Мобильники таят неожиданную опасность: исследование
Всегда ли мобильные телефоны безвредны?
С появлением микроволновой техники потребителей стали интересовать проблемы, связанные с высокочастотным излучением этих приборов. Особую озабоченность вызывают помехи в работе электронной медицинской аппаратуры и влияние микроволн на здоровье людей.
В свое время было показано, что облучение высокочастотным сигналом нарушает регулярную деятельность биологических клеток, даже если его уровень намного меньше того, который может вызвать термальный стресс.
Наивно полагать, что интенсивность микроволн быстро уменьшается с увеличением расстояния от источника излучения (например, мобильного телефона) и не угрожает здоровью окружающих людей. Такое, корректное лишь для открытого пространства, мнение бытует до сих пор и широко используется в оценках риска.
Однако в повседневной жизни человеку часто приходится оказываться в замкнутом пространстве, образованном нередко металлическими стенами (кабины лифтов, салоны автобусов, вагоны поездов и т.п.). В этом случае картина распределения интенсивности в соответствии с законами электродинамики, получается более сложной.
Природа электромагнитных волн описывается уравнениями Максвелла в виде системы дифференциальных уравнений с частными производными, которые решаются при определении граничных условий.
В зависимости от материала стенок, ограничивающих пространство, энергия микроволн может поглощаться, отражаться и рассеиваться, что, в конечном счете, влияет на распределение интенсивности высокочастотного излучения внутри замкнутого пространства.
Группа японских ученых из университета Тохоку (Tohoku University), Япония, и других исследовательских центров страны показала своими предварительными расчетами, что мобильный телефон в режиме передачи, находящийся в замкнутом пространстве, может представлять серьезную опасность для здоровья находящихся там людей.
Это связано с тем, что за счет отражения микроволн и их интерференции создается такое пространственное распределение интенсивности излучения, которое в тысячу и более раз может превысить в «горячих точках» уровни, характерные для открытого пространства.
Таким образом, человек, непосредственно не использующий сотовый телефон, может подвергнуться воздействию электромагнитного излучения от мобильного телефона другого разговаривающего человека (это т. н. пассивное облучение).
Но специалисты в этой области все еще игнорируют эти тревожные факты, считают японские ученые. Типичное возражение на значимость процессов отражения было опубликовано в журнале New Scientist (I. Sample (reporter): New Scientist 174 (issue 2341) (2002) 23). Автор доклада, с одной стороны, признает, что микроволны внутри вагонов действительно станут «отскакивать» от стенок, увеличивая уровни электромагнитных полей. С другой стороны, он утверждает, что увеличение будет минимальным, поскольку мощность резко падает на коротком расстоянии от каждого телефона.
Другой эксперт (C. K. Chou: New Scientist 174 (issue 2348) (2002) 52) утверждает, что микроволны в вагонах поезда рассеиваются, поглощаются и утрачивают свою интенсивность.
Авторы исследования полагают, что эти специалисты в своих оценках пассивного облучения людей высокочастотными полями имели в виду граничные условия, при которых отражение отсутствует.
Японские ученые решили «количественно» изучить эффект граничных условий и подтвердить целесообразность учета микроволновых отражений при оценке потенциального риска для здоровья человека в повседневных ситуациях.
Экспериментальные исследования
В эксперименте, в качестве модели замкнутого пространства, использовался контейнер с размерами 5,5 м х 2,3 м х 2,2 м (рис. 1). Внутренние поверхности боковых стенок контейнера были сделаны из нержавеющей стали, а потолка и пола – из алюминия. Все металлические поверхности отражали микроволны с эффективностью, превышающей 99,99%.
В качестве источника микроволн в контейнере в точку с определенными координатами был установлен радиопередатчик с частотной модуляцией сигнала ТН-59. Несущая частота передатчика была выбрана в пределах частотного диапазона мобильных телефонов и равнялась 1,2 ГГц, а выходная мощность составляла около 0,15 Вт.
Поскольку мощность излучения реальных мобильных телефонов определяется моделью и флуктуирует в зависимости от условий, достигая порой 2 Вт, в эксперименте дополнительно использовался любительский радиопередатчик со стержневой антенной, чтобы регулировать излучаемую мощность.
Распределение интенсивности микроволн измерялось с помощью ненаправленного зонда (тип 18.0) в руках эксперта. Как показали измерения, эксперт, работающий в контейнере, вносит в распределение микроволн пренебрежимо малое возмущение по сравнению с увеличением интенсивности за счет отражения.
Во всех экспериментах широко применялся, кроме ручного зонда, измеритель электромагнитного излучения EMR-21. Вся измерительная аппаратура была тщательно откалибрована на стендах.
Типичный экспериментальный результат распределения удельной мощности (эквивалента вектора Пойнтинга) показан на рис. 2. Результат приведен в сравнении с теоретическим распределением интенсивности по закону обратно пропорциональной зависимости от квадрата расстояния до источника излучения, характерному для открытого пространства.
Как и предполагалось, интенсивность не уменьшается с увеличением расстояния от источника, и разница в интенсивности между «контейнерной» ситуацией и свободными граничными условиями увеличивается с расстоянием. По мнению авторов, это следствие закона сохранения энергии.
Исследования подтвердили также существование «горячих точек», в которых «сосредотачиваются» микроволны. Интенсивность, измеренная в одной из таких точек на расстоянии 4,6 м от передатчика, оказалась такой же, какой она была бы на расстоянии 0,1 м от источника в открытом пространстве.
Другими словами, интенсивность в «горячей точке» увеличилась приблизительно в 2 тыс. раз за счет отражения. Пространственные флуктуации интенсивности авторы объясняют волновой природой электромагнетизма, когда сходящиеся в данной точке микроволны с различными фазами интерферируют друг с другом.
Эксперименты проводились при разных ситуациях:
Оказалось, что средняя интенсивность зависит от конкретных условий, однако характерные особенности ее распределения не изменяются. К ним относятся:
Универсальность результатов подтвердили эксперименты, выполненные в кабине лифта университета Тохоку с размерами кабины 1,5 м х 1,8 м х 2,3 м.
Численное моделирование
Авторы подтвердили полученные экспериментальные данные числовым моделированием, применив стандартные методы анализа высокочастотных электромагнитных полей.
В качестве математического инструментария были использованы следующие пакеты моделирующих программ: «имитатор высокочастотной структуры» HFSS (High Frequency Structure Simulator) и «конечно-разностный анализ во временной области» FDTD (Finite-Difference Time-Domain).
Моделирование электромагнитных волновых процессов в кабине лифта было выполнено с помощью пакета HFSS, который решает уравнения Максвелла методом трехмерных конечных элементов для стационарного поля.
На рис. 3 представлен график распределения интенсивности вдоль выбранной линейной траектории внутри кабины. Трехмерное пространственное распределение интенсивности показано на рис. 4, где дипольная антенна отмечена черной полоской, а величина интенсивности указывается по цветной шкале.
В частности, в «горячей точке» (около 1,8 м от передатчика) она примерно в тысячу раз выше той, которая была бы в данной точке при отсутствии отражений.
Таким образом, основополагающие результаты числового моделирования хорошо согласуются с экспериментом, хотя конкретные величины для обоих методов исследования отличаются друг от друга. Это связано с тем, что ограниченные ресурсы компьютера (недостаточный объем памяти) вынудили авторов сократить высоту моделируемой кабины с 2,3 м до 1,3 м и таким образом изменить условия при решении данной задачи.
Эксперимент с контейнером был численно смоделирован с помощью пакета FDTD, который решает уравнения Максвелла методом вычисления двухмерных конечных разностей для стационарного поля и переходных процессов.
Плоскостная имитация не соответствует непосредственно реальному эксперименту, проведенному в трехмерном пространстве из-за отличий в размерности. Несмотря на некоторую искусственность модели, данный пакет был выбран потому, что он позволяет выполнять численное моделирование в рамках таких больших площадей, как рассмотренный выше контейнер.
На рис. 5 представлена двумерная картина пространственного распределения интенсивности излучения, на которой красным кружком обозначен источник излучения, а белым кружком – модель участника эксперимента, который взаимодействует с микроволнами. Модель имеет такую же диэлектрическую проницаемость и удельную проводимость, как и человеческая кожа.
И в этом случае характерные особенности распределения интенсивности в замкнутом пространстве эксперимента сохранились при его числовом моделировании.
Необходимость дальнейших исследований
Экспериментальные данные и результаты числового моделирования убеждают в необходимости учитывать риски электромагнитного облучения в повседневной жизни.
Как было сказано выше, в современном мире для человека существует большая вероятность подвергнуться воздействию микроволнового излучения от мобильных телефонов - даже в том случае, если сам он в данный момент не использует это устройство (риск пассивного облучения).
Например, в кабине лифта уровень пассивного облучения может быть значительно выше, чем предполагалось ранее. Такими же потенциально опасными местами можно считать большинство средств общественного транспорта – автобусы, поезда, такси, самолеты и т.п.
В определенных условиях уровень облучения может превысить предельно-допустимые значения, установленные как для электронных медицинских приборов, так и для человека.
В одном из докладов на эту тему (AAMI/American National Standard: Active implantable
medical devices EMC test protocols for implantable
cardiac pacemakers and implantable cardioverter
defibrillators, AMMI PC69 (1999)), на который ссылаются авторы исследования, было показано, что излучение мобильного телефона мешает работе электронного стимулятора сердца даже на расстоянии 30 см от источника в открытом пространстве. Имеются также подтверждения того, что в общественном транспорте возникают большие микроволновые помехи, от которых страдают люди, пользующиеся слуховыми аппаратами.
В публикациях по проблеме воздействия микроволн на здоровье человека, на которые ссылаются авторы, приводится ряд исследованных нетепловых биологических эффектов, таких как разрушение ДНК спиралей, генные изменения, аллергии и гипертрофированная чувствительность к электромагнитным полям.
Недавние эпидемиологические исследования отметили возросший риск образования опухолей после скрытого периода порядка десяти лет. Если эти риски окажутся серьезными и в случае с мобильным телефоном, то человек может столкнуться с вредными для здоровья эффектами, даже если сам он в данный момент не использует это устройство.
В представленной работе авторы ограничились экспериментами и числовым моделированием только с одним микроволновым передатчиком для простоты изучения проблемы. В реальных ситуациях могут работать одновременно несколько мобильных телефонов, что может существенно повысить уровень пассивного облучения.
Поэтому, как считают авторы, необходимо рассматривать возможные пиковые уровни облучения («горячие точки») для оценки самых худших случаев. Учет потенциальных рисков, базирующихся только на среднем уровне электромагнитного излучения, явно недостаточен.
Можно избежать активного облучения микроволнами, не пользуясь мобильным телефоном. Однако человек не может избежать пассивного облучения от других абонентов, как и в ситуации с «пассивным» курением.
Микроволны могут оказывать вредное воздействие на детей, а также на развитие внутриутробного плода, наиболее восприимчивого к различным факторам окружающей среды.
По мнению авторов, серьезность проблемы и полученные результаты являются достаточным основанием для научного сообщества, чтобы продолжить дискуссии и всесторонние исследования рисков пассивного микроволнового облучения от мобильных телефонов в современном мире.
Поделиться