Электромагнитные воздействия. 
Безопасность жизнедеятельности

При рассмотрении группы факторов, имеющих в своей основе электромагнитную природу, следует обратить внимание на их повсеместную распространенность в современном мире.

Прежде всего отметим изредка встречающееся воздействие на человека электрического статического поля, возникающего в результате эффекта электризации некоторых видов материалов и приводящего к формированию слабых электрических разрядов при участии самого человека. Подобные разряды, хотя и не в состоянии привести к какой-либо электротравме, могут вызвать резкую инстинктивную реакцию человека, связанную с отдергиванием руки или откидыванием тела назад, что, в свою очередь, может спровоцировать серьезную механическую травму.

С физиологической точки зрения воздействию электростатического ноля подвержены нервная и сердечно-сосудистая системы человека. Появляются раздражительность, головные боли, резкие изменения давления.

При наличии высоковольтных источников постоянного тока и образовании вокруг них электростатических полей предельно допустимый уровень напряженности (Еха) установлен специальными нормативами в 60 кВ/м при нахождении человека в зоне их действия не более 1 ч. При меньшей напряженности (Еж) электростатического поля максимально допустимое время (tд), ч, нахождения в нем человека без средств специальной защиты определяется следующим образом:

Расчеты показывают, что при напряженности электростатического поля менее 20 кВ/м время нахождения в нем человека в течение рабочего дня можно не регламентировать.

Серьезные негативные последствия на здоровье человека может оказать воздействие постоянного магнитного поля. Несмотря на то, что жизнедеятельность людей проходит в условиях естественного магнитного поля Земли, напряженность которого составляет около 10 А/м, техносфера часто воздействует на человека магнитными полями с напряженностями, на несколько порядков превышающими этот естественный магнитный фон.

Не вызывая у человека субъективных ощущений негативного характера при кратковременном действии, постоянное магнитное поле большой напряженности может при длительном воздействии привести к нарушениям его нервной, сердечно-сосудистой, дыхательной, пищеварительной систем.

При локальном воздействии магнитного постоянного поля большой напряженности, например, на руки человека, работающего с постоянными магнитами или монтирующего магнитные системы, развиваются местные вегетативные и трофические нарушения кожного покрова, проявляющиеся в раздражении, синюшности, отечности или ороговелости кожи рук.

Согласно принятым нормативным документам максимально допустимая напряженность постоянного магнитного поля на производстве имеет значение 8 кА/м, что почти в 1000 раз превышает указанный выше естественный магнитный фон нашей планеты. Однако реальный уровень магнитных полей в производственных условиях может составлять 30 кА/м при работе с электролизерами в алюминиевой промышленности, достигая 40 кА/м на рабочих местах при изготовлении постоянных магнитов (особенно с использованием редкоземельных элементов) и даже уровня 80−200 кА/м при работе с установками ядерного магнитного резонанса. Иначе говоря, нормативно допустимый уровень напряженности постоянного магнитного поля в реальности может быть превышен в 4−25 раз.

Одним из возможных путей сохранения здоровья человека, вынужденно находящегося в зоне действия мощных источников магнитного поля, является жесткое ограничение времени его пребывания в подобных условиях 1,5−2 ч за рабочую смену. Другой путь заключается в использовании специальных замкнутых защитных экранов из магнитомягких материалов, надежно защищающих людей от действия магнитных силовых линий. Особое внимание при работе в магнитном поле следует уделять защите рук.

Существуют специальные нормативные документы, регламентирующие допустимое воздействие отдельно электрических переменных полей и отдельно магнитных переменных полей промышленной частоты 50 Гц. Однако наиболее сложным является комплексное воздействие на человека электромагнитного изучения (ЭМИ) при совместном влиянии периодически меняющихся электрической и магнитной составляющих.

Сама передача электрической энергии от мест ее производства к местам потребления происходит на большие расстояния и при высоком напряжении с помощью высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП), уровень напряжения в которых достигает 1150 кВ при длине воздушной линии свыше 1000 км (при меньшей длине линии — 750 кВ), а при подземной кабельной линии — 500 кВ.

При нормальной работе линий электропередач негативные воздействия могут исходить от воздушных ЛЭП, высоковольтные провода которых являются источниками мощного электромагнитного излучения, приводящего к ионизации воздуха и появлению наведенных электрических зарядов, вредных для человека. В связи с этим воздушные ЛЭП прокладываются в специальных полосах отчуждения, и любая хозяйственная деятельность, а тем более организация каких-либо поселений в зоне их действия категорически запрещены. Более приемлемыми, хотя и более дорогими, являются подземные кабельные ЛЭП.

Реальную опасность для человека может представлять обрыв высоковольтного провода ЛЭП, особенно в случае его соприкосновения с грунтом и возникновения на почве радиального шагового напряжения.

Общие требования по обеспечению безопасности с учетом выделенных частотных диапазонов ЭМИ представлены в нормативных документах.

Согласно теории любой источник электромагнитных излучений имеет три зоны формирования электромагнитных волн: ближнюю (зону индукции), промежуточную (зону интерференции) и дальнюю зону. В ближней зоне, где электромагнитная волна еще не сформирована, электрическая и магнитная напряженности поля действуют на человека порознь, независимо друг от друга, что и позволяет для длинноволновых промышленных частот 50 или 400 Гц руководствоваться рекомендациями раздельного рассмотрения электрического и магнитного полей. Радиус (R1) ближней зоны легко может быть определен из соотношения.

где? — длина волны электромагнитного излучения.

Учитывая, что длина волн промышленных частот электромагнитного поля исчисляется десятками километров, радиус их ближней зоны оказывается огромным. Напротив, для источников ЭМИ сверхвысоких частот (СВЧ) сантиметрового диапазона, где длина электромагнитных волн находится в пределах 1 — 10 см, размеры ближней зоны пренебрежимо малы.

Дальняя зона распространения ЭМИ характеризуется тем, что электромагнитные волны в ней уже полностью сформированы и на человека действует комплексная плотность энергии электромагнитного поля. Радиус (R3) начала дальней зоны определяется по формуле:

Таким образом, для СВЧ-излучений дальняя зона электромагнитного поля начинается уже в пределах 0,6 м от источника, а для излучений миллиметрового диапазона крайне высоких частот (КВЧ) — и того ближе.

В промежуточной зоне, располагающейся между Ry и /?3, на человека одновременно действуют напряженности электрического и магнитного полей, а также плотность энергии формирующейся электромагнитной волны.

Общепринятым в нормативных документах является деление ЭМИ по следующим диапазонам частот:

• • 30−300 кГц (? = 104−103 м) — низкие частоты (НЧ);
• • 300−3000 кГц (? = 103−102 м) — средние частоты (СЧ);
• • 3−30 МГц (? = 100−10 м) — высокие частоты (ВЧ);
• • 30−300 МГц (?= 10−1 м) — очень высокие частоты (ОВЧ);
• • 300−3000 Мгц (? = 1−0,1 м) — ультравысокие частоты (УВЧ);
• • 3−30 Ггц (? = 10−1 см) — сверхвысокие частоты (СВЧ);
• • 30−300 Ггц (? = 1−0,1 см) — крайне высокие частоты (КВЧ).

Каждый из указанных диапазонов частот считается начинающимся свыше меньшего значения и продолжается до большего значения включительно. Для указанных в скобках диапазонов длин волн — наоборот.

Наиболее высокой биологической активностью обладают электромагнитные воздействия КВЧ и СВЧ диапазонов. Именно ЭМИ этих частот приводят к наиболее тяжелым формам поражения организма человека.

В целом негативное воздействие ЭМИ на человека проявляется сразу по нескольким направлениям. Прежде всего основным физиологическим эффектом такого воздействия является резко неравномерный нагрев тканей организма, причем тем больший, чем значительнее водная составляющая этих тканей, а также пограничных зон, разделяющих ткани различной плотности. Так, для тканей с высоким содержанием воды поглощающая способность энергии примерно в 60 раз выше, чем для тканей с низким содержанием воды. В результате под действием ЭМИ в организме человека возникают значительные внутренние перепады температур.

Особенно чувствительны к такому повышению температуры хрусталик и роговица глаза, мозг, почки, желудок, желчный пузырь, мочевой пузырь, кишечник. Помутнение хрусталика и катаракта, ожоги роговицы глаза вообще являются весьма характерными для СВЧ и КВЧ диапазонов ЭМИ, вызывающих весьма сильный нагрев поверхностных тканей организма, включая кожный покров. При этом высокочастотные ЭМИ сильно влияют и на энергетический уровень внутренних тканей, ведя к их деструкции.

В то же время энергия более низкочастотных колебаний электромагнитного поля, обладая достаточной проницаемостью через ткани организма, в основном вызывает тепловой нагрев глубоко расположенных внутренних органов. Особенно ярко поглощение энергии ЭМИ организмом проявляется на частоте около 70 МГц, являясь своего рода «резонансным» ее поглощением. Особенно страдают при этом органы со слабо развитой сосудистой системой и сравнительно малым кровообращением.

Если механизм терморегуляции человека не справляется с отводом генерируемого ЭМИ тепла, то наступает общий перегрев организма при критическом значении 10 мВт/см2, которое считается тепловым порогом и при превышении которого нормальный теплообмен уже невозможен.

Следует отметить, что кратковременное воздействие ЭМИ на человека, как правило, не приводит к каким-либо необратимым последствиям в отношении его здоровья, и в крайнем случае может потребоваться лишь незначительная реабилитация пострадавшего. Другое дело, когда воздействия ЭМИ носят постоянный и долговременный характер. Тогда действительно могут наступить патологические изменения организма, связанные с повреждениями центральной нервной системы (ЦНС), нарушениями эндокринно-обменных процессов, иммунной системы, изменениями мозговой деятельности, сердечно-сосудистой системы, состава крови, выпадением волос, сверхнормативным снижением веса и другими болезненными явлениями.

Оценку допустимого воздействия ЭМИ на человека осуществляют с помощью двух основных методов:

• — по значениям интенсивности ЭМИ;
• — по энергетической нагрузке (энергетической экспозиции) ЭМИ, которая основана на интенсивности и времени действия этих воздействий.

В первом случае интенсивность ЭМИ для диапазона частот от 30 кГц до 300 МГц оценивается значениями электрической напряженности (Е), В/м, и магнитной напряженности (Нм), А/м, электромагнитного поля, а для диапазона частот от 300 МГц до 300 ГГц — величиной плотности потока энергии (Uэм), Вт/м2.

В основу действующего нормирования положен принцип дозирования вредного воздействия ЭМИ с учетом энергетической нагрузки последнего на организм человека. Энергетинеская нагрузка (ЭЕ), В/м2-ч, создаваемая электрической напряженностью (Еэ) в течение определенного времени (t) ее действия, рассчитывается по следующей формуле:

(4.4).

Для определения энергетической нагрузки (Эн), (А/м)2•ч, создаваемой магнитной напряженностью (Hм) электромагнитного поля в течение времени (t) ее действия, используется аналогичная формула.

(4.5).

Указанные взаимосвязанные параметры имеют различные предельно допустимые значения для разных диапазонов частот. Так, для диапазона от 30 кГц до 3 МГц- Еэпд = 500 (В/м), Такие справочные данные есть и для других частот.

Исходя из указанных предельно допустимых нормативных значений определяется либо возможная интенсивность электрической и магнитной составляющей ЭМИ на рабочих местах в течение стандартного рабочего дня, либо максимальная продолжительность времени пребывания человека на рабочем месте при фиксированной интенсивности воздействия ЭМИ.

В диапазоне частот от 300 МГц до 300 ГГц интенсивность ЭМИ обычно характеризуется плотностью потока энергии (Uэм) электромагнитного поля, определяемой по формуле:

(4.6).

где Э_Uпд — предельно допустимая энергетическая нагрузка от действия плотности потока энергии ЭМИ, справочно равная 200 мкВт/см2•ч (или 2 Вт/м2•ч); t — время воздействия ЭМИ на человека; к — коэффициент ослабления действия ЭМИ на человека, равный 1 для излучателей непрерывного действия и 10 для круговых или сканирующих излучателей.

Для фиксированного значения времени стандартного рабочего дня можно определить предельно допустимое значение плотности потока энергии UЭМПД. Или, зная реальную величину параметра Uэм и используя в качестве основы формулу (4.6), следует вычислить максимально возможное время пребывания человека на рабочем месте при воздействии ЭМИ.

Среди источников электромагнитных воздействий с практической точки зрения значимыми для современного человека являются по меньшей мере три вида распространенных бытовых электроприборов: микроволновая печь, сотовый телефон и компьютер. Строго говоря, каждый из этих источников ЭМИ является безопасным при нормальном использовании уже хотя бы потому, что прошел соответствующую сертификацию качества, т. е. адаптирован к действующим в нашей стране стандартам и нормативам, в том числе и специально разработанным. Однако следует обратить внимание на некоторые особенности их характеристик и эксплуатации.

К настоящему времени только в нашей стране насчитывается до 30 млн пользователей мобильной сотовой связи. Появившись в середине 1980;х гг., сотовая телефонная радиосвязь быстро завоевала всеобщую популярность и признание. В 1996 г. Международной комиссией по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP) при содействии Всемирной организации здравоохранения (WHO) определены предельные уровни радиочастотных воздействий от сотовых телефонов и констатировано, что проведенными исследованиями не выявлено вредного влияния этих воздействий на здоровье человека. В качестве нормативной базы разработчиками сотовых систем используются действующие международные стандарты.

Приемопередающее радиоустройство сотового телефона в работающем состоянии связано с сетью базовых станций, располагающихся друг от друга на расстоянии 1 — 15 км и имеющих наиболее часто используемую мощность передатчиков около 40 Вт (максимальные значения не превышают 320 Вт). При этом наибольшая напряженность ЭМИ таких станций составляет для электрического поля 38 В/м, а для магнитного поля — 0,1 А/м. Стандартные частоты сотовой связи для обеспечения ее лучшего качества постепенно растут и в последнее время достигли уже 1800 МГц (1,8 ГГц), заметно приблизившись к нижней границе частотного диапазона СВЧ (3 ГГц), хотя еще и не вторглись в него.

Мощность радиопередатчика сотового телефона обычно находится в пределах 0,2−7 Вт и уменьшается как с ростом используемой рабочей частоты связи, так и по мере расширения сети базовых станций, т. е. с уменьшением среднего расстояния между пользователем и ближайшей к нему базовой станцией сотовой связи. Наиболее неприятным и потенциально опасным фактором сотовой связи остается непосредственная близость работающего радиопередающего устройства сотового телефона к головному мозгу человека. Несмотря на малую мощность излучения такого радиопередатчика, генерируемая им напряженность поля может привести к сбою близко расположенной точной аппаратуры или кардиостимулятора.

Учитывая быстрое убывание напряженности ЭМИ по мере увеличения расстояния от сотового телефона, в последнее время появились системы сотовой связи с использованием малогабаритных наушников и удалением самого радиопередающего устройства от головы пользователя. Другой путь повышения безопасности человека — это всемерное сокращение времени использования сотовой связи без острой необходимости.

Микроволновые кухонные печи, используемые в быту, работают обычно на частоте 2450 МГц (2,45 ГГц), которая так же, как и телефоны сотовой связи, не входит в частотный диапазон СВЧ, хотя и приближается к нему уже совсем вплотную. Особенностью микроволновых печей является то, что само электромагнитное поле является для них внутренним «рабочим инструментом» и не предназначено для внешнего использования. В связи с этим существующая изоляция корпуса такой печи вполне достаточна для обеспечения безопасности пользователя от действия ЭМИ при правильной ее эксплуатации. Плотность потока энергии сформированного электромагнитного поля, как правило, не превышает 10 Вт/м2 на расстоянии 5 см от корпуса микроволновой печи, так что можно подсчитать, что допустимое время безопасного пребывания пользователя в такой непосредственной близости от работающей электромагнитной системы составляет не более 12 мин в день. Но это время ограничивает именно самый непосредственный контакт человека с работающей микроволновой печью.

Анализируя современные компьютерные системы с точки зрения их безопасности для пользователя, следует констатировать, что благодаря внедрению жидкокристаллических дисплеев вредное влияние прежних мониторов с электронно-лучевыми трубками, которые и были прежде основным источником ЭМИ в компьютерах, сведено к минимуму. Но даже распространенные ранее электронно-лучевые мониторы формировали вокруг себя электромагнитное поле, которое на рабочем месте оператора имело как по плотности потока энергии, так и по электрической, магнитной напряженности, значения, намного меньшие, чем предельно допустимые нормы.

Например, в частотном диапазоне 0,02−2 кГц для электронно-лучевого монитора на расстоянии 0,6 м от его экрана электрическая напряженность усредненно имеет значение 150 В/м, а магнитная напряженность — 0,55 А/м. При этом предельно допустимые энергетические нагрузки, создаваемые этими видами напряженности, равны соответственно 20 000 (В/м)2•ч и 200 (А/м)2•ч. Несложно подсчитать, что допустимое время непрерывной работы оператора по критерию безопасности электрической и магнитной напряженности мониторов намного превышает длительность нормального рабочего дня.

Другое дело, что, начиная с 2003 г., фирма «Intel», стремясь достигнуть быстродействия компьютеров, начала выпуск процессоров с тактовой частотой, которая уже достигла опасного уровня в 3066 МГц (3,066 ГГц), войдя в диапазон СВЧ со всеми вытекающими негативными последствиями для здоровья человека. Учитывая длительный, многочасовой характер работы операторов компьютерных систем, этот факт кажется более чем настораживающим и требует тщательной проверки уровней плотности потока энергии вокруг таких быстродействующих процессоров.