Воздействие электромагнитных полей на биологические объекты

Электромагнитные поля оказывают воздействие на насекомых, рыб, животных и человека. Одними из самых чувствительных к воздействию ЭМП являются рыбы. Для них порог чувствительно­сти по внешнему электрическому полю составляет единицы вольт на метр. Воздействие ЭМП на животных (на мышей, крыс, со­бак) изучалось в отношении влияния полей на нервную, иммун­ную и эндокринную системы, нейрогуморальные реакции, поло­вую функцию и на эмбрион. Кроме того, широко проводились клинико-физиологические исследования влияния ЭМП на чело­века.

Однако нельзя сказать, что механизмы воздействия ЭМП на человека в настоящее время полностью выяснены. Это объясняет­ся сложностью человеческого организма, с одной стороны, и неод­нозначностью некоторых воздействий ЭМП — с другой. Здесь имеется в виду, что воздействие слабыми токами и магнитными полями низкой частоты используется в лечебных целях.

Также хо­рошо известна такая лечебная процедура, как УВЧ, применяемая для прогревания участков тела. Тем не менее, существуют экспе­риментальные факты отрицательного воздействия ЭМП, напри­мер протекание в теле человека токов под воздействием низкоча­стотных полей или выделение в теле человека тепла при воздей­ствии СВЧ. Рассмотрим эти воздействия подробнее.

Известно, что организм человека электрически активен, как, впрочем, у всех млекопитающих и рыб. Его нормальное функцио­нирование связано с протеканием в нервных клетках и в мозгу слабых электрических токов. Последние регистрируются как элек­троэнцефалограммы. Также известно, что протекание через орга­низм сравнительно больших токов может вызывать различные болезненные явления (фибрилляция и остановка сердца, а также спазм дыхательных путей).

При объяснении влияния ЭМП удобнее оперировать не значе­ниями токов, протекающих через организм, а значениями плот­ности тока j. Согласно современным представлениям различают следующие градации плотности тока в организме человека в соот­ветствии с тяжестью их воздействия:

j = 0,1 мкА/см2 — безопасная плотность тока, соизмеримая с плотностью тока, протекающего в организме человека в процессе его нормального функционирования;

j ~ 1 мкА/см2 — нижний предел плотности тока, вызывающего электро- и магнитофосфены. Длительное воздействие тока с та­кой плотностью может привести к существенным нарушениям раз­вития и поведения;

j = 10… 50 мкА/см2 — порог стимуляции сенсорных рецепторов нервных и мышечных клеток. При протекании тока с такой плот­ностью через мозг вызванный эффект может быть соизмерим с электрическим шоком;

j = 100… 1 000 мкА/см2 — плотность тока, вызывающего фиб­рилляцию сердца.

При нахождении человека^ в переменном электрическом или магнитном поле в его организме индуцируются (наводятся) токи, плотность которых пропорциональна напряженности поля и мо­жет достигать опасных значений. Это и служит объяснением факта отрицательного влияния низкочастотного ЭМП на человека.

Приведем результаты экспериментов, иллюстрирующих вли­яние ЭМП СВЧ диапазона. Опыты проводились на лабораторных животных: мышах, крысах и собаках. Частота ЭМП изменялась от 0,1 до 24 ГГц. Плотность потока энергии, облучавшей животных, изменялась от 10 до 100 мВт/см2. Зависимость плотности потока энергии, вызывающей смерть животных, от времени воздействия носила падающий характер. При длительности облучения 100… 1000 мин животные погибали, если плотность энергии пре­вышала 10 мВт/см2. Увеличение плотности энергии приводило к сокращению времени, через которое наступала смерть животных.
Приведенные результаты настолько убедительны, что не возни­кает необходимости в каких-то дополнительных обоснованиях влияния ЭМП.

Диапазон частот, используемый в технических целях, очень широк. Мы же говорили о неких интегральных эффектах, отне­сенных как бы к краям этого диапазона. Между тем на организм человека воздействует весь диапазон, но в разной степени.

Все промышленно развитые страны мира имеют нормы по до­пустимым значениям воздействующих на человека интенсивно­стей ЭМП. Имеются региональные, национальные и глобальные нормы. Например, в США свои нормы по ЭМП устанавливает каждый штат. Примером глобальных норм являются нормы, реко­мендуемые Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ).

Конкретные значения нормируемых параметров зависят от многих причин и являются предметом соглашения для конкретной страны или региона. Так, по вопросу вредного воздействия радиотелефонов ведется борьба между их производителями и спе­циалистами в области радиогигиены. Общая ситуация состоит в том, что фирмы, производящие ту или другую продукцию и за­интересованные в ее сбыте, борются за высокие значения уста­навливаемых ограничительных параметров. На практике эти пара­метры могут приводить к такому уровню воздействий, который специалисты в области радиогигиены считают недопустимым. Ре­зультат борьбы зависит от уровня экономического развития стра­ны, воздействия на фирмы-производителя общественного мне­ния и других подобных причин.

В настоящее время нормы разных стран отличаются друг от друга и от рекомендаций ВОЗ, которые, как правило, являются самы­ми жесткими. Вместе с тем различные нормы содержат практи­чески одни и те же элементы, нормируют одни и те же величины (например, изменение нормируемой напряженности ЭМП от ча­стоты носит один и тот же характер). Следовательно, эти зависи­мости объективно отражают общепринятые к настоящему време­ни взгляды на воздействие ЭМП.

Общим для всех норм является ограничение по напряженно­сти электрического и магнитного полей, причем имеются отдель­ные нормы для напряженности электрического и магнитного по­лей. Другими словами, нормы содержат допустимые значения на­пряженности, превышение которых запрещается.

Нормирование напряженностей ЭМП производится в зависи­мости от частоты. С ростом частоты допустимые значения напря­женности уменьшаются.

Для диапазона СВЧ нормируются плотность мощности, Вт/см2, и энергетические экспозиции для электрических полей (ЭП), (В/м)2•ч, и для магнитных полей (МП), (А/м)2•ч. Поскольку воп­росы взаимодействия внешних и внутренних полей (или токов) мало изучены, предельно допустимые уровни (ПДУ) представле­ны в эффективных (или среднеквадратических) значениях напря­женности падающего поля.

Зарубежные стандарты и международные рекомендации допу­скают существенно более высокие уровни воздействия по сравне­нию с установленными в Российской Федерации. Отечественные нормативы, как известно, базируются на выраженных функцио­нальных сдвигах, требующих напряжения компенсаторных систем организма, другими словами, пограничных между физиологиче­скими и патологическими (порог вредного действия). К сожале­нию, ПДУ ЭМИ РЧ не всегда основываются на четких критери­альных оценках, особенно это касается ПДУ для населения.

По мнению экспертов ВОЗ, сформулированному на основа­нии детального анализа совокупности данных по биологическому действию и клиническим эффектам ЭМИ, ПДУ радиочастотных воздействий должны находиться в диапазоне интенсивностей 100… 10ООО мкВт/см2 с возможным повышением для некоторых частот и условий воздействия и снижением для населения.

Современные представления о механизме воздействия ЭМП промышленной частоты на человека сводятся к тому, что основ­ным механизмом влияния являются токи, возникающие в орга­низме человека, находящегося в ЭМП.

Рассмотрим влияние электрического поля. Пусть человек нахо­дится в однородном поле и имеет хороший контакт с землей. Рас­четные модели для этого случая приведены на рис. 9.4.

Равномерное внешнее поле принято, с одной стороны, для упрощения задачи, а с другой — потому что реальные поля ВЛ и ОРУ у поверхности земли слабо отличаются от равномерных. Раз­личные органы человеческого тела имеют проводимость в преде­лах 0,01…0,7 См/м. Наибольшая проводимость у мозга, крови и сердца, а наименьшая — у костных и жировых тканей. Если ори­ентироваться в приближенных оценках на проводимость около 0,1 См/м, что характерно для мышечных тканей и внутренно­стей, то комплексная проницаемость тела человека будет пример­но на семь порядков больше, чем проницаемость воздуха. Следо­вательно, в расчетах тело человека можно рассматривать как про­водник.

Для вычисления тока, протекающего по телу человека, нахо­дящегося во внешнем электрическом поле, использовались раз­личные расчетные модели (см. рис. 9.4). Впервые проф. П. А. Долин предложил в качестве модели тела человека рассматривать полови­ну вытянутого эллипсоида на проводящей плоскости (рис. 9.4, а).

Выбор такого варианта обусловлен возможностью аналитиче­ского решения. Геометрическое размеры модели (большая и ма­лая полуоси эллипсоида) выбраны исходя из роста человека 1,8 м и массы 80 кг. При средней плотности тканей 1,05 кг/м малая полуось эллипсоида b = 0,14 м, большая полуось а = 1,8 м. Вторая расчетная модель (рис. 9.4, б) представляет собой цилиндр ради­усом 0,12 м и высотой 1,8 м имеющий сферическое скругление. Для нее известны результаты подробных численных расчетов.

Встречаются описания и других моделей, которые использова­лись как в расчетах, так и в экспериментах. В последнем случае модели (или фантомы) воспроизводили достаточно подробно стро­ение человеческого тела. Несмотря на различие форм расчетных моделей их использование приводит к достаточно близким ре­зультатам. Они сводятся к следующему. В электрическом поле на заземленной расчетной модели тела человека индуцируется элек­трический заряд. Так, для показанного на рис. 9.4 направления силовых линий поля (от положительных зарядов к отрицатель­ным) знак индуцированного заряда будет отрицательным. При переменном напряжении низкой частоты картина поля изменяет­ся во времени, оставаясь в каждый момент времени соответству­ющей законам электростатики. Это значит, что индуцированный заряд будет изменяться синусоидально с той частотой, с которой изменяется внешнее поле. Полный заряд (Qполн индуцированный на модели тела человека, можно представить в виде

где E0 — напряженность внешнего однородного поля; h — высота; R3, — эквивалентный радиус; Rф— безразмерный коэффициент, зависящий от формы модели.

Полный ток, стекающий в землю при синусоидально изменя­ющемся поле, определяется по формуле

Выражения (9.2) и (9.3) показывают, что полный заряд и пол­ный ток пропорциональны напряженности внешнего однородно­го поля Eq и характерным размерам модели. Для геометрически подобных моделей коэффициент сохраняет свое значение. От­сюда следует, что для ребенка при уменьшении вдвое величин h и Д, полные заряд и ток при неизменном уменьшатся в 4 раза.
В экспериментах с фантомами, выполненным в натуральную ве­личину, установлено, что полный ток, стекающий с человека ростом 1,8 м, находящегося в однородном поле частотой 5 Гц и напряженностью 5 кВ/м, составит 80 мкА.

Средние значения плотности тока внутри тела были установ­лены в экспериментах с фантомами, имеющими такую же прово­димость, как тело человека. В поле напряженностью 10 кВ/м при частоте 60 Гц плотность тока на уровне груди составляла 100… 160 нА/см2, а на уровне талии 350…370 нА/см2.

По разным данным максимальная напряженность на макушке фантома примерно в 20 раз больше напряженности внешнего поля. Из непрерывности тока следует, что в этой точке при напряжен­ности Ео= 1 кВ/м и частоте 50 Гц плотность тока проводимости

На кончике носа максимальная напряженность в 250 раз боль­ше напряженности внешнего поля. Следовательно, плотность тока на кончике носа составит примерно 70 нА/см2, а при увеличении напряженности внешнего поля до 20 кВ/м она будет равна 1,4 мкА/см2.

Сравним приведенные цифры с пороговыми значениями. Сред­нее значение плотности тока на уровне груди составляет при час­тоте 50 Гц около 100 нА/см2. За счет того, что проводимость крови и кровеносных сосудов больше проводимости мышечной ткани, плотность тока в кровеносных сосудах и в сердце увеличится по сравнению со средней плотностью. По разным оценкам это увели­чение может составлять от 3 до 5 раз. Следовательно, при напря­женности внешнего поля 10 кВ/м плотность тока, протекающего
через сердце, может достигать 0,3…0,5 мкА/см2, что приближает­ся к нижнему пределу плотности тока (1 мкА/см2), при которой могут возникать отрицательные последствия.

Рассмотрим влияние магнитного поля. При синусоидальном из­менении индукции с частотой w:

Максимальная плотность тока для случая, когда имеется про­водящий цилиндр, а вектор индукции магнитного поля направ­лен по оси цилиндра, может быть рассчитана с помощью соотно­шения

где г — радиус цилиндра.

Это же выражение справедливо и для сферы.

При индукции 100 мкТ средняя плотность тока для головы (r = 0,1 м, б = 0,1 См/м) будет равна 0,015 мкА/см2. Из-за различия проводимостей тканей организма максимальная плотность тока может увеличиться примерно в 3 раза и составить около 0,05 мкА/см2.

Ориентация вектора индукции магнитного поля у поверхности земли (в отличие от вектора напряженности электрического поля) может быть произвольной. Это влечет за собой увеличение сред­них плотностей тока при горизонтальной ориентации вектора магнитной индукции В.

В работе французских исследователей проводились расчеты плот­ности наведенных магнитным полем вихревых токов с учетом раз­личий в проводимости разных органов и при достаточно полном описании анатомического строения тела. Согласно их данным в магнитном поле с индукцией 100 мкТ и частотой 50 Гц макси­мальная плотность тока в теле человека достигает около 0,2 мкА/см2 при среднем значении 0,015 мкА/см2.

Таким образом, переменное магнитное поле, также как и элек­трическое, индуцирует в организме переменные токи, плотность которых пропорциональна напряженности внешнего поля. Разли­чие между влиянием магнитного и электрического полей состоит в том, что пути протекания индуцированных токов в организме различны. При влиянии электрического поля ток протекает вдоль тела и его заметная часть протекает через сердце и кровеносную систему. Под влиянием магнитных полей максимальная плотность тока сосредоточена в основном в периферийных областях. Не ис­ключено, что именно различия в распределении плотности тока в  этих двух случаях могут приводить к разным эффектам.