ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ И ТЕХНОГЕННОЕ ВЛИЯНИЕ ПОЛЕЙ

7.1. Экологические аспекты электромагнитной совместимости

7.1.1. Роль электрических процессов в функционировании живых организмов

Живые организмы, включая организм человека, представляют собой исключительно сложные системы, функционирование которых обеспечивается разнообразными процессами - физическими, химическими, биологическими, регулирующими внутренние условия функционирования живых организмов, их воспроизводство, мыслительную деятельность человека и многое другое. В основе реализации этих процессов лежат электрические явления на молекулярном и клеточном уровнях.

По структуре живой организм, как правило, состоит из совокупности клеточных тканей, образующих мышечную, кровеносную, лимфатическую, нервную и иные системы. Внутренняя среда организма является электропроводящей. В ней, представляющей собой водные электролиты, осуществляется транспорт ионов, молекул, циркулируют электрические токи, которыми возбуждаются, определяются и регулируются все жизненно важ­ные процессы. Токи возбуждаются электрическими полями, создаваемыми ионами, концентрация которых зависит от вида химических реакций, протекающих в организме, вида и скорости обменных процессов и т.д.

Следует отметить ключевую роль электрических процессов и в двигательных функциях мышечных тканей. В них на заключительном этапе сложных биохимических процессов осуществляется преобразование энергии электрического поля в механическую работу.

Нормальное функционирование клеток организма связано с обменом веществ через мембраны. Обмен осуществляется путем открытия каналов в мембране, через которые проходят ионы натрия, кальция, хлора и других элементов. Открытие каналов происходит за счет электростатических сил, действующих на белковые молекулы мембраны, при изменениях напряжения между стенками мембраны вследствие различия концентраций ионов внутри и снаружи клетки. Изменения концентрации ионов снаружи клетки и возникновение потенциала действия являются неотъемлемыми элементами механизмов электрохимической передачи информации по тканям. В спокойном состоянии напряжение составляет примерно 80 мВ. Для того чтобы каналы мембраны оказались прозрачными для ионов натрия, достаточно уменьшить напряжение на 20 мВ. С учетом электропроводности и структуры нервных тканей этому состоянию соответствуют усредненные напряженность электрического поля в организме человека 40 В/м и плотность тока 4 А/м². Если внутри тела человека искусственно создать указанные поле или плотность тока, то будут нарушены естественные

Кафедра ЭСВТ ЭЛТИ 133

процессы функционирования органов, например, наступит паралич нервных тканей или нарушится ритм сокращений сердечной мышцы. Таким образом, указанные значения напряженности поля или плотности тока являются, безусловно опасными.

Поле внутри тела может быть создано как при непосредственном касании человеком токоведущих частей, так и за счет протекания по телу токов смещения, если человек находится в переменном электрическом поле, или в поле индуктированных токов при нахождении в переменном магнитном поле. Указанной напряженности поля или плотности тока внутри тела соответствует напряженность внешнего электрического поля промышленной частоты 100 МВ/м или магнитного поля примерно 1 МА/м. Следует отметить, что ни магнитные, ни электрические поля указанной напряженности на практике не встречаются и случаев непосредственного поражения человека магнитным или электрическим полем промышленной частоты не зарегистрировано.

Однако правоверен вопрос, при каких напряженностях внешних полей, возможно негативное или позитивное влияние на человека электромагнитных возмущений, создаваемых электрическими, электронными и иными приборами, в которых используется электрическая энергия. В организме человека при нахождении в электрическом, магнитном или электромагнитном внешних полях, индуктируются токи, накладывающиеся на собственные биотоки, в результате чего могут измениться естественные процессы или возникнуть новые явления.

Постоянные внешние электрические поля не могут вызвать токов в организме. Единственным следствием воздействия таких полей может быть возникновение электрических зарядов на поверхности тела. Постоянные магнитные поля проникают внутрь организма без изменения, так как в организме отсутствуют ферро- или диамагнитные образования.

Переменные электрические и магнитные поля вызывают соот­ветственно токи смещения и индуктированные токи. Для оценки возможного влияния этих токов на организм необходимо сопоставить их амплитуды и частоты с аналогичными параметрами естественных биотоков.

Электромагнитные поля высокой частоты также способны ин­дуктировать токи в организме. Появление этих токов, безусловно, является новым, влияющим на процессы в организме, фактором, так как в естественных условиях высокочастотные токи в организме отсутствуют.

Поскольку электрические, магнитные и электромагнитные поля становятся все более сильным фактором искажения окружающей среды и достоверно известны некоторые конкретные механизмы воздействия полей на человека, в зарубежной печати появилось новое определение этому явлению — электросмог. В загрязнение окружающего пространства электрическими и магнитными полями промышленной частоты основной вклад вносят объекты электроэнергетики, в первую очередь линии элек-

Кафедра ЭСВТ ЭЛТИ 134

тропередачи и подстанции высокого напряжения, электрифицированный транспорт, мощные промышленные установки, а также разнообразные бытовые электроприборы.

Проблема электромагнитной обстановки как фактора негативного влияния на самочувствие и здоровье человека привлекает все большее внимание общественности, причем часто опасность преувеличивается из-за недостатка знаний в этом вопросе либо по конъюнктурным соображениям, таким как стремление найти рынки сбыта устройств для измерения параметров полей или устройств и методов ослабления напряженности полей.

В связи с развитием электроэнергетики, с непрерывно расширяющимся применением мощных электротехнических и электронных устройств на производстве, транспорте и в быту искажения электромагнитной обстановки становятся все более заметным, а напряженности электрических и магнитных полей на рабочих местах, например, на объектах электроэнергетики, могут существенно превышать значения естественных полей. Изучению влияния электромагнитной обстановки на состояние здоровья человека в последние годы придается большое значение. Оно обусловлено, в частности, появлением сообщений о повышенном риске раковых заболеваний у людей, длительно проживающих вблизи линий электропередачи высокого напряжения, что связывается с влиянием на организм человека магнитного поля, создаваемого токами в проводах линий; жалобами персонала объектов электроэнергетики напряжением выше 220 кВ на ухудшение самочувствия при длительном воздействии электрических и магнитных полей промышленной частоты на рабочих местах и т.п.

Как в научных трудах, так и в средствах массовой информации все чаще появляются сенсационные материалы об опасности для здоровья электрических, магнитных и электромагнитных полей, в том числе и слабых, но длительно действующих. Например, появляются безосновательные утверждения, что опасной для человека границей является напряженность магнитного поля промышленной частоты 0,16 А/м при нормированной за рубежом напряженности 80 А/м и более. Как правило, фактическая база таких утверждений оказывается недостоверной. Однако интерес к этой про­блеме не ослабевает, так как существует вероятность недооценки опасного влияния полей на здоровье и повторения ситуации, сходная с той, которая складывалась при недооценке опасности ионизирующих излучений.

Упомянутые проблемы находятся в поле зрения многих между­народных организаций, таких как Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), Международная электротехническая комиссия (МЭК), Международная ассоциация по защите от ионизирующих излучений (IRPA), Европейский комитет по нормированию в области электротехники (CENELEC), Комиссии европейского союза (CEU), национальные комиссии и т.д., занимающиеся вопросами нормирования воздействующих на персонал

Кафедра ЭСВТ ЭЛТИ

и население электрических, магнитных и электромагнитных полей, включая поля промышленной частоты.

Согласно многочисленным исследованиям воздействия полей на человека неопасной считается плотность тока в организме ~10мА/м², что соответствует при частоте 50 Гц напряженности внешних полей 20 кВ/м и 4 кА/м. При больших плотностях наблюдаются такие последствия, как обратимые изменения скорости синтеза протеинов и ДНК, нарушения ионного равновесия, концентрации промежуточных продуктов обмена и активных веществ в клетках, изменения процессов деления клеток и т.п. При плотностях тока 100—1000 мА/м² могут происходить сильные возбуждения клеток и тканей, центральной нервной системы, возникают болевые ощущения, а при больших плотностях тока возможны аритмия и фибрилляция сердца. Интересно отметить, что напряженность полей, кратковременно создаваемых приборами электротерапии в организме человека, как правило, выше границы восприимчивости (ощущения человеком наличия поля), а при работе дефибриллятора в сердечной мышце создается импульсное поле напряженностью ~600 В/м, что соответствует плотности тока ~60 А/м². Таким образом, следует четко различать возможные негативные или позитивные последствия электрических и магнитных полей в зависимости от их напряженности и экспозиции

Плотность тока ~10 мА/м² в теле человека считается уровнем естественных биотоков. Все клетки нормально функционируют при такой плотности тока. Частоты биотоков, как правило, лежат в диапазоне А—1000 Гц. Регистрация сигналов, связанных с биотоками (электрокардиограммы, энцефалограммы) является эффективным средством диагностики состояния организма человека.

Более удобным для пользования является не плотность тока, а ток, протекающий через тело по направлению рука-рука. Безопасный для человека ток зависит от времени его воздействия. Согласно ГОСТ 12.1.038 эти зависимости для производственных и бытовых условий приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1.

Предельно допустимые токи через тело человека в зависимости от времени протекания при частоте 50 Гц, мА

Используя эти нормированные токи, можно оценить внешние поля, которые создают указанные в табл. 7.1. токи. Такие оценки, как уже отмечалось, при времени воздействия более 1 с дают значения 25 кВ/м и 4

Кафедра ЭСВТ ЭЛТИ 136

кА/м. При сокращении времени воздействия предельно допустимые напряженности полей возрастают примерно на 2 порядка, при этом напряженность электрического поля становится выше напряженности, при которой произойдет электрический пробой по воздуху вдоль тела человека. Вероятно, этим объясняются случаи разряда генератора импульсных напряжений в лабораториях на человека, не приводящих к летальному исходу

Учитывая важную роль электрических процессов в функционировании организма человека, возможное влияние на организм внешних полей, создаваемых электрическими и электроэнергетическими устройствами, далее рассмотрим электромагнитную обстановку, окружающую человека на производстве и в быту, механизмы воздействия полей на организм, а также некоторые вопросы нормирования допустимых напряженностей.

7.1.2. Электромагнитная обстановка на рабочих местах и в быту

Электромагнитная обстановка характеризуется напряженностями электрического и магнитного полей. При высоких частотах речь может идти о воздействии электромагнитного поля, при этом наибольший интерес представляет воздействие плоской электромагнитной волны, при которой плотности энергии электрической и магнитной составляющих равны.

Подразделяют естественную электромагнитную обстановку и обстановку от электрических, электроэнергетических и иных, созданных человеком устройств, в которых используется электрическая энергия. Поля естественного и искусственного происхождения накладываются друг на друга, векторы напряженностей суммируются.

Естественное электрическое поле Земли обусловлено отрицательным избыточным зарядом поверхности и составляет на открытой местности примерно 100-500 В/м, (см. заштрихованную область в левой части рис. 14.1). При наличии грозового облака напряженность поля может возрасти до нескольких десятков и даже сотен кВ/м, менять направление, а при грозовых разрядах возникают импульсы электромагнитного поля.

Сильные электрические поля промышленной частоты в основном создаются объектами электроэнергетики (линии электропередачи высокого напряжения).

Кафедра ЭСВТ ЭЛТИ

10* ■

ю^¥

10³-

ю^г

Границу иШдуав

- -'имчибости тлей чгмбелт-