Электромагнитные поля систем мобильной радиосвязи и их воздействие на человека

Цифровые беспроводные и сотовые технологии берут своё начало в 40-х годах XX века, когда началось коммерческое использование мобильной телефонной связи. Японские изготовители основали мобильные телефонные услуги.

В 1947 году Bell Laboratories’ сформировала концепцию, основными элементами которой были: сеть небольших географических областей, названных сотами, передатчик низкой мощности в каждой, поток ячейки, управляемой центральной АТС, частоты, многократно использующиеся другими ячейками. Но большинство существовавших на тот момент мобильных систем не могли обслужить более чем 250 человек из-за недостатка открытых частот. Сервис тоже был примитивен. С открытием транзистора и введением многократного использования частот была создана AMPS (продвинутая служба мобильных телефонов).

В 1981 году в Европе начала действовать NMT-450 (Nordic Mobile Telephone System), а 1991 году сертификацию прошла система GSM. На данный момент это одна из наиболее функциональных цифровых сотовых систем.

В России сотовая связь получила распространение в 1993 году, этот процесс затруднён технологической отсталостью и фактором расстояний.

В 1997 году охват сотовой связью в нашей стране составлял 150 тысяч пользователей, а к 2005 году он достиг более 3-х миллионов. Превосходно иллюстрирует рост числа пользователей мобильными телефонами диаграмма роста оборота рынка сотовой связи в России:

Однако, как это зачастую бывает, сотовый телефон, разрешив много старых проблем, породил не меньшее число новых.

В настоящее время практически повсеместно используются сотовые телефоны, работа которых сопровождается электромагнитными излучениями.

Электромагнитное излучение является видом материи, она обладает массой, энергией и импульсом, и перемещается в пространстве в виде электромагнитных волн. Они взаимодействуют с биологическими объектами на макро- и микроскопических уровнях, которые подробно изложены в основной части нашего исследования.

Последнее время стали появляться статьи в средствах массовой информации о социологических и физико-биологических исследованиях влияния электромагнитных полей сотовых телефонов на пользователя, в которых отмечены наиболее распространённые жалобы.

В связи с актуальностью данной проблемы мы решили провести собственное исследование.

Гипотеза

1. Среди учащихся и учителей школы № 21 много пользователей услугами сотовой связи.

2. Степень информированности о технических параметрах мобильных телефонов у пользователей не высокая.

3. Электромагнитные поля систем мобильной радиосвязи могут представлять опасность для здоровья человека

Цели и задачи исследования

1. Изучить и оценить возможные негативные стороны влияния на человека электромагнитных полей систем сотовой связи.

2. Ознакомиться с действующими на территории России основными стандартами и гигиеническими нормативами, регламентирующими безопасные уровни электромагнитных излучений сотовых телефонов.

3. Провести выборочный анкетный опрос по данной теме.

II. Основная часть.

1. Обзор литературы.

К нашему исследованию была подключена литература и исследования ведущих компаний и производителей. Из каждой книги мы отбирали наиболее доступную и полезную информацию.

Основой нашего исследования стала информация, опубликованная в книге Ю. В. Готовского и Ю. Ф. Перова «Электромагнитная безопасность в офисе и дома». В этой книге обобщены и проанализированы имеющиеся в настоящее время в мировой литературе сведения об электромагнитных полях и излучениях, создаваемые системами мобильной сотовой связи с позиции их безопасности для человека. Рассматриваются уровни электромагнитных излучений портативных сотовых телефонов, их возможное негативное влияние на пользователя, способы его оценки и коррекции. Приведены действующие гигиенические нормативы (стандарты) РФ, регламентирующие безопасные уровни электромагнитных полей в окружающей среде. Содержатся рекомендации по способам и устройствам защиты от неблагоприятного действия электромагнитных полей. Единственным недостатком этой книги является недоступность уровня изложения для широких кругов общественности.

Также мы использовали нижеприведенные статьи и монографии: Исследования фирм «Боинг» и «Эйрбас», Статьи газеты «The New Scientist»,

Но их данные противоречивы. Научная общественность так и не пришла к единому мнению по поводу негативного влияния мобильного телефона на человека, а многочисленные исследования не дают однозначного ответа на поставленный вопрос.

Методы исследований, применяемые в науке, излагаются в литературе, но для применения этих методов необходима техническая база, которая отсутствует во Владимирской области. Кроме того, данные методы могут быть выполнены только высоко квалифицированными специалистами.

2. Общие сведения об электромагнитных полях и принципах их взаимодействия с биологическими системами.

2. 1 Физические характеристики электромагнитных полей.

Электромагнитное поле, являясь видом материи, обладает массой, энергией и импульсом, которые перемещаются в пространстве в виде электромагнитных волн. Они образованы электрической E и магнитной Н составляющими, которые перпендикулярны друг другу и направлению распространения

Основными параметрами электромагнитных волн являются частота f, длина волны λ и скорость распространения c, которые связаны соотношениями f=c/λ, справедливым для свободного пространства, где c=3*10^8 м/с. Если скорость света выражена в м/с, частота f в МГц, то длину волны λ можно определить по формуле: λ=300/f.

В электромагнитной волне распространяющейся от точечного источника излучения, в зависимости от расстояния различают три условные зоны: ближнюю, промежуточную и дальнюю. Поскольку в ближней и промежуточной зонах пространственная структура электромагнитного поля неоднородна, то это существенно усложняет как измерение поглощенной энергии, так и прогнозирование возможного биологического влияния. К дальней зоне относится область, находящаяся на расстоянии от источника излучения более чем 2L^2/λ, где L – максимальный линейный размер источника.

Не менее важным для взаимодействия с биологическими объектами является поляризация электромагнитной волны, которую определяет положение векторов Е и Н в пространстве. Горизонтальное или вертикальное расположение Е вектора определяет электромагнитную волну, соответственно, как горизонтально или вертикально поляризованную. Интенсивность магнитного поля оценивается плотностью потока энергии в диапазоне частот от 0,3 ГГц до 3000 ГГц и электрической составляющей Е и магнитной Н в диапазоне частот от 3 Гц до 3 МГц.

2. 2 Взаимодействие электромагнитных полей с биологическими объектами.

Физические аспекты взаимодействия электромагнитных полей с биологическими объектами рассматриваются на макро- и микроскопических уровнях. Макроскопический подход предполагает получение информации о поведении биологического объекта в поле, складывающееся из количественной оценки поглощённой, прошедшей или отражаемой им энергии падающей волны, топологической картины распределения поглощённой мощности, т. е. дозиметрии. Микроскопическое взаимодействие рассматривает явления на уровне атомов, молекул, надмолекулярных структур и клеток, что по сути дела является биофизическими механизмами действия электромагнитных полей.

Эффект взаимодействия электромагнитного поля с биологической средой будет находиться в зависимости от поглощённой за определённое время энергии поля, т. е. дозы облучения . В его основе лежит преобразование энергии поля в тепло, которое осуществляется по двум классическим механизмам, определяемым диэлектрическими характеристиками биологического материала: индуцирования токов и вращение/перемещение молекул.

Вопросы дозиметрии электромагнитных полей очень сложны, т. к. величина поглощенной энергии определяется не только интенсивностью и частотой поля, но и размерами, формой объекта, его расположением относительно Е и Н векторов, внутренней структуры, окружающим пространством, наличием заземления и многими другими факторами. В качестве характеристики величины поглощенной энергии используется параметр УПМ (удельная поглощенная энергия) или SAR.

Глубина проникновения и длинна волны в тканях тела человека и животных зависит от содержания в них воды и при её высокой концентрации эти величины меньше, чем в противоположном случае.

Нагрев биологического материала является основным механизмом преобразования энергии электромагнитного поля высокой интенсивности. Изменение температуры тела может служить пусковым механизмом для различных реакций, уровень изменений которых зависит от терморегуляторных и метаболических характеристик конкретной функциональной системы организма. Любое по своей природе повышение температуры связано с изменением теплового баланса между скоростью поступления энергии в объект и её выведением. Одним из защитных механизмов, обеспечивающих элиминацию избыточной тепловой энергии, является способность к теплообмену, которой обладает система кровообращения. Однако, структурно-функциональные особенности некоторых органов, обладающих слабой терморегуляционной системой, не способной достаточно эффективно отводить тепло, или характеризующихся повышенной чувствительностью к изменению температуры, ставят их в разряд критических. В первую очередь, к ним относится хрусталик глаза, когда на фоне отсутствия тепловых ощущений, особенно при низких интенсивностях электромагнитных полей, в нем наблюдается изменения, приводящие к помутнению – катаракте. Незначительное повышение температуры может привести в биологических объектах к ускорению многих физиологических и биохимических процессов более чем в два раза, которые могут в результате привести к возникновению значимых реакций. С другой стороны, открытое проявление такой реакции может быть скрыто за счет работы системы поддержания терморегуляционного гомеостаза, вследствие чего возникает возможность формирования множества вторичных эффектов, различных как по величине, так и по своей направленности.

Реакция биологической системы на электромагнитные поля, рассматривается как адаптационная. Структура такой реакции определяется как интенсивностью, временем действия раздражителя, его информационными параметрами, так и уровнем/уровнями организации конкретной биологической системы, задействованных в реализации ответа.

Ответные реакции разделяются на краткосрочные и длительные. Краткосрочные реакции возникают непосредственно сразу после воздействия, спустя единицы или десятки секунд, примерно столько же длятся и не приводят к каким-либо значимым изменениям. Длительные реакции характеризуются длительным последствием на протяжении от нескольких часов до нескольких суток. Общие механизмы действия электромагнитных полей должны рассматриваться как сигнальные, дестабилизирующие, регулирующие и энергетические.

2. 3 Электромагнитные поля систем мобильной радиосвязи и их влияние на пользователя.

В настоящее время проблема обеспечения речевой связью и передачей данных абонентов, удалённых от проводных телефонных аппаратов, стоит чрезвычайно остро. Наиболее современный способ ее реализации состоит в использовании подвижных и портативных средств радиотелефонной связи, а также устройств поискового радиовызова.

Современная мобильная связь представлена сотовой связью, безшнуровыми телефонами и средствами персонального радиовызова. В систему сотовой связи входит комплекс стационарных (базовых) станций, каждая из которых обслуживает определённый район города, работающих в одном диапазоне частот, поделённом на соответствующее число каналов. Для создания широкомасштабных систем сотовой связи используется их стандартизация, наименования стандартов которых и их рабочие диапазоны частот приведены в таблице . В России первым стал применяться аналоговый стандарт NMT-450 и был принят в качестве федерального, затем AMPS. Третий цифровой стандарт GSM-900 был также принят в России в качестве федерального [6]. Передача информации в системах сотовой связи осуществляется путём модуляции несущей частоты, причем в аналоговых стандартах (NMT-450, AMPS) используется частотная модуляция, а в цифровых (GSM) – импульсно-кодовая. Сеть стандарта Nordic Mobile Telephone появилась ещё в 80-х годах прошлого века и была первоначально предназначена лишь для стран Северной Европы, однако потом стала популярной в России и странах Балтии. NMT-стандарт до сих пор используется свыше чем в 40 странах, однако его вытесняет GSM. Как показывают результаты нового исследования шведских учёных, долговременное использование мобильных телефонов аналогового стандарта NMT увеличивает до 80% риск возникновения раковой опухоли мозга у их владельцев по сравнению с теми, кто подобными телефонами не пользовался.

Немецкие учёные протестировали три наиболее распространенных стандарта - NMT-450, GSM-900, GSM-1800. Было исследовано воздействие излучения телефонов на 231 модель кардиостимуляторов различных фирм-производителей. Результаты удивили – телефоны, работающие на стандартах NMT-450 и GSM-900, оказывают помехи на соответственно 30,7 и 34,2 % кардиостимуляторов. А вот телефоны стандарта GSM-1800 на кардиостимуляторы не влияют. Стандарт GSM-1800 в России нераспространен.

С позиций электромагнитной безопасности объектом внимания в первую очередь становится сам носимый сотовый телефон, который при передаче сообщения от абонента работает как передатчик, да еще расположенный в непосредственной близости от головы пользователя. Структура распределения интенсивности электромагнитного поля, излучаемого сотовым телефоном, зависит от положения антенны.

Воздействию подвергается достаточно обширная зона головы и лица человека , его можно рассматривать как неблагоприятное. Можно выделить те критические органы и анатомические образования, которые в первую очередь будут подвергаться воздействию электромагнитных полей сотовых телефонов. К ним можно отнести центральную нервную систему (головной мозг вместе с гематоэнцефалическим барьером), зрительный анализатор (особенно хрусталик глаза), внутреннее и среднее ухо, околоушные, подчелюстные, частично щитовидную и паращитовидные железы и, наконец, кожу лица и ушной раковины.

Электромагнитные поля сотовых телефонов могут вызывать нейрофизиологические нарушения:

• Временное ухудшение познавательной функции.

Обнаружено достоверное увеличение времени реакции человека при воздействии продолжительного сигнала сотового телефона. Причиной этого может быть как непосредственное влияние ЭМП на проводимость нейронов мозга, так и нагрев тканей. Показано, что тепловая нагрузка на ткани продолжительного сигнала больше по сравнению с импульсным и повышение температуры ткани может достигать 1 гр. С.

• Нарушение биоэлектрической активности мозга.

При длительном воздействии ЭМП наступают выраженные изменения в коре головного мозга, тогда как при кратковременном влиянии закономерных нарушений биоэлектрической активности коры головного мозга не наблюдается.

Некоторыми исследованиями зарегистрированы небольшие изменения альфа - и тета - ритма биоэлектрической активности мозга, однако имеются работы, в которых не было зафиксировано достоверных изменений.

• Снижение внимания и способности к концентрации.

• Нарушение сна

У людей с серьёзными патологиями может увеличиваться количество пробуждений, время засыпания, уменьшаться продолжительность сна, ухудшаться качество отдыха. Так же воздействие электромагнитных полей сотовых телефонов на человека, по данным некоторых исследований, может вызывать головные боли, усталость, проблемы со слухом (временная частичная потеря слуха). Кожа лица и ушной раковины может реагировать на излучение покалыванием, жжением и высыпаниями, а зрительный анализатор реагирует как субъективное ощущение усталости и жжения в глазах.

Исходя из опубликованных в настоящее время результатов эпидемиологических обследований, международная комиссия по защите от неионизирующей радиации пришла к выводу, что нет результатов, позволяющих однозначно утверждать возможность возникновения злокачественных новообразований у человека под воздействием электромагнитных полей. Однако, некоторые специалисты, например, Szmigielski, утверждают, что электромагнитные поля играют промотирующую роль в развитии опухолей. В ходе экспериментов они пришли к выводу, что облучения электромагнитными полями приводят к ускорению роста спонтанных и индуцированных бензопиреном опухолей кожи у мышей; повышению риска возникновения лимфомы у мышей; оказывает влияние на синтез ДНК и клеточную пролиферацию в клетках глиомы in vitro электромагнитных полей, характерных для сотовой связи, имеющие промотирующий характер действия.

2. 4 Электромагнитная безопасность при пользовании портативными сотовыми телефонами.

Забота об охране здоровья населения является одним из приоритетных направлений деятельности любого цивилизованного государства. Конечная цель разработки гигиенических норм такова: создать такие условия, когда, исходя из сложившейся ситуации, здоровье человека угрожал как можно меньший вред.

В результате исследований, проводимых в нашей стране в течение многих лет, разработаны и утверждены нормативные уровни электромагнитных полей в населённых местах практически для всего диапазона неионизирующих электромагнитных излучений.

Интенсивное развитие систем мобильной радиосвязи способствовало рассмотрению вопросов безопасности для потребителей на уровне международной комиссии по защите от неионизирующей радиации.

В России с 27 декабря 1994 года действуют «Временные допустимые уровни (ВДУ) воздействия электромагнитных излучений создаваемых системами сотовой радиосвязи», принятые сроком на три года. В них регламентируются допустимый уровень круглосуточного облучения населения, от антенн базовых станций систем сотовой связи, составляющей 10 мкВт/см2 и непосредственно пользователей – 100 мкВт/см2. Такое десятикратное повышение допустимых уровней для непосредственно пользующихся сотовыми телефонами, как указано в документе, связано с тем, что 85% населения разговаривает по телефону не более 1 часа в день, а облучение электромагнитными полем «непрерывного режима генерации носит характер нерегулярно повторяющихся сравнительно кратковременных сеансов, разделенных более или менее продолжительными паузами».

Следует отметить, что эти величины временных допустимых уровней для населения разработаны в соответствие с «Временными санитарными нормами и правилами защиты населения от воздействия электромагнитных полей, создаваемых радиотехническими объектами», принятыми 19 января 1984 г. сроком на пять лет.

2. 5 Существующие методики исследований влияния электромагнитных полей на человека.

К диагностическим неинвазивным методам, используемым в функциональной медицине, следует отнести:

1. Электропунктурную диагностику по методу Р. Фолля ;

2. Биоэлектронную функциональную диагностику;

3. Вегетативный резонансный тест ;

4. Терморегуляционную диагностику ;

5. Компьютерную сегментарную электрографию ;

6. Декодерную дермографию .

В дозиметрии электромагнитных полей используются как теоретические, так и экспериментальные методы. Теоретическая дозиметрия состоит в численном решении уравнений Maxwell, с помощью которых с определённой степенью приближения, оценивается структура распределения энергии поля вне и внутри любого реального объекта. Экспериментальная дозиметрия заключается в инструментальном (аппаратном) определением общей УПМ и структурой её распределения в самом объекте. Измерение общей УПМ поглощенной биологическим объектом состоит в помещении его в резонатор, в котором возбуждается электромагнитное поле с необходимыми параметрами. Величина поглощенной объектом энергии определяется как разность измеренных падающей, прошедшей и отражённой мощности электромагнитного поля.

Другой метод заключается в нагреве в интенсивном электромагнитном поле тела умерщвлённого экспериментального животного, помещённого в калориметр, измерении температуры тела животного и вычислении величины общей УПМ.

Ещё один метод, определяющий внутреннее распределение поглощенной объектом энергии поля, заключается в использовании повторяющих оригиналы модели (фантомы) человека или животных в натуральную величину или соответственно уменьшенные (масштабные). Модель нагревается в электромагнитном поле соответствующей частоты и интенсивности, далее быстро разбирается и с помощью тепловизора, термоиндикаторной жидкокристаллической пленки или радиотермографа регистрируется структура распределения температур в плоскости сечения модели. Также используется имитационная модель, состоящая в измерении в момент облучения с помощью датчика, помещаемого в необходимую точку, величины поля и, вычисление конкретной величины локальной УМП.

В соответствии с применяемыми методами все дозимерические исследования, выполненные к настоящему времени, можно условно разделить на численные (теоретические) и экспериментальные (на тканеэквивалентных фантомных моделях).

При вычислении распределения модели головы человека УПМ электромагнитных полей, излучаемых сотовыми телефонами, используется метод конечных разностей во временной области. В нем взаимодействие электромагнитного поля с объектом рассматривается в определенном временном интервале, достаточном для установления стационарного состояния и решения уравнений Maxwell.

Из экспериментальных методов использовались регистрация температурного рельефа поперечном сечении фантома головы, заполненного тканеэквивалентным материалом, и применение зондов для измерения Е и Н составляющих электромагнитных полей. Так же измерения этих составляющих проводятся с использованием сканирующей роботизированной системы перемещения зондов с широкими функциональными возможностями.

Только благодаря введению понятия и разработки практических методов определения УПМ стало возможным сопоставление результатов биологических экспериментов, проведённых с использованием различных методов, условий и объектов облучения, частотных диапазонов, видов модуляции

Количество пользователей среди учеников и учителей МОУСОШ №21

Данная диаграмма показала, что процент пользователей среди учеников и учителей МОУСОШ №21 высокий, относительно средних показателей по России. Эти данные говорят об актуальности нашего исследования.

Соотношение числа пользователей сотовыми телефонами среди учащихся разных параллелей МОУСОШ №21

Статистика показывает, что самый большой процент пользователей в 9 и в 11 классах, так как эти классы выпускные и для них становиться очень важными межличностные отношения. А в-третьих, и шестых классах процент пользователей велик, так как они посещают школу во вторую смену.

Процент пользователей по степени их временного контакта с сотовым телефоном.

Большинство пользователей услугами сотовой связи (45%) разговаривают по мобильному телефону около 5 минут в день. У 61% пользователей временной контакт с мобильным телефоном непродолжительный.

Период пользования сотовой связью

Информированность пользователей о стандартах систем сотовой связи в МОУСОШ №21

78,2 % пользователей не имеют представление о стандартах мобильной связи, что свидетельствует об их низкой информированности в области мобильных технологий.

Основные марки мобильных телефонов, используемые учащимися и учителями МОУСОШ №21

Самая распространенная марка мобильного телефона - Siemens, так как данная марка телефонов наиболее рекламирована и доступна по цене.

Степень информированности о влиянии электромагнитных полей мобильных телефонов на здоровье человека

79,5% пользователей при выборе мобильного телефона не пользовались никаким источником информации, что еще раз свидетельствует об их низкой информированности.

Степень осведомленности пользователя о влиянии электромагнитных полей мобильных телефонов на здоровье человека

Степень осведомленности пользователя о влиянии электромагнитных полей мобильных телефонов на здоровье человека – низкая, (всего 26,3%).

Субъективные ощущения пользователей.

Большинство пользователей не замечают изменений в своем организме во время пользования мобильным телефоном.

Места, используемые для ношения сотовых телефонов

Больший процент (49%) пользователей носят телефоны в области грудной клетки и таза, где располагаются все жизненно важные органы и системы органов человека. А глубина проникновения и длинна электромагнитной волны в тканях тела человека, зависят о содержания в них воды .

Соотношение значимых и незначимых звонков среди учащихся и учителей МОУСОШ №21

20% звонков совершается без особой необходимости.

Соотношение значимых и незначимых SMS-сообщений, принятых и отправленных пользователями мобильных телефонов МОУСОШ №21

Большинство SMS отправляется без необходимости, что способствует увеличению влияния электромагнитных полей на человека. Особенно на рефлексогенные зоны кистей рук.

III. Выводы

1. Исследования влияния электромагнитных полей систем сотовой связи, проводимые учёными, не дают однозначного ответа о негативном влиянии их на здоровье человека. Но отмечены симптомы нарушения функционирования организма у гиперчувствительных людей, которые характеризуются широким спектром возникающих неспецифических признаков.

2. Проведённый нами выборочный анкетный опрос среди учащихся и учителей МОУ СОШ №21, показал:

✓ Процент пользователей среди учеников и учителей МОУ СОШ №21 выше средних показателей по России. Самый большой процент пользователей в 9 и в 11 классах.

✓ Самая распространенная марка мобильных телефонов - Siemens, технические параметры которых соответствуют гигиеническим нормативам.

✓ 79,5% респондентов при покупке мобильного телефона не пользовались никаким источником информации о технических параметрах мобильных телефонов. Имеют низкую степень осведомленности о влиянии электромагнитных полей мобильных телефонов на здоровье человека. (26,3%)

IV. Предложения.

1. Довести до сведения преподавателей и учеников, а также родителей результаты наших исследований.

2. В рамках программы «Здоровье» разработать и провести серию лекториев по теме «Электромагнитные поля и воздействие их на человека» для разных возрастных групп.

3. Продолжить исследования по данной теме с использованием доступных методов.

V. Рекомендации.

1. Изучать пользователю гигиенические требования, санитарные нормы и правила пользования сотовыми телефонами.

2. Носить сотовый телефон как можно дальше от жизненно важных органов и использовать его только как средство связи.

3. Для защиты от вредного электромагнитного излучения сотовых телефонов применять следующие технические методы:

• Защитный футляр для снижения уровня электромагнитного излучения от корпуса телефона.

• Обращать внимание на характеристики диаграммы направленности антенны.

• Использовать средства пассивной защиты от электромагнитных полей (контролировать время пользования сотовым телефоном).