Sähkömagneettinen säteily

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Sähkömagneettisen säteilyn spektri

Sähkömagneettinen säteily eli sähkömagneettiset aallot ovat sähkömagneettisen kentän aaltoliikettä. Klassisen fysiikan mukaan sähkömagneettiset aallot muodostuvat nopeasti värähtelevistä sähkö- ja magneettikentistä, ja niiden aaltoyhtälö voidaan johtaa yleistä sähkömagneettista kenttää kuvaavista Maxwellin yhtälöistä. Tyhjiössä sähkömagneettiset aallot kulkevat taajuudestaan riippumatta vakionopeudella, valonnopeudella, joka on 299 792 458 metriä sekunnissa. Kvanttiteorian mukaan säteily on kvantittunut. Tämä tarkoittaa, että energian vaihtaminen on mahdollista ainoastaan diskreetteinä pulsseina, joita kutsutaan fotoneiksi.

Sähkömagneettinen säteily jaotellaan aallonpituuden mukaan seuraaviin osa-alueisiin: radioaallot, mikroaallot, infrapunasäteily, valo, ultraviolettisäteily, röntgensäteily ja gammasäteily. Nämä eri säteilylajit muodostavat sähkömagneettisen spektrin.

Sähkömagneettisen säteilyn lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sähkömagneettisen säteilyn lajit:
γ = gammasäteily
HX = Kova röntgensäteily
SX = Pehmeä röngtensäteily
EUV = Ultraviolettisäteily (UVA ja UVB)
NUV = Ultraviolettisäteily (UVC)
Näkyvä valo
NIR = Lähi-infrapuna
MIR = Keski-infrapuna
FIR = Kaukoinfrapuna

Mikroaallot ja radioaallot:
EHF = (Extremely high frequency) Mikroaallot
SHF = (Super high frequency) Mikroaallot
UHF = (Ultrahigh frequency) Mikroaallot
VHF = (Very high frequency), Ultralyhyet aallot (ULA)
HF = (High frequency), Suurtaajuusaallot, lyhyet aallot
MF = (Medium frequency), Keskiaallot
LF = (Low frequency), Pientaajuusaallot, pitkät aallot
VLF = (Very low frequency)
VF = (Voice frequency)
ELF = (Extremely low frequency)

Sähkömagneettinen säteily syntyy erilaisten sähköisten ilmiöiden aiheuttamana. Matalilla taajuuksilla tyypillisiä radioaaltojen lähteitä ovat erilaiset sähköiset oskillaattorit, jotka sopivaan rakenteeseen eli antenniin kytkettyinä säteilevät. Myös tähdet ja muut syvän taivaan kohteet lähettävät säteilyä jo muutamien tuhansien hertsien taajuuksilta alkaen. Oskillaattoreiden ja antennien rakentaminen vaikeutuu, kun siirrytään useiden satojen gigahertsien taajuusalueelle.

Molekyylien pyörimistiloihin liittyvät viritykset säteilevät puolestaan gigahertsin luokkaa olevilla taajuuksilla. Tämän jälkeen luonnollisista rakenteista säteileviksi muodostuvat molekyylien värähtelytilat, jotka säteilevät mikrometriluokan aallonpituuksilla. Tavanomainen huoneenlämpötilassa olevien kappaleiden lämpösäteily sijoittuukin näille spektrin osille. Atomien ja molekyylien elektronien viritystilat ovat puolestaan energioilla, jotka vastaavat satojen nanometrien aallonpituuksia eli valoa, lähi-infrapunaa ja ultraviolettisäteilyä. Myös kuumat kappaleet säteilevät tällä aallonpituusalueella.

Ultravioletti- ja röntgensäteily liittyvät lähellä atomin ydintä olevien elektronien suuriin energioihin. Röntgensäteilyksi kutsutaan myös väliaineessa tehokkaasti jarruuntuvien elektronien lähettämää jarrutussäteilyä. Osittain päällekkäin tämän energia-alueen kanssa menee gammasäteily, joka on radioaktiivisista atomiytimistä lähtevää sähkömagneettista säteilyä.

Synkrotroneissa voidaan tuottaa erittäin korkeaenergistä säteilyä kääntämällä suureen energiaan kiihdytettyjen elektronien liikerataa magneettikentällä.

Säteily lämmön siirtymismekanismina[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Taivaankappaleiden energiataloudessa säteily on merkittävin energian siirtymismekanismi, sillä taivaankappaleita ympäröivässä avaruuden tyhjiössä lämmön siirto johtumalla tai konvektiolla on mahdotonta. Maapallon energiataloudessa säteilyn vuorovaikutus maanpinnan ja ilmakehän kanssa määrittelee planeetan lämpötilan. Yläilmakehään tulee jatkuvasti Auringon säteilyä. Osa säteilystä heijastuu takaisin ilmakehästä ja pilvistä, osa absorboituu pilviin ja osa etenee pilvien läpi maanpinnalle. Maanpinta absorboi osan säteilystä osan säteilystä heijastuessa takaisin ilmakehään. Maanpinta puolestaan lähettää korkeampiaallonpituuksista infrapunasäteilyä avaruuteen, mikä jäähdyttää planeettaa. Se, miten tehokkaasti ilmakehän eri kerrokset absorboivat säteilyä ennen sen poistumista avaruuteen määrää kasvihuoneilmiön tehokkuuden ja maapallon lämpötilan muiden ilmastoon vaikuttavien ilmiöiden ohella.

Maxwellin yhtälöt ja sähkömagneettiset aallot[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

James Clerk Maxwell kehitti sähkömagnetismia koskevan teorian, joka voitiin esittää neljällä yhtälöllä, Maxwellin yhtälöllä. Näiden avulla hän saattoi päätellä, että sähkömagneettinen kenttä voi muodostaa aaltoja ja että niiden nopeuskin oli laskettavissa.

Maxwellin yhtälöiden mukaan sähkövarausta ympäröi aina säteittäinen sähkökenttä, ja sähkövirtaa ympäröi pyörteinen magneettikenttä. Lisäksi ajallisesti muuttuva magneettikenttä saa pyörteisen sähkökentän ja muuttuva sähkökenttä pyörteisen magneettikentän.

Tyhjiössä ei ole varausta eikä virtaa, mutta sähkö- ja magneettikenttiä voi kyllä olla tyhjiössäkin. Tällöin Maxwellin yhtälöissä esiintyvät varaustiheys ja virrantiheys ovat nollia, jolloin kolmas ja neljäs yhtälö lyhenevät muotoon:

\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}  \qquad \qquad \ (1)
\nabla \times \mathbf{B} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t}  \qquad \quad \ (2)
missä \nabla is a vektoreihin liittyvä differentiaalioperaattori, nabla. Tämän operaattorin ja vektorikentän ristitulo merkitsee samaa kuin vektorikentän roottori.

Vektorianalyysin avulla voidaan osoittaa, että mille tahansa vektorikentälle pätee:

\nabla \times \left( \nabla \times \mathbf{A} \right) = \nabla \left( \nabla \cdot \mathbf{A} \right) - \nabla^2 \mathbf{A}(3)

Sähkökenttää koskevan yhtälön (1) molemmista puolista voidaan ottaa edelleen roottori seuraavasti:

\nabla \times \left(\nabla \times \mathbf{E} \right) = \nabla \times \left(-\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} \right) \qquad \qquad \qquad \quad \ \ \ (4) \,

Soveltamalla tähän yhtälöä (3) saadaan saadaan:

 \nabla \times \left(\nabla \times \mathbf{E} \right) = \nabla\left(\nabla \cdot \mathbf{E} \right) - \nabla^2 \mathbf{E},

mutta koska tyhjiössä sähkökentän divergenssi \nabla \cdot \mathbf{E} ja näin ollen myös tämän gradientti ovat nollia, yhtälö lyhenee muotoon

 \nabla \times \left(\nabla \times \mathbf{E} \right) =  - \nabla^2 \mathbf{E}

Yhtälön oikeaa puolta voidaan myös muokata seuraavasti:

\nabla \times \left(-\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} \right) = -\frac{\partial}{\partial t} \left( \nabla \times \mathbf{B} \right) = -\mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2 \mathbf{E}}{\partial t^2} \quad \ \ \ \ (5)

Yhtälöt (4) ja (5) ovat yhtäpitäviä, joten tästä saadaan sähkökentälle vektoriarvoinen differentiaaliyhtälö

\nabla^2 \mathbf{E} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2 \mathbf{E}}{\partial t^2} (6)

Samaan tapaan saadaan magneettikentälle yhtälö

\nabla^2 \mathbf{B} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2 \mathbf{B}}{\partial t^2}. (7)

Nämä yhtälöt ovat muodoltaan samakaltaisia kuin mille tahansa aaltoliikkeelle muodostettava aaltoyhtälö:

\nabla^2 f = \frac{1}{{c_0}^2} \frac{\partial^2 f}{\partial t^2} \,
missä
c0 on kyseisen aaltoliikkeen nopeus ja
f suure, jonka vaihteluista aaltoliike muodostuu.

Mekaanisissa aalloissa f voi olla esimerkiksi paine tai poikkeama tasapainosta. Sähkömagneettisissa aalloissa se vastaa sähkö- tai magneettikentän voimakkuutta. Täten yhtälöstä (6) ja (7) saadaan myös sähkömagneettisten aaltojen nopeudeksi

c_0 = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \epsilon_0}}[1]

Osoittautuu, että tämä nopeus on sama kuin valonnopeus. Koska valo oli jo aikaisemmin osoittautunut erääksi aaltoliikkeen muodoksi, Maxwell päätteli tästä, että valoaallotkin ovat nimenomaan sähkömagneettisia aaltoja.

Sähkö- ja magneettikentän voimakkuudet ja suunnat[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Maxwellin yhtälöistä seuraa myös, että tasopolaroituneessa aalloissa värähtelevät sähkö- ja magneettikenttä ovat samassa vaiheessa ja kohtisuorassa toisiaan ja myös aaltoliikkeen etenemissuuntaa vastaan. Sen sijaan ympyräpolaroituneessa aallossa kenttävektorit pyörivät tasaisella kulmanopeudella, mutta niiden suuruudet pysyvät vakioina.[1]

Sähkömagneettiseen altoon liittyvän sähkö- ja magneettikentän voimakkuuksien välillä vallitsee yhteys

\mathbf{B} = \frac{1}{c_0} \hat{\mathbf{k}} \times \mathbf{E}

missä \hat{\mathbf{k}} on aallon etenemissuuntainen yksikkövektori.[1]

Energiatiheys ja intensiteetti[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sähkökentän energiantiheydelle w_\mathbf{E} on voimassa yleinen lauseke:

w_\mathbf{E} = \frac{1}{2} \epsilon_0 \mathbf{E}^2.

missä \mathbf{E} on sähkökentän voimakkuus ja \epsilon_0 yleinen sähkövakio. Vastaavasti magneettikentän energiantiheydelle on voimassa lauseke

w_B = \frac{1}{2} = \frac{1}{2} \frac {B^2}{\mu_0},

missä B on kentän magneettivuon tiheys ja \mu_0 magneettivakio.[2]

Edellä mainitusta sähkö- ja magneettikenttien voimakkuuksien välisestä yhteydestä seuraa, että sähkömagneettisessa aallossa on sähkö- ja magneettikenttien energiatiheys yhtä suuri, joten niiden yhteenlaskettu energiantiheys on

w_\mathbf{E} = \epsilon_0 \mathbf{E}^2 = c \epsilon_0 \mathbf{E} B.

Aallon energia etenee aallon mukana valon nopeudella. Säteilyn energiavirta S, joka tunnetaan myös Poyntingin vektorina , määritellään siten, että pinta-alkion dA läpisevä säteilyteho on dP = S \cdot dA. Tämän itseisarvo on sama kuin säteilyn intensiteetti.[2]

Lineaarisesti polaroituneessa aallossa sekä sähkö- että magneettikentän voimakkuudet vaihtelevat jaksollisesti, sinimuotoisesti ja pienenevät välillä nollaan. Tästä seuraa, että säteilyn keskimääräinen intensiteetti I vain puolet siitä, mikä se olisi, jos kentillä koko ajan olisi maksimiarvonsa, eli

I = \frac{1}{2} c \epsilon_0 \mathbf{E}^2.

Sen sijaan ympyräpolaroituneessa aallossa kentillä on koko ajan maksimiarvonsa, jolloin säteilun intensiteetti on

I =  c \epsilon_0 \mathbf{E}^2.[2]

Sähkömagneettisen säteilyn biologiset vaikutukset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sähkömagneettisen säteilyn biologiset vaikutukset ovat selvimpiä ionisoivan säteilyn alueella. Ultravioletti-, röntgen- ja gammasäteiden energia on riittävä rikkomaan yksittäisten molekyylien kemiallisia sidoksia. Tämän on todettu aiheuttavan pitkäaikaisaltistuksena syöpää ja erittäin suurten kerta-altistusten tapauksessa erilaisia välittömiä säteilyvaurioita, jotka lievissä tapauksissa voivat esiintyä muun muassa ihon punoituksena.

Tavallisen näkyvän valon fotonin energia ei riitä kemiallisten sidosten rikkomiseen kuin poikkeustapauksissa, minkä vuoksi tavallinen valo ei aiheuta ongelmia eläville olennoille. Sen sijaan se toimii energianlähteenä kasvien viherhiukkaisissa tapahtuvassa yhteyttämisessä, ja sen vaikutuksiin perustuu myös näköaisti.

Myöskään lämpö- eli infrapunasäteilyn ei ole todettu vaikuttavan biologisiin mekanismeihin kuin lämpövaikutuksena. Luonnollisesti liiallinen altistus infrapunasäteilylle voi aiheuttaa palovammoja.

Tunnetut sähkömagneettisten kenttien haitalliset vaikutukset, kuten hermostimulaatio tai kudosten lämpeneminen, esiintyvät vasta, kun kentänvoimakkuus tai tehotiheys ylittää tietyn kynnystason, eivätkä vaikutukset määräydy suoraviivaisesti ajan kuluessa kumuloituvasta annoksesta (aika × voimakkuus). Radiotaajuisia kenttiä koskevissa altistumisrajoissa aikatekijä on huomioitu määrittämällä kuinka pitkän aikavälin yli altistumisen keskiarvo lasketaan. Suurimmillaan tämä aikaväli on kuusi minuuttia. On selvää, että altistumisen biologiset seuraukset riippuvat myös siitä kuinka kauan altistuminen kestää, joten myös aika on eräs tekijä arvioitaessa altistumista pitkällä aikavälillä. Yleisesti altistuminen on kuvattava niin, että esitetään altistumisen voimakkuutta, vaihtelua ja kestoa kuvaavia tunnuslukuja [3].[4].

Radioaallot[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Matkapuhelinten yleistyessä on alettu tutkia matkapuhelimien säteilyn vaikutusta proteiinien toimintaan. Tulokset ovat toistaiseksi hyvin ristiriitaisia, vaikkakin lieviä muutoksia solun toiminnassa on havaittu. Epidemiologista vahvistusta heikkotehoisten radiotaajuisten kenttien aiheuttamista terveysriskeistä ei ole. SAR-arvot mittaavat kudoksiin kohdistuvaa lämpövaikutusta ja antavat hyvän kuvan arvioida säteilyn vaikutuksista.

Espanjalaisessa tutkimuksessa havaittiin, että säteily, lyhytaikaisenakin, vaikuttaa lasten aivoihin vielä pitkään altistuksen jälkeenkin. Tätä tulosta ei kuitenkaan ole onnistuttu toistamaan muualla. Lasten kallo on joidenkin tiedemiesten mukaan huomattavasti ohuempi ja läpäisee säteilyn vaivatta, eräiden toisten mielestä taas lapset ovat immuunimpia kuin aikuiset. Tietokonesimulaatiokuvista on voitu päätellä, että 5–10 vuotiaalla säteily tunkeutuu reippaasti yli puolen pään, kun puhelin on korvalla. Ranskassa, Englannissa ja monessa maassa on annettu lasten kännykänkäyttöä koskevia varoituksia; tämä on kuitenkin tehty vain, koska turvallisuudesta ei olla täysin varmoja, vaikka riskeistäkään ei ole näyttöä. Taiwanissa on esitetty säädettäväksi lakia, joka kieltäisi lapsilta kännykänkäytön terveysriskien vuoksi. Hyvin voimakas radiotaajuuskenttä kuumentaa ja voi tuhota kudoksia. Tähän perustuu muun muassa mikroaaltouunin toiminta [5].

Voimajohdot[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Eräissä väestötutkimuksissa on havaittu, että voimajohtojen lähellä asuvilla lapsilla on hieman kohonnut riski sairastua leukemiaan. Viitteet ovat heikkoja, ilmiötä selittävää mekanismia ei tunneta, eikä laboratoriokokeissa ole löydetty yhteyttä syövän ja magneettikenttien välillä. Siksi asiaa ei ole otettu huomioon Suomen lainsäädännön altistumisrajoja laadittaessa. [6]

Altistus työpaikoilla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Toisin kuin ionisoivalle säteilylle altistuvat työntekijät, sähkömagneettiselle säteilylle altistuvat työntekijät eivät aina huomaa altistusta työssään. Vain harvoissa työpaikoissa asiaan kiinnitetään huomiota, sillä sähkömagneettisia säteilylähteitä on muutenkin kaikkialla ympäristössämme. Säteilylähteitä ovat muun muassa matkapuhelimet, langattomat verkot, mikroaaltouunit ja -kuivurit, sähköjärjestelmä, sähköjunat, työpaikoilla teollisuuden induktiokuumentimet, sähköhitsaus, suurtaajuuskuumentimet, tuotesuojaportit, metallinpaljastimet, magneettikuvauslaitteet, tutkat, radio-, tv- ja matkapuhelinlähettimet ja linkkiasemat [4].

Sähköyliherkkyys[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Sähköyliherkkyys

Jotkut ihmiset väittävät olevansa herkkiä sähkömagneettiselle säteilylle. Kyseistä ilmiötä kutsutaan sähköyliherkkyydeksi, englanniksi "electromagnetic hypersensitivity" (EHS). Ilmiö voi ilmetä ihoreaktiona, kuten punoituksena, kihelmöintinä tai polttavana tunteena, tai systeemisinä oireina, kuten väsymyksenä, keskittymisvaikeutena, muistihäiriöinä, huimauksena, ruoansulatusvaikeuksina tai sydämentykytyksenä. Tällainen oireiden yhdistelmä ei ole osa mitään tunnettua oireyhtymää. Sähköyliherkkyyttä muistuttava ilmiö on "kemikaaliyliherkkyys" (multiple chemical sensitivities, MCS), joka sekin on etiologialtaan huonosti tunnettu. Sähköyliherkkyydestä on tehty kymmeniä tutkimuksia, mutta sen olemassaoloa ei ole voitu todistaa. Maailman terveysjärjestön WHO:n mukaan (2005) oireita todella esiintyy, mutta niiden yhteyttä sähkömagneettiseen säteilyyn ei ole voitu osoittaa[7]. Sähköyliherkkyyttä ei lääketieteessä määritellä sairaudeksi[8]. Sähköyliherkät eivät pysty sanomaan ovatko he sähkömagneettisessa kentässä kun kentän lähde piilotetaan[9][10].

Matkapuhelinten vaikutukset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Matkapuhelinten vaikutuksista syövän syntymekanismeihin on julkaistu useita tutkimuksia ja katsauksia. Käyttäjillä ei yhdessäkään luotettavassa tutkimuksessa ole raportoitu selvästi suurentunutta aivokasvainvaaraa. Tämä ei kuitenkaan vielä osoita matkapuhelimia turvallisiksi, sillä kaikkien riskien poissulkeminen on hyvin vaikeaa. Säteilyturvakeskuksen helmikuussa 2008 valmistunut ihmisillä toteutettu tutkimus vahvisti saman kuin aiemmat solukokeet: elävä kudos reagoi matkapuhelimen säteilyyn. Matkapuhelinsäteilyllä on biologisia vaikutuksia. Vaikka muutokset ovat pieniä, ne ovat kuitenkin olemassa, tutkimusprofessori Dariusz Leszczynski STUKin tutkimuksen julkistuksen yhteydessä. Maailman terveysjärjestö WHO teettää nyt perusteellisen tutkimuksen matkapuhelimen käytön terveysvaikutuksista [11].

Kännykän käyttäjän suojaohjeet
Sähkömagneettiselta säteilyltä suojautumiseen pätee samat periaatteet kuin muultakin säteilyltä suojautumiseen. Säteilyturvakeskus toteaa, että suurin sähkömagneettisen säteilyn altistus on kännykän käyttäjillä. Siksi kännykänkäyttäjien on hyvä tietää seuraavat asiat jos haluaa vähentää omaa tai läheistensä altistumista:

  • Kännykän valmistajat ilmoittavat SAR-arvon puhelimien teknisten tietojen mukana. SAR-arvoja voi vertailla Säteilyturvakeskuksen sivuilla.
  • Päähän kohdistuva säteily vähenee pieneen osaan käyttämällä handsfree-laitetta.
  • Vanhempia suositellaan varmuuden vuoksi rajoittamaan lastensa matkapuhelimen puhekäyttöä. Tekstiviestiä lähetettäessä altistuminen on minimaalista.
  • Pienikin väli puhelimen ja kehon välillä, esimerkiksi vyökotelo, vähentää altistumista.
  • Tatuoitu tai meikattu iho kännykkää vasten saattaa aiheuttaa yliherkkyysreaktion.
  • Heikossa tukiaseman kentässä samoin kuin muodostaessaan yhteyttä matkapuhelin voi säteillä sata kertaa voimakkaammin kuin hyvässä kentässä.
  • Niin sanotuista kännykkäsuojista ei ole suurta hyötyä,[12] sillä matkapuhelin nostaa tehoa, kun yhteys tukiasemaan heikkenee suojan takia.

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c Kaarle Kurki-Suonio: Aaltoliikkeestä dualismiin, s. 135-138, 4. painos Limes 1994, ISBN 951-745-162-8
  2. a b c Kurki-Suonio, s. 172
  3. Jokela K, Korpinen L, Hietanen M, Puranen L, Huurto L, Pättikangas H, Toivo T, Sihvonen A-P, Nyberg H. (2006) Säteilylähteet ja altistuminen. Teoksessa: Sähkömagneettiset kentät. Nyberg H, Jokela K (toim.) Säteily- ja ydinturvallisuus –sarja, osa 6. Karisto, Hämeenlinna
  4. a b Säteilyturvakeskus Sähkömagneettiset kentät
  5. http://www.tekniikkatalous.fi/kommentit/article39157.ece matkapuhelin heikentää terveyttä
  6. Usein kysytyt kysymykset Säteilyturvakeskus. Viitattu 17.12.2010.
  7. Electromagnetic fields and public health. Electromagnetic hypersensitivity
  8. Terveyskirjasto - Sähköyliherkkyys
  9. Rubin, James; J Das Munshi J, Simon Wessely (March-April 2005). "Electromagnetic hypersensitivity: a systematic review of provocation studies". Psychosomatic Medicine 2005 Mar-Apr;67(2):224-32 67 (2): 224–32. Tarkistettu 13.5.2009
  10. Röösli M. "Radiofrequency electromagnetic field exposure and non-specific symptoms of ill health: a systematic review". Environ. Res. 107 (2): 277–87. Tarkistettu 13.5.2009
  11. Digitoday Suurtutkimus pureutuu kännykän terveysvaikutuksiin
  12. Matkapuhelimien säteilyn vaikutukset STUK.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Sähkömagneettinen säteily.