CuprinsCuprins........................................................................................................................................4 Introducere .........................................................................................5 Capitolul 1. Undele electromagnetice........................................................................................6 Propagarea undelor electromagnetice.....................................................................................6 1.2. Surse de unde electromagnetice.....................................................................................10 1.3. Elemente caracteristice ale unei unde electromagnetice................................................11 1.4. Interaciunea undelor electromagnetice cu materia.......................................................12 Capitolul 2. Radiaiile electromagnetice ionizante i efectele lor biologice............14 2.1. Radiaiile electromagnetice ionizante ...........................................................................14 2.1.1. Surse de radiaii ionizante......................................................................................15 2.2. Efecte biologice ale radiaiilor ionizante ..................................................................16 Capitolul 3. Radiaiile electromagnetice neionizante i efectele lor biologice........................18 3.1. Spectrul undelor electromagnetice.................................................................................18 3.2. Pricipalele surse de cmp electromagnetic ...............................................................20 .....................................................................................................................................21 3.2.1. Surse de microunde i radiaii de radiofrecven ................................................21 3.2.2. Metode de evaluare a interaciunii microundelor cu esuturile biologice. S.A.R. (rata specific de absorbie) i (adncimea de ptrundere)..............................................22 3.3. Efectele biologice ale microundelor i undelor de radiofrecven.................................25 3.3.1. Efecte termice, efecte atermice, efectul rezonant...................................................25 3.3.2. Conceptul de genotoxicitate al radiaiilor...............................................................27 ..................................................................................................................................................27 3.3.3. Dovezi asupra genotocitii radiaiilor electromagnetice. Implicaii asupra incidenei cancerelor, problemelor cardiace, neurologice i reproductive.......................28 Capitolul 4. Experimente privind efectele biologice ale microundelor i radiaiilor de radiofrecven asupra plantelor n stadii ontogenetice timpurii................................................31 4.1. Materiale i metode ..................................................................................................31 4.1.1. Expunerea electromagnetic..................................................................................31 4.1.2. Expunerea la microude...........................................................................................32 4.1.3. Analiza spectrofotometric a pigmenilor fotosintetizatori din plantele expuse....33 4.2. Modul de lucru...............................................................................................................33 4.3. Rezultate i discuii .......................................................................................................35 Concluzii...................................................................................................................................47 Bibliografie...............................................................................................................................48

4

IntroducereLucrarea prezint studiul privind influena cmpurilor electomagnetice asupra unor organisme vegetale prin efectuarea unor experimente de expunere a acestora i analiza nivelului de pigmeni clorofilieni i de caroteni acumulai. Se urmrete evidenierea efectelor biologice pe care le produc acest tip de radiaii. Primul capitol al lucrrii Undele electromagnetice prezint noiunea de unde electromagnetice, ecuaiile lui Maxwell care descriu propagarea acestora, sursele care le produc i mrimile fizice prin care sunt caracterizate. Interaciunea undelor electromagnetice cu materia este caracterizat prin fenomenele de reflexie, transmisie i absorbie. Al doilea capitol cu titlul Radiaiile electromagnetice ionizante i efectele lor biologice conine clasificarea radiaiilor ionizante, caracterizeaz sursele de radiaii, prezint efectele biologice ale acestui tip de radiaii i etapele de interaciune ale acestora cu esuturile vii. Capitolul 3 intitulat Radiaiile electromagnetice neionizante i efectele lor biologice prezint spectrul undelor electromagnetice i principalele surse de cmp electromagnetic, clasific efectele biologice n termice, nontermice, menioneaz efectul rezonant, prezint conceptul de genotoxicitate al radiaiilor i alte rezultate experimentale din literatura de specialitate. De asemenea conine msurtori pentru evaluarea interaciunii microundelor cu esuturile biologice. S.A.R. (rata specific de absorbie) i (adncimea de ptrundere). Ultimul capitol al lucrrii Experimente privind efectele biologice ale microundelor i radiaiilor de radiofrecven asupra plantelor n stadii ontogenetice timpurii prezint studiul experimental realizat cu scopul de a analiza efectele induse de expunerea materialului vegetal la unde de radiofrecven i la microunde. Sunt descrise dispozitivele de expunere, cu parametrii de funcionare, modul n care au fost fcute expunerile i extracia pigmenilor asimilatori, rezultatele, sub form de grafice i discuii pe marginea acestora. Partea de concluzii ncearc s explice rezultatele obinute prin fenomenele care se produc n cazul aciunii radiaiilor asupra organismelor expuse.

5

Capitolul 1. Undele electromagnetice Propagarea undelor electromagneticeMajoritatea legilor ce descriu fenomenele electromagnetice au fost formulate ntre 1750 i 1900. n aceast perioad a avut loc cea mai mare acumulare de informaii n domeniul electromagnetismului, datorit experimentelor efectuate de Michael Faraday, lucrrilor teoretice ale lui J. C. Maxwell, precum i matematicienilor Gauss, Laplace, Euler, i Lagrange. Descoperirile secolului XX (teoria relativitii i mecanica cuantic) au completat aceste cunotine, aducnd o interpretare relativist a cmpului magnetic. Exist cteva argumente n favoarea studierii n detaliu a fenomenelor electromagnetice. Forele electromagnetice sunt fore fundamentale n natur, alturi de cele nucleare i gravitaionale i determin structura i stabilitatea atomilor, moleculelor i substanelor. La nivel macroscopic, sarcinile n micare dirijat formeaz cureni electrici n circuite electrice i electronice, exercit fore, produc lucru mecanic, transmit informaie i genereaz unde electromagnetice. Pentru a descrie fenomenele electromagnetice este necesar s se stabileasc modul de variaie n timp a unor mrimi fizice care pot fi exprimate cantitativ n fiecare punct din spaiul n care aceste fenomene se produc. Acest spaiu reprezint forma de existen a materiei numit cmp. Cmpul poate fi exprimat prin funcii matematice sau prin graficele unor funcii matematice. Dup mrimea fizic pentru care este definit, cmpul poate fi scalar (cmp de potenial, cmp de densitate de sarcin, etc.) sau vectorial (cmp de fore, cmp electric, etc.). Se tie c ntre particulele ncrcate cu sarcini electrice au loc interaciuni care se manifest prin modificarea reciproc a strii lor de micare. n electrodinamica clasic, micrile particulelor ncrcate cu sarcini electrice pot fi exprimate cantitativ cu ajutorul unui cmp de fore: (1) n relatia (1) cu sarcina electric q, cmpului magnetic. Interaciunile electromagnetice au fost studiate mai nti experimental i au fost stabilite legile lor de baz. J. CL. Maxwell, n 1873, a reuit s sintetizeze cunotinele 6 este vectorul de poziie al punctului n care se afl particula ncrcat este viteza particulei, intensitatea cmpului electric, iar inducia

exprimate prin aceste legi empirice i s le exprime printr-un sistem de ecuaii difereniale, care i poart numele, i care pot fi scrise sub forma: =+ = (2)

n aceste ecuaii:

(permitivitatea electric a vidului) i =8,854

(permeabilitatea F/m ,

magnetic a vidului) sunt constante fizice de valori: =1,257 H/m,

este un cmp vectorial care exprim densitatea total de curent electric corespunztor micrii tuturor particulelor ncrcate cu sarcini electrice n spaiul pentru care este definit cmpul, indiferent dac aceste particule sunt libere sau legate n sisteme de particule, cmp scalar care exprim densitatea total de sarcini electrice, libere i legate, iar este un i au

semnificaiile precizate anterior. Ecuaiile lui Maxwell pot fi utilizate ca principii de baz n tratarea fenomenelor electromagnetice deoarece nicio deducie teoretic realizat n baza lor nu a fost infirmat experimental. Aceste ecuaii au un remarcabil grad de generalitate permind s se rezolve orice problem de propagare a undelor electomagnetice n diferite medii i s se prevad fenomene noi. Pentru spaiul lipsit de substan (vid) avem: =0, iar ecuaiile lui Maxwell (2) pot fi scrise sub forma:

=(3.2) =0 (3.3) (3.4) Aplicnd operatorul rotor ecuaiei (3.1) i folosind ecuaia (3.2) putem scrie: 7

(4) Folosind identitatea relaia (3.3) se obine ecuaia: = (5) = cunoscut din analiza vectorial, i

n mod analog se obine i ecuaia: = (6)

Ecuaiile difereniale cu derivate pariale de ordin doi vectoriale (5) i (6) sunt echivalente cu 6 ecuaii scalare de acelai tip pentru componentele Folosind formulele dimensionale ale mrimilor are dimensiunile inversului unei viteze la ptrat ( difereniale (5) i (6) sunt de forma: (7) Ecuaiile de forma (7) erau cunoscute i se tia c ele exprim procese de propagare n spaiu (unde) cu viteza constant v. Deoarece cmpurile i satisfac ecuaia de propagare a , Maxwell a constatat c produsul ). De aici el a dedus c ecuaiile

undelor (7), Maxwell a ajuns la concluzia c, n anumite condiii, cmpul electric i cel magnetic se pot propaga mpreun n spaiu, sub form de und electromagnetic, cu viteza: c= =2,9 m/s (8)

n acest mod Maxwell a dedus teoretic existena undelor electromagnetice. Pe atunci nu se cunotea nc modalitatea practic de a produce astfel de unde dar, era cunoscut, din determinri experimentale, viteza de propagare a luminii n vid, c. Dat fiind faptul c viteza (8) coincide cu viteza luminii n vid, Maxwell a afirmat c lumina este un exemplu de und electromagnetic punnd astfel bazele teoriei electromagnetice a radiaiilor optice. Aceast teorie a primit confirmare experimental n anul 1888, cnd Hertz a reuit s genereze unde electromagnetice n laborator, i a artat c acestea se comport la fel cu radiaiile optice (se reflect, se refract, interfer, se difract, pot fi polarizate). Propagarea undelor electromagnetice este guvernat de legile lui Maxwell. Vectorii cmp electric i cmp magnetic sunt dependeni de timp i spaiu i sunt intercorelai: un cmp electric variabil n timp este ntotdeauna nsoit de un cmp magnetic variabil, cele dou

8

componente se intercondiioneaz, iar propagarea energiei asociate lor are loc dup direcia vectorului lui Poynting indicat de relaia: = Unde =vectorul lui Poynting =intensitatea cmpului electric =intensitatea cmpului magnetic (9)

Figura 1.1

Reprezentarea unei unde electromagnetice

Variaia componentelor de cmp electric i magnetic este sinusoidal. Vectorii cmp electric i magnetic sunt fiecare coninui n cte un plan perpendicular unul pe cellalt. Amplitudinile lor formeaz un raport constant iar puterea transmis de ctre cmpul electromagnetic este proporional cu ptratul amplitudinii componentei de cmp electric. n orice punct din spaiul liber vectorii cmp electric i cmp magnetic sunt perpendiculari unul pe cellalt. Propagarea lor are loc dup cea de-a treia direcie. Undele plane sunt de fapt idealizri ale cazurilor reale de unde electromagnetice, putnd modela aproape toate proprietile importante ale radiaiilor emise de sursele electromagnetice.

9

1.2. Surse de unde electromagneticen conformitate cu electrodinamica clasic, sistemele atomice care posed momente dipolare electrice variabile n timp genereaz unde electromagnetice. Emisia de radiaie electromagnetic se datoreaz sistemelor atomice prin care vom nelege orice particul de substan, atom, molecul, ion atomic sau ion molecular. Astfel de sisteme atomice sunt ncrcate cu sarcini electrice aflate n continu micare i localizate ntr-un volum foarte mic. n ansamblu ele pot fi neutre (atomi, molecule) sau ncrcate cu sarcini electrice (ionii atomici sau moleculari). n electrodinamica clasic emisia de radiaii luminoase de ctre un sistem atomic se face substituind mediul atomic sau molecular cu un ansamblu de emitori elementari care pot fi dipoli electrici sau magnetici, cuadrupoli, octopoli, etc. Un dipol electric este constituit din dou sarcini electrice egale i de semne contrare. Dac este vorba de atomi cu sarcin negativ se consider sarcina electronilor de valen, iar sarcina pozitiv egal cu cea negativ apare n nucleul atomului n care sarcina celor Z-1 protoni existeni este anihilat de cei Z-1 electroni de pe straturile interioare ale atomului. Masa nucleului fiind mult mai mare fa de cea a electonilor putem considera c sarcina pozitiv se afl n repaus i o putem considera n centrul unui sistem de coordonate xyz, care are un moment dipolar electric variabil n timp. n conformitate cu electrodinamica variabile n timp

clasic, sistemele atomice care posed momente dipolare electrice

genereaz unde electromagnetice. Momentul de dipol electric este un vector a crui mrime este egal cu produsul dintre mrimea sarcinii i distana dintre sarcini i care este orientat de la sarcina negativ spre sarcina pozitiv. =q (10) Electronul dipolului oscilant poate fi scos din poziia de echilibru i deplasat la o distan r, dac i se comunic din exterior o anumit cantitate de energie; ca rezultat crete energia intern a dipolului i aceasta ar corespunde trecerii sistemului atomic respectiv ntr-o stare energetic superioar. Surplusul de energie pe care l posed sistemul fa de energia lor de echilibru stabil se numete energie de excitare. Starea n care sistemul posed energia de excitare se numete stare excitat. Sistemul atomic aflat n stare excitat trebuie s revin mai devreme sau mai trziu in starea de echilibru stabil care se numete stare de baz. Dac revenirea n starea de baz se realizeaz n urma unor cauze interne i este nsoit de generarea de radiaii electromagnetice procesul se numete emisie spontan. Sistemele 10

atomice pot fi aduse n stri excitate prin ciocniri cu alte particule (electroni, atomi). n timpul acestei ciocniri sistemul atomic poate fi deformat astfel nct se produce o separare a sarcinilor electrice pozitive i negative aprnd astfel un moment dipolar electric indus. Aceti dipoli care nsoesc sistemul atomic i care oscileaz putnd s aib valori mai mari sau mai mici ale lui p sunt responsabili de radiaia emis care din punct de vedere electromagnetic creeaz un cmp electric variabil n timp i n spaiu i n care vectorul electric poate s aib direcii de variaie total arbitrare.

1.3. Elemente caracteristice ale unei unde electromagneticen cazul cmpurilor electrice i magnetice care variaz n timp, nu este posibil tratarea cmpului electric i magnetic independent, ci doar mpreun. Variaia temporal a fiecruia dintre aceste cmpuri conduce la generarea celuilalt cmp. De fapt, cmpurile electrice i magnetice variabile coexist i se transform reciproc dintr-o form n alta. De aici rezult c o perturbaie electromagnetic care const dintr-un ansamblu de cmpuri electrice i magnetice variabile n timp, se va propaga n spaiu de la o regiune la alta, chiar i n absena unui mediu material (n vid) ntre cele dou regiuni. Aceast perturbaie este o und electromagnetic. O und care se propag de-a lungul axei x cu o vitez v poate fi reprezentat printr-o ecuaie dependent de distan i timp:

S = f(t - )

(11)

Dnd o valoare lui x constatm c forma funciei f arat care este legea dup care mrimea S variaz n decursul timpului caracteriznd astfel perturbaia respectiv. n forma matematic a expresiei undei se introduce nc un element, , faza iniial.

S=a

(12)

Forma acestei funcii n mod general arat c ea este periodic n timp i este periodic i n raport cu distana x. Dac i dm lui x o cretere egal cu produsul dintre viteza de propagare i perioad se obine: lungimea de und (m) 11

Mrimea invers lungimii de und: = unde , (14) )

= numr de und (

Mrimea invers perioadei : = unde , (15)

= frecvena undei (Hz)

1.4. Interaciunea undelor electromagnetice cu materiaDin punct de vedere al interaciunii cu cmpurile electromagnetice, materialele biologice reprezint medii dielectrice cu pierderi, iar sistemele biologice reprezint corpuri dielectrice cu o structur foarte complex. Ca urmare a aplicrii unui cmp electromagnetic extern, materialele biologice din structura sistemului biologic expus se polarizeaz, iar datorit proceselor de relaxare dielectric are loc o absorbie de energie electromagnetic. Pe de alt parte cmpul extern induce cmpuri electrice i diferene de potenial la nivelul structurilor biologice. Dei absorbia de energie electromagnetic se datoreaz procesului de relaxare dielectric i are ca rezultat conversia acesteia n energie termic, mai exist i alte mecanisme de interaciune cmp sistem biologic, de tip nontermic. De exemplu, cmpurile i potenialele induse la nivelul structurilor celulare pot influena procesele biofizice i biochimice din celul.

12

Figure 1.2 Interaciunea radiaiei electromagnetice cu substana Absorbia energiei electromagnetice n materialele biologice Materialele biologice sunt dielectrici disipativi caracterizai de o conductibilitate limitat. Absorbia de energie provine din pierderi de conducie (micarea ionilor liberi) i pierderi dielectrice (relaxarea dielectric). Ponderea celor dou tipuri de pierderi depinde de frecvena cmpului electromagnetic. La frecvene extrem de joase (sub 100 Hz) pierderile sunt datorate conduciei ionice i au valori reduse. Considernd valoarea efectiv a intensitii cmpului electric n esut E, pierderea total de energie electromagnetic n mediul biologic este: P= , (16) unde reprezint conductivitatea total a materialului. 13

n general, cu ct este mai mare energia cedat de radiaii cu att ne ateptm la efecte mai mari sau/i mai diverse, fie c este vorba de radiaii ionizante sau neionizante.

Capitolul 2. Radiaiile electromagnetice ionizante i efectele lor biologice 2.1. Radiaiile electromagnetice ionizanteRadiaiile ionizante sunt radiaii care au energia suficient de mare pentru a produce un numr mare de ionizri la trecerea prin substan.Clasificarea lor se poate face dup mai multe scriterii: masa, sarcina electric, originea. Din punct de vedere al masei de repaus radiaiile ionizante se clasific n: a) radiaii corpusculare a cror mas de repaus este diferit de zero; b) radiaii fotonice cu masa de repaus nul. a) Radiaiile corpusculare pot fi direct sau indirect ionizante: Radiaiile bine cunoscutul radiaii alfa; radiaii beta (electroni, pozitroni) radiaii direct ionizante; ioni grei; neutroni radiaii indirect ionizante. radiaii X radiaii indirect ionizante; radiaii - radiaii indirect ionizante.

b) Radiaiile fotonice pot fi:

generate prin tranziii nucleare la nivelul izotopilor radioactivi, cum este au n majoritatea cazurilor energii mai mari dect radiaiile X, generate

n tuburile R ntgen. Radiaiile X produse prin tranziii la nivelul nveliului electronic profund din atomi cu numr atomic mare, pot s aib energii foarte mari dac instalaia de producere se bazeaz pe acceleratori puternici de particule bombardante (acceleratori liniari sau betatroane). n principiu, dac un foton X i un foton sunt identice. 14 au aceeai energie, efectele lor

Radiaiile

intr n categoria radiaiilor indirect ionizante, ca i neutronii, deoarece nu

sunt purttoare de sarcin electric i nu pot intra n interaciuni electrice directe cu nveliul electronic al atomului. Aceste radiaii fotonice pot participa la interaciuni cu urmtoarele inte atomice: Electronii atomici: - mprtierea elastic difuzie Rayleigh Thomson; - mprtiere inelastic difuzie Compton; - absorbie efect fotoelectric. Nucleele atomice: - generare de perechi electron pozitron; - reacii fotonucleare. n aplicaiile biologice i medicale ale radiaiilor ionizante electromagnetice (energii de sute de KeV sau de ordinul MeV ilor) probabilitatea de realizare a reaciilor fotonucleare este extrem de mic (aceste procese necesit energii mult mai mari) i chiar i producerea de perechi electron-pozitron este foarte rar. mprtierea coerent este dominat de efectul fotoelectric care se produce cu cea mai mare probabilitate la energii mici cum sunt cele utilizate n radiodiagnostic (de exemplu radiaii X cu energii de 60-120 KeV), iar efectul Compton este principalul fenomen fizic care se produce n radioterapie. 2.1.1. Surse de radiaii ionizante Principalele surse de radiaii ionizante sunt: Soarele, alte corpuri cereti (radiaia cosmic, n care uneori se includ doar unii mezoni mai energetici dect radiaiile activitile umane bazate pe energia nuclear. O surs important de radioactivitate n elementele biotice i abiotice ale mediului nconjurtor o constituie chiar radioactivitatea natural. O prim categorie de radionuclizi naturali include pe cei cu timpi de njumtire mari (peste , , , , ani) rmai se pare nc din procesele cosmice contemporane cu formarea sistemului nostru solar. ntre acetia se numr . O a doua categorie se refer la radionuclizii cosmogeni, rezultai i . ), pmntul (datorit depozitelor de materiale radioactive naturale) i n ultimele decenii,

din interaciunile radiaiei cosmice cu atmosfera, ntre care cei mai importani sunt: 15

Radioactivitatea artificial are ca principale surse: testrile de arme nucleare, recircularea combustibililor din centralele atomoenergetice, depozitele de deeuri radioactive, accidentele nucleare.

2.2.

Efecte biologice ale radiaiilor ionizanteRezultatele diverselor studii cu caracter multidisciplinar au artat c interaciunea

radiaiilor ionizante cu esuturile vii se deruleaz n trei etape principale: - etapa I, const din coliziunea direct dintre radiaii i atomii moleculelor din care sunt constituite substructurile celulare. Principalele efecte care se manifest sunt: efectul fotoelectric, efectul Compton, efectul de generare de perechi electron-pozitron. Trebuie menionat c i oxigenul i apa liber intra sau extracelular sunt foarte sensibile la aciunea radiaiilor. - etapa II, const n aciuni indirecte ale radiaiilor, modificri ale vitezei de reacie sau noi reacii chimice favorizate de existena unui numr mare de radicali liberi provenii din radioliza apei i ionizarea oxigenului. Echilibrul electric al hialoplasmei este puternic perturbat prin apariia brusc a atomilor excitai i a ionilor rezultai din efectele directe ale radiaiilor. Un numr nsemnat de molecule se disociaz genernd noi tipuri de radicali chimici liberi. Echilibrul electrochimic al celulei se modific, se declaneaz unde de oc de depolarizare, se modific concentraiile de ioni de , , , etc., se activeaz pompele ionice. Concomitent, ionii de oxigen i radicalii de la radioliza apei produc oxidri, modificri structurale ale aparatului enzimatic prin aceasta dereglndu-se fundamental legturile de corelaie dintre cel puin trei organite vitale pentru existena celulei: mitocondrii, nucleu, nucleoli. - etapa III, caracterizat de efectele biologice evideniate la mult timp dup ncetarea aciunii radiaiilor (sptmni, luni, ani) asupra organismelor vii. Dac faza interaciunilor fizice dureaz doar fraciuni ( ) de secunde (efecte ca efectul fotoelectric, efectul

Compton, generarea de perechi electron-pozitron caracteristice interaciunii fotonilor X i cu substana producndu-se practic instantaneu), iar faza interaciunilor chimice este 16

apreciat la durate variabile ntre cteva secunde i cteva zile, n schimb manifestarea efectelor biologice se poate produce la interval de cteva ore pn la cteva sptmni, luni i chiar ani (efectul tardiv al iradierilor). Absorbia radiaiilor poate induce efecte biologice la nivel celular cum ar fi influenarea funciilor celulare metabolice i a funciilor celulare integrate. n prima categorie se disting: influenarea sintezei de proteine, influenarea sintezei de acizi nucleici. n a doua categorie se includ: modificarea ritmului de cretere, ntrzierea mitozei, moartea celular ntrziat, moartea celular imediat. Sinteza de proteine este un proces metabolic complex n urma cruia rezult att enzimele catalizatoare ale reaciilor biochimice din celul ct i substanele proteice de constituie. Celulele n care se resimt efectele radiaiilor sunt cele care efectiv au absorbit energia unor fotoni i, la nivelul crora, fenomenele de restaurare a funciilor afectate nu au funcionat eficient. Deci iradierea propriu-zis ct i afectarea celulelor au un caracter statistic. Toate organismele vii sunt mai sensibile la aciunea factorilor perturbatori cum sunt radiaiile ionizante, dac sunt iradiate n stadii ontogenetice timpurii, de embrion sau de organism juvenil.

17

Capitolul 3. Radiaiile electromagnetice neionizante i efectele lor biologice 3.1. Spectrul undelor electromagneticeSpectrul undelor electromagnetice acoper un domeniu larg de frecvene, cuprinznd undele radio, semnalele de televiziune, fasciculele RADAR, razele infraroii, ultraviolete, lumina vizibil, razele X i gamma, etc. Undele electromagnetice pot fi clasificate n funcie de frecvena sau energia lor. Benzile de frecvene corespunztoare radiaiilor electomagnetice din diferite domenii de interes au fost denumite n funcie de lungimea de und (sau frecvena)

18

respectiv.

Figura 3.1 Spectrul energetic al diferitelor tipuri de radiaii 19

3.2. Pricipalele surse de cmp electromagneticPricipalele surse de cmp electromagnetic sunt: sursele cosmice de radiaii electromagnetice, cmpul (electro)magnetic al Pmntului, sursele artificiale de radiaii electromagnetice, emisia organismelor vii.

Figura 3.2 Harta general a spectrului electromagnetic

20

3.2.1. Surse de microunde i radiaii de radiofrecven Fondul natural i cosmic - Soarele, galaxiile, Terra emit radiaie electromagnetic inclusiv n regiunea spectral 300MHz - 300GHz. Emisiile solare sunt datorate unei componene permanente care este emis de pe ntreaga suprafa a soarelui i unei componene lent variabile suprapuse peste cea permanent, emis de centrele de activitate solar. Spectrele de emisie n timpul exploziilor sau furtunilor solare corespund valorilor maxime ale densitii de putere emise. Emisiile solare cu frecvene de pn la 30GHz prezint la nivelul pmntului o valoare a fluxului de 2 timpul exploziilor solare. Emisiile solare cu frecvene n banda 30GHz - 300GHz dau un flux integral de radiaie de 1,4 10 5

cnd Soarele nu este activ i respectiv de 10

5

n

cnd soarele nu este activ i respectiv de 10

3

n timpul

exploziilor solare. Zgomotul termic al pmntului este de 0,3 banda de pn la 300GHz i de 3 10 30GHz. 3

cnd se integreaz pe

cnd se integreaz pe banda de pn la

Emisia uman este legat de activitatea electric a celulelor excitabile din organismul uman (celule musculare, celule neuronale, celulele muchiului cardiac) care se propag pe distane mici n exteriorul corpului. n domeniul de frecvene 10kHz-300GHz, dac este integrat, aduce un aport de 0,3 .

Sursele artificiale sunt reprezentate de comunicaiile mobile, comunicaiile prin satelit, radarele de control aerian, echipamentele industriale, telefonia celular, cuptoarele cu microunde, etc. Domeniul de frecven 0,3 GHz-3GHz Televiziunea UHF Telefonia celular Cuptoare cu mu Diatermia cu mu Echipamente industriale

3GHz-30GHz Relee cu mu Comunicaii satelit Radare meteo Radare trafic auto Radare control aerian 21

30GHz-300GHz Radare control aerian

Comunicaii mobile 3.2.1.1.

Acceleratoare liniare

Surse artificiale de radiaii de microunde i radiofrecven

Principalele surse de radiaii electromagnetice legate de problema polurii atmosferei (i implicit a biosferei) n ordinea rspndirii pe care o au n viaa cotidian. 1. Transmitoarele de televiziune care opereaz n banda UHF (0,4-0,8 GHz) la puteri de 30 kW emit o component video modulat n amplitudine i o component audio modulat n frecven. 2. Transmitoarele staiilor de baz ale telefoniei celulare care opereaz n banda de 0,8 - 0,9GHz conduc la o rat specific de absorbie la nivelul capului de 0,3 - 3W/kg n funcie de puterea de intrare la anten i de tipul de anten folosit. i, n afar de aceasta, exist i o a doua band, cea de 1,8 GHz. 3. Cuptoarele cu microunde (care s-au utilizat pe scar larg naintea telefoniei celulare) care opereaz n majoritate pe frecven de 2,45 GHz (dar emit i diverse armonici) sunt proiectate s nu depeasc o densitate de putere de 1mW/cm 2 la o distan de 5 m. 4. Dispozitivele de emisie utilizate n fizioterapie (diatermia cu microunde) care emit pe frecvenele de 2,45 i 0,915 GHz la o densitate de putere de 10-40mW/cm2 la distana de 5cm de locul iradiat i de 10mW/cm2 la 30 cm de corpul pacientului iradiat astfel ca expunerea profesional (a manipulatorului) s nu fie mai mare de 1,3 mW/cm2. 5. Radarele pentru controlul traficului aerian opereaz n impulsuri cu durata de ordinul microsecundelor (nu n und continu) la frecvene de repetiie de sute pn la mii de pulsuri pe secund. 3.2.2. Metode de evaluare a interaciunii microundelor cu esuturile biologice. S.A.R. (rata specific de absorbie) i (adncimea de ptrundere) ngrijorarea privind expunerea uman la unde de radiofrecven nu reprezint o problem nou. Principala motivaie este asigurarea proteciei fa de aparatura emitoare de radiofrecven stabilirea noilor standarde i metode de msurare. Conceptul de rat specific de absorbie (S.A.R. de la Specific Absorption Rate n limba englez) este definit de 22

cteva decenii. Dar n ultima vreme s-au adus mbuntiri semnificative modului de msurare a S.A.R. Dup definiieS .A .R . = W W = t m t V

,

(3.1)

unde W este energia, m este masa, V este volumul, este densitatea, t este timpul. Metodele de msurare sunt direct legate de exprimarea S.A.R. n dou moduri: - din legile difuziei termice : S .A .R . = cT t

,

(3.2)

unde T este temperatura, c este cldura specific, iar t este timpul; - din legile lui Maxwell:S .A .R . =

E 2 2

,

(3.3)

unde E este intensitatea cmpului electric, densitatea.

este conductivitatea electric iar este

Figura 3.3 Fotografii ale paternurilor de migrare ale ruperilor de dublu lan de ADN la celule din creierul de obolan- (sus)martor i (jos) dup expunere la cmpuri magnetice de 0.25 mT (modificat dup Lai i Singh, 1997) Iniial S.A.R. se determina din msurarea variaiilor de temperatur raportate la minut n puncte bine alese ale unui material ce simula esutul uman. Relaia de evaluare cantitativ se poate pune n legtur cu cea utilizat n determinrile de variaii de temperatur oricare ar fi cauzele acestora. Efectul termal generat de aparatura de radiofrecven i microunde a suscitat cea mai mare ngrijorare din punctul de vedere al proteciei contra radiaiilor electromagnetice. Corpul uman contracareaz nclzirea local datorit capacitii sale de termoreglare (prin 23

intermediul fluxului sangvin la nivelul organelor afectate). Deci organe cum sunt ochii (mai ales corneea i cristalinul), care nu beneficiaz de un aport direct de snge, sunt expuse n mod special la efectul termic cci nu au mecanisme de disipare a energiei termice provenite din absorbia microundelor. Efectul termic se amplific cu frecvena dei adncimea de ptrundere scade cu frecvena. Rspndirea intens a telefoniei celulare a focalizat atenia asupra absorbiei microundelor la nivelul capului. Calcularea i predicia valorilor S.A.R. la nivelul capului utilizatorului de telefon mobil, pentru diferite nivele de expunere, se efectua prin msurtori pe materiale echivalente cu esuturile umane din constituia capului. Fantomul de esut trebuia s fie extrem de vscos pentru a preveni curenii de convecie care ar fi putut duce la rezultate eronate, iar sondele pentru astfel de msurtori trebuiau etalonate corespunztor. Geometria era simplificat la o forma sferic sau ovoidal. Majoritatea sondelor moderne msoar intensitatea cmpului electric, E, n voli pe metru (V/m), ceea ce permite apoi calcularea S.A.R. n plus valorile S.A.R. depind i de conductivitatea electric i permitivitatea dielectric a materialului ce simuleaz esuturile. Sondele S.A.R. trebuie s aib: dimensiuni fizice mici, o bun izotropie sferic (s msoare n mod egal intensitatea cmpului electric E fr deosebire de direcie sau unghi). Desigur, att sondele pentru determinarea S.A.R.. ct i restul echipamentului trebuie s fie n aa fel proiectate nct s aib un efect nesemnificativ asupra cmpului de radiaii electromagnetice incident pe fantom. Doza de expunere la radiaiile de radiofrecven este legat de timpul obinuit, mediu, de utilizare a telefonului de ctre populaie: valoarea maxim a S.A.R. este, n mod normal, mediat pe o durat de 6 minute n timpul celor 24 de ore ale zilei. Pentru a efectua msurtori ale S.A.R.. care s fie reprezentative pentru toate tipurile morfologice umane s-a proiectat un fantom antropomorf bazat pe dimensiunile unui cap mare de adult (brbat din armata S.U.A.) avnd n vedere c S.A.R.. este mai mare ntr-un corp mai mare. Fantomul este prevzut ns cu urechi subiri, presate (lipite de cap), pentru a fi reprezentativ i pentru utilizatorii de telefonie celular care au aceast trstur morfologic (urechile mici). n plus se consider c este bine ca msurtorile s se efectueze asimetric pentru a simula i expunerile pe dreapta i pe stnga capului (se tie c activitatea emisferelor cerebrale nu este identic).

24

S.A.R. este un indicator cantitativ al impactului radiaiilor electromagnetice care cuantific rata de absorbie a energiei n esuturile biologice exprimndu-se n W/Kg. Laboratoarele de msurare i simulare (se poate msura direct utiliznd fantomuri sau se poate calcula din modele matematice) prezint spre comparaie valori ale S.A.R.. care sunt, n general, cifre ce rezult din medierea pe un volum corespunztor unei mase de 1 g sau 10 g de esut. Din punct de vedere al proteciei contra radiaiilor s-au definit limite diferite n raport cu expunerea ntregului corp sau cu expunerea unor segmente (cap i trunchi de exemplu). Pentru populaia obinuit limitele S.A.R. sunt bazate pe expuneri ale ntregului corp fiind de 0.4 W/Kg n comparaie cu 0.08 W/Kg pentru cei expui profesional. Limitele sunt mai puin stringente pentru expunerea la nivelul minilor, picioarelor, genunchilor. De asemenea exist nc probleme practice n msurarea S.A.R. n aceste segmente ale corpului deoarece ele nu fac nc obiectul unor modelri matematice speciale de fapt msurtorile se fac pe un fantom plat n ipoteza unui rezultat conservativ. Majoritatea testrilor valorilor S.A.R. se concentreaz n continuare pe problema capului. Factorii de care depinde S.A.R. sunt, n principal, urmtorii: proprietile electrice (conductoare i dielectrice) ale esuturilor; acestea difer n principal la cele dou grupe de esuturi i anume esuturi umede (muchi, creier, glande etc.) i esuturi uscate (esut osos, esut adipos); aici trebuie specificat c att conductivitatea electric ct i permitivitatea electric (ce descriu la scar macroscopic proprietile conductoare i respectiv izolatoare ale esuturilor) variaz cu frecvena undelor electromagnetice n mod diferit, adic valorile conductivitii cresc odat cu frecvena n timp ce valorile permitivitii scad.

3.3. Efectele biologice ale microundelor i undelor de radiofrecven3.3.1. Efecte termice, efecte atermice, efectul rezonant Ultimii ani au demonstrat o cretere fr precedent a numrului i diversitii surselor de cmp electromagnetic folosite n scopuri individuale, industriale, comerciale sau medicale. Printre aceste surse se numr emitoarele radio i TV, cuptoarele cu microunde, receptoarele telefonice din sistemul telefoniei celulare, calculatoarele, instalaiile RADAR,

25

precum i diverse echipamente utilizate n industrie, medicin, comer. Aceste tehnologii au adus cu ele preocupri n ceea ce privete riscuri pentru sntate asociate utilizrii lor. Unele rapoarte tiintifice sugereaz c expunerea la radiaiile electomagnetice emise de aceste instalaii poate avea efecte adverse asupra sntii, precum producerea cancerului, reducerea fertilitii, pierderi ale memoriei i afectarea normalei dezvoltri a copiilor. Cu toate acestea, n comunitatea tiinific se consider la ora actual c valoarea riscului indus de expunerea oamenilor la cmpuri electromagnetice nu este cunoscut, motiv pentru care, n absena unor anchete i a unor rapoarte epidemiologice edificatoare, nivelele de radiaii neionizante existente pe plan populaional sunt considerate a nu avea efecte nocive. Efectele biologice ale radiaiilor electromagnetice au fost constatate nc de la nceputurile producerii i utilizrii acestei forme de energie. Din perioada primelor lor utilizri n domeniul medical decurge i observaia c expunerea subiecilor biologici la radiaii electromagnetice de nalt densitate de putere determin o nclzire excesiv a esuturilor, putnd provoca arsuri ale mediului iradiat. S-a convenit c aceste efecte biologice, brutale i rapide s fie denumite efecte de nivel ridicat de putere sau efecte termice. Mai trziu s-a constatat faptul c i la nivele sczute de densitate de putere au loc efecte care se manifest dup un timp mai ndelungat de expunere. Acestea sunt aa numitele efecte de nivel sczut de putere sau efecte atermice. Efectul rezonant Un principiu fizic de baz al absorbiei rezonante explic de ce semnalele interne i externe care au aceeai frecven, realizeaz schimburi maxime de energie la nivele mult sub pragul termic (ca i n cazul receptoarelor de radio i TV). Este vorba de circuite acordate pe aceeai frecven pentru realizarea fenomenului de absorbie rezonant. Ori, n cazul organelor i esuturilor din corpul omenesc, dimensiunile caracteristice (de ordinul centimetrilor sau zecilor de centimetri) pot face din acestea caviti rezonante pentru microundele din anumite domenii de frecven (frecvene crora le corespund lungimi de und de ordinul zecilor de centimetri, de exemplu, la frecvena de 2,45 GHz caracteristic aplicaiilor industriale, lungimea de und n aer este de 12 cm).

26

3.3.2. Conceptul de genotoxicitate al radiaiilor Orice factor care: afecteaz moleculele de ADN; afecteaz cromosomii; modific activitatea genetic, este genotoxic. n toate aceste situaii este vorba tot de acelai material ADN-ul. Ca urmare, o substan genotoxic este mutagen (produce mutaii), carcinogen (genereaz cancere) i teratogen (produce malformaii congenitale). Primele astfel de caracteristici au fost identificate la o serie de clase de compui chimici (i chiar definite n raport cu acestea). n mod similar dac factorul este de natur fizic, iar nu chimic i se poate atribui caracterul de a fi genotoxic; de exemplu radiaiile ionizante sunt de mult vreme cunoscute pentru asftel de efecte, dar radiaiilor electromagnetice li s-a recunoscut relativ recent genotoxicitatea. Etapele studiului sunt urmtoarele: Experimentele de laborator aduc dovada asupra existenei unui efect. Repetarea acestor dovezi n alte laboratoare i/sau studiile extinse n condiii controlate aduc confirmarea i definirea acelui efect. Studiile multiple confirm i ntresc relaiile (dependenele) cauz-efect. Odat recunoscute efectele genotoxice ale radiaiilor se deruleaz alte proiecte pentru stabilirea msurilor de protecie. Cnd se poate obine o dovad epidemiologic (adic un rspuns populaional) atunci acesta poate fi baza unui set de standarde pentru sntatea public, pe ct posibil n baza unei relaii bine stabilite ntre cauz i efect (relaii efect-doz). n absena acestei relaii, pentru asigurarea proteciei este considerat acceptabil cel mai mic nivel de expunere la care poate fi observat efectul, dar i cu o marj de siguran pentru a se ine seama i de un anume grad de incertitudine, de mrimea populaiei expuse. n determinarea genotoxicitii, orice semn de modificare la nivel genetic, sau de moarte celular sau de transformare neoplasic a unor celule reprezint o eviden de genotoxicitate. Amintim c metodele de detectare a acestor modificri urmresc materialul genetic care este n mod fundamental structura de dublu helix a moleculei de ADN. n timpul ciclului celular aceast structur se auto cloneaz (auto replicare) lund forma unui set de cromosomi care sunt suficient de mari pentru a fi vizibili la un microscop optic puternic. Deasemenea dozrile biochimice ale coninutului de acizi nucleici pot susine ceea ce testele calitative evideniaz.

27

3.3.3. Dovezi asupra genotocitii radiaiilor electromagnetice. Implicaii asupra incidenei cancerelor, problemelor cardiace, neurologice i reproductive Att n cazul radiaiilor electromagnetice de joas frecven ct i, mai ales, a celor de radiofrecven i microunde, caracterul de genotoxicitate a fost dovedit n mod repetat. Observaiile biofizice au artat c impactul cmpurilor de radiofrecven i microunde (RF/MU inclusiv telefonia celular) sunt mai mari dect cele ale cmpurilor de frecven mic (unde electromagnetice lungi) de aceeai intensitate. n general impactul acestor radiaii crete cu frecvena.

Figura 3.4. Densitatea curenilor capacitivi ntr-o prob toroidal de esut muscular uman de raz egal cu unitatea, la o inducie magnetic de 1 T (Vignati i Giuliani, 1997) n schimb, deoarece undele de frecven mai mare se cupleaz mai puternic cu esuturile, adncimea de ptrundere scade cu frecvena. De exemplu, Bawin i Adey (1976) au artat c un cmp electromagnetic de frecven joas (avnd intensitatea 56 V/m) induce n esuturi un gradient de 10-7 V/cm, n timp ce un semnal tot de aceeai intensitate a cmpului electric (56 V/m), dar cu frecvena de 147 MHz induce un gradient of 10 -1 V/cm, adic de un milion de ori mai mare. n contextul efectelor radiaiilor electromagnetice de frecven mic un loc aparte revine rezonanelor Schumann. Acestea sunt semnale electromagnetice de frecven foarte mic ce radiaz din zonele tropicale unde sunt generate n timpul furtunilor mari, nsoite de

28

puternice descrcri electrice. Sunt unde care se propag n jurul globului n limita cavitii determinate de scoara terestr i de ionosfer.

Figura 3.5 Spectrul Rezonanelor Schumann n timpul zilei (modificat dup Polk, 1982) Att intensitatea ct i frecvena acestor semnale electromagnetice variaz semnificativ de la zi la noapte precum i sub influena activitii solare. Din punct de vedere al interferenei lor cu activitatea electric a creierului, este interesant de menionat c pe durata nopii, att traseele electroencefalografice ct i rezonanele Schumann sunt, n mod preponderent, unde de aceeai frecven (