Вреден ли е GSM? (или как да се пазим от мобилните телефони и базовите станции) Когато пишех първите две части на статията “Как работи GSM мрежата?”, поне 5-6 човека ми се обадиха и ме питаха за вредата от “джиесемите” и особено за вредата от базовите станции. Преди 3 седмици дойде един човек на средна възраст и ми каза, че на 25 метра от къщата му, върху покрива на съседен блок, има антени на GSM базови станции на два оператора накуп. Буквално сподели: “От година и половина, откакто монтираха антените, няма живот – не мога да спя, боли ме глава, вдигнах кръвното, постоянно съм нервен, не мога да се концентрирам. Същото е и при жена ми. Но повече ме е страх за детето”. Дълго говорихме – цял час, макар да имах друга спешна работа. Остана доволен от разговора, но накрая ме попита, може ли да осъди мобилните оператори за антените, защото вредят на него и семейството му. Отговорих му – не се мъчи, вредата не може да се докаже, поне не сега, търси юридически аргументи – дали антените са поставени редовно, по правилата. Проверих лично на адреса, без той да знае: антените са монтирани безобразно близо до къщата му. Защо ме търсят тези хора? Занимавам са с проблемите на биологичното влияние на микровълните поне от 1990 г., но между другото. Когато за първи път прочетох, осъзнах и споделих с други хора, че мобилните телефони могат да имат вредно влияние върху човека, всички ме гледаха като изкопаемо. Помня колко се опъвах да стана мобилен абонат. А за базовите станции много малко хора бяха чували, още по-малко ги бяха забелязвали и аз препоръчвах на студентите си, за развлечение, да ги откриват по покривите на сградите в София. Но постепенно нещата се промениха; хората започнаха да разбират. Няма да забравя един случай. Възрастен интелигентен човек дойде при мен, показа ми една стара Nokia и ми каза: “Ето този телефон уби сина ми. Тумор в мозъка, от страната, където държеше телефона си при разговор. Ползваше го е непрекъснато поне от 10 години, когато работеше в ЮАР”. Друг случай. Един ден много близо до градинката, където всеки ден водех децата си да играят, монтираха антени за базови станции – много близо, на 30 метра от люлките, точно по посока на лъча. Аз знаех какво значи това, но майките се питаха тревожно. Тогава една майка им отговори: Това са антени за базови станции на GSM. Много са мощни, излъчват енергия и в Интернет пише, че са вредни. Аз не коментирах нищо, но спрях да водя децата си да играят там. Днес мобилните телефони са адски много (всички говорят и то по много), а антените на базовите станции дори и бабите ги знаят. Постепенно се появиха и въпросите. Не зная защо ме търсят толкова често по тези теми и как точно ме намират (по телефона, e-mail-а, в кабинета, дори в къщи). Най-често съвсем непознати хора. Постепенно разбрах. Просто в България не се говори по тези проблеми (или поне недостатъчно малко). Мобилните оператори – никак, отговорни институции – срещу определени пари в брой, журналистите – каквото намерят в Интернет и в чуждата преса. Но от началото на 2009 година нещо се промени. Всички усетиха. Тук ще се опитам да дам отговор на някои въпроси от популярна научна гледна точка. Без журналистически трикове, административно измъкване или Интернет внушения. 5.1 Биологично действие на микровълните върху човека От енергетична гледна точка съществуват два типа електромагнитно лъчение: йонизиращо (с енергия на кванта hf ≥ 10 eV и нейонизиращо (с енергия на кванта hf < 10 eV) (h – константа на Планк, f – честота), което е свързано със съответното основно биологично действие. Към първият тип принадлежат рентгеновите (X-) лъчи, γ-лъчите, твърдите ултравиолетови (UV) лъчи. При тях енергията на кванта на съответното лъчение се оказва по-висока от енергията на най-слабите молекулни връзки ∆Emin, т. е. hf > ∆Emin, и той може да разрушава директно биологични тъкани, като йонизира молекулите и атомите на клетките им (hf ~ 10 eV е минималната енергия на кванта, способна да предизвика йонизация). Обратно, по-нискоенергетичното лъчение като видимата светлина, инфрачервените лъчи (IR), микровълните (300 MHz – 300 GHz), радиочестотни (RF) сигнали (под 300 MHz) и накрая, постоянният (dc) ток, при които hf < ∆Emin, не се наблюдават директни йонизационни ефекти. С други думи, сигналите, използвани в съвременните комуникации, са нейонизиращо лъчение. Действието на сигналите с ниски честоти се свързва главно с възбуждане на слаби индуцирани токове в проводящи среди, включително в биологичните тъкани. При RF сигнали тези токове са слаби и извън клетките и предизвикват основно нетоплинни ефекти (електростимулация), а при микровълните – водят главно до загряване на тъканите (топлинен ефект). При инфрачервените лъчи и видимата светлина, освен нагряване, се наблюдава и възбуждане на електронните обвивки на атомите и молекулите, и следователно – фотохимични реакции. Йонизиращото лъчение води главно до прекъсване на междумолекулните връзки на веществото в тъканите. Това предизвиква разрушаване на ДНК-молекулите в клетките и промяна на генетичния материал. Човекът живее в околна среда, в която има разнообразно електромагнитно лъчение. Част от него е постоянен фактор в тази среда и съставлява фоновото лъчение с естествен произход. Друга част е свързана с работната му среда, а трета част се явява рисков фактор – това е лъчение, по-силно от фоновото, но не е резултат от работната му среда, а от странични човешки дейности. Такъв е случаят на комуникационни сигнали излъчвани в областта на населени места. На хората е известен е радиоактивният фон – това е йонизиращо (α-, β- и γ-) лъчение с естествен произход (земен или космически). То е важен параметър на околната среда. По подобен начин може да се въведе и фон за нейонизиращо лъчение, но той е по-слабо популярен. Важна роля тук играе нивото на IR, видимото и особено UV лъчение при наличие на “озонова дупка” в атмосферата. Друг силен природен източник на dc и нискочестотни ac сигнали са земното магнитно поле и електричното поле при гръмотевични бури. Ефектът на възбуждане на електростатично поле при силни гръмотевични бури е голям: от ~200 V/m близо до земната повърхност и ~50 kV/m в епицентъра. Важно за човека е наличието на повсеместно магнитостатично поле (средно ~50 mG), предизвикано от магнитното поле на Земята. Много силен е фонът на промишлената честота 50 (или 60) Hz, който е свързан с човешката дейност. Най-слаб е фонът на микровълнови сигнали и затова съвременните комуникации се оказват силен “замърсител” по принцип. Известен факт е, че електростатичното поле се екранира много добре от проводящи обекти и повърхности (дървета, сгради, човешка кожа и др.), докато при магнитостатичното поле това е много трудно. И двете статични полета, обаче, силно намаляват с отдалечаване от източника.
Фиг. 36. а) Линии на статично електрично и магнитно поле около и в тялото на човек; б) Микровълново изображение на
тумор (HWC) на фона на мастна тъкан (LWC); в) Може ли GSM телефон да свари яйце?
На Фиг. 36 а са показани линиите на слаби възбудени ac токове в човешко тяло от нискочестотни електрически и магнитни полета Възбудените нискочестотни токове (напр. на 50-60 Hz) са извънредно слаби (~nA) в сравнение с естествените токове на електрическата активност на сърцето и мозъка на човек, и те не могат да проникнат през клетъчните мембрани. Затова част от учените считат, че влиянието им е пренебрежимо слабо. Обратно, други учени се базират на известния “ефект на коктейла” (напр. тренирано ухо може да отдели познати слаби сигнали на фона на силен шум) и считат, че клетките могат да реагират на слабите индуцирани токове като на нормален сигнал на фона на силен “шум” от естествени токове. Някои изследвания потвърждават наличието на подобни ефекти на електростимулация чрез слаби ac токове. Най-силно въздействие се забелязва върху хора близо до високо- волтови далекопроводи. Тук може да се наблюдават ефекти на забележима вибрация на косата и крайниците на 50/60 Hz (“изтръпване”) или усещане за слаб токов удар като при допир с незаземена метална ограда. Има множество изследвания, които доказват наличие на повишен риск от ракови заболявания при деца, живеещи до далекопроводи. Величината OR (Odds Factor) или рисков фактор показва дали дадено въздействие може да се свърже с даден риск (напр. раково заболяване) или не (OR = 1 – няма риск; > 1 има повишен риск; < 1 има понижен риск). Определя се за дадена голяма група от хора, подложени на даден риск и за подобна на брой контролна група, която не е подлагана на този риск. Изследвания показват, че при деца до 12 г. живеещи до 40 m от високоволтов далекопровод има 2-4 пъти (!) повишен риск (OR) от заболяване от левкемия в сравнение с контролна група. За възрастни подобен ефект практически не е наблюдаван. Спрях се на този случай, макар че не е свързан с микровълните, понеже е един от първите безспорно доказани ефекти преди повече от 15 години, довели до обезлюдяване на повечето имоти в близост до далекопроводи в много страни, дори в България. Връщам се на микровълните като нейонизиращо лъчение, каквито са и GSM сигналите. Дори за най- високочестотният микровълнов сигнал (f = 300 GHz) квантът енергия е едва hf ~ 0.0125 eV, което е по-малко от енергията и на най-слабите междумолекулни връзки в живата тъкан (~0.06 eV) и дори от средната кинетична енергия на топлинното движение на молекулите при стайна температура ~0.025 eV. Интерес за комуникациите представляват именно механизмите на въздействие на микровълните върху живите организми, включително върху човека. Под биологично въздействие са подразбира появата на биохимични ефекти, психологични и поведенчески реакции на организма, тъканите и клетките под действие на лъчението. Здравен риск от облъчване са тези биологични промени, които могат да бъдат вредни или пагубни за организма и/или за неговото потомство. Главен механизъм за биологично въздействие на микровълните е топлинният – нагряване на биологичните тъкани под действие на погълната електромагнитна мощност. Доста по-голям интерес сред хората, обаче, предизвиква наличието на други, нетоплинни механизми. Не може да се отдели рязка граница между тези механизми и по-специално на дозата на облъчване с нейонизиращо лъчение, което ги предизвиква. Топлинните ефекти възникват, когато in vivo в тъканите се поглъща достатъчно микровълнова енергия, предизвикваща измеримо нарастване на температурата на съответната тъкан (мярката е ∆T > 10C). Микротоплинни (ендогенни) ефекти са тези, които възникват при облъчване на организма или части от него с достатъчно голяма RF енергия, която би могла да предизвика нарастване на температурата, но такова не се наблюдава поради ефективна ендогенна регулация в организма (напр. 0.10C < ∆T < 10C). Нетоплинни (специфични) ефекти са тези, които възникват при облъчване на организма или части от него с RF енергия, която е недостатъчна да предизвика над обичайните температурни флуктоации (∆T < 0.10C), но въпреки всичко се откриват забележими биологични ефекти.
Табл. 1. Плътност, диелектрична проницаемост и Табл. 2. Диелектрична проницаемост, проводимост и проводимост на човешки тъкани in vivo при 900 MHz дълбочина на проникване на сигнали в човешки мускулни влакна in vivo
Безспорният механизъм на биологично въздействие на микровълните е топлинният. При него температурата на биологичните тъкани се увеличава вследствие на преобразуването на микровълновата енергия в топлинна. При топлинния механизъм от най-съществено значение са диелектричните свойства на тъканите и по-специално, тяхната комплексна относителна диелектрична проницаемост ' " ' 1( tan ) ' 1( 2/ π ' ,) r r r r r r ε ε jε ε j δ ε jσ fε = − = − ε = − (7) където ε'r е реалната диелектрична проницаемост, tanδε е тангенсът на ъгъла на диелектричните загуби, а σ е проводимостта на тъканите. Силно поглъщане на RF-сигнал в тъканите се наблюдава при големи стойности на tanδε (респективно на σ). Това означава, че най-силно топлинно въздействие търпят тъканите с високо съдържание на вода, която в микровълновия обхват представлява силен поглътител с ε'r ~ 20-80 и tanδε е ~ 1-5. Ефектът е добре познат от действието на домакинските микровълнови печки, където най-силно се нагряват храните, богати на влага. Диелектричните свойства на много специфични видове тъкани са изследвани внимателно in vivo (в жив човешки организъм) и in vitro (в отделни, изолирани органи). За да се специфицират по-добре свойствата им, може да се направи обобщение на видовете тъкани, разделяйки ги на две условни групи: 1) с високо съдържание на вода (HWC, High-Water Content) и 2) с ниско съдържание на вода (LWC, LowWater Content). Към първата група HWC тъкани спадат кръвта, лимфата, черния дроб, бъбреците, мускулите, сивото и бялото мозъчно вещество и пр., докато подкожието, сухожилията, костите и особено мазнините формират групата на LWC-тъканите. Характеристиките на тези групи тъкани са доста различни, като най- типичната е, че стойностите на проводимостта за HWC тъканите са с около порядък по-високи, отколкото при LWC-тъканите. В Табл. 1, 2 са дадени диелектричните параметри на някои човешки тъкани in vivo. Типичните HWC тъкани (очна ретина, мозъчна тъкан и др.) са потенциално по-податливи на микровълново нагряване, още повече, когато са и по-слабо кръвоснабдени (напр., очните ябълки). При въздействието на микровълните трябва да се отчита и дълбочината на проникване на сигнала в тъканите. Количествено се характеризира с дълбочина на скин-слоя δ (на която проникналото поле намалява е-пъти, е = 2.71), δ ~ /1 πfµ rµ 0σ , където µr е относителната магнитна проницаемост на тъканите (~1). От примера се вижда, че при ниски честоти (под 1 MHz) лъчението практически не затихва в тялото, докато при честоти над 1 GHz дълбочината на проникване δ е от няколко cm до няколко mm. Така, това се оказва един естествен механизъм на защита на живия организъм, при която колкото по-високочестотно е дадено лъчение, толкова по-слабо прониква навътре в тъканите. Едно от най-известните полезни приложения на топлинното въздействие на микровълните върху тъканите на човека е в медицината – микровълновата хипертермия, за диагностика (откриване) и терапия (лечение) на някои видове рак (на гърдата, на простатата, на кожата и др.) – Фиг. 36 б. В основата на тези приложения е фактът, че раковите клетки (HWC-тъкани) имат по-богато водно съдържание от това на нормалните клетки около тях. Например, раковите клетки на меланомата съдържат 82% вода срещу 61% на нормалния епидермис на кожата. Така под действие на микровълнов сигнал при подходящи условия, раковите клетки се загряват до 42-460С срещу едва 37-380С на нормалната кожа и така те стават доста податливи на абсорбиране под действие на кръвния поток или при допълнителна химиотерапия. Напоследък в Интернет и по някои електронни медии се появи ново “развлечение” за хората – демонстрация на “сваряване” на сурово кокоше яйце под действието на излъчен сигнал от 2 или повече GSM апарата – Фиг. 36 в. Целта е да се покаже нагледно топлинното действие на GSM сигнала. Как се извършва подобен експеримент? Двата апарата се свързват на “разговор” помежду си. Мястото се избира да е достатъчно далече от базова станция, за да има силен сигнал и по-забележим ефект. Яйцето се поставя в пластмасова или порцеланова чашка между работещите апарати (най-добре те да са от по-старото поколение). Освен, това, за да се изключи DTX режима (прекъснато излъчване на апаратите поради VAD детектора), до тях се включва радиоприемник, който непрекъснато възпроизвежда музика. Твърди се, че белтъкът видимо се втвърдява и побелява след 20-60 мин. Има данни за експерименти както с положителен ефект, така и с отрицателен ефект.
Фиг. 37. Човешкото тяло и човешката глава като резонатори (а); резонансна област на въздействие (б) Както бе показано, средната дълбочина на проникване на микровълните в човешките тъкани е от няколко cm до няколко mm. Това е ефективен начин за защита на организма, но може да се наблюдава усилване на това въздействието при резонансни ефекти. С други думи, човешкото тяло или негови части (глава, уши и пр.) се оказват диелектрични резонатори за определени честоти. Тогава въздействащото ниво на сигнала нараства с увеличаване на качествения фактор на подобен "резонатор“. В такъв случай се наблюдава много по- ефективно нагряване на тъканите, резонансно нагряване – Фиг. 37. За повечето възрастни хора резонансно нагряване на цялото тяло се получава в честотен обхват 60-100 MHz (това са работните честоти на много FM- радиостанции!). За децата, които имат по-дребен ръст, резонансните честоти растат до 150-200 MHz. Резонансно нагряване на цялата човешка глава (със среден диаметър ~17 cm) се постига при ~ 450 MHz! Ухото също се оказва ефективен резонатор точно в честотните обхвати на GSM. Освен топлинното въздействие, за микровълните има описани разнообразни нетоплинни ефекти. В научната и в популярната литература се среща голямо разнообразие от такива ефекти при въздействие върху хора и главно върху животни, но поради ниската доза на облъчване, те не са добре или изобщо не са възпроизводими, за да бъдат възприети като реално съществуващи факти и да влияят на здравето на хората. Наблюдаваните нетоплинни ефекти най-често се свързват със следните медицински и биологични явления: промяна в имунната система, неврологични ефекти, промяна в поведението, връзка между RF-облъчването и действието на някои лекарства и химични съединения, влияние върху потока на Ca++ йони в мозъчната тъкан (а чрез него промяна в EEG-ритъма, забавени реакции, влияние върху REM-съня, свързан с функционирането на паметта, възприятията, обучението и др.), ефекти върху ДНК (включително разрушаване на ДНК молекули) и др. Много от тези ефекти не са изучени детайлно, някои от тях не са повторени от други изследователи, а за други има противоречиви данни и още се спори (например, има ли потенциална връзка между облъчване с микровълните и заболяване от някои видове рак?). Сериозен двигател за увеличаване на интереса към тези изследвания е потенциалният риск от използване на мобилните телефони от големи групи от хора. Независимо от многообразието на описаните нетоплинни ефекти, те имат много специфичен ход с увеличаване на нивото. Първо, под някакво прагово ниво ефектът не се наблюдава. Появява се над този праг и расте до определена стойност на нивото, когато настъпва насищане и разглежданият биологичен ефект не расте количествено, чак до появата на топлинен ефект. Това показва сложността на изследванията на нетоплинни ефекти. Има много обстоятелства, които показват, че малките мощности могат да предизвикват по-забележими ефекти. Напр., в експериментални условия е установено, че слабите дози микровълни повишават окислително- възстановителните процеси в тъканите, а големите дози ги подтискат. Оттук идват и някои разпространени сред хората възгледи, че слабите дози от нейонизиращо лъчение са по-скоро благоприятни за хората. 5.2 Физични величини, характеризиращи нейонизиращото лъчение За количествена оценка на въздействието на йонизиращо лъчение (радиоактивно, UV-, рентгеново и пр.) важно значение има тяхната дозиметрия – определяне на хигиенната доза на облъчване (над фоновото ниво), под което работата с подобно лъчение може да се счита за относително безопасна. На подобна дозиметрия се поддават и не-йонизиращите лъчения, каквито са микровълните. Кои са най-важните физични величини, използвани при дозиметрията на микровълново лъчение? Най-важната енергетична характеристика, свързана с микровълновото лъчение, е плътността на потока на мощността S в дадена посока през единица площ – Фиг. 38. Величината S може да се определи по различен начин в зависимост от разстоянието от излъчващата антена. Областта около антената може да се раздели на три зони: близка, междинна и далечна. В близката зона S практически не зависи от разстоянието и в зависи от разстоянието и в първо приближение се разпределя равномерно по ефективната излъчваща апертура на антената. В междинната зона S започва да спада линейно от разстоянието d. Най-достоверен е изразът за плътността на потока на мощността S0 в далечната (Фраунхоферова) зона d > 2D 2 /λ, откъдето започва да спада квадратично с разстоянието d. В представените горе формули (9) са приети следните означения: PT – мощност на източника; G – усилване на антената; EIRP = PT.G – еквивалентна изотропно излъчена мощност, която не зависи от типа на антената; D – диаметър (или дължина) на антената; d – разстояние от антената до мястото, където се определя S и λ – дължина на вълната. Следователно, плътността на потока на мощността S0 в дадена точка d в далечната зона на антенното поле по посока на главния лъч може да се изчисли достоверно, ако се знаят параметрите на излъчващата антена, честотата и мощността на източника PT на сигнал в CW-режим. В общия случай в произволна посока (елевация θ, азимут ϕ) от антената в далечната зона величината S се дава с израза (9), където F 2 (θ, ϕ) е диаграмата на насоченост на антената по мощност; в посока на главния лъч F = 1). K1 = τ /Т е коефициент на запълване на сигнала, отчитащ импулсния му характер (τ е продължителност на импулса, Т е период на повторение, в постоянен режим K1 = 1). K2 е коефициент, отчитащ реалните условия на отражение от земната повърхност и има стойности в интервала 1 – 1.6; при липса на отражение K2 = 1. Най-важното обстоятелство за преодоляване на вредното излъчване в комуникациите е фактът, че плътността на потока на мощността спада квадратично с разстоянието. Това означава, че разстоянието е съществен фактор за предпазване от нейонизиращо лъчение. В сила е следното правило: не стой близо до излъчваща антена, без това да е необходимо! В повечето случаи това е напълно достатъчно за предпазване. Но има два случая, при които това не може да се реализира. Първо, при мобилните телефони излъчващата антена на MS се доближава до непосредствена близост до главата на човека, а във втория случай базовата станция, разположена близо до жилищни помещения, не може да се пренебрегне. За съжаление, плътността на потока на мощността S, която показва какво е нивото на сигнала в дадена точка, не отчита в каква тъкан попада този сигнал и колко се нагрява тя. За тази цел се въвежда нова физическа величина, специфична абсорбирана мощност Pabs, известна като SAR (Specific Absorption Rate). Всъщност, SAR е важна дозиметрична характеристика на нейонизиращото лъчение и представлява осреднената стойност на погълнатата микровълнова енергия Wabs в тъканите на човека или други биологични обекти (подобно на въвеждането на понятието “доза” при йонизиращо лъчение). Осредняването става по времето за период 30 s, и по масата на тъканта за всеки 1 g (мярка за осредняване, приета в САЩ) или за всеки 10 g (мярка, приета в Европейския съюз).
Фиг. 4. Определяне на SAR: а) Измерено проникване на GSM сигнал в глава; б) Постановка за измерване на SAR в човешки фантом; в) Симулация на разпределението на SARL и температура в модел на глава (visible-man model); г) Симулация на SARWB за цялото тяло пред антена на BTS с отчитане на отражението зад гърба на човека. Биологично действие на електромагнитните вълни Първата е дефиниция за SAR във W/kg, където σ е проводимостта на дадена тъкан в S/m, ρ е нейната плътност в kg/m3 , а |Elocal| 2 е квадратът на средноквадратичното локално електрическо поле в тъканта в (V/m)2 . От тази дефиниция е ясно, че величината SAR е количествена мярка за локалната погълната енергия Wabs в дадена тъкан in-vivo, както и мярка за нейното локално нагряване по следващите две формули горе, където T е локалната абсолютна температура в К, а CP в е специфичният топлинен капацитет на разглежданата тъкан в J/kg.K. От казаното става ясно, че величината SAR не може да се определя директно, а трябва да се изчислява или измерва по модели на човешки тъкани и органи. Това става чрез компютърни симулации (моделиране на органите – тяло, глава, очи и др. и симулация на разпределението на SAR с помощта на електромагнитни 3D симулатори) и чрез измерване на разпределението на SAR в биологично еквивалентни фантомни модели на човек или части от него. Измерва се или локалното електрично поле Elocal с помощта на микроантени във вътрешността на фантома или локалното изменение на температурата ∆T с помощта на миниатюрни термични датчици. На Фиг. 39 са дадени компютърни и фантомни модели на човешка глава. Има два подхода към определяне на SAR: в цялото тяло на човек SARWB и в отделни негови органи, локална SARL (напр. в главата). Най-интересно от обществена гледна точка е да се установи как GSM сигнал прониква в човешката глава при разговор. Най-простият модел на човешка глава е структура с 4 различни тъкани (кожа, скули, кости, мозък). На базата на подобни и по- сложни модели могат да се извършват достоверни оценки на SARL (Фиг. 39 в) и SARWB (Фиг. 39 г). Типичната дълбочина на проникване и абсорбиране на сигнал е ~9 cm, но тази стойност зависи от много фактори (вж. и 5.4). Нарастването на температурата е най-силно близо до повърхнинния слой кожа и скули зад ухото. Експериментално измерване на SAR в човешкото тяло също е възможно (Фиг. 39 а, б). Много рядко се извършват директни измервания с живи хора. При подобни измервания могат да се определят главно повърхнинни ефекти или влияние на човешката глава върху диаграмата на антената. Много по-често днес се използват биологично еквивалентни фантоми (на глава, ръка или цяло тяло). 5.3 Хигиенни норми за нейонизиращото лъчение Опасността от радиоактивност (йонизиращо лъчение) е известна на хората отдавна. За опасност от облъчване с нейонизиращо лъчение се говори едва след масовото въвеждане на мобилните телефоните (след 1980 г.), макар че изследвания на биологично влияние се водят поне от 1930 г. Нещо повече, през годините на студената война са използвали облъчване със слаби сигнали като някакъв вид тайно оръжие. Например, от 1953 до 1976 г. американското посолство в Москва е облъчвано със слаб модулиран RF сигнал с установени десетки години по-късно специфични последствия за персонала: хромозомни дефекти, неврологични симптоми (депресии, раздразнителност, проблеми с концентрацията и др.), много близки до оплакванията днес на хора, живеещи до базови станции. Близостта до действащи радарни установки, tv кули, FM радиостанции и далекопроводи вече с право се счита за опасна. Днес, обаче, излъчващи антени за GSM базови станции има навсякъде и хората започнаха да се безпокоят именно от тях, а не толкова от другите излъчватели. Ето защо, хигиенни норми, регламентиращи процеса на облъчване (exposure) с RF сигнали, са абсолютно необходими. Всяка държава определя свои хигиенни норми за нейонизиращо лъчение по различни критерии и достоверно определени механизми на въздействие, поради което се среща голямо разнообразие от стойности. Има хигиенни норми за плътност на потока на мощността S (респ. Е, H) (както е в България), но и за SAR (напр. в САЩ, в Европейски съюз). Освен това има хигиенно-защитни норми за населението (safety standards), но и за персонал, който по принцип работи с подобно лъчение (в радио и tv-кули, радарни установки и др.). Отделно има и военновременни норми. Хигиенните норми в дадена страна се определят: 1) в зависимост от честотата; 2) за плътност на потока на мощността в W/m2 (над 300 MHz), или поотделно за електрично (V/m) и за магнитно поле (A/m) (под 300 MHz), както и за SAR във W/kg; 3) поотделно за население и за персонал (в последния случай се определя и максимално време за облъчване). Приетите в света хигиенно-защитни норми за облъчване на хора с нейонизиращо лъчение (напр. тези в Западна Европа и САЩ) се основават само на осигуреното предпазване на човека от топлинните ефекти под действие с микровълни (прегряване на тялото с над 10С). Например, при S ~ 100 mW/cm2 (стойност, която се получава при силно слънчево греене) се наблюдават ясни симптоми на прегряване на тялото и повреждане на тъкани поради невъзможност за ефективен обмен на получаваната топлина. При S ~10 mW/cm2 повечето HWC (водосъдържащи) тъкани и органи на човека се нагряват измеримо, но без да се повреждат. Степента на тези ефекти зависят от: размера, формата и ориентацията на обекта, времето за експозиция, топлопроводността на съседните тъкани, ефективността на топлообмена и кръвоснабдеността и пр. Така хигиенно-защитната норма от 1 mW/cm2 , приета в по-голямата част на света, не буди съмнения в начина си на поява – 10 пъти по ниска от предизвикващо видими изменения ниво на S. Измервания на осреднените стойности на плътността на потока на микровълновата мощност в околната среда на хората (далече от излъчватели) показват, че те са много под стойностите на приетите хигиенно-защитни норми. В Табл. 3, 4 по-долу са дадени стойностите на хигиенно- защитните дози за населението в България при облъчване с нейонизиращо лъчение, съгласно Наредба No. 9 от 1991 г. на МЗ и МОС (Държавен вестник, бр. 35 от май 1991 г.) и същите сравнени за няколко държави. Прави впечатление, че някои от стойностите се различават 100 пъти – например, нормата за S в България и в държави от Европейския съюз. Това се дължи на различното значение, което се предава на нетоплинните механизми на въздействие в някои Източно-европейски държави и Русия, както и в някои други държави като Австралия, Нова Зеландия, Китай, Япония (а освен това и някои градове: Залцбург в Австрия; Нов Южен Уелс в Австралия и др.). В САЩ, Европейски съюз и повечето от останалите държави хигиенните норми са определени само на базата на топлинния механизъм. Най-важните организации, които определят пределно допустими норми, са: USA FCC (Federal Communication Commission) (www.fcc.gov), IEEE C95 (www.ieee.org), Canada Safety Code 6 (www.hc-sc.gc.ca/rpb), ICNIRP Reference Levels 1998 (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) (www.icnirp.org) и др.
Табл. 3. Хигиенно-защитните дози за населението в Табл. 4. Хигиенно-защитни норми за S в някои България съглано Наредба No. 9 от 1991 г. държави, сравнени с тези в България.
Фиг. 5. Хигиенно-защитни норми за плътността на потока на мощността S съгласно припоръките на ICNIRP В много страни има честотно-зависими норми за S. На Фиг. 40 са дадени като пример нормите за S, препоръчани от ICNIRP. Хигиенно-защитните норми (за население) до 1 MHz са 2 mW/cm2 , но падат до едва 0.2 mW/cm2 за 10 MHz и се задържат на това ниво до 400 MHz. След това нормата отново расте до 1500 MHz до ниво 1 mW/cm2 . Причината за подобен честотен ход е тази, че в честотните обхвати 60-250 MHz се наблюдават резонансни максимуми на SAR за цяло тяло на повечето хората – мъже, жени и деца. С това се обясняват и по- строгите изисквания в този обхват. Нивото 1 mW/cm2 се запазва до 300 GHz. Нормата за персонал, в работната среда на който има нейонизиращо лъчение, е по-либерална, но с подобен ход с честотата (100→ 1→ 5 mW/cm2 ).
Другите норми, за SAR (Табл. 5), са изключително важни за безжичните комуникации, при които има два типа облъчватели – от една страна, близко разположеният до главата мобилен телефон MS, а от друга страна, базовите станции BTS, които въздействат на живеещи или работещи в близост хора. В първият случай значение има локалната SARL (в главата, очите, по-слабо в шията, крайниците, за която се препоръчват различни стойности ). При по-големи облъчватели (от BTS) по-информативна е SARWB за цялото тяло, за която има по-ниски хигиенни нива. В Табл. 5 са дадени данни от Health Canada’s Safety Code 6, но те са подобни в много други страни – САЩ, ЕС и др. (за съжаление, в България норми за SAR не са въведени официално). Това, че нормата SARL е по-голяма (по-либерална) от тази за SARWB (от 2.5 до 50 пъти) се обяснява с вече известният факт, че когато енергията се поглъща локално, останалите части на тялото (главно чрез кръво- обращението) могат ефективно да я разсеят към други органи. Именно поради ефективността на локалното кръвообращение има и различни норми за SAR на различни части от тялото. Най-тежък е случаят на облъчване на очите, които нямат ефективно локално охлаждане. За определяне на SAR и сравняване с допустимите норми се използват два вида осредняване: по масата на дадена тъкан и по времето за облъчване. Осредняването при определяне на SAR за част от тялото (глава, шия) досега ставаше за всеки 1 g (САЩ, Канада) или на всеки 10 g (Европейски съюз). За други части на тялото (крайници) това става за всеки 10 g (или 100 g). SAR за цялото тяло се определя чрез осредняване по пълната маса на тялото. Важно е и времето за облъчване. На Фиг. 41 са показани две прави в координати “log S–log t“: 1) SAR = const и 2) SAR × t = const (t – времето). Определена температура на тъкан може да се достигне или с постоянна SAR за дълго време или с постоянна специфична енергия SAR × t за късо време. Пресечната точка на двете прави определя препоръчителното време taver за осредняване на SAR при сравнение с нормата. Обикновено то е ~6 s, докато за осредняване на S са необходими поне 6 min (съгласно SC6; по други стандарти осредняването на S може да се извършва и до 30 min). Неотдавна тези норми за SAR в обхвата 0.1-3.5 GHz бяха чувствително увеличени (вж. колонката в Табл. 5). Това стана по препоръка на ICES (International Committee on Electromagnetic Safety) към IEEE и изследователи от Motorola. Основният принцип на това увеличение е изравняване на нормата за население и за персонал (и приемане на по-либералната норма, дори и малко по-висока). Например, старата норма SARL = 1.6 W/kg за облъчване на глава се увеличи на 10 W/kg, а като се прибави изменението на начина на определяне на SAR чрез усредняване на 10 пъти по-големи маси, ефективното общо увеличение се оказва над 12 пъти! За мен остават не особено ясни причините за това увеличение 2-3 години преди да се появят недвусмислени резултати от изследвания за увеличаване на туморните образувания в главата под влиянието на мобилни телефони върху хора, които са говорили повече от 2-3 часа на ден за период от 10 години и нагоре (вж. 5.6), и затова няма да ги коментирам. http://www.referati.org/biologichno-deistvie-na-elektromagnitnite-vylni/93516/ref/p9
Фиг. 37. Човешкото тяло и човешката глава като резонатори (а); резонансна област на въздействие (б) Както бе показано, средната дълбочина на проникване на микровълните в човешките тъкани е от няколко cm до няколко mm. Това е ефективен начин за защита на организма, но може да се наблюдава усилване на това въздействието при резонансни ефекти. С други думи, човешкото тяло или негови части (глава, уши и пр.) се оказват диелектрични резонатори за определени честоти. Тогава въздействащото ниво на сигнала нараства с увеличаване на качествения фактор на подобен "резонатор“. В такъв случай се наблюдава много по- ефективно нагряване на тъканите, резонансно нагряване – Фиг. 37. За повечето възрастни хора резонансно нагряване на цялото тяло се получава в честотен обхват 60-100 MHz (това са работните честоти на много FM- радиостанции!). За децата, които имат по-дребен ръст, резонансните честоти растат до 150-200 MHz. Резонансно нагряване на цялата човешка глава (със среден диаметър ~17 cm) се постига при ~ 450 MHz! Ухото също се оказва ефективен резонатор точно в честотните обхвати на GSM. Освен топлинното въздействие, за микровълните има описани разнообразни нетоплинни ефекти. В научната и в популярната литература се среща голямо разнообразие от такива ефекти при въздействие върху хора и главно върху животни, но поради ниската доза на облъчване, те не са добре или изобщо не са възпроизводими, за да бъдат възприети като реално съществуващи факти и да влияят на здравето на хората. Наблюдаваните нетоплинни ефекти най-често се свързват със следните медицински и биологични явления: промяна в имунната система, неврологични ефекти, промяна в поведението, връзка между RF-облъчването и действието на някои лекарства и химични съединения, влияние върху потока на Ca++ йони в мозъчната тъкан (а чрез него промяна в EEG-ритъма, забавени реакции, влияние върху REM-съня, свързан с функционирането на паметта, възприятията, обучението и др.), ефекти върху ДНК (включително разрушаване на ДНК молекули) и др. Много от тези ефекти не са изучени детайлно, някои от тях не са повторени от други изследователи, а за други има противоречиви данни и още се спори (например, има ли потенциална връзка между облъчване с микровълните и заболяване от някои видове рак?). Сериозен двигател за увеличаване на интереса към тези изследвания е потенциалният риск от използване на мобилните телефони от големи групи от хора. Независимо от многообразието на описаните нетоплинни ефекти, те имат много специфичен ход с увеличаване на нивото. Първо, под някакво прагово ниво ефектът не се наблюдава. Появява се над този праг и расте до определена стойност на нивото, когато настъпва насищане и разглежданият биологичен ефект не расте количествено, чак до появата на топлинен ефект. Това показва сложността на изследванията на нетоплинни ефекти. Има много обстоятелства, които показват, че малките мощности могат да предизвикват по-забележими ефекти. Напр., в експериментални условия е установено, че слабите дози микровълни повишават окислително- възстановителните процеси в тъканите, а големите дози ги подтискат. Оттук идват и някои разпространени сред хората възгледи, че слабите дози от нейонизиращо лъчение са по-скоро благоприятни за хората. 5.2 Физични величини, характеризиращи нейонизиращото лъчение За количествена оценка на въздействието на йонизиращо лъчение (радиоактивно, UV-, рентгеново и пр.) важно значение има тяхната дозиметрия – определяне на хигиенната доза на облъчване (над фоновото ниво), под което работата с подобно лъчение може да се счита за относително безопасна. На подобна дозиметрия се поддават и не-йонизиращите лъчения, каквито са микровълните. Кои са най-важните физични величини, използвани при дозиметрията на микровълново лъчение? Най-важната енергетична характеристика, свързана с микровълновото лъчение, е плътността на потока на мощността S в дадена посока през единица площ – Фиг. 38. Величината S може да се определи по различен начин в зависимост от разстоянието от излъчващата антена. Областта около антената може да се раздели на три зони: близка, междинна и далечна. В близката зона S практически не зависи от разстоянието и в зависи от разстоянието и в първо приближение се разпределя равномерно по ефективната излъчваща апертура на антената. В междинната зона S започва да спада линейно от разстоянието d. Най-достоверен е изразът за плътността на потока на мощността S0 в далечната (Фраунхоферова) зона d > 2D 2 /λ, откъдето започва да спада квадратично с разстоянието d. В представените горе формули (9) са приети следните означения: PT – мощност на източника; G – усилване на антената; EIRP = PT.G – еквивалентна изотропно излъчена мощност, която не зависи от типа на антената; D – диаметър (или дължина) на антената; d – разстояние от антената до мястото, където се определя S и λ – дължина на вълната. Следователно, плътността на потока на мощността S0 в дадена точка d в далечната зона на антенното поле по посока на главния лъч може да се изчисли достоверно, ако се знаят параметрите на излъчващата антена, честотата и мощността на източника PT на сигнал в CW-режим. В общия случай в произволна посока (елевация θ, азимут ϕ) от антената в далечната зона величината S се дава с израза (9), където F 2 (θ, ϕ) е диаграмата на насоченост на антената по мощност; в посока на главния лъч F = 1). K1 = τ /Т е коефициент на запълване на сигнала, отчитащ импулсния му характер (τ е продължителност на импулса, Т е период на повторение, в постоянен режим K1 = 1). K2 е коефициент, отчитащ реалните условия на отражение от земната повърхност и има стойности в интервала 1 – 1.6; при липса на отражение K2 = 1. Най-важното обстоятелство за преодоляване на вредното излъчване в комуникациите е фактът, че плътността на потока на мощността спада квадратично с разстоянието. Това означава, че разстоянието е съществен фактор за предпазване от нейонизиращо лъчение. В сила е следното правило: не стой близо до излъчваща антена, без това да е необходимо! В повечето случаи това е напълно достатъчно за предпазване. Но има два случая, при които това не може да се реализира. Първо, при мобилните телефони излъчващата антена на MS се доближава до непосредствена близост до главата на човека, а във втория случай базовата станция, разположена близо до жилищни помещения, не може да се пренебрегне. За съжаление, плътността на потока на мощността S, която показва какво е нивото на сигнала в дадена точка, не отчита в каква тъкан попада този сигнал и колко се нагрява тя. За тази цел се въвежда нова физическа величина, специфична абсорбирана мощност Pabs, известна като SAR (Specific Absorption Rate). Всъщност, SAR е важна дозиметрична характеристика на нейонизиращото лъчение и представлява осреднената стойност на погълнатата микровълнова енергия Wabs в тъканите на човека или други биологични обекти (подобно на въвеждането на понятието “доза” при йонизиращо лъчение). Осредняването става по времето за период 30 s, и по масата на тъканта за всеки 1 g (мярка за осредняване, приета в САЩ) или за всеки 10 g (мярка, приета в Европейския съюз). 
Няма коментари:
Публикуване на коментар