Биологическая активность ЭМП на разных уровнях организации живой материи. Специфические эффекты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В дипломной работе решены, в соответствии с поставленной целью, следующие задачи:
1 Выявление общих закономерностей частотнозависимого влияния ЭМИ;
2 Рассмотрение особенностей взаимодействия цифрового шума;
3 Классификация физиологических эффектов, вызываемых ЭМП и изучение механизмов использования ЭМП в системах пространственной связи и ориентации;
4 Статистическая обработка и анализ фактических данных измерений, проведенных в процессе практики, а также их интерпретация с позиции слабых воздействий ЭМИ;

...

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1 Источники и степень влияния электромагнитных полей на живые системы 7
1.1 Виды ЭМИ. Анализ возможного взаимодействия ЭМП с живыми организмами 7
1.2 Влияние и реакции живых организмов на электромагнитное излучение 20
1.3 Взаимодействие электромагнитных полей с биополем человека 27
Глава 2 Особенности взаимодействия цифорового шума с живыми системами. 33
2.1 Особенности распространения электромагнитных волн в помещениях 33
2.2 Параметры электромагнитных излучений 35
2.3 Модель распространения радиоволн 39
2.4 Особенности распространения радиоволн ВЧ-иСВЧ диапазонов внутри зданий 42
2.5 Биологическое действие электромагнитных излучений сверхвысокочастотного диапазона на разных уровнях организации биологических систем 44
Глава 3 Статистическая обработка и анализ фактических данных измерений эми 52
3.1 Статистическая обработка результатов натурных исследований и достоверность результатов 52
3.2 Анализ зависимости уровня излучения от расположения точки замера 60
3.3 Определение уровня безопасной эксплуатации оборудования с электромагнитными полями 72
Глава 4 Поиск оптимальных средств защиты от антропогенного эмп с точки зрения эффективности в бытовых условиях 79
4.1 Методы и средства защиты от ЭМП 79
4.2 Защита жилой застройки от ЭМП 81
4.3 Защита от ЭМИ на стадии строительства 84
4.4 Экологический мониторинга за уровнем электромагнитного поля как основной метод борьбы 88
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 95
Список использованных источников 97



 

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность
Для начала следует сказать, что повсеместная информатизация в настоящее время является всеобъемлющим и неотъемлемым фактором развития как общества, так и экономики любого современного государства.
Прежде всего, это реализуется посредством модернизации и расширения сферы информационно-коммуникационных технологий, которая в свою очередь неразрывно связана с внедрением микроэлектроники, использующей непосредственно или же генерирующей электромагнитную энергию практически всего спектра неионизирующего излучения.
Следовательно, биосфера главным образом в лице человечества получает новый фактор загрязнения ОС – электромагнитный.
Более того, значимость данного фактора варьируется в широких пределах, как правило, в зависимости от уровня развития самой техники.
Наряду с этим за ядро нынешней нормативной базы, устанавливающие ПДУ излучения, взят исключительно энергетический принцип действия ЭМИ или так называемые тепловые эффекты.
Однако, как нам известно в природе для человека ВС играет первоочередную информационную роль, в то время как для других биосистем такую же роль выполняют УФ и ИК диапазоны.
Очевидно, что данное положение применимо и для остальной части спектра, обладающей соизмеримыми параметрами.
В пользу данного положения свидетельствуют следующие факты соответствующие общим закономерностям функционирования информационных систем:
1. Существование острых максимумов физиологического отклика при изменение частоты колебаний схожие по природе с резонансными эффектами;
2. Энергия квантов данного диапазона с одной стороны меньше энергии теплового движения атомов и молекул, а с другой стороны много меньше энергии даже слабых водородных связей в живых организмах при этом ЭМИ данного диапазона обладают большой информационной емкостью при малых интенсивностях;
3. Примером может служить эксперимент в ходе которого установлено, что облечение кишечной палочки ЭМИ с длиной волны в 6,5 мм в течение 2 часов при плотности потока 5 мкВт/см2 в 3 раза увеличивает количество микроорганизмов синтезирующих белок колицин;
4. Аналогичные биоэффекты не наблюдаются ни при нагреве ни при действии ИИ
5. Высокаявоспроизводимость результатов экспериментов;
6. Биоэффекты не связаны с непосредственным действием ЭМИ, падающей на поверхность тела, на орган или систему, определяющий функцию изменившуюся под действием ЭМИ
7. Широкий интервал изменения интенсивности не приводит к изменению биоэффектов как при энергетическом действии.
Таким образом, целью моей работы является рассмотрение воздействия ЭМИ с позиций слабых или частотнозависимых биологических эффектов.
Согласно цели предполагается решение следующих задач:
1. Выявление общих закономерностей частотнозависимого влияния ЭМИ;
2. Рассмотрение особенностей взаимодействия цифрового шума;
3. Классификация физиологических эффектов, вызываемых ЭМП и изучение механизмов использования ЭМП в системах пространственной связи и ориентации;
4. Статистическая обработка и анализ фактических данных измерений, проведенных в процессе практики, а также их интерпретация с позиции слабых воздействий ЭМИ;
5. Поиск оптимальных средств защиты от антропогенного ЭМП с точки зрения эффективности в бытовых условиях.
В заключение хочется отметить, что изучение влияния ЭМП физически не может утратить свою актуальность в условиях глобальной информатизации, а, следовательно, интенсификации ЭМ фактора ОС.
 

Напряженность магнитного поля Н и магнитная индукция В связаны соотношением В= 0Н, (2.7)где 0 – магнитная постоянная 0 = 410-7 Гн/м.В вакууме или в воздухе на расстояниях, соответствующих дальней зоне, значения напряженностей Е и Н связаны между собой соотношением: Е=Z0Н , (2.8) где - волновое сопротивление свободного пространства, равное 377 Ом.Таким образом, напряженность магнитного поля в 377 раз меньше напряженности электрического поля. Для более наглядного представления приведём сравнение двух бегущих людей: один бежит по берегу (электрическая составляющая), а другой - по колено в воде (магнитная составляющая).Магнитная энергия в воздухе быстро затухает. Электрическая энергия, оставшись без пары, образует вторичное электростатическое поле, которое может ионизировать воздух. Например, на поверхности экрана дисплея возможно обнаружение - излучения. Явление никак не может быть связано с электронно-лучевой трубкой, поскольку этот вид излучения через стекло не проникает.Плотность потока энергии J (плотность мощности) при излучении сферических волн может быть выражена через мощность излучателя Рист. (2.9)где R- расстояние до источника излучения.Для дальней зоны справедливо также соотношение (2.10)Электромагнитные поля с частотой, равной нулю, называются статическими. В настоящее время используются три шкалы частот ЭМП: радиотехническая, медицинская и электротехническая. Электротехническая шкала, приводимая ниже, наиболее проста. Она используется также при нормировании ЭМП:низкочастотные (НЧ)0 – 60 Гц среднечастотные (СЧ)60 Гц – 10 кГцвысокочастотные (ВЧ)10 кГц – 300 МГцсверхвысокочастотные (СВЧ)300 МГц – 300 ГГц2.3 Модель распространения радиоволнЭнергия, переносимая электромагнитной волной, сосредоточена в электрическом и магнитном полях. Её объёмные плотности могут быть представлены соответственно в виде следующих соотношений [22-24]:; [Дж/м2] [Дж/м3](2.11)где ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемость среды. Для свободного пространства (вакуума) эти значения составляют: (2.12)а скорость распространения волны равна скорости света c.Интенсивность переноса энергии характеризуется плотностью потока мощности (ППМ), то есть потоком энергии, которая проходит через единицу поверхности в секунду. Направление переноса энергии определяется вектором Пойтинга (или, как отмечается в отдельных источниках информации, Умова-Пойтинга):.(2.13)Для изотропного излучателя плотность потока, мощность поля которого во всех направлениях одинакова, величина потока мощности, усреднённая за период колебаний, равна:(2.14)где Р∑ – мощность источника радиоизлучения,R – расстояние от излучателя до точки приёма волны. Волновым фронтом называется поверхность, все точки которой имеют одинаковую фазу. Другими словами, волновой фронт – это условная поверхность, характеризующаяся тем, что радиоволны, излучаемые антенной в разных направлениях, достигают её в одно и то же время. У точечного источника излучения волновой фронт сферический, а у линейного – цилиндрический. На больших расстояниях от источника излучения небольшой участок волнового фронта является плоскостью, которая перпендикулярна направлению переноса энергии электромагнитного поля. Волна в этом случае называется плоской.В сферической волне амплитуда поля уменьшается пропорционально I/R, а в цилиндрической – . В отсутствие затухания амплитуда плоской волны с расстоянием не изменяется. Уровень электромагнитного фона в любой точке пространства сложным образом зависит от рельефа местности, метеоусловий, времени года, растительности и этажности застройки. В пределах прямой видимости связь между напряжённостью электромагнитного поля и мощностью источника излучения выражается формулой Б.А. Введенского, полученной для «плоской земли»:(2.16)где Р – мощность излучателя, кВт; Е – напряжённость поля, мкВ/м; λ – длина волны, м; R – расстояние, км; D – коэффициент направленности передающей антенны по мощно-сти в вертикальной плоскости; h1 – высота передающей антенны, м; h2– высота точки приёма радиоволны, м.Средняя мощность электромагнитного поля может быть рассчитана с помощью известного соотношения:(2.17)где ρо=377 Ом – волновое сопротивление свободного пространства. Эта величина имеет постоянное значение во всём диапазоне длин волн.Особенности распространения радиоволн ВЧ-иСВЧдиапазонов внутри зданийОдним из основных источников влияния электромагнитного излучения в наших квартирах является электропроводка. Большинство наших квартир малогабаритные, с небольшими кухнями, с близкорасположенной электропроводкой, заставленные холодильниками, печами СВЧ, электроплитами, электрочайниками, вытяжками и стиральными машинами. В отличие от западных стран, где используется трехпроводная сеть, кожухи и панели электроприборов заземлены и не излучают, у нас используется двухпроводная сеть без заземления и соответственно с большим излучением. В США электропроводка прокладывается в экранирующем коробе или рукаве в углах стыка стен, где и устанавливается розетка. В России электропроводка монтируется без экрана на высоте 1 метра от пола, как раз на уровне головы и верхней части спины сидящего человека, облучая, таким образом, самые важные органы. Если изменить электропроводку в доме почти невозможно, то находиться вблизи электроприборов как можно реже в силах человека. Поэтому удивляет беспечность обитателей квартир, когда у них весь день включены музыкальные центры, родители засыпают под работающий телевизор, а дети играют около микроволновой печи [25, 26].Особенности распространения радиоволн сантиметрового и миллиметрового диапазонов или сверхвысоких (СВЧ) и крайне высоких (КВЧ) частот.Такие радиоволны распространяются от источника излучения к месту приема подобно волнам света - в виде прямолинейных лучей. Необходимым условием для распространения таких радиоволн является отсутствие на их пути экранирующих (затеняющих) препятствий. Связано это с тем, что эти радиоволны обладают крайне слабой способностью дифрагировать на препятствия (огибать препятствия). Считается, что радиус действия технических средств СВЧ и КВЧ диапазонов ограничивается расстоянием прямой видимости (не путать с прямой радиовидимостью).Другими словами, передающая и приемная антенны должны находиться на одной прямой - «видеть» друг друга. На наземных линиях радиосвязи расстояние прямой видимости определяется высотой подвеса передающей и приемных антенн и обычно не превышает 40...60 км. Однако это обстоятельство не мешает строить наземные линии радиосвязи протяженностью в сотни и тысячи километров. В этом случае, как отмечалось выше, используется принцип последовательной ретрансляции сигналов. Так строятся радиорелейные линии связи прямой видимости.Радиоволны нижней части СВЧ диапазона (до 3...5 ГГц) обладают свойством рассеяния на неоднородностях тропосферы - нижней части атмосферы Земли (от нескольких сотен метров до 10..12 км). В ней всегда есть локальные объемные неоднородности, вызванные различными физическими процессами. Эти неоднородности обладают свойством переизлучения радиоволн, падающих на них. Энергия пере излучения волн может улавливаться приемной антенной, находящейся далеко за пределами прямой видимости. Механизм тропосферного рассеяния радиоволн называют дальним тропосферным распространением радиоволн, позволяющим создавать так называемые тропосферные радиорелейные линии с расстоянием между станциями передачи и приема 300-500 км.Для рассматриваемых диапазонов также характерно явление интерференции радиоволн прямых, идущих к месту приема непосредственно от источника излучения, и отраженных от тех или иных объектов (поверхности Земли, зданий и т. п.).На распространение радиоволн СВЧ и КВЧ диапазонов заметное влияние оказывают метеорологические процессы, происходящие вдоль трассы радиолинии: дождь, снег, туман. Считается, что эти влияния тем сильнее, чем выше частота (короче длина волны).В последние годы в ряде стран стали изучать распространение радиоволн на небольшие расстояния внутри помещений. Необходимость в таких исследованиях возникла, в частности, при разработке микросотовых систем персональной связи с подвижными объектами. Для микросотовых систем связи обычно используется диапазон частот 900-2000 МГц. При излучаемой мощности базовой станции порядка 10 мВт радиус соты составляет примерно 50 м. Системы такого рода применяются преимущественно внутри крупных зданий площадью 10–15 тыс. м2. Возникающие при проектировании таких систем связи проблемы связаны с изменением уровня сигнала и искажений в тракте распространения радиоволн, с влиянием антенных устройств на характеристики сигнала, с обеспечением электромагнитной совместимости различных частей системы и между собой, а также со многими другими явлениями, обусловленными распространением радиоволн в промышленных, жилых, спортивных и административных зданиях. Биологическое действие электромагнитных излучений сверхвысокочастотного диапазона на разных уровнях организации биологических системПовсеместное использование цифровых технологий привело к появлению новой составляющей электромагнитного окружения человека - цифрового шума (ЦШ). Если в целом электромагнитное загрязнение окружающей среды является предметом озабоченности специалистов-экологов, то возможная роль цифровой компоненты как фактора дополнительного риска до сих пор не рассматривалась. Необходимость выделения ЦШ из всего спектра электромагнитного фона продиктована экспериментов о качественно новых чертах биоэффектов ЦШ на клеточном уровне.Внедрение любой новой технологии, сопряженной с излучением в окружающее человека пространство электромагнитных волн, неизбежно сопровождается дискуссиями о возможных последствиях для здоровья. Для мобильной связи это особенно актуально, поскольку в наше время всем известно, что излучение СВЧ может быть далеко не безвредным, а радиопередатчик абонентского аппарата работает непосредственно около уха, в нескольких сантиметрах от головного мозга. Многочисленные исследования, однако, не дают пока ясного ответа на вопрос: насколько вредно излучение мобильного телефона для его пользователя. Сложность проблемы, недостаточность финансирования, лоббирование компаний-производителей способствуют тому, что в обозримом будущем вряд ли следует ожидать получения однозначных выводов по рассматриваемой проблеме. Поэтому, для качественной оценки возможных последствий воздействия ЭМИ мобильного телефона на организм человека мы воспользовались известными в электромагнитной биологии закономерностями, а также некоторыми положениями физики живого [27].Основным критерием безопасности считается малость повышенной дозы ЭМИ, которая определяется из тех соображений, что допустимый предел облучения должен быть с достаточно хорошим запасом ниже того порога, при превышении которого в организме человека происходят заметные изменения. Международные нормы безопасности устанавливают предел для так называемого коэффициента удельного поглощения (SpecificAbsorptioпRate - SAR) производной по времени от энергии ЭМП, поглощаемого единицей массы в объеме тела заданной формы и плотности. В зависимости от местного стандарта, в различных странах SAR колеблется в пределах 10-2-10-3 Вт /г, что в пересчете в плотность потока мощности с учетом временного интервала усреднения дает –10-3-10-4 Вт/см2. Такие порядки величин гарантированно (примерно, на порядок) превышают значения уровня облучения, полученные в модельных расчетах и в экспериментах с подопытными добровольцами. Отметим, однако, что все расчеты и измерения относятся к несущей частоте. Относительный уровень мощности излучения вне рабочей полосы в диапазоне СВЧ-КВЧ не превышает 10% и, казалось бы, тем более соответствует стандартам безопасности [28].Очевидно, что создатели стандартов учитывали только линейную зависимость возможных биологических эффектов от поглощенной дозы, руководствуясь принципом «чем меньше, тем безопаснее». Это, действительно, справедливо для так называемого теплового фактора, ответственного за нагрев биологической ткани при поглощении ЭМИ. Однако, многочисленные эксперименты по воздействию СВЧ и КВЧ полей на живые системы самого разного уровня организации - от микробной клетки до человека - свидетельствует о принципиальной нелинейности восприимчивости (в этом случае говорят об «информационном факторе»). В результате чего, понятие биологически безопасной интенсивности становится, мягко говоря, неопределенным [28, 29].Более того, до недавнего времени зависимость биологической реакции от интенсивности излучения (монохроматического или шумоподобного) считалась хотя и нелинейной, но все же монотонной. ЦШ привносит в биоэффекты ЭМИ новое качество - немонотонную зависимость: при снижении интенсивности эффект может пропадать и снова возникать, даже проявляя тенденцию к смене знака.СВЧ-диапазон принято считать скорее «вредным», в том числе и для сверх уровней мощности ЭМИ (< 10-7 Вт\см2 . С КВЧ все не так однозначно. В частности, показано, что положительное для организма (лечебное) воздействие излучений этого участка спектра, например в техноло¬гиях КВЧ –терапии, имеет место лишь при соблюдении ряда условий. А именно - сверхнизкая, порядка тепловых шумов (<10-19Вт/см2), интенсивность и строго детерминированная локализация воздействия. В общем же случае, судя по многочисленным экспериментам, могут наблюдаться биоэффекты разных знаков. Это означает, что, если не впадать в излишний оптимизм, следует учитывать потенциальную опасность физиологических последствий облучения низкоинтенсивными ЭМИ, в особенности головного мозга и ушной раковины, где расположено много активных точек.В рамках концепции эндогенного когерентного поля, формирующего целостный электромагнитный каркас живого организма предполагается возможность регулиpyющeгo воздействия слабого внешнего сигнала. Существенно, что такое воздействие должно быть резонансным и сугубо индивидуалъным по частотному составу, отражающему спектр характеристических частот конкретного организма. Очевидно, что ЦШ с его «монохроматическим широкополосным» спектром оказывается универсальным инструментом, влияющим на любой живой объект. Причем, если руководствоваться идеей «сродственности» внешнего ЭМИ с собственными полями клеток организма, то ЦШ является одновременно инициатором как восстановителъных (КВЧ-диапазон), так и деструктивных (СВЧ) процессов.Электромагнитные поля не обладают ионизирующей способностью и в биологических объектах воздействуют на уже имеющиеся свободные заряды ли диполи. Какие-либо значимые последствия для биологической системы может иметь только поглощенное излучение. Известно, что большая часть оглощенной энергии превращается в тепловую, которая отвечает за большинство реакций, наблюдаемых в биологических системах в ответ на оздействие. Показано, что низкоинтенсивное СВЧ-излучение не вызывает нагрева тканей. Однако параметры жизнедеятельности организма в ответ на воздействие ЭМИ СВЧ изменяются достаточно часто. Существует большое количество работ как отечественных, так и зарубежных авторов, посвященных анализу экспериментальных данных, неионизирующих излучений. В подавляющем большинстве работы связаны с влиянием полей относительно низких уровней интенсивности (магнитного, КВЧ, УВЧ, СВЧ). При этом единого мнения о механизмах воздействия ЭМИ СВЧ-диапазона нет, поэтому этот вопрос до сих пор остается открытым. Существуют данные о том, что хроническое воздействие ЭМП радиочастотного диапазона (РЧ) при определенных параметрах оказывает как стимулирующее, так и угнетающее действие на структурные компоненты биосистем (животных, растений, насекомых, почвенные микроорганизмы) [12]. Последствиями таких воздействий могут быть подавление или стимуляция роста растений, усиление или ингибирование размножения насекомых, в том числе вредителей, изменение активности почвенных микроорганизмов и поражение растений грибковыми заболеваниями, снижение репродуктивности животных. Выявлено, что ЭМИ на частоте мобильной связи (1 ГГц) вызывает серьезные функциональные расстройства у одноклеточных гидробионтов инфузорий SpirostomumAmbiguum – снижение спонтанной двигательной ктивности. При этом имеет место необычная форма биологической реакции – эффект является пороговым, массовым и не зависит от продолжительности СВЧ-облучения.Основное внимание исследователей, как правило, сосредоточено на оценке влияния ЭМП на нервную систему и нервные клетки. Важность этих исследований возросла с развитием мобильной сотовой связи и увеличением числа пользователей сотовых телефонов, среди которых большую долю составляют детиВ работе Калугина А.В. проведен сравнительный анализ и математическое моделирование чувствительности лабораторных животных (мыши, крысы) к ВЧ-облучению в зависимости от плотности потока энергии (ППЭ) и мощности поглощенной дозы (МПД). Были получены результаты, представленные в виде зависимостей продолжительности жизни животных различных видов в процессе облучения от ППЭ и МПД СВЧ излучения (0,46; 2,4 и 7 ГГц). Показано, что, есливкачестве дозиметрического параметра использовать ППЭ, чувствительность животных к воздействию поля СВЧ возрастает с ростом массы животных. При использовании в качестве дозиметрического параметра МПД последовательность расположения животных по их чувствительности к СВЧ-излучению становится прямо противоположной. Также проведены исследования влияния ЭМИ РЧ на когнитивную функцию крыс в период полового созревания (2 мес.) и в возрасте морфофункциональной зрелости (3,5 мес.). Животных подвергали воздействию импульсного потока электромагнитной энергии частотой 925 МГц, частотой следования импульсов и скважностью в соответствии с сигналом подвижной станции мобильной связи стандарта GSM. В результате было выявлено, что воздействие ЭМИ РЧ в период полового созревания не приводит к изменению когнитивной функции, связанной с пространственной ориентацией, и вызывает улучшение когнитивной функции, связанной со зрительным восприятием, а в период морфофункциональной зрелости не приводит к изменению когнитивной функции, связанной со зрительным восприятием, но вызывает улучшение когнитивной функции, связанной с пространственной ориентацией [16].Показано модифицирующее влияние низкоинтенсивного ЭМП на характер проявления у мышей поведенческих навыков и проявление адаптационной реакции.В некоторых работах пришли к выводу, о том чтонейропротекторном эффекте на кортикальных клетках мозга при длительном воздействии ЭМИ (частота 900 МГц, стандарт GSM), предполагая, что полученные данные могут быть потенциальной нефармакологической стратегией при лечении болезни Альцгеймера. В подтверждение данных работ проведены еще ряд исследований о благоприятном действии СВЧ излучения (частота 900 МГц, стандарт GSM) на смешанную культуру кортикальных клеток мозга эмбрионов крыс, где показана устойчивость и улучшение функций нейронов. Показано, что как у трансгенных животных с болезнью Альцгеймера, так и в культуре клеток мозга нейропротекторный эффект связан с изменением функционирования митохондрий при снижении уровня свободных радикалов в тканях мозга.В работе El-Ezabi M.M. проведена оценка чувствительности ДНК и стресс-белков в крови у самцов Wistar к воздействию электромагнитного излучения частотой 900 МГц, при разном времени экспозиции 15, 30 и 60 мин. Были получены результаты, которые показали, что после воздействия в течение 15 и 30 мин происходит значительное увеличение повреждения ДНК лейкоцитов, тогда как после 60 мин уровень повреждения незначителен. Уровень содержания БТШ70 значительно увеличился у животных всех трех групп. Возрастание содержания БТШ70 может быть проявлением защитной реакции организма при повреждении ДНК. Таким образом, экспозиция в течение даже незначительного времени может приводить к существенным изменениям на уровне ДНК, которые, в свою очередь, служат причиной различных заболеваний, в том числе онкологических.