Энергетическое воздействие на окружающую среду

Электромагнитное поле и его влияние на здоровье человека

На практике при характеристике электромагнитной обстановки используют термины «электрическое поле», «магнитное поле», «электромагнитное поле». Электрическое поле создается зарядами. Например, во всем известных школьных опытах по электризации эбонита присутствует как раз электрическое поле. Магнитное поле создается при движении электрических зарядов по проводнику.

Для характеристики величины электрического ноля используется понятие напряженности электрического поля — Е, В/м. Величина магнитного поля характеризуется напряженностью магнитного поля Я, А/м. При измерении сверхнизких и крайне низких частот часто также используется понятие магнитной индукции В, Тл — одна миллионная часть Тл соответствует 1,25 А/м.

По определению электромагнитное поле — это особая форма материи, посредством которой осуществляется воздействие между электрически заряженными частицами. Физические причины существования электромагнитного поля (ЭМП) связаны с тем, что изменяющееся во времени электрическое поле Е порождает магнитное поле Я, а изменяющееся Я — вихревое электрическое поле: оба компонента — Е и Я, непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга. ЭМП неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами. При ускоренном движении заряженных частиц ЭМП «отрывается» от них и существует независимо в форме электромагнитных волн, не исчезая с устранением источника (например, радиоволны не исчезают и при отсутствии тока в излучившей их антенне).

Электромагнитные волны характеризуются длиной волны 1, а источник, генерирующий излучение, а по сути создающий электромагнитные колебания, еще и частотой/. Важная особенность ЭМП — это деление его на так называемые ближнюю и дальнюю зоны. В ближней зоне, или зоне индукции, на расстоянии от источника R < А. ЭМП можно считать квазистатическим. Здесь оно быстро убывает с расстоянием обратно пропорционально квадрату (R ²) или кубу (R ³) расстояния. В ближней зоне излучения электромагнитная волна еще не сформирована. Для характеристики ЭМП измерения переменного электрического поля Е и переменного магнитного поля Я производятся раздельно. Поле в зоне индукции служит для формирования бегущих составляющих полей (электромагнитной волны), ответственных за излучение.

Дальняя зона — это зона сформировавшейся электромагнитной волны, начинается с расстояния R > ЗА,. В дальней зоне интенсивность поля убывает обратно пропорционально расстоянию до источника излучения. В этой зоне устанавливается связь между Е и Я: Е — 377Я, где 377 — волновое сопротивление вакуума, Ом. Поэтому измеряется, как правило, только Е. В России на частотах выше 300 МГц обычно измеряется плотность потока электромагнитной энергии (ППЭ) — 5, Вт/м². ППЭ характеризует количество энергии, переносимой электромагнитной волной в единиц}' времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны.

В соответствии с международной классификацией электромагнитное излучение (ЭМИ) по частному и волновому признакам подразделяется на следующие диапазоны (табл. 2.4).

Диапазоны электромагнитного излучения.

Среди основных источников ЭМИ можно выделить:

• • электротранспорт (трамваи, троллейбусы, поезда);
• • линии электропередачи (городского освещения, высоковольтные);
• • электропроводку (внутри зданий, телекоммуникации);
• • бытовые электроприборы;
• • телеи радиостанции (транслирующие антенны);
• • спутниковую и сотовую связь (транслирующие антенны);
• • радары;
• • персональные компьютеры.

Электротранспорт это транспорт на электрической тяге — электропоезда (в том числе поезда метрополитена), троллейбусы, трамваи и т. п. — является относительно мощным источником магнитного поля в диапазоне частот от 0 до 1000 Гц. Данные проведенных исследований показывают, что максимальные значения плотности потока магнитной индукции В в пригородных «электричках» достигают 75 мкТл при среднем значении 20 мкТл. Среднее значение В на транспорте с электроприводом постоянного тока зафиксировано на уровне 29 мкТл.

Линии электропередачи (ЛЭП) создают в прилегающем пространстве электрическое и магнитное поля промышленной частоты. Расстояние, на которое распространяются эти поля от проводов линии, достигает десятков метров. Дальность распространения электрического поля зависит от класса напряжения ЛЭП (цифра, обозначающая класс напряжения, стоит в названии ЛЭП — например ЛЭП 220 кВ): чем выше напряжение — тем больше зона повышенного уровня электрического поля; при этом размеры зоны не изменяются в течение времени работы ЛЭП. Дальность распространения магнитного поля зависит от величины протекающего тока или нагрузки линии. Поскольку нагрузка ЛЭП может неоднократно изменяться как в течение суток, так и с изменением сезонов года, размеры зоны повышенного уровня магнитного поля также меняются.

Электрические и магнитные поля являются очень сильными факторами влияния на состояние всех биологических объектов, попадающих в зону их воздействия. Например, в районе действия электрического поля ЛЭП у насекомых проявляются изменения в поведении: так, у пчел фиксируется повышенная агрессивность, беспокойство, снижение работоспособности и продуктивности, склонность к потере маток; у жуков, комаров, бабочек и других летающих насекомых наблюдается изменение поведенческих реакций, в том числе направления движения в сторону с меньшим уровнем поля.

У растений распространены аномалии развития — часто меняются формы и размеры цветков, листьев, стеблей, появляются лишние лепестки. Здоровый человек также страдает от относительно длительного пребывания в поле ЛЭП. Кратковременное облучение (минуты) способно привести к негативной реакции только у гиперчувствительиых людей или больных некоторыми видами аллергии. Например, хорошо известны работы английских ученых в начале 90-х гг. XX в., показавших, что у ряда аллергиков под действием поля ЛЭП развивается реакция по тину эпилептической. При продолжительном пребывании (месяцы, годы) в электромагнитном поле ЛЭП у людей могут развиваться заболевания преимущественно сердечно-сосудистой и нервной систем. В последние годы в числе отдаленных последствий часто называются онкологические заболевания.

Наибольший вклад в электромагнитную обстановку жилых помещений в диапазоне промышленной частоты 50 Гц вносит электротехническое оборудование здания, а именно кабельные линии, подводящие электричество ко всем квартирам и другим потребителям системы жизнеобеспечения здания, а также распределительные щиты и трансформаторы. В помещениях, смежных с этими источниками, обычно повышен уровень магнитного поля промышленной частоты, вызываемый протекающим электрическим током. Уровень электрического поля промышленной частоты при этом обычно невысокий и не превышает предельно допустимый уровень (ПДУ) для населения 500 В/м.

Исследователи из университета Карнеги в Питсбурге (США) сформулировали подход к проблеме магнитного поля, который они назвали «благоразумное предотвращение». Предложено считать, что пока наши знания относительно связи между здоровьем и последствиями облучения остаются неполными, но существуют обоснованные предпосылки считать эти последствия вредными для здоровья, необходимо предпринимать шаги по обеспечению безопасности, которые не являются чрезмерно затратными в финансовом отношении и не создают серьезных неудобств для людей.

В настоящее время многие специалисты считают предельно допустимой величину магнитной индукции, равную 0,2—0,3 мкТл. При этом считается, что развитие заболеваний — прежде всего лейкемии — очень вероятно при продолжительном облучении человека нолями более высоких уровней (несколько часов в день, особенно в ночные часы, в течение периода более года).

Все бытовые приборы, работающие с использованием электрического тока, являются источниками электромагнитных полей. Наиболее мощными следует признать СВЧ-печи, аэрогрили, холодильники с системой «без инея», кухонные вытяжки, электроплиты, телевизоры. Реально создаваемое ЭМП в зависимости от конкретной модели и режима работы может сильно различаться среди оборудования одного типа. Значения магнитного поля тесно связаны с мощностью прибора — чем она выше, тем выше магнитное поле при его работе. Значения электрического поля промышленной частоты практически всех электробытовых приборов не превышают нескольких десятков В/м на расстоянии 0,5 м, что значительно меньше ПДУ 500 В/м (табл. 2.5). Приведенные данные относятся к магнитному полю промышленной частоты 50 Гц.

Таблица 25

Предельно допустимые уровни электромагнитного ноля для потребительской продукции, являющейся источником ЭМП.

Диапазон значений магнитного поля промышленной частоты, мкТл, бытовых электроприборов на расстоянии 0,3 м от корпуса изделия приведен ниже.

Бытовой электроприбор…0,2—2,2.

Пылесос…0,2—2,2.

Дрель…2,2—5,4.

Утюг…0,0—0,4.

Миксер…0,5—2,2.

Телевизор…0,0—2,0.

Люминесцентная лампа…0,5—2,5.

Кофеварка…0,0—0,2.

Стиральная машина…0,0—0,3.

Микроволновая печь…4,0—12,0.

Электрическая плита…0,4—4,5.

Организм человека всегда реагирует на электромагнитное поле. Однако для того чтобы эта реакция переросла в патологию и привела к заболеванию, необходимо совпадение ряда условий, в том числе достаточно высокого уровня поля и продолжительности облучения. Поэтому при использовании бытовой техники с малыми уровнями поля и/или кратковременно ЭМП ее не оказывает влияния на здоровье основной части населения. Потенциальная опасность может грозить лишь людям с повышенной чувствительностью к ЭМП и аллергикам, также зачастую обладающим повышенной чувствительностью к ЭМП. Кроме того, согласно современным представлениям, магнитное поле промышленной частоты может быть опасным для здоровья человека, если происходит продолжительное облучение (регулярно, не менее восьми часов в сутки, в течение нескольких лет) с уровнем выше 0,2 мТл.

Микроволновая печь (или СВЧ-печь) в своей работе использует для разогрева пищи электромагнитное поле, называемое также микроволновым излучением, или СВЧ-излучением. Рабочая частота СВЧизлучения микроволновых печей составляет 2,45 ГГц. Именно этого излучения и боятся многие люди. Однако современные микроволновые печи оборудованы достаточно совершенной защитой, которая не дает электромагнитному нолю вырываться за пределы рабочего объема. Вместе с тем нельзя говорить, что поле совершенно не проникает из микроволновой печи. По разным причинам часть электромагнитного поля, предназначенного для приготовления пищи, проникает наружу, особенно интенсивно, как правило, в районе правого нижнего угла дверцы. Для обеспечения безопасности при использовании печей в быту в России действуют санитарные нормы, ограничивающие предельную величину утечки СВЧ-излучения микроволновой печи, согласно которым величина плотности потока энергии электромагнитного поля не должна превышать 10 мкВт/см2 на расстоянии 50 см от любой точки корпуса печи при нагреве одного литра воды. На практике все новые современные микроволновые печи выдерживают это требование с большим запасом.

При этом необходимо учитывать, что со временем степень защиты может снижаться, в основном из-за появления микрощелей в уплотнении дверцы. Это может происходить как из-за попадания грязи, так и из-за механических повреждений. Кроме СВЧ-излучения работу микроволновой печи сопровождает интенсивное магнитное поле, создаваемое током промышленной частоты 50 Гц, протекающим в системе электропитания печи. По этому показателю микроволновая печь является одним из наиболее мощных источников магнитного поля в квартире. Для населения уровень магнитного поля промышленной частоты в нашей стране до сих пор не ограничен, несмотря на его существенное действие на организм человека при продолжительном облучении.

В бытовых условиях однократное кратковременное включение (на несколько минут) не окажет существенного влияния на здоровье человека. Однако сейчас часто бытовая микроволновая печь используется для разогрева пищи в пунктах общественного питания и в сходных производственных условиях. При этом работающий с ней персонал попадает в ситуацию хронического облучения магнитным полем промышленной частоты. В таком случае на рабочем месте необходим обязательный контроль магнитного поля промышленной частоты и СВЧ-излучения.

На территории России в настоящее время размещается значительное количество передающих радиоцентров различной принадлежности. Передающие радиоцентры (ПРЦ) размещаются в специально отведенных для них зонах и могут занимать довольно большие территории (до 1000 га). По своей структуре они включает одно или несколько технических зданий, где находятся радиопередатчики, и антенные поля, на которых располагается до нескольких десятков антенно-фидерных систем (АФС). АФС включает антенну, служащую для излучения радиоволн, и фидерную линию, подводящую к ней высокочастотную энергию, генерируемую передатчиком. Зону возможного неблагоприятного действия ЭМП, создаваемых ПРЦ, можно условно разделить на две части.

Первая часть зоны — это собственно территория ПРЦ, где размещены все службы, обеспечивающие работу радиопередатчиков и АФС. Эта территория охраняется, и на нее допускаются только лица, профессионально связанные с обслуживанием передатчиков, коммутаторов и АФС.

Вторая часть зоны — это прилегающие к ПРЦ территории, доступ на которые не ограничен и где могут размещаться различные жилые постройки. В этом случае возникает угроза облучения населения, находящегося в этой части зоны.

Расположение ПРЦ может быть различным, например, в Москве и Московском регионе характерно их размещение в непосредственной близости или среди жилой застройки. Высокие уровни ЭМП наблюдаются на территориях, а нередко и за пределами размещения передающих радиоцентров низкой, средней и высокой частот (ПРЦ НЧ, СЧ и ВЧ соответственно). Детальный анализ электромагнитной обстановки на территориях ПРЦ свидетельствует об ее крайней сложности, связанной с индивидуальным характером интенсивности и распределения ЭМП для каждого радиоцентра. В связи с этим специальные исследования такого рода проводятся для каждого отдельного ПРЦ.

Широко распространенными источниками ЭМП в населенных местах в настоящее время являются радиотехнические передающие центры (РТПЦ), излучающие в окружающую среду ультракороткие волны ОВЧи УВЧ-диапазонов. Сравнительный анализ санитарно-защитных зон (СЗЗ) и зон ограничения застройки в зоне действия таких объектов показал, что наибольшие уровни облучения людей и окружающей среды наблюдаются в районе размещения РТПЦ «старой постройки» с высотой антенной опоры не более 180 м.

Радиостанции ДВ (частоты 30—300 кГц). В этом диапазоне длина волн относительно большая (например, 2000 м для частоты 150 кГц). На расстоянии одной длины волны или меньше от антенны поле может быть достаточно большим, например, на расстоянии 30 м от антенны передатчика мощностью 500 кВт, работающего на частоте 145 кГц, электрическое поле может быть выше 630 В/м, а магнитное — выше 1,2 А/м.

Радиостанции СВ (частоты 300 кГц—3 МГц). Данные для радиостанций этого типа говорят, что напряженность электрического поля на расстоянии 200 м может достигать 10 В/м, на расстоянии 100 м — 25 В/м, на расстоянии 30 м — 275 В/м (приведены данные для передатчика мощностью 50 кВт).

Радиостанции КВ (частоты 3—30 МГц). Передатчики радиостанций КВ имеют обычно меньшую мощность, однако их чаще размещают в городах, на крышах жилых зданий на высоте 10—100 м. Передатчик мощностью 100 кВт па расстоянии 100 м может создавать напряженность электрического поля 44 В/м и магнитного поля 0,12 Ф/м.

Телевизионные передатчики располагаются, как правило, в городах. Передающие антенны размещаются обычно на высоте выше 110 м. С точки зрения оценки влияния на здоровье интерес представляют уровни поля на расстоянии от нескольких десятков метров до нескольких километров. Типичные значения напряженности электрического поля могут достигать 15 В/м на расстоянии 1 км от передатчика мощностью 1 МВт. В России в настоящее время проблема оценки уровня ЭМП телевизионных передатчиков особенно актуальна в связи с резким ростом числа телевизионных каналов и передающих станций.

Основной принцип обеспечения безопасности — соблюдение установленных Санитарными нормами и правилами предельно допустимых уровней электромагнитного поля. Каждый радиопередающий объект имеет Санитарный паспорт, в котором определены границы санитарно-защитной зоны. Только при наличии этого документа территориальные органы Госсанэпиднадзора разрешают эксплуатировать радиопередающие объекты. Периодически они производят контроль электромагнитной обстановки на предмет ее соответствия установленным ПДУ.

Системы спутниковой связи состоят из приемопередающей станции на Земле и спутника, находящегося на орбите. Диаграмма направленности антенны станций спутниковой связи имеет ярко выраженный узконаправленный основной луч — главный лепесток. Плотность потока энергии (ППЭ) в главном лепестке диаграммы направленности может достигать нескольких сотен Вт/м2 вблизи антенны, создавая также значительные уровни поля на большом удалении. Например, станция мощностью 225 кВт, работающая на частоте 2,38 ГГц, создает па расстоянии 100 км ППЭ, равное 2,8 Вт/м2. Однако рассеяние энергии от основного луча очень небольшое и происходит больше всего в районе размещения антенны.

Сотовая радиотелефония является сегодня одной из наиболее интенсивно развивающихся телекоммуникационных систем.

Основными элементами системы сотовой связи являются базовые станции (БС) и мобильные радиотелефоны (МРТ). Базовые станции поддерживают радиосвязь с мобильными радиотелефонами, вследствие чего БС и МРТ являются источниками электромагнитного излучения в УВЧдиапазоне. Важной особенностью системы сотовой радиосвязи является весьма эффективное использование выделяемого для работы системы радиочастотного спектра (многократное использование одних и тех же частот, применение различных методов доступа), что делает возможным обеспечение телефонной связью значительного числа абонентов. В работе системы применяется принцип деления некоторой территории на зоны, или «соты», радиусом обычно 0,5—10 км.

Базовые станции (БС) поддерживают связь с находящимися в их зоне действия мобильными радиотелефонами и работают в режиме приема и передачи сигнала. В зависимости от стандарта БС излучают электромагнитную энергию в диапазоне частот от 463 до 1880 МГц. Антенны БС устанавливаются на высоте 15—100 м от поверхности земли на уже существующих постройках (общественных, служебных, производственных и жилых зданиях, дымовых трубах промышленных предприятий и т. д.) или на специально сооруженных мачтах. Среди установленных в одном месте антенн БС имеются как передающие (или приемопередающие), так и приемные антенны, которые не являются источниками ЭМП.

Исходя из технологических требований построения системы сотовой связи диаграмма направленности антенн в вертикальной плоскости рассчитана таким образом, что основная энергия излучения (более 90%) сосредоточена в довольно узком «луче». Он всегда направлен в сторону от сооружений, на которых находятся антенны БС, и выше прилегающих построек, что является необходимым условием для нормального функционирования системы. БС являются видом передающих радиотехнических объектов, мощность излучения которых (загрузка) не является постоянной 24 ч в сутки. Загрузка определяется наличием владельцев сотовых телефонов в зоне обслуживания конкретной базовой станции и их желанием воспользоваться телефоном для разговора, что, в свою очередь, коренным образом зависит от времени суток, места расположения БС, дня недели и др. В ночные часы загрузка БС практически равна нулю, т. е. станции в основном «молчат».

Исследования электромагнитной обстановки на территории, прилегающей к БС, были проведены специалистами разных стран, в том числе Швеции, Венгрии и России. По результатам измерений, проведенных в Москве и Московской области, можно констатировать, что в 100% случаев электромагнитная обстановка в помещениях зданий, на которых установлены антенны БС, не отличалась от фоновой, характерной для данного района в данном диапазоне частот. На прилегающей территории в 91% случаев зафиксированные уровни электромагнитного поля были в 50 раз меньше ПДУ, установленного для БС. Максимальное значение при измерениях, меньшее ПДУ в 10 раз, было зафиксировано вблизи здания, на котором установлено сразу три базовых станции разных стандартов.

Имеющиеся научные данные и существующая система санитарно-гигиенического контроля при введении в эксплуатацию базовых станций сотовой связи позволяют отнести базовые станции сотовой связи к наиболее экологически и санитарно-гигиенически безопасным системам связи.

Мобильные радиотелефоны (МРТ) представляют собой малогабаритный приемопередатчик. В зависимости от стандарта телефона передача ведется в диапазоне частот 453—1785 МГц. Мощность излучения МРТ является величиной переменной, в значительной степени зависящей от состояния канала связи «мобильный радиотелефон — базовая станция», т. е. чем выше уровень сигнала БС в месте приема — тем меньше мощность излучения МРТ. Максимальная мощность находится в границах 0,125−1 Вт, однако в реальной обстановке она обычно не превышает 0,05—0,20 Вт. Вопрос о воздействии излучения МРТ на организм пользователя до сих пор остается открытым. Многочисленные исследования, проведенные учеными разных стран, включая Россию, на биологических объектах (в том числе на добровольцах), привели к неоднозначным, иногда противоречащим друг другу результатам. Неоспоримым остается лишь тот факт, что организм человека «откликается» на наличие излучения сотового телефона.

Радиолокационные станции (РЛС) оснащены, как правило, антеннами зеркального типа и имеют узконаправлеипую диаграмму излучения в виде луча, направленного вдоль оптической оси. Радиолокационные системы работают на частотах от 500 МГц до 15 ГГц, однако отдельные системы могут работать на частотах до 100 ГГц. Создаваемый РЛС электромагнитный сигнал принципиально отличается от излучения иных источников. Связано это с тем, что периодическое перемещение антенны в пространстве приводит к пространственной прерывистости облучения. Временная прерывистость облучения обусловлена цикличностью работы радиолокатора на излучение. Время наработки в различных режимах работы радиотехнических средств может исчисляться от нескольких часов до суток. Так, у метеорологических радиолокаторов с временной прерывистостью 30 мин — излучение, 30 мин — пауза суммарная наработка не превышает 12 ч, в то время как радиолокационные станции аэропортов в большинстве случаев работают круглосуточно. Ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости обычно составляет несколько градусов, а длительность облучения за период обзора — десятки миллисекунд.

Радары метрологические могут создавать на удалении 1 км ППЭ — 100 Вт/м2 за каждый цикл облучения, радиолокационные станции аэропортов — ППЭ ~ 0,5 Вт/м2 на расстоянии 60 м. Морское радиолокационное оборудование устанавливается на всех кораблях, обычно оно имеет мощность передатчика на порядок меньшую, чем у аэродромных радаров, поэтому в обычном режиме сканирование ППЭ, создаваемое па расстоянии нескольких метров, не превышает 10 Вт/м2.

Возрастание мощности радиолокаторов различного назначения и использование остронаправленных антенн кругового обзора приводит к значительному увеличению интенсивности ЭМИ СВЧ-диапазона и создает на местности зоны большой протяженности с высокой плотностью потока энергии. Наиболее неблагоприятные условия отмечаются в жилых районах городов, в черте которых размещаются аэропорты: Иркутск, Сочи, Сыктывкар, Ростов-на-Дону и ряд других.