2. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ В ПОВСЯКДЕНІШ УСЛОВИЯХ ПРОИЗВОДСТВА И В БЫТУ
2.3. Электромагнитные поля и излучения
2.3.1. Влияние электромагнитных полей и излучений на живые организмы
Сразу же после начала практического использования радио стали наблюдаться симптомы вредного воздействия радиоволн на людей.
У моряков, которые несли службу на кораблях Балтийского флота, где випробувались первые мощные радиостанции, замечались небывалая усталость, подавленное настроение, головная боль. Первым специалистом, который обратил серьезное внимание на изучение этих фактов, был врач-П. И. Иржевский. В 1900 г. П. И. Иржевский на ученом совете Военно-медицинской академии защитил докторскую диссертацию на тему "Влияние электрических волн на организм человека". Она опиралась на результаты медицинских наблюдений над лицами, которые работали с радиоустановками, а также экспериментов с матросами - добровольцами. Полученные данные способствовали формированию представления о мерах безопасности при работе с радиоаппаратурой, а также использовались П. И. Іржевським при разработке методов физиотерапевтического лечения электромагнитным излучением.
Биосфера на протяжении всей эволюции находилась под воздействием электромагнитных полей (ЭМП), так называемого фонового излучения, вызванного естественными причинами. В процессе индустриализации человечество добавило к этому целый ряд факторов, усилив фоновое излучение. В связи с этим ЭМП антропогенного происхождения начали значительно превышать естественный фон и до сих пор превратились в опасный экологический фактор.
Все ЭМП и излучения разделяют на природные и антропогенные.
ЭМП естественного происхождения. Вокруг Земли существует электрическое поле напряжением в среднем 130 В/м, которое уменьшается от средних широт к полюсам и экватору, а также по экспоненциальному закону с удалением от земной поверхности. Наблюдаются годовые, суточные и другие вариации этого поля, а также случайные его изменения под воздействием грозовых разрядов, осадков, метелей, пыльных бурь, ветров.
Наша планета также имеет магнитное поле с напряжением 47,3 А/м - на северном, 39,8 А/м - на южном полюсах, 19,9 А/м - на магнитном экваторе. Это магнитное поле колеблется с 80-летним и 11-летним циклами изменений, а также с более кратковременными изменениями по разным причинам, связанных с солнечной активностью (магнитные бури).
Земля постоянно находится под воздействием ЭМП, которое излучает Солнце, в диапазоне в основном 10 мГц - 10гГц. Спектр солнечного излучения достигает и более коротковолновой области, которая содержит инфракрасное (14), видимое, ультрафиолетовое (Уф), рентгеновское и гамма-излучение.
Интенсивность излучения меняется периодически, а также быстро и резко увеличивается при хромосферних вспышках.
Рассмотрены ЭМП влияли на биологические объекты и, в частности на человека, во время всего ее существования. Это позволило в процессе эволюции приспособиться к воздействию таких полей и выработать защитные механизмы, которые защищают человека от возможных повреждений за счет природных факторов. Но ученые все-таки наблюдают корреляцию между изменениями солнечной активности (которые вызывают изменения электромагнитного излучения) и нервными, психическими, сердечно-сосудистыми заболеваниями людей, а также нарушением условно-рефлекторной деятельности животных.
Антропогенные излучения фактически охватывают все диапазоны. Рассмотрим влияние радиоволнового излучения, в частности излучения ВЧ и УВЧ - диапазонов (30 кгы - 500 мГи). Возможности прямого облучения радиоволнами определяются условиями их распространения, которые зависят от длины волны.
На длинных волнах (10 - 1км) ЭМП создается волной, которая огибает земную поверхность и препятствия, которые на ней расположены (дома, растительность, неровности местности), и идет между земной поверхностью и нижней границей ионизационного слоя атмосферы. Они почти не поглощаются почвой. Сигналы мощных радиовещательных станций в этом диапазоне фактически в любое время суток свободно распространяются на дальние расстояния. Поэтому станции должны рассматриваться как источники ЭМП, которые играют важную роль в экологическом отношении.
Средние волны (1000 - 100 м.) также достаточно хорошо огибают земную поверхность, хотя при этом отклоняются препятствиями, которые имеют размер, больший от длины волны, и значительно поглощаются почвой. В связи с этим расстояние распространения средних волн составляет около 500 км, а для обслуживания больших территорий устанавливается предел ретрансляционных станций. В этом диапазоне работают радиостанции на судах и аэродромная радиослужба. Однако главную экологическую опасность создают мощные радиовещательные станции.
В диапазоне коротких волн (100 - 10 м) радиоволны сильно поглощаются Почвой, но для распространения на большое расстояние используется их отражения от земной поверхности и ионосферы. В этом диапазоне работают радиовещательные станции и станции связи.
На ультракоротких волнах (10 - 1 м), которые поглощаются почвой и почти не отражаются ионосферой, распространение сигналов происходит практически только в пределах прямой видимости. Для увеличения этой зоны используют высоко размещены антенны и ретрансляторы, причем ЭМП образуется вследствие интерференции прямого и зеркально отраженного лучей. В этом диапазоне работают связные, радиовещательные и телевизионные станции, расположенные, как правило, в местах большой концентрации населения.
Систематические исследования влияния ЭМП на людей начаться примерно с 50-х г. В диапазонах ВЧ и УВЧ систематически обследуются прежде всего лица, которые непосредственно работают с радиоаппаратурой и находятся возле передатчиков, пультов управления, коммутационных устройств, радио - и телевизионных станций. Однако хотя реальное время воздействия интенсивного ЭМ П на обслуживающий персонал не всегда равна продолжительности смены, часто значительно меньше, но и его бывает достаточно, чтобы вызвать серьезное ухудшение самочувствия.
Во время медицинского обследования выявляются субъективные расстройства, которые наблюдаются во время работы: общая слабость, повышенная усталость, потливость, сонливость, а также расстройство сна, головная боль и в области сердца. Появляется раздражение, потеря внимания, растет продолжительность мовнорухової и зоровомоторної реакций, повышается предел обонятельной чувствительности. Возникает ряд симптомов, которые являются свидетельством нарушения работы отдельных органов - желудка, печени, селезенки, поджелудочной и других желез. Угнетаются половые и пищевые рефлексы.
Регистрируются объективные показатели, например, изменение артериального давления, частота сердечного ритма, форма электрокардиограммы. Это свидетельствует о нарушении деятельности сердечно-сосудистой системы. Фиксируются изменения показателей белкового и углеводного обменов, увеличивается содержание азота в крови и моче, снижается концентрация альбумина и возрастает содержание глобулина, увеличивается количество лейкоцитов, тромбоцитов, возникают и другие изменения состава крови.
Исследуется также влияние ЭМП на здоровье населения вблизи территории радиостанции.
Во время одного из таких исследований, проведенных на территории Украины, опрашивалось население, анализировались медицинские документы больниц и поликлиник, изучались некоторые показатели состояния здоровья у детей разного возраста в школах и детских садах. Были обследованы сотни людей. Полученные результаты для лиц, проживающих около (на расстоянии менее километра) мощной радиостанции, работающей на средних и коротких волнах, сравнивались с контрольными для аналогичной группы населения, в местах проживания которого нет источников излучения.
Материалы исследования показали, его количество жалоб на здоровье в местности вблизи радиостанции значительно (почти вдвое) выше, чем в контрольной группе. Выявлено много нарушений, которые еще не является заболеванием и не вызвали обращения к врачам. Общая заболеваемость в поселке с радіоцентром, в основном, обусловлено нарушением нервной и сердечно-сосудистой системы, также была выше, чем в контрольной группе.
У обследованных детей отмечено нарушение умственной работоспособности вследствие снижения внимания через развитие последовательного торможения и угнетения нервной системы. Фиксировались учащенный пульс и дыхание , повышение артериального давления при физической нагрузке и замедленное возвращение к норме этих показателей при его снятии. Фиксировался также влияние ЭМП на другие процессы, в том числе иммунобиологические.
Опубликовано немало материалов по изучению влияния ЭМП диапазонов УВЧ и ВЧ на животных (обезьян, кроликов, крыс, мышей). Внимательнее всего изучали нарушения деятельности сердечно-сосудистой системы. Исследования показали, что облучение ЭМП малой интенсивности влияет на животных практически так же, как и на людей.
Значительные изменения функционирования органов и систем наблюдались не только во время облучения, но и относительно их последствий в течение длительного времени.
В первый период облучения наблюдались изменения поведения животных: у них появлялись беспокойство, возбуждение, двигательная активность, стремление убежать из зоны излучения. Длительное воздействие ЭМП приводило к снижению возбуждения, рост процессов торможения. Облучение ЭМП вызывало нарушения условных рефлексов и задержку их выработки.
Влияние ЭМП на животных в период беременности приводило к росту количества мертворожденных, выбросов, увечий. Наблюдались аналогичные последствия, которые проявлялись в следующих поколениях.
Микроскопические исследования внутренних органов животных выявили дистрофические изменения тканей головного мозга, печени, почек, легких, сердечной мышцы с венозным повнокров'ям, отеками, изменением окраски. Было зафиксировано нарушение на клеточном уровне. ЭМП должны рассматриваться в основном как болезнетворный фактор. На основании клинических и экспериментальных материалов выявлены основные симптомы поражения, возникающие при воздействии ЭМП. Их можно классифицировать как радіохвильову болезнь. Степень патологии напрямую зависит от напряжения ЭМП, длительности воздействия, физических особенностей, диапазонов частот, условий внешней среды, а также от функционального состояния организма, его устойчивости к воздействию различных факторов, возможностей адаптации.
Наряду с радіохвильовою болезнью как специфическим результатом действия ЭМП наблюдается, через влияние, общий рост заболеваемости, а также заболевания отдельные болезни органов дыхания, пищеварения и др. Это отмечается также при очень малой интенсивности ЭМП, которая незначительно превышает гигиенические нормативы. Вероятно, причиной является нарушение нервно-психической деятельности как главной в управлении всеми функциями организма. В результате действия ЭМП возможны как острые, так и хронические поражения, нарушения в системах и органах, функциональные изменения в деятельности нервно-психической, сердечно-сосудистой, эндокринной, кроветворной и других систем.
Конечно, изменения деятельности нервной и сердечно-сосудистой системы обратные, и хотя они имеют кумулятивный характер (т.е. накапливаются со временем), но, как правило, уменьшаются и исчезают при исключении влияния и улучшении условий труда. Но длительное и интенсивное воздействие ЭМП приводит к стойким нарушениям и заболеваниям.
Излучение СВЧ - диапазона. Активность воздействия ЭМП различных диапазонов частот различна: она значительно возрастает с ростом частоты и очень серьезно влияет в СВЧ - диапазоне. В настоящее диапазон входят дециметровые (I00-10см), сантиметровые (10-1см) и миллиметровые (10-1мм) волны. В зарубежных литературных источниках все эти диапазоны объединяются термином "микроволновые".
Как и УВЧ, СВЧ - излучение очень поглощается почвой и не отражается ионосферой. Поэтому распространение СВЧ происходит в пределах прямой видимости. На некоторых участках диапазона СВЧ наблюдаются поглощения и рассеяния волн молекулами кислорода, испарением воды, атмосферными осадками, что ограничивает расстояние распространения.
На дециметровых волнах работают радиовещательные и телевизионные станции, которые обеспечивают благодаря снижению уровня помех вуза качество передачи информации, чем в УВЧ - диапазоне.
Все участки СВЧ - диапазона используются для радиосвязи, в том числе радиорелейной и спутниковой. В этом диапазоне работают практически все радиолокаторы.
Поскольку излучение СВЧ, поглощаясь плохо ведущим средой, вызывает их нагрев, этот диапазон широко используется в промышленных установках, которые базируются на использовании и других эффектов, связанных с СВЧ - излучениями. Подобные установки используются и в быту. Влияние СВЧ излучения наживе ткани дал основание для разработки терапевтической медицинской аппаратуры. Благодаря особенностям распространения СВЧ, именно этот диапазон используется для передачи энергии лучом на большие расстояния.
В СВЧ - диапазоне вузькоскеровані антенны используются относительно мало. В основном используется возможность сфокусировать излучение в узкий луч антенным устройством сравнительно небольших габаритов. В пределах лучей, ограниченных диаграммой направленности антенны, интенсивность ЭМП существенно увеличивается, а за пределами лучей становится очень малой, что обусловливает достаточно четкое разграничение зон разной степени опасности.
Влияние СВЧ на биологические объекты в последнее время привлекает внимание большого количества исследователей и освещается в многочисленных научных докладах и публикациях. Есть сведения о клинические проявления действия СВЧ в зависимости от интенсивности облучения. При интенсивности около 20 мкВт/см2 наблюдается уменьшение частоты пульса, снижение артериального давления, то есть реакция на облучение. Она сильнее и может даже выражаться в увеличении температуры тела лиц, которые ранее попадали под облучение. С ростом интенсивности проявляются електрокардіологічні изменении, при хроническом воздействии - тенденция к гипотонии, к изменениям со стороны нервной системы. Потом начинается ускорение пульса, колебания объема крови.
По интенсивности 6 мВт/см2 замечено изменения в половых железах, в составе крови, помутнение хрусталика. Далее - изменения в свертывании крови, условно-рефлекторной деятельности, влияние на гепатоциты, изменения в коре головного мозга. Затем - повышение артериального давления, разрывы капилляров и кровоизлияния в легкие и печень.
По интенсивности до 100 мВт/см2 - стойкая гипотония, стойкие изменения в сердечно-сосудистой системе, двусторонняя катаракта. Дальнейшее облучение заметно влияет на ткани, вызывает болевые ощущения. Если интенсивность превышает 1 Вт/см2, то это вызывает очень быструю потерю зрения.
Таким образом, СВЧ - облучение действует в основном аналогично волновому, но сильнее. Кроме того, наблюдаются и некоторые особенности. Много эффектов от действия ЭМП объясняются преобразованием энергии излучения в тепловую. Поскольку нагрев возрастает пропорционально частоте, явления, связанные с нагреванием, на СВЧ проявляются сильнее.
Остановимся на двух проявлениях СВЧ - облучения, которые в некоторой степени могут считаться специфическими, то есть обусловленными этими, а не другими факторами влияния.
Одним из серьезных эффектов, обусловленных СВЧ - облучением, является повреждение органов зрения. На низших частотах такие эффекты не наблюдаются и поэтому их надо считать специфическими для СВЧ - диапазона.
Степень повреждения зависит в основном от интенсивности и продолжительности облучения. С ростом частоты, напряжения ЭМП, которая вызывает повреждение зрения, - уменьшается.
Острое СВЧ - облучение вызывает слезотечение, раздражения, сужение зрачков. Затем после короткого (1-2 суток), скрытого, периода наблюдается ухудшение зрения, которое растет во время повторного облучения, что свидетельствует о коммутативный характер повреждений. Экспериментальные исследования на кроликах и наблюдения за людьми указывают на существование механизма восстановления поврежденных клеток, который требует длительного времени (10-12 суток). С ростом времени и интенсивности воздействия повреждения становятся необратимыми.
При воздействии излучения на глаз наблюдается повреждение роговицы. Но среди всех тканей глаза наибольшую чувствительность в диапазоне 1 - 10 ГГц имеет хрусталик. Сильное повреждение хрусталика обусловлено тепловым воздействием СВЧ (при плотности более 100 мВт/см2). При меньшей интенсивности помутнения хрусталика наблюдается только в задней области, при большой - по всему объема хрусталика. Образование катаракты объясняют не только тепловым воздействием, но и влиянием ряда других не совсем установленных факторов. Большое значение имеет концентрация поля в среде с отдельными диалектическими свойствами и объемными резонансными эффектами. В начале 60-х гг. в научно-технической литературе появились первые сведения о том, что люди, облученные импульсами СВЧ-колебаний, слышали звук. В зависимости от три вал ости и частоты повторений импульсов этот звук воспринимается как щебетание, чириканье или журчание в какой-то точке (внутри или сзади) головы. Это явление вызвало интерес ученых, которые начали систематические исследования на людях и животных (морских свинках, крысах и кошках). Во время опроса люди могли сообщить о ними чувства, для животных необходимо было разработать специальную методику. Она заключается в том, что сначала у животного вырабатывается условный рефлекс на звуковой сигнал определенной частоты: животное должна выполнять определенные действия, после чего получала еду. Затем звуковой сигнал менялся СВЧ - излучением, которое вызвало слуховой эффект на такой же частоте. Было установлено, что в обоих случаях животное ведет себя одинаково.
Проводились также опыты, которые свидетельствуют, что СВЧ - импульсы воспринимаются слуховой системой. Для этого вживляли микроэлектрода, с которых снимали биопотенциалы. Выяснилось, что слуховой эффект присущ частотам 200-300 МГц. при длительности прямоугольных импульсов, которые изменяются в пределах 1-100 мкс. с частотой повторений 1-100 Гц. Ощущение звука фиксировалось при очень малых значениях стельности потока, средних - начиная с 0,1 мВт/см2, импульсных - МВт/см2. Частота ощущение звука не зависит от частоты СВЧ сигнала.
На основании расчетов для модели мозга, которые отвечают экспериментальным данным, было предложено такое объяснение слухового эффекта: под влиянием импульсов СВЧ - энергии возбуждаются термопружні волны давления в тканях мозга, которые действуют за счет костной проводимости на рецепторы внутреннего уха - волосковые клетки улитки.
У животных слуховой эффект вызывает беспокойство, они пытаются избежать облучения. Вопрос, насколько слуховой эффект неприятный или вредный для человека, находится на стадии исследования, как и вопрос о возможных неслухові эффекты импульсного СВЧ - излучения.
Изучение влияния ЕМГІ на различные биологические объекты, населяющие биосферу, - животных, насекомых, растений, бактерий - естественно, имеет и самостоятельный интерес. Имеется в виду как судьба каждого биологического вида, что зависит от состояния окружающей среды, так и взаимосвязь и взаимодействие объектов живой природы. Кроме того, хотя эти исследования проведены и в относительно малых масштабах, они помогли выяснить некоторые механизмы действия ЕМГІ, а также расширили круг вопросов, которые заинтересовали ученых и стали предметом дальнейшего изучения.
Например, при исследовании влияния СВЧ - излучения небольшой (нетепловой) интенсивности на насекомых наблюдались тератогенные эффекты (врожденные аномалии развития), которые иногда имели мутагенный характер, то есть наследовались.
Исследование прорастания и дальнейшего развития кукурузы с предварительно облученного миллиметровыми волнами в сухом состоянии семена выявило периодическое чередование стимулирующего и угнетающего действия. При изменении дозы облучения наблюдался эффект последействия - влияние облучения, которое проявляется через определенное время (около месяца).
Влияние СВЧ облучения на семена люцерны привел к изменению состояния их оболочки, что плохо пропускает воду, и облегчил прорастания.
Выявлено значительное влияние СВЧ - излучения на изменение физико - химических свойств и соотношения клеточных структур. Особенно это приводит к задержке и прекращению процессов размножения бактерий и вирусов и снижает их инфекционную активность.
Оптическое излучение. Этим термином обозначается излучения видимого диапазона волн (0,4 - 0,77 мкм), а также граничащих с ним диапазонов - ИК с длиной волны 0,77-0,1 мкм и УФ с длиной волны 0,4 - 0,05 мкм.
Таким образом, со стороны длинных волн между оптическим диапазоном и СВЧ лежит малоизученный и пока малоиспользуемый диапазон субмиллиметровых волн (0 - 01 мм), а со стороны коротких волн - переход к рентгеновскому излучению.
Изучение оптического диапазона (включая ИК, видимый и УФ) не классифицируется как радиочастотное, но, начиная с 60-х гг., оно начало широко применяться в радиоэлектронике.
Радиоэлектронные приборы, как и любые другие, имеют КПД менее 100% и часть энергии источников питания расходуется на покрытие потерь и в конечном счете переходит в тепло, то есть, в ИК-излучения.
Источниками ИК-излучения служат много элементов и узлов радиоаппаратуры - электровакуумные, полупроводниковые и квантовые приборы, индуктивности, резисторы, трансформаторы, соединительные провода и т.д. Аналогичным образом электровакуумные приборы в стеклянных баллонах дают излучение в видимой области спектра. Но такого рода излучения сравнительно малой интенсивности не вызывает заметного экологического воздействия. Это касается и некогерентного УФ-излучения, которое используется в технологическом процессе фотолитографии при производстве микросхем.
Лазерное излучение имеет ряд особенностей. Оно характерно большой временной и пространственной когерентностью - корреляцией (совместимостью) фаз колебаний в некоторой точке пространства на определенную величину момента времени, а также корреляцией фаз колебаний в различных точках пространства в один и тот же момент времени.
Временная когерентность приводит монохроматичность (одночастотність) излучения, что вытекает из самого принципа действия лазера как квантового прибора. В реальных условиях по ряду причин ширина спектра лазерного излучения ограничена, хотя и весьма немалая.
Пространственная когерентность обусловливает высокую направленность лазерного излучения, то есть малую угловую расхождение луча на больших расстояниях. В связи с малой длиной волны лазерное излучение может быть сфокусировано оптическими системами (линзами и зеркалами) небольших геометрических размеров, ограниченных дифракцией, благодаря чему на малой площади достигается большая плотность излучения.
Указанные свойства и их сочетание является основой для широкого использования лазеров. С их помощью осуществляется многоканальная связь на больших расстояниях (причем количество каналов здесь в десятки тысяч раз может превышать возможности СВЧ - диапазона), лазерная локация, дальнометрія, быстрая обработка информации.
Влияние лазерного излучения на биологические ткани может привести к тепловой, ударного действия светового давления, электрострикции (механические колебания под действием электрической составляющей ЭМП), перестройки внутриклеточных структур. В зависимости от различных обстоятельств проявление каждого эффекта, в частности, их суммарное действие могут отличаться.
При большой интенсивности и очень малой длительности импульсов наблюдается ударная действие лазерного излучения, которая распространяется с большой скоростью и приводит к повреждению внутренних тканей при отсутствии внешних проявлений.
Важнейшим фактором воздействия мощного лазерного излучения на биологическую среду является тепловой эффект, который проявляется в виде ожога, иногда с глубинным разрушением - деформацией и даже испарением клеточных структур. При менее интенсивном излучении на коже могут наблюдаться видимые изменения (нарушения пигментации, покраснение) с довольно четкими границами пораженно го участка. Кожный покров, который воспринимает большую часть энергии лазерного излучения, в значительной мере защищает организм от серьезных внутренних повреждений. Но есть сведения, что облучение отдельных участков кожи вызывает нарушения в различных системах организма, особенно нервной и сердечно-сосудистой.
В связи с различной поглощательной способностью живых тканей при относительно слабых повреждениях кожи, могут возникать серьезные поражения внутренних тканей - отеки, кровоизлияния, омертвения, свертывания крови. Результатом даже очень малых доз лазерного излучения могут быть такие явления, как почти и при СВЧ - облучении - неустойчивость артериального давления, нарушения сердечного ритма, усталость, раздражительность и т.д. Конечно, такие нарушения обратимы и исчезают после отдыха.
Сильнее всего воздействует лазерное излучение на глаза. Здесь самую серьезную опасность представляет излучение УФ - диапазона, которое может привести к коагуляции белка, радужки и ожога слизистой оболочки, что вызывает окончательную слепоту. Влияние видимого диапазона влияет на клетки сетчатки, вследствие чего наступает временная слепота или потеря зрения от ожога или следующая появление рубцовых ран. Излучение ИК-диапазона, которое поглощается радужной оболочкой, хрусталиком и стекловидным телом, более-менее безопасное, но также может вызвать слепоту.
Таким образом, лазерное излучение повреждает (иногда не обратно) все структуры глаза, а поскольку глаз является оптической системой, возникают второстепенные биологические эффекты как реакция на облучение.
Вследствие лазерного излучения в биологических тканях могут возникать свободные радикалы, которые активно взаимодействуют с молекулами и нарушают нормальный ход процессов обмена на клеточном уровне. Следствием этого является общее ухудшение состояния здоровья (как и при воздействии ионизационных излучений).