BIOLOGICKÉ ÚČINKY ELEKROMAGNEICKÝCH POLÍ Richard Drahoš, Roman Drahoš ÚVOD Ľudský organizmus je charakerizovaný ako komplexné a premenlivé proredie zložené z vodných rozokov elekrolyov, koloidov a buniek, pričom ľudské orgány (kanivá) sú suspenziou buniek v elekrolyoch. V ľudskom ele sa nachádza približne 5 miliárd nervových buniek s celovou dĺžkou približne 500 000 kilomerov. Mozog so svojimi 0 miliardami nervových buniek vorí isíce prepojených komunikačných kanálov, pričom prenos prebieha elekrochemickými procesmi na veľmi nízkom energeickom rozsahu. Na základe doerajších poznakov inerakcia EM poľa s ľudským organizmom spôsobuje: neepelné účinky - ovplyvňuje koloidné šrukúry bunkového obsahu a menia sa elekrické vlanoi buniek, epelné účinky - prejavuje sa oepľovaním kanív pri veľkých výkonových huoách polí. Neepelné účinky súvisia s elekrickými vlanosťami biologických syémov, čo sa pri dlhodobom pôsobení môže prejavovať elesnou slabosťou, pociom vyčerpanoi, zvýšenou únavou, zhoršením pamäe, poruchami spánku a bolesťami hlavy. epelné účinky súvisia s absorpciou energie, čo spôsobuje nára eploy lokálnej čai ela, pričom signifikanný nára eploy sa zií najskôr po šieich minúach expozície. V publikovaných podkladoch sa ako následok epelných účinkov najčaejšie uvádza poškodenie vnúorného ucha, zakalenie očnej šošovky a poškodenie rohovky ako následok oeplenia očí. Biologické účinky aického elekrického a magneického poľa Ľudské elo z elekroaického hľadiska predavuje elekródu kondenzáora s kapaciou oproi zemi. Veľkosť kapaciy závisí od rozmerov a maeriálu obuvi, od polohy ela v prieore a vzdialenoi od iných uzemnených predmeov a pohybuje sa v rozmedzí 50 až 50 pf. Elekrický náboj nahromadený na povrchu ela môže rádovo dosiahnuť hodnou 0-6 C a energiu 0, J. Vnúro ľudského ela je pred aickým elekrickým poľom chránené svojim povrchom. Saické elekrické pole indukuje elekrický náboj na exponovanej osobe, čo sa môže prejaviť napr. poavením chĺpkov na povrchu kože. Okrem oho môže elekrický nabiá osoba doykom s kovovým predmeom vyvolať preskok náboja (elekrický úder). Elekrický náboj je schopný dráždiť nervové cenrá s individuálnou cilivosťou a pri doyku s objekom, korý má veľkú hodnou náboja Q môže dôjsť aj k smreľnému úrazu. Účinky aických elekrických polí sú až do hodnoy 0 kv.m - považované za neškodné a ďalšie priame vplyvy na ľudský organizmus nie sú známe. Medzi nepriamy vplyv na ľudský organizmus je možné zahrnúť nebezpečenvo vyplývajúce z mimovoľnej reakcie človeka na prejavy elekroaického náboja (zľaknuie sa, bolesť, mimovoľný pohyb), čím môže dôjsť k ohrozeniu bezpečnoi.
Na rozdiel od elekrických polí, aické magneické polia môžu voľne prenikať biologickým kanivami a bezproredne vzájomne reagovať s pohybujúcimi iónmi (nábojmi) a spôsobiť vznik prúdov v kanivách a ým aj elekrických polí v kanivách. Biologické účinky ELF poľa Hlavným mechanizmom biologického účinku elekrických a magneických polí s exrémne nízkou frekvenciou ELF do 60 Hz (Exremely Low Frequency) je indukcia (vyvolanie) prúdovej huoy v kanive. Príomnosť biologického objeku ovplyvňuje (narúša) vonkajšie elekrické pole (obr. ) a podobne ako pri aickom poli sa indukujú povrchové náboje. Preože kondukivia (vodivosť) kaniva pri nízkych frekvenciách je malá, indukované vnúorné elekrické pole je približne 0 5 až 0 8 krá slabšie ako vonkajšie elekrické pole. Obr. Narušenie vonkajšieho elekrického poľa človekom Na obrázku je znázornené rozloženie povrchového náboja na povrchu ľudského ela a prieorové rozloženie indukovaných prúdov (indukovanej prúdovej huoy) zapríčinených vonkajším elekrickým poľom s inenziou kv.m - na frekvencii 60 Hz.
Obr. Ľudské elo vyavené uniformnému elekrickému poľu kv/m na frekvencii 60 Hz. Rozloženie povrchového náboja v prípade a) osoby vo voľnom prieore b) osoby ojacej na uzemnenej podložke. c) Rozloženie prúdovej huoy v ľudskom ele Siločiary magneického poľa v podae nie sú rušené príomnosťou biologického objeku, preože permeabilia biologických kanív sa prakicky rovná permeabilie vákua. Na obrázku 3 je znázornené prieorové rozloženie indukovaných prúdov (indukovanej prúdovej huoy) zapríčinenej vonkajším magneickým poľom s indukciou µ na frekvencii 60 Hz. Obr. 3 Rozloženie prúdovej huoy Rozloženie indukovanej prúdovej huoy vplyvom elekrického a magneického poľa súvisí s rozdielnymi elekrickými vlanosťami rôznych čaí kaniva organizmu. 3
Fyzikálnym mechanizmom pôsobenia ELF polí na bunkovej (celulárnej) úrovni je elekrická imulácia exciabilných buniek kanív, ako sú nervy, svaly a srdce. K imulácii dochádza, ak prechádzajúci indukovaný prúd kanivom spôsobí, že zmena napäia cez bunkovú membránu prekročí prahovú hodnou V m (ypická prahová hodnoa je okolo 0 mv. Keď je prah prekročený, dochádza k depolarizácii membrány a šíreniu akčného poenciálu (vzruchu, impulzu). Minimálna hodnoa inenziy pôsobiaceho poľa, korá spôsobuje depolarizáciu závisí od ypu, rozmeru a varu bunky, ako aj od frekvencie a dĺžky rvania pôsobiaceho poľa. Efek elekrickej imulácie spôsobuje na: molekulárnej úrovni, ováranie iónových kanálov (napäím riadená molekula proeínu kanála v bunkovej membráne), bunkovej úrovni, akčný poenciál (depolarizácia), na syémovej úrovni, iahnuie (kŕč) svalu alebo srdca, fibrilácia a nepravidelný srdcový rymus. Biologické účinky vysokofrekvenčného EM poľa Pre EM polia približne nad 00 khz sú už elekrické imulačné účinky polí zanedbaeľné a prevládajú epelné účinky. Pri posudzovaní epelných účinkov neačí poznať veľkosť výkonovej huoy vonkajšieho EM poľa, ale je porebné určiť veľkosť absorpcie EM energie v ele človeka. Rýchlosť absorpcie energie v kanive sa vyjadruje veličinou - merný absorbovaný výkon SAR (Specific Absorpcion Rae), korý je definovaný ako príraok energie W e za čas v objeme kaniva dv s hmonosťou dm d dwe SAR= dm a jednokou veličiny SAR je W.kg -. d dw = ρ dv e Ak je známa hodnoa inenziy elekrického poľa E v určiom bode exponovaného biologického objeku (vnúorné elekrické pole), poom sa hodnoa veličiny SAR vypočía podľa vzťahu kde σe SAR= i ρ E i je efekívna hodnoa indukovaného vnúorného elekrického poľa vo V.m -, σ je merná hmonosť kaniva v kg.m -3, ρ je merná elekrická vodivosť (kondukivia) kaniva v S.m -. V určiom bode exponovaného biologického objeku, SAR a prúdová huoa J sú vzájomne viazané vzťahom J SAR= σρ Na základe absorpčných vlanoí ľudského ela, účinky súvisiace s expozíciu (ožiarením) EM poliami sa môžu rozdeliť do frekvenčných oblaí znázornených na obrázku 4. 4
Obr. 4 Frekvenčné oblai charakerizujúce účinky EM polí [] Sub-rezonannčné pásmo s frekvenciou menej ako 30 MHz, kde prevláda povrchová absorpcia pre rup, nie však pre krk a končainy. V oblai krku a končaín (členky, kolená, zápäie, lake) môžu naať značne vyššie absorpcie ako je celoelový priemer. V omo pásme absorpcia energie prudko raie. Rezonančné pásmo pre celé elo, od 30 MHz až do 300 MHz. V omo pásme absorpcia (celoelový priemer SAR) nadobúda maximum. Vysoké lokálne hodnoy SAR sa vyskyujú na mieach ako zápäia a členky. Pásmo ho spo približne od 400 MHz až do (3) GHz, koré je charakerizované veľmi nerovnomerným rozložením absorpcie v ele (dané nehomogénnosťou ľudského ela). Vyskyujú sa značné lokálne absorpcie v určiých mieach a veľkosť horúcich mie je v rozsahu od niekoľkých cenimerov pre 95 MHz až po cm pre 3 GHz. Absorpcia energie klesá so úpajúcou frekvenciou. Pásmo povrchovej absorpcie, vyššie ako (3) GHz, kde je absorpcia (zvýšenie eploy) lokalizované a obmedzené na povrch ela. Z uvedeného vzťahu vyplýva, že ide o bodovú veličinu a priemerná hodnoa absorpcie SAR evg sa anoví SAR evg = V V SAR dv kde V je objem kaniva, cez korý sa anoví priemer, v prípade celoelového SAR je V objem celého ela a v prípade priemerného SAR hlavy je V objem hlavy. Počiaočný nára eploy d, kedy sa môžu zanedbať epelné ray organizmu (vedením, prúdením a sálaním) je priamoúmerný veľkoi SAR d = SAR c kde c je špecifická epelná kapacia kaniva v J.kg -. o C -. Absorpcia EM energie do určiých hodnô SAR napr. 4 W.kg - nemusí v ľudskom ele nevyhnune viesť k úmernému nárau eploy a o z dôvodu ermoregulácie (zvýšenie prúdenia krvi, ochladzovanie odparovaním pou a pod.) ako aj odvádzaním epla (vedením) k susedným chladnejším oblaiam. 5
Koncepcia ochrany pred účinkami elekromagneických polí Ochrana pred účinkami EM polí, zavedená v krajinách západnej a rednej Európy, bola vyvorená Medzinárodnou komisiou pre ochranu pred neionizujúcim žiarením (ICNIRP), korá je parnerom WHO v medzinárodnom projeke venovanom vplyvu EM polí na človeka. Koncepcia ICNIRP je založená na hodnoení a obmedzení neepelných a epelných účinkov EM polí na ľudský organizmus, zn. hodnoení obmedzenia indukovanej prúdovej huoy v ele a epelného ohrevu kanív pri expozícií EM poľu. ieo obmedzenia sa ýkajú veličín indukovanej prúdovej huoy J, merného absorbovaného výkonu SAR a huoy výkonu (žiarivého oku) S v podobe liminých hodnô (základných limiov). Z ýcho veličín a ich liminých hodnô sa odvodili meraeľné veličiny expozície a ich akčné hodnoy (referenčné úrovne). Meraeľné veličiny ako inenzia elekrického poľa E, magneická indukcia B alebo inenzia magneického poľa H opisujú vonkajšie EM polia, sú udávané v efekívnych hodnoách a plaia pre pole neporušené príomnosťou osôb v posudzovanom miee. Význam akčných hodnô veličín expozície Akčné hodnoy priamo meraeľných veličín boli anovené z liminých hodnô veličín expozície pri zohľadnení vysokého koeficienu bezpečnoi. Akčné hodnoy pre polia s frekvenciou: do Hz plaia pre inenziu magneického poľa H a magneickú indukciu B, nad Hz do 0 MHz plaia pre inenziu elekrického poľa E, magneickú indukciu B (inenziu magneického poľa H), nad 0 MHz do 300 GHz plaia pre inenziu elekrického poľa E, magneickú indukciu B (inenziu magneického poľa H) a huou oku výkonu ekvivalennej rovinnej vlny S eq. Ak je ľudský organizmus vyavený EM poliam nad 00 khz, k nárau eploy kanív nedochádza okamžie z dôvodu ermoregulačných mechanizmov a odvádzaním epla do susedných chladnejších oblaí. K nárau eploy kanív dochádza až po určiom čase, korý závisí od frekvencie EM polí. eno čas bol experimenálne určený a sa nazýva časom priemerovania (redovania). V závisloi na frekvencii EM polí sa časové priemery veličín expozície E, B a S eq, anovujú ako: pre polia s frekvenciou do khz sa časové redovanie neuplaňuje, resp. nie je prípuné. pre polia s frekvenciou v inervale od khz do 00 khz podľa vzťahov E + = Eef ( ) B = + B ef ( ) kde je čas redovania sekunda. 6
pre polia s frekvenciou v inervale od 00 khz do 0 GHz podľa vzťahov E + = + Eef ( ) = + B Bef ( ) Seq, = Seq,ef kde je čas redovania 6 minú. ( ) pre polia s frekvenciou v inervale od 0 GHz do 300 GHz podľa horeuvedených vzťahov, Záver pričom čas redovania v minúach. = 68 f,05, kde f je frekvencia v GHz a čas redovania Súčasná právna ochrana zdravia obyvaeľva v živonom proredí [3] a zamenancov pri práci [4] pred účinkami EM polí vychádza z doerajších poznakov o vplyve ýcho polí (žiarenia) na ľudský organizmus. WHO na základe preukázaeľných nových poznakov o negaívnych účinkoch EM polí priebežne informuje kompeenné šáne orgány a formou odporúčaní upresňuje liminé prípadne akčné hodnoy veličín expozície. Použiá lieraúra [] Konig, H.-Erlander, P.: Elekromagneické polia kolem nás. Nakladaeľvo HEL Orava 00 [] Cocherová, E.-Šofaník, V.: Numerické meódy riešenia bioelekromagneických polí. SU Braislava 00 [3] Vyhláška MZ SR č. 534/007 Z.z. o podrobnoiach o požiadavkách na zdroje elekromagneického žiarenia a limiy expozície obyvaeľov elekromagneickému žiareniu v živonom proredí [4] Nariadenie vlády SR č. 39 006 Z.z. o minimálnych zdravoných a bezpečnoných požiadavkách na ochranu zamenancov pred rizikami súvisiacimi s expozíciou elekromagneickému poľu v znení nariadenia vlády SR č. 7/008 Z.z. Adresa auorov: Richard Drahoš: DR engineering, s.r.o., Na leisko 4, 058 0 Poprad, Slovensko, e-mail: richard.drahos@dr.sk Roman Drahoš: DR engineering, s.r.o., Na leisko 4, 058 0 Poprad, Slovensko, e-mail: roman.drahos@dr.sk 7