Электромагнитное загрязнение окружающей среды от передающих радиотехнических объектов на территории г. Красноярска

1. Характеристика и биологическое действие ЭМП РЧ

1.1 Источники ЭМИ РЧ и их применение

1.2 Биологическое действие ЭМИ РЧ

2. Расчетные методы оценки ЭМИ РЧ, ГИС и тематическое картографирование экологической информации

2.1 Представление знаний об окружающей среде в виде электронной карты, этапы создания тематического слоя

2.2 Методы расчетного прогнозирования уровней ЭМИ РЧ

3. Формирование электромагнитного загрязнения в условиях городской среды

3.1 Анализ ПРТО г. Красноярска

3.2 Определение удельной мощности ПРТО г. Красноярска

Заключение

Список используемых сокращений

Литература

Приложения

Введение

Отличительной особенностью современного этапа развития человечества является переход комплекса опасностей, имевших место в техносфере, в гео- и биосферу. Работы последних лет убедительно показали важную роль естественных электромагнитных полей (ЭМП) для жизнедеятельности человека и всей биосферы в целом (1, 2, 3). Между тем, за последние годы сформировался новый значительный фактор окружающей среды – электромагнитные поля техногенного происхождения (2, 4). Источниками таких полей являются линии электропередач (ЛЭП), электротранспорт, передающие радиотехнические объекты (ПРТО). Особенность ситуации заключается в том, что природные электромагнитные поля – это фактор поддержания жизни на Земле, а вызванное деятельностью человека искусственное электромагнитное загрязнение, интенсивность которого во много раз превышает естественный фон, отрицательно влияет на все живое и является причиной многих заболеваний. В настоящее время в связи с хозяйственной деятельностью человека уровень электромагнитных излучений (ЭМИ) антропогенного происхождения в десятки тысяч раз превысил естественный электромагнитный фон. Масштабы электромагнитного загрязнения стали столь существенными, что Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) в 1992г. включила эту проблему в число актуальных проблем человечества (5).

Актуальность и важность проблемы для России была определена Постановлением Президиума РАМН еще в 1994г. В решении Межведомственной Комиссии Совета Безопасности Российской Федерации по экологической безопасности №2-2 от 20.02.96г. указано, что "неблагоприятное воздействие на человека и окружающую среду электромагнитных излучений принимает опасные размеры" (6).

Современный крупный промышленный город, к которому относится и Красноярск, является сложной многокомпонентной урбанизированной системой, которая изменяет почти все компоненты природной среды, образуя техногенную среду, к которой человек как вид эволюционно не адаптирован. Говоря об электромагнитном загрязнении, следует отметить, что, если буквально 20 - 25 лет назад воздействию значимых уровней ЭМИ подвергался ограниченный круг людей-профессионалов, то в настоящее время можно говорить об угрозе воздействия ЭМИ на все население. Характерной чертой электромагнитного загрязнения городов является его многочастотность и многофакторность (7), когда на определенный участок городской территории оказывают воздействие несколько источников излучения с различными частотами, интенсивностью и местами расположения. Проведение достоверных измерений в случае многочастотного воздействия весьма проблематично и возможно лишь при отключении всех ПРТО, за исключением контролируемого. Близкое соседство источников ЭМП с жилыми районами, тенденция к сплошной застройке, вытеснение зеленых зон – все это указывает на существование значимого неблагоприятного воздействия на здоровье человека.

Актуальность экологических проблем для жителей г. Красноярска послужила причиной создания электронного атласа города - информационной базы, которая дает возможность изучить электромагнитное загрязнение среды по всей территории города.

В настоящей работе в качестве ознакомления рассмотрены источники электромагнитного загрязнения среды и методы построения электронных карт с использованием прикладной программы к пакету MapInfo-5.0.

Целью данной работы явилось изучение источников формирования электромагнитной нагрузки (ЭМН) в условиях населенных мест города Красноярска, структуры и уровня загрязнения в административных районах и в целом по городу, а так же выявить приоритетные районы.

1. Характеристика и биологическое действие ЭМП РЧ

1.1 Источники ЭМИ РЧ и их применение

К электромагнитным излучениям радиочастотного (или радиоволнового) диапазона(ЭМИ РЧ) относятся ЭМП с частотой от 3 Гц до 3000ГГц (соответственно с длиной волны от 100000 км до 0,1 мм). В соответствии с международным регламентом радиосвязи в этом диапазоне выделяют 12 частотных поддиапазонов (приложение 1).

Различают два наиболее часто встречающихся типа электромагнитных колебаний:

Гармонические, в которых электрическая (Е) и магнитная (Н) составляющие изменяются по закону синуса или косинуса;

Модулированные, в которых амплитуда, частота или фаза, дополнительно, медленно по сравнению с периодом колебаний, изменяются по определенному закону.

Модуляция используется с помощью электромагнитных волн информации. Особый интерес при этом представляет импульсная модуляция, при которой гармонические колебания несущей частоты принимают вид кратковременных посылок – импульсов. Для характеристики импульсных излучений наряду с несущей (генерируемой) частотой и длительностью импульса (τ) используются такие параметры, как частота следования (F), или период повторения (Т) импульсов- Т=1/F, и скважность импульсной модуляции (Q), которая представляет собой отношение периода следования импульсов к их длительности Q=Т/τ=1/(τ F).

Пространство, окружающее источник излучения, можно охарактеризовать тремя зонами: ближняя (зона индукции), промежуточная (зона интерференции) и дальняя (волновая зона).

В ближней зоне электромагнитное поле не сформировано и представляет собой некоторый запас реактивной мощности, связанной с источником излучения. В это зоне соотношение между Е и Н полем может быть самым различным.

В волновой зоне электромагнитное поле сформировано и распространяется в виде бегущей волны. В этой зоне составляющие Е и Н изменяются в фазе и между их средними значениями за период существует определенное соотношение Е=377Н.

В промежуточной зоне помимо поля излучения (распространяющаяся волна) присутствует так же поле индукции. Однако последнее весьма быстро убывает с расстоянием от источника (Е обратно пропорционально квадрату, Н- кубу расстояния). В зоне излучения Е и Н убывает обратно пропорционально расстоянию в первой степени. В связи с этим, на расстояниях, превышающих несколько длин волн, вклад поля индукции не значительный, и результирующее электромагнитное поле в основном определяется полем излучения. Строго говоря, в случае точечного источника излучения (то есть источника, геометрические размеры которого много меньше длины волны излучения) границы зон определяются следующим образом:

r< λ/2π – ближняя зона

λ/2π< r <2πλ – промежуточная зона

r>2πλ – дальняя зона

Следует иметь в виду, что в случае остронаправленных источников излучения (антенны) с размерами, значительно превышающими длину волны излучения, граница дальней зоны отодвигается. Она зависит в этом случае от соотношения размеров антенны и длины волны. Теоретически в этом случае граница дальней зоны определяется соотношением r=2D²/ λ, где D – наибольший геометрический размер излучающей антенны. Практически же при решении задач по гигиенической оценке излучения при D >λ граница дальней зоны может быть сужена до величины порядка нескольких D по причине быстрого убывания поля индукции и преобладания поля излучения в промежуточной зоне. Аналогично этому в случаях источников, имеющих форму длинных щелей, можно считать, что область сформировавшегося поля практически так же находится на расстоянии нескольких D (где D – длина излучающей щели).

В соответствии с указанным выше, интенсивности ЭМИ правильно оценивать в зоне напряженности электрического (Е) и магнитного (Н) полей (единицы измерения В/м и А/м), в дальней – поверхностной плотностью потока энергии (ППЭ), имеющей размерность Вт/м². На практике, как правило, Е и Н оцениваются для ЭМИ с частотой менее 300 МГц, ППЭ – для частот выше 300 МГц;в случае импульсных излучений оценка производится по средней ППЭ, связь которой с импульсной (или пиковой ППЭ) выражается соотношением:

ППЭ_ср=ППЭ_имп/Q - ППЭ_имп τ F

Источники ЭМИ радиочастотного диапазона широко используются в самых различных отраслях народного хозяйства (приложение 2).

ЭМИ применяются для передачи информации на расстояние (радиовещание, радиотелефонная связь, телевидение, радиолокация, радиометеорология и др.). В промышленности ЭМИ РЧ используются для индуцированного и диэлектрического нагрева материалов (закалка, плавка, напайка, сварка, напыление металлов, сушка древесины, нагрев пластмасс, термообработка пищевых продуктов и др.). ЭМИ широко применяются в научных исследованиях (радиоспектроскопия, радиоастрономия) и в медицине (физиотерапия, хирургия, онкология). В ряде случаев ЭМИ возникают как побочный неиспользуемый фактор, например, вблизи воздушных линий электропередачи (ВЛ), трансформаторных подстанций, электроприборов, в том числе бытового назначения. (8)

1.2 Биологическое действие ЭМИ РЧ

Основными источниками ЭМИ РЧ в окружающую среду служат антенные системы радиолокационных станций (РЛС), радио- и телерадиостанций, в том числе систем мобильной радиосвязи, ВЛ и пр.

Современный этап характеризуется увеличением мощностей источников ЭМИ РЧ, что приводит к электромагнитному загрязнению окружающей среды и при определенных условиях может оказывать неблагоприятное влияние на организм человека.

Несмотря на большое число публикаций, посвященных изучению последствий воздействия ЭМП на биообъекты, до сих пор нет единого мнения о механизмах воздействия ЭМИ на живой организм. Только с помощью экспериментальных и клинических исследований можно оценить характер воздействия ЭМИ на организм человека.

Взаимодействие внешних ЭМП с биологическими объектами осуществляется путем наведения внутренних полей и электрических токов, величина и распределение которых в теле человека и животных зависит от целого ряда параметров, таких как размер, форма, анатомическое строение тела, электрические и магнитные свойства тканей(электрическая/магнитная проницаемость и электрическая/магнитная проводимость), ориентация объекта относительно поляризации тела, а так же от характеристик ЭМП (частота, интенсивность, модуляция и др.). Поглощение и распределение поглощенной энергии внутри тела существенно зависит так же от формы и размеров облучающего объекта, от соотношения этих размеров с длиной волны излучения. С этих позиций в спектре ЭМИ РЧ можно выделить три области: ЭМП с частотой до 30МГц, ЭМП с частотой более 10ГГц и ЭМП с частотой 30МГц – 10ГГц. Для первой области характерно быстрое падение величины поглощения с уменьшением частоты (приблизительно пропорционально квадрату частоты). Отличительной особенностью второй является очень быстрое затухание энергии ЭМИ при проникновении энергии внутрь ткани: практически вся энергия поглощается в поверхностных слоях биоструктур. Для третьей, промежуточной по частоте области, характерно наличие ряда максимумов поглощения, при которых тело как бы втягивает в себя поле и поглощает энергии больше, чем приходится на его поперечное сечение. В этом случае резко проявляются интерференционные явления, приводящие к возникновению локальных максимумов поглощения, так называемых "горячих пятен". Для человека условия возникновения локальных максимумов поглощения в голове имеют место на частотах 750-2500МГц, а максимум, обусловленный резонансом с общим размером тела, лежит в диапазоне частот 50-300МГц (8).

Организм животных и человека весьма чувствителен к воздействию ЭМИ РЧ. Биологическому действию ЭМИ посвящены тысячи работ отечественных и зарубежных авторов. Поскольку подробное рассмотрение не представляется возможным, основное внимание будет уделено установленным закономерностям биологического действия фактора.

Наиболее чувствительна к воздействию ЭМИ нервная система. Электроэнцефалографическими методами выявлены нарушения в собственных электрических потенциалах организма при его взаимодействии с внешними ЭМП. Практически все диапазоны ЭМИ оказывают дезактивирующее влияние на электрические процессы в коре и подкорковых образованиях головного мозга. Функционально это проявляется в изменениях простой двигательной реакции порога обонятельной чувствительности, памяти и внимания, соотношении между процессами возбуждения и торможения в центральной нервной системе (ЦНС), в замедлении выборки сложных динамических стереотипов. Следствием указанных отклонений на уровне целостного организма являются повышенная утомляемость, головные боли, расстройство памяти и сна, раздражительность. По мнению ряда исследователей, механизм действия ЭМП различной частоты на организм представляется как результат опосредованного действия через ЦНС, но также возможно непосредственное влияние на его биохимические и биоэлектрические процессы в тканях и органах (9). Значительно выражено гонадо- и эмбриотропное действие ЭМИ. Критериями оценки функциональных и патологических сдвигов со стороны производящей системы служат обычно морфологические изменения (дегенерация, пикноз клеточных элементов сперматогенного эпителия, изменения в соотношении клеточных форм, цитохимические сдвиги), гормональные нарушения эстральной и сперматогенной функции. Общее, что показывают многие исследования при воздействии ЭМИ на животных - это снижение репродуктивной способности самок и тератогенные изменения в потомстве, нарушение эстрального цикла, снижение функционального состояния сперматозоидов. Некоторые авторы даже считают, что функция производства женских половых гормонов более чувствительна к ЭМИ (10).

Некоторые авторы к числу критических систем относят кроветворную. Система кровообращения отвечает на воздействие ЭМИ фазовыми реакциями тонуса сосудов (повышение и понижение артериального давления) и сердечного ритма. Наблюдаемые эффекты можно рассматривать не только как результаты непосредственного действия ЭМИ на систему кровообращения, но и как результат нарушения ее регуляции. Накоплены сведения (11) о воздействии ЭМИ на такие процессы, как окислительное фосфорилирование, скорость транспорта ионов. Один из возможных механизмов действия магнитных полей - его ориентирующее действие на жидкие кристаллы клеточных мембран, что ведет к изменению их проницаемости. Биологическое действие ЭМИ зависит от длины волны (иди частоты) излучения, режима генерации (непрерывный, импульсный), условий воздействия на организм (постоянное, прерывистое; общее, местное; интенсивность; длительность). Отмечено, что биологическая активность ЭМИ убывает с уменьшением частоты излучения. В свете сказанного понятно, что наиболее активными являются сверхвысокие, крайне высокие и гипервысокие диапазоны радиочастот (8).

2. Расчетные методы оценки ЭМИ РЧ, ГИС и тематическое картографирование экологической информации

2.1 Представление знаний об окружающей среде в виде электронной карты, этапы создания тематического слоя

Геоинформационная система (ГИС) представляет собой автоматизированную аппаратно – программную систему, с помощью которой осуществляется сбор, обработка, хранение и отображение пространственно координированной информации. Основу ГИС составляют автоматические картографические системы, а главными источниками информации служат различные геоизображения (12).

Одним из наиболее важных направлений использования ГИС является развитие эколого-географического картографирования, которое служит информационной основой обеспечения решения региональных и локальных экологических проблем. Например, охрана природного потенциала территории, мониторинг здоровья населения, сохранение качества окружающей среды, поддержание и улучшение условий жизни и деятельности человека, экологически адаптированное природопользование и т. д. (13).

ГИС-технологии широко используются в комплексном картографировании, создают для него новые возможности и поднимают на более высокий технологический уровень. Компьютерные версии комплексных атласов представляют собой соединение картографических и геоинформационных методов организации и представления пространственной информации, что находит выражение в сочетании методов информатики в организации пространственного и тематического блоков баз данных и картографического метода построения изображения.

Атласное геоинформационное картографирование опирается на известные требования согласования карт: легенды одинаковой детальности, приуроченности к определенному масштабу и др. С проблемами согласования тесно связан и выбор базовых карт, которые служат каркасом для координирования и географической привязки данных, а также для последующего сопряженного анализа информации.

Формирование базы данных включает в себя такие основные этапы, как подготовка информационных слоев общегеографической основы и на ее базе подготовка информационных слоев тематического содержания карт Атласа. Такой подход является наиболее общим для комплексного атласного картографирования.

В настоящее время в разных регионах России создаются и разрабатываются проекты различных региональных атласов. Каждый из них наряду с общими моментами: географическое положение рассматриваемой территории, климатические характеристики, административно-территориальное деление, размещение населения, - имеет свои специфические особенности.

Примером региональных ГИС-карт являются электронные карты, раскрывающие с качественно различных сторон один рассматриваемый объект.

Очень актуальными являются ГИС – карты отдельных крупных городов, как правило, областных или краевых центров. Городская среда – сложная система, основным путем познания которой является изучение отдельных компонентов ее и связей между ними. Здесь проблема огромного количества тематически-различных данных опять решается с помощью ГИС.

Термином "электронная карта" обозначают набор тематических слоев, каждый из которых привносит пространственно-распределенную информацию по какой-либо определенной теме. Таким образом, если на слой границ некой территории может быть нанесен слой рек, затем слой населенных пунктов и т.д., пользователь имеет возможность, манипулируя тематическими слоями, визуально анализировать информацию более эффективно, чем анализируя просто колонки цифр. Именно графические изображения, наглядные графические образы всегда были и останутся для людей одними из главных средств познания окружающего мира и организации полученного знания, необходимым инструментом мышления и творческого начала (14).

Слои в электронной карте подразделяются на два вида: векторные и растровые.

Растровый слой представляет собой сплошное изображение, состоящее из различных по цвету пикселов, он не может содержать каких-либо объектов. Растровый слой используется в качестве подложки для цифрования, фона для большей наглядности векторного слоя или слоев, в фотограмметрии при преобразовании отсканированных аэрофотоснимков в векторный формат и т.д.

Векторный слой – это совокупность простых геометрических объектов (точка, дуга, полигон). Другими словами, векторный слой – это пространственные данные, которые представляют те или иные объекты на местности. Например, как точечные объекты могут быть показаны населенные пункты, наблюдательные посты, места взятия проб грунта, атмосферного воздуха и т.д. Линейными объектами традиционно являются дороги, реки, административные границы и др. Такими объектами как полигоны представлены озера, квартальная застройка в городе, площадь и форма скверов и парков.

Каждому объекту векторного слоя присваивается индивидуальный пользовательский идентификатор для привязки к базе данных. Это обеспечивает привязку атрибутивной информации из базы данных к местности. Таким образом, основная идея связи пространственных данных с атрибутивными заключается в том, что пространственный объект на карте и содержащий информацию о нем объект базы данных имеют один и тот же идентификатор, который и служит связующим звеном (14).

Каждому тематическому слою ставят в соответствие одну или несколько таблиц, содержащих характеристики объектов слоя. Например, точечному слою "города" присоединяется таблица, где присутствует поле, в котором хранится идентификатор каждого объекта (города) и тогда с одним объектом на карте сопоставляется определенная одна запись – строка в таблице (название города, численность населения и т.д.), содержащей в поле идентификатора то же значение, что и идентификатор пространственного объекта на карте. Таким образом, объекту на карте присваивается необходимая атрибутивная информация, содержащаяся в группе записей, таблице и любом другом наборе данных.

Процесс создания тематических карт можно разделить на этапы.

Первый этап – это оцифровка существующих бумажных тематических карт или ввод тематической информации в ЭВМ. Для создания большинства тематических слоев исходным материалом для оцифровки служит тематический слой данных. На данной стадии происходит сопоставление спецификаций объектов с указанием необходимых атрибутивных данных в соответствии с тематическим заданием. Важной особенностью этого этапа является указание реперных точек для последующего пересчета векторного изображения из координат устройства ввода в систему координат, применяемую в текущей реализации электронной карты (15).

Каркасом для укладки тематического материала служит географическая основа и элементы местности, которые однозначно и сравнительно точно отображают на картах: гидрография, рельеф, болота, леса, населенные пункты и др. Приоритеты неподвижности сохраняются за гидрографией, автомобильными и железными дорогами, населенными пунктами. Редактируется, меняется именно тематическое содержание относительно общегеографического, а не наоборот. Иначе качество пространственной привязки тематических данных будет значительно ниже общегеографических (16,17).

Когда нет бумажной основы с тематическими данными, возникает задача восстановления непрерывных полей значений по дискретным данным, обладающим пространственной привязкой. Значения координат X и Y могут быть получены непосредственно с помощью объектов графического слоя, если мы отмечаем точку на векторном слое и присваиваем ей соответствующий идентификатор, автоматически получая ее координаты. В этом случае дискретные значения находятся в ГИС в виде векторного слоя. Координаты так же могут быть представлены в виде обычных баз данных, либо получены в результате расчетов.

На этом этапе необходимо построить заданную точками цифровую модель поверхности.

После создания векторного слоя с пространственной информацией по интересующей теме, идентификации его объектов и присоединении определенной атрибутивной информации из базы данных наступает этап визуализации и тематической раскраски. Здесь происходит выделение объектов слоя, создание так называемой картографической композиции, куда входят слои цифровой карты, правила и порядок их отображения, способы обрисовки объектов, библиотека условных знаков, тематические таблицы и др. (18).

Большинство широко распространенных инструментальных ГИС обладают широкими возможностями для тематической обработки карт и их визуализации. Среди них условное выделение цветовыми диапазонами, размерными символами, круговыми и столбчатыми диаграммами, плотностью точек и индивидуальных настроек. Для наиболее полного решения поставленной задачи имеется большое число символов для точечных объектов, стилей линей для линейных и штриховок, заливок – для полигонов.

Но для того, чтобы геоинформационная карта представляла собою модель реального мира, а не только систему накопления и хранения географических данных (19), необходимо выявить и проанализировать взаимосвязи и взаимозависимости между ее слоями. Это делается при помощи методов математической статистики, которые позволяют по выборкам, полученным с карт и снимков, определять средние величины и вариации, рассчитывать параметры распределения и показатели корреляции, выполнять многомерный факторный, компонентный и дисперсионный анализ и т. п. - словом, использовать весь арсенал математической статистики (20).

2.2 Методы расчетного прогнозирования уровней ЭМИ РЧ

Определение уровней ЭМП производится с целью прогнозирования электромагнитной обстановки в местах размещения ПРТО. На основе данных технических параметров ПРТО: рабочая частота, мощность излучения, тип антенны, вид модуляции, место и условия расположения на территории города, - рассчитываются распределения ЭМП вокруг радиоисточников. Расчеты выполнялись, используя методические указания (МУК 4.3.1677-03) (21). В данной работе расчеты проводились при помощи "Программного комплекса анализа электромагнитной обстановки".

3. Формирование электромагнитного загрязнения в условиях городской среды

3.1 Анализ ПРТО г. Красноярска

На первом этапе исследования были изучены стационарные ПРТО. Была создана база данных, содержащая технические характеристики источников ЭМИ РЧ: рабочая частота, мощность излучения, тип антенны, вид модуляции, тип зданий, на которых размещались антенны, высоты размещения антенн, год ввода ПРТО в эксплуатацию. База данных представлена в табличном процессоре Ex и в программе Microsoft Access.

Информация об источниках ЭМИ РЧ за 2005 г, взятая из базы данных, представлена в виде диаграммы 1.

Проведенные исследования ЭМП радиочастотного диапазона (30кГц-300ГГц) г. Красноярска показали, что наибольший вклад в формирование электромагнитной нагрузки (ЭМН) селитебных зон города – 82,81% – вносит сотовая связь.

С целью пространственного распределения источников излучения ЭМП были построены тематические слои карты г. Красноярска за 2003 г. и 2005 г., на которых отмечены места установки ПРТО (использовались данные Роспотребнадзора по Красноярскому краю и ФГУЗ "Центр гигиены и эпидемиологии в Красноярском крае"). Вид электронной карты приведен на рис. 1. на примере 2005 г.

Рис. 1. Карта г. Красноярска с нанесенными на ней источниками ЭМИ РЧ за 2005 г.

Наибольшее скопление источников ЭМИ РЧ как за 2003 г., так и за 2005 г. наблюдается в Октябрьском, Железнодорожном и Центральном районах, наименьшее – в Ленинском районе.

3.2 Определение удельной мощности ПРТО г. Красноярска

Представлялось важным провести расчет удельной мощности ЭМИ ПРТО (мощности ЭМИ ПРТО на единицу площади) в каждом районе города (рис. 2.), который позволил выделить приоритетные районы.

Рис. 2. Карта районов г. Красноярска. 1 – Октябрьский, 2 – Железнодорожный, 3 – Центральный, 4 – Советский, 5 – Свердловский, 6 – Кировский, 7 - Ленинский

Данные для расчета удельной мощности ЭМИ ПРТО (мощности ПРТО на единицу площади) в каждом районе города за последние несколько лет представлены в табл. 1.

Таблица 1. Величина удельной мощности ЭМИ ПРТО, рассчитанная для районов г. Красноярска