电磁辐射污染与防治
 

近年来,随着经济的快速增长,环境保护事业也迅速发展,人们越来越重视自己生存环境的变化,人类的健康需要适宜的物理环境。但随着世界电子技术的高度发达,各式各样的电磁波充满人类的生存空间,如微波炉、电脑、手机等的广泛应用在给生活带来便利的同时也对环境造成严重的物理性污染,影响着人类的健康,这些足以引起人们的警惕。本文运用所学知识,从电磁辐射的物理特性、传播途径、危害预防等方面,阐述其表现形式、危害程度,使人们能增强防范意识、远离污染、减小危害。

 

  1 电磁辐射的物理特性

 

  任何交流电在其周围空间都会产生交变的电场,交变的电场又产生交变的磁场,交变的磁场又反过来会产生新的交变电场。这种交变的电场与交变的磁场相互垂直、以源为中心向周围空间交替的产生且以一定的速度传播的波,称为电磁辐射(也称电磁波)。确切的说电磁辐射是一个包括广播频率(220MHz~3600MHz)、电视频率(30MHz~300 MHz)和无线电频率(30MHz以下)的广泛的波。

 

  从波动学的观点来描述电磁辐射时其基本物理量有:

 

  波长:沿着波的传播方向,两个相邻的同相位质点间的距离;单位为米(m)。

 

  周期:物体完成一次全振动所需的时间;T单位为秒(s)。

 

  频率:单位时间内所完成的周期数;单位为赫兹(Hz)。

 

  三者之间的关系为:f=1/T=c/λ。

 

  从量子学的观点分析,所有电磁辐射都是由运动的粒子组成,则其能量取决与频率(f)。

 

  W=h·f

 

  h:普朗克常量  h=663×10-27焦耳·秒

 

  在远离场源的地方,电场强度与磁场强度在量值上的关系:ε01/2E=?01/2H

 

  式中ε0=885×10-12库仑2/牛顿·米2,是真空中的介电常数;

 

  ?0=4π×10-7牛顿/安培2,是真空中的磁导率。

 

  E=?0/ε01/2H=377HEH且都与传播方向垂直。

 

  因此在没有实物媒质存在时,它的传播速度为光速,电磁辐射可按其波长、频率排列成几个频率段,形成电磁波谱,频率越高该辐射的能量越大,其生物学作用也越强(表1:部分电磁波谱)。

 

1 部分电磁波谱

 

波长(厘米)

频率(赫)

红外线

3×10^-4

10^14

微波

3×10^-2

10^12

雷达波

3×10^0

10^10

短波、无线电波、调幅波

3×10^4

10^6

长波、无线波

3×10^6

10^4

 

  2 电磁辐射污染源的分类

 

   影响人类生活环境的电磁辐射根据其污染源大致可分为两大类:天然电磁辐射污染源和人为电磁辐射污染源。

 

  21 天然电磁辐射污染源

 

  天然的电磁辐射污染来自于地球的热辐射、太阳热辐射、宇宙射线、雷电等,是由自然界某些自然现象所引起的(表2:天然电磁辐射污染源)。在天然电磁辐射中,以雷电所产生的电磁辐射最为突出。由于自然界发生某些变化,常常在大气层中引起电荷的电离,发生电荷的蓄积,当达到一定程度就会引起火花放电。火花放电频率极宽,可从几千赫兹一直到几百兆赫兹。另外,如火山爆发、地震和太阳黑子活动也都会产生电磁干扰,天然的电磁辐射对短波通讯的干扰特别严重,这也是电磁辐射污染源之一。

 

2 天然电磁辐射污染源

     

              

大气与空气污染源

自然界的火花放电、雷电、台风、高寒地区飘雪、火山喷发……

太阳电磁场源

太阳黑子活动与黑体放射……

宇宙电磁场源

银河系恒星的爆发、宇宙间电子的移动……

 

  22 人为电磁辐射污染源

 

  人为电磁辐射污染源产生于人工制造的若干系统,如:电子设备、电气装置等,主要来自广播、电视、雷达、通讯基站及电磁能在工业、科学、医疗和生活中的应用设备。人为电磁场源按频率不同又可分为工频场源和射频场源。工频场源(数十至数百赫兹)中,以大功率输电线路所产生的电磁污染为主,同时也包括若干种放电型场源。射频场源(0.13000MHz)主要指由于无线电设备或射频设备工作过程中所产生的电磁感应与电磁辐射。射频电磁辐射频率范围宽,影响区域大,对接近场区的工作人员能产生危害,是目前电磁辐射污染环境的重要因素(表3:人为电磁辐射污染源)。

 

  在人为污染源所组成的电磁辐射中对人类的健康危害最大的是微波辐射。目前,微波辐射主要应用于无线电导航、定位、通讯、天文学、气象学等;在工业方面,如微波加热技术已被应用于木材及某些食品的干燥和酿酒等;在医学研究方面,有的单位试用小剂量微波治疗心肌梗塞,有一定的止痛及改善血液循环作用。有的医院还用微波对某些癌症病人进行试验性治疗,在日常生活中微波炉已经走进家庭。

 

  总的来说,现在环境中的电磁辐射主要来源于人为电磁辐射污染源。来自天然电磁辐射污染源的电磁辐射相对于人为电磁辐射污染源的危害已可忽略不计。而且随着科学技术的不断发展,人们受到的人为电磁辐射污染源的电磁危害还将会继续增大,因此我们应根据主要的电磁辐射污染源来有效的治理和防治来自电磁辐射的危害。

 

3 人为电磁辐射污染源

分类

设备名称

污染来源与部件

电晕放电

电力线(配送电线)

由于高电压、大电流而引起静电感应、电磁感应、大地泄漏电流所造成

辉光放电

放电管

白光灯、高压水银灯及其他放电管

弧光放电

开关、电气铁道、放电管

点火系统、发电机、整流装置

 火花放电

电气设备、发动机、冷藏车

发电机、整流器、放电管、点火系统

工频感应场源

大功率输电线、电气设备、

电气铁道

高电压、大电流的电力线场电气设备

射频辐射场源

无线电发射机、雷达

广播、电视与通风设备的振荡

与发射系统

高频加热设备、热合机、

微波干燥机

工业用射频利用设备的工作电路

与振荡系统

理疗机、治疗机

医学用射频利用设备的工作电路与振荡系统

家用电器

微波炉、电脑、电磁灶、

电热毯

功率源为主

移动通信设备

手机、对讲机

天线为主

建筑物反射

高层楼群以及大的金属构件

墙壁、钢筋、吊车

 

  3 电磁污染的传播途径

 

  通过了解主要的电磁辐射污染源,我们可将电磁污染的途径大致分为空间辐射、导线传播和复合污染三种。

 

  31 空间辐射

 

  当电子设备或电气装置工作时,会不断向空间辐射电磁能量,设备本身就是一种多型发射天线。

 

  由射频设备所形成的空间辐射,分为两种:一种是以场源为中心,半径为一个波长之内的电磁能量传播,是以电磁感应方式为主,将能量施加于附近的仪器仪表、电子设备和人体上;另一种是在半径为一个波长之外的电磁能量传播,以空间放射方式将电磁波施加于敏感元件和人体之上。

 

  32 导线传播

 

  当射频设备与其他设备共用一个电源供电时,电磁能量(信号)就会通过导线进行传播。另外,信号的输出与输入电路、控制电路等也能在强电磁场中“拾取”信号,并将“拾取”的信号再进行传播。

 

  33 复合污染

 

  当空间辐射与导线传播同时存在时所造成的电磁污染。

 

  4 电磁辐射的危害

 

  电磁辐射的危害我们可以通过以下几个主要的方面来说明:电磁辐射对人体的影响、电磁辐射对人体影响的机理和电磁辐射对仪器设备的干扰和破坏。

 

  41 电磁辐射对人体的影响

 

  411 电磁辐射对人体影响的因素

 

  功率:设备输出功率越大,辐射强度越大,对人体的伤害越严重。例如,接触高场强的人员与接触低场强的人员,在神经衰弱的发生率方面有极明显的差别。

 

  频率:辐射能的波长越短,频率越高,对人体的伤害越大。例如,对国内从事中波与短波工作的部分人员进行体检的资料表明,在血压方面,两臂血压收缩压差大于10mmHg的,中波组占10.28%,短波组占13.4%;舒张压差大于10mmHg的,中波组占7.12%,短波组占12.25%

 

  距离:离辐射源越近,辐射强度越大,对人体的伤害越大。

 

  振荡性质:脉冲波对机体的不良影响比连续波严重。

 

  作用时间与作用周期:作用时间愈长,即受暴露的时间愈长,对人体的影响愈严重。对作用周期来说,周期愈短,影响愈严重。实践证明,从事射频作业的人员接受电磁辐射的时间愈长(指累积作用时间),例如:工龄愈长,一次作业时间愈长等等,所表现出的症状就愈突出,连续作业所受的影响比间断作业也明显的多。

 

  作业现场环境温度和湿度:温度和湿度愈高,机体所表现出的症状愈突出,愈不利于散热,对作业人员的身体健康影响愈大。加强通风降温,控制作业场所的温度和湿度,是减小电磁辐射对机体影响的一个重要手段。

 

  年龄与性别:大量的调查研究说明,电磁辐射因性别和年龄的不同,对人体的影响程度也不一样,一般儿童和女性比较敏感。

 

  另外,研究表明,人体被照射的面积越大,伤害越严重;人体血管较少的部位传热能力较差,较容易受到伤害。

 

  412 电磁辐射对人体不良影响的主要表现

 

  由前面讨论知道:电磁辐射危害的一般规律是随着波长的缩短,对人体的作用加大,微波的作用最突出。研究发现,电磁场的生物活性随频率加大而递增,就频率对生物学活性而言,即微波>超短波>短波>中波>长波,频率与危害程度亦成正比关系。不同频率段的电磁辐射,在大强度与长时间作用的前提下,对人体的不良影响主要体现在以下几个方面:

 

  增加患白血病的概率。长期处于高电磁辐射的环境中,会使血液、淋巴液和细胞原生质发生改变。医学研究证明,遭受电磁辐射人群患白血病的几率是常人的2.93倍。而且由于儿童的大脑吸收的辐射是成年人的2~4倍,因此电磁辐射对儿童的影响更为严重。

 

  诱发癌症并加速人体的癌细胞增殖。电磁辐射污染会影响人体的循环、免疫等系统,严重的还会诱发癌症,并加速人体的癌细胞增殖。瑞士研究资料指出,周围有高压线经过的住户居民,患乳腺癌的概率比常人高7.4倍。美国一家癌症医疗基金会针对一些遭受电磁辐射损伤的病人所做的抽样化验结果表明,在高压线附近工作的工人,其癌细胞生长的速度比一般人快24倍。

 

  影响人们的生殖系统。主要表现为男子性功能减退、精子质量降低、脱发以及白发;孕妇发生自然流产和胎儿畸形等,专家对某一专业系统的16名女性电脑操作员的追踪调查发现,接触电磁辐射污染组的操作员月经紊乱明显高于对照组,其中810次怀孕中就有46次出现异常妊娠。还有研究报告指出,孕妇每周使用20小时以上电脑,其流产率增加80%,同时畸形儿出生率也有所上升。

 

  影响人们的心血管系统。其表现为头晕、乏力、失眠、心悸、记忆力减退、神经衰弱综合症等。

 

  影响人们的视觉系统。由于眼睛属于人体电磁辐射的敏感器官,过高的电磁辐射污染会对人体视觉系统造成影响,主要表现为视力下降,引起白内障等。

 

  另外,高强度的电磁辐射还会影响以及破坏人体原有的生物电流和生物磁场,使其发生异常。

 

  当然,这些影响也不是绝对的,它因工作人员的身体状况的不同而有所差异。工作人员身体条件以及性别、年龄不同,高频电磁场对机体的影响也不相同。因此,研究高频电磁场辐射对人体的不良影响是一个综合分析的过程。

 

  而且,关于电磁辐射对人体的危害已有许多事例:如1976年苏联为监听美国驻苏联使馆的通讯情况,向使馆发射微波,使馆工作人员长期处于微波环境中,结果造成使馆内接受体检的313人中有64人淋巴细胞平均数高出正常范围的44%,有15人患腮腺癌等。

 

  42 电磁辐射对人体影响的机理

 

  电磁辐射作用与人体之后,一部分被体表反射,一部分被吸收,一般认为可分为热效应和非热效应。

 

  421 热效应

 

  生物体吸收电磁辐射能量并将其转换为热能后,当超过体温调节能力时,可使局部温度或整体体温升高,导致生理功能紊乱或组织结构改变等生物学效应,即电磁辐射的热效应。

 

  组成人体细胞和体液的分子大都是极性分子,在微波电磁场辐射作用下,使原来无规则排列的分子沿电场方向排列起来,因微波电场方向变化很快,极性分子在改变取向时与四周粒子发生摩擦而产生大量热;人体内电解质溶液中的离子也因电磁场的作用发生振荡而使人体发热;此外,机体某些成分为导体(如体液),可产生局部感应电流而生热,因此,可使体温升高。

 

  微波辐射对人体的影响,最突出的是造成植物神经功能紊乱。一是电磁场直接作用在细胞膜上,改变膜形态、膜电位、膜的通透性,从而使人体中正常神经信号的传导受到影响。二是据最新研究发现人脑中存在着矿物磁性颗粒,在手指大小的一块脑组织中,有高达500万粒尺寸在百万分之一英寸长、百万分之十英寸高的磁性颗粒晶体。外界高频电磁场可能与之发生作用,并影响脑功能、扰乱神经系统的活动。因辐射强度的大小不同可引起如下等症状:遭受辐射强度小者多见血压下降、心动过缓等迷走神经功能亢进现象;遭受辐射强度大者可能会有心动过缓、血压波动或升高等交感神经功能亢进现象。

 

  微波辐射还会引起眼睛损伤,眼睛是人体对微波辐射比较敏感和易受伤害的器官。一般认为眼部无脂肪层覆盖,晶状体含有较多水分,又缺少血管散热,受微波致热效应后,晶状体蛋白质凝固并有酶代谢障碍而造成晶体混浊,严重的导致白内障。更强的微波辐射会使角膜、虹膜、前房同时受到伤害,以致视力完全丧失。

 

  422 非热效应

 

  微波辐射对人体的作用除了热效应外,还有非热效应的存在,即在大多数情况下,机体接受低强度电磁辐射后不引起组织温度升高,但却出现一些生物效应,例如神经衰弱症及某些植物神经功能紊乱,称为电磁辐射的非热效应。至于非热效应问题,正在进一步研究之中。一般认为人体被电磁波辐射后,体温并没有明显升高,但已经干扰了人体固有的微弱电磁场,造成细胞内遗传基因发生畸形突变,进而诱发白血病和肿瘤,还会引起胚胎染色体的改变,导致婴儿的畸形和孕妇的自然流产。即使人体处在强度不大的微波辐射环境中,往往也会出现一些生理反应,长时间的微波辐射可破坏脑细胞,使大脑皮质细胞活动能力减弱,已形成的条件反射受到抑制,反复经受微波辐射可引起神经系统机能紊乱。另外,长期的微波辐射可引起血液内白细胞和红细胞数量减少,并使血凝时间缩短。

 

  微波辐射对人体的危害,另一特点是累积效应。一般一次低功率照射之后会受到某些不明显的伤害,经过四至七天之后可以恢复。如果在恢复之前受到第二次照射,伤害就会累积,这样多次之后就会形成明显的伤害。而长期从事微波工作,长期受到低功率照射的工作人员,在停止微波工作后四至六周才能恢复。但必须指出只有低功率照射受损的人体机能才能恢复。而功率很大,从事此项工作时间又长,损害将会是永久的。

 

  43 电磁辐射对仪器设备的干扰和破坏

 

  人类社会进入了信息时代,环境中电磁辐射的污染也在与日俱增,有的地方已超过自然本底值的几千倍以上。实际上,电磁辐射作为一种能量流污染,人类无法直接感受到,但它却无时不在。电磁辐射污染不仅对人体健康有不良影响,而且对其他电器设备也会产生干扰和破坏。

 

  电磁辐射对仪器设备的干扰:电磁辐射可直接影响到各个领域中的电子设备、仪器仪表的正常运行,造成对工作设备的电磁干扰。一旦产生电磁干扰,有可能引发灾难性的后果。如干扰广播、电视信号和通讯信号,使设备仪表的自控系统失灵,飞机飞行指示信号失误。强电磁辐射还会构成对某些武器、弹药的严重威胁,如使导弹制动系统失灵,后果将不堪设想。尤其是对于安装有心脏起搏器的人,使用手机将干扰起搏器的正常工作,如美国就曾发生一起因电磁干扰使心脏起搏器失灵而使病人致死的事件。

 

  对电器设备的干扰这几年最突出的情况有三种:一是无线通信发展迅速,如发射台、站的建设缺乏合理的规划和布局,使航空通信受到干扰;二是一些企业使用高频工业设备对广播、电视信号造成干扰;三是一些原来位于郊区的广播台发射站,后来随着城市的发展,被市区所包围,电台发射的电磁辐射干扰了当地百姓收看电视。

 

  电磁辐射的破坏:电磁辐射还可以引起火灾或爆炸事故。如在强电磁场中金属与金属等材料摩擦时会发生打火现象,若此时周围有可燃性物质,还会引起燃烧或爆炸造成严重损失。

 

  5 电磁辐射污染的防治

 

  根据电磁辐射的传播途径,我们知道其中大量的、主要的电磁污染是通过空间直接传播的。为了防止电磁辐射对周围环境的有害影响,我们必须将电磁辐射的强度减小到允许的程度或将有害影响限制在一定空间范围内。目前,关于电磁辐射的危害问题,世界各国都制定了相应的标准(表4:世界各地射频辐射职业安全标准限值)。

 

  各国制定的这些标准,对广播、电视发射台等的建设提出了预防性的防护、环保措施,对于加强电磁辐射污染的治理起到了规范与监督的作用。

 

4 世界各地射频辐射职业安全标准限值

国家及来源

频率范围

标准限值

备注

美国国家标准协会

10MHz~100GHz

10mW/cm2

在任何01h之内

英国

30MHz~100GHz

10mW/cm2

连续8h作用的平均值

北约组织

30MHz~100GHz

05mW/cm2

 

加拿大

10MHz~100GHz

10mW/cm2

在任何01h之内

波兰

300MHz~300GHz

10μW/cm2

辐射时间在8h之内

法国

10MHz~100GHz

10mW/cm2

在任何1h之内

德国

30MHz~300GHz

25mW/m2

 

澳大利亚

30MHz~300GHz

1mW/cm2

 

中国

100kHz~30MHz

10mW/cm2

20V/m5A/m

捷克

30kHz~30MHz

50V/m

均值

 

  一般对于电磁辐射的防护,我们应该注意以下几点:

 

  51 对于电磁辐射源的屏蔽与控制

 

  屏蔽就是采用一定的技术手段,将电磁辐射的作用和影响限制在所规定的空间内,防止传播与扩散。屏蔽可分为主动场屏蔽和被动场屏蔽。通常可采用板状、片状或网状的金属组成的外壳来进行屏蔽。同时为了保证高效率的屏蔽作用,防止屏蔽体成为二次辐射源,屏蔽体应该有良好的接地。此外还可利用反射、吸收等减少辐射源的泄漏来加强防护。

 

  控制电磁辐射污染源,还应采取综合性的防护措施,如工业的合理布局,使电磁辐射源远离居民区;改进电器设备,实行遥控、遥测。另外应注意个人防护措施,可以通过特制的保护物将人体与辐射波隔离开来。

 

  52 生活中对电磁辐射的防护

 

  如不要把家用电器摆放得过于集中或经常一起使用,特别是电视、电脑、电冰箱不宜集中摆放在卧室里,以免使自己暴露在超剂量辐射的危险中。

 

  各种家用电器,办公设备,移动电话等都应尽量避免长时间操作。如电视、电脑等电器需要较长时间使用时,应注意每一小时离开一次,采用眺望远方或闭上眼睛的方式,以减少眼睛的疲劳程度和所受辐射的影响。

 

  当电器暂停使用时,最好不让它们处于待机状态,因为此时可产生较微弱的电磁场,长时间也会产生辐射累积。

 

  对各种电器的使用,应保持一定的安全距离。如眼睛离电视荧光屏的距离,一般为荧光屏宽度的5倍左右;微波炉开启后要离开一米远,孕妇和小孩应尽量远离微波炉;手机在使用时,应尽量使头部与手机天线的距离远一些,最好使用分离耳机和话筒接听电话。

 

  电视或电脑等有显示屏的电器设备可安装电磁辐射保护屏,使用者还可佩戴防辐射眼镜。显示屏产生的辐射可能导致皮肤干燥,加速皮肤老化甚至导致皮肤癌,因此在使用后应及时洗脸。还可以在电脑桌下摆放一盆植物如仙人掌或放一盆水,它们可以吸收一部分电磁辐射以减小电磁辐射对人体的伤害。

 

  手机接通瞬间释放的电磁辐射最大,为此最好在手机响过一两秒或电话两次铃声间歇中接听电话。

 

  多吃胡萝卜、西红柿、海带、瘦肉、动物肝脏等富含维生素AC和蛋白质的食物,加强肌体抵抗电磁辐射的能力。如绿茶中含有丰富的维生素CE,特别是茶多酚,具有很强的抗氧化活性,可以清除人体内的氧自由基,从而起到抗辐射、增强机体的免疫力作用,因此多喝绿茶可减小电磁辐射对人体的伤害。

 

  结束语:

 

  本文运用所学物理知识对电磁辐射的物理特性、传播途径、对人体的影响等方面进行了阐述,希望能帮助人们有效的预防电磁辐射的危害。当然,研究和治理电磁辐射污染是环境保护科学中的一个重要内容,随着电能的利用和不断发展,电磁辐射污染对人体健康的危害也越来越严重。环保部门应对电磁辐射污染制定出相应的法规,并进行监测,确保人类的生存环境符合电磁辐射的安全卫生标准。
发布日期:2015-2-16 

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