Теоретические основы защиты окружающей среды от излучений

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОТ ИЗЛУЧЕНИЙ

Техногенные источники электромагнитных полей (ЭМП). Земля с момента своего существования подвергалась воздействию внешнего электромагнитного излучения из Космоса. В процессе этого воздействия происходят сложные, взаимосвязанные явления в магнитосфере Земли, оказывающие влияния на живые организмы биосферы и среду обитания самым непосредственным образом. В процессе эволюции живые организмы в определенной степени адаптировались к естественному фону электромагнитных полей. Однако, вследствие научно-технического прогресса электромагнитный фон Земли не только увеличился, но и претерпел качественные изменения. Появились электромагнитные излучения, имеющие искусственное происхождение, с длинами волн, находящимися, например, в миллиметровом диапазоне. Опасность данного вида электромагнитного излучения состоит в следующем. Миллиметровое излучение внеземного происхождения поглощается атмосферой Земли и не достигает ее поверхности, поэтому живые организмы не имеют адаптации к этим волнам. В настоящее время в зонах с высокоразвитой наукоемкой промышленностью электромагнитный фон Земли особенно возрос.

К основным источникам Электромагнитных излучений относятся телевизионные и радиолокационные станции, мощные радиотехнические объекты, промышленное технологическое оборудование, высоковольтные линии электропередач промышленной частоты и т. п. Надо отметить, что кроме стационарных существуют еще и подвижные (или передвижные).

Спектральная интенсивность некоторых техногенных источников электромагнитных излучений может существенным образом отличаться от эволюционно сложившегося естественного электромагнитного фона и к которым привык человек и другие живые организмы биосферы. Следовательно, необходима защита от такого вида излучений. Для выбора оптимальных средств защиты необходимо определить основные характеристики источников излучения: диапазон частот излучения, его энергия и мощность, режим работы, диаграмма направленности, особенности распространения в атмосфере, биологическое действие, тип поляризации и т. п.

Спектр электромагнитных излучений, освоенный человечеством в настоящее время, очень широк – от сверхдлинных волн (несколько тысяч метров и более) до коротковолнового γ-излучения (с длинной волны 10-12см).

Электромагнитные природу имеют радиоволны, свет, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, рентгеновские лучи и γ-излучение. Существуют определенные области электромагнитного спектра, в которых генерация и регистрация волн затруднена. [Длинноволновый и коротковолновый концы спектра определены не очень строго]. Эффективность генерации и детектирования в области больших длин волн, тем меньше, чем больше длина волны. Для получения колебаний очень высоких частот требуется очень высокая концентрация энергии, а регистрация этих колебаний затруднена из-за большой проникающей способности коротковолнового излучения, и, следовательно, его незначительного поглощения.

Таблица 4

Шкала электромагнитных волн

Длина, м	Название волн	Частота, Гц
10 - 1 1 - 0,1 0,1 - 0,01 0,0 1 1 1 10 10-13 - ≤10-14 ≤10-14	Сверхдлинные волны Километровые волны (длинные радиоволны) НЧ Гектаметровые волны (средние радиоволны) СЧ Декаметровые волны (короткие радиоволны) ВЧ Метровые (ультракороткие) Дециметровые (телевидение) СВЧ Сантиметровые (радиолокация) СВЧ Миллиметровые Субмиллиметровые Инфракрасное излучение Видимый диапазон 0,76 мкм – 0,38 мкм 4,3∙1014 Гц – 7,5∙1014 Гц Ультрафиолетовое излучение Рентгеновское излучение (мягкое) γ-излучение (жесткое) Космические лучи	3∙102 - 3∙∙105 3∙∙106 3∙∙107 3∙∙108 3∙∙109 3∙1093∙1010 3∙1∙1011 3∙10113∙1012 3∙1012 3∙1∙1019 3∙1∙1021 3∙1021 ≥3∙1022

Видимый диапазон составляет наибольшую часть оптического диапазона. Границы инфракрасного диапазона (невидимые тепловые лучи) определяются примерно от длинноволнового участка видимого диапазона до субмиллиметровых волн включительно. За коротковолновой границей видимого диапазона простирается большая часть ультрафиолетового диапазона (ближний, средний, дальний УФ), вплоть до рентгеновского диапазона. Границы переходов УФ-излучения, рентгеновского и γ-излучения точно не фиксированы. Гамма-излучение, обладающее значительной проникающей способностью, переходит в излучение очень больших энергий, называемое космическими лучами.

Излучения с длинной волны от 106 до 10-3 м Международным консультативным комитетом радиосвязи (МККР) установлены для радиосвязи. Причем, волны с λ= 106 – 104 м и частотами 3··104 Гц – относятся к промышленным частотам, а к радиодиапазонам отнесены волны с частотами 3··1010 Гц.

Под оптическим диапазоном в радиофизике, оптике, квантовой электронике понимается диапазон длин волн приблизительно от субмиллиметрового до дальнего ультрафиолетового излучений.

Несмотря на единую электромагнитную природу каждый из диапазонов электромагнитных колебаний отличается своей техникой генерации и измерений.

В таблице приведены некоторые техногенные источники электромагнитного излучения в различных диапазонах спектра, которые показывают насколько широк спектр освоенных электромагнитных излучений.

Таблица 5

Название

Диапазон частот

Радиотехнические объекты Радиопередающие станции Радиолокационные и радионавигационные станции Телевизионные станции Плазменные установки Термические установки Высоковольтные линии электропередач Рентгеновские установки Лазеры Мазеры (СВЧ диапазон) Технологические установки Ядерные реакторы Источники ЭМП специального назначения (наземные, водные, подводные, воздушные), применяемые в радиоэлектронном противодействии

30 кГц – 30 МГц 30 кГЦ – 300 МГц 300 МГц – 300 ГГц 30 МГц – 3 ГГц 3∙1∙1017 Гц 3∙1∙1015 Гц 3∙∙104 Гц (статическое электричество) 3∙1∙1019 Гц 3∙1∙1016 Гц (оптический диапазон) 3∙∙1011 Гц (3∙∙1∙1∙1011) ВЧ, СВЧ, УК, УФ, видимый рентгеновский диапазон Рентгеновское и γ-излучение, ИК и видимое излучение 3∙∙107 Гц (радиоволны) оптический диапазон, акустические волны (комбинированность действия)

Биологическое действие ЭМП. Влияние электромагнитных полей на биосферу разнообразно и многообразно. Для изучения этой трудной и важной проблемы требуется комплексный подход при участии широкого круга специалистов: биологов, медиков, геофизиков, биофизиков и т. д. Бесспорно одно, что солнечно-земные связи – это звенья одной цепи, создающие естественный фон околоземного пространства, существенным образом влияющим на живые организмы. С другой стороны бесспорно следующее. В результате антропогенной деятельности увеличивается общий электромагнитный фон окружающей природной среды не только в количественном, но и в качественном отношении. В результате широкого использования в современном производстве и технологии электромагнитных полей и других физических полей появились источники техногенного происхождения, отличающиеся по своим характеристикам от традиционных источников, к которым живые организмы биосферы адаптировались в процессе эволюции. Например, миллиметровые волны, некоторые участки ИК диапазона, УФ, рентгеновские, γ-излучения, инфразвуковые и ультразвуковые колебания, сильные электростатические и магнитные поля и т. д. в существенной степени изменяют естественный фон. При этом возможно не простое наложение техногенных физических полей на естественный фон, а происходит их более сложное взаимодействие друг с другом, что существенно может влиять на устойчивость экосистем.

К группам повышенного внимания относятся дети, беременные женщины, люди с заболеваниями центральной нервной системы, гормональной, сердечно-сосудистой систем, с ослабленным иммунитетом, алергики, которые особенно внимательно должны соблюдать правила электромагнитной безопасности в быту.

Солнечно-земные связи и биосфера. Взаимодействие физических полей с биосферой в настоящее время рассматривают, как уже указывалось, под углом зрения солнечно-земных связей. Начальным звеном этой причинно-следственной зависимости, являются процессы, протекающие на Солнце. Электромагнитные и корпускулярные излучения Солнца и Космоса активно взаимодействуют с магнитосферой Земли, которая хотя и является определенной защитой околоземного пространства от этих потоков, но с другой стороны, магнитосферные процессы и ее флуктуации влияют вместе с Солнцем на состояние атмосферы, литосферу и гидросферу Земли, на живые организмы. За столетний период выявлены циклические колебания в жизни растительного, животного мира и людей, совпадающие с периодами циклических колебаний активности Солнца и возмущенности магнитосферы Земли. Исследование этих зависимостей имеет большое практическое значение для прогнозирования наводнений, засух, неблагоприятного периода для здоровья людей и т. п.

Четкая зависимость от периодичности солнечной активности прослеживается в чередовании толщины годичных колец деревьев.

В дендрологической летописи Аризонского университета США собраны данные о нескольких тысячах живых деревьев за период протяженностью 7137 лет. Причем среди них имеется экземпляр, возраст которого составляет 4600 лет. По этой переписи можно определить прирост деревьев за каждый из 7137 лет, начиная с 5150 года до н. э. Эта таблица имеет большое значение для прогнозов земных процессов, связанных с солнечной активностью. Наблюдается корреляция между солнечной активностью и урожаем, влияющей также на климат, животных, эпидемиологические и инфекционные процессы.

При резких изменениях солнечной активности может происходить изменчивость признаков вирусов гриппа, что приводит к возникновению у бактерий новых качеств – устойчивость к лекарствам, изменение интенсивности образования токсинов и увеличение скорости размножения.

Земля, вращаясь по орбите вокруг Солнца, попеременно пересекает сектора, в которых магнитное поле направлено либо к Солнцу (отрицательный сектор), либо от него (положительный сектор). Когда Земля переходит из отрицательного сектора в положительный увеличивается число сердечных сокращений, число дорожно-транспортных происшествий, число сосудистых кризисов, приступов стенокардии и т. п. Более благоприятные условия для организма при переходе из положительного сектора в отрицательный. Это объясняется тем, что в случае положительного сектора магнитосфера Земли больше подвергается воздействию корпускулярного излучения.

Установлено также увеличение нервно-психических расстройств при пересечении Землей сектора межпланетного магнитного поля.

Процессы взаимодействия ЭМП с живой клеткой, живым организмом довольно сложные и в настоящее время в полной мере не исследованы. Взаимодействие ЭМП с биологическим объектом определяется:

- параметрами излучения (частотой или длиной волны, когерентностью излучения, скоростью распространения, поляризацией волны);

- физическими и биологическими свойствами биологического объекта, как среды распространения ЭМП (диэлектрической проницаемостью, электрической проводимостью, длиной электромагнитной волны в ткани, глубиной проникновения, коэффициентом отражения от границы воздух-ткань);

Энергетическое воздействие ЭМП заключается в переходе поглощенной электромагнитной волны в тело биоткани.

Защита от воздействия ЭМП. Средства защиты от электромагнитного воздействия выбираются в зависимости от частоты излучения, его мощности, режима работы источника. Пространство вокруг источника излучения делится на дальнюю и ближнюю зоны воздействия. Под ближней зоной понимается область на расстоянии от излучателя, в которой электромагнитное поле еще не сформировалось. В дальней зоне на расстояниях существует и распространяется электромагнитное поле.

В ближней зоне ЭМП характеризуется электрической составляющей поля – напряженностью Е, В/м. В случае одновременной работы нескольких источников в данной зоне принимается суммарное значение квадратов напряженности поля

,

где - напряженность поля i – го источника в точке измерения, В/м; n – число источников.

В дальней зоне ЭМП характеризуется интенсивностью излучения WSi – поверхностная плотность потока энергии, Вт/м2. В случае работы нескольких источников берется суммарная интенсивность излучений n источников

,

где - интенсивность излучения i – го источника в точке измерения дальней зоны, Вт/м2.

При работе нескольких источников ЭМП различных диапазонов суммарное действие излучателей должно удовлетворять следующему условию

,

где - предельно-допустимый уровень напряженности электрического поля i – го источника на границе санитарно-защитной зоны, В/м; - предельно-допустимый уровень интесивности излучения для j - го источника на границе санитарно-защитной зоны; - фактическое значение параметров.

В качестве предельно-допустимого уровня воздействия, принимаются такие значения ЭМП, которые при ежедневном воздействии в свойственных для данного источника излучения режимах не вызывают у населения без ограничения пола и возраста заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования в период воздействия или в отдаленные сроки после его прекращения.

Способы защиты от воздействия ЭМП.

Способ защиты расстоянием и временем является основным, включающим в себя как технические так и организационные мероприятия. При размещении радиотехнических объектов, создающих ЭМП, необходимо учитывать:

- мощность и диапазон частот источника ЭМП;

- конструктивные особенности, диаграмму направленности и высоту размещения антены излучателя;

- рельеф местности;

- оптимальный режим работы источника;

- этажность и особенность застройки и т. п.

При сооружении радиотехнических объектов (РТО) в случае необходимости создают санитарно-защитную зону и зону ограничения застройки в соответствии с санитарными нормами, где изложены рекомендации по выбору зоны ограничения и санитарно-защитной зоны (СЗЗ). Например, вдоль трассы высоковольтных линий (ВЛ), проходящей через населенную местность, границу СЗЗ выбирают по табл.6.

Таблица 6

Напряженность ВЛ, кВ	Расстояние от проекции на землю до крайних фаз проводов, м	Напряженность ВЛ, кВ	Расстояние от проекции на землю до крайних фаз проводов, м
1150	300	220	25
750	250	110	20
500	150	35	15
330	75	до 20	10

В пределах СЗЗ запрещается размещать жилые здания, стоянки и остановки транспорта, устраивать места отдыха, спортивные и игровые площадки.

С целью уменьшения промышленной частоты увеличивают высоту подвеса проводов ВЛ, применяют экранирующие устройства.

Способ защиты временем состоит в том, что следует находится вблизи источников ЭМП как можно меньше времени.

Способ экранирования ЭМП использует процессы отражения и поглощения электромагнитных волн.

При испытаниях технологического, радиотехнического и СВЧ оборудования часто используют полностью экранированные помещения, стены и потолок которых покрыт металлическим листом, облицованным поглощающими материалами. Такая экранировка полностью исключает проникновение электромагнитных волн в окружающую среду. Обслуживающий персонал при этом использует индивидуальные средства защиты.

На открытых территориях, расположенных в зонах с повышенными уровнями ЭМП, принимают экранирующие устройства в виде ж/б заборов, экранирующих сеток, высоких деревьев и т. п. С этой целью для снижения уровня ЭМП промышленных источников используются стандартизованные средства в соответствии с ГОСТ 12.1.006-84.

Частичной экранирующей способностью обладают строительные конструкции , где - экранирующая способность; - интенсивность падающей и прошедшей электромагнитной волны, соответственно, Вт/м2.

Например, экстинция (ослабление) электромагнитного излучения при длине волны для кирпичной стены толщиной 0,7 м составит 21 дБ, для окна с двойными рамами – 18 дБ.

Радиопоглощающие материалы (РПМ) используют для поглощения электромагнитных волн, а также для снижения заметности в радиолокационном диапазоне различных стационарных, двигающихся и летающих объектов.

При взаимодействии падающей электромагнитной волны с РПМ происходит ее поглощение, рассеяние, а в некоторых случаях и интерференция. В результате этих процессов происходит диссипация энергии падающей волны в поглощающем покрытии и отраженная волна становится незначительной. Требования, предъявляемые к РПМ имеют противоречивый характер. С одной стороны для обеспечения малого отражения для обеспечения малого отражения падающей волны от поглощающего покрытия требуется, чтобы его свойства не сильно отличались от свойств свободного пространства, т. е. среды в которой распространяется волна. С другой стороны, необходимо чтобы среда обладала значительными потерями.

Для согласования этих двух требований используют ряд мер, учитывающих назначение и область применения РПМ, диапазон частот его работы, требования к массогабаритным характеристикам, особенности эксплуатации и т. п.

По принципу действия РПМ делятся на две большие группы - объемные и резонансные (интерференционные) поглотители.

В объемных поглотителях используется объемное поглощение электромагнитной энергии за счет внесения электрических или магнитных потерь. Поглощающие материалы этого типа состоят из основы и наполнителя. В качестве основы используются различные каучуки, пенопласты и другие органические связующие. В качестве наполнителей используют порошки графита, угольной или ацетиленовой сажи, порошки карбонильного железа, металлические волокна т. п. Количество наполнителя достигает 40 % по массе. При дальнейшем увеличении концентрации металлических частиц мощность поглощенной энергии уменьшается из-за увеличения отражения от металлических образований. Для уменьшения эффекта отражения внешние слои поглотителя имеют незначительные концентрации наполнителя по сравнению с более глубокими слоями. Внешнюю поверхность объемных поглотителей часто выполняют в виде шипов, имеющих форму конуса или пирамиды.

Для защиты от внешних источников ЭМП стены зданий можно покрывать пористым бетоном с примесью графита, волосяными матами, пропитанными неопреном и угольной сажей, многослойными строительными материалами и т. п. Достоинства объемных поглотителей – высокое поглощение энергии ЭМП с малым коэффициентом отражения в широко диапазоне частот. Недостаток – большие массогабаритные параметры.

Резонансные поглотители представляют собой композицию из чередующихся слоев диэлектрика и проводящих пленок металла. Толщина слоя диэлектрика составляет четверть длины волны падающего излучения или кратна нечетному числу . Принцип действия таких систем основан на интерференции падающей волны и образовании в них стоячих волн. К достоинствам относят низкий коэффициент отражения, малая масса, компактность. Недостаток – недостаточная широкополосность.

В ряде случаев применяют комбинированные РПМ, представляющие собой сочетание резонансных и объемных поглотителей.

Различные виды РПМ не исчерпываются приведенными типами. В настоящее время ведутся разработки различных типов РПМ как с точки зрения совершенствования свойств существующих композиций в части увеличения поглощающей способности, значительного снижения отражательной способности и массогабаритных характеристик, увеличения диапазона частот и прочности, так и с точки зрения принципиально новых типов РПМ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Охрана окружающей среды: Учебник для вузов / , , и др.: Под ред. . – М.: Высш. школа, 1991. – 191 с.

2. , , Торочешников защиты окружающей среды. - М.: Химия, 1989. – 512 с.

3. Очистка производственных сточных вод: Учеб. пособие для вузов/ , , ; Под ред. . – М.: Стройиздат, 1985. – 335 с.

4. Глинка химия: Учеб. пособие для вузов/ Под ред. . – Л.: Химия, 1983. – 704 с.

5. Роев сооружения газоперекачивающих станций и нефтебаз Учебник для вузов / М. Недра, 1981. – 240 с.

6. Справочник по очистке природных и сточных вод/ , , . – М. : Высш. шк., 1994. – 336 с.

7. Куклев экология: Учеб. пособие. – М.: Высш. школа, 2001. – 357 с.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОТ ИЗЛУЧЕНИЙ	72
Техногенные источники электромагнитных полей (ЭМП).	72
Биологическое действие ЭМП.	74
Солнечно-земные связи и биосфера	75
Защита от воздействия ЭМП.	76
Способы защиты от воздействия ЭМП.	77
Способ защиты расстоянием и временем	77
Способ экранирования ЭМП	77
Радиопоглощающие материалы	78
Объемные поглотители	78
Резонансные поглотители	79
Список литературы	79

Редактор

ЛР № 000 от 28.11.96

Подписано в печать. Формат 60´1/16. Бумага офсетная.

Отпечатано на дупликаторе. Усл. Печ. Л. 5,25. Уч.-изд л. 5

Тираж 100 экз. Заказ

Издательство ОмГТУ. Омск, просп. Мира, 11

Приложение

Значение функция ошибок

z	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0,0	0,00000	0,01128	0,02256	0,03384	0,04511	0,05637	0,06762	0,07886	0,09008	0,10128
0,1	0,11246	0,12362	0,13476	0,14587	0,15695	0,16800	0,17901	0,18999	0,20094	0,21184
0,2	0,22270	0,23352	0,24430	0,25502	0,26570	0,27633	0,28690	0,29742	0,30788	0,31828
0,3	0,32863	0,33891	0,34913	0,35928	0,36930	0,37938	0,38933	0,39921	0,40801	0,41874
0,4	0,42839	0,43797	0,44747	0,45689	0,46622	0,47548	0,48466	0,49374	0,50275	0,51167
0,5	0,52050	0,52924	0,53790	0,54646	0,55494	0,56332	0,57162	0,57982	0,58792	0,59994
0,6	0,60386	0,61168	0,61941	0,62705	0,63459	0,64,203	0,64938	0,65663	0,66378	0,67084
0,7	0,67780	0,68467	0,69143	0,69810	0,70468	0,71116	0,71754	0,72382	0,73001	0,73610
0,8	0,74210	0,74800	0,75381	0,75952	0,76514	0,77067	0,77610	0,78144	0,78669	0,79184
0,9	0,79691	0,80188	0,80677	0,81156	0,81627	0,82089	0,82542	0,82987	0,83423	0,83851
1,0	0,84270	0,84681	0,85084	0,85457	0,85865	0,86244	0,86614	0,86977	0,87333	0,87680
1,1	0,88020	0,99353	0,88679	0,88997	0,89308	0,89612	0,89910	0,90200	0,90484	0,90761
1,2	0,91031	0,91296	0,91553	0,91805	0,92050	0,92290	0,92524	0,92751	0,92973	0,93190
1,3	0,93401	0,93606	0,93806	0,94002	0,94191	0,94376	0,94556	0,94731	0,95902	0,95067
1,4	0,95228	0,95385	0,95538	0,95686	0,95830	0,95970	0,96105	0,96237	0,96365	0,96490
1,5	0,99610	0,96728	0,96841	0,96952	0,97059	0,97162	0,97263	0,97360	0,97455	0,97546
1,6	0,97635	0,97721	0,97804	0,97884	0,97962	0,98038	0,98110	0,98181	0,98249	0,98315
1,7	0,98379	0,98441	0,98500	0,98558	0,98614	0,98667	0,98719	0,98769	0,98817	0,98864
1,8	0,98909	0,98952	0,98992	0,99035	0,99074	0,99111	0,99147	0,99182	0,99216	0,99248
1,9	0,99279	0,99309	0,99338	0,99366	0,99392	0,99418	0,99443	0,99466	0,99489	0,99511
2,0	0,99532	0,99552	0,99572	0,99591	0,99609	99626	0,99642	0,99658	0,99673	0,99688
2,1	0,99702	0,99716	0,99728	0,99741	0,99752	0,99764	0,99775	0,99785	0,99795	0,99805
2,2	0,99814	0,99822	0,99831	0,99839	0,99846	0,99854	0,99861	0,99867	0,99874	0,99880
2,3	0,99886	0,99891	0,99897	0,99902	0,99906	0,99911	0,99916	0,99920	0,99924	0,99928
2,4	0,99931	0,99935	0,99938	0,99941	0,99944	0,99947	0,99950	0,99952	0,99955	0,99957
2,5	0,99959	0,99961	0,99963	0,99965	0,99967	0,99969	0,99971	0,99972	0,99974	0,99975
2,6	0,99976	0,99978	0,99979	0,99980	0,99981	0,99982	0,99983	0,99984	0,99985	0,99986
2,7	0,99987	0,99987	0,99988	0,99989	0,99989	0,99990	0,99991	0,99991	0,99992	0,99992
2,8	0,99992	0,99993	0,99993	0,99994	0,99994	0,99994	0,99995	0,99995	0,99995	0,99996
2,9	0,99996	0,99996	0,99996	0,99997	0,99997	0,99997	0,99997	0,99997	0,99998	0,99998
3,0	0,99998	0,99998	0,99998	0,99998	0,99998	0,99998	0,99998	0,99999	0,99999	0,99999