Dr hab. Henryka Czyż, prof. WSIiZ

Profesor Uczelni w Katedrze Kognitywistki i Modelowania Matematycznego. Jej zainteresowania naukowe koncentrują się wokół: mechaniki teoretycznej i akustyki fizycznej oraz zastosowań ultradźwięków w inżynierii medycznej. Jest autorką prac w znaczących czasopismach naukowych: Archives of Acoustics, Acustica, Acta Acustica, Acta Physica Polonica, J.A.S.A. (The Journal of the Acoustical Society of America) oraz monografii, kilku rozdziałów w monografiach polsko- i angielskojęzycznych.

Elektromagnetyzm

Rozchodzące się w przestrzeni okresowe zmiany pól: elektrycznego i magnetycznego – nazywamy falą elektromagnetyczną. Fale te występują w przyrodzie, są też cechą funkcjonowania Wszechświata. Powstają wszędzie tam, gdzie występują oddziaływania ładunków elektrycznych lub obiektów naładowanych elektrycznie oraz wtedy, gdy następuje przepływ prądu elektrycznego. Fale elektromagnetyczne są wszechobecne w otoczeniu, w którym żyjemy. Mogą one rozchodzić się zarówno w ośrodkach, takich jak powietrze, woda,  drewno, a także w próżni. Najważniejszym naturalnym źródłem fal EM jest oczywiście Słońce. Istnieje także bardzo wiele sztucznych źródeł fal EM. Są nimi między innymi: telefony komórkowe, telewizory, kuchenki mikrofalowe, lampy, aparaty do obrazowania rentgenowskiego. Postęp nauki oraz rozwój technologii sprawił, że urządzenia wytwarzające i wykorzystujące fale EM są powszechnym elementem naszego codziennego życia. Pojawia się w związku z tym naturalne pytanie o wpływ fal EM na nasze zdrowie i środowisko, w którym żyjemy. Problematyka ta stanowi ważny temat prac naukowych, w które zaangażowani są badacze, naukowcy i pracownicy służby zdrowia na całym świecie. Energia fal EM zależy od ich częstotliwości, czyli ilości drgań na sekundę. Im większa jest częstotliwość fali EM, tym większa jest przenoszona przez nią energia. Podział fal według częstotliwości nazywa się widmem promieniowania elektromagnetycznego. Widmo dzieli się na obszary, między którymi nie ma wyraźnych granic (Rys. 1).

Najkrótsze są fale EM gamma o długości od 10 ^-13 do 10 ^-11 m. Zakres ich częstotliwości jest w granicach od  3•10¹⁹ do  3•10²¹ Hz. Powstają podczas przemian i reakcji jądrowych oraz występują w promieniowaniu kosmicznym.

Na wykresie Rys.2 fale EM przedstawiono według rosnącej częstotliwości i malejącej długości. Im fala EM jest dłuższa, tym ma mniejszą częstotliwość. Fale o dużych częstotliwościach, na przykład rentgenowskie i gamma, mają największą energię. Oddziaływanie tych fal z organizmami żywymi może zakończyć się uszkodzeniem komórek, a nawet śmiercią, jeśli dawka promieniowania jest zbyt duża.

Podział fal elektromagnetycznych i ich zastosowania

Wszyscy ciągle spędzamy dużo czasu przed ekranami komputerów i smartfonów. Skutki biologiczne oddziaływania fal EM na organizm człowieka są różne i zależą od kilku czynników: od ilości pochłoniętej energii, od czasu ekspozycji oraz od wrażliwości danej tkanki ludzkiej. W wyniku tego oddziaływania mogą powstawać prądy wirowe, wzrost temperatury ciała oraz jonizacja.

Fale radiowe mają długości w zakresie 10-200 m. Działanie tych fal polega na przekazywaniu danych przy pomocy zmiany natężenia lub częstotliwości fali. Fale radiowe są generowane przez nadajnik, a potem zostają przekazywane poprzez przewodniki (np. anteny) do aparatu odbiorczego (radio, telewizor, telefon), który odbiera, interpretuje i odpowiednio przekształca fale radiowe np. na dźwięk, lub obraz. Działanie fal radiowych znajduje zastosowanie w transmisjach radiowych i telewizyjnych (obecnie w wersji cyfrowej), systemach radarowych, łączności bezprzewodowej (Wi-Fi, Bluetooth) oraz w medycynie (radioterapia).

Mikrofale najczęściej wiązane są z kuchenką mikrofalową, a jest to tylko jedyna z wielu możliwych ich zastosowań. Są wytwarzane przez specjalne lampy elektronowe. Mikrofale rozchodzą się w powietrzu, nawet przy niesprzyjających warunkach atmosferycznych (mgła, opady). Dzięki temu znalazły zastosowanie w radarach czyli urządzeniach służących do określania położenia. Radary stosuje się w meteorologii, np. do śledzenia chmur deszczowych. Mikrofale stosowane są także w łączności satelitarnej (telefony, faksy, transmisja danych). Częstotliwość odpowiadająca mikrofalom wykorzystywana jest też w: telefonii komórkowej, nawigacji GPS, łączności bluetooth i bezprzewodowych sieciach komputerowych WLAN.

Ultrafiolet (UV) jest to fala EM, która dociera do nas razem z promieniowaniem słonecznym. Jest ono niezbędne do wytwarzania witaminy D w organizmie człowieka, ale nadmiar tego promieniowania może grozić poważnymi konsekwencjami. Gdy się opalamy, to właśnie promieniowanie UV wywołuje opaleniznę, ale czasem poparzenie skóry. Długotrwałe opalanie się powoduje uszkodzenia włókien kolagenowych skóry oraz szybsze jej starzenie się (powstawanie zmarszczek). Zbyt duże dawki promieniowania UV mogą prowadzić do trwałych zmian skórnych, nawet nowotworowych. Dlatego ważna jest ochrona przed tym promieniowaniem. Warto stosować kremy z filtrem UV (im wyższy wskaźnik ochrony przeciwsłonecznej, tym lepiej), które rzeczywiście chronią skórę. Promieniowanie UV zawiera światło łuku elektrycznego, kilkunastosekundowe patrzenie na taki łuk może wywołać uszkodzenie wzroku. Ultrafiolet wpływa niekorzystnie na organizmy żywe, jest wykorzystywany do wyjałowienia i sterylizacji sprzętu medycznego. Źródłami ultrafioletu są Słońce i lampy kwarcowe.

Promieniowanie X czyli fale rentgenowskie przenikają przez papier i tekturę. Szerokie zastosowanie tego promieniowania – to wykonywanie prześwietleń i przeprowadzanie badań diagnostycznych. Fala elektromagnetyczna o dużej przenikliwości służy też do  prześwietlania bagaży na lotniskach.

Promieniowanie gamma jest falą EM o największej częstotliwości i najmniejszej długości fali. Jest bardziej przenikliwe niż promieniowanie X, ma nieograniczony zasięg w powietrzu, może swobodnie przenikać nawet przez aluminium. Pochłaniane jest przez warstwę ołowiu. Źródłem tego promieniowania są różne pierwiastki promieniotwórcze. Niektóre z nich stosowane są w medycynie i radioterapii.

Aspekty zdrowotne oddziaływania fal EM  jonizujących i niejonizujących

Podział fal elektromagnetycznych na jonizujące i niejonizujące związany jest z rodzajami oddziaływań na zdrowie ludzi i na środowisko w obszarze występowania tego rodzaju promieniowania. Według Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) promieniowanie jonizujące jest to rodzaj energii uwalnianej przez atomy, która przemieszcza się w postaci fal EM  (promieniowanie gamma lub rentgenowskie) albo cząstek (neutrony, beta lub alfa). Spontaniczny rozpad atomów nazywamy promieniotwórczością, a nadmiar emitowanej energii jest formą promieniowania jonizującego. Promieniowanie jonizujące obejmuje cztery podstawowe typy: promieniowanie gamma, cząstki beta, cząstki alfa, promieniowanie X, neutrony. Mają one różne właściwości fizyczne i biologiczną skuteczność w powodowaniu uszkodzeń tkanek. Fale EM z zakresów jonizujących (X i gamma) stosowane są w medycynie w diagnostyce obrazowej oraz w terapii nowotworowej. Nowotwory leczy się za pomocą promieniowania jonizującego, zatem wykorzystuje się jego negatywny wpływ na  organizm człowieka. Prowadzi to do niszczenia tkanki nowotworowej. Badania obrazowe traktowane są jako dodatkowe narażenie pacjenta na promieniowanie jonizujące. Ich zastosowanie stanowi zatem kompromis pomiędzy ryzykiem narażenia na dawkę promieniowania jonizującego, a korzyścią prozdrowotną płynącą z prawidłowo postawionej diagnozy.

Zastosowania medyczne fal EM będących promieniowaniem niejonizującym uznawane są za metody całkowicie bezpieczne i nieinwazyjne. Każdy tomograf rezonansu magnetycznego kontroluje potencjalne skutki termiczne badania, biorąc pod uwagę charakterystykę badania i budowę ciała pacjenta. Promieniowanie niejonizujące jest rodzajem fali EM , które nie wywołuje jonizacji. Oznacza to, że energia promieniowania jest zbyt mała aby emitować elektron z atomu lub cząsteczki do ośrodka, przez który przechodzi.

Podsumowanie

Wszystkie omówione wyżej fale: radiowe, mikrofale i promienie rentgenowskie, światło widzialne aż do promieniowania gamma – stanowią jedną grupę oddziaływań. Wszystkie one stanowią rodzaj rozchodzących się w przestrzeni zmian pola elektromagnetycznego. Fal EM w dzisiejszych czasach nie da się całkowicie uniknąć, są wszechobecne, mają szerokie zastosowania w technice i medycynie oraz elektronice i informatyce. Należy jednak pamiętać, że nadmierna ekspozycja na nie może być szkodliwa dla ludzkiego zdrowia. Najnowsze badania naukowe przyniosły odkrycia, które pogłębiły naszą wiedzę na temat takich zjawisk, jak promieniowanie jonizujące i niejonizujące. Odkrycia te pozwoliły na szybki rozwój nowych technologii, które kształtują sposób w jaki żyjemy i rozumiemy otaczający nas świat. Coraz więcej dowodów wskazuje na to, że promieniowanie niejonizujące (NIR) oddziałuje na systemy biologiczne w znaczący sposób. Co jest ważne, zrozumienie mechanizmów zaangażowanych w te interakcje umożliwi opracowanie potężnych narzędzi eksperymentalnych i terapii nowej generacji.