Глава 1
Общая характеристика электромагнитного излучения. Источники ЭМП. Особенности ЭМП диапазона мобильной связи и взаимодействие с биологическими объектами

Человек и все живые объекты окружающей среды постоянно подвергаются воздействию электромагнитных полей естественного и искусственного (антропогенного) происхождения. Возникновение многочисленных искусственных источников ЭМП привело за последние 100–120 лет к резкому возрастанию интенсивности электромагнитного излучения.

Средняя интенсивность электромагнитного излучения Солнца и других внеземных источников, которые создают естественный электромагнитный фон Земли в радиочастотном и микроволновом диапазонах, изменяется в пределах от 10^–24 (спокойное Солнце) до 10 ^–12 Вт/м² (максимальная солнечная активность), в то время как общий электромагнитный фон в условиях современного города составляет 10^–1 – 10 Вт/м² [2]. Таким образом, суммарная интенсивность ЭМП различного происхождения на несколько порядков превышает интенсивность естественного электромагнитного фона.

Источники ЭМП антропогенного происхождения чрезвычайно разнообразны. Это линии электропередач (ЛЭП), электротранспорт, промышленные установки, телевизионные и радиовещательные станции, бытовая техника, мониторы компьютеров, радары, медицинская и научная аппаратура, системы мобильной связи, Интернет и т. д., которые являются источниками излучения электромагнитного излучения в широком диапазоне частот [1–3]. Среди перечисленных источников электромагнитного воздействия на человека наибольший вклад вносят базовые станции сотовой связи и мобильные телефоны. Суммарная экспозиция населения от ЭМП беспроводных телекоммуникационных технологий постоянно растет и сейчас составляет не менее 60 % от общей экспозиции в радиочастотном диапазоне [27]. Невероятно широкое распространение мобильных средств связи в сочетании с неопределенностями в оценке опасности для здоровья человека, по существу представляет собой небывалый по размаху эксперимент, который человечество проводит на себе [28, 29].

ЭМП, обладая высокой биологической активностью, вызывают в организме, его отдельных системах разнообразные эффекты, выраженность которых зависит от многих факторов, но, прежде всего, от энергии квантов излучения, обусловленных диапазоном частот и их интенсивностью.

Чтобы понять действие электромагнитного излучения (ЭМИ) на организм, необходимо рассмотреть физическую природу ЭМП и более подробно остановиться на его особенностях в диапазоне мобильной связи.

1.1. ЭМИ: основные характеристики, классификация, источники, биологическое действие

ЭМП – особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами, представляющая собой совокупность электрического и магнитного полей. Электромагнитные волны возникают вследствие связи между изменениями электрического и магнитного полей. Всякое изменение напряженности электрического поля вызывает появление переменного магнитного поля, изменение которого, в свою очередь, порождает меняющееся электрическое поле. Именно поэтому происходит передача колебаний напряженностей электрического и магнитного полей, т. е. происходит распространение электромагнитной волны.

В вакууме ЭМП характеризуются вектором напряженности электрического поля (Е) и магнитной индукцией (В), которые соответственно определяют силы, действующие со стороны поля на неподвижные и (или) движущиеся заряженные частицы. Наряду с векторами Е и В, измеряемыми непосредственно, ЭМП может характеризоваться скалярным φ и векторным А потенциалами, которые определяются неоднозначно, с точностью до градиентного преобразования. В среде, например в тканях, ЭМП характеризуется дополнительно двумя вспомогательными магнитными величинами: напряженностью магнитного поля (Н) и электрической индукцией (D). При ускоренном движении заряженных частиц ЭМП излучается в виде квантов (фотонов) и существует в виде электромагнитных волн, которые представляют собой взаимосвязанные изменения напряженности электрического и магнитного полей [2, 30–32].

Основными параметрами электромагнитной волны (электромагнитного излучения) являются длина волны (λ) – расстояние, на которое распространяется волна за один период (Т), частота колебания (F) – число колебаний за 1 с, скорость (С) распространения электромагнитной волны, равная (λ/Т) [30, 31]. Электрическая Е- и магнитная Н-составляющие в распространяющейся электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и направлению распространения [2].

Действие ЭМП в зависимости от энергии квантов может вызывать или не вызывать ионизацию атомов. ЭМИ, вызывающее ионизацию атомов, является ионизирующим излучением, к числу которых относятся γ- и рентгеновское излучения. ЭМИ, не вызывающее ионизацию атомов, – неионизирующее излучение, к спектру которых принадлежат ультрафиолетовое, оптическое (видимый свет), инфракрасное, гипервысокочастотное, сверхвысокочастотное или микроволновое и радиочастотное излучения. Условной границей между ионизирующими и неионизирующими излучениями принята энергия кванта в 12 эВ, соответствующая длине 100 нм. Эта граница находится в ультрафиолетовой области электромагнитного спектра. Таким образом, неионизирующее излучение не обладает достаточной энергией для ионизации вещества. Оно характеризуется энергиями фотонов ниже 12 эВ, длиной волны выше 100 нм, частотой ниже 3·10¹⁵ Гц. Тем не менее неионизирующее излучение обладает высокой биологической активностью, вызывая в зависимости от его интенсивности такие эффекты, как нагревание, изменение химических реакций, наведение электрических токов в тканях, информационное воздействие [2].

Согласно Международной классификации, электромагнитный спектр до 3000 ГГц в зависимости от частоты и длины волны разделяется на 12 диапазонов (табл. 1.1).

Весь спектр электромагнитных излучений, используемых в медико-биологической практике, также принято относить к низким (низкие частоты (НЧ), диапазон частот от 3 до 300 кГц), радио- (радиочастоты (РЧ), диапазон частот от 0,3 до 300 МГц) и сверхвысоким (СВЧ, диапазон частот от 0,3 до 3000 ГГц) частотам.

Различают естественные (природные) и искусственные (антропогенные, техногенные) ЭМП.

Природные источники ЭМП условно делят на две группы. К первой группе относят постоянное электрическое и постоянное магнитное поле Земли, ко второй группе – радиоволны, генерируемые космическими источниками (Солнце, звезды и др.), и атмосферные процессы (разряды молний и т. д.). Естественное электромагнитное поле Земли является источником энергии и распространяется в виде электромагнитных волн в диапазоне от 10 МГц до 10 ГГц – от инфракрасных до ультрафиолетовых лучей.

А излучение атмосферных разрядов показало, что возникающие при этом электромагнитные излучения охватывают широкий диапазон длин волн – от сверхдлинных до ультракоротких; и наконец, были открыты радиоизлучения Солнца и Галактик в диапазоне от метровых до миллиметровых волн.

Все виды магнитной активности являются результатом солнечной активности, связанной как с увеличением числа солнечных пятен, так и со вспышками на Солнце. В реальных условиях естественные ЭМП изменяются в течение суток и по сезонам, зависят от географических координат (широта, долгота, высота над поверхностью Земли) и от 11-летнего цикла активности Солнца и других факторов [3]. Поэтому естественная магнитная активность носит соответствующий периодический характер.

Таблица 1.1. Международная классификация ЭМИ по диапазонам частот и длинам волн [2]

Человек, все живые существа находятся под постоянным воздействием ЭМП Земли, которое изменяется во времени. На протяжении миллиардов лет естественное ЭМП Земли, все диапазоны естественного электромагнитного спектра, являясь первичным экологическим фактором, оказывали постоянное воздействие на все объекты живой природы и это, несомненно, не могло не отразиться на процессах их жизнедеятельности.

В ходе эволюционного развития структурно-функциональная организация живых существ адаптировалась под воздействием колебаний естественного электромагнитного фона, наблюдаемых в периоды как обычной, так и повышенной солнечной активности, когда мощный корпускулярный поток вызывает резкие кратковременные изменения магнитного поля Земли.

Природные ЭМП совершенно необходимы для нормального протекания процессов жизнедеятельности на всех уровнях организации от субклеточного и клеточного до органов и тканевых систем. Диапазон интенсивностей естественных ЭМП является «привычным» для живых организмов, его называют зоной оптимальных условий [3]. В случае нарушения их действия возникает опасность изменения нормального функционирования организма и его систем.

Однако наряду с природными (естественными), жизненно необходимыми ЭМП в ХIХ в. возникли искусственные ЭМП, созданные людьми для коммуникации и передачи энергии. Они характеризуются высокой когерентностью, т. е. частотной и фазовой стабильностью, более простым частотным спектром, обладают значительной интенсивностью и большой неравномерностью локализации в пространстве [2, 3, 32, 33].

Разнообразные антропогенные источники ЭМП не только существенно повышают электромагнитный фон в местах их нахождения, поскольку электромагнитное излучение носит локальный характер, но отражаются и на общем уровне электромагнитного фона Земли, существенно увеличивая его. Это явление получило название «электромагнитное загрязнение окружающей среды», или «электромагнитный смог». В настоящее время излучение искусственных источников ЭМП, существенно превышая естественный электромагнитный фон, превратилось в опасный экологический фактор.

Спектр искусственных источников ЭМП весьма обширен и также делится на две группы.

К первой из них относятся источники низкочастотных излучений в диапазоне от 0 до 3 кГц. Эта группа включает в себя все системы производства, передачи и распределения электроэнергии (ЛЭП, трансформаторные подстанции, электростанции, различные кабельные системы), домашнюю и офисную электро-и электронную технику, в том числе и мониторы персональных компьютеров, железнодорожный транспорт и его инфраструктуру, а также метро, троллейбусный и трамвайный транспорт.

Ко второй группе искусственных ЭМП относятся источники высокочастотных излучений, частота которых составляет от 3 кГц до 300 ГГц. Сюда входят функциональные передатчики – источники электромагнитного поля в целях передачи или получения информации. Это передатчики (радио, телевидение), радиотелефоны (авто-, радиотелефоны, радио средних волн (СВ), любительские радиопередатчики, производственные радиотелефоны), направленная радиосвязь (спутниковая радиосвязь, наземные релейные станции), навигация (воздушное сообщение, судоходство, радиоточка), локаторы (воздушное сообщение, судоходство, транспортные локаторы, контроль за воздушным транспортом), беспроводная связь и т. д.

Сюда же относится различное технологическое оборудование, использующее СВЧ-излучение, переменные (50 Гц – 1 МГц) и импульсные поля, бытовое оборудование (СВЧ-печи), средства визуального отображения информации на электронно-лучевых трубках (мониторы персональных компьютеров, телевизоры и др.). Для научных исследований в медицине применяют токи ультравысокой частоты.

Основные диапазоны частот, применяемые в различных сферах деятельности человека, приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2.