Prostředí budov a vliv elektrických a elektromagnetických polí na zdraví

Z hlediska sémantického pohledu na topologii budovy má její umístění, výhled a dekorace vliv na její vhodnost k praktickému využití. Budova poskytuje svým uživatelům vnitřní prostředí. V nových budovách nebo při obnově stávajících budov jsou objevovány nové vlastnosti členění prostor budovy do mikrozón a systémů osobní kontroly. Smyslem či cílem je využití centrálních distribučních systémů s uzly reagujícími na individuálního uživatele. Uživatelé a budova společně vytvářejí vzájemnou závislost, protože mohou společně vytvořit organickou jednotu. Kvalita vnitřního prostředí může významně ovlivnit kvalitu práce a zdraví člověka a toto je třeba brát v úvahu při tvorbě nových technologií, které mají za cíl zlepšit užitkovost budovy. Dobře navržená budova může podporovat přátelskou vzájemnou vazbu mezi budovou a jejími uživateli, avšak možný je také úplný opak. Na pragmatické úrovni bude každá část budovy přenášet tiché vzkazy. Například velkolepý vzhled průčelí budovy může vyvolávat představu významného postavení obyvatel. Bude-li věnována pozornost detailům uvnitř budovy a zakomponovaným dekoracím odpovídajícím očekávané kultuře návštěvníků, může tato skutečnost zkvalitnit obchodní vztahy s návštěvníky a správně naladit atmosféru klidného a zdravého života a odpočinku. Společenské a zdravotní aspekty budovy mohou být zakomponovány do designu jak vlastního vybavení, tak uspořádání elektrických rozvodů v budově a umístění elektrických zařízení včetně jejich využívání. Vnější prostředí, zejména vliv elektromagnetických polí od různých zdrojů, jako jsou vysílače, vedení vysokého napětí, kabelové venkovní rozvody, trafostanice VN/NN, rozvodny vysokých napětí, trolejové rozvody tramvají místní dopravy a železničních uzlů, velké podniky s vlastními uzlovými stanicemi vysokého napětí, fotovoltaické zdroje elektrické energie umístěné na budovách nebo na pozemcích, nebo také účinky atmosférických elektrických výbojů, to jsou také základní hodnoty s vlivem na vnitřní prostředí budov.

Interakce elektromagnetického pole a lidského organizmu

Již od svého vzniku je život na zemi pod vlivem elektrických a magnetických polí. Život by nebyl bez jejich působení vůbec možný. Zemský magnetizmus má v současné době hodnotu přibližně 0,047 mT. Jeho hodnota klesá od pólu směrem k rovníku a pulzuje denním i ročním rytmem. Magnetické pole země nás chrání před působením kosmického záření. Zemský magnetizmus je velmi slabý v porovnání s magnetickými poli, která jsou v současné době používána v technice. Například u elektromotorů se používá magnetické pole o velikosti jednotek Tesla. Magnetické siločáry procházejí jakoukoliv látkou. Je nutno rozlišovat mezi tzv. diamagnetickými a paramagnetickými látkami. Pro diamagnetické látky je charakteristické, že způsobují zředění siločar magnetického pole. Relativní permeabilita je menší než 1. Relativní permeabilita vzduchu je právě 1. Paramagnetické látky způsobují zhuštění siločar magnetického pole. Relativní permeabilita je větší než 1. Tuto vlastnost mají feromagnetické látky, jako např. Fe, Co, Ni. Lidský organizmus je mírně diamagnetický.
Při rozboru účinků elektromagnetického pole v souvislosti s řešením jeho vlivu na lidský organizmus a na prostředí, kde člověk žije, vždy záleží na indukci magnetického pole, tvaru pole, kmitočtu, individuální citlivosti a na řadě dalších fyziologických faktorů. Magnetická indukce jak statická, tak i časově proměnná, vzniká od působení vnějšího magnetického pole a působí na pohybující se náboje (včetně iontů) Lorentzovými silami, které vyvolávají elektrické pole a ve vodivém materiálu následně elektrické proudy. Tato interakce je základem změn vyvolaných magnetickým polem na proudění kapalin, včetně krve. Časově proměnná (pulzní) magnetická pole budí ve vodivém materiálu (tkáni) elektrická napětí a v závislosti na vodivosti materiálu zde protékají elektrické proudy různé intenzity. Vypočtená napětí zdaleka nedosahují potenciálu buněčné membrány vzhledem k jejímu rozměru, ale dochází k ovlivnění receptorů na povrchu buněk indukovaným proudem a tím ke spuštění kaskády biochemických dějů. Připomeňme si, že buňky jsou nejmenší stavební kameny našeho těla, které ještě samy o sobě mohou žít. Jsou tak malé, že je lze pozorovat pouze mikroskopem. Každá buňka se skládá z buněčného jádra a z buněčné membrány (blány). Jen velmi málo buněk nemá jádro, např. zralé červené krvinky. Buňky vytvářejí tkáně (krycí tkáň, žlázová tkáň, vazivová a tuková tkáň, podpůrná tkáň, svalová tkáň a nervová tkáň). Magnetické pole působí na živou tkáň třemi způsoby, a tak uvádí do chodu spouštěcí mechanizmus, který dále rozvíjí biologické reakce na všech úrovních.
Elektronová interakce - vzniká na atomární a subatomární úrovni včetně reakce magnetického pole na úrovni elektronů. V rámci těchto interakcí může docházet ke změně spinu elektronů, ale zřejmě jen v případě použití výrazně silných magnetických polí.
Elektromechanický efekt - způsobuje změny orientace některých makromolekul, hlavně kyseliny ribonukleové a deoxyribonukleové, bipolárních molekul vody, změny aktivity některých enzymů a konečně dochází ke změnám propustnosti buněčných membrán.
Magnetoelektrický efekt - je založen na indukci vířivých proudů a elektrických potenciálů na mikroanatomických, ale i větších strukturách živého organizmu. Právě touto záležitostí se budeme zabývat v tomto článku. Velikost těchto potenciálů lze vyjádřit jako:

I - intenzita proudu indukovaného v organizmu; r - poloměr smyčky induktivní tkáňě; p - hustota ztrát; f - kmitočet magnetického pole; γ* - komplexní měrná vodivost tkáně; B - magnetická indukce.
Vodivost tkáně vyjádříme:

γ* - komplexní měrná vodivost [S/m]; γ - měrná vodivost [S/m]; ε* - komplexní permitivita; ω - radiální frekvence; ε’ - relativní permitivita; ε₀ - permitivita vakua; (měrná vodivost = konduktivita); J - proudová hustota.

¤ Obr. 1. Vodivost tkáně v závislosti na frekvenci pole. Převzato z [10]

¤ Obr. 2. Permitivita tkáně v závislosti na frekvenci pole. Převzato z [10]

Dielektrické vlastnosti tuků a svalů znázorňuje graf na obr. 1 a obr. 2. U většiny tkání, při frekvencích elektromagnetické vlny menší jak 1 GHz a γωε’ε₀ jsou její dielektrické vlastnosti čistě odporové. Pokud budeme předpokládat takové vlastnosti tkáně, pak vlnová délka λ elektromagnetické vlny ve tkáni bude:

Hloubka proniknutí elektromagnetického pole ?L?

kde c - rychlost světla ve vakuu (obr. 3)

¤ Obr. 3. Hloubka pole L a vlnová délka λ ve svalu (plná čára) a tuku (tečkovaná čára), převzato z [10]

Dielektrické vlastnosti tkáně jsou značně disperzní (frekvenčně závislé). Hlavní zdroj rozptylu na nízkých frekvencích je spojen s nabíjecí schopností buněčných membrán, které mají nízkou vodivost a kapacitanci cca 0,01 F/m². Na nízkých frekvencích mají buněčné membrány vysokou impedanci a elektrický proud teče především prostřednictvím extracelulárního prostoru. Problém je v nahromadění buněčných membrán, které vlivem dipólového momentu buněk vykazují velkou permeabilitu v důsledku hromadění tkáně. U vyšších frekvencí teče elektrický proud přes intracelulární a extracelulární prostor. Výsledkem je pak široký rozptyl tkáně v kmitočtovém rozsahu cca 0,1 až 1 MHz. Např. u frekvencí mikrovlnné trouby (100 až 300 GHz) v určité části tkáně dominuje voda, která představuje asi 80 % hmotnosti měkké tkáně. Voda prochází dielektrikem disperze koncentrované na 25 GHz (při 37 ºC), což se projevuje jako výraznější zvýšení vodivosti tkáně nad 1 GHz s odpovídajícím poklesem permitivity. Při nižší frekvenci (audio) vznikají jiné polarizační mechanizmy v důsledku iontových efektů. Znamená to, že se bude v buňce při stálé magnetické indukci a kmitočtu indukovat tím větší elektrický potenciál, čím bude buňka větší, respektive delší. Odhadovaná elektrická pole v iontových kanálech buněčné membrány se pohybují kolem 10 nV/m. Indukované elektrické potenciály vyvolávají změny šíření vzruchů v nervových vláknech, změnu intenzity látkové výměny buněk a změny v činnosti nervových buněk centrálního nervového systému. Závislost mezi magnetickou indukcí, indukovanými elektrickými proudy a odpovídající biologickou odezvou organizmu je uvedena v tabulce 1.

¤ Tab. 1. Biologické odpovědi na magnetické pole a indukovaný proud

Z výše uvedené tabulky pozorujeme, že se na kvalitě změn podílí hlavně velikost magnetické indukce a expoziční doba. Velikost magnetické indukce získáme měřením a po dosazení do rovnice (1) včetně ostatních hodnot vypočtených a tabulkových, dostaneme pak hodnotu intenzity proudu indukovaného v organizmu. Při výpočtu vodivosti tkáně a hustoty proudu indukovaného v těle, která je úměrná velikosti plochy, kterou smyčka uzavírající proud obepíná. Určíme ze vztahu:

J - hustota indukovaného proudu (A.m²);
γ - měrná elektrická vodivost (S.m^-1);
r - poloměr proudové smyčky (kruhové) (m);
dB/dT - prostorově středová hodnota časové změny složky vektoru magnetické indukce (T.s^-1), kolmé k plošce smyčky.

Průběh indukovaných proudů v těle člověka při dvou různých orientacích těla vzhledem ke směru časově proměnného magnetického pole je vyznačen na obr. 4.
Problémem je expozice člověka v extrémně silném statickém magnetickém poli. V souvislosti s tím se uvažuje o zvýšení ?mezní? hodnoty 2 T stanovené ve Směrnici ICNIRP z roku 1995 pro statické magnetické pole a zavedení přesných pravidel pro práci ve velmi silném statickém magnetickém poli. Nyní platí omezení expozice zaměstnance ve statickém magnetickém poli na průměru 0,2 T v jednom dni.

¤ Obr. 4. Schematické znázornění uzavřených proudových smyček v těle

Závěr

Nachází-li se člověk ve střídavém elektrickém poli, je povrch těla nabíjen v rytmu pole. Vlivem stálého přítoku a odtoku náboje prochází tělem nepatrný, ale měřitelný střídavý proud, aniž by docházelo ke kontaktu s vodičem pod napětím. To je účinek elektromagnetické indukce. Výsledný indukovaný proud v těle člověka je tím větší, čím vyšší je kmitočet střídavého pole. Střídavá magnetická pole mají stejné vlastnosti jako stejnosměrná magnetická pole - pronikají téměř všemi materiály s výjimkou speciálních kovových slitin.
Problém není, zda účinky elektromagnetického pole existují, určitě totiž existují, ale je třeba jim porozumět, porozumět jejich podstatě a hlavně předvídat expoziční podmínky, které vyvolávají. To znamená znát také kinetiku biologické odezvy a odtud hledat závěry pro diagnostiku problému.
Byla publikována celá řada studií o přímých a nepřímých účincích elektromagnetického pole. Přímé účinky vyplývají z přímé interakce elektromagnetických polí s lidským tělem, nepřímé účinky pak zahrnují interakce s objektem s různým elektrickým potenciálem a tělem člověka. Současné výsledky laboratorních a epidemiologických studií byly shrnuty do základních expozičních kritérií a referenčních úrovní pro praktické nebezpečí a i tyto jsou mnohdy diskutovány s prezentací na hlavní směry vztahující se na profesní a veřejné expozice. Například pokyny pro vysokofrekvenční elektromagnetické pole a pole s frekvencí 50/60 Hz, které byly vydány IRPA/INIRC v roce 1988 a 1990, jsou nahrazeny novými pokyny pokrývající celé frekvenční spektrum až do 300 GHz. Parametry statického magnetického pole jsou zahrnuty v pokynech ICNIRP vydaných v roce 1994. Česká republika uplatnila směrnici ICNIRP v nařízení vlády č. 480/2000 Sb., z 22. listopadu 2000, o ochraně zdraví před neionizujícím zářením [12]. Nařízení stanoví nejvyšší přípustné hodnoty pro expozici elektrickým a magnetickým polím a elektromagnetickému záření v rozsahu frekvencí od nuly (statická elektrická a magnetická pole) do frekvence 1,7. 1015 Hz (krátkovlnný kraj ultrafialového záření).
Na katedře ČVUT, Fakultě stavební, katedře technických zařízení budov, se provádí experimentální měření elektromagnetického pole v různých podmínkách života lidí na pracovištích a v obytných domech. S výsledky experimentu budeme seznamovat projektanty staveb a TZB s tím, že budou doporučována opatření na zohledňování a projektování elektrických rozvodů a zařízení, umístění staveb, konstrukci a technologii staveb až po design prostoru.

Použitá literatura:
[1] Sbírka zákonů 480/2000. (Nařízení vlády ze dne 22. 11. 2000 O ochraně před neionizujícím zářením)
[2] Polk, Ch., Postow, E.: Biological Effects of Electromagnetic Fields, CRC, Press New York, 1995
[3] Čermáková, E.: Magnetické pole nízkých kmitočtů s netepelnými účinky - factor ovlivňující vnitřní klima budov. TZB - Haustechnik (vydavatelství ALFA Conti s.r.o., Bratislava&Strobel Verlag, Arnsberg, SRN) III, 1995, 6, pp. 11-14. ISBN - 1210-356
[4] Garlík, B.: Elektrotechnika & Inteligentní budovy, Skriptum ČVUT, Praha 2010
[5] http://www.uhkt.cz/files/proteomika/Druhy_den-Principy_MS.pdf
[6] www.kf.elf.stuba.sk/KrempaskyFyzika/42.pdf [7] http://www.chemicke-listy.cz/docs/full/2005_12_943-951.pdf [8] http://195.250.138.169/prac/documents/04_Pekarek.pdf
[9] http://www.elearn.vsb.cz/archivcd/FEI/EMag/Elektromagnetismus.pdf
[10] S. Gabriel S. R. W. Lau, and C. Gabriel: ?The dielectric properties of biological tissues. 2. Measurements in the frequency range 10 Hz to 20 GHz,? Physics in Medicine and Biology, vol. 41, no. 11, pp. 2251-2269,1996
[11] Kenneth R. Foster, Fellow: Thermal and Nonthermal Mechan- isms of Interaction of Radio-Frequency Energy with Biological Systems; IEEE transactions on plasma science, vol. 28, no. 1, february 2000
[12] Nařízení vlády z 22. listopadu 2000, č. 480/2000 Sb., o ochraně zdraví před neionizujícím zářením. Sbírka zákonů, Česká republika, ročník 2000, částka 139, str. 7582-7621