НАУЧНЫЕ РЕДАКТОРЫ

В.Н. КРУТИКОВ, Ю.И. БРЕГАДЗЕ, А.Б. КРУГЛОВ

контроль
физических факторов
окружающей среды,
опасных для человека

МОСКВА

ИПК ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ 2003

В предлагаемом справочном издании из серии «Экометрия» приведены современные данные о контроле опасных и вредных физических факторов, воздействующих на человека вне процесса его трудовой деятельности. Рассмотрено воздействие широкого класса полей и излучений, таких как электромагнитное, возникающее вблизи высоковольтных линий электропередач, антенн радиопередающих станций, мобильных телефонов и электробытовой техники, оптическое излучение, в особенности ультрафиолетовое излучение солнца, усиливающееся за счет разрушения озонового слоя атмосферы, ионизирующее излучение как внешнее, так и внутреннее за счет попадания в организм радионуклидов (присутствие радона в жилищах, загрязнение радионуклидами пищевых продуктов и стройматериалов). Большое внимание уделено акустическим факторам, таким как городской шум, шум внутри транспортных средств и вблизи аэродромов. В справочнике рассмотрены и такие факторы, как запыленность воздуха и его ионный состав. Читатель найдет в книге краткие сведения о воздействии опасных и вредных физических факторов окружающей среды на человека, основы их нормирования и сами нормы, установленные для населения, а также краткие сведения о методах защиты, например, от ультразвукового излучения и акустического шума.

Большие разделы соответствующих глав посвящены приборам, прошедшим испытания и допущенным к применению в стране, а также методикам выполнения измерений и методикам поверки приборов. Каждый раздел книги написан ведущими специалистами в области приборостроения и метрологии.

Книга рассчитана на специалистов учреждений и организаций государственной санитарно-эпидемиологической службы, природоохранных организаций, как государственных, так муниципальных и общественных, территориальных органов Госстандарта России, работников коммунальной сферы.

SUMMARY

In suggested reference book «Control of Parameters of Human Dangerous and Harmful Physical Environmental Factors» over series «ECOMETRY» the modem data on the control of the dangerous and harmful physical factors human health effects outside of process of professional activity are resulted. Influence of a wide class of fields and radiation, such as electromagnetic, arising near to high-voltage power lines, radio transmission station antenna, mobile phones and home appliances, optical radiation, in particular the ultra-violet radiation of the sun amplifying due to destruction of an ozone cloud of an atmosphere, ionizing radiation both external, and internal is considered due to hit in an organism radio nuclear unites (a problem of radon in dwellings, pollution by radio nuclear unites foodstuff and building materials). The big attention is given to acoustic factors, such as city noise, noise inside vehicles and near to airports. In the reference book such factors, as a dust content of air and its ionic structure are considered also. The reader will find in the book brief data on effects of exposure of dangerous and harmful physical environmental factors to human organism, bases of their hygienic rate setting and hygienic norms, established for general public, and also brief data on methods of protection, for example from ultra-violet radiation and acoustic noise.

The big sections of corresponding chapters are devoted to the devices tested and allowed to application in Russian Federation, and also techniques of performance of measurements and techniques of checking of devices. Each section of the book is written by large experts in the field of hygienic standardization, instrument making and metrology.

The book is intended for experts of establishments and organizations of the state sanitary-epidemiological service, the environment protection organizations, as state, so municipal and public, territorial bodies of State Standard of Russia, workers of municipal sphere.

ГОССТАНДАРТ РОССИИ

МИНЗДРАВ РОССИИ

МЧС РОССИИ

МИНТРУД РОССИИ

Редакционно-издательский совет

Президиум редакционно-издательского совета:

Редакционная коллегия:

Коллектив авторов и редакционно-издательский совет приносят благодарность руководителям АО «Экспертцентр»

ТОЛПЕКИНУ Илье Геннадиевичу и ФЕДОРЕНКО Василию Васильевичу

за финансовую поддержку подготовки рукописи к изданию

ПРЕДИСЛОВИЕ

Очередной том энциклопедии «Экометрия» «Контроль физических факторов окружающей среды, опасных для человека» является первой книгой, выходящей после принятия Федерального закона от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании».

Согласно принятому Закону, техническое регулирование - правовое регулирование отношений в области установления, применения и исполнения обязательных требований к продукции, процессам производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, а также в области установления и применения на добровольной основе требований к продукции, процессам производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, выполнению работ или оказанию услуг и правовое регулирование отношений в области оценки соответствия. В соответствии со ст. 6 Закона технические регламенты принимаются в целях: защиты жизни или здоровья граждан, имущества физических или юридических лиц, государственного или муниципального имущества; охраны окружающей среды, жизни или здоровья животных и растений; предупреждения действий, вводящих в заблуждение приобретателей.

Технические регламенты с учетом степени риска причинения вреда устанавливают минимально необходимые требования, обеспечивающие: безопасность излучений; биологическую безопасность; взрывобезопасность; механическую безопасность; пожарную безопасность; промышленную безопасность; термическую безопасность; химическую безопасность; электрическую безопасность; ядерную и радиационную безопасность; электромагнитную совместимость в части обеспечения безопасности работы приборов и оборудования; единство измерений (ст. 7 Закона).

Согласно утвержденной «Программе разработки технических регламентов на 2003 - 2010 годы» предусматривается разработка таких общих технических регламентов, как «Безопасность излучений», «О безопасности пищевой продукции», общий технический регламент и свод специальных технических регламентов «Об использовании атомной энергии» и ряд других. При разработке этих регламентов авторы найдут много ценных материалов в предлагаемой книге, а также в предыдущих изданиях серии «Экометрия»: «Контроль химических и биологических параметров окружающей среды» (С.-Пб.: Изд-во «Крисмас», 1998) и «Контроль физических факторов производственной среды, опасных для человека» (М.: ИПК Издательство стандартов, 2002).

Особый интерес для разработчиков технических регламентов приобретают вопросы обеспечения единства измерений при контроле безопасности при воздействии опасных и вредных производственных факторов и факторов окружающей среды. Вопросы обеспечения единства измерений должны найти отражение при разработке практически всех общих и специальных технических регламентов.

Председатель президиума редакционно-издательского

совета энциклопедии «Экометрия»,

член-корреспондент РАН, профессор, доктор

технических наук

Б.С. Алешин

Главный редактор

энциклопедии «Экометрия»,

заместитель Председателя Госстандарта России,

кандидат физико-математических наук

В.Н. Крутиков

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее издание состоит из глав, написанных различными авторами или авторскими коллективами. Каждая глава посвящена определенному физическому фактору или группе физических факторов, воздействующих на население вне его производственной деятельности.

Обычно различают чисто природные опасные физические факторы, которые существуют с момента образования планеты. К ним относятся ультрафиолетовое излучение Солнца, космическое ионизирующее излучение и естественно-радиоактивные нуклиды (ЕРН), содержащиеся в земной коре и объектах окружающей среды, аэрозоли и аэроионы. Принято также говорить о техногенных факторах, источниками которых является жизнедеятельность человека и которые усиливают действие природных факторов. К ним можно отнести применение в технике хлорсодержащих хладонов, разрушающих озоновый слой атмосферы и усиливающих поток ультрафиолетового излучения Солнца, достигающего поверхности Земли. К техногенным факторам относятся также локальные изменения распределения ЕРН, образуемые за счет производственной деятельности человека, что приводит к изменению уровня радиационного воздействия в отдельных регионах, увеличение запыленности атмосферы (аэрозоли) и изменение ее аэроионного состава. Наконец, мы часто сталкиваемся с антропогенными физическими факторами. Это факторы, преимущественно созданные человеком: высоковольтные линии электропередач, электробытовая техника, радиопередающие и принимающие системы (мобильные телефоны), солярии, такие источники ионизирующей радиации, как рентгеновские аппараты, ускорители, ядерные реакторы, искусственно-радиоактивные элементы. К антропогенным факторам можно отнести также акустический шум транспортных средств.

Авторы постарались рассмотреть эти факторы. Ряд глав содержит рекомендации по снижению воздействия опасных и вредных факторов. Так, в гл. 1 даются рекомендации пользователям радиотелефонов, уменьшающие риск воздействия электромагнитного поля на здоровье; в гл. 2 упоминаются солнцезащитные средства; в гл. 3 излагаются требования по ограничению облучения населения в условиях радиационной аварии; в гл. 4 большое внимание уделено строительным методам защиты от шума транспортных средств жилых и общественных зданий при планировании городской застройки; в гл. 6 излагаются методы коррекции аэроионного состава воздуха в помещениях.

Логика изложения материала в каждой главе следующая. Вначале идет описание общих физических характеристик опасных и вредных факторов, воздействующих на организм человека, приводятся измеряемые величины. Затем кратко, в доступной для инженерно-технических работников форме, излагается механизм воздействия физического фактора на организм человека и возможная реакция на это воздействие. Далее следует описание подходов к нормированию опасных и вредных физических факторов. Приводятся и сами нормы. В последующих разделах приводятся характеристики средств измерений, используемых для контроля соответствующих физических факторов. Приводятся данные о средствах измерений, прошедших приемочные испытания, внесенных в Государственный реестр и допущенных к обращению в стране. Даются ссылки на методики выполнения измерений, утвержденные в установленном порядке, и в ряде глав примеры методик, по образцу которых работники измерительных лабораторий могут разработать недостающие с последующей их аттестацией.

Наконец, последние разделы посвящены метрологическому обеспечению измерений. Здесь приводятся общие принципы обеспечения единства измерений соответствующих характеристик опасных и вредных физических факторов окружающей среды. Даются ссылки на методики поверки приборов, утвержденные в установленном порядке, а в ряде глав и примеры методик поверки.

В каждой главе имеется список литературы, содержащий ссылки на отечественные нормативные документы и документы международных организаций, оригинальные статьи, опубликованные в периодической научной печати, монографии.

Авторы будут благодарны за замечания и предложения читателей, которые могут быть учтены при возможном переиздании книги в связи с непрерывно изменяющейся нормативной базой и обновляющимся парком средств измерений.

Руководитель авторского коллектива - научный редактор книги,

заслуженный деятель науки Российской Федерации,

действительный член Метрологической академии,

профессор, доктор технических наук

Ю.И. Брегадзе

Глава 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ

В.А. Тищенко, В.И. Токатлы, В.И. Лукьянов, Н.Б. Рубцова, Л.В. Походзей

Электромагнитное поле является особой формой материи. Различные части спектра электромагнитного поля характеризуются разными областями значений величины, которую называют частотой или связанной с ней через скорость света в вакууме длиной волны. В зависимости от этого параметра спектр электромагнитных излучений обычно делят на три части: радиоизлучение (диапазон длин волн до 0,1 мм), оптическое, включающее в себя инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую области (до 10^-2 мкм) и ионизирующее, к которому относят рентгеновское и гамма-излучения. При такой классификации спектра электромагнитных излучений исключаются электромагнитные явления, не зависящие от времени, соответствующие бесконечно большой длине волны или нулевой частоте, т.е. статические поля. Однако, электростатические и магнитостатические поля также являются физическими факторами, воздействующими на человека.

В данной главе рассмотрены электромагнитные поля: статические и с частотами от 0 до 300 ГГц. К факторам электромагнитной природы, находящимся в этом диапазоне, к потенциально опасным для здоровья человека относят гипогеомагнитные поля, постоянные электрические и магнитные поля, переменные электромагнитные поля (ЭМП) в диапазоне частот от 1 Гц до 300 ГГц, в котором особо выделяют электромагнитные поля промышленной частоты 50/60 Гц (ЭМП ПЧ) и электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ) от 10 кГц до 300 ГГц.

Электростатическое поле (ЭСП) отмечается часто в бытовых условиях при использовании тканей из волокон с высокими диэлектрическими свойствами, эксплуатации персональных ЭВМ, при применении установок для ионизации воздушного пространства и т.д.

Источниками постоянного магнитного поля (ПМП) в быту могут быть средства электротранспорта (поезда метрополитена, железной дороги, трамваи), физиотерапевтическая аппаратура или диагностическое оборудование (установки ядерного магнитного резонанса).

Источниками ЭМП ПЧ являются элементы токопередающих систем различного напряжения (линии электропередачи, распределительные устройства и др.), электротранспорт, различные типы бытового электрооборудования.

Источниками электромагнитной энергии радиочастотного и микроволнового диапазонов в окружающей среде служат антенные системы радиолокационных станций, радио- и телерадиостанций, в том числе систем мобильной радиосвязи, а также физиотерапевтические аппараты и персональные ЭВМ. Причем, уровень электромагнитных полей радиочастотного диапазона искусственного происхождения, созданных человеком, существенно превышает уровень естественных полей.

Из-за того, что у человека нет органов чувств, непосредственно реагирующих на ЭМП РЧ, населению практически неизвестен тот факт, что в спектре электромагнитных излучений Земли из-за радиочастотных излучений произошли масштабные изменения. В некоторых участках спектра излучений Земля «светит» ярче Солнца. Такое сильное отклонение от естественного состояния электромагнитного спектра планеты произошло в XX веке в результате изобретения беспроводных средств коммуникаций, использующих электромагнитные волны радиочастотного диапазона. Радиосвязь, телевидение, радионавигация, системы сотовой телефонной связи явились источниками негативного влияния на окружающую среду и человека.

Особо нужно выделить сотовую связь. Беспроводная связь на радиочастотах возникла более ста лет назад, и аспекты безопасности при ее использовании достаточно хорошо изучены и регламентированы в законодательных актах и многочисленных нормативных документах. Традиционная беспроводная связь (радиосвязь) в отличие от проводной связи (телефонии) для потребителя была односторонней. Радиоцентры, являющиеся источниками электромагнитного излучения, находились у профессионально подготовленных людей, обеспечивающих передачу радиосигналов, а потребитель имел возможность с помощью радиоприемников их принимать. В радиоцентр можно было позвонить по телефону, но возможности связаться с радиоцентром таким же способом, как радиоцентр с потребителем, не было. У массового потребителя отсутствовал необходимый компонент двухсторонней связи - радиопередатчик. Теперь, с развитием системы сотовой персональной связи, такая возможность появилась. В руки потребителя в буквальном смысле попал достаточно мощный источник ЭМП, который с помощью антенны не только осуществляет связь и передает информацию (полезный эффект), но и производит облучение самого потребителя (опасный эффект).

Для решения вопросов обеспечения экологической безопасности ЭМП в первую очередь необходимо определить величины, которыми характеризуется электромагнитное поле, и единицы, в которых они измеряются.

1.1. Характеристики электромагнитного поля

Существуют четыре основные векторные функции координат и времени, определяющие электромагнитное поле:

 - напряженность электрического поля;

- электрическая индукция;

- напряженность магнитного поля;

 - магнитная индукция.

Радиус-вектор  означает зависимость от пространственных координат, t - от времени.

В изотропной среде (в среде, свойства которой не зависят от направления) векторы  и  связаны с  и  соотношениями:

; ; ,                                              (1.1)

где ε - диэлектрическая проницаемость - параметр, характеризующий электрические свойства среды, μ - магнитная проницаемость - параметр, характеризующий магнитные свойства среды,  - плотность тока проводимости, σ - удельная проводимость среды.

В частности, в вакууме ε = ε₀, μ = μ₀, ε₀ = 10⁷/4πс² ф/м - электрическая постоянная, μ₀ = 4p·10^-7 Гн/м - магнитная постоянная, с = 2,9979·10⁸ м/с - скорость света в вакууме.

Используя последнее соотношение из (1.1), можно вывести формулу:

,                                                            (1.2)

где R - электрическое сопротивление цилиндрического проводника длиной l с площадью поперечного сечения S.

Наличие связи (1.1) позволяет для характеристики электромагнитного поля в воздухе, а также в вакууме и вообще в любой изотропной среде использовать вместо четырех величин только две: либо  или  (обычно используют ), либо  или  (используют как ту, так и другую величину).

Определить электромагнитное поле в некоторой области пространства, например, в воздухе, значит определить векторы  и  или  в каждый момент времени в каждой точке пространства.

Перечисленные выше векторные величины являются силовыми характеристиками электромагнитного поля. Так,  является отношением силы, действующей на положительный точечный заряд и направленной вдоль скорости движения, если заряд движется, к заряду. В свою очередь,  есть отношение силы, действующей на положительный точечный заряд и направленной перпендикулярно скорости движения, к произведению заряда на модуль скорости движения.

В Международной системе единиц (СИ) величины, связанные с электромагнитным полем, именуются электрическими. В качестве основной электрической величины выбрана сила электрического тока, с единицей измерения ампер, размерность которой (I) входит во все производные единицы измерения электрических величин.

В табл. 1.1 приведены основные величины, характеризующие электромагнитное поле и единицы их измерения.

Таблица 1.1

Величины, характеризующие электромагнитное поле

По временной зависимости величины, характеризующие электромагнитное поле, подразделяются на следующие основные виды:

1) постоянные (не зависящие от времени);

2) гармонические колебания;

3) произвольные периодические колебания;

4) импульсы;

5) шумы;

6) модулированные колебания.

В отличие, например, от акустических полей, которые представляют собой зависимость некоторой одной скалярной величины от времени, электромагнитное поле является более сложным объектом, так как описывается двумя векторными величинами и , т.е. шестью скалярными величинами. Специфику описания временной зависимости электромагнитного поля можно продемонстрировать на примере наиболее распространенного вида колебаний - гармонического колебания. Это колебание описывается следующими математическими выражениями:

,

,

где ,  - амплитудные векторы напряженности электрического поля, зависящие только от пространственных координат и ортогональные друг другу; , - амплитудные векторы напряженности магнитного поля, зависящие только от пространственных координат и ортогональные друг другу; f - частота колебания. С частотой однозначно связаны такие величины как ω = 2pf - круговая частота, Т = 1/f - период колебания, λ = c/f - длина волны.

В случае гармонического колебания, напряженность электрического (магнитного) поля характеризуется частотой и двумя векторными величинами (шестью скалярными). Если один из векторов равен нулю, то напряженность электрического (магнитного) поля не меняет своей ориентации в пространстве, изменяясь во времени только по величине и меняя направление на противоположное при прохождении через нуль. В общем случае (оба вектора отличны от нуля), конец вектора  () описывает эллипс, а если ││=││ (││=││), то - окружность. При этом эллипс (окружность) расположен в плоскости, проходящей через векторы  () и ().

В случае произвольных периодических колебаний конец вектора () описывает в пространстве замкнутую кривую, форма которой может быть весьма сложной.

Постоянное электрическое поле часто называют электростатическим. Оно создается заряженными диэлектрическими или металлическими телами. Графически структуру электрического поля принято изображать при помощи силовых линий, к которым вектор напряженности электрического поля касателен в каждой точке. Каждая силовая линия начинается на положительном заряде и заканчивается на отрицательном или уходит в бесконечность. Густота силовых линий качественно характеризует модуль напряженности электрического поля. Наиболее простую структуру имеет электрическое поле неподвижного точечного положительного заряда. Если поместить точечный положительный заряд q в начало декартовой системы координат, то вектор будет направлен вдоль радиуса-вектора  и его модуль будет убывать обратно пропорционально квадрату расстояния ││. В этом случае силовые линии - лучи, выходящие из начала координат (рис. 1.1).

Более сложную структуру имеет система, состоящая из двух равных по величине и противоположных по знаку точечных зарядов (рис. 1.2).

Рис. 1.1

Рис. 1.2

Рис. 1.3

Рис. 1.4

Наконец, самую простую структуру имеет электрическое поле равномерно заряженной плоскости (рис. 1.3). Выше и ниже плоскости электрическое поле является однородным (напряженность электрического поля одинакова во всех точках), а вектор перпендикулярен заряженной плоскости.

Практически в любой реальной структуре постоянного электрического поля можно найти структурные элементы, изображенные на рис. 1.1 - 1.3. Например, имеется положительно заряженное металлическое тело (рис. 1.4), и на некотором расстоянии от него - заземленное металлическое тело. Так как одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются, то положительные заряды уйдут с заземленного тела в землю, и оно зарядится отрицательно. Поэтому в целом структура электрического поля будет похожа на структуру, изображенную на рис. 1.2. Вблизи плоских участков обоих тел электрическое поле будет по структуре близко к однородному полю (рис. 1.3), а вблизи острых кромок похоже на электрическое поле, изображенное на рис. 1.1. Подобным образом можно проанализировать любую систему заряженных тел.

Постоянное магнитное поле создается постоянным магнитом или проводниками с постоянным током. Графически структуру постоянного магнитного поля изображают при помощи силовых линий магнитного поля - линий, к которым вектор напряженности магнитного поля касателен в каждой точке.

Простейшим элементом, создающим магнитное поле, является бесконечно тонкий прямолинейный провод с постоянным током. В этом случае силовые линии магнитного поля - окружности, центры которых расположены на проводе с током, а сами окружности лежат в плоскостях, перпендикулярных проводу.

При наличии временной зависимости электрическое и магнитное поля связаны друг с другом и образуют единое целое - электромагнитное поле. В случае гармонических колебаний, пространственная структура электромагнитного поля зависит не только от распределения зарядов и токов на некотором проводящем теле, но и от частоты, а точнее от соотношения между длиной волны λ размерами источника L_u и расстоянием от источника до точки наблюдения R:

1) L_u << λ; R << λ. Размеры источника и расстояние от источника до точки наблюдения малы по сравнению с длиной волны. В этом случае электрическое и магнитное поля практически не зависят друг от друга. Электрическое поле возбуждается только зарядами, а магнитное - только токами. При этом в каждый момент времени в каждой точке пространства, удовлетворяющей условию R << λ, мгновенное значение напряженности электрического (магнитного) поля соответствует мгновенному значению распределения зарядов (токов). По величине и направлению эти значения такие же, как при постоянном распределении зарядов (токов). При выполнении этого условия точка наблюдения находится в ближней зоне. В рассматриваемом случае нет электромагнитного излучения, а есть независимые друг от друга квазистатические переменные электрическое и магнитное поля. Поэтому объект, находящийся в таком электромагнитном поле, подвергается как бы отдельно воздействию электрического и магнитного полей. Так как физические механизмы взаимодействия электрического и магнитного полей с помещенным в них телом разные, предельно допустимые уровни устанавливаются отдельно для электрического и магнитного полей.

2) L_u << λ; R >> λ. При выполнении условия R >> λ говорят, что точка наблюдения находится в дальней зоне. В этой зоне независимо от вида источника (переменные заряды или токи) существует сформировавшееся электромагнитное поле в виде сферической волны, которая распространяется во все стороны от источника электромагнитного поля. В такой волне векторы напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны, а их модули связаны соотношением

,                                                               (1.3)

где - волновое сопротивление свободного пространства.

При этом модули напряженности электрического и магнитного полей убывают обратно пропорционально расстоянию от источника до точки наблюдения.

Распространение электромагнитной волны сопровождается переносом энергии электромагнитного поля в направлении распространения волны. Плотность потока энергии электромагнитного поля р определяется по формуле

.                                               (1.4)

3) L_u >> λ. Как правило, источники излучения, для которых выполняется это условие, являются антеннами радиолокаторов или систем дальней связи. В отличие от предыдущего случая, кроме ближней и дальней зоны, есть еще промежуточная зона, в которой электромагнитная волна распространяется по законам геометрической оптики и в случае зеркальной антенны или многоэлементной антенной решетки имеет вид прожекторного луча.

Независимо от того, в какой зоне находится объект, подвергаемый воздействию электромагнитного поля, характер воздействия, главным образом, зависит от соотношения между длиной волны λ и размером объекта L_o. Если L_o << λ, то даже, если объект расположен в промежуточной или дальней зоне, электрическое и магнитное поля воздействуют на объект, возбуждая в нем токи, как независимо существующие поля, которые взаимодействуют сразу со всем объектом. В этом случае, например, для оценки тепла, выделяемого в объекте, надо найти токи, возбуждаемые электрическим и магнитным полями отдельно, а затем по суммарному току рассчитать выделяемое в объекте тепло.

Если L_o >> λ, то объект находится в поле электромагнитной волны, как в едином целом. В этом случае оценивается предельное значение тепла, которое можно выделить в объекте, умножив плотность потока энергии электромагнитного поля на площадь максимального сечения объекта в плоскости, перпендикулярной направлению распространения электромагнитной волны.

Как уже отмечалось выше, напряженность электрического (магнитного) поля является векторной функцией времени и координат, и измерение ее в каждый момент времени и в каждой точке пространства не реально, да в этом и нет необходимости. Поэтому, когда говорят об измерении напряженности переменного электрического (магнитного) поля, то подразумевают, что речь идет об измерении одного или нескольких скалярных параметров напряженности электрического (магнитного) поля или электромагнитной волны.

Для характеристики периодических электромагнитных колебаний используют следующие параметры:

1) среднее квадратическое значение напряженности электрического поля

,                                                   (1.5)

где Т - период колебаний;

2) среднее квадратическое значение проекции напряженности электрического поля на заданное направление

,                                                  (1.6)

где - единичный вектор, определяющий заданное направление;

3) средние квадратические значения напряженности магнитного поля и магнитной индукции. Они определяются аналогичным образом. Соответствующие формулы получаются в результате замены Е на Н или В;

4) средняя плотность потока энергии электромагнитного поля в плоской волне

                                    (1.7)

1.2. Механизмы воздействия электромагнитного поля на человека

Любое вещество, в том числе и то, из которого состоит человек, является смесью частиц, имеющих положительные и отрицательные заряды. Важнейшей электромагнитной характеристикой свойств вещества является его электропроводность. В зависимости от степени электропроводности, вещества делятся на диэлектрики (σ → 0) и проводники (σ → ∞). В результате резкого различия диэлектриков и проводников, их поведение в электромагнитных полях оказывается неодинаковым. Однако большинство веществ по параметру электропроводности занимают промежуточное положение между идеальными диэлектриками и идеальными проводниками. Вещества типа земли и воды ведут себя, в зависимости от характеристик электромагнитного поля, то как проводники, то как диэлектрики. Если зависимость электромагнитного поля от времени является гармонической, то существует мера оценки свойств вещества на частоте ω.

Если , то вещество характеризуется как диэлектрик, если , то как проводник. Следовательно, в рассматриваемом нами диапазоне частот свойства вещества могут меняться весьма значительно. Однако имеется общая тенденция превращения вещества в диэлектрик с ростом частоты.

Исходя из того, что при отсутствии внешнего электростатического поля тело человека электрически нейтрально (суммарный заряд равен нулю), при его воздействии на человека можно выделить три ситуации:

1) тело человека находится в поле и изолировано от остальных тел. В этом случае подвижные заряженные частицы вещества расположатся как у проводника на поверхности тела, а связанные поляризуются, как у диэлектрика;

2) тело человека заземлено. Тогда подвижные заряженные частицы, определяющие проводимость тела человека, перетекут на землю и тело приобретет заряд, который можно обнаружить, изолировав тело от земли и экранировав его от электрического поля;

3) тело человека является частью электрической цепи, в которой ток проводимости (перенос заряженных частиц) вызывается сторонней напряженностью электрического поля.

Действие постоянного магнитного поля на вещество, являющееся проводником, по которому течет электрический ток (движутся заряженные частицы), связано с магнитной силой, действующей под прямым углом к направлению движения. Общее движение представляет собой движение по цилиндрической спирали.

Взаимодействие внешних электромагнитных полей с биологическими объектами осуществляется путем наведения внутренних полей и электрических токов, величина и распределение которых в теле человека зависят от целого ряда параметров, таких как размер, форма, анатомическое строение тела, электрические и магнитные свойства тканей (диэлектрическая и магнитная проницаемости и удельная проводимость), ориентация тела относительно векторов электрического и магнитного полей, а также от характеристик ЭМП (частота, интенсивность, модуляция и др.).

Согласно современным представлениям, по механизму действия ЭМП сверхнизкочастотного и низкочастотного диапазонов (вплоть до 10 - 30 кГц), основную опасность для организма представляет влияние наведенного электрического тока на возбудимые структуры (нервную, мышечную ткань). Параметром, определяющим степень воздействия, является плотность наведенного в теле вихревого тока. При этом, для электрических полей (ЭП) рассматриваемого диапазона частот характерно слабое проникновение в тело человека, для магнитных полей (МП) - организм практически прозрачен. Плотности наведенного тока (j) могут быть рассчитаны по формулам:

для ЭП j = k · f ·E, где f - частота, Е - напряженность ЭП, k - коэффициент, отличающийся для различных тканей;

для МП - j = p  · R · σ · f · B, где: В - магнитная индукция, σ - проводимость ткани.

Поглощение энергии ЭМП в тканях определяется главным образом двумя процессами: колебанием свободных зарядов и колебанием дипольных моментов с частотой воздействующего поля. Первый эффект приводит к возникновению токов проводимости и связанным с электрическим сопротивлением среды потерям энергии (потери ионной проводимости), тогда как второй процесс приводит к потерям энергии за счет трения дипольных молекул в вязкой среде (диэлектрические потери). На низких частотах основной вклад в поглощение энергии ЭМИ вносят потери, связанные с ионной проводимостью. Ионная проводимость возрастает с ростом частоты поля до 10⁶ - 10⁷ Гц в связи с уменьшением емкостного сопротивления мембран и со все большим участием внутриклеточной среды в общей проводимости, что ведет к увеличению поглощения энергии. При дальнейшем увеличении частоты ионная проводимость среды остается практически постоянной, а поглощение энергии продолжает увеличиваться за счет потерь на вращение дипольных молекул среды, главным образом, молекул воды и белков.

Первичные механизмы действия поглощенной энергии на микромолекулярном, субклеточном, клеточном уровнях изучены слабо. Одним из проявлений взаимодействия ЭМП с веществом вообще и с биологическими структурами, в частности, является их нагрев. Однако доказано, что биологические эффекты влияния ЭМП могут проявляться не только при действии сравнительно высоких интенсивностей излучений, вызывающих общий нагрев тканей, но и при так называемых «нетепловых» уровнях, когда общего повышения температуры не наблюдается. Возможно, при любых интенсивностях воздействия поглощение энергии ЭМП в тканях приводит к тепловыделению, однако распределение тепла может иметь неравномерный характер и приводить к возникновению внутренних «горячих точек» при интенсивности ЭМИ на порядок ниже интегрального теплового порога. Имеются данные о влиянии ЭМИ на клеточные мембраны, структуру некоторых белков, электрическую активность нейронов. Отмеченные эффекты не всегда могли быть интерпретированы как чисто тепловые. То есть принципиальная возможность неоднородного нагрева в мелкодисперсных биологических системах не вызывает сомнения, но вопрос о его количественной оценке остается открытым и не теряет своего значения.

В последнее десятилетие получила дальнейшее развитие информационная теория воздействия ЭМИ, основанная на концепции взаимодействия внешних полей с внутренними полями организма.

1.3. Гигиеническое нормирование электромагнитных полей в окружающей среде

1.3.1. Принципы гигиенического нормирования воздействия ЭМП в России и за рубежом

В основе гигиенических норм и правил внепроизводственных воздействий ЭМП, как и других факторов химической и физической природы, в России заложен принцип, в соответствии с которым безопасным для человека является предельно допустимый уровень (ПДУ) ЭМП. ПДУ - уровень воздействия фактора, который не должен вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья в настоящее время или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений.

Гигиенические нормативы ЭМП в России разрабатываются, как правило, на основании комплексных гигиенических, клинико-физиологических, эпидемиологических и экспериментальных исследований. Гигиенические исследования ставят своей целью определение интенсивностных и временных параметров ЭМП в реальных условиях; клинико-физиологические исследования направлены на выявление нарушений в состоянии здоровья и физиологических функций людей, подвергающихся такого рода воздействиям; эпидемиологические - на выявление отдаленных последствий воздействия фактора; экспериментальные - на изучение особенностей и характера биологического действия ЭМП.

Основной вклад в обоснование гигиенических нормативов ЭМП вносят экспериментальные исследования.

Безопасным для человека считается такое воздействие ЭМП, которое не вызывает нарушения гомеостаза (включая репродуктивную функцию), качественной перестройки и любых количественных изменений жизненных процессов, которые выходят за пределы физиологической нормы, соответствующей конкретным условиям жизнедеятельности.

Принятая в России методология гигиенического нормирования, базирующаяся на представлениях о наличии порога вредного действия факторов окружающей среды, была использована и при обосновании допустимых уровней ЭМП.

Порог вредного действия - это такое воздействие ЭМП, при котором в организме возникают изменения, характеризующиеся:

качественной перестройкой жизненных процессов;

любыми количественными изменениями жизненных процессов, которые выходят за пределы физиологической нормы, соответствующей конкретным условиям жизнедеятельности, и обусловливают снижение способности организма к осуществлению нормальных компенсаторных возможностей по уравновешиванию неблагоприятного действия других факторов окружающей среды или необычных психофизиологических состояний;

развитием явлений суммирования предшествующих эффектов воздействия, имеющих характер кумулятивных и приводящих при продолжительном воздействии к развитию изменений жизненных процессов, выходящих за пределы допустимых отклонений.

По-видимому, порог вредного действия ЭМП лежит на границе, разделяющей зоны активной адаптации и патологических нарушений. Однако на практике, в процессе проведения экспериментальных исследований, установление порога вредного действия встречает ряд трудноразрешимых задач, зависящих от адекватности и чувствительности используемых методов, от вида и размера тела лабораторных животных, от качества метрологического обеспечения, от квалификации экспериментатора и множества других обстоятельств.

Большую сложность представляет собой экстраполяция результатов эксперимента с животных на человека, что обусловлено в значительной мере различиями в размерах тела и связанными с этим различиями в максимумах поглощения энергии ЭМП.

Наряду с вопросами экстраполяции экспериментальных данных при переходе от порогов вредного действия к допустимым уровням важным является и установление коэффициента гигиенического запаса - для повышения надежности гигиенических нормативов.

При разработке международных нормативных документов, регламентирующих ПДУ ЭМП различных частотных диапазонов, основным источником репрезентативных данных являются опубликованные результаты различных исследований по изучению биологического действия ЭМП. При этом серьезное внимание уделяется критическому анализу имеющейся научной литературы. Согласно критериям Международной комиссии по защите от неионизирующих излучений (ICNIRP) литература для анализа (обзора, рассмотрения) должна быть опубликована в определенных научных журналах.

В европейских и международных стандартах дается краткое описание принципов нормирования. В основе нормирования, принятого в зарубежных странах, лежат следующие положения. Под действием электромагнитного поля, в котором находится человек, в его теле возбуждается электрический ток. Полагают, что на частотах до 1 МГц этот ток оказывает непосредственное вредное воздействие на мышечные ткани, нервную систему и другие органы человека. По результатам медико-биологических исследований устанавливается предельно допустимая плотность тока в теле человека (The basic restrictions for current densities in the body). Сведения о том, как это конкретно делается, в доступной литературе отсутствуют. Полученные значения предельно допустимой плотности тока используются для расчета ПДУ параметров электромагнитного поля, которые подлежат контролю при обеспечении электромагнитной безопасности. На низких частотах (в частности, на частотах ниже 1 МГц) такими параметрами являются напряженности электрического и магнитного полей. Расчет ПДУ производится следующим образом. Решается задача о возбуждении тока в модели тела человека, помещенной во внешнее электрическое (магнитное) поле. В результате решения этой задачи находится связь между плотностью тока в теле человека и напряженностью внешнего электрического (магнитного) поля. Используя эту связь, по известному значению предельно допустимой плотности тока устанавливают предельно допустимые значения напряженности электрического (магнитного) поля. Следует особо подчеркнуть, что ПДУ устанавливаются для параметров именно внешнего электромагнитного поля, т.е. электромагнитного поля, которое существует в среде при отсутствии тела человека. Связь между ПДУ и предельно допустимой плотностью тока может быть установлена не только теоретически, но и экспериментально, если поместить манекен (фантом, модель человека), имеющий необходимые электрические параметры, во внешнее электрическое (магнитное) поле и измерять в разных точках манекена плотность тока.

На частотах выше 1 МГц полагают, что вредное воздействие на организм оказывает не непосредственно протекающий ток, а тепло, выделяемое при протекании тока в теле человека, характеристикой которого является количество энергии dW, выделенное в массе тела dm за интервал времени dt. Так как приращение выделенной энергии dW за интервал времени dt является мощностью, то вводят понятие поглощенной удельной мощности (ПУМ) электромагнитной энергии в единице массы dm (Specific Absorption Rate - SAR).

.                                                  (1.8)

ПУМ выражается в единицах ватт на килограмм (Вт/кг).

ПУМ может быть выражена через приращение температуры тела dT за время dt, если известна его теплоемкость c_i:

 │_{t = 0}                                                     (1.9)

Для электромагнитных величин

,                                                (1.10)

где ρ - плотность ткани тела объема dV, кг/м³;

E_i - среднее квадратическое значение напряженности электрического поля в ткани (В/м);

σ - удельная проводимость ткани тела См/м.

По результатам медико-биологических исследований устанавливаются предельные значения ПУМ. Далее на основе установленных значений ПУМ проводят расчет ПДУ параметров внешнего электромагнитного поля. Для этого, как и в случае частот ниже 1 МГц, решается задача о возбуждении тока в модели человека, помещенной во внешнее электрическое (магнитное) поле на частотах до 10 МГц или в поле плоской волны на частотах выше 10 МГц. В результате решения этой задачи находится распределение ПУМ в модели при заданных параметрах внешнего электромагнитного поля. После этого устанавливают предельно допустимые значения напряженности внешнего электрического (магнитного) поля или параметров падающей плоской электромагнитной волны. При этом на частотах выше 10 МГц может использоваться любой из параметров плоской электромагнитной волны: напряженность электрического поля, напряженность магнитного поля, плотность потока энергии.

Однако как в рекомендациях ICNIRP, так и в нормативных документах ряда зарубежных стран устанавливаются не значения ПДУ, а лишь значения так называемых «контрольных (контролируемых) уровней» (reference levels), которые, по сути, не являются нормативными в понимании, принятом у нас в стране.

Все это относится к ПДУ, которые считаются гигиеническими, так как они устанавливаются исходя из вредного воздействия электромагнитного поля на человека. Относительно недавно появились ПДУ параметров электромагнитного поля, возбуждаемого видеодисплейными терминалами (ВДТ), которые также используются при контроле для обеспечения электромагнитной безопасности при работе с ВДТ, но устанавливаются по-другому. Такие ПДУ можно назвать техническими, и устанавливались они следующим образом. Для серии ВДТ были произведены измерения параметров электромагнитного поля, найдены средние значения этих параметров и эти средние значения либо сами, либо умноженные на коэффициент, меньший единицы, были взяты в качестве ПДУ. Как правило, полученные таким образом технические ПДУ более чем на порядок меньше гигиенических ПДУ. Такой подход для нормирования параметров электромагнитного поля, возбуждаемого ВДТ, получил широкое распространение, хотя эти стандарты являются стандартами на технические параметры, а не гигиеническими.

С недавнего времени получил распространение и еще один принцип гигиенического нормирования ЭМП, в первую очередь МП промышленной частоты - предупредительный принцип (precautionary principle). Впервые предупредительный принцип в отношении МП ПЧ был сформулирован в 1996 г. в Швеции. Национальный институт защиты от излучений, Национальный совет по электробезопасности, Национальный совет по здоровью и безопасности населения, Национальный совет по здоровью и социальному обеспечению, Национальный совет по строительству и планированию разработали совместный документ ADI 478 о степени биологического действия МП ПЧ. В октябре 2001 г. он нашел отражение в информационном сообщении ВОЗ «Electromagnetic fields and public health. Extremely low frequency fields and cancer», предупреждающем о возможной канцерогенности крайне низкоинтенсивных МП ПЧ и рекомендующем всеми доступными средствами ограничивать воздействие МП ПЧ на организм человека.

1.3.2. Основные нормативные документы (НД) по санитарно-эпидемиологическому нормированию воздействий электромагнитных полей на население

Система НД по санитарно-эпидемиологическому нормированию внепроизводственных воздействий ЭМП включает в себя нормативы, устанавливающие предельно допустимые значения параметров электромагнитных воздействий на человека, принципы и методы контроля и обеспечения защиты. В России эта система включает в себя нормативные документы, утверждаемые Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации по рекомендации Федеральной комиссии по государственному санитарно-эпидемиологическому нормированию при Министерстве здравоохранения Российской Федерации: санитарно-эпидемиологические правила и нормативы (СанПиН), гигиенические нормативы (ГН), предельно допустимые уровни (ПДУ), временные допустимые уровни (ВДУ). НД по электромагнитной безопасности населения приведены в списке литературы.

1.3.3. Санитарно-эпидемиологические нормативы для электромагнитных полей

Санитарно-эпидемиологические нормативы внепроизводственных воздействий ЭМП разработаны в нашей стране для отдельных диапазонов частот: электростатического поля, электрического и магнитного полей промышленной частоты (50 Гц); электромагнитного поля радиочастотного диапазона (30 кГц - 300 ГГц). Имеются также самостоятельные гигиенические нормативы для ЭМП от отдельных видов бытового оборудования: индукционных печей с диапазоном частот 20 - 22 кГц; СВЧ-печей с диапазоном частот 0,3 - 37,5 ГГц; ПЭВМ с диапазоном частот 5 Гц - 400 кГц и электростатическим потенциалом; средств сухопутной подвижной радиосвязи, включая сотовую связь с диапазоном частот 27 - 2400 МГц.

1.3.3.1. Санитарно-эпидемиологические нормативы для электростатического поля

Санитарно-эпидемиологическое нормирование внепроизводственных воздействий электростатических полей (ЭСП) осуществляется в соответствии с требованиями следующих нормативных документов: МСанПиН 001-96 «Санитарные нормы допустимых уровней физических факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях»; СанПиН 2.1.2.1002-2000 «Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям»; СН 2158-80, «Санитарно-гигиенический контроль полимерных стройматериалов, предназначенных для применения в строительстве жилых и общественных зданий». Согласно этим документам ПДУ ЭСП, устанавливаемых для товаров народного потребления, строительных и отделочных материалов, составляют 15 кВ/м (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Гигиенические нормативы воздействия электростатических полей на население России

Международной комиссией по защите от неионизирующих излучений (ICNIRP) не предложено каких-либо регламентов внепроизводственных воздействий ЭСП. В то же время стандарт Европейского комитета CENELEC предлагает контролируемый уровень воздействия на население, равный 14 кВ/м, т.е. практически совпадающий с принятым в России.

1.3.3.2. Санитарно-эпидемиологические нормативы для электрического и магнитного полей промышленной частоты (50 Гц)

При санитарно-эпидемиологическом нормировании внепроизводственных воздействий электрических и магнитных полей промышленной частоты (50 Гц) определяется напряженность ЭП и напряженность МП (магнитная индукция).

Нормирование ЭП частотой 50 Гц осуществляется в соответствии с требованиями СНиП 2971-84 «Санитарные нормы и правила защиты населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты»: МСанПиН 001-96 и СанПиН 2.1.2.1002-2000.

Причем, до недавнего времени регламентировались лишь уровни ЭП частоты 50 Гц, создаваемые воздушными линиями электропередачи напряжением 330 кВ и выше. При этом установленные ПДУ дифференцировались в зависимости от возможного времени пребывания населения - от 0,5 кВ/м внутри жилых зданий и сооружений и 1 кВ/м - на территории жилой застройки и до 20 кВ/м - в труднодоступной местности (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Гигиенические нормативы воздействия электрических и магнитных полей промышленной частоты (50 Гц) на население России

В МСанПиН 001-96 были установлены нормы на ЭП частоты 50 Гц, создаваемые лишь товарами народного потребления. В разработанном недавно СанПиН 2.1.2.1002-2000 устанавливаемые ПДУ распространяются на ЭП в любых типах жилых помещений и на территориях жилой застройки, составляя 0,5 и 1 кВ/м, соответственно, вне зависимости от источника ЭП.

До недавнего времени в Российской Федерации отсутствовали гигиенические нормы на МП частоты 50 Гц. В настоящее время имеется временный норматив, указанный в СанПиН 2.1.2.1002-2000.

Предложены два нормативных значения для МП: внутри жилых помещений и на территории жилой застройки, которые составляют, соответственно, 10 и 50 мкТл. В настоящее время ведется работа по созданию научно обоснованных ПДУ МП для населения.

Установленные в России ПДУ для электрических и магнитных полей промышленной частоты значительно ниже предложенных Международными рекомендациями ICNIRP значений контролируемых уровней, которые составляют 5 кВ/м и 100 мкТл (80 А/м) соответственно.

Ряд европейских (и не только европейских) государств в настоящее время придерживаются рекомендаций, предложенных ICNIRP. Это Австрия, Германия, Чехия, Австралия и Новая Зеландия, Испания, Италия и др.

В то же время в ряде стран или регионов, исходя из «предупредительного принципа», были предложены более жесткие ограничения уровней ЭП и МП ПЧ. Основанием для этого послужили полученные в последние годы данные о возможности неблагоприятного (вплоть до канцерогенного) влияния на здоровье человека слабых МП ПЧ.

Так, в Италии в провинции Венеции в 1998 г. был принят региональный закон, устанавливающий в местах проживания населения предельный уровень ЭП ПЧ 0,5 кВ/м, а МП ПЧ 0,2 мТл. 23 декабря 1999 г. Федеральный совет Швейцарии принял декрет по защите населения от неионизирующих излучений, согласно которому установлено два типа ограничения уровней ЭМП ПЧ. Как базовые приняты «контролируемые уровни» в соответствии с ICNIRP. Кроме того, принимаются более жесткие ограничения для различных типов электроустановок, включающих в себя воздушные и подземные линии электропередачи напряжением более 1 кВ, трансформаторные подстанции, распределительные подстанции, распределительные устройства, железнодорожный транспорт и трамвай. Согласно этим ограничениям предельно допустимый уровень МП ПЧ в жилых зданиях, детских учреждениях, больницах и т.д. составляет 1 мкТл.

1.3.3.3. Санитарно-эпидемиологические нормативы для электромагнитного поля радиочастотного диапазона

Основными документами, регламентирующими внепроизводственные воздействия ЭМП в диапазоне частот 30 кГц - 300 ГГц, являются СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03 «Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов», МСанПиН 001-96 и СанПиН 2.1.2.1002-2000.

Дополнительно регламентируются уровни ЭМП, генерируемые отдельными источниками:

индукционными печами - в диапазоне 20 - 22 кГц (в соответствии с СН 2550-82 «Предельно допустимые нормы напряженности электромагнитного поля, создаваемого индукционными бытовыми печами, работающими на частоте 20 - 22 кГц»;

СВЧ-печами - в диапазоне частот 0,3 - 37,7 ГГц (в соответствии с СН 2666-83 «Предельно допустимые уровни плотности потока энергии, создаваемой микроволновыми печами»);

персональными ЭВМ - в диапазоне частот 5 Гц - 400 кГц (в соответствии с СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы»);

средствами сухопутной подвижной радиосвязи в диапазоне частот 27 - 2400 МГц (в соответствии с СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190-03 «Гигиенические требования к размещению и эксплуатации средств сухопутной подвижной радиосвязи»).

Согласно требованиям СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03 устанавливаются ПДУ напряженности электрического поля для диапазона частот 30 кГц - 300 МГц и ПДУ плотности потока энергии (ППЭ) для диапазона частот 300 МГц - 300 ГГц. ПДУ различаются для разных частотных диапазонов и составляют: 25 В/м - для диапазона 30 кГц - 300 кГц; 15 В/м - для диапазона 0,3 - 3,0 МГц; 10 В/м - для диапазона 3 - 30 МГц, 3 В/м - для диапазона 30 - 300 МГц и 10 мкВт/см² - для диапазона 300 МГц - 300 ГГц (табл. 1.4). В диапазоне частот 300 МГц - 300 ГГц для случаев облучения от антенн, работающих в режиме кругового обзора и сканирования, ПДУ составляет 25 мкВт/см². Дополнительно СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03 и СанПиН 2.1.2.1002-2000 устанавливают нормы на интенсивности ЭМП, создаваемых радиолокационными станциями специального назначения; принципы определения ПДУ при облучении от нескольких источников ЭМП; требования к источникам ЭМП радиочастотного диапазона и требования к размещению передающих радиотехнических объектов (условия согласования, определения границ санитарно-защитных зон и зон ограничения застройки).

Национальные стандарты зарубежных стран и международные рекомендации устанавливают в одних случаях единые значения ПДУ для персонала и населения (например, Германия), в других - дифференцированные (Канада, Великобритания, ICNIRP). Дифференцируемый подход применяется и для контролируемых уровней ЭМП (США, Австралия, CENELEC).

В международных рекомендациях ICNIRP и CENELEC, а также в разработанных недавно гигиенических нормах в Польше регламентированы максимальные уровни ЭМП.

Таблица 1.4

Гигиенические нормативы воздействия электромагнитных полей радиочастотного диапазона (ЭМП РЧ) на население России

Как уже отмечалось ранее, в рекомендациях ICNIRP указываются не собственно ПДУ, а «основные ограничения» и «контролируемые уровни» (табл. 1.5). Причем «основные ограничения» уровней воздействия ЭМП на население определяются простым пересчетом из соответствующих величин для условий производственных воздействий с дополнительным коэффициентом гигиенического запаса, равным 5, а «контролируемые уровни» пересчитываются из этих значений, составляя в итоге величины в 2 - 5 раз меньшие, чем для условий производственных воздействий. Нормативы ICNIRP не относятся ни к стандартам, регламентирующим выпуск продукции, ни к руководствам по медицинскому оборудованию, ни к документам, устанавливающим требования к измерительной технике для определения контролируемых уровней или защитным мероприятиям.

Таблица 1.5

Контролируемые уровни производственных воздействий переменных электрических и магнитных полей (средние квадратические значения внешнего поля)

Как уже упоминалось выше, в России устанавливаются требования к параметрам ЭМП, создаваемых ВДТ, в соответствии с СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 (табл. 1.6).

Таблица 1.6

Контролируемые уровни воздействия электромагнитных полей, создаваемых видеодисплейными терминалами и персональными электронно-вычислительными машинами

Согласно требованиям СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190-03 «Гигиенические требования к размещению и эксплуатации средств сухопутной подвижной радиосвязи», гигиеническое нормирование уровней ЭМП, создаваемых базовыми станциями и радиотелефонами, осуществляется в диапазоне частот 27 - 2400 МГц. ПДУ воздействия на население ЭМП от базовых станций не отличается от значений, указанных в СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03 (табл. 1.7).

Таблица 1.7

Гигиенические нормативы воздействия электромагнитных полей, создаваемых средствами сухопутной подвижной радиосвязи, на население России

В европейском стандарте ENV 50166-2 ограничение уровней ЭМП от мобильных телефонов основано на концепции определения удельной поглощенной мощности в антропоморфном фантоме головы человека. ПДУ устанавливаются дифференцированно в зависимости от частоты, исходя из величины ПУМ, равной 2 Вт/кг, по величинам напряженности электрического и магнитного полей и ППЭ. Вследствие этого, ПДУ на частоте 450 МГц равен 225 мкВт/см² (29,2 В/м и 0,08 А/м); на частоте 900 МГц - 450 мкВт/см² (45,0 В/м и 0,11 А/м) и на частоте 1800 МГц - 900 мкВт/см² (60,0 В/м и 0,15 А/м) соответственно. ПУМ для массы 10 г усредняется в течение шести минут.

1.4. Контроль уровней электромагнитных полей

1.4.1. Требования к проведению контроля уровней

Для контроля уровней ЭМП, создаваемых различными источниками, используются расчетные и инструментальные методы.

Расчетные методы применяются преимущественно при проектировании новых или реконструкции действующих объектов. Для действующих источников контроль уровней ЭМП осуществляется с помощью инструментальных измерений.

Разработан ряд методических указаний, позволяющих регламентировать процедуру контроля уровней ЭМП, создаваемых различными источниками. Однако, эти документы не охватывают все необходимые случаи определения степени воздействия ЭМП различных частотных диапазонов на население.

«Методические указания по определению электромагнитного поля воздушных высоковольтных линий электропередачи и гигиенические требования к их размещению» № 4109-86 определяют как размеры санитарно-защитных зон воздушных линий электропередачи напряжением 330, 500, 750 и 1150 кВ, так и рекомендации по проведению инструментальных измерений в пределах санитарно-защитной зоны. Для контроля уровней ЭП частоты 50 Гц, создаваемых другими источниками, методические указания не разработаны. Имеются лишь отдельные рекомендации по принципам контроля в соответствующих нормативных документах. Однако, приведенные в СанПиН 2.1.2.1002-2000 принципы контроля уровней ЭП и МП частоты 50 Гц в местах проживания населения и в зоне жилой застройки представлены не корректно, вследствие чего в ближайшее время этот документ должен быть пересмотрен.

Для контроля уровней ЭМП радиочастотного диапазона от индукционных печей в диапазоне 20 - 22 кГц в СН 2550-82 указаны расстояния контроля 30 см.

Для контроля уровней ЭМП от СВЧ-печей в диапазоне 0,3 - 37,5 ГГц в СН 2666-83 указаны расстояния контроля 50 ± 5 см.

В СанПиН 2.1.8./2.2.4.1383-03 содержатся общие принципы контроля уровней ЭМП радиочастотного диапазона. Для обеспечения частных требований по контролю уровней ЭМП от определенных источников разработана серия методических указаний (МУК). ПДУ в них определяются методом расчета.

МУК 4.3.044-96 «Определение уровней электромагнитного поля, границ санитарно-защитной зоны и зон ограничения застройки в местах размещения передающих средств радиовещания и радиосвязи кило-, гекто- и декаметрового диапазонов»;

МУК 4.3.1677-03 «Определение уровней электромагнитного поля, создаваемого излучающими техническими средствами телевидения, ЧМ радиовещания и базовых станций сухопутной подвижной радиосвязи»;

МУК 4.3.678-97 «Определение уровней напряжений, наведенных электромагнитными полями на проводящие элементы зданий и сооружений в зоне действия мощных источников радиоизлучений»;

МУК 4.3.679-97 «Определение уровней магнитного поля в местах размещения передающих средств радиовещания и радиосвязи кило-, гекто- и декаметрового диапазонов»;

МУК 4.3.1676-03 «Гигиеническая оценка электромагнитных полей, создаваемых радиостанциями сухопутной подвижной связи, включая абонентские терминалы спутниковой связи».

Расчетные методы чаще всего находят применение при определении границ санитарно-защитных зон, зон ограничения застройки радиопередающих объектов, что является важным для составления санитарно-эпидемиологического заключения на объект.

Контроль уровней ЭМП в целях обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия населения, предотвращения поступления на потребительский рынок страны опасной для человека продукции (согласно Приказу Министерства здравоохранения Российской Федерации № 325 от 15.08.2001 г.) предусматривает также обязательную санитарно-эпидемиологическую экспертизу продукции, являющейся источником ЭМП.

1.4.2. Методы и приборы измерений характеристик электромагнитного поля

1.4.2.1. Напряженность электрического поля

Наиболее распространенным методом измерения параметров электрического поля является метод, в основе которого лежит свойство проводящего тела, помещенного в электрическое поле. Если поместить в электрическое поле незаряженное проводящее тело, то под действием электрического поля произойдет перераспределение электрических зарядов в теле и на его поверхности таким образом, что напряженность электрического поля в теле и касательная составляющая напряженности на его поверхности обратятся в нуль. При этом, кроме внешнего (падающего) поля, которое существовало в пространстве до внесения в него проводящего тела, появится электрическое поле, возбуждаемое зарядами на теле (рассеянное электрическое поле). Именно напряженность полного (суммарного, т.е. равного сумме внешнего и рассеянного) электрического поля в теле и касательная составляющая на поверхности должны равняться нулю. Равенство нулю касательной составляющей напряженности суммарного электрического поля на поверхности тела и напряженности суммарного электрического поля в теле означает, что потенциал суммарного электрического поля во всех точках тела одинаков. Этот потенциал называется потенциалом проводящего тела. Он равен потенциалу внешнего электрического поля в некоторой точке проводящего тела. Если проводящее тело находится в однородном электрическом поле, то эта точка совпадает с центром электрических зарядов тела (понятие центра электрических зарядов аналогично понятию центра масс в механике). Положение центра электрических зарядов зависит только от формы тела, и для тел, имеющих центр симметрии (шар, куб, цилиндр), совпадает с центром симметрии. Это значит, что потенциал проводящего шара (куба, цилиндра), помещенного в однородное электрическое поле, равен потенциалу внешнего электрического поля в центре шара (куба, цилиндра).

Если в однородное электрическое поле поместить два проводящих тела, то возникнет разность потенциалов, равная разности потенциалов внешнего электрического поля между центрами электрических зарядов тел. Эта разность потенциалов U связана с модулем напряженности внешнего электрического поля Е₀ соотношением

U = L E₀ cosθ,                                                        (1.11)

где L - расстояние между центрами электрических зарядов, θ - угол между вектором напряженности внешнего электрического поля и прямой, соединяющей центры электрических зарядов. Приведенное соотношение лежит в основе измерения напряженности электрического поля, так как связывает разность потенциалов U между двумя проводящими телами, которая может быть измерена, с модулем напряженности внешнего электрического поля. Все сказанное выше относится как к постоянному, так и переменному электрическим полям при условии, что в случае переменного электрического поля размеры системы, состоящей из проводящих тел, малы по сравнению с длиной волны.

Модуль напряженности постоянного электрического (электростатического) поля

Формально для измерения модуля напряженности постоянного электрического поля можно использовать описанный выше принцип и использовать соотношение (1.12), измеряя вольтметром постоянного тока с большим входным сопротивлением напряжение U между проводящими телами, образующими первичный преобразователь. Однако из-за конечного входного сопротивления вольтметра между проводящими телами будет протекать ток. В результате протекания тока тела будут заряжаться, а разность потенциалов между телами будет уменьшаться. При этом показания вольтметра будут меняться. Формула применима при бесконечно большом входном сопротивлении вольтметра. Чтобы избежать этого, первичный преобразователь приводят во вращение, тем самым, изменяя во времени угол θ. Если угловая скорость вращения первичного преобразователя ω, то получаем

U = L E₀ cosωt.                                                             (1.12)

Таким образом, на выходе первичного преобразователя (между проводящими телами) будет действовать переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна модулю напряженности внешнего электростатического поля. Измерение U позволяет найти модуль напряженности внешнего электростатического поля.

Существуют различные варианты описанного метода измерения модуля напряженности электростатического поля. Например, можно вращать первичный преобразователь вокруг его центра симметрии, а можно использовать несимметричный преобразователь, оставляя при вращении одно из проводящих тел неподвижным. Наконец, можно оставить оба тела неподвижными, а вращать дополнительное третье тело, которое периодически экранирует первичный преобразователь.

Среднее квадратическое значение напряженности переменного электрического поля

При измерении напряженности переменного электрического поля в качестве первичного преобразователя, как правило, используется дипольная антенна, размеры которой малы по сравнению с длиной волны. Дипольная антенна состоит из двух одинаковых, симметрично расположенных и изолированных друг от друга металлических тел. Это могут быть, например, два соосных цилиндра (цилиндрическая антенна), два соосных конуса, обращенных вершинами друг к другу (биконическая антенна), две тонкие металлические полоски на диэлектрическом основании, две параллельные пластины (конденсаторная антенна) и т.д. Дипольная антенна имеет ось симметрии, например, общую ось цилиндров у цилиндрической антенны или общую ось конусов у биконической антенны. Эта ось называется осью дипольной антенны.

Если поместить дипольную антенну в однородное электрическое поле, то между элементами, образующими дипольную антенну (цилиндрами, конусами и т.д.), возникнет переменное напряжение, мгновенное значение которого будет пропорционально проекции мгновенного значения напряженности электрического поля на ось дипольной антенны. Измерение среднего квадратического значения этого напряжения даст величину, пропорциональную среднему квадратическому значению проекции напряженности электрического поля на ось дипольной антенны. Здесь речь идет о внешнем электрическом поле, т.е. об электрическом поле, которое существовало в пространстве, до внесения в него дипольной антенны. Таким образом, основными элементами измерителя электрического поля (измерителя среднего квадратического значения напряженности переменного электрического поля) являются дипольная антенна и средний квадратический вольтметр.

1.4.2.2. Напряженность (индукция) магнитного поля

Модуль напряженности постоянного магнитного поля

Существует несколько типов измерительных преобразователей постоянного магнитного поля, основанных на различных физических явлениях. Однако, в диапазоне значений напряженности магнитного поля, принятом для измерения на соответствие санитарным нормам, обычно используются преобразователи, основанные на эффекте Холла. Их широкое распространение связано отчасти с тем, что они используются не только для измерения постоянного магнитного поля, но и позволяют измерять низкочастотное переменное поле.

Эффект Холла относится к гальваномагнитным явлениям, под которыми понимают ряд вторичных эффектов, возникающих при помещении проводника или полупроводника с током в магнитное поле. К ним относятся: возникновение разности потенциалов (эдс.), изменение электрического сопротивления проводника, возникновение разности температур.

Эффект Холла проявляется, если к паре противоположных граней прямоугольной пластины из полупроводника приложить напряжение, вызывающее постоянный ток. Под действием вектора индукции, перпендикулярного пластине, на движущиеся носители заряда будет действовать сила, перпендикулярная вектору плотности постоянного тока. Следствием этого будет возникновение разности потенциалов между другой парой граней пластины. Эту разность потенциалов называют эдс. Холла. Ее величина пропорциональна составляющей вектора магнитной индукции, перпендикулярной пластине, толщине пластины и постоянной Холла, которая является характеристикой полупроводника. Таким образом, зная коэффициент пропорциональности между эдс. и магнитной индукцией и измеряя эдс., определяют значение магнитной индукции.

Среднее квадратическое значение напряженности переменного магнитного поля

В качестве первичного преобразователя используется рамочная антенна, размеры которой малы по сравнению с длиной волны. Под действием переменного магнитного поля на выходе рамочной антенны возникает переменное напряжение, мгновенное значение которого пропорционально проекции мгновенного значения напряженности магнитного поля на ось, перпендикулярную плоскости рамочной антенны и проходящую через ее центр. Измерение среднего квадратического значения этого напряжения дает величину, пропорциональную среднему квадратическому значению проекции напряженности магнитного поля на ось рамочной антенны.

1.4.2.3. Плотность потока энергии электромагнитного поля

На частотах до нескольких десятков гигогерц плотность потока энергии измеряется в уже сформировавшейся электромагнитной волне, структура которой близка к структуре плоской волны. В этом случае плотность потока энергии связана с напряженностью электрического или магнитного поля. Поэтому для измерения плотности потока энергии используются фактически измерители среднего квадратического значения напряженности электрического или магнитного полей, которые отградуированы в единицах плотности потока энергии электромагнитного поля.

Перечень рабочих средств измерений, применяемых для контроля параметров электромагнитного поля, приведен в табл. 1.8.

Таблица 1.8

Рабочие средства измерений, применяемые для контроля параметров электромагнитного поля

1.4.3. Особенности контроля уровней ЭМП, создаваемых системами сотовой связи

Как уже указывалось выше, одним из сложных вопросов обеспечения электромагнитной безопасности населения на современном этапе является контроль уровней ЭМП, создаваемых системами сотовой связи.

1.4.3.1. Физические основы функционирования систем сотовой связи

Идея сотовых сетей, принадлежащая компании Bell System, привела в конце 40-х годов к созданию новой модели подвижной радиосвязи. Вместо использовавшейся ранее «радиовещательной модели» с передатчиком большой мощности, расположенным на возвышении и передающим радиосигналы в зоне большой площади, новая модель требовала множества менее мощных передатчиков, причем каждый из них специально предназначался для обслуживания только небольшой зоны, названной сотой (cell). Например, большой город с единственным мощным передатчиком мог быть разделен на множество небольших сот, каждая из которых оборудована одним маломощным передатчиком (рис. 1.5).

Весьма важными особенностями «сотовой архитектуры», с точки зрения электромагнитной безопасности населения, является использование передатчиков небольшой мощности. В этом главное отличие сотовой радиосвязи от традиционной.

В соответствии с международными рекомендациями, касающимися использования подвижной связи в диапазоне частот 862 - 960 МГц, стандарты GSM на цифровую глобальную сотовую систему наземной подвижной связи предусматривают работу передатчиков мобильных подвижных станций (радиотелефонов) в двух диапазонах частот: 890 - 915 МГц, и 935 - 960 МГц (для передатчиков базовых станций). В настоящее время в стадии освоения находится диапазон частот от 1710 до 1880 МГц.

Физическая связь между мобильной (МС) и базовой (БС) станциями осуществляется путем приема и передачи радиочастотного пакета, форма маски сигнала огибающей которого (допустимых пределов по амплитуде и временному интервалу) приведена на рис. 1.6, а.

Рис. 1.5. Схема сотовой связи в городской зоне

Рис. 1.6:

а - маска огибающей радиочастотного пакета; б - информационная часть радиочастотного пакета

Информационная часть радиочастотного пакета сосредоточена в области плоской части маски, находящейся между значениями минус 0,5 и 0 дБ. Передача информации осуществляется путем частотной модуляции несущей радиочастотного пакета, соответствующей цифровому сигналу (рис. 1.6, б).

Передатчики МС и БС характеризуются выходной мощностью, которая подается на антенну. Так как в сотовых системах связи используются одни и те же типы антенн, мощность на входе антенны однозначно связана с напряженностью электрического поля или плотностью потока энергии электромагнитного поля в дальней зоне. Поэтому мощность передатчика является параметром электромагнитной безопасности, использующимся в стандартах сотовой системы связи.

Термин выходная мощность в стандартах GSM относится к мощности, которая усредняется по информационной части радиочастотного пакета.

Термин пиковая мощность (ПМ) относится к максимальной мощности сигнала за время, достаточное для захвата сигнала и его измерения.

Термин выходная мощность крайне неудачен, так как не соответствует своему определению, что приводит к путанице. По существу, это среднее значение пиковой мощности за время длительности информационной части радиочастотного пакета. Поэтому далее он заменен термином средняя пиковая мощность (СПМ).

Классы мощности и соответствующие им значения СПМ приведены в табл. 1.9.

Таблица 1.9

Классы мощности и соответствующие им значения средней пиковой мощности

1.4.3.2. Определение параметров электромагнитной безопасности базовых станций

При эксплуатационных испытаниях базовых станций (БС) контролируют следующие параметры: среднюю мощность передатчика в режиме генерации несущей радиочастотного пакета, которая совпадает с СПМ; центральную частоту спектра излучения; ширину необходимой полосы излучений; уровни внеполосных излучений. Измеренные значения параметров излучений радиопередающих устройств БС должны соответствовать требованиям ГОСТ Р 50016-92, ГОСТ Р 50657-94 и эксплуатационной документации.

При санитарно-эпидемиологической оценке электромагнитной безопасности населения контролируется плотность потока энергии ЭМП.

В связи с тем, что передатчик БС работает в режиме, близком к непрерывной генерации (радиочастотные пакеты повторяются часто), при контроле ПДУ ЭМП используется измеритель средних квадратических значений напряженности электрического поля или измеритель средней плотности потока энергии, что соответствует гигиеническим требованиям.

1.4.3.3. Определение параметров электромагнитной безопасности МС в соответствии со стандартами связи GSM

Нормируемым параметром, определяющим одну из главных характеристик уровня ЭМП, создаваемого МС, является СПМ в режиме передачи сообщений. Для МС со встроенной антенной ее определяют через напряженность электрического поля в дальней зоне излучения МС. МС с встроенной антенной относятся к 5-му классу мощности.

Для проведения измерений электромагнитного поля МС необходимо обеспечить определенные режимы ее функционирования, которые в процессе эксплуатации задаются как системой сотовой связи через базовые станции, так и пользователем. Поэтому для установления соответствия МС требованиям стандартов сотовой связи GSM в состав испытательного оборудования обязательно должен входить имитатор (System Simulator), который при испытаниях МС заменяет БС и пользователя и обычно совмещается с приемником, для измерения ПМ.

Измерения напряженности электрического поля МС и определение СПМ производится следующим образом:

МС размещается в безэховой камере или на открытой испытательной площадке на изолированной подставке в положении, обеспечивающем нормальное функционирование.

Приемник с имитатором подключается к измерительной антенне, расположенной на расстоянии трех метров от МС. Имитатор подает вызов, по которому МС устанавливает режим работы с максимальной СПМ.

Измерение ПМ радиочастотного пакета МС, полученного с выхода антенны, осуществляется методом выборки. Приемник осуществляет захват пакета и проводит измерение значений ПМ сигнала в течение периода продолжительности радиочастотного пакета. Скорость сканирования приемника должна быть не менее 2/Т, где Т - один бит или период модуляции (3,69 мкс). Полученный массив содержит примерно 300 значений. Значения, которые соответствуют времени передачи информационной части радиочастотного пакета, усредняются и используются в качестве опорного уровня 0 дБ, соответствующего максимальной СПМ МС.

Полученный массив данных сравнивается с маской, приведенной на рис. 1.7, а. МС поворачивается на 360° (с шагом угла поворота 45°) и устанавливается в восьми положениях от 0 до 7. При этом в каждом положении МС устанавливается в режим работы с максимальной СПМ.

МС замещается полуволновой дипольной антенной, подключенной к измерительному генератору, резонансной на средней частоте диапазона, в котором осуществляется передача сигналов (902,5 МГц). Мощность измерительного генератора устанавливается такой, чтобы получить значения, соответствующие опорному уровню 0 дБ, измеренному на выходе антенны имитатором в восьми положениях МС. Эта операция повторяется на пяти частотах, соответствующих каналам передачи с 60 по 65. Образуется матрица 8´5, у которой значения, указанные в столбцах, соответствуют положениям МС при вращении, а в строках - частоте (номеру канала). Для каждого канала вычисляется средняя выходная мощность генератора Р_ас, подводимая к полуволновой дипольной антенне, по восьми устанавливаемым мощностям Р_пс при различных положениях МС

.

Далее используется соотношение, связывающее мощность в передающей антенне Р и напряженность электрического поля Е в дальней зоне излучателя,

,

где G - коэффициент направленного действия антенны (КНД); k = 2p/λ - постоянная распространения в свободном пространстве; λ - длина волны; r - расстояние до точки наблюдения.

Так как используется метод замещения, напряженности электрического поля, создаваемые МС и полуволновой дипольной антенной, одинаковы в месте расположения приемной антенны. Между мощностью, подведенной к полуволновой антенне (Р_ас), мощностью, подведенной к антенне, встроенной в МС (Р_мс), КНД дипольной антенны (G_a) и КНД антенны МС (G_м) существует связь Р_мс G_м = Р_ас G_a, по которой определяется мощность МС.

Для значений мощности, усредненной по каналам, получаем соотношение:

Р_м (относительно 1 мВт) = Р_а (относительно 1 Вт) + 30 + 2,15 дБ.

В этом соотношении предполагается, что КНД антенны МС равен единице (КНД выраженный в дБ, равен нулю), что соответствует изотропному источнику излучения. КНД полуволновой дипольной антенны, выраженный в дБ, равен 2,15.

Погрешность определения СПМ МС должна находиться в пределах ± 3 дБ.

1.4.3.4. Определение параметров электромагнитной безопасности МС в соответствии с европейскими стандартами EN

Разработан проект европейского стандарта EN 50361. Базовый стандарт по измерениям поглощенной удельной мощности (ПУМ) при облучении человека электромагнитными полями мобильных телефонов (300 МГц - 3 ГГц). Этот стандарт распространяется на любые передатчики МС в диапазоне частот от 300 МГц до 3 ГГц, у которых излучающая часть располагается в непосредственной близости от уха человека, включая переносные телефоны и т.д. Стандарт EN 50361 определяет методы и средства испытаний для измерения ПУМ.

,

где dP - электромагнитная мощность (для МС - СПМ), поглощенная в массе dm; σ - удельная проводимость среды (в данном случае - тканей тела человека); ρ - плотность среды (ткани); Е_i - среднее квадратическое значение напряженности электрического поля (для МС - за время информативной части радиочастотного пакета).

Измерения должны проводиться с помощью миниатюрного преобразователя, для определения распределения напряженности электрического поля внутри фантома, моделирующего голову человека, помещенного в ЭМП МС. Преобразователь устанавливается с помощью автоматической системы позиционирования. По измеренным значениям напряженности электрического поля рассчитываются распределение ПУМ и его среднее значение для максимальной массы. При измерении ПУМ должны выполняться следующие условия:

окружающая температура может быть установлена в пределах (15 - 30) °С с допустимым отклонением от установленного значения за время измерения ± 2 °С;

МС не должна взаимодействовать с локальной сетью связи;

должно быть устранено влияние посторонних источников радиочастотного излучения на результаты измерений;

должно быть устранено влияние искажений ЭМП МТ за счет окружающих предметов (пол, позиционер и т.д.);

проведение градуировки измерительной системы - не реже одного раза в год;

по размерам и форме фантом должен походить на голову и шею человека, так как форма является одним из основных параметров, влияющих на риск облучения;

свойства материалов, из которых изготовляется фантом, должны быть близки к свойствам тканей головы;

фантом должен служить сосудом для жидкости и позволять проводить сканирование электрического поля внутри него;

фантом не должен содержать лишних частей, например, рук.

Форма и размеры фантома должны быть основаны на антропометрических данных. Фантом должен иметь плоское ухо для МС.

Оболочка должна быть изготовлена из диэлектрического материала, тангенс угла потерь которого удовлетворяет требованиям: tgδ £ 0,05; │ε_r│ £ 5. Допуск на толщину оболочки в области установки МС должен находиться в пределах ± 2 мм.

Диэлектрические свойства жидкости фантома должны быть близки к диэлектрическим свойствам тканей человека и определяться выражениями:

ε_r = 46,52 - 0,006 f + 1,59·10^-6 f² - 1,40·10^-10f³,

σ = 0,8054 + 0,00015 f + 4,12·10^-8 f² + 2,87·10^-11 f³,

где ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость;

σ - удельная проводимость жидкости, См/м;

f - частота, МГц.

В обязательном приложении D к стандарту EN 50361, посвященному процедуре аттестации (validation) измерительной системы, рекомендуемой для измерения ПУМ от МС, кроме технических подробностей приведены и некоторые организационные аспекты, которые могут дать представление как о точности определения ПУМ, так и системе испытаний МС:

передаваемые для испытаний образцы МС должны быть представлены трем институтам, уполномоченным национальными комитетами;

каждая МС испытывается индивидуально производителем, для того чтобы ее СПМ находилась в пределах ± 0,3 дБ от требуемой величины и в том же диапазоне, что и измеренная в безэховой камере;

институтам также предоставляется оборудование для контроля частоты и СПМ МС;

при оценке погрешности измерительной системы должно проводиться сравнение с контрольными значениями ПУМ. Контрольные значения ПУМ определяются путем межлабораторных сличений и поступают от институтов, указанных выше.

Если расхождения между измеренными и контрольными значениями превышают ± 15 % (± 0,5 дБ), то проводится переаттестация системы.

1.4.3.5. Сравнение методов определения параметров электромагнитной безопасности МС в стандартах GSM u EN

Сравним основные положения методов определения параметров МС с встроенной антенной, связанных с электромагнитной безопасностью, которые доступны для потребителя и изложены в стандартах сотовой связи GSM, с методами определения, изложенными в стандартах EN.

1. Параметрами, подлежащими определению в результате измерений, являются СПМ радиочастотного пакета (GSM) и (ПУМ) в тканях человека или фантоме (EN).

2. СПМ и ПУМ являются расчетными величинами, измеряемой величиной является напряженность электрического поля.

3. Измерения проводятся в безэховой камере (GSM) и в проводящей среде внутри фантома (EN).

4. СПМ определяется по измерениям в дальней зоне МС (GSM), ПУМ - в ближней зоне МС (EN).

5. Измерения проводятся при максимальной СПМ МС в установившемся режиме связи (EN), задаваемой с помощью имитатора.

6. Ответственность за достоверность определения параметров, связанных с электромагнитной безопасностью, несет производитель (GSM) и уполномоченные институты (EN), которые, кроме средств испытаний МС, используемых производителем, оснащены специфическими средствами испытаний (фантомами, позиционерами, изотропными преобразователями напряженности электрического поля для измерений в проводящей среде).

7. Точность относительных измерений СПМ у производителя характеризуется пределами допускаемой погрешности ± 0,25 дБ (рис. 1.6, а), абсолютных измерений - ± 3,0 дБ. Точность относительных измерений в уполномоченных институтах составляет ± 0,6 дБ, а абсолютных измерений параметра ПУМ в диапазоне значений от 0,4 до 10 Вт/кг - ± 30 % (1,14 дБ). Таким образом, отношение абсолютных и относительных погрешностей измерений, выраженных в процентах, у производителя равно 16,8, а у институтов - 2. Если отношение, полученное производителем, верно, то пределы погрешности абсолютных измерений ПУМ должны оцениваться величиной не менее чем ± 5,5 дБ. В связи с этим оценка погрешности измерения ПУМ, приведенная в EN, выглядит недостоверной.

1.4.3.6. Нормирование ЭМП МС (далее - подвижные станции) в России

В СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190-03 «Гигиенические требования к размещению и эксплуатации средств сухопутной подвижной радиосвязи» установлена процедура контроля уровней ЭМП от МС. Контроль уровней напряженности электрического поля и ППЭ ЭМП, создаваемых подвижными станциями, осуществляется при выдаче санитарно-эпидемиологического заключения на продукцию.

Измерения уровней напряженности электрического поля и ППЭ ЭМП, создаваемых подвижными станциями, должны проводиться в условиях, позволяющих стабильно обеспечивать максимальный уровень излучения ЭМП от подвижной станции.

При санитарно-эпидемиологической экспертизе мобильных станций сухопутной радиосвязи осуществляется:

1. Оценка уровней напряженности ЭМП, создаваемых подвижными станциями в диапазоне частот 27 - 30 МГц, которая производится при измерении контролируемых уровней на расстоянии 0,38 м от аппарата. При этом контролируемый уровень напряженности электрического поля не должен превышать 1,5 В/м.

2. Оценка уровней напряженности ЭМП, создаваемых подвижными станциями в диапазоне частот ³ 30 - 300 МГц, которая производится при измерении контролируемых уровней на расстояниях от аппарата, указанных в табл. 1.10. При этом контролируемый уровень напряженности электрического поля не должен превышать 1,5 В/м.

3. Оценка уровней ППЭ ЭМП от аппаратов подвижной связи (в диапазоне частот ³ 300 - 2400 МГц) по измерениям на расстояниях, соответствующих зоне сформированного поля, с обратным пересчетом в величины ближней зоны.

Таблица 1.10

Расстояния, на которых следует проводить измерения напряженности ЭМП от подвижных станций, работающих в диапазоне частот ³ 30 - 300 МГц

4. Измерение контролируемых уровней ППЭ ЭМП от подвижной станции, работающей в диапазоне частот ³ 300 - 2400 МГц:

для диапазона частот ³ 300 - 800 МГц - на расстояниях от передней панели аппарата, представленных на рис. 1.7 (в том числе, на частоте 450 МГц - на расстоянии 620 мм);

Для диапазона частот ³ 800 МГц - 2400 МГц - на расстоянии 370 мм.

5. При этом контролируемый уровень ППЭ ЭМП в диапазоне частот ³ 300 МГц - 2400 МГц не должен превышать 3 мкВт/см².

Рис. 1.7. Расстояния, на которых следует проводить измерения ППЭ ЭМП от подвижных станций, работающих в диапазоне частот ³ 300 - 800 МГц

В заключение авторы отмечают, что проблема электромагнитной безопасности пользователей МС находится в стадии исследований. Это связано с тем, что механизмы воздействия на человека электромагнитного поля радиочастотных пакетов, на которых основана сотовая связь GSM, недостаточно изучены.

Однако, при определении параметров электромагнитной безопасности наиболее распространенных МС со встроенной антенной (радиотелефонов), измеряемой является напряженность электрического поля радиочастотного пакета. Через нее определяются СПМ и ПУМ. Чем меньше значение напряженности поля, создаваемого радиотелефоном, тем эти величины меньше и меньше фактор риска.

В настоящее время пользователям радиотелефонов авторы могут рекомендовать, чтобы:

1) при покупке радиотелефона обращали внимание на значение параметра «выходная мощность». (Чем оно меньше, тем меньше фактор риска от воздействия ЭМП);

2) при наборе вызываемого номера или при автоматическом наборе номера не держали радиотелефон у головы, так как в этом режиме он создает уровень ЭМП в несколько раз превышающий уровень ЭМП в режиме установившейся связи;

3) пользовались радиотелефоном только в необходимых случаях.

1.5. Метрологическое обеспечение измерений параметров электромагнитного поля

Согласно Закону Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений» измерения, проводимые на соответствие требованиям нормативных документов по электромагнитной безопасности, относятся к сфере государственного метрологического контроля и надзора. Это означает, что используемые при этих измерениях средства измерений должны пройти испытания для целей утверждения типа, внесены в Государственный реестр, т.е. должны иметь сертификат об утверждении типа средств измерений и, наконец, должны быть поверены согласно утвержденной методике поверки на соответствующем рабочем эталоне. Рабочий эталон является источником эталонного поля или эталонным измерителем электрического или магнитного поля, который, в свою очередь, должен быть поверен в соответствии с одной из поверочных схем, приведенных в ГОСТ 8.030-91, ГОСТ 8.097-73, ГОСТ 8.560-94, ГОСТ Р 8.564-98, ГОСТ Р 8.574-2000. В перечисленных стандартах указаны следующие государственные эталоны.

Государственный первичный эталон единиц магнитной индукции постоянного поля, постоянного магнитного потока, отношения магнитной индукции переменного поля к силе тока и отношения магнитного потока к магнитной индукции;

Государственный специальный эталон единицы напряженности магнитного поля в диапазоне частот 0,01 - 30 МГц; Государственный первичный эталон единицы напряженности электрического поля в диапазоне частот от 0,0003 до 1000 МГц; Государственный специальный эталон единицы электрической емкости в диапазоне частот от 1 до 100 МГц;

Государственный первичный эталон единицы плотности потока энергии электромагнитного поля в диапазоне частот от 0,3 до 78 ГГц. Поверка измерителей напряженности электрического и магнитного полей (магнитной индукции) проводится методом прямых измерений напряженности эталонного электрического или магнитного поля (магнитной индукции), воспроизводимого в рабочем эталоне, либо непосредственным сличением с эталонными измерителями. В методике поверки конкретного измерителя указываются значения напряженности электрического или магнитного поля (магнитной индукции) и частоты, при которых должны проводиться эти измерения. Результат поверки считается положительным, если во всех поверяемых точках модуль разности между измеренным и установленным значениями - не более погрешности измерителя.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛ. 1

1. Закон РФ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения».

2. Закон РФ «Об обеспечении единства измерений».

3. ГОСТ 8.030-91. ГСИ. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений магнитной индукции постоянного поля в диапазоне 1·10^-12 + 5·10^-2 Тл, постоянного магнитного потока, магнитной индукции и магнитного момента в интервале частот 0 - 20000 Гц.

4. ГОСТ 8.097-73. ГСИ. Государственный специальный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений напряженности магнитного поля в диапазоне частот от 0,01 до 300 МГц.

5. ГОСТ 8.560-94. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений напряженности электрического поля в диапазоне частот 0,0003 - 1000 МГц.

6. ГОСТ Р 8.564-98. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений электрической емкости в диапазоне частот от 1 до 100 МГц.

7. ГОСТ Р 8.574-2000. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений плотности потока энергии электромагнитного поля в диапазоне частот 0,3 - 178,4 ГГц.

8. СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03. Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов.

9. СанПиН 2.1.2.1002-2000. Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям.

10. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы.

11. СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190-03. Гигиенические требования к размещению и эксплуатации средств сухопутной подвижной радиосвязи.

12. МСанПиН 001-96. Санитарные нормы допустимых уровней физических факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях.

13. МУК 4.3.044-96. Определение уровней электромагнитного поля, границ санитарно-защитной зоны и зон ограничения застройки в местах размещения передающих средств радиовещания и радиосвязи кило-, гекто- и декаметрового диапазонов.

14. МУК 4.3.1676-03. Гигиеническая оценка электромагнитных полей, создаваемых радиостанциями сухопутной подвижной связи, включая абонентские терминалы спутниковой связи.

15. МУК 4.3.1677-03. Определение уровней электромагнитного поля, создаваемого излучающими техническими средствами телевидения, ЧМ радиовещания и базовых станций сухопутной подвижной радиосвязи.

16. МУК 4.3.678-97. Определение уровней напряжений, наведенных электромагнитными полями на проводящие элементы зданий и сооружений в зоне действия мощных источников радиоизлучений.

17. МУК 4.3.679-97. Определение уровней магнитного поля в местах размещения передающих средств радиовещания и радиосвязи кило-, гекто- и декаметрового диапазонов.

18. МУК 4.3.1067-02. Определение плотности потока энергии в местах размещения радиосредств, работающих в диапазоне частот 300 МГц - 300 ГГц.

19. Методические указания по определению электромагнитного поля воздушных высоковольтных линий электропередачи и гигиенические требования к их размещению. № 4109-86.

20. СН 2550-82. Предельно допустимые нормы напряженности электромагнитного поля, создаваемого индукционными бытовыми печами, работающими на частоте 20 - 22 кГц.

21. СН 2666-83. Предельно допустимые уровни плотности потока энергии, создаваемой микроволновыми печами.

22. СН 2158-80. Санитарно-гигиенический контроль полимерных стройматериалов, предназначенных для применения в строительстве жилых и общественных зданий.

23. СНиП 2971-84. Санитарные нормы и правила защиты населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты.

24. Радиационная медицина: Руководство для врачей-исследователей и организаторов здравоохранения. - Т. IV. Гигиенические проблемы неионизирующих излучений / Под общ. ред. Л.А. Ильина - М.: ИздАТ, 1999.

25. Григорьев Ю.Г., Степанов B.C., Григорьев О.А., Меркулов А.В. Электромагнитная безопасность человека. - М.: Российский национальный комитет по защите от неионизирующего излучения, 1999.

26. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. - М.: «ЭКО-ТРЕНДЗ», 1998.

27. Измеров Н.Ф., Пальцев Ю.П., Суворов Г.А., Тарасова Л.А., Никонова К.В., Рубцова Н.Б., Походзей Л.В., Левина А.В. Неионизирующие электромагнитные излучения и поля: Руководство «Физические факторы. Эколого-гигиеническая оценка и контроль». -Т. 1. - М.: Медицина, 1999. - С. 8 - 95.

28. Никонова К.В., Савин Б.М. Гигиеническое обоснование подходов к нормированию радиоволн//Методологические вопросы гигиенического нормирования электромагнитных излучений радиочастотного диапазона: Сб. научн. тр. - М.: НИИ ГТиПЗ АМН СССР, 1979. - С. 43 - 59.

29. Никольский В.В.. Теория электромагнитного поля. - М.: Изд-во «Высшая школа», 1964.

30. Савин Б.М. Проблема гигиенического нормирования электромагнитных излучений радиочастотного диапазона на современном этапе//В кн. «Методологические вопросы гигиенического нормирования ЭМИ радиочастотного диапазона». - М. - НИИ ГТиПЗ АМН СССР, 1979.

31. Суворов Г.А., Пальцев Ю.П., Хунданов Л.Л., Рубцова Н.Б., Никонова К.В., Походзей Л.В. Неионизирующие электромагнитные излучения и поля (Экологические и гигиенические аспекты). - М. - 1998.

32. Чечурина Е.Н. Приборы для измерения магнитных величин //Электроизмерительные приборы. - Выпуск 13. - М.: Изд-во «Энергия», 1969.

33. Феер К. Беспроводная цифровая связь. - М.: «Радио и связь», 2000.

34. ADI 478. Low-frequency electrical and magnetic fields: the precautionary principle for national authorities, GrafiskaGruppen, - Stockholm - 1996.

35. CENELEC ENV 50166-1:95. Human exposure to electromagnetic fields. Low frequency (0 to 10 kHz).

36. CENELEC ENV 50166-2:95. Human exposure to electromagnetic fields. High frequency (10 kHz to 300 GHz).

37. CLC/TC lll(SEC) 10. European Committee for Electrotechnical Standardization (CENELEC) // Norms in frequency range 3 Hz-30 kHz. - 1993.

38. CENELEC EN 50361. Basic Standard for the measurement of Specific Absorption Rate relatid to human exposure to electromagnetic fields from mobile phones (300 MHz - 3 GHz).

39. ETSITS 100 573. Digital cellular telecommunications system. Physical layer on the radio path. General description (GSM 05.01).

40. ETS 3005777. European digital cellular telecommunications system. Radio transmission and reception (GSM 05.05).

41. ICNIRP. Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields (up to 300 GHz). Health Phys. 74: 494 - 522 - 1998.

42. WHO Fact Sheet № 263 (October 2001) «Electromagnetic fields and public health. Extremely low frequency fields and cancer».

43. Kheifets L. EMF and cancer: epidemiological evidence to date. In Pros. «WHO meeting on EMF biological effects and standards harmonization in Asia and Oceania». 22 - 24 October, 2001. Seoul, Korea. P. 13 - 16.

44. Vecchia P. Italian and Swiss regulations on exposure to electromagnetic fields. // Proc. Of Eastern Europenian Regional EMF Meeting and Workshop «Measurements and Criteria for Standard Harmonization in the Field of EMF Exposure» and WHO EMF Standards Harmonization Meeting. Ed. By M.Israel and M.Repacholi - Varna - Bulgaria - 2001 - P. 117 - 118.

Глава 2. ИЗЛУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА

С.И. Аневский, Ю.М. Золотаревский, B.C. Иванов, А.Ф. Котюк, О.А. Минаева, Н.П. Муравская, М.Н. Павлович, В.И. Саприцкий

2.1. Характеристики оптического излучения

Наиболее широко для характеристики интенсивности оптического излучения при определении степени его воздействия на организм человека применяется энергетическая и эффективная освещенность. Энергетическая освещенность (ЭО) или облученность в точке поверхности определяется как отношение потока излучения, падающего на элемент поверхности, содержащий рассматриваемую точку, к площади этого элемента. Энергетическая освещенность обозначается символом Е и измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²)

E = dФ/dA,                                                          (2.1)

где dФ - поток излучения или мощность излучения; dA - площадь элемента поверхности.

Для измерения энергетической освещенности в различных диапазонах длин волн используются радиометры оптического излучения. Энергетическая освещенность определяется выражением

,                                                      (2.2)

где λ - длина волны,

λ₂, λ₁ - длины волн границ участка спектра, в котором проводятся измерения;

Е (λ) - спектральная плотность энергетической освещенности (СПЭО);

К₁ - коэффициент пропорциональности, определяемый выбором размерности величин.

Радиометры применяются для измерений энергетической освещенности в следующих диапазонах ультрафиолетового излучения:

Для области инфракрасного излучения (0,78 - 1000) мкм также принято деление на диапазоны:

Стандартная относительная спектральная чувствительность S(λ) радиометра должна иметь постоянные значения в рабочем диапазоне длин волн (λ₂, λ₁) и значения, равные нулю, вне диапазона длин волн (λ₂, λ₁), так что показания радиометра I пропорциональны измеряемому значению энергетической освещенности

,                                                       (2.3)

где К₂ - коэффициент пропорциональности.

Степень приближения реальной относительной спектральной чувствительности радиометра к стандартной оценивается по критериям, разработанным в рекомендациях Международной комиссии по освещенности МКО № 53 [17], и определяет погрешность радиометра оптического излучения.

Спектрорадиометры оптического излучения предназначены для измерения спектральной плотности энергетической освещенности (СПЭО) в ваттах на кубический метр Вт/м³. Значения ЭО излучения определяют интегрированием СПЭО по длинам волн в соответствии с выражением (2.2). Спектрорадиометры позволяют также определить эффективную освещенность E^eff интегрированием СПЭО по длинам волн с учетом безразмерного спектрального коэффициента относительной эффективности K^eff (λ) оптического излучения

.                                                      (2.4)

Примеры табулированных значений K^eff (λ) представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Значения коэффициентов относительной эффективности