Размещено на http://www.allbest.ru/

58

45

К анализу экологических проблем электромагнитного загрязнения окружающей среды в школьном курсе физики

Ш.Г. Зиятдинов

За последние десятилетия сформировался новый загрязняющий окружающую среду фактор - электромагнитные поля антропогенного происхождения. Во многих городах уровень электромагнитного фона возрос на несколько порядков и, что особенно важно, его распределение крайне неоднородно. Если несколько десятков лет тому назад круг опасных для здоровья приборов ограничивался только промышленными, военными и связными устройствами, то за последние годы количество разнообразных источников электромагнитных полей (ЭМП) во всем частотном диапазоне (вплоть до десятков ГГц) резко увеличивается и не поддается учету. Особую опасность для людей представляют ЭМП ЛЭП, средства радиолокации, в том числе радары ГИБДД, и радиосвязи (в том числе мобильной и спутниковой), различные энергетические и энергоемкие установки городского электротранспорта, коммутирующих устройств электротехнических приборов в электрических сетях, устройств и бытовых приборов (в том числе компьютеров, медицинских физиотерапевтических устройств, микроволновых печей). Особую озабоченность вызывает электромагнитная обстановка вокруг радио- и телепередающих центров (РТПЦ). В общем, ЭМП антропогенного происхождения представляют серьезную угрозу не только непосредственно операторам или пользователям этих устройств, но и людям, случайно попавшим в опасную зону действия этих излучений.

Таким образом, человек оказался окруженным со всех сторон ЭМП, действующими практически круглосуточно. Например, бытовавшая до последнего времени точка зрения, что офисная и бытовая аппаратура безвредна из-за малой излучаемой мощности, в настоящее время опровергнута появлением результатов изучения многочисленных статистических данных.

В результате перечисленных фактов Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) включила эту проблему в число наиболее актуальных для человечества. Некоторые специалисты относят ЭМП к числу сильнодействующих экологических факторов с катастрофическими последствиями для всего живого. В этой связи отметим, что резко возросла необходимость просвещения населения в данной области с целью обеспечения безопасности людей при эксплуатации разных радиотехнических систем. Большую роль в организации просветительской деятельности среди учащейся молодежи может и должна сыграть общеобразовательная школа, а более точно - уроки физики по данной тематике.

На основе анализа имеющегося перечня учебной литературы по физике для 11 класса [1-5] можно сделать некоторое обобщение. Как нам представляется, изложение данной темы в этих учебниках методически не проработано. Многие формулы даются без выводов или пояснений, хотя они доступны для учащихся, при этом эти материалы не закрепляются ни в упражнениях к этим главам, ни в типовых задачниках. Тем самым изложенный в учебниках материал не выполняет свои развивающие функции. Возникает вопрос, с какой целью авторы приводят эти формулы? В то же время поднятые темы и изложенные материалы весьма кстати в современных условиях.

С целью ознакомления учащихся с экологическими проблемами электромагнитного загрязнения окружающей среды проведем некоторую систематизацию учебного материала, которую можно позаимствовать в школьных учебниках физики по курсу электродинамики [1-5]. Считаем, что такого рода обобщения будут ценными для учащихся и позволят им по-другому оценить многие обыденные на первый взгляд явления и факты в нашей повседневной жизни.

Основными физическими параметрами электромагнитных волн (ЭМВ) с точки зрения обсуждения их влияния на биологические структуры являются их частота колебаний и интенсивность.

ЭМВ переносят энергию электромагнитного поля. Скорость переноса энергии сквозь площадь S в момент времени t характеризует поток энергии электромагнитной волны.

Поток энергии ЭМВ - это энергия электромагнитного излучения, проходящего в единицу времени сквозь поверхность площадью S, т.е. мощность излучения: РЭМ = ДW / Дt.

Плотность потока энергии ЭМВ - это мощность электромагнитного излучения, проходящего сквозь единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны:

РЭМ / S = ДW / SДt.

Через плотность энергии wЭМ плотность потока энергии ЭМВ может быть записана в виде РЭМ / S = wЭМ с, где с - скорость света [2]. Это выражение в векторной форме (в направлении вектора скорости света) в литературе называется вектором Умова-Пойтинга. Усредненное во времени значение величины плотности потока энергии называется интенсивностью волны I, т.е.

I = (РЭМ / S)СР = wЭМ,СР • с.

При решении задач рекомендуется пользоваться формулами плотности энергии электрической компоненты электромагнитного поля [1] wЭ = ее0Е2 / 2 и плотности энергии магнитной компоненты wМ = В2 / (2 мм0).

Эти величины равны между собой: wЭ = wМ, или ее0Е2 / 2 = В2 / (2 мм0) [5]. Общая плотность энергии ЭМВ в вакууме представляется как wЭМ = wЭ + wМ = 2 wЭ = е0Е2.

Таким образом, интенсивность ЭМВ I = е0(Е2)СР • с = 0,5 с е0 Е2 [2].

Традиционно многие исследователи объясняют биологическое действие ЭМП только проявлением тепловых эффектов, которые возникают при плотности потока энергии электромагнитных волн (т.е. интенсивности ЭМВ [6]) более 10 мВт/см2. Установлено, что при интенсивности ЭМВ 10-100 мВт/см2 наблюдались термические стрессы, а интенсивности более 100 мВт/см2 ведут к тепловому повреждению и к развитию катаракты в глазу.

Однако в последнее время накоплены факты о реакции организма на ЭМВ меньшей интенсивности, при которых температура ткани практически не повышается. Например, при 1-10 мВт/см2 отмечались изменения в иммунной системе. В диапазоне меньше 1 мВт/см2 достоверно не установлено никаких последствий.

В России предусмотрены жесткие, обоснованные с медицинской точки зрения, предельно допустимые уровни (ПДУ) непрерывного СВЧ-облучения [6]:

- в течение 8 часов: 10 мкВт/см2;

- до 2-х часов в сутки:100 мкВт/см2;

- до 20-ти минут в сутки: 1000 мкВт/см2.

В США ПДУ для радиоволн установлен значением 10 мВт/см2. У большинства западных стран ПДУ ЭМП радиодиапазона близок к этой цифре. ПДУ для Российской Федерации установлен в 10 мкВт/см2. Западные и российский ПДУ отличаются в 1000 раз!

Следует отметить, во-первых, что результат воздействия ЭМП определяется не только самими ЭМП, но и состоянием организма.

Во-вторых, глубина проникновения ЭМП для различных частот определяется физическими свойствами биологической ткани. Это вытекает из так называемого скин-эффекта (от английского skin - кожа, оболочка), В простейшем случае глубину проникновения ЭМИ в биологическую ткань можно оценить по формуле:

d = c (2румщ) -1/2,

где с - скорость света, у - проводимость, м - магнитная проницаемость материала ткани, щ=2рн - частота падающей ЭМВ.

В этом слое биологической ткани происходит рассеяние энергии ЭМП: на нагревание ткани в целом, на энергию колебаний электронов атомов, молекул, на разрушение молекул тканей. Как можно заметить из приведенной формулы, чем выше частота ЭМП, тем больше поглощение в верхних слоях ткани и тем меньше глубина проникновения поля внутрь облучаемой ткани (таблица 1 и рис. 1).

Таблица 1 Глубина проникновения ЭМИ в различные ткани ([6])

Утверждение, что глубина проникновения лазерного излучения в биологическую ткань (оптический диапазон; в этой области частота излучения лазера около 1015 Гц) достигает нескольких сантиметров, не подтверждается непосредственными измерениями. Реакцию глубоко расположенных органов можно объяснить глубоким распространением эффектов воздействия ЭМП по традиционным путям и в том числе по кровеносной системе и лимфатическим руслам. Отсюда также вытекает объяснение наблюдаемого в ряде случаев факта более эффективного действия при облучении тканей ЭМП миллиметрового диапазона волн по сравнению с облучением лазером. Миллиметровые волны проникают намного глубже лазерного излучения, достигая при этом слоев ткани, более насыщенных кровеносными сосудами, и, следовательно, обеспечивая большее поступление продуктов воздействия внутрь организма.

Как было сказано выше, «тепловые эффекты» в биологической ткани под действием ЭМП начинают проявляться при интенсивности излучений более 10 мВт/см2. Отметим, что этот «тепловой эффект» в настоящее время используется при создания технических устройств - микроволновых СВЧ-печей. Такими печами в настоящее время широко пользуются для приготовления горячей пищи. В микроволновой печи ЭМИ проникает внутрь, прожаривая пищу по всему объему, а не по краям, как это происходит в других печах. У многих пользователей микроволновыми печами как отечественного, так и импортного производства возникает вопрос, не опасны ли эти приборы для здоровья? Проведенные измерения максимальных значений плотности потока мощности ЭПИ на расстоянии 0,5 м составляли 0,7-2,7 мкВт/см2. ПДУ плотности потока мощности ЭМИ для СВЧ-печей в бытовых условиях составляет 10 мкВт/см2. Таким образом, использование исправных СВЧ-печей в быту для здоровья безопасно или, по крайней мере, укладывается в нормативы.

Скин-эффект позволяет также решить проблему экранирования-защиты от действия переменных ЭМИ. Толщина экрана выбирается исходя из конструктивных условий, учитывая частоту ЭМИ, проводимость, магнитные свойства экранирующего материала, ПДУ и норму времени пребывания работающего в рабочей зоне.

Обнаруженные медико-биологические эффекты воздействия ЭМП на человека, с одной стороны, несут в себе опасность и даже очень серьезную, вплоть до летального исхода, но, с другой стороны, являются мощным средством лечения многих заболеваний и избавления его от различных недугов в случае беспомощности и низкой эффективности хирургических и терапевтических методов.

Жесткий контроль в медицинских учреждениях за соблюдением допустимых режимов и состоянием пациентов в какой-то степени обеспечивают безопасность физиотерапии. Однако эта безопасность относится к хорошо изученным последствиям с быстрым проявлением возникающих осложнений. Гораздо сложнее обстоит дело с обнаруженными в последнее время осложнениями, проявляющимися через длительное время, порядка нескольких лет, механизмы которых в достаточной степени не изучены для того, чтобы разработать необходимые рекомендации. Предполагается, что многие заболевания, имеющие длительные периоды развития, такие, например, как рак или ишемическая болезнь сердца (ИБС), обусловлены сверхчувствительностью отдельных систем индивидуума к воздействию ЭМП. электромагнитный волна лазерный излучение

Реальное появление серьезной опасности для человека вызвало массовое взрывоподобное распространение мобильных телефонов в нашей жизни, особенно молодежи. Число абонентов сотовой связи в России по состоянию на конец февраля 2004 года выросло до 40 миллионов против 20 миллионов в феврале 2003 года, т.е. произошло удвоение пользователей всего за один год! Несмотря на сравнительно недавнее появление этой радиоэлектронной аппаратуры, уже наблюдаются случаи пагубного воздействия ее излучения на непосредственных пользователей. Особенно необходимо обратить внимание на сотовые телефоны, которые служат угрозой не только для владельцев аппаратов, но и для лиц, находящихся в зоне излучения. Проведенные исследования выявили очевидную связь между использованием мобильных телефонов и развитием таких симптомов, как повышенная утомляемость, головные боли, раздражительность, снижение памяти, изменение артериального давления. В последнее время появились данные о возникновении у пользователей предпосылок для развития раковых заболеваний мозга и острых воспалительных процессов глазного яблока, приводящих даже к удалению глаза, отмечены случаи кратковременной потери памяти. Эти заболевания вызваны излучениями мобильного телефона, расположенного в непосредственной близости от головы. При этом очевидно возникают и другие заболевания организма, которые относят к категории таких общих заболеваний, как, например, ИБС.

Воздействие излучений мобильных телефонов на человека является наиболее сильным и вредоносным из всех случаев воздействия техногенных излучений, за исключением аварийных ситуаций и случайных облучений лучом мощных локаторов. Такая точка зрения вытекает из следующих причин:

· мощность генераторов ЭМП сотовых телефонов очень высокая, достигающая 2 Вт (при частоте излучения около 1-2 ГГц), что во много раз превосходит допустимые нормы;

· диаграммы направленности антенн мобильных телефонов могут существенно увеличивать плотность падающей мощности;

· на оператора одновременно с высокочастотными ЭМП действует низкочастотное магнитное поле от динамика и микрофона, что усиливает воздействия ВЭМП радиотелефона на оператора благодаря эффекту кооперативного действия;

· излучение мобильного телефона действует на большое количество людей, находящихся рядом с пользователем;

· излучение действует главным образом на головной мозг оператора, последствия чего проявляются через несколько десятков лет.

Опасность применения мобильных телефонов намного выше, чем опасность от излучения радио- и телецентров, потому что плотность потоков мощности на облучаемой поверхности тела человека значительно больше допустимой за счет малости расстояния от излучателя.

Особенную опасность несут мобильные телефоны для особо чувствительных к ЭМП категорий людей - детей, беременных женщин, больных людей с наличием опухолей и незаживших повреждений тканей.

Дискуссии о влиянии ЭМИ мобильных телефонов продолжаются не один десяток лет. И судя по всему, победа будет не за скептиками, отрицающими вред ЭМИ.

Повышенная опасность мобильных телефонов для многих людей требует существенных ограничений для их использования и разработки мер по защите от них.

Меры защиты от воздействия ЭМи

Среди технических мер защиты от воздействия ЭМИ широко распространен метод защиты расстоянием, основанный на том, что плотность потока энергии W обратно пропорциональна квадрату расстояния до излучателя: РЭМ / S = PЭМ / (4рR2) [3], где Р - мощность излучателя, R - расстояние до излучателя. Коэффициент пропорциональности зависит от направленности излучения антенны. В таблице 2 приведены усредненные ПДУ и санитарно-защитные зоны (СЗЗ), принятые для некоторых промышленных и бытовых источников ЭМИ [6].

Таблица 2Усредненные ПДУ и СЗЗ, принятые для некоторых промышленных и бытовых источников ЭМИ

Довольно сильные магнитные поля можно обнаружить вблизи домашней бытовой техники [7]: кофеварка - 0,12 мкТл; утюг - 0,3 мкТл; пылесос - 2 мкТл; холодильник создает поле 5 мкТл; микроволновая печь - 8 мкТл.

Магнитные поля на производстве: в рабочих зонах сталелитейного производства - от 3 до 10 мкТл; непосредственно под ЛЭП (765 кВ) - 5 мкТл; на расстоянии 50 м от ЛЭП - 1 мкТл; скачки магнитного поля в кабине машиниста электрички - до 60 мкТл.

Отметим также другие меры по повышению безопасности населения в условиях угрожающего расширения масштабов применения различных источников ЭМП. Не следует питать иллюзий о резком сокращении количества этих источников, которые являются главным инструментом обеспечения человека всевозрастающим потоком информации. Однако должны быть введены разумные ограничения и обеспечены превентивные меры по индивидуальной защите:

- резкое ужесточение ПДУ для падающей мощности;

- соблюдение норм санитарно-защитной зоны при установке новых источников ЭМП;

- экранирование источников ЭМП;

- замена морально устаревших и создание новых радиотехнических устройств с лучшими физико-техническими характеристиками, отвечающими более жестким нормативам;

- разработка новых методов и аппаратуры для оперативного исследования радиотехнической обстановки вблизи мощных источников ЭМП и массового скопления людей;

- резкое ограничение или запрещение в некоторых случаях индивидуальных средств связи (мобильные телефоны) и медицинских установок.

Результаты исследований показывают, что на расстоянии 5 см от антенны некоторых офисных радиомобильных телефонов уровни плотности потока мощности ЭМИ составляли 0,2-0,5 Вт/см2. При мощности сотового телефона в 2 Вт на расстоянии 5 см усредненный поток мощности ЭМИ составляет 6,4 мВт/см2. Но согласно требованиям Госсанэпиднадзора «Временные допустимые уровни воздействия ЭМП, создаваемых системами сотовой радиосвязи», допустимый уровень облучения пользователя сотового телефона не должен превышать 100 мкВт/ см2 (как было сказано выше, в России предусмотрено время пребывания в области СВЧ-облучения до двух часов при ПДУ 100 мкВт/ см2). Реальные уровни излучения превышают нормативы в сотни, тысячи раз (!). Для сравнения отметим, что 0,5 Вт/ см2 - это примерно в 10 раз больше, чем поток теплового солнечного излучения в ясный день на широте Москвы.

В литературе описаны многочисленные случаи расстройства нервной системы, нарушения систем пищеварения, кроветворения, сердечно-сосудистой системы, подтверждающие факты инициации этих расстройств ЭМП радиочастотного диапазона, действующими на организм длительное время. Однако применяемая методика исследований позволяет зарегистрировать только факт проявления этих нарушений, не давая ответа на вопрос, каков механизм их возникновения.

Клиническая картина хронического действия ЭМП радиочастот такова: сначала появляется головная боль, повышенная утомляемость, раздражительность, нарушение сна, боли в области сердца. Позднее отмечается усиление жалоб, снижение памяти, головокружение, обмороки, сжимающие боли в области сердца, сужение артерий сетчатки. Для крови характерна тенденция к лейкоцитозу, возможны изменения со стороны эндокринной системы [8].

Проведенный нами анализ учебно-методической литературы позволяет считать, что физические факторы экологического характера могут быть проанализированы не только в процессе изучения теоретических основ физики, но и в рамках практикума по решению физических задач (ПРФЗ). Здесь, на наш взгляд, следует обратить внимание на два обстоятельства.

Первое - это то, что в принципе учащиеся к решению задач экологического характера теоретически подготовлены (после изучения обязательной учебной литературы): основные уравнения и формулы для решения задач им известны.

Второе - учителю необходимо обратить внимание на подбор физических задач и особенно на тщательность анализа их результатов с учетом их экологического содержания. Организация ПРФЗ в школе с привлечением дополнительной информации экологического межпредметного содержания способствует формированию у учащихся экологического мышления.

В типовых задачниках и в упражнениях вышеназванных учебников в курсе электродинамики приводится небольшое число заданий на оценку характеристик ЭМВ, величины их интенсивности и т.д. Приведем условия некоторых школьных задач.

Задача 1. Плоская ЭМВ имеет следующие параметры: Е0 = 5*10-5 В/м, л = 100 м. Какая энергия переносится волной за время ф = 10 мин через сечение площадью S = 1 м2, расположенное перпендикулярно скорости распространения волны? Какова интенсивность волны? (Ответ: 2,2 *10-9 Дж)

Задача 2. Амплитуда напряженности электрического поля в электромагнитной волне Е0 равна 90 мВ/м. Чему равна плотность энергии электромагнитной волны? (Ответ: 7,2•10-14 Дж/м3)

Задача 3. Индукция магнитного поля электромагнитной волны В равна 2,5•10 -9 Тл. Чему равна интенсивность волны? (Ответ: 1,5•10-3 Вт/м2)

Задача 4. Какова мощность излучения Солнца, если у поверхности Земли интенсивность световых волн составляет 1400 Вт/м2? Расстояние от Земли до Солнца равно 150 млн км. (Ответ: 4,0•1020 Вт)

Отметим, что решение приведенных задач сводится лишь к получению ответов и практически ни о чем не говорит. Но если привлечь дополнительную справочную или другую информацию экологического характера, то эти задачи приобретают совершенно новый смысл. Считаем, что при анализе решений этих задач следует более подробно остановиться на проблеме «электромагнитного загрязнения» окружающей среды, на механизмах и специфике влияния ЭМВ на биологические объекты, на санитарно-гигиенических нормативах воздействия электромагнитных полей на человека, на мерах защиты от ЭМП. Непосредственная оценка учащимися величин интенсивностей реальных источников ЭМП (излучения сотового телефона, ЛЭП, теле-, радиостанций, которые могут быть взяты из справочников) и их сравнение с допустимыми нормами позволяет им по-иному взглянуть на многие окружающие нас предметы, явления. Тем самым решение задач и, самое главное, анализ ответов с использованием табличных и научных данных, нормативов (об интенсивности излучений различных промышленных, бытовых радиотехнических систем, о допустимых уровнях интенсивности на производстве, на транспорте, в жилых массивах, в быту и т.д.) в корне изменит отношение учащихся к электромагнитному загрязнению окружающей среды.

Естественен вопрос учащихся о мерах защиты от данного вида загрязнения. Здесь необходимо акцентировать внимание учащихся на некоторых мерах защиты от ЭМП (необходимость разработки новых маломощных источников ЭМВ, ограничение времени их использования и времени пребывания в областях высокой интенсивности ЭМП, ограничение зоны размещения новых источников, защита расстоянием, защита экранированием и поглощением средой и т.д.).

В заключение отметим, что экологическому образованию самих учителей физики должно быть уделено серьезное внимание, поскольку именно физика открывает законы природы, используемые человеком в процессе производства во всевозрастающих масштабах материальных благ, именно эту роль физики в современном мире необходимо анализировать с экологической точки зрения.

Литература

1. Анциферов Л.И. Физика: Электродинамика и квантовая физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. - М.: Мнемозина, 2002. - 383 с.

2. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. - М.: Дрофа, 2003. - 416 с.

3. Мякишев Г.Я. Физика. Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. - М.: Просвещение, 2002. -- 336 с.

4. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика: Колебания и волны. 11 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики. - М.: Дрофа, 2002. - 228 с.

5. Физика: Учеб. пособие для 11 кл. с углубл. Изуч. Физики / А.Т. Глазунов, О.Ф. Кабардин, А.Н. Малинин и др. Под ред. А.А. Пинского. - М.: Просвещение, 1995. - 432 с.

6. Павлов А.Н. Воздействие электромагнитных излучений на жизнедеятельность. М: «Гелиос АРВ», 2002. - 224 с.

7. Чалимова Р. А. Влияние искусственных и естественных электромагнитных полей на живые организмы // Физика. Приложение к газете «Первое сентября», №21, 2002. - С. 13-14.

8. Панин В.Ф., Сечин А.И., Федосова В.Д. Экология для инженера: Учеб.-справ. пособие. М.: Изд. д. Ноосфера, 2001. - 284 с.

Размещено на Allbest.ru