Лекция 5

Электромагнитные поля (ЭМП)

1. ТЕХНОГЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭМП

Земля с момента своего существования подвергалась воздейст­вию электромагнитного излучения Солнца и Космоса. В процессе этого воздействия происходят сложные, взаимосвязанные явления в магнитосфере и атмосфере Земли, влияющие самым непосредст­венным образом на живые организмы биосферы и среду обитания.

В процессе эволюционного развития живые организмы в опреде­ленной степени адаптировались к естественному фону электромаг­нитных полей. С полным правом можно сказать, что живые ор­ганизмы и человечество буквально «купаются в океане электромаг­нитных волн». Однако вследствие научно-технического прогресса электромагнитный фон Земли в настоящее время не только увели­чился, но и претерпел качественные изменения. Появились электро­магнитные излучения таких длин волн, которые имеют искусствен­ное происхождение в результате техногенной деятельности (напри­мер, миллиметровый диапазон длин волн и др.).

Миллиметровое излучение внеземного происхождения интенсив­но поглощается атмосферой Земли, поэтому живые организмы не имеют адаптации к этим волнам.

В настоящее время электромагнитный фон Земли особенно воз­рос в зонах с высокоразвитой наукоемкой промышленностью.

К основным источникам ЭМП антропогенного происхождения относятся телевизионные и радиолокационные станции, мощные радиотехнические объекты, промышленное технологическое обору­дование, высоковольтные линии электропередач промышленной ча­стоты, термические цеха, плазменные, лазерные и рентгеновские установки, атомные и ядерные реакторы и т. п. Следует отметить техногенные источники электромагнитных и других физических по­лей специального назначения, применяемые в радиоэлектронном противодействии и размещаемые на стационарных и передвижных объектах на земле, воде, под водой, в воздухе.

Спектральная интенсивность некоторых техногенных источни­ков ЭМП может существенным образом отличаться от эволюционно сложившегося естественного электромагнитного фона, к кото­рым привык человек и другие живые организмы биосферы.

В связи с загрязнением окружающей среды такими физическими полями, как электромагнитные излучения, необходима и защита 122 от них. Для правильного выбора оптимальных средств защиты необходимо определить основные характеристики источников ЭМП: диапазон частот, энергия и мощность излучения, режим работы, диаграмма направленности, особенности распространения в атмосфере, биологическое действие, тип поляризации, их на­значение и т. п.

Теория электромагнитного поля, физика и техника СВЧ и других диапазонов длин волн, области применения ЭМП представлены в работах, в которых, помимо указанного, имеются некото­рые расчеты, представляющие практический интерес.

2. СПЕКТР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Спектр электромагнитных излучений, освоенный человечеством в настоящее время, представляется необычайно широким, простира­ющимся от сверхдлинных волн (несколько тысяч метров и более) до коротковолнового γ-излучения (с длиной волны менее 10^–12 см).

Обобщая учение М. Фарадея об электромагнетизме, Дж. Макс­велл создает теорию классической электродинамики и предсказыва­ет (1873 г.) наличие электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света и открытых Г. Герцем в 1887 г. Впервые, в 1895 г. А. С. Попов практически применил электромагнитные волны для передачи сигналов без проводов с помощью радиопередатчика. В этом же году русский физик П. Н. Лебедев провел замечательное исследование в области электромагнитных волн миллиметрового диапазона (длина волны 6 мм), в которых показал, что электромаг­нитные волны этого диапазона обладают такими же свойствами, что и световые волны, воспринимаемые человеческим глазом.

В настоящее время известно, что радиоволны, свет, инфракрас­ное и ультрафиолетовое излучения, рентгеновские лучи и гамма-излучение – все это волны одной, электромагнитной природы, от­личающиеся длиной волны. С помощью зрения человек видит узкую «щелочку» в безбрежном «океане» электромагнитных волн, а в широком диапазоне он регистрирует эти волны с помощью разработанных им же приборов и устройств, существенным об­разом раздвигая границы «видения» в безграничном электромаг­нитном спектре.

Существуют определенные области электромагнитного спектра, в которых генерация и регистрация волн затруднена. Длинновол­новый и коротковолновый концы спектра определены не очень строго. Эффективность генерации и детектирования в области боль­ших длин волн тем меньше, чем больше длина волны. Для получе­ния колебаний очень высоких частот требуется очень высокая кон­центрация энергии, а регистрация этих колебаний затруднена из-за большой проникающей способности коротковолнового излучения, и, следовательно, его незначительного поглощения. Не исключено, что дальнейшее изучение на границах спектра принесет много ново­го в нашем познании.

Шкала электромагнитных волн для различных диапазонов пред­ставлена на рис. 1. Звездочкой помечены номера поддиапазонов, установленные международным консультативным комитетом ра­диосвязи (МККР). По решению этого комитета поддиапазоны 5–11 относятся к радиоволнам. По регламенту МККР к СВЧ диапазо­ну отнесены волны с частотами 3–30 ГГц. Однако исторически сложилось, под СВЧ диапазоном понимать колебания с длиной волны от 1 м до 1 мм. Под оптическим диапазоном в радиофизике, оптике, квантовой электронике понимается диапазон длин волн примерно от субмиллиметрового до дальнего ультрафиолетового излучений. К видимому диапазону относятся колебания с длинами волн от 0,76 до 0,38 мкм. Видимый диапазон (рис. 2) составляет небольшую часть оптического диапазона. Границы инфракрасного диапазона (невидимые тепловые лучи) определяются примерно от длинноволнового участка видимого диапазона до субмиллиметро­вых волн включительно. За коротковолновой границей видимого диапазона простирается большая область ультрафиолетового диа­пазона (ближний, средний, дальний УФ), вплоть до рентгеновского диапазона. Границы переходов УФ-излучения, рентгеновского, γ-излучений точно не фиксированы, но примерно соответствуют ука­занным на схеме (см. рис. 1) значениям λ и υ. Гамма-излучение, обладающее значительной проникающей способностью, переходит в излучение очень больших энергий, называемое космическими лу­чами.

Рис.1. Шкала электромагнитных волн

Рис. 2. Спектр видимого диапазона с указанием

некоторых линий генерации лазеров

Из представленной на рис. 1 шкалы видны масштабы измене­ния значений длин волн при рассмотрении всего спектра электрома­гнитных излучений. При работе в определенном диапазоне частот и длин волн удобно пользоваться теми или другими единицами длины.

Несмотря на единую электромагнитную природу каждый из диапазонов электромагнитных колебаний отличается своей техни­кой генерации и измерений. Например, при работе с электромагнит­ными колебаниями сравнительно низких частот пользуются лини­ями передач с сосредоточенными параметрами (емкость, индуктив­ность, резисторы, двухпроводные открытые линии и т. п.). При Переходе к СВЧ диапазону необходимо использовать линии пере­дачи с распределенными параметрами (волноводы, полые резонато­ры и т.п.). При работе в оптическом диапазоне имеется своя специ­фика измерений, отличная от СВЧ техники. Рентгеновская техника, в свою очередь, имеет свои отличия от других диапазонов электро­магнитных волн.

В табл. 1 приведены некоторые техногенные источники ЭМП, работающие в различных диапазонах электромагнитного спектра. Представленные в этой таблице техногенные источники ЭМП не охватывают всего разнообразия работающих в настоящее время установок и устройств, но с другой стороны видно, сколь широк спектр освоенных электромагнитных излучений.

Таблица 1

Некоторые техногенные источники ЭМП

3. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПОЛЯ

Закон сохранения заряда. Электростатика – область физики, изучающая неподвижные электрические заряды. Многие процессы, происходящие в природе – от атома до живой клетки, обуслов­лены электрическими силами. Существуют два вида электричества: положительное и отрицательное. При появлении одного рода элект­ричества всегда возникает равное количество электричества другого рода. Наличие электрических зарядов двух видов является фун­даментальным свойством материи.

Вопрос симметрии в природе, включающий в себя понятия «правое» и «левое», положительный и отрицательный заряд, пред­ставляется как противоположные проявления какого-либо одного качества. Положительный заряд можно было назвать отрицатель­ным, и наоборот. Исторически название заряда было выбрано слу­чайно. Главное в том, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Наша планета представляет собой уравновешенную систему положительных и отрицательных заря­дов. Нет ни одного явления в природе, при котором создавался или исчезал заряд одного рода. Всегда происходит перераспределение заряда между телами. Алгебраическая сумма зарядов в изолирован­ной системе остается неизменной. Существует закон сохранения заряда, аналогичный закону сохранения количества вещества. Сум­марный заряд в изолированной системе всегда остается неизмен­ным.

Квантование заряда. Электрические заряды в природе состоят из дискретных зарядов постоянной величины, являющихся зарядом электрона (электрон от греч. – «янтарь») и обозначаемой через е.

Гипотезу о существовании частицы, являющейся элементарным носителем электричества, высказал в 1881 г. немецкий физик Гер­ман Гельмгольц, а в 1891г. ирландский физик Георг Стоней пред­ложил назвать эту гипотетическую частицу электроном.

До этого Майклом Фарадеем было установлено, что при выде­лении одного моля одновалентного вещества через электролит про­ходит электрический заряд, равный 96500 Кл. Это число названо постоянной Фарадея. После определения числа Авогадро (N_A = = 6,02∙10²³ атомов) из работ Фарадея следовало, что электричество состоит из отдельных, дискретных, отрицательно заряженных ча­стиц, заряд которых равен e=F/N_A.

29 апреля 1897 г. на заседании Лондонского королевского обще­ства английский ученый Дж. Дж. Томсон сделал важное сообщение об открытии первой элементарной частицы – электрона.

Исследуя катодные лучи, Дж. Дж. Томсон установил, что они не что иное, как поток электронов, масса которых т_е в 1836 раз меньше массы атома водорода. Определив экспериментально величину е/т_е, Дж. Томсон не только открыл первую элементарную частицу, но и нанес жестокий удар по многовековым представлениям о недели­мости и элементарности атома.

Впоследствии был открыт позитрон, обладающий таким же количеством электричества, как и электрон (в 1932 г. Андерсон зарегистрировал позитрон в космических лучах; предсказал позит­рон Поль Дирак в 1931 г.).

Кроме того, была показана возможность аннигиляции заряда и массы в электромагнитное излучение и, наоборот, рождение электрон-позитронной пары при соударении γ-кванта с ядром атома (теоретически предсказано Полем Дираком), что неоднократно под­тверждалось экспериментами. Замечательным фактом является и то, что другие заряженные частицы имеют заряды, кратные по величине заряду электрона. На основании последних теоретических исследований элементарных частиц высказывается возможность су­ществования частиц заряда, равных (1/3)е и (2/3)е, но обнаружить их экспериментально не удается. До сих пор остается тайной, что удерживает электрон от распада и что определяет точную величину его заряда. Все эти вопросы выходят за пределы классической теории электричества. Даже квантовая физика не объясняет, почему электрон обладает такой величиной заряда, имеет ли структуру электрон и если имеет, то какую?

Тем не менее, остается экспериментальным фактом – заряд ква­нтован и кратен е, что является универсальным законом природы, как и квантование энергии, кратное постоянной Планка.

Закон Кулона. Два неподвижных электрических заряда взаимо­действуют друг с другом с силой, пропорциональной произведению величин зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Эту формулировку закона Кулона, который является основным законом в электростатике, запишем в виде:

, (1)

где q₁, q₂ – величины зарядов; – единичный вектор, направлен­ный от заряда 1 к заряду 2; F₁₂ – сила, действующая на заряд 2 (сила, действующая на заряд 1 равна т. е. сила, входя­щая в (1), является ньютоновской). Кроме того, считаем, что ||r₁₂|>>||r_е||, где r_е – размер заряда. Умножение на вектор показы­вает, что сила параллельна линии, соединяющей эти заряды.

Коэффициент пропорциональности k определяется выбором си­стемы единиц. В СГС коэффициент k = 1, в СИ коэффициент k = 8,9875∙10⁹ (1 Кл = 2,998∙10⁹ СГСЭ).

4. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭМП

Влияние физических, особенно электромагнитных, полей на биосферу разнообразно и многогранно. Для изучения этой трудной и важной проблемы требуется комплексный подход при участии широкого круга специалистов: биологов, медиков, геофизиков, био­физиков и т. д. Бесспорно одно, что солнечно-земные связи – это звенья одной цепи, создающие естественный фон околоземного пространства, существенным образом влияющим на живые органи­змы. С другой стороны, бесспорно и другое. В результате антропогенной деятельности увеличивается общий электромагнит­ный фон окружающей природной среды не только в количествен­ном, но и в качественном отношении. В результате широкого использования в современном производстве и технологии ЭМП, и других физических полей появились источники техногенного про­исхождения, отличающиеся по своим характеристикам от традици­онных источников, к которым живые организмы биосферы адап­тировались в процессе длительной эволюции. Например, миллимет­ровые волны, некоторые участки радиодиапазона, УФ, рентгеновс­кие, γ-излучения, инфразвуковые и ультразвуковые колебания, силь­ные электростатические и магнитные поля и т. д. в существенной степени изменяют естественный фон. При этом возможно не простое наложение техногенных физических полей на естественный фон, а происходит их более сложное взаимодействие друг с другом, что существенно может влиять на устойчивость экосистем.

К группам повышенного внимания относятся дети, беременные женщины, люди с заболеваниями центральной нервной, гормональ­ной, сердечно-сосудистой систем, с ослабленным иммунитетом, ал­лергики, которые особенно внимательно должны соблюдать прави­ла электромагнитной безопасности в быту.

Солнечно-земные связи и биосфера. Взаимодействие физических полей с биосферой в настоящее время рассматривают, как уже указывалось, под углом зрения солнечно-земных связей. Началь­ным звеном этой причинно-следственной зависимости являются процессы, протекающие на Солнце. Электромагнитные и корпуску­лярные излучения Солнца и Космоса активно взаимодействуют с магнитосферой, которая хотя и является определенной защитой околоземного пространства от этих потоков, но с другой стороны, магнитосферные процессы и ее флуктуации влияют вместе с Солн­цем на состояние атмосферы, литосферу и гидросферу Земли, на живые организмы. За столетний период выявлены циклические ко­лебания в жизни растительного, животного мира и людей, совпада­ющие с периодами циклических колебаний активности Солнца и возмущённости магнитосферы Земли. Исследование этих за­висимостей имеет большое практическое значение для прогнозиро­вания наводнений, засух, неблагоприятного периода для здоровья людей и т. п. Четкая зависимость от периодичности солнечной активности прослеживается в чередовании толщины годичных ко­лец деревьев.

В дендрохронологической летописи Аризонского университета США собраны данные о нескольких тысячах живых деревьев за 138 период протяженностью 7137 лет. Причем, среди них имеется экзем­пляр, возраст которого составляет 4600 лет. По этой летописи можно определить прирост деревьев за каждый из 7137 лет, начиная с 5150 г. до н. э. Эта таблица имеет большое значение для прогнозов земных процессов, связанных с солнечной активностью. Наблюда­ются корреляции между урожаем и солнечной активностью (маг­нитными бурями), влияющей также на климат, животных, эпидеми­ологические и инфекционные процессы.

При резких изменениях солнечной активности может происхо­дить изменчивость признаков вируса гриппа, что приводит к воз­никновению у бактерий новых качеств: устойчивость к лекарствам, изменение интенсивности образования токсинов и увеличение ско­рости размножения.

По данным медицинской статистики в дни геомагнитных бурь число приступов по поводу инфаркта миокарда, инсультов, кризов на 30% больше, чем в случае спокойного геомагнитного поля. По причине инфаркта миокарда 70% всех смертей приходится на не­дельные интервалы, в пределах которых наблюдались бури, и толь­ко 30% – на периоды спокойного магнитного поля Земли.

В периоды геомагнитных бурь увеличивается свертывающий потенциал крови, в результате чего увеличивается число тромбатических осложнений, которые являются основной причиной сердечно-сосудистых заболеваний. Установлено также влияние магнит­ного поля Земли на сопротивляемость эритроцитов к внешним воздействиям. При увеличении магнитного поля уменьшается со­противляемость эритроцитов.

Земля, вращаясь по орбите вокруг Солнца, попеременно пересе­кает сектора, в которых магнитное поле направлено либо к Солнцу (отрицательный сектор), либо от него (положительный сектор). Когда Земля переходит из отрицательного сектора в положитель­ный увеличивается частота нарушений сердечного ритма, число дорожно-транспортных происшествий, число сосудистых кризов, приступов стенокардии, вегетососудистых пароксизмов. Более бла­гоприятные условия для организма при выходе из положительного в отрицательный сектор. Это объясняется тем, что в случае положи­тельного сектора магнитосфера Земли больше подвергается воздей­ствию корпускулярного излучения.

Установлено также увеличение нервно-психических расстройств при пересечении Землей секторов межпланетного магнитного поля.

Характер взаимодействия ЭМП с биологическим объектом. Про­цессы взаимодействия ЭМП с живой клеткой, живым организмом довольно сложные и в настоящее время в полной мере не ис­следованы. Взаимодействие электромагнитных полей с биологичес­ким объектом определяется:

– параметрами излучения (частотой или длиной волны, когерент­ностью колебания, скоростью распространения, поляризацией вол­ны);

– физическими и биохимическими свойствами биологического объекта, как среды распространения ЭМП (диэлектрической прони­цаемостью, электрической проводимостью, длиной электромагнит­ной волны в ткани, глубиной проникновения, коэффициентом от­ражения от границы воздух – ткань).

Живые организмы, состоящие из множества клеток, имеющих, в свою очередь, огромное число молекул, атомов, заряженных частиц, сами являются источниками ЭМ колебаний в широком диапазоне частот – от ультравысоких до инфранизких. Эти колебания могут иметь случайный и периодический характер. Эво­люция биообъектов происходила под действием внешних (экзоген­ных) и внутренних (эндогенных) ЭМП. В процессе жизнедеятель­ности организмов возникают волновые и колебательные процессы, отображаемые, например, электроэнцефалограммой, обусловлен­ной электрической активностью мозга, электрокардиограммой, ха­рактеризующей работу сердца и т. п.

Чувствительность биологических систем к внешним ЭМП зави­сит от диапазона частот и интенсивности излучений.

Весь диапазон неионизирующих электромагнитных излучений при рассмотрении специфики воздействия ЭМП на биообъекты можно условно разбить на три группы:

– постоянные и низкочастотные поля (до метрового диапазона длин волн);

– СВЧ диапазон (длины волны от 1 м до 1 см);

– миллиметровый и субмиллиметровый диапазон (длины вол­ны от 10 мм до 0,1 мм).

Влияние ЭМП на человеческий организм может быть как полез­ным (лечебным), так и вредным. Лечебное воздействие ЭМП ис­пользуется в гипертермии, лазерной хирургии, физиотерапии, диа­термии и т. д. Полезное действие ЭМП используется в медицинской диагностике. Исключительный интерес представляют миллиметро­вые волны с точки зрения воздействия на биологические объекты, представляющие собой термодинамически неравновесные системы (диссипативные структуры).

Уменьшение амплитуды волны при ее проникновении в ткань характеризуется глубиной проникновения δ-расстоянием, на кото­ром амплитуда ЭМП уменьшается в е ≈ 2,72 раза. При длине волны ЭМП, равной 10 см (частота колебаний в ГГц), глубина проник­новения в мышечной ткани и коже составляет 15 см. При λ = 8 мм (υ ≈ 37,4 ГГц) величина δ = 0,3 мм. Наблюдается резкая зависимость δ от υ (или λ). Тенденция уменьшения δ от увеличения υ происходит до тех пор, пока λ в среде существенно превосходит размеры клеток или входящих в них органелл. На очень высоких частотах проница­емость тканей для ЭМП снова начинает увеличиваться. Жесткое рентгеновское и γ-излучения проходят мягкие ткани без ослабления. При анализе взаимодействия ЭМП с биологическим объектом раз­деляют излучения на ионизирующие и неионизирующие. К ионизирующим излучениям относят УФ, рентгеновское и γ-излучение. Квант энергии этих излучений достаточен для разрыва межмолеку­лярных связей и для ионизации атома. Более длинноволновое излучение (например, СВЧ, миллиметровые или субмиллиметровые вол­ны) относится к неионизирующим излучениям.

Энергетическое воздействие. Этот вид воздействия заключается в переходе поглощенной электромагнитной волны в тепло биоткани. Примером энергетического воздействия ЭМП на биологический объект является гипертермия – полезное использование ЭМП для лечения. В онкологических клиниках используют СВЧ-гипертермию. Сфокусированное излучение на одной частоте локально нагре­вают опухоль до 42–45°С, что является дополнительным лечеб­ным фактором наряду с химиотерапией. Вредны для организма интенсивные ЭМП в любом диапазоне частот с плотностью мощности, превышающей десятки милливатт на 1 см² облучаемой площади.

Информационное воздействие. К такому виду воздействия ЭМП на биологический объект относится тот случай, когда падающее излучение низкой интенсивности не вызывает нагрева ткани, но полезный эффект оказывается значительным. При этом говорят об информационном или управляющем действии ЭМП.

При информационном характере действия ЭМП изменяются характер и скорость передачи информации внутри организма, про­цесс формирования условных рефлексов, количество ключевых фер­ментов энергетического обмена и т. д.

А. С. Пресман, изучавший эти процессы, писал «... характер реакции организмов на электромагнитные поля зависит не от вели­чины электромагнитной энергии, поглощаемой в тканях, а от модуляционно-временных параметров электромагнитных полей, от того, на какие именно системы организма осуществлялось воздействие при прочих равных условиях. Более того, величина той или иной реакции не только не пропорциональна интенсивности воздейству­ющих электромагнитных полей, но наоборот, в ряде случаев умень­шалась по мере возрастания интенсивности. А некоторые реакции не возникали при высоких интенсивностях».

Этим свойствам, в частности, обладают миллиметровые волны малой интенсивности, равной долям или единицам милливатт на 1 см² облучаемой ткани. Исследования в этом направлении прове­дены академиком Н. Д. Девятковым с сотрудниками.

Действие миллиметровых и субмиллиметровых волн. Интерес к этому диапазону длин волн объясняется тем, что живые организ­мы не адаптированы к этим волнам, так как они сильно поглоща­ются верхними слоями атмосферы. Живые организмы не имеют естественных механизмов приспособления к колебаниям заметной интенсивности этих волн при внешнем воздействии. В какой-то степени они могли адаптироваться к собственным аналогичным колебаниям.

Энергия кванта излучения миллиметрового диапазона длин волн меньше энергии теплового движения. Например, при λ= 1 мм вели­чина энергии кванта hv = 1,17∙10^–3 эВ, а при комнатной температу­ре kТ = 2,53∙10^–2 эВ, т. е. hv << kТ для данной длины волны. Кроме того, энергия кванта этого диапазона частот меньше не только энергии электронных переходов (1–20 эВ), энергии активации (0,2 эВ), но и энергии колебательных уровней молекул (10^–1 – 10^–2 эВ). Только энергия вращательных уровней молекул оказывается срав­нима или меньше (10^–3 – 10^–4 эВ) энергии кванта миллиметрового диапазона длин волн. Энергетическая оценка показывает, что мил­лиметровые волны могут оказывать влияние на живую клетку только при многоквантовых процессах, когда несколько когерент­ных квантов одновременно воздействуют на биологический объект. Однако эти волны оказывают на живую ткань значительное воздей­ствие информационного характера, когда эффект воздействия не связан с существенным нагревом, который в рассматриваемом слу­чае не превышает 0,1 градуса в локальной области. При взаимодей­ствии излучения с биологическими объектами возникают резонанс­ные эффекты. Эти процессы имеют частотно-зависимый характер и воздействуют на единую информационно-управляющую систему биосистемы. Для изучения механизмов взаимодействия внешних ЭМП с биосистемами необходимы исследования по выяснению роли стохастических и гармонических процессов, их синхронизации и когерентности в деятельности клетки, структурных изменений, приводящих к нарушению или коррекции режимов жизнедеятель­ности. В настоящее время уделяется большое внимание проблеме взаимодействия ЭМП с живой материей. Волновые и колебатель­ные процессы широко распространены в биосфере и оказывают большое воздействие на биологические системы. По мнению известного биофизика А. М. Жаботинского, «в основе всех видов биологи­ческого движения находятся колебательные (циклические) процессы». В рамках этого параграфа невозможно описать все разнооб­разие проблемы взаимодействия ЭМП с живой материей. Эта про­блема в настоящее время представляет собой одно из интересных направлений современного естествознания.

При взаимодействии миллиметровых волн малой интенсивности с живой клеткой наблюдается значительный эффект, несмотря на малую энергетику процесса. По мнению английского физика Г. Фрёлиха, биологические системы могут иметь дипольные (поляризационные) колебания в диапазоне частот 10² – 10³ ГГц (λ = 3–0,3 мм). При этом внешние воздействия обобщают энергию локально возбужденным дипольным колебаниям и являются, своего рода, биологической накачкой. В результате взаимодействия дипольных колебаний и их связи с упругими колебаниями за счет нелинейных эффектов может произойти переход системы в метастабильное состояние. Внешняя энергия трансформируется в энергию одного вида колебаний. Возникает «гигантский диполь», который представляет собой частный случай когерентного состояния био­системы. Энергия внешнего воздействия может переходить в энер­гию полярных молекул, связанную с вращательными степенями свободы.

Аккумуляторами энергии являются полярные молекулы воды (дипольный момент 1,84 дебай), играющие важные функции в жиз­недеятельности биосистем. С другой стороны, вода является широ­кополосным поглотителем СВЧ диапазона и миллиметровых волн. Слой воды толщиной 1 мм ослабляет падающее излучение длиной волны 8 мм в 10² раз, а при λ = 2 мм – в 10⁴ раз. Поэтому при облучении водных растворов миллиметровыми волнами наблюда­ется избирательный нагрев, который приводит к биологически за­метным эффектам даже при малых интенсивностях падающего излучения. Интегральный нагрев при этом не играет большой роли. Кожа человека имеет в своем составе 65% (масса) воды, поэтому основное поглощение миллиметровых волн происходит в поверх­ностном слое толщиной в несколько десятых миллиметра. Несмот­ря на все первичные эффекты, происходящие в приповерхностном слое кожи (рецепторные клетки, нервные окончания, кровеносные сосуды, иммунокомпетентные клетки и т. п.), действие миллимет­ровых волн распространяется по нервным волокнам на иммунные (регуляторные) процессы всего организма.

Современная концепция действия миллиметровых волн на био­объект заключается в следующем:

– взаимодействие излучения с поверхностными клеточными ме­мбранами;

– взаимодействие СВЧ поля с зарядами белковых молекул, совершающими колебания на собственных резонансных частотах;

– возникновение в мембране СВЧ поля акустоэлектрического происхождения;

– мембраны создают синхронизирующие, фазирующие СВЧ поля, воздействующие на белковые молекулы;

– синхронизация и когерентное сложение колебаний белков пе­редается колебаниям мембране с последующим излучением энергии в межклеточное пространство.

Изучение механизмов действия ЭМП на биологические объекты в настоящее время находится на стыке различных направлений – физики, биологии, медицины, биофизики, радиоэлектроники, эколо­гии и т. п., – и на этом перекрестке следует ожидать много нового, интересного, познавательного.

Действие статического электрического поля. Статическое элект­рическое поле существенно влияет на живые организмы. Земля, как известно, заряжена отрицательно относительно свободного про­странства. Аэрозольные частицы и молекулы газа атмосферы заря­жены, как правило, положительно. У поверхности Земли напряжен­ность электрического поля составляет в среднем 100–130 В/м. Встречаются локальные области с повышенным значением элект­рического поля. На предметах, не имеющих электрического контак­та с землей, накапливаются поверхностные заряды, которые при соприкосновении с заземленными предметами вызывают разряд, сопровождающийся искрой и характерным треском. Учитывая, что пробивная электрическая прочность для воздуха составляет 30 кВ/см, можно представить, какие статические заряды накапливают­ся на поверхности предметов. В особенности электризуются син­тетические ткани.

Разряды, возникающие при стекании статических зарядов, вызы­вают испуг, раздражение, могут быть причиной пожара, взрыва, травмы, порчи микроэлектронных устройств и т. п. Длительное воздействие статических электрических полей с напряженностью поля более 1000 В/м вызывает у человека головную боль, утомлен­ность, нарушения обмена веществ, раздражительность. Несмотря на достаточную изученность статического электричества, до сих пор остается до конца не выясненным механизм действия статического электрического и магнитного полей на человеческий организм.

Дата добавления: 2014-03-11; просмотров: 704; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!