Спектр электромагнитных излучений СВЧ-диапазона

Выделение СВЧ-диапазона электромагнитных излучений неслучайно, так как принцип действия подавляющего большинства радиотехнических систем, используемых в Вооруженных Силах РБ для радиосвязи, локации и т.д., основан на применении электромагнитных излучений в диапазоне сверхвысоких частот. Кроме того, интенсификация разработок в области передачи и трансформации энергии приводит к появлению новых, более мощных по спектрально-энергетическим характеристикам электромагнитных излучений СВЧ-диапазона.

Таким образом, СВЧ ЭМИ – наиболее встречающийся вид электромагнитных излучений в настоящее время.

К волновым свойствам cверхвысокочастотного электромагнитного поля(СВЧ ЭМП) относят отражение, преломление, дифракцию, интерференцию, а также скорость распространения электромагнитных излучений в пространстве, частоту колебаний и длину волны.

В пустоте электромагнитные волны (ЭМВ) всех частот распространяются с одинаковой скоростью — 300 000 км/сек.

Расстояние, которое волна проходит за время полного колебания называется длиной волны, единица измерения — метр. Длина микроволны измеряется в дециметрах, сантиметрах, миллиметрах.

Частота колебаний измеряется в Герцах (Гц). 1 Гц — это одно колебание в секунду.

Частоты колебаний ЭМВ СВЧ — диапазона находятся в пределах от 3×10⁴ до 3×10¹¹ Гц.

Биологическая эффективность ЭМИ различных диапазонов определяется также энергетической характеристикой — плотностью потока энергии (ППЭ), прежнее название — плотность потока мощности. ППЭ выражается количеством энергии, проходящей в 1 сек через 1 см² поверхности перпендикулярно направлению распространения энергии и измеряется в ваттах на 1 м². В медико-биологической практике используются величины в тысячу и в миллион раз меньшие ((мВт/см² и мквт/см²).

Для характеристики скорости интенсивности ЭМИ при их распределении в поглощающей среде, введено понятие о так называемой глубине проникновения. Глубиной проникновения ЭМВ называется расстояние, на котором интенсивность волны убывает в 2,7 раза. Единица измерения — метры.

Энергия, проходящая внутрь организма, равна энергии падающей волны за вычетом энергии отраженной волны. От однородной среды отражается около 60% энергии падающей волны и только около 40% проходит внутрь объекта. Около 70% энергии проходящей волны поглощается в пределах области, ограниченной глубиной проникновения.

Ткани с более высоким (более 80%) содержанием воды — кожа, кровь, мышцы — значительно лучше поглощают энергию СВЧ ЭМП (избирательность поражения), чем ткани с низким содержанием воды — кости, жир и др. Электромагнитное поле характеризуется векторами напряженности электрического (Е) и магнитного (Н) полей. При частоте колебаний ниже 300 мГц в качестве характеристики ЭМ-поля принимается силовая характеристика - напряженность электрического поля, В/м или напряженность магнитного поля - А/м. При частоте колебаний выше 300 мГц поле оценивается энергетической характеристикой - плотность потока энергии (ППЭ), Вт/м кв. (или ее производными мВт/см², мкВт/см²).

Для количественной оценки поглощенной энергии введено понятие удельной поглощенной мощности - УПМ (SAR - specific absorpion rate - американских авторов). Под УПМ понимается количество поглощаемой мощности приходящейся на единицу массы тела, то есть - это усредненная величина, характеризующая скорость поступления энергии СВЧ-поля в поглощающее тело и представляемая как мощность отнесенная к объему - Вт/м³(мВт/см³) или массе - Вт/кг (мВт/г). Установлено, что предельной для термо-регуляции человека является 4 Вт/кг, а ПДУ - 0,4 Вт/кг.

Проблема метрологической оценки поглощенной человеком ЭМ мощности (и энергии) достаточно сложна. В настоящее время аппаратура для измерений поглощенной ЭМ мощности человеком, облученным СВЧ-полем в свободном пространстве, пока еще не разработана.

Оценку воздействия проводят по измеренной падающей на человека ППЭ и на ее основе методами математических моделей рассчитывают УПМ.

Для измерений падающей мощности непрерывных СВЧ-излучений используются отечественные измерители типа ПЗ-9 и ПЗ-16, которые также обеспечивают возможность оценки средней мощности импульсных излучений.

Характерная особенность микроволнового нагревания объектов связана со значительно большей глубиной проникновения СВЧ ЭМП, чем таких тепловых факторов, как, например, инфракрасные лучи. Глубина проникновения микроволн равна 1/10 длины волны, то есть она тем меньше, чем меньше длина волны.

Поглощение же энергии тканями, наоборот, увеличивается с уменьшением длины волны, поэтому ЭМВ сантиметрового и миллиметрового диапазона при высокой ППЭ быстро нагревают поверхность тела и могут вызвать тяжелые ожоги.

При определенной длине волны (дециметровой диапазон) отмечается даже более выраженное нагревание глубинных тканей по сравнению с кожей - селективность действия СВЧ ЭМП.

Поглощенная средой энергия ЭМП переходит в тепло — это неспецифическое или тепловое действие СВЧ ЭМП на живой организм. При этом по мнению большинства авторов, поглощение энергии микроволн вызывает изменение пространственной ориентации дипольных молекул, прежде всего усиление колебаний диполей воды. Последние передают часть энергии окружающим молекулам, также приходящим в движение, в результате чего энергия СВЧ ЭМП переходит в тепловую, благодаря чему и происходит нагревание объекта.

В ответ на нагревание в облученном участке увеличивается циркуляция крови, что рассматривается как приспособительная реакция, осуществляемая благодаря включению механизмов терморегуляции ЦНС.

Разные органы и ткани в зависимости от их диэлектрических свойств, глубины расположения, состояния местной терморегуляции, активности процессов регенерации, длины волны, мощности и времени облучения обладают различной чувствительностью к СВЧ ЭМП. Наиболее чувствительны к тепловому действию СВЧ ЭМП ткани и органы плохо вас-

куляризованные, например, хрусталик глаза, гонады, поджелудочная железа, а также полые органы, содержащие жидкость — кишечник, мочевой пузырь и др. Это объясняется тем, что циркуляция крови играет роль охлаждающего фактора, а кровь и лимфа — теплоносители.

В связи с этим становится понятным, почему облучение всего организма более опасно, чем локальное, так как при общем облучении нет возможности по достаточно быстрому отводу тепла от участков с более высокой температурой. Существует возрастная чувствительность к микроволнам: молодые живые организмы более подвержены воздействию СВЧ ЭМП. Доказана и видовая зависимость, при этом имеет значение соотношение поверхности тела и его массы, а также наличие обратной зависимости между размерами и чувствительностью живого организма.

Следует отметить, что внутренние органы и мозг крупных живых

организмов более экранированы. Пороговые интенсивности теплового действия СВЧ ЭМП находятся в пределах 10—15 мВт/см². Ниже этого уровня общее и местное облучение не вызывает у человека ощущения тепла.

При ППЭ порядка 100 мВт/см² и выше возникает выраженный тепловой эффект, приводящий к развитию острых поражений различной степени тяжести.

При ППЭ ниже 10 мВт/см² СВЧ ЭМП воздействует на живой организм по механизму нетеплового (олиготермического) или специфического действия, физическая природа которого не столь ясна, как теплового — неспецифического.

В изучении специфического действия СВЧ ЭМП большая заслуга советских ученых: З.В. Гордона, И.Р. Петрова, А.В. Триумфова и др. Предложен ряд теорий, объясняющих специфическое действие СВЧ ЭМП:

1. Теория «точечного» нагревания — некоторые микроструктуры, например, липидные оболочки клеток, могут нагреваться значительно быстрее, чем рядом расположенные.

2. Теория «жемчужных цепей» — выстраивание в цепочки и ориентация вдоль силовых линий ЭМП твердых частиц или капелек жидкости в другой жидкости, вследствие индуцирования зарядов в этих частицах.

3. Теория нетермической денатурации белка — разрывы белковых цепей, углеводных

связей вследствие перехода молекул в возбужденное состояние.

4. Теория резонансного поглощения энергии белками, детектирование СВЧ волн элементами клеточных мембран — колебания молекул белка в соответствии с частотой СВЧ ЭМП, что отражается на функции органелл, ферментов и др.

5. Теория изменения возбудимости облученных рецепторов, содержания биологически активных веществ, гормонов и витаминов, изменение процессов синаптической передачи импульсов.

Ряд ученых предполагают также, что в механизме действия СВЧ ЭМП на живой организм важную роль играют:

1. Изменения калий-натриевого градиента, вследствие различного влияния микроволн на степень гидратации ионов натрия и калия.

2. Изменение проницаемости клеточных мембран.

3. Нарушения электромагнитной регуляции функций (наряду с нервно-

рефлекторными и гуморальными).

4. Нарушения в информационно-управленческой деятельности организма вследствие взаимодействия ЭМП с электрическими и магнитными полями биотоков и перестройки частоты генератора биотоков на частоты внешнего ЭМП (явление «затягивания»).

5. Изменения колебаний молекул (диполей) воды под действием ЭМП с нарушением обменных процессов в клетке, протекающих в водной среде.

Таким образом:

1. СВЧ ЭМП (микроволны) могут оказывать 2 вида воздействия на биологические

объекты — тепловое или неспецифическое и нетепловое или специфическое.

2. При большой интенсивности микроволн тепловой эффект перекрывает специфическое действие СВЧ ЭМП.

3. Сущность нетеплового (специфического) влияния СВЧ ЭМП на организм еще полностью не изучена. Из возможных вариантов действия микроволн малых мощностей наиболее значимы: механохимические с нарушением кинетики биохимических реакций; воздействие на структуру белковых молекул; влияние на ионы клеточных электролитов путем изменения траектории их движения; взаимодействие с собственными электрическими и магнитными полями организма.

Вышеизложенные изменения на субмолекулярном и молекулярном уровнях закономерно приводят к изменениям на более высоких уровнях — клеточном, тканевом, органном, организменном. В реакции включаются рефлекторные механизмы, развивается сложная цепь приспособительных реакций и патологических изменений, в формировании которых ведущая роль принадлежит ЦНС (рис. 1).

↓

↓

Рис. 1 Этапы формирования поражений СВЧ ЭМИ

Приспособительные реакции организма условно подразделяются на специфические инеспецифические. Приспособительные специфические реакции направлены на борьбу с перегреванием. Это расширение сосудов, тахикардия, тахипноэ, усиление потоотделения и др.

Неспецифические приспособительные реакции связаны с рефлекторным ответом ЦНС и желез внутренней секреции. В начале воздействия СВЧ-поля или под влиянием малых интенсивностей его наступает стимуляция рефлекторной деятельности ЦНС, желез внутренней секреции и обмена веществ, а при дальнейшем воздействии - их угнетение. Патологические

реакции проявляются в виде очагов кровоизлияния, катаракты, дегенеративных изменений семенников, язвы желудка, неврозов, нейро-циркуляторной дистонии, гипертермии и др.

Предполагают, что патологические реакции — следствие:

1. Непосредственного воздействия СВЧ-поля на ткани (структурные и функциональные изменения клеток вследствие перенагревания).

2. Первичного возникновения изменений нервной системы как в результате непосредственного влияния на рецепторный аппарат и головной мозг, так и в результате ненормальных рефлекторных и гуморальных воздействий.

3. Эндокринно-гуморальных сдвигов и изменения деятельности ряда внутренних органов. На схеме 1 представлен патогенез влияния сверхвысокочастотного электромагнитного поля на организм человека.

Таковы основные патогенетические механизмы влияния СВЧ ЭМП на организм человека. Имеется также ряд особенностей биологического действия микроволн, которые необходимо учитывать. К ним относится относительно быстрая обратимость большинства изменений, возникающих в организме, избирательность действия микроволн, адаптация организма к облучению, явление биологической кумуляции.

Процессы адаптации и кумуляции находятся в сложных взаимоотношениях. Может наблюдаться как переход от адаптации к кумуляции, так и параллельное развитие кумулятивных и адаптационных явлений. Сейчас доказана роль интервалов между воздействиями

для направленности сдвигов: при малых интервалах между воздействиями наблюдались кумулятивные эффекты, при увеличении интервалов развивались явления адаптации.

Следует учитывать, что при работе генераторов ЭМП СВЧ на организм человека кроме микроволн, патологическое воздействие могут оказывать и другие факторы: шум, высокая температура, мягкие рентгеновские лучи и т. д. Влияние температурного фактора окружающей среды было отмечено еще французскими врачами. Ими установлено, что работники радиолокационных станций, расположенных в Алжире, чаще жаловались на головные боли,

снижение работоспособности, чем аналогичные контингенты в метрополии.

Поэтому при объяснении влияния микроволн на организм человека важно учитывать особенности климата. Существенное значение имеет также реактивность и сопротивляемость организма.

Схема 1