Относительный экологический риск

Электромагнитный фон, воздействующий на экосферу Земли, представляет собой совокупность всех видов излучения: естественного и искусственного (техногенного), которые имеют электромагнитную природу. Как это было уже отмечено, сегодня считается, что фон по ЭМИ насчитывает три составляющие: ионизирующее ЭМИ (радиация), неионизирующее ЭМИ радиочастот (на частотах ниже 3000 ГГц) и БЭИ (ЭМИ живых организмов). Различия между этими тремя составляющими фона по ЭМИ очевидны, – как и общность их происхождения, обусловленная свойствами электромагнетизма. Все они для человека невидимы, неслышимы, неосязаемы, то есть неощущаемы непосредственным образом и в реальном времени (за исключением световых волн). По отношению к окружающей среде все они являются абиотическими факторами, потенциально опасными для живых организмов (биорецепторов ЭМИ). Это позволяет не только сгруппировать их путем введения объединяющего понятия: фон по ЭМИ, но и применять при их изучении метод аналогии. Выбор метода аналогии обусловлен тем, что новые, еще неисследованные свойства одних составляющих фона можно спрогнозировать на основе анализа известных, достаточно хорошо изученных на примере других составляющих фона, закономерностей (полагая последние общими для фона по ЭМИ в целом).

В наибольшей степени их трех перечисленных составляющих электромагнитного фона (по влиянию на окружающую среду) сегодня изучено ионизирующее ЭМИ. Это объясняется тем, что его разрушительное воздействие на биологические объекты является самым опасным и скоротечным: и на Земле, и в космосе [2.2; 2.10]. Изучение свойств ЭМИ радиочастот представляется характерным примером применения метода аналогии, поскольку медико-биологические исследования в области ионизирующего ЭМИ были с успехом продолжены в низкочастотной части общего фона. По аналогии с ионизирующим ЭМИ были предложены пороговая и дозовая концепции опасности оценки неионизирующего ЭМИ для людей (в диапазоне частот 5 Гц... 300 ГГц); идея мониторинга окружающей среды по фактору ЭМИ; способы и средства защиты от ЭМИ и т.д. [2.8-2.9 и др.]. Из сравнения между собой последствий воздействия ионизирующего и неионизирующего ЭМИ сложилось представление о том, что последний фактор является менее вредным как для отдельных биорецепторов, так и для окружающей среды в целом.

С этим утверждением согласиться нельзя. Широкая распространенность и особенно угрожающая динамика роста неионизирующего ЭМИ заставляет признать данный компонент электромагнитного фона даже более агрессивным фактором, чем ионизирующее ЭМИ, по отношению к многотысячным (в ближайшее время – многомиллионным) массам людей – в первую очередь тех, кто пользуется на производстве и в быту современными ИКС-технологиями. Ограничимся указанием на два примера: рост уровней фона по ЭМИ за счет работы персональных ЭВМ (частоты 5 Гц... 400 кГц) и индивидуальных средств СПР и ССС, использующих частоты 300 МГц... 2 ГГц. Указанные РЭС «объединяет» чрезвычайно неприятный общий признак: минимальная удаленность источников ЭМИ от жизненно важных органов человека. Заметим, что ни один из потенциально более опасных источников радиации не находится в таком положении – все они изолированы, подконтрольны и воспроизводятся в строго ограниченном количестве.

При воздействии ЭМИ на большие и неоднородные по составу массивы людей убедительную статистику последствий такого воздействия получить невозможно – прежде всего, по этическим причинам (участники экологического эксперимента с возможным отрицательным исходом могут просто не дожить до его окончания). Поэтому приходится применять косвенные: менее точные, но более гуманные методы исследований, к которым относятся математическое (компьютерное) моделирование, эксперименты на биофантомах [2.5; 2.8 и др.] и отдельных видах животных. Для решения широкого круга технико-экологических вопросов, связанных с анализом и моделированием воздействия на окружающую среду фона по ЭМИ, наиболее приемлемым (если не единственно возможным) является компьютерный метод СИМ [2.10].

Согласно [2.7; 2.10 и др.], основными природными источниками ЭМИ на частотах 0,1 Гц... 100кГц являются: магнитогидродинамические волны в верхних слоях атмосферы за счет порывов «солнечного ветра», взаимодействующего с магнитосферой Земли; магнитные бури; циклотронные колебания ионов в радиационном поясе Земли и тормозное излучение электронов в зоне полярных сияний; потоки космических частиц и метеоров; процессы, связанные с движением электрических зарядов в атмосфере (атмосферное электричество); морское волнение. На частотах выше 30 МГц преобладают источники ЭМИ космического происхождения: Солнце (80% всей энергии ЭМИ на частотах выше 3 ГГц), планеты Солнечной системы, звезды, галактики и внегалактическое пространство [2.6]. Динамика процессов, происходящих в космосе, и связанных ними ЭМИ, оказывает самое непосредственное воздействие на весь живой мир Земли.

Источниками техногенного ЭМИ промышленного (индустриального) происхождения могут быть: производственное оборудование (сварочные и нагревательные аппараты, силовое оборудование, станки и инструменты, электромеханические устройства, уличное освещение); транспортные средства (системы электрозажигания, конвейеры, контактные провода); ЭВМ и бытовая аппаратура. Но основной вклад в структуру техногенного ЭМИ вносят РТО и РЭС.

Хотя установлено, что фоновая аура Земли формируется главным образом за счет уровней техногенного ЭМИ [2.5-2.11 и др.], нет достоверных сведений, отражающих характер воздействия данных источников на окружающую среду в глобальном масштабе и прогнозирующих его последствия. Помимо экологических причин такого положения, отметим технические, связанные с метрологией, моделированием, да и вообще с пониманием термина «фон» по ЭМИ на уровне однозначных понятий и определений [2.10]. Этому способствует и концепция нормирования порогов и доз ЭМИ, позволяющая не считаться с их «непороговыми» уровнями.

Наибольший по абсолютному уровню естественный фон по ЭМИ имеет место в диапазонах ОНЧ (3... 30 кГц) и СНЧ (ниже 3 кГц) за счет атмосферного электричества – грозовых разрядов, генерирующих импульсы и флуктуационные сигналы (атмосферики) значительной интенсивности. В [2.10] представлены значения спектральной фоновой плотности напряженности электрического поля S_E; В/м (Гц)^0,5, по данным наблюдений в Европе и США, а также по документам МККР за 1948-80 г.г. и аналогичные данные для спектральной фоновой плотности напряженности магнитного поля S_Н ; А/м (Гц)^0,5, по результатам наблюдений в Европе, США и Канаде за 1960-80 г.г. Атмосферный фон по ЭМИ доминирует до диапазона ОВЧ (нижняя частота 30 МГц), убывая в полосе частот 10⁴...10⁶ Гц как 40 дБ на декаду, а затем возрастая на 20 дБ.

Для спектральной фоновой плотности потока мощности космического фона по ЭМИ S_M; Вт/м²×Гц при спокойном Солнце имеет место S_M 4,7×10^-22/ ; где – длина волны, м. На частотах 0,3...15 ГГц это дает (0,5...23,5)×10^-21 Вт/м²×Гц. Уровни спорадического ЭМИ при шумовых бурях на время, исчисляемое часами, днями и месяцами, могут в 10-100 раз превышать приведенные значения S_M, а при «всплесках» ЭМИ (на минуты и десятки минут) – в 10⁴ раз и более. Это означает, что перепады уровня ЭМИ в естественных условиях составляют 10...40 дБ. По данным [2.6-2.7], средние уровни S_M для ЭМИ Луны в диапазоне частот 178,5 МГц... 37,5 ГГц равняются (6,8...8,1)×10^-26 Вт/м²×Гц, а максимальные значения S_M для источников звездного ЭМИ (сверхновая Кассиопея-А, радиогалактики Лебедь-А и Телец-А) на частотах 0,3...15 ГГц не превышают 10^-22 Вт/м²×Гц.

Приведенные сведения дают представление об уровнях фона естественного ЭМИ, под влиянием которого в ходе эволюции сформировались сложные биологические объекты (биорецепторы ЭМИ, в том числе и человек) на Земле. Они также позволяют произвести сравнительную оценку безопасности уровней техногенного ЭМИ – как указанных в НД, так и наблюдаемых в реальных условиях [2.10].

Промышленный фон обычно рассматривают как «добавку» к естественному фону и взаимным помехам при анализе эффективности РЭС [2.10]. При разработке НД по ЭМИ в рамках пороговой и дозовой концепций им фактически пренебрегают – полагая непороговым (заведомо не превышающим ПДУ). Хотя фоновые поля способны, во-первых, снижать метрологическую точность проводимых измерений, что существенно осложняет экспертизу безопасности РТО и РЭС по ЭМИ. Во-вторых, после введения новых НД непороговые ЭМИ могут оказаться соизмеримыми с ПДУ – со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Покажем это на примере персональных ЭВМ, широко используемых в настоящее время. До 1996 г. отечественные нормы по ЭМИ для ВДТ отсутствовали и при анализе безопасности компьютерных рабочих мест можно было пользоваться только нормами по ЭМИ для промышленной частоты 50Гц: Е _ПDУ = 5000 В/м; Н _ПDУ = 1400 А/м [2.10]. Поскольку уровни ЭМИ от ВДТ ничтожны по сравнению с указанными ПДУ, любой анализ безопасности ЭВМ терял смысл. Однако после принятия Россией жестких норм международного стандарта MPR-II [2.21-2.23; 2.27-2.29] сразу появилась возможность и дифференцировать рабочие места, и выделять среди ВДТ наиболее и наименее безопасные, и принимать конкретные меры по снижению уровней ЭМИ в окружающей среде...

Таблица 2.3. Естественный фон, ПДУ по ЭМИ для персональных ЭВМ и относительный риск R_S /R_Sm для естественного фона

Но это еще не все: появилась возможность сравнить нормы по ЭМИ для ЭВМ с уровнями естественного фона. Результаты данного сравнения представлены в таблице 2.3 – видно, что действующие НД позволяют считать безопасными для пользователей ЭВМ уровни ЭМИ, в 250-675 раз превышающие низкочастотный естественный фон как по напряженности поля Е; В/м, так и по магнитной индукции В; нТл, в нормируемых полосах частот 0,005... 2 кГц и 2... 400 кГц. В нижней строке представлены значения «фонового» риска R_S /R_Sm ≈ Э / Э_m порядка 1,5×10^-3 ... 4×10^-3, которые в соответствии с действующим НД для ЭВМ [2.10] следует признать допустимыми.

Из анализа данных таблицы 2.3 следует, что работу по снижению уровней локальных ЭМИ, создаваемых ЭВМ, нельзя считать завершенной. К аналогичному выводу приводит и оценка безопасности по фактору ЭМИ средств офисной техники (КМА, факсы, модемы и т.д.), а также других видов производственно-технологической, бытовой и медицинской аппаратуры, НД на которые сегодня отсутствуют.

Таблица 2.4. Естественный фон; ПДУ для техногенного фона по ЭМИ и относительный экологический риск R_S /R_Sm

Данные для техногенного ЭМИ а радиочастот 30 кГц... 300 ГГц содержит таблица 2.4, где представлены нормируемые уровни ЭЭ по напряженности поля на частотах 30 кГц... 300 МГц и ППЭ в диапазоне 0,3... 300 ГГц; а также максимально возможные уровни естественного фона. Сравнение данных таблицы 2.4 в одинаковых единицах показывает, что ПДУ для техногенного фона в 3×10³ ... 9,3×10⁴ раз превышают уровни естественного фона, что соответствует уровням риска порядка 10^-4 ... 10^-5 и согласно НД [2.12] считается допустимым.

Таблица 2.5. Данные мониторинга ЭМО с помощью оборудования «Ирга»

^* Наблюдаемое максимальное значение

Решение задач, связанных с определением составляющих техногенного фона по ЭМИ, существенно облегчается благодаря применению автоматизированных комплексов типа «Ирга» и «ИКАР», предназначенных для эфирного контроля РЭС, находящихся в зоне доступности для российских центров радиоконтроля (см. раздел 1.13).

В таблице 2.5 приведены характеристики ТРВ (ОРТ – видео и звук, «Ностальжи»; «Серебряный дождь»); систем персональной связи («Вестком»; «Мега Про»); СПР и ССС («Алтай» и ВОЛЕМОТ; DAMPS, GSM-900), полученные в результате мониторинга ЭМО с помощью оборудования «Ирга» на территории г. Самары.

На рис. 2.7 представлены обобщенные результаты сравнения уровней техногенного фона по ЭМИ, наблюдаемого в центре г. Самары, с уровнями максимального естественного фона по ЭМИ и ПДУ для суммарного фона по ЭМИ. Уровни напряженности электрического поля Е (в дБ относительно 1 мкВ/м) на частотах 30 кГц... 300 МГц и ППЭ (в дБ относительно 1 мкВт/см²) на частотах 0,3... 300 ГГц сгруппированы по I-VII декадным поддиапазонам (30-300 кГц; 0,3-3 МГц и т.д.), которые соответствуют семи полосам частот, обозначенным на горизонтальной оси рис. 2.7. Уровни естественного фона определялись по данным [2.2; 2.7; 2.10 и др.], уровни техногенного фона были найдены путем обработки результатов экспериментальных измерений с помощью комплекса «Ирга».

Рис. 2.7. Сравнение уровней естественного

и техногенного фона с ПДУ по ЭМИ

В каждой из семи полос частот (слева направо) в виде вертикальных столбцов показаны три уровня: техногенного ЭМИ; максимального естественного фона по ЭМИ; ПДУ для суммарного фона по ЭМИ. По результатам анализа графиков на рис. 2.14 отметим, во-первых, что возможности комплекса «Ирга» не позволили получить экспериментальные данные об уровнях техногенного ЭМИ в VI-VII поддиапазонах (частоты 3-300 ГГц) и на участке 30-100 кГц в I поддиапазоне. Во-вторых, что наблюдаемые уровни техногенного фона значительно ниже ПДУ – это формально свидетельствует о безопасности всех излучающих РЭС согласно НД по ЭМИ. Однако значения действующих ПДУ настолько велики по сравнению с естественным фоном (в 10³ ... 10⁵ раз), что сами они представляются существенно завышенными – несмотря на уточнения, корректировки и т.д.

В-третьих, в V поддиапазоне (частоты 0,3... 3 ГГц), где сосредоточены сети ТРВ, СПР и ССС и т.д., уровни техногенного фона на 38 дБ выше уровней естественного фона, хотя и ниже ПДУ по ЭМИ на 28 дБ. Это типовая ситуация, объясняемая издержками пороговой и дозовой концепции оценки безопасности ЭМИ, подробно рассмотренная в [2.10]. В-четвертых, что здесь наиболее интересно, в I-IV поддиапазонах наблюдаемые реальные средние уровни техногенного фона по ЭМИ не превышают максимально-прогнозируемые уровни естественного фона по ЭМИ (в III поддиапазоне они практически одинаковы). Это говорит, с одной стороны, о возможности практической реализации сигналов, сопоставимых по уровню с естественным фоном, с другой стороны – показывает возможные частотные резервы для размещения новых РЭС (в VI-VII поддиапазонах на рис. 2.14 прогнозируется такая же ситуация).

При всех упрощениях, сопровождающих анализ данных, аналогичных приведенным в таблицах 2.3-2.5 и на рис. 2.14, его конечный результат убедительно демонстрирует значительное и постоянно возрастающее расхождение между уровнями естественного и техногенного ЭМИ, которое вызывает сегодня тревогу экологов.