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论电磁辐射和手机辐射对人体的影响

物理与微电子学院2002021001042 陈学磊

摘要:近年来,随着科技与国民经济的快速发展,电磁波从广播、电视、电话、无线通讯、雷达监测等领域日益深入到人们的生产和生活活动中。电磁波在造福人类的同时,又给环境带来不利的影响,起着电磁污染的作用,从而危害人们的健康。实际上,有关电磁辐射对人体危害程度方面的研究早在上世纪五十年代就开始了,到目前还没完全搞清楚。虽然电磁辐射和电离辐射相比能量很小,远不足以使物体电离,不会对生物产生电离辐射的危害,但是电磁辐射对生物的影响不容忽视。近年来,手机已经成为当今电信产业中发展最快的产品之一。由于使用时手机天线非常靠近人头部,手机产生的电磁辐射是否会对人体产生危害,是一个值得严重关注和探讨的问题。

一、电动力学的理论基础

   实际情况下,由于各种电磁波发射体的结构比较复杂多样,具体分析比较困难。下面仅以电偶极辐射为模型给出一般性的结论。

在远区条件(r λ)下电偶极辐射的能流密度为

总辐射功率为:

由上式知,若保持电偶极矩振幅不变,则能流密度、辐射功率正比于频率的四次方,频率变高时辐射功率迅速增大。

对于高频辐射源,其辐射功率和在不太远处的能流密度就生物体细胞而言是相当可观的。以下就来谈一谈电磁辐射对人体的作用

 

二、电磁辐射损伤人体的作用过程

在过去30年间,科学家致力于电磁辐射与生物体之间的相互作用的研究。他们将辐射能在生物体中的吸收以及随之而来的生物物理和生物化学过程的直接相互作用定义为原始作用,将由原始作用所引起的生物机体的结构和功能的变化定义为生物效应。在原始作用的部位产生的瞬间生物效应可以引起进一步的急性和慢性的间接变化。

电磁场对生物组织的作用产生两类初级效应,其一是生物体内自由电荷或离子在电磁场的作用下将产生振动,从而导致传导电流的产生,并伴有由于介质本身的电阻而造成的电磁能量的损耗现象;其二是生物体内的偶极子发生取向运动,按外界电磁场的频率旋转,直接影响了通过介质的位移电流,同时伴有由于粘度而发生的能量损耗现象。

在外界电磁场的作用下,机体组织对电磁能量的吸收取决于组织内的含水量,而且与频率、来波方向与角度、机体的结构、生理状态等因素密切相关。一般情况下,在电磁辐射范围内,最早发生的过程就是生物体大量吸收能量子或发射能量子以及体内分子在电磁场作用下的互相碰撞而引起的能量吸收和反射。有理由认为:电磁辐射对生物体的初级效应,其最大可能性是分子的内部运动及其重新排列。生物体分子的旋转、振荡与弛张等效应均可引起热效应的发生,使体温升高。

关于生物体内各个部分之间存在着不同频率的电波传递生物信息的假说,同样也是对初级效应的一个说明。由于生物体内各个部分,一个细胞内各个成分之间等有着生物电流,犹如一架电台在发射电波信息,维持生物体的同步效应与生物节律等正常功能。在产生初级效应后,由于温度的上升随即会产生次级效应。

外界电磁场与生物体的相互作用非常复杂,但只有进入生物体内直接与生物系统发生相互作用的电磁场才是产生生物学效应的直接因素,因此确定进入生物体内的电磁场分布非常重要,这一任务由实验或理论电磁剂量学来完成。20世纪90年代,人们采用FDTD法进行了大量的数值分析。王长清等(1992)在350MHz利用分辨率(人体组织的网格尺寸)为2.62cm的人体非均匀块状模型分析了偶极子天线与人体的作用,并取得了与Stuchly等(1985)用测量方法所得相当一致的结果。P.J.Dimbylow等(1993)在900 MHz1900 MHz分析了偶极子天线对人头非均匀模型的作用。P.J.Dimbylow等(1994)在900 MHz1800 MHz分析了几种单极天线手机对人头的作用,首先用到由核磁共振成象建立的人头颅模型,使分辨率提高到2mm

多年来,微波和射频辐射对生物体的原始作用几乎全部用电磁场理论方法(把生物体看作是一种电介质)考虑,其结论是:从吸收能量的生成分子动能(即生热)的转化过程是唯一有意义的机制。然而在实验观察和可以作出的理论解释之间有着一些脱节的地方(Cleary;BaranskiCzerski)。这表明了非热效应也可能在起作用。

虽然电磁生物学的作用机制目前尚不完全清楚,但是"致热学说""非致热学说"已大体定局,即认为电磁生物学效应包括两种效应机制:一种是热效应,另一种是非热效应。

三、什么是热效应(Thermal effect)?

所谓热效应就是指吸收电磁辐射能后,组织或系统产生的直接与热作用有关的变化。
由于生物体可以视为由电阻和电容构成的复杂组合体,所以比喻为装满生理盐水的大容器是极为恰当的。

电介质中整个分子呈中性,但中性分子的电荷分布是不平衡的。当然,电介质分子的正负电荷在平时有的是重合的,有的是不重合的。正负电荷的中心重合时是非极性分子,正负电荷的中心不重合时,称为极性分子。在电场作用下,非极性分子的电荷分别朝相反的方向运动,致使分子发生极化作用,被极化的分子称为偶极子。在电场作用下,极性分子发生重新排列,这种作用称为偶极子的取向作用。由于射频电磁场方向变化很快,使的偶极子迅速发生取向作用。在取向过程中,由于偶极子与周围分子(粒子)的碰撞摩擦作用而产生大量的热。关于热效应的机理已经了解得比较清楚,生物体接受电磁辐射以后,体内的水分子会随电磁场的方向转换快速运动而使机体升温(如图一所示)。如果吸收的辐射能很多,靠生物体的温度调节来不及把吸收的热量散发出去,则会引起体温升高,并引发各种证状。不同类型的人或同一人的不同器官对热效应的感受能力不一样。体弱者如老人儿童等属于敏感人群,心脏、眼睛和生殖系统属于敏感器官。


图一 水分子随电磁场的方向转换快速运动示意图

所以当机体处在电磁场的作用下,人体内的分子发生重新排列。由于分子间的碰撞摩擦,消耗了电能而转化为热能引起热作用。此外,人体内还有电介质溶液,其中的离子因受到电场的作用而发生移动,当频率很高时将在其平衡位置振动,也能使电介质变热。同时由于机体内某些成分为导体,而且在不同程度上具有闭合回路的性质,还可产生局部性感应涡流,而导致生热。由于机体内各个部分的导电、导热性能不同,电磁场对各个组织的热作用也不一样。

热效应的学说比较合理的解释了电磁场使生物体生热的原因,但是它不能解释低强度的电磁辐射所引起的脑电、心电及血压等生理或病理的变化。

四、什么是非热效应(Non-thermal effect)?

根据电磁辐射防护规定(GB8702-88)的定义所谓非热效应是指吸收电磁辐射能后,组织或系统产生的与直接热作用没有关系的变化。

因为其随机性较大,非热效应的研究不能像热效应的研究那样易于进行实验论证,对非热效应机理的解释也不能像致热作用那样清楚。对于致热作用,可以用物理模型来解决,不要求对于生物学的知识理解太深,而非热效应的研究要求必须精通生物学和电磁学。

目前对非热效应的机理了解得还不十分充分,但确实存在这种效应:即吸收的辐射能不足以引起体温升高,但确出现生物学变化或反应。这类效应会影响人体的神经系统、循环系统、免疫功能、生殖功能等,研究发现,严重时会诱发癌症。在不引起体温变化的低强度作用条件下出现的神经衰弱及心血管系统机能紊乱提示了电磁场有非致热作用存在的可能性。动物的条件反射出现反应潜伏期延长、反射脱落次数增多。近年来有报道,相当低强度的微波辐射能诱发耳蜗及下丘脑的电活动。脑电波也可因射频电磁波作用的出现而出现异常波。有的人认为射频电磁场作用于生物的体表感受器,兴奋了脑干网状结构的上行系统,最后作用于大脑皮层。也有人认为是直接作用于脑组织的缘故。有人对具有"心绞痛症候群"的微波作用症患者,测得一昼夜尿中肾上腺素及正肾上腺素排出量高于对照组。还有人报道人体在低强度辐射后,下丘脑-垂体-肾上腺系统的改变及交感神经-肾上腺系统神经体液调节机能紊乱。他们认为无论射频电磁波作用于哪个机能环节,都会发生植物神经紊乱。因此所谓非热效应就是植物神经紊乱学说。这个学说的主要缺点是构成学说的关键环节还缺乏直接的实验论证,只是提供了一个比较粗糙的轮廓。因此对于非热效应的研究是未来电磁生物学研究的主要方向。

电磁场在生物体中的热效应和非热效应存在于电磁场对人体作用过程的始终。致热作用是按电磁场场力的平方率增加;而非热效应大致是随场力线性递增的。当场力小于某一限值Ec时,非热效应大于热效应,当场力大于Ec时,热效应大于非热效应。因此,在高电平辐射场情况下,电波的致热作用就占了主导地位;而在长时期的低辐射电磁场作用下,电磁场的非致热作用占主导地位。因此高场强与低场强的研究方向是有区别的,在高场强时出现的现象不一定会在低场强时出现,这一点对于制定辐射防护标准时的研究工作尤其重要。

五、移动通信手机天线对人体有什么影响?

移动通信系统的迅速发展使各种手持式收发信机(以下简称手机)已经成为当今电信产业中发展最快的产品之一。1997年时,我国手机用户就已经突破一千万。由于使用时手机天线非常靠近人头部,手机产生的电磁辐射是否会对人体产生危害,是一个值得严重关注和探讨的问题。


图二 手机引起的眼内升温

手机的频段集中在超高频段300-3000MHz。用数值分析方法求解Maxwell方程来确定人头部的电磁场分布是合理的,电磁场的生物效应都可直接或间接的归因于热效应。

目前在国内生产和销售的手机主要有GSM和CDMA两种,二者的辐射难分伯仲,但辐射的方式略有不同,GSM手机对固定电话、音箱、电脑屏幕等产生干扰,而CDMA手机则没有,这是因为CDMA手机信号工作的方式是连续的,而GSM手机发射的是脉冲信号,普通电器的电磁信号一般也是脉冲式的,相互间容易引起电磁耦合从而产生干扰,但不能作为评判手机辐射大小的依据。

手机辐射的大小,在国际科学界有一套比较完备的计量标准,就是所谓的SAR值。SAR是Specific Absorption Rate的缩写,即“比吸收率”。就是单位时间内单位质量的物质吸收的电磁辐射能量。

GSM手机和CDMA手机在发射信号的方式上有所不同,但对人体的作用没有什么区别。所有的手机上市前,必须通过一项手机辐射的检测。从这个意义上说,现在所有上市的手机又都是安全的。

陈金元等分析835Mhz辐射功率为600mW手机天线对人头颅的作用,结论明确指出人体全身平均SAR (W/kg)SARmax,lg均低于ANSI/IEEE C95.1-1992所规定的安全标准,可见人体吸收蜂窝电话发射功率的很小部分,可以认为其能量尚不足以加速致癌物与细胞的反应,因此看不出使用蜂窝电话与脑癌等疾病的联系。由于卫生标准的制定是"基于电磁场对人体产生有害效应的损伤阈值乘以安全系数"而得到的,既然手机作用下的SAR值低于卫生标准限值,则更远低于损伤效应阈值。因此"使用手机对人体是否有害"的问题是乐观的,但是:首先,卫生标准的制定需要不断完善,其次,以上温度分析是在较大分辨率上进行的。再次,由于研究方法和研究环境的不同,模型设计不同,对同一现象会导致不同的结果。因此,对于电磁辐射的生物效应的研究需要更深入的研究。