Oddziaływanie pola elektromagnetycznego na organizmy żywe.
Oddziaływanie pól elektrycznego i magnetycznego na organizmy żywe jest na ogół bardzo złożone. Zależy ono od rodzaju tych pól, wielkości ich natężeń i charakteru zmienności w czasie, oraz oczywiście elektrycznych własności samego organizmu. Organizmy żywe nie mają na ogół specjalnych receptorów pola elektromagnetycznego, wyjąwszy receptory światła widzialnego w oczach i reakcję powierzchni ciała na naświetlenie promieniowaniem cieplnym. Promieniowanie radiowe i mikrofale nie jest rejestrowane przez ludzkie zmysły. Dlatego też wykrycie wpływu tych pól na organizm wymaga nieraz długotrwałych i skomplikowanych badań. Jak zwykle jest trochę wyjątków. Jest nim na przykład węgorz elektryczny, który wysyła silne impulsy elektryczne, którymi oszałamia lub zabija swoje ofiary. Modyfikacja jego własnego pola elektrycznego przez otoczenie służy mu do orientowania się w przestrzeni. Węgorz elektryczny jest jednak raczej wyjątkiem niż regułą, chociaż słyszy się informacje o zadziwiającej orientacji w przestrzeni pewnych gatunków ptaków powracających bezbłędnie z odległości tysięcy kilometrów do swych siedzib na maleńkich wyspach, czy ryb, np. węgorzy europejskich, odbywających podobnie zadziwiające wędrówki. Sugeruje się wtedy czułość tych zwierząt na ziemskie pole magnetyczne lub pewne rodzaje promieniowania, np. polaryzację światła słonecznego. Są to jednak tylko spekulacje i nie ma żadnych w pełni potwierdzających to badań. Życie na Ziemi rozwinęło się w obecności naturalnych pól elektromagnetycznych, trudno jest więc uznać a priori, że ich wpływ na żywy organizm musi być szkodliwy. Aby usystematyzować naszą wiedzę o tych sprawach, omówimy pokrótce fizyczne własności pól elektrycznego i magnetycznego, które w dzisiejszym świecie mogą oddziaływać na człowieka. Przypomnimy sobie, jakiego rodzaju obiektem elektrycznym jest ciało ludzkie i przedstawimy naszą bardzo ograniczoną i niestety kontrowersyjną wiedzę na temat ewentualnego szkodliwego wpływu pól elektrycznych i magnetycznych na organizm ludzki.
Naturalne pola elektromagnetyczne
Mówimy, że w danym obszarze przestrzeni istnieje pole, jeśli na odpowiednie ładunki działają w nim siły. Jeśli więc stwierdzimy, że na ładunek elektryczny działa siła, wywołująca np. jego ruch, będzie to oznaczało, że ładunek ten znalazł się w polu elektrycznym. Podobnie, jeśli mały magnesik będzie podlegał działaniu pary sił, będzie to świadczyło, że znalazł się on w obszarze, w którym istnieje pole magnetyczne. Pola niezmienne w czasie nazywamy polami statycznymi. Zbiór spoczywających ładunków elektrycznych wytwarza wokół siebie pole elektrostatyczne. Na ładunki elektryczne umieszczone w takim polu działa siła powodująca ich przemieszczanie, czyli prąd elektryczny. Prąd elektryczny płynie więc tam, gdzie działa pole elektryczne i gdzie istnieją swobodne ładunki elektryczne. Ciało, w którym istnieją swobodne, mogące się przemieszczać ładunki elektryczne nazywamy przewodnikiem. Są oczywiście dobre i złe przewodniki elektryczności. Dobry przewodnik to ciało, w którym jest dużo swobodnych ładunków elektrycznych mogących się w nim szybko poruszać. Dobrymi przewodnikami są metale, w których nośnikami elektryczności są elektrony, oraz silne elektrolity, w których prąd tworzą jony obdarzone ładunkiem elektrycznym atomy lub cząsteczki. Duża liczba jonów, pomimo ich małej ruchliwości powoduje, że elektrolity mogą przewodzić silne prądy. Słabo zdysocjowany elektrolit wytwarza mało nośników prądu i przy ich małej ruchliwości może być złym przewodnikiem elektryczności. Oddzielną klasę ciał stanowią izolatory. W izolatorach nie ma swobodnych nośników elektryczności, pole elektryczne nie może więc spowodować przepływu prądu. Dopiero bardzo silne pola mogą wywołać lawinową jonizację, której towarzyszy przepływ silnego prądu i wydzielanie znacznych energii; często mówi się wtedy, że izolator "przepalił się" lub został "przebity". Z tkanek żywych skóra ludzka, w szczególności sucha skóra, ma własności zbliżone do własności izolatorów. Przy dotknięciu przewodnika z prądem pod dostatecznie wysokim napięciem obok pobudzenia w postaci skurczu mięśni następuje przypalenie naskórka w miejscu kontaktu z przewodnikiem, gdyż tam właśnie następuje wydzielenie prawie całej energii przepływu prądu.
Rys. 1. Cząsteczka wody tworzy statyczny dipol elektryczny. Środki ciężkości ładunków dodatnich (protony) i ujemnych (elektrony) nie pokrywają się. Moment dipolowy cząsteczki dany jest przez iloczyn ładunku i odległości między ładunkami m = lq
Ciała, które nie mają swobodnych nośników elektryczności, a polaryzują się w polu elektrycznym, nazywamy dielektrykami. Polaryzacja dielektryków związana jest z faktem, że poza pojedynczymi ładunkami elektrycznymi istnieją jeszcze inne obiekty podlegające działaniu pola elektrostatycznego, a mianowicie dipole elektryczne.
Dipol elektryczny tworzy para ładunków elektrycznych, dodatni i ujemny, znajdujących się w niewielkiej odległości od siebie i związanych ze sobą w jeden obiekt. Dobrym przykładem dipola elektrycznego jest cząsteczka wody (patrz rys. 1). Środki ciężkości ładunku ujemnego i dodatniego w cząsteczce wody nie pokrywają się ze sobą i cząsteczka ta tworzy dipol elektryczny. Pod wpływem pola elektrostatycznego dipol ustawia się wzdłuż linii sił pola.
Istnienie w ciele dipoli statycznych lub indukowanych przez pole elektryczne określa przenikalność elektryczna tego ciała. Przenikalność elektryczna szkła wynosi 6, nafty 2, a powietrza jest bliska l. Przenikalność elektryczna tkanki żywej jest bliska przenikalności elektrycznej wody i wynosi 80 co oznacza, że w wyniku oddziaływania pola zewnętrznego z materią ciała, pole wewnątrz tkanki jest około 80 razy słabsze niż na zewnątrz. Duża przenikalność elektryczna wody wynika z silnie dipolowego charakteru budowy jej cząsteczek. Dla pól zmiennych w czasie przenikalność elektryczna zależy od częstotliwości zmian zewnętrznego pola elektrycznego i dla dużych częstotliwości jest znacząco mniejsza od wartości dla pól statycznych. Szerzej będziemy mówili jeszcze na ten temat w paragrafie, w którym opiszemy własności mikrofal. Bardziej skomplikowane konfiguracje związanych ładunków elektrycznych, takie jak kwadrupole (dwa związane ze sobą dipole), czy jeszcze wyższe multipole nie odgrywają większej roli w poruszanych przez nas sprawach i nie będziemy ich omawiali.
Rys. 7.2. Zmiany pola elektrycznego w organizmie wywołane elektrycznymi własnościami tkanki żywej. W przypadku a uwzględniono tylko elektryczne przewodnictwo tkanki. Ładunki na powierzchni ciała skompensowały całkowicie pole zewnętrzne. Sytuacja taka odpowiada działaniu pól stacjonarnych i wolnozmiennych. W przypadku b uwzględniono tylko własności
dielektryczne tkanki. Pole wewnątrz organizmu jest zmniejszone e razy, ale istnieje.
Ważną własnością oddziaływania pola elektrycznego na ciała materialne jest zasada, że skutek działania tego pola jest niwelowany przez nowe ułożenia ładunków i dipoli wewnątrz ciała. A więc, jeśli pole zewnętrznych ładunków oddziałuje na przewodnik, to wywołany przez nie ruch ładunków wewnętrznych będzie trwał dopóty, dopóki wypadkowe pole wewnątrz przewodnika nie osiągnie wartości równej zeru. Tę własność przewodników nazywa się ekranowaniem pola elektrycznego. Podobny jest skutek działania pola elektrostatycznego na istniejące w ciele dipole: dipole ustawiają się tak, że wypadkowe pole wewnątrz ciała ma najmniejsze możliwe natężenie (rys. 2). Ziemia jest naładowaną elektrycznie kulą i wytwarza na zewnątrz pole elektrostatyczne (rys. 3a). Kierunek tego pola jest prostopadły do powierzchni Ziemi, jego natężenie wynosi około 130 V/m przy powierzchni Ziemi i maleje z wysokością, osiągając 9 V/m na wysokości 9 km. Tak szybkie malenie natężenia ziemskiego pola elektrycznego związane jest z istnieniem w atmosferze ziemskiej swobodnych ładunków elektrycznych. W zależności od warunków meteorologicznych, aktywności Słońca i innych czynników; pole ziemskie może zmieniać się w dosyć szerokich granicach, a przy sztormowej pogodzie osiąga wartości rzędu 10 kV/m.
Rys. 7.3. Elektryczne i magnetyczne pole ziemskie. Kula ziemska jest rodzajem dużego magnesu, którego bieguny nie pokrywają się z biegunami geograficznymi i których położenia zmieniają się w czasie. Linie sił pola magnetycznego są liniami zamkniętymi, wybiegają z bieguna północnego, biegną do południowego i dalej poprzez Ziemię wracają do bieguna północnego. Linie sił wskazuj ą kierunek pola magnetycznego, a ich zagęszczenie natężenie pola. Linie sił pola elektrycznego zaczynają się i kończą na ładunkach lub biegną z nieskończoności. Ziemia jest kulą naładowaną ujemnie, a wiele linii sił zaczyna się na dodatnich ładunkach istniejących w atmosferze.
Statyczne pole magnetyczne może być wytwarzane przez sztabkowe magnesy trwale i przez elektromagnesy: Nie istnieją pojedyncze bieguny magnetyczne - monopole, najprostszym obiektem magnetycznym jest dipol magnetyczny, który w polu magnetycznym ustawia się zgodnie z liniami sił tego pola, podobnie jak igła magnetyczna w ziemskim polu magnetycznym skierowuje się na północ. Wyższe multipole magnetyczne nie odgrywają istotniejszej roli w omawianych przez nas zagadnieniach i nie będziemy się nimi zajmowali.
Z punktu widzenia oddziaływania z polem magnetycznym wszystkie ciała możemy podzielić na ferromagnetyki, silnie oddziałujące z zewnętrznym polem (np: żelazo, nikiel i kobalt), oraz diamagnetyki i paramagnetyki; których oddziaływanie z polem magnetycznym jest znacznie słabsze. W diamagnetyku indukowane przez zewnętrzne pole dipole magnetyczne ustawiają się przeciwnie do kierunku pola magnetycznego, nieznacznie je osłabiając wewnątrz ciała. Żywe organizmy zachowują się w polu magnetycznym jak diamagnetyki. Tylko niektóre cząsteczki mają własności paramagnetyczne, tzn. ustawiają się zgodnie z kierunkiem zewnętrznego pola magnetycznego. Własności paramagnetyczne ma np. cząsteczka hemoglobiny. Z wymienionych własności żywej tkanki wynika, że natężenie pola magnetycznego wewnątrz tkanki niewiele różni się od natężenia tegoż pola na zewnątrz ciała, inaczej niż dla pola elektrycznego. Wszystko, co żyje na Ziemi, podlega działaniu wszechobecnego ziemskiego pola magnetycznego. Kula ziemska jest rodzajem dużego magnesu, wytwarzającego wokół siebie stałe pole magnetyczne. Na naszych szerokościach geograficznych kierunek tego pola jest lekko nachylony do powierzchni Ziemi, a jego natężenie wynosi około 36 A/m i jest mało zależne od pogody. Dla porównania: pole magnetyczne w odległości jednego metra od przewodnika, w którym płynie prąd o natężeniu 1 A, wynosi 0,16 A/m
Aby zorientować się, jakiego rodzaju efektów możemy się spodziewać w wyniku działania zewnętrznych, naturalnych pól elektromagnetycznych na organizmy żywe, obliczmy energię oddziaływania pola elektrostatycznego z cząsteczkowymi dipolami wody i energię oddziaływania pola magnetycznego z typowymi dla cząsteczek żywego organizmu wartościami momentów magnetycznych, a następnie porównajmy te energie z energiami ruchu cieplnego cząsteczek. O własnościach elektrycznych żywych tkanek decyduje w głównym stopniu zawarta w organizmie woda, z rozpuszczonymi w niej solami fizjologicznymi. Własności te są zbliżone do własności wody morskiej. Przyjmijmy, że natężenie pola elektrostatycznego wynosi 100 V/m, a natężenie pola magnetycznego 100 A/m. Są to wartości pól bliskie wartości naturalnych. Energia oddziaływania pola elektrostatycznego z dipolami elektrycznymi cząsteczek wody wynosi 0,31.10-6 J/kg, a odpowiednia energia oddziaływania pola magnetycznego z dipolami magnetycznymi jest równa około 1,3.10-4 J/kg. Energia ruchu cieplnego zależy od temperatury i dla 20 C wynosi 23 J/kg masy ciała. Widzimy więc, że energia oddziaływań naturalnych, statycznych pól elektrycznego i magnetycznego na cząsteczki żywej tkanki jest bardzo mała w porównaniu z energią bezładnego ruchu cieplnego. Oznacza to, że wszelkie uporządkowania wywołane naturalnymi, zewnętrznymi polami elektrycznymi i magnetycznymi są niszczone przez ruch cieplny cząsteczek żywego organizmu. Nie powinniśmy zatem oczekiwać jakiegoś istotnego wpływu tych pól na żywe organizmy. Podobną opinię można wyrazić o ewentualnym oddziaływaniu na organizm pól sztucznie wytworzonych, nawet jeśli ich natężenie jest kilka rzędów wielkości większe od pól naturalnych.
7.2. Sztucznie wytwarzane pola elektromagnetyczne
Opór właściwy tkanki żywej dla prądu stałego jest równy około 1,5 Wm. Jest on duży w porównaniu z oporem właściwym metali, który jest rzędu 10 Wm, i mały w porównaniu z oporem właściwym takich izolatorów jak drewno czy pleksiglas, które są rzędu 1010 – 1016 Wm. Stosunkowo dużą oporność, rzędu MW, ma skóra ludzka, gdy jest sucha. Głównym źródłem sztucznych pól elektrostatycznych, które mogą oddziaływać na przeciętnego człowieka, są ładunki indukowane na powierzchni izolatorów w wyniku pocierania. Stosowane coraz powszechniej tworzywa sztuczne bardzo łatwo ulegają elektryzacji. Wytworzone przez te ładunki pola elektryczne mogą osiągać natężenia rzędu tysięcy, a nawet dziesiątków tysięcy woltów na metr. Jak już wspominaliśmy, ciało ludzkie jest nienajlepszym, ale jednak przewodnikiem i działaniu pola elektrostatycznego będzie towarzyszyło pojawienie się ładunków na powierzchni ciała, znoszących wpływ zewnętrznych pól na wnętrze organizmu. Ładunki te są jednak stosunkowo małe i łatwo ulegają rozładowaniu, a do ekranowania ich wpływu potrzebne są też niewielkie ładunki. Wystarczy na przykład, by powietrze było wilgotne. Istnienie takich indukowanych ładunków, a zatem i pól przez nie wytwarzanych, możemy łatwo zaobserwować zimą, kiedy zdejmujemy np. sweter z tworzywa sztucznego. Zimą, podczas silnego mrozu, powietrze jest suche, źle przewodzi elektryczność i ładunki na powierzchni tworzyw sztucznych utrzymują się stosunkowo długo. Trudno jest sprecyzować wpływ takich pól na zdrowie czy też samopoczucie człowieka. Wiele osób narzeka na ubrania z tworzyw sztucznych, ale też wiele osób nosi je nie odczuwając żadnych ujemnych skutków. Podobny wpływ mogą mieć meble z tworzyw sztucznych, wykładziny podłogowe, elementy wyposażenia samochodu. Panuje na ogół opinia, że wpływ takich materiałów jest szkodliwy, nie jest jednak jasne, o jaki wpływ chodzi: tendencję do wytwarzania powierzchniowych ładunków elektrycznych czy też obecność w tych materiałach resztkowych ilości substancji toksycznych, które mogą być uwalniane do otoczenia nawet przez długi okres czasu. Do wywołania reakcji alergicznej organizmu wystarczają często śladowe ilości tych substancji. Słyszy się też opinie o dodatnim lub ujemnym wpływie na samopoczucie ludzi pewnych roślin. Niektóre z nich mają wytwarzać "elektrododatnią" lub "elektroujemną" atmosferę wokół siebie. Nie możemy nic pewnego powiedzieć na ten temat poza tym, że rośliny, szczególnie w zamkniętych pomieszczeniach, wpływają na wilgotność powietrza, która może mieć istotny wpływ na zdolność utrzymywania się indukowanych ładunków. Rośliny mogą również wydzielać pewne substancje aromatyczne, które też w swoisty sposób oddziałują na człowieka. Skojarzony wpływ takich czynników może być odbierany jako kojący lub też niemiły, tak samo jak mile odbieramy np. szum lasu, a mierzi nas odgłos ruchu ulicznego. Być może ma to coś wspólnego z psychologią, ale nie z nauką o elektryczności. W otoczeniu człowieka zawsze znajdują się ładunki elektryczne. Mogą one powstać jako skutek pocierania jednych materiałów przez inne, mogą być wytworzone przez promieniowanie kosmiczne czy też wszechobecne pierwiastki promieniotwórcze. Ładunki te podlegają wpływom różnych pól elektrycznych, są pod ich wpływem przemieszczane, w wyniku czego powstaje pewna równowaga elektryczna otoczenia. Może ona charakteryzować się przewagą ładunków ujemnych, dodatnich lub też zawierać oba rodzaje elektryczności w równych ilościach. Ładunki te osiadają na cząsteczkach, pyłkach kurzu lub kropelkach wody i te naładowane obiekty wędrują w pomieszczeniu. Ruch ten, jak już wspomnieliśmy, jest wypadkową kilku czynników: działania pól elektrycznych, termicznych prądów powietrza, ruchów Browna. Nie jest wykluczone, że ten rodzaj atmosfery elektrycznej może mieć wpływ na przebieg pewnych procesów biologicznych. Sugestie o takim wpływie były wielokrotnie wyrażane, dotychczas jednak w sposób naukowy nie wykazano jego istnienia. Wpływ statycznych pól magnetycznych jest w istocie swojej podobny. Cząsteczki tkanki żywej są na ogół mało podatne na działanie pola magnetycznego. Jak już wspomnieliśmy, płyny ustrojowe są rodzajem słabego elektrolitu. Płyny te unoszą znajdujące się w nich jony, przy czym gęstość jonów dodatnich i ujemnych jest taka sama, ładunki te są skompensowane. Na poruszające się w polu magnetycznym ładunki elektryczne działa siła, zwana siłą Lorentza. Siła ta ma przeciwny zwrot dla ładunków dodatnich, i ujemnych, następuje więc ich rozdzielenie, czyli polaryzacja elektryczna płynów ustrojowych. Przeciwdziałają jej siły przyciągania elektrycznego pomiędzy różnoimiennymi ładunkami elektrycznymi i ustala się pewien stan równowagi. Brak jest jasności, czy taka polaryzacja elektryczna płynów ustrojowych ma jakiś wpływ na funkcje żywego organizmu, w każdym razie w zakresie natężeń pól, z jakimi spotyka się przeciętny członek społeczności ludzkiej. Być może nieco inaczej należy oceniać wpływ pól elektromagnetycznych na tzw. ciekłe kryształy. Ciekłymi kryształami nazywamy substancje, które są czymś pośrednim między cieczą i kryształem. Pod wpływem zewnętrznych pól ciała te drastycznie zmieniają swe własności fizyczne, np. pod wpływem pola elektrycznego zmieniają się ich własności odbijające. Najbardziej popularnym zastosowaniem ciekłych kryształów są tarcze zegarków elektronicznych. Wiadomo, że wiele substancji w organizmach żywych ma własności w jakimś stopniu podobne do własności ciekłych kryształów. Jak dotychczas brak jest jednak wiarygodnych obserwacji wskazujących na istotny wpływ statycznego pola elektrycznego na żywy ustrój, który można by wiązać ze zmianą właściwości ciekłych kryształów. Przez pewien czas uważano, a nawet wiązano pewne nadzieje z przypuszczeniem, że stałe pole magnetyczne ma hamujący wpływ na rozrost tkanki nowotworowej. Liczne i gruntowne badania przeprowadzone w wielu ośrodkach medycznych na świecie wykazały ostatecznie, że stałe pole magnetyczne nawet o bardzo dużym natężeniu nie jest żadnym środkiem terapeutycznym.
7.3 7.3 Fale elektromagnetyczne
Jeśli pola elektryczne i magnetyczne zmieniają się w czasie, to następuje zjawisko wzajemnej indukcji tych pól. Obszary wzajemnych indukcji, przemieszczają się w przestrzeni tworząc falę elektromagnetyczną. Kilka wielkości charakteryzuje taką falę: kierunek jej, rozchodzenia się, natężenie zmieniających się w czasie pól elektrycznego i magnetycznego, prędkość rozchodzenia się fali, częstotliwość i niesiona energia. Kierunek rozchodzenia się fali określa, w jakim kierunku unoszona jest energia. Prosta antena emituje falę, która w odległościach wyraźnie większych od wymiarów anteny jest falą kulistą, a w bardzo dużych odległościach od źródła może być uważana za falę płaską. Strumień energii fali maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości od jej źródła. W dużych odległościach od źródła energia odbieranej fali może się zmieniać w sposób bardziej skomplikowany w wyniku nakładania się fal pochodzących bezpośrednio od źródła i fal odbitych od jonosfery i powierzchni Ziemi. Jeśli w obszarze, w którym rozchodzi się fala, nie ma przewodników, to pola elektryczne i magnetyczne zmieniają się w taki sam sposób, jak wytwarzane przez generator drgania elektryczne w źródle. Dla generatora wytwarzającego proste drgania sinusoidalne o jednej częstotliwości pola zmieniają się regularnie w sposób sinusoidalny i są scharakteryzowane przez amplitudy tych pól, czyli maksymalne osiągane natężenia. Natężenia zmiennych pól mierzymy w takich samych jednostkach jak pola statyczne, tzn. pole elektryczne w woltach na metr (V/m), a pole magnetyczne w amperach na metr (A/m). Gęstość energii fali jest proporcjonalna do kwadratów natężeń pól elektrycznego i magnetycznego.
Rys. 7.4. Przekrój podłużny i poprzeczny falowodu rurowego. Gęstość linii sił jest proporcjonalna do natężenia pól elektrycznego i magnetycznego
Fala emitowana przez antenę paraboliczną ma postać wąskiego strumienia energii wysyłanego w jednym kierunku. Natężenie takiej fali może być znaczne nawet w dużych odległościach od źródła.
Fale elektromagnetyczne mogą rozchodzić się w próżni i w ośrodkach materialnych. W próżni rozchodzą się z prędkością około 300 000 km/s. W ośrodkach materialnych prędkość ta jest mniejsza na skutek oddziaływania elektrycznej i magnetycznej składowej fali z dipolami elektrycznymi i momentami magnetycznymi ośrodka.
Fala elektromagnetyczna jest falą poprzeczną. Oznacza to, że drgania odbywają się w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się zaburzenia. Kierunek rozchodzenia się fali i kierunki drgań wektora pola elektrycznego i magnetycznego tworzą trójkę wektorów wzajemnie prostopadłych. Jest tak nawet wówczas, gdy fala porusza się wewnątrz falowodu (patrz rys. 4).
Ważną wielkością charakteryzującą fale elektromagnetyczne jest ich częstotliwość. Częstotliwość wyrażamy w liczbie drgań na sekundę, czyli w hercach (Hz). Wielkością komplementarną do częstotliwości fali jest długość fali wyrażana w metrach. W tabeli 1 podane są długości fal odpowiadające różnym zakresom częstotliwości oraz główne obszary ich wykorzystania.
Tabela 1 Zastosowania fal o różnych częstotliwościach i długościach
Częstotliwość Długość fali Zastosowania
100 kHz-300 kHz 3 km-1 km radiowe długie
300 kHz-3 MHz 1 km-100 m radiowe średnie
3 MHz-30 MHz 100 m-10 m radiowe krótkie
30 MHz-300 MHz 10 m-1 m telewizyjne
300 MHz-3 GHz 1 m-10 cm piece mikrofalowe
3 GHz-30 GHz 10 cm-1 cm radar
1000 GHz 0,3 mm telewizja satelitarna
Fale o częstotliwościach od dziesiątków kHz do setek MHz nazywamy falami radiowymi. Odpowiadają im długości fal od kilku kilometrów do dziesiątych części metra. Fale o mniejszych długościach, od kilkudziesięciu centymetrów do milimetrów mają częstotliwości wyrażane w gigahercach (GHz). Fale te nazywa się często mikrofalami. Promieniowanie o jeszcze mniejszych długościach, wyrażanych w mikronach (tysięcznych częściach milimetra), to kolejno promieniowanie podczerwone, widzialne i nadfioletowe. Jeszcze krótsze długości fal ma promieniowanie X i Y.
Naturalnym źródłem promieniowania elektromagnetycznego o częstościach radiowych i niższych na Ziemi są wyładowania atmosferyczne i promieniowanie radiowe ciał kosmicznych, głównie Słońca. Fale emitowane w czasie burzy mają bardzo szeroki zakres częstotliwości, z maksimum około 10 kHz. Energia promieniowania radiowego Słońca przypadająca na jednostkę powierzchni Ziemi jest bardzo mała i uważa się, że nie ma żadnego wpływu na życie biologiczne, zawsze zresztą mu towarzyszyła. Promieniowanie elektromagnetyczne w różny sposób oddziałuje z materią, w zależności od swojej długości fali. Fizycy stosują też różny sposób opisu tych zjawisk. Dominującym skutkiem działania promieniowania X i Y jest jonizacja ośrodka, przez który przechodzi, powodując w ten sposób uszkodzenie lub zabicie tkanki żywej. Opisaliśmy już te procesy. Promieniowanie widzialne oraz zbliżone do niego podczerwone i nadfioletowe jest silnie absorbowane przez tkanki żywe. Promieniowanie to niesie dosyć dużą energię i wywołuje głównie powierzchniowe uszkodzenie tkanki, jak to często obserwujemy np. na letnich plażach. W tym rozdziale omówimy nieco dokładniej działanie fal radiowych i mikrofal.
Tabela 2 Wielkości pól elektromagnetycznego i magnetycznego związane z działalnością ludzką
Sytuacja Natężenie pola elektrycznego
(V/m) Natężenie pola magnetycznego (A/m)
Linia wysokiego napięcia , 400kV, 50 Hz, pionowo od linii, przy powierzchni ziemi
Linia wysokiego napięcia, 400kV, 50 Hz, 25 m od pionu, przy powierzchni ziemi
Stacja nadawcza, fale średnie: 500-1600 kHz, 100 m od masztu
CB radio, 4W, 27 MHz, 12 cm od anteny
Podstacja energetyczna, 50
Telewizor, pole statyczne, odl. 30 cm
Telewizor, pole 15 kHz, odl. 30 cm
10000
1000
20
100 – 600
10 – 20000
0.5 – 10000
1 – 10
30
6
-
0,2
kilkaset
-
do 0.16
W zakresie częstotliwości bardzo niskich i radiowych, aż do 10 MHz, żywa tkanka zachowuje się jak przewodnik, w którym zmienne pole indukuje prądy wirowe, zwane prądami Foucaulta .
Kierunek prądów wirowych jest taki, że przeciwdziałają one wnikaniu pola w głąb przewodnika, płyną zaś głównie na powierzchni ciała. Przepływ prądu przez ośrodek mający różny od zera opór elektryczny powoduje zawsze wydzielanie energii cieplnej.
Rys. 7.5. Prądy Foucaulta indukowane w żywej tkance przewodzącej poddanej napromieniowaniu falą elektromagnetyczną. Natężenie prądów jest tym mniejsze, im mniejszą powierzchnię obejmuje dany zamknięty obwód prądu
Tabela 3. Oporność tkanki mięśniowej i głębokość wnikania promieniowania o różnych częstotliwościach
Częstotliwość 1 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz
Oporność tkanki 8 Wm 1,5 Wm 0,8 Wm 0,1 Wm
Głębokość wnikania 2,3 m 10 cm 2,5 cm 0,3 cm
Podobnie jak każdy prąd, również prąd wirowy powoduje taki skutek, a gdy wydzielona energia jest duża, system regulacyjny organizmu nie jest w stanie odprowadzić nadmiaru energii i następuje wzrost temperatury ciała, co nazywamy efektem termicznym. Fala elektromagnetyczna wnika w tkankę na głębokość, która zależy od oporu elektrycznego tkanki i długości fali. W tabeli 3 podane są oporności tkanki mięśniowej i wyliczona głębokość wnikania w tkankę fal elektromagne–tycznych o różnych częstotliwościach. Jak widać, prądy wirowe o częstotliwości radiowej, odpowiadające falom od fal radiowych długich do krótkich, indukowane są praktycznie w całej objętości ciała. Aby zdać sobie sprawę, jakie efekty mogą być wywołane oddziaływaniem fal radiowych na człowieka, obliczmy gęstość energii emitowanej przez radiostację o mocy 100 kW w różnych odległościach od anteny nadawczej. Wyniki podane są w tabeli 4, wraz z odpowiednimi wielkościami natężeń pół elektrycznego i magnetycznego. Przyjmuje się, że próg wyczuwania skutków termicznych promieniowania elektromagnetycznego wynosi około 4 W/m2. Stacje radiowe, przynajmniej w naszym kraju, były dawniej obiektami wydzielonymi i chyba nie zdarzało się, aby ktoś mieszkał w odległości od anteny nadawczej mniejszej niż kilkaset metrów. Wydawać by się więc mogło, że oddziaływanie biologiczne fal radiowych jest zaniedbywalne. Od czasu do czasu ukazują się jednak w czasopismach informacje o zaobserwowanym negatywnym wpływie promieniowania radiowego na zdrowie ludzkie. Jedno z takich doniesień ukazało się w czasopiśmie amerykańskim New Scientist z dnia 9 lipca 1987.
Tabela 4. Gęstość energii i natężenia pól w różnych odległościach od stacji nadawczej
Odległość (km) Gęstość energii (W/m2) Pole elektr. (V/m) Pole magnet. (A/m)
0,5
1,0
10,0 0,064
0,016
0,00016 6,9
3,5
0,35 0,06
0,009
0,0009
Donoszono tam, że przeprowadzając badania wśród mieszkańców Wysp Hawajskich żyjących w pobliżu stacji radiowych zaobserwowano wzrost zachorowań na raka o 45% dla mężczyzn i 29% dla kobiet w porównaniu do przeciętnego poziomu zachorowań w regionach tych Wysp nie narażonych na takie oddziaływanie. Jednocześnie nie zaobserwowano w tej samej populacji statystycznie znaczącej, zwiększonej liczby przypadków białaczki. Białaczka w wielu innych doniesieniach łączona była z ujemnym wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Badania te obejmowały m.in. Honolulu, gdzie stacje radiowa i telewizyjna umieszczone są na obszarach gęsto zaludnionych. Na takich terenach jest bardzo dużo innych czynników, które mogą powodować wzrost zachorowalności na raka. Nie od dziś wiadomo, że duże aglomeracje sprzyjają wzrostowi pewnych zachorowań, które uważane są za choroby cywilizacyjne. Zalicza się też do nich choroby nowotworowe. Trudno jest odseparować wpływ tych ogólnych czynników chorobotwórczych od wpływu pola elektromagnetycznego.
Innym często przytaczanym przykładem negatywnego wpływu zmiennych pól elektromagnetycznych na zdrowie ludzkie jest oddziaływanie pól o częstotliwości sieci, czyli 50 Hz. Wpływ taki obserwuje się oczywiście tylko tam, gdzie natężenia pól są bardzo duże, a więc w pobliżu dużych stacji transformatorowych i sieci przesyłowych o najwyższych napięciach, w tym ostatnio budowanych linii na 700 kV. Negatywne skutki oddziaływania takich pól dotyczą zwykle bardzo ograniczonej liczby osób, których praca zawodowa związana jest z tego typu ryzykiem. Szczupłość badanej populacji utrudnia zebranie próbki wystarczającej do uzyskania przekonujących wyników. Wyrażane są też poglądy, że pola elektromagnetyczne o częstości sieci mogą powodować wzrost zachorowań na raka u dzieci. W jednym z numerów Słowa Powszechnego podano informację o zgubnym wpływie pola elektromagnetycznego na zdrowie ludzkie. Cytowano przy tym dane amerykańskie, w których przebadano dwie grupy, każda po 716 dzieci. Jedną grupę stanowiły dzieci mieszkające w pobliżu takich źródeł zmiennego pola elektromagnetycznego jak linie wysokiego napięcia, podstacje transformatorowe itp., druga grupa była grupą kontrolną. W pierwszej grupie stwierdzono 2,8%, czyli 20 przypadków zachorowań na raka, w drugiej 1,3%, czyli 9 przypadków. Można powiedzieć, że stwierdzono dwukrotnie więcej zachorowań w grupie pierwszej niż w drugiej i na tej podstawie wnioskować o szkodliwości zmiennego pola elekromagnetycznego. Spójrzmy jednak na te wyniki inaczej i oszacujmy je z punktu widzenia statystyki. Stawiając hipotezę, że nie ma różnicy zachorowań w obu badanych grupach, uzyskuje się średnią częstość zachorowań 2% wyznaczoną z dokładnością 0,5%. Oznacza to, że wyniki uzyskane dla obu grup mieszczą się w granicach dwóch standardowych odchyleń i nie mogą być uważane za statystycznie różne, a więc można się spodziewać, że w innych, niezależnych badaniach nie uzyskałoby się większej zachorowalności na raka w grupie badanej.
Jako regułę można przyjąć, że na każdą pracę wykazującą ujemny wpływ na zdrowie ludzkie fal elektromagnetycznych o częstotliwościach 50 Hz i radiowych ukazuje się drugie tyle prac kwestionujących publikowane wcześniej wyniki. Wniosek końcowy można więc sformułować tak: nie wiadomo, czy pola elektromagnetyczne mają destrukcyjny wpływ na zdrowie człowieka, a nawet jeśli mają, to z całą pewnością efekt jest mały i dlatego trudno uchwytny. Na wszelki wypadek w USA i Wielkiej Brytanii podjęto badania nad wpływem pól elektromagnetycznych o częstotliwości 50 Hz na zachorowalność dzieci na raka. Badania takie z konieczności muszą być długotrwałe, gdyż dla uzyskania pewniejszych konkluzji niezbędne jest zebranie odpowiednio licznej, nie obciążonej próbki badanej i kontrolnej. Po kilkuletnich intensywnych i kosztownych badaniach komitety koordynujące badania w obu krajach opublikowały w 1992 roku raporty podsumowujące wyniki. Końcowa konkluzja jest następująca:
Nie ma żadnych przekonujących wyników popierających tezę, że promieniowanie elektromagnetyczne bardzo niskiej częstotliwości i częstotliwości radiowej może powodować nowotwory.
Wszystkie dotychczas przeprowadzone badania miały jednak pewne niedostatki. Dlatego nie można wykluczyć możliwości, że pewien wpływ istnieje, chociaż na pewno jest bardzo mały.
Należy pamiętać, że procesy życiowe zachodzące w ciele ludzkim często mają charakter elektryczny, a żywy organizm sam jest emiterem promieniowania elektromagnetycznego. Najbardziej popularnym wykorzystaniem tych zjawisk jest elektrokardiogram i encefalogram; czyli badania elektrycznych czynności serca i mózgu. Oczywiście rejestrowane w takich badaniach pola, a więc i wywołujące je prądy, są bardzo słabe i aby je zaobserwować trzeba stosować specjalne układy pozwalające skompensować zaburzający wpływ zawsze istniejących zakłóceń.