны и имеет максимальное значение на определенных (резонансных) частотах. Условно кривую частотной зависимости УПМ для человека можно разделить на несколько областей: дорезонансную (от крайне низких частот до 30 МГц), собственно резонансную (30-300 МГц, с резонансным максимумом около 70 МГц), резонанс отдельных частей тела: 349 голова, шея (300-400 МГц), образования "горячих пятен" (400-2000 МГц) и сверхрезонансную (2000 МГц). Благодаря введению понятия и разработке практических методов определения УПМ стало возможным сопоставление результатов биологических экспериментов, проведенных с использованием различных методов, условий и объектов облучения, частотных диапазонов, видов модуляции и пр. Как мы уже отмечали, нагрев биологического объекта является основным механизмом преобразования энергии ЭМП высокой интенсивности. Изменение температуры тела может служить пусковым механизмом для различных реакций, уровень изменения которых зависит от терморегуляторных и метаболических характеристик конкретной функциональной системы организма. На Международном симпозиуме в Варшаве в 1973 г. впервые была принята классификация ЭМП в диапазоне частот 300 МГц-300 ГГц в соответствии с наблюдающимися биологическими эффектами: 1. Высокие интенсивности (ППЭ более 10 мВт/см 2 ), при которых преобладают четкие тепловые эффекты. 2. Средние интенсивности (ППЭ от 1 до 10 мВт/см 2 ), при которых отмечаются слабые, но различимые тепловые эффекты. 3. Низкие интенсивности (ППЭ ниже 1 мВт/см 2 ), при которых отсутствуют или явно не выражены тепловые эффекты. Ориентация на чисто тепловые механизмы действия ЭПМ, поддерживаемая долгое время специалистами США, значительно затормозила изучение альтернативных механизмов. В настоящее время общепризнанно, что биологические эффекты могут проявляться и при воздействии нетепловых интенсивностей ЭМП. Большинство исследователей связывают их с изменением биофизических процессов в тканях организма (возникновение ионных потоков и электропотенциалов в молекулах клеток, изменение проницаемости клеточных мембран и реактивности рецепторного аппарата), что вызывает трансформацию 350 электрических свойств тканей и окислительных процессов, смещение равновесия рН, изменение проницаемости гистогематических барьеров и рефлекторные изменения в различных органах и системах организма, являющиеся основой развития донозологических состояний. Кумуляция указанных биоэффектов проявляется в виде комплекса изменений функции органов и систем организма — радиоволновой болезни, характеризующейся поражением центральной нервной, эндокринной, иммунной и сердечно-сосудистой систем. По-видимому, более правильно рассматривать четыре уровня интенсивностей ЭМП (Г.Ф. Плеханов) с общебиологических позиций: 1. Низкий — ниже наблюдаемого в естественных условиях. 2. Средний — близкий к обычному естественному фону. 3. Высокий — при превышении естественного уровня на 1-2 порядка. 4. Крайне высокий — превышающий на 3 и более порядка естественный уровень. В соответствии с этим общие механизмы действия ЭМП следует рассматривать как сигнальные, дестабилизирующие, регулирующие и энергетические. 3. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭМП ЕСТЕСТВЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ Интерес к этой проблеме возник еще в 1-й половине столетия после появления работ А.Л. Чижевского и В.И. Вернадского. В спектре естественных ЭМП можно выделить несколько составляющих: постоянное магнитное поле Земли (ГМП), электростатическое поле и переменные поля в диапазоне частот от 10 -3 до 10 12 Гц. Установлено, что у различных организмов (от бактерий до млекопитающих) выявляется ряд реакций на изменение геомагнитного поля. Изучение магниторецепции у человека дало основание считать, что она представлена в структурах мозга и надпочечниках. 351 Величина ГМП может изменяться на поверхности Земли от 26 мкТл (район Рио-де-Жанейро) до 68 мкТл (вблизи географических поясов), достигая максимум (до 190 мкТл) в районах магнитных аномалий (район г. Курска). Наряду с постоянным ГМП имеется переменное магнитное поле, порожденное токами, текущими в ионо- и магнитосфере. Его величина составляет около 4-5% главного ГМП. ГМП претерпевает колебания с длительными (многолетними) и короткими (суточными и минутными) периодами, хотя и с малыми значениями амплитуд (доли и единицы нТл). Если режим устойчивых колебаний ГМП является "привычным" для биосистем, то изоляция от него может приводить к негативным последствиям. В периоды магнитных бурь, обусловленных солнечной активностью, наблюдается глобальное возбуждение микропульсаций, которые могут служить синхронизаторами некоторых биологических процессов, поскольку являются резонансными для ряда из них. Определенный вклад в формирование естественного электромагнитного фона Земли вносит и грозовая активность. В спектр солнечного и галактического излучения, достигающего Земли, входят ЭМП всего радиочастотного диапазона, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, видимый свет, ионизирующее излучение. В совокупности ЭМП Земли представляют собой широкий спектр, в условиях воздействия которого существует Земля и все живое на ней. Естественные ЭМП могут оказывать неоднозначное влияние на организм человека. Отмечена связь между возникновением геомагнитных возмущений с возрастанием числа клинически тяжелых патологий (инфарктов миокарда и инсультов), а также числа дорожно-транспортных происшествий и аварий самолетов. Очевидно, что естественные ЭМП следует рассматривать как один из важнейших экологических факторов. Поэтому попадание организма человека в ситуацию, когда уровни ЭМП существенно увеличены или снижены за счет антропогенных источников, может приводить к серьезным негативным 352 последствиям. 4. ЭМП КАК ФАКТОР ОКРУЖАЮЩЕЙ И ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ С ЭМП каждый человек сталкивается повседневно как в бытовых, так и в производственных условиях. Поэтому вполне правомочна постановка вопроса о создании так называемого электромагнитного по-пуляционного комфорта, т.е. оптимизации электрмагнитных условий жизни и деятельности человека. Согласно Международной классификации антропогенные источники ЭМП делятся на 2 группы: 1 группа— генерирующие статические электрические и магнитные поля, а также так называемые крайне низкие и сверхнизкие частоты (до 3 кГц), к которым относятся все средства выработки, передачи и распределения электроэнергии (электростанции, линии электропередач постоянного и переменного тока и электротехнические устройства, силовые кабельные линии, электромагниты и др.), транспортные средства на электроприводе и магнитной подушке и др.; 2 группа — генерирующие ЭМП в радиочастотном диапазоне, включая и микроволновый — от 300 мГц до 300 ГГц. Основную массу источников этой группы составляют передатчики (радио- и телевизионные станции, радиотелефоны, станции радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи, системы локации и навигации), средства визуального отображения информации (телевизоры, мониторы компьютеров и др.), технологическое, медицинское и бытовое оборудование. Источниками ЭМП являются технические средства и изделия, которые предназначены для применения в различных сферах человеческой деятельности и в основе которых используются физические свойства этих полей: распространение в пространстве и отражение, нагрев материалов, взаимодействие с веществами и ряд других. 4.1. Электростатические поля. 353 Электростатические поля (ЭСП) представляют собой поле неподвижных электрических зарядов либо стационарные электрические поля постоянного тока. С одной стороны, они широко используются в различных технологических процессах (электрогазоочистка, электростатическая сепарация руд и материалов, электроворсование и др.), создавая при этом определенный электростатический фон на рабочих местах. С другой стороны, они могут возникать как паразитные на производстве и в быту: в энергетических установках, при изготовлении и эксплуатации полупроводниковых приборов и микросхем, обработке полимерных материалов и изготовлении из них различных изделий, в текстильной промышленности при изготовлении тканей из волокон с высокими диэлектрическими свойствами, в помещениях с вычислительной и множительной техникой, при пользовании персональными компьютерами и телевизорами, при наличии синтетических покрытий внутри помещений. Статическое электричество может возникать при движении топлива по трубопроводам, фильтрации воздуха загрязненного пылью. Электризация создается и при движении транспортных средств, особен- но тех, в конструкции которых входят композиционные материалы. В настоящее время считается, что ЭСП могут вызывать у работающих нарушения функционального характера в виде астеновегетативного синдрома и вегетососудистой дистонии, а также головную боль, раздражительность и нарушение сна. Следует отметить, что механизмы влияния ЭСП и ответных реакций организма остаются неясными и требуют дальнейшего изучения. 4.2. Постоянные магнитные поля (ПМП) Источниками постоянных магнитных полей (ПМП) являются постоянные магниты, электромагниты, сильноточные системы постоянного тока. Постоянные магниты широко используются в приборостроении и при устройствах динамиков, магнитных сепараторов, устройств для магнитной обработки воды, магнито-гидродинамических генераторах, установках ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса и пр. 354 В системе СИ единицей измерения напряженности ПМП является ампер на метр (А/м), магнитного потока — вебер (Вб), магнитной индукции — тесла (Тл). В местах нахождения персонала, обслуживающего МГД, генераторы, термоядерные установки, магниторезонансные томографы, магнитная индукция достигает 50 мТл и более. Пациенты при применении ядерно-магнитных томографов подвергаются воздействию ПМП до 2 Тли более. Средние уровни ПМП (порядка 5-100 мТл) создаются в салоне транспортных средств на магнитной подушке и в рабочей зоне операторов при электролитических процессах. Эксперты ВОЗ считают, что уровни ПМП до 2 Тл не оказывают существенного влияния на основные показатели функционального состояния организма животных и человека. По данным отечественных исследователей (А.М. Вялов, Ю.П. Сыромятников и др.), у работающих с источниками ПМП возможны изменения в состоянии здоровья в форме вегетодистонии, астено- вегетативного и периферического вазовегетативного синдрома или их сочетания. |