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电磁环境对生态的危害及防护 1 前言 电磁场已成为当今的重要环境因素之一。高频辐射源包括无线电及电视广播的天线、空中交通管制系统的雷达天线以及其它多种民用及军用电子设备，还包括移动通信用的手持收发信机等的众多通信系统。随着环境保护意识的增强，人们对暴露在电磁场中可能危害健康的问题极为关心。世界各国有关科技人员对此进行了必要的研究。2 射频场对人体的危害影响 2.1 中短波电磁场辐射的危害 在中短波高频电磁场作用下，经受一定强度和一定时间的暴露，作业人员以及高强度作用范围内的其他人员会产生某些不良影响。高频辐射对机体疲乏紧张为主的植物神经紧张失调。临床症状主要表现为神经衰弱症候群，以头昏、头胀，失眠多梦，疲劳无力，记忆力减退，心悸等最为严重；其次较突出的是头痛、四肢酸疼、食欲不振、脱发、体重下降、多汗等症状；部分女工发生月经周期紊乱现象，少数人员指颤、易激动。此外，通过体检还会发现心血管系统有某些改变现象，例如，心电图方面出现心动过缓及心律不齐等现象。当然，这些影响不是绝对的，因工作人员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。2.2 微波辐射对人体的危害性 微波辐射作用于生物体后，一部分被反射，一部分被吸收。被吸收的微波辐射能量使组织内的分子和电介质的偶极子产生振动，媒质的磨擦把动能变为热能，从而引起温升。微波辐射的功率、频率、波形，环境温度以及被照射的部位等对伤害的浓度和程度产生一定的影响。微波对人体的影响，除引起比较严重的神经衰弱症状外，最突出的是造成植物神经功能紊乱。主要反映在心血管系统为多，如心动过缓、血压下降或心动过速、高血压等。心电图检查可见窦性心律不齐、窦性心动过缓、T 波下降等变化。长期大的微波强度作用后，部分工作人员会生脑生物电流有某些改变等现象。在血象方面，呈现白细胞下降或增高的趋势，变化极不稳定。微波可引起眼睛损伤，眼睛是人体对微波辐射比较第三和易受伤害的器官。一方面眼睛的晶状体含有较多的水分，吸收较多的微波能量；另一方面血管又较少，不易带走过量的热。在微波照射下，可能眼的表层组织角膜还没有出现伤害，而晶状体已出现水肿。在大强度、长时间作用下会造成晶状体混浊，严重的导致白内障。更强的照射会使角膜、虹膜、前房和晶状体同时受到伤害，以致造成视力完全丧失。微波对睾丸的损害也比较大。睾丸是人体对微波辐射热效应的又一敏感器官。在微波辐射作用下，即使睾丸的温升达到 1020，皮肤虽还没有感到很痛，但男性生殖机能可能在不知不觉中已受到微波辐射的损害。微波辐射只抑制精子的生长过程，并不损害睾丸的间质细胞，也不影响血液中的睾酮含量。受微波辐射的损害后，通常仅产生暂时性不育现象。辐射过大，则会引起永久性不育。除了上述热效应外，微波辐射对人体还有非热效应。人体暴露在强度不大的微波辐射环境中，体温没有明显升高，但往往出现一些生理反应，主要表现在：2.2.1 对神经系统的作用：长时间微波辐射可破坏脑组织细胞，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。反复经微波辐射可能引起神经系统机能紊乱。某些长时间在微波辐射强度较高的环境下工作的人员，曾出现过度疲劳、头痛、手发抖、心电图和脑电图变化、甲状腺活动性增强、血清蛋白增加、脱发、嗅觉迟钝、性功能衰退等症状。2.2.2 微波辐射对血液的作用：长期的微波辐射可引起血液内白细胞和红细胞的减少，并使血凝的时间缩短。长时间的微波辐射又可引起白细胞的增加。但是，国外对从事微波工作多年的人员相对接受微波治疗的病员进行检查的结果表明，白细胞一般均减少。微波辐射对生物危害的另一特点是它的累积效应。一般一次低功率照射之后会受到某些不明显的伤害，经过几天之后可以恢复。如果在恢复之前受到第二次照射，伤害就将累积，这样多累积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，在停止微波工作后 1 个多月才能恢复。但必须指出，只有低功率照射，受损人体机能才能恢复；功率很大，从事此项工作的时间又长，损害将会是永久的。国内某些单位，如航天医学研究所、中山医学院、北京劳保研究所、浙江医科大学、电子部十一院、上海华山医院、山西医学院等教育及科研单位已对射频场电磁污染进行调查研究工作，但限于人力及设备条件，与国外水平相比仍存在的差距，有待迎头赶上。3 辐射容许值标准 高频辐射和生物组织的相互作用，是多种参数的复杂函数。在人体组织中的电磁和这些组织的电参数有关。生物组织的磁导率和自由空间的相同。可以忽略其影响。组织的介电参数和组织类型（肌肉、骨骼）、温度、频率等有关。介电常数分为实部和虚部。组织的导电率是介电常数虚部和频率的函数。介电常数和频率还确定电磁波深入生物体组织的深度。随着频率的不同，深入的距离变化很大，在 100GHz 以上，深入的深度不到毫米量级。对于含水率高的组织，在几吉赫时可达到几厘米。对于含水率低的组织，在 10MHz时可以超过 1m。对于复杂的生物体，如人体、动物等内部的电场的估算是非常复杂的。主要是由于这些物体的形状非常不规则。内部的电常数也是非均匀的。尽管这样我们还是要通过理论计算和试验方法来确定在外部电磁场的照射下人体与其它动物组织中所感受的电磁场。正是这些电磁场与人体和其它动物组织相互作用，才产生出种种效应。组织中内场的大小与照射场的参数、频率、强度、极化等有关，也与被照射物体的形状、大小、电参数有关，还与照射源与被照射物体的相对位置、附近的物体存在等有关。由于内部电磁场与这么多的参数有关，所以在同样的外电磁场照射下，一个人和一只老鼠所感应的内电磁场引起的生物效应是完全不同的。在剂量学中，广泛采用所谓比吸收率（SAR-Specific Absorption Rate）来度量电磁辐射在生物单位组织中所感应的电场。它等于在生物组织单位质量中所沉淀的能量率。它的单位为 W/kg，通过比吸收率可以比较在不同的动物中所测得的结果，以及将动物测得的结果外推到人体中来。比吸收率能够考虑热效应和非热效应。体温升高率也和比吸收率成正比。近年来，剂量学的研究无论在理论计算方面还是在试验方面都获得了很在的进展。应用计算电磁学的许多计算方法：例如 FDTD 法，将人体分割成许多小单元。每个单元根据不同的部位，指定适当的电特性参数。可以计算出感应在各个部位的电磁场，从而估量出电磁场的影响。在试验方面，多数是用动物来进行的、可以通过比吸收率的比较，外推到人体中来。国际上已经发表了大量的结果，有的出版了手册。暴露在远辐射下，人体全身的比吸收率是频率和极化的函数。例如，一个身高 1.75m、体重 70kg 的人，暴露在 1mW/cm2 的电场下，当电场和人的轴线相平行时，最大吸收在70MHz80MHz 之间，这个频率称为谐振频率。在这个频率范围内，所吸收的功率要比电场强度乘以人体总面积所得出的功率大好几倍。平均比吸收率也和大小、形状有关。老鼠、猴子和人暴露在同样的电磁场下，人的最大吸收发生在70MHz 左右。猴子在 300MHz 左右，老鼠则在2450MHz 附近。比吸收率的空间分布是非常不均匀的。例如，对于人体在 5GHz 时能量主要分布在人体的表面。在30MHz300MHz 时，吸收主要是在头部和躯干。安全剂量是通过热效应的临界比吸收率加上安全系数后用比吸收率来表征的。这种安全性仅可通过相关的外界场强值来衡量，而这种外界场强值又是按人体不存在时所测得的电场或磁场强度来决定的。这些是理论及实验剂量学的任务。手持收发信机的辐射剂量则要求作特殊考虑。因发射天线离人体很近，外界电场及磁场的相位、方向及大小等相互关系非常复杂，它们由一点至另一点变化很快，因此不能用来测定比吸收率的感应值。代替这种方法，可用理论模型及数字技术去模拟暴露的实况并计算最终的比吸收率值。微波场的特点及其对人体影响的复杂性，使得头部堆积的能量高度不均匀。在这种条件下，即使对于平面波辐射这一相对简单的情况来说，要计算能量吸收的空间分布也不是一件轻而易举的事。已经证明对平面波辐射而言，存在头部大小与辐射频率的组合，使能量集中在眼睛及脑部，在世界范围愉，至少有四项研究工作论及手持收发信机近场暴露条件下，头部吸收能量的计算与测量问题。其所得数据可帮助我们理解、执行现行的安全准则，并对这类收发信机的使用者进行热效应的防护。不难看出，制定暴露安全容许标准是非常复杂的工作。尽管如此，各国为了防护射频场的辐射危害，仍颁发了辐射容许标准。表 1 是根据国际电气标准会议无线委员会 1979 年出版的资料所摘录的几个国家规定的标准。由表 1 可见，美国和原苏联标准相差甚远。这主要是美国认为微波辐射作用机理是热效应（引起体温高），标准是根据辐射对人体造成不可逆伤害阈值（考虑 10 倍安全系数）制定的。相反，原苏联从微波的非热效应出发，根据辐射对神经系统的影响制定标准。我国电子工业部则曾根据对部分动物的实验及对微波工作人员的健康检查，于 1979 年提出了一个暂行标准，规定 1 天 8h 连续照射时最大辐射平均功率密度不得超过 0.038mW/cm2，而在短时间间断照射，1 天超过8h 的情况下辐射量不得超过0.3 mW/cm2，在这种情况下最大功率密度也不允许超过 5 mW/cm2，而且当功率密度超过 1 mW/cm2 时还必须使用个人防护。1989 年我国颁布了作业场所微波辐射卫生标准（GB I0436-89），规定了卫生标准限量值。连续波：1天 8h 暴露的平均功率密度按下式计算：Pd400/t 式中：Pd-容许辐射平均功率密度（W/cm2）；t-受辐射时间（h）。脉冲波（固定辐射）：1 天 8h 平均功率密度为 25W/cm2、小于或大于8h 暴露的平均功率密度按下式计算：Pd200/t 脉冲波的非固定辐射的容许强度（平均功率密度）与连续波相同。肢体局部辐射（不区分连续和脉冲波）：1 天 8h 暴露的平均功率密度为500W/cm2；小于或大于 8h 暴露的平均功率密度按下式计算：Pd4000/t 短时间暴露最高功率密度的限制，当需要在大于1mW/cm2 辐射环境中工作时，按除日剂量容许强度计算暴露时间外，还需使用个人防护，担操作位最大辐射强度不得大于5m W/cm2。1982 年后，美国对原标准进行了修改补充（见表2、表 3 及表 4），看来已有更严的趋势。原苏联也对职业暴露及公众暴露规定了不同标准（见表5 及表 6）。1983 年国际辐射防护协会（IRPA-International Radiation Protection Association）执行委员会通过了频率为 100kHz 至 300MHz的射频电磁场辐射限度的暂行准则。准则对 100MHz 以上的频率范围，用比吸收率（SAR）表示辐射基本限值，以W/kg 为单位；而对 10MHz以下的频率范围，则用实效电场强度 Eeff(V/m)及实效磁场强度（A/m）表示辐射基本限值。派生限值则用功率密度（W/m2）表示。公众暴露限值取职业限值的1/5（功率密度）。IRPS 的辐射限值标准见表 7。最近电工标准化的欧洲委员会建立了TC111 技术委员会，以研究并报告人体暴露于电磁场的情况。TC111指定 SC111B 分委员会，完成人体在频率范围为 10kHz300GHz 的电磁场中暴露标准的制定工作。这一文件草案已于 1993 年 8 月转送所有关心这一工作的咨询及评议组织传阅，此文件对手持通信设备未提出任何参数数据，也无任何禁止条款。1993 年 10 月，欧共体常务理事会（DG）向电工标准化组织提交了一份有关 30MHz6GHz 移动通信安全要求标准的委托书。所定标准应有移动通信使用者对热效应的防护要求。由于非热效应的生物机理及性质还不能完全确定，DG 又向电工标准化组织提出，要求制定移动通信频率范围内的非热效应的研究计划，此项工作任务交付给 SC111B 工作组，并已由SC111B 受理。必须指出，微波辐射标准的制定应该经过一定时间的实践检验，随着人们认识的深化和发展，定期修改，不断完善，特别是由慢性累积所形成的致癌、致畸形、致突变的所谓三致，更需要通过长时间的观察研究，甚至通过几代人的观测，才能作出结论，想在短时期内依靠少数几次试验就作出硬性规定是不相宜的。4 电磁污染的防护措施 高频场可按下列步骤采取有效措施进行防护：4.1 对人们工作地区单位面积的高频辐射能量进行测试计算。4.2 在适当地方设置告警信号以提醒人们注意。4.3 在危险区周围安置围墙。4.4 在维修设备时或需在危险区内工作时先关闭高频源。4.5 如高频源不能关闭时，则可穿屏蔽衣或将高频源的输出降至安全水平；为了轻便，有时可着屏蔽裙及屏蔽头盔，以保护躯体主要部分的安全，至于眼部，则可戴防护眼镜。4.6 在有可能的地方，如在天线方向侧瓣或后瓣处，采用屏蔽措施，以减少辐射；4.7 有可能时就进行相关的试验。4.8 对在高频场作用下工作人员进行医疗保健，定期检查观测并作出记录。我国航天医学工程研究所等单位曾研制成功微波辐射防护服，此防护服由绝缘外罩、防护层和衬里3 层组成，穿着柔软舒适，可以有效地防止微波辐射对人体的危害。此外，光频电磁波也会对人体产生不利影响，它与上述微波频段以下的电磁污染都属于非电离辐射引起的污染，而且放射性物质还会引起一种放射性污染，这种污染则是由电离辐射引起的污染。此外，通过观测分析，人们还发现过强的磁场会也给人体带来不利的影响。至于工频场电磁污染，笔者已在文献 12中发表，限于篇幅，此处均不赘述