Elektromagnetische Felder Frequenzbereich 0 Hz GHz

Transkript

1 Elektromagnetische Felder Frequenzbereich 0 Hz GHz Autoren: Hauke Brüggemeyer, Hannover Karl-Friedrich Eichhorn, Leipzig Siegfried Eggert, Berlin Hans-Joachim Förster, Eningen u.a. Werner Heinrich, Erlangen Norbert Krause, Köln Barnabas Kunsch, Wien Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung...3. Physikalische Grundlagen Statisches Feld Elektrisches Feld Magnetische Felder...6. Periodisch veränderliche Felder Niederfrequenzbereich Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich Quellen und Anwendungen Biologische Wirkungen Einführung Niederfrequente Felder Direkte Wirkungen Oberflächeneffekte Innere Wirkungen Reizwirkungen Andere biologische Effekte Mutagene/Teratogene Effekte Felder und Krebs Felder und andere Erkrankungen Elektrosensibilität Indirekte Feldwirkungen Mittelbare Feldwirkungen Elektronische Implantate...4

2 4. Hochfrequente Felder Direkte Feldwirkungen Thermische Effekte Athermische Effekte Mittelbare Feldwirkungen Computer-Monitore Zulässige Werte Grenz- und Richtwerte Internationale Regelungen Regelungen in der Europäischen Union Regelungen in der Bundesrepublik Deutschland Vorsorgeempfehlungen Messungen Meßverfahren Meßgeräte Hinweise zur Vorbereitung und Durchführung von Messungen Besonderheiten in den einzelnen Frequenzbereichen Niederfrequenzbereich Hochfrequenzbereich Höchstfrequenz- (Mikrowellen-) Bereich Meßorte und Meßpunkte Meßprotokoll Kontrollmessungen und Nachkalibrierungen Rechnungen Schutzmaßnahmen Niederfrequente Felder Hochfrequente Felder Literatur Anhang Adressen...54

3 1. Einleitung Mit dem weit verbreiteten und immer noch zunehmenden Einsatz von elektrischen Anlagen hat sich die elektromagnetische Umwelt des Menschen wesentlich verändert. Neben den seit jeher vorhandenen natürlichen Feldern hat die Stärke der vom Menschen erzeugten Felder in der Umwelt, im Wohnbereich und an Arbeitsplätzen innerhalb kurzer Zeit erheblich zugenommen. In der Öffentlichkeit ist die Meinung verbreitet, daß diese Felder für den Organismus schädlich sein könnten. Daß diese Felder im allgemeinen unseren Sinnen nicht direkt zugänglich sind, sondern gemessen bzw. berechnet werden müssen, fördert die Verunsicherung. Seit einiger Zeit wird in vielen Staaten intensiv wissenschaftlich untersucht, ob und unter welchen Umständen eine Gefährdung durch die Wirkungen elektromagnetischer Felder vorliegen kann. Die Zuordnung von Exposition und Wirkung sowie die zugehörigen Wirkungsmechanismen sind für akute Effekte überprüft und auch elektrophysiologisch verstanden. Die Schwellen hierfür werden in der Regel bei im Alltag auftretenden Feldern nicht erreicht. Für die in der Umwelt und im Wohnbereich fast ausschließlich vorkommenden niedrigen Feldstärken gibt es aber vor allem im Hinblick auf chronische Wirkungen sehr viele Widersprüchlichkeiten bei den durchgeführten Untersuchungen. Dies führt zu Meinungsverschiedenheiten über die Bewertung derartigen Befunde. Daraus folgt eine erhebliche Bandbreite von Vorschlägen für zulässige Werte zum Schutz der Bevölkerung und für den Arbeitsschutz. Der physikalische Begriff der elektromagnetischen Felder bzw. Wellen umfaßt neben den nieder- und hochfrequenten Feldern zwischen den Frequenzen von 0 Hz bis 300 GHz auch das Licht und die Röntgen- bzw. Gammastrahlung (Bild 1.1). Dieser Leitfaden beschäftigt sich nur mit Feldern im Frequenzbereich von 0 Hz GHz. Der Frequenzbereich 0 Hz - 30 khz umfaßt die statischen und niederfrequenten Felder (NF). Der Bereich 30 khz GHz wird oft als Hochfrequenz bezeichnet, es ist das Gebiet der Radio- und Mikrowellen. Die Abgrenzung der Bereiche ist international nicht einheitlich definiert (Tabelle 1.1).

4 Tabelle 1: Frequenzbereiche: Frequenzbereich Wellenlängenbereich Internationale Bezeichnung von bis von bis 0 Hz 30 Hz über 100 km Sub ELF 30 Hz 300 Hz ELF (Extremely Low Frequency) 300 Hz 3 khz VF (Voice Frequency) 3 khz 30 khz 100 km 10 km VLF (Very Low Frequency) 30 khz 300 khz 10 km 1 km LF (Low Frequency) 300 khz 3 MHz 1000 m 100 m MF (Medium Frequency) 3 MHz 30 MHz 100 m 10 m HF (High Frequency) 30 MHz 300 MHz 10 m 1 m VHF (Very High Frequency) 300 MHz 3 GHz 1m 0,1 m UHF (Ultra High Frequency) 3 GHz 30 GHz 10 cm 1 cm SHF (Super High Frequency) 30 GHz 300 GHz 10 mm 1 mm EHF (Extremely High Frequency) Der Bereich von 0 bis 30 khz wird als NF (Niederfrequenz), 30 khz bis 300 MHz wird vielfach als HF (Hochfrequenz), der Bereich von 0,3 bis 300 GHz als MW (Mikrowelle) bezeichnet. Bild 1.1: Elektromagnetisches Spektrum mit für die jeweiligen Frequenzbereiche typischen Quellen und Wirkungen

5 . Physikalische Grundlagen Der Begriff Feld wird im physikalisch-technischen Sinn für Raumgebiete verwendet, in denen sich eine physikalische Größe als Funktion der Raum- und Zeitkoordinaten darstellen läßt. Falls sich die Größen nicht mit der Zeit ändern spricht man von statischen Feldern..1 Statisches Feld.1.1 Elektrisches Feld Statische elektrische Felder werden durch die Anwesenheit von elektrischen Ladungen im Raum hervorgerufen. Bringt man in das elektrische Feld eine kleine ruhende Probeladung q ein, so wirkt auf diese Ladung die Coulomb-Kraft F. Die elektrische Feldstärke E am Ort der Probeladung ist dabei ein Maß für die Stärke der auf die Probeladung wirkenden Kraft: F = q # E Die Einheit der elektrischen Feldstärke E ist Volt pro Meter V/m. Die elektrische Feldstärke ist wie die Kraft ein Vektor, d.h., sie besitzt einen Betrag und eine Richtung. Bild.1 zeigt ein schematisches flächenhaftes Feldlinienbild zwischen zwei Kugelladungen. Die Dichte der Feldlinien ist dabei ein Maß für den Betrag der Feldstärke, während ihre Tangente die Richtung des Feldstärkevektors in jedem Punkt angibt. Vereinbarungs- gemäß ist dieser stets von der positiven zur negativen Ladung gerichtet. Bild.1 Feldbild zur Definition der elektrischen Feldstärke E Wird die Probeladung von einem Punkt im Raum zu einem anderen bewegt, so ist hierfür aufgrund der auf die Ladung wirkenden Kraft Arbeit notwendig, und die potentielle Energie W = q # φ der Probeladung ändert sich entsprechend. Die auftretende Potentialdifferenz φ wird auch als elektrische Spannung U bezeichnet. Bei Bewegungen senkrecht zur Kraftrichtung ist keine Arbeit notwendig, und es tritt auch keine Veränderung der potentiellen Energie auf. Diese Orte konstanten

6 Potentials, auch Äquipotentiallinien oder im Räumlichen Äquipotentialflächen genannt, können zusätzlich zu den Feldlinien in die Feldbilder eingetragen werden und stehen stets senkrecht auf den Feldlinien. Bild. zeigt eine entsprechende Darstellung. Bild. Darstellung des elektrostatischen Feldes durch Feldlinien und Äquipotentiallinien Elektrische Felder sind immer dann vorhanden, sobald zwischen zwei Punkten eine Potentialdifferenz, also eine elektrische Spannung besteht oder Ladungen im Raum vorhanden sind..1. Magnetische Felder Magnetfelder lassen sich durch ihre Kraftwirkung auf bewegte elektrische Ladungen beschreiben. F = q # (v x B) Statische magnetische Felder werden durch die gleichförmige Bewegung von Ladungsträgern, wie z.b. in einem von Gleichstrom durchflossenen Leiter, verursacht und lassen sich wie elektrische Felder durch Feldbilder veranschaulichen. Bild.3 zeigt schematisch den Verlauf der magnetischen Feldlinien um einen stromdurchflossenen Leiter. Im Gegensatz zu elektrischen Feldern, wo die Feldlinien an positiven Ladungen beginnen und an negativen enden, sind magnetische Feldlinien in sich geschlossen und umschließen gleichzeitig den sie erzeugenden Strom. Die magnetische Feldstärke H ist wiederum ein Maß für Betrag und Richtung der Kraftwirkung und ist wie die elektrische Feldstärke ein Vektor. Ihr Betrag ist umso größer, je größer die Summe der umschlossenen elektrischen Ströme ist. Diese Möglichkeit zur Feldverstärkung macht man sich in Magnetspulen mit vielen Windungen zunutze.

7 Bild.3 Magnetische Feldlinien um einen stromdurchflossenen Leiter Die Einheit der magnetischen Feldstärke H ist Ampere pro Meter A/m. Zur Beschreibung von Magnetfeldern im Niederfrequenzbereich wird auch die magnetische Induktion oder magnetische Flußdichte B verwendet, die über die Materialkenngröße Permeabilität µ = µ 0# µ r mit der magnetischen Feldstärke verknüpft ist: B = µ # H Die Einheit der magnetischen Flußdichte ist Tesla: 1 T = 1 Vs/m². Diese Einheit hat die ältere aber noch immer häufig anzutreffende Einheit Gauß (G) abgelöst, wobei gilt: 1 G = 0,1 mt = 100 µt. In Luft und auch biologischen Gewebe ist µ r 1, so daß eine magnetische Feldstärke von 1 A/m einer magnetischen Flußdichte von 1,57 µt entspricht. Magnetische Felder sind, immer an die Bewegung von Ladungsträgern, also einen Stromfluß gekoppelt. Bei statischen Magnetfeldern nimmt ebenso wie bei entsprechenden statischen elektrischen Feldern die Feldstärke mit zunehmendem Abstand von der Quelle ab.. Periodisch veränderliche Felder Bild.4: Harmonische Schwingungen zum Beispiel der elektrischen Feldstärke mit Effektivwert E, Maximalwert Ê und Periodendauer T Ändern sich Strom und Spannung zeitlich, so schlagen sich diese Änderungen auch in den Feldern nieder, die durch sie verursacht werden.

8 Die elektrischen und magnetischen Feldstärken besitzen im Gegensatz zu statischen Feldern keinen konstanten Wert mehr, sondern ändern sich im Takt der sie verursachenden Spannungen und Ströme. Abbildung.4 zeigt den zeitlichen Verlauf der elektrischen Feldstärke, wie sie durch eine sinusförmige Wechselspannung verursacht wird. Zur Beschreibung von Wechselfeldern sind weitere Kenngrößen notwendig, die im folgenden eingeführt werden. Als Frequenz f bezeichnet man die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde oder den Kehrwert der Periodendauer T: f = 1 / T Bei Ausbreitungsvorgängen und höheren Frequenzen wird häufig statt der Frequenz die Wellenlänge angegeben, die sich als Quotient aus Ausbreitungsgeschwindigkeit c (der elektromagnetischen Welle) und Frequenz f berechnet: = c / f Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist im Vakuum am größten und dort gleich der Lichtgeschwindigkeit c o. In Materie nimmt die Ausbreitungsgeschwindigkeit umso mehr ab, je mehr die dielektrischen und magnetischen Eigenschaften des Mediums vom Vakuum abweichen. Alle zeitabhängigen Größen werden durch ihre Effektivwerte oder Spitzenwerte beschrieben. Aufgrund der physikalischen Gegebenheiten können bei statischen und niederfrequenten Feldern das elektrische und magnetische Feld getrennt voneinander betrachtet, also als entkoppelt angenommen werden. Dies bedeutet, daß das elektrische Feld nur von der Spannung U und das magnetische Feld nur vom Strom I abhängt. Mit zunehmender Frequenz (f > 30 khz) ist diese Betrachtungsweise immer weniger zulässig, da jede Änderung elektrischer Felder ein Magnetfeld bedingt und gleichzeitig jede Änderung des Magnetfelds elektrische Felder erzeugt. Die mathematische Beschreibung dieser Tatsache findet sich in den Maxwellschen Gleichungen. Da im Fernfeld bei hohen Frequenzen keine Trennung von elektrischem und magnetischem Feld mehr vorgenommen werden kann, spricht man hier von elektromagnetischen Feldern. Während niederfrequente Felder bedingt durch die geometrischen Abmessungen im Wesentlichen an ihre Quellen gebunden sind, kann es im hochfrequenten Bereich zu einer Ablösung und Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in den Raum kommen. Man spricht dann von der Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung. Sowohl niederfrequente als auch hochfrequente elektrische, magnetische oder elektromagnetische Felder können in leitfähigen Körpern Ströme influenzieren bzw. induzieren (siehe Abschnitt 4). Manche Wirkungen elektromagnetischer Wechselfelder lassen sich nur mit Hilfe des Dualitätsprinzips veranschaulichen, indem sie nicht nur als wellenförmige Vorgänge, sondern auch als Strahlungsquanten (Photonen) betrachtet werden.

9 Die Quanten- oder Photonenenergie W ergibt sich als Produkt aus dem Plankschen Wirkungsquantum h und der Frequenz f: W = h # f Da die Quantenenergie mit steigender Frequenz zunimmt, erhält man den größten Wert für die höchste Frequenz im betrachteten Frequenzbereich. Mit f = GHz ergibt sich eine maximale Quantenenergie von 10 Ws, die um etwa 4 Größenordnungen unterhalb der zur Ionisation erforderlichen Energie liegt. Deshalb rechnet man die Strahlung in diesem Frequenzbereich auch der nichtionisierenden Strahlung (Bild 1.1) zu...1 Niederfrequenzbereich Im gesamten Niederfrequenzbereich, aber insbesondere bei den in der elektrischen Energieversorgung eingesetzten Frequenzen, ist eine Vernachlässigung der Kopplung zwischen elektrischem und magnetischem Feld zulässig, so daß elektrische und magnetische Felder getrennt betrachtet werden können. Dabei ist das elektrische Feld mit der Spannung und das magnetische Feld mit dem Strom verknüpft ist. Die Feldstärken verhalten sich je nach Art der Quelle mindestens umgekehrt proportional zum Abstand (Bild.5). Bild.5 Beispiele für die Abnahme der magnetischen Feldstärke mit zunehmender Enfernung von der Feldquelle (willkürliche Einheiten)

10 .. Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich In diesem Frequenzbereich können sich elektromagnetische Wellen von der Quelle ablösen und in den Raum ausbreiten. Durch diesen Prozeß wird Energie in den elektrischen und magnetischen Anteilen des elektromagnetischen Feldes von der Quelle in den Raum abgestrahlt. Die Strahlungsleistung pro Flächeneinheit wird auch als Strahlungsintensität bezeichnet und ist gleich dem vektoriellen Produkt aus elektrischer und magnetischer Feldstärke. Die Einheit der Strahlungsintensität ist Watt pro Quadratmeter W/m². Häufig findet man auch Angaben in Milliwatt pro Quadratzentimeter mw/cm², dabei gilt: 1 W/m² = 0,1 mw/cm². Beim Durchgang durch Materie kann je nach Frequenz und Material Strahlungsenergie der elektromagnetischen Welle in unterschiedlichem Maße absorbiert und in Wärme umgewandelt werden. Der Begriff Eindringtiefe kennzeichnet jene Weglänge in der Materie, nach der die Leistungsdichte auf ca. 37% ihres Ausgangswertes (entsprechend 1/e) abgenommen hat. Wird die in Wärme umgewandelte Strahlungsenergie auf die Masse des betrachteten Körpers bezogen, so erhält man die spezifische Absorptionsrate SAR, die in Watt pro Kilogramm (W/kg) angegeben wird. Das Abstrahlverhalten einer Strahlungsquelle wird im wesentlichen vom Verhältnis der größten Abmessung der Strahlungsquelle zur Wellenlänge bestimmt, wobei die Bündelung bei Flächenantennen umso stärker ist, je größer die Antennenabmessung im Vergleich zur Wellenlänge ist. Die Eigenschaften des Strahlungsfeldes hängen aber auch von der Entfernung zur Antenne ab. Man unterscheidet hier das Nahfeld und Fernfeld. Ist der Abstand von der Antenne groß gegenüber der Wellenlänge der Strahlung, so befindet man sich im Fernfeld. Im Fernfeld sind die elektrische und magnetische Feldstärke in Phase und ihre Vektoren stehen senkrecht aufeinander. Das Verhältnis aus elektrischer und magnetischer Feldstärke ist eine reelle konstante Größe und wird als Wellenwiderstand bezeichnet. Zur Beschreibung der Strahlungsbedingungen genügt bei idealen Bedingungen im Fernfeld die Angabe der Leistungsdichte nach Betrag und Richtung. Durch Reflexionen und Überlagerungen können sich jedoch auch im Fernfeld örtlich stark unterschiedliche Feldbedingungen ergeben. Im Nahfeld sind die Verhältnisse wesentlich komplizierter. Das Feld ist sehr inhomogen, elektrische und magnetische Feldstärke sind nicht mehr in Phase, ihr Verhältnis ist weder reell noch konstant. Daraus folgt das sowohl das elektrische wie auch das magnetische Feld getrennt betrachtet werden müssen. Die Ausdehnung des Nahfelds hängt im allgemeinen von der Wellenlänge und der Größe der Sendestruktur ab und kann 1-6 Wellenlängen betragen. Weitere Definitionen und Festlegungen zu diesem Themenkomplex sind in der DIN VDE "Sicherheit in elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern; Meß- und Berechnungsverfahren zu finden.

11 3. Quellen und Anwendungen Die Anwendungen elektrischer, magnetischer und elektromagnetischer Felder in der Industrie und der Kommunikationstechnik sind sehr vielseitig. Dabei wird in unterschiedlicher Weise der gesamte Frequenzbereich zwischen 0 Hz und 300 GHz ausgenutzt. Eine Übersicht über die unterschiedlichen Anwendungsgebiete enthält Tabelle 3.1. Es gibt eine Vielzahl von Quellen für elektrische und magnetische Felder. Ob und in welcher Stärke diese Geräte und Anlagen Felder verursachen, hängt von der jeweiligen technischen Ausführung ab. Die Tabellen 3., 3.3, 3.4 und 3.5 geben einen Überblick über die Feldstärken von typischen Quellen im Alltag, in der Industrie und der Medizin. Tabelle 3.1 Frequenzbereiche und Anwendungsgebiete Frequenzbereich Anwendungsgebiete statische Felder Medizin, Elektrolyse, Galvanotechnik, Hochenergiebeschleunigertechnologie, Metallurgie < 30 khz (NF) Energieversorgung, Bahnstromleitungen, Induktionswärme < 3 MHz (VLF,LF,MF) Schweißen, Schmelzen, Rundfunk, Radioverkehr, Radionavigation 3-30 MHz (HF) Industrie, Aufwärmen, Trocknen, Schweißen, Leimen, Polymerisieren, Sterilisieren, Landwirtschaft, Medizin, Radioastronomie, Rundfunk MHz (VHF) Industrie, Medizin, Rundfunk, Fernsehen, Luftverkehrskontrolle, Radar, Radionavigation MHz Fernsehen, Radar, Richtfunk, Mobilfunk, Telemetrie, Medizin, (UHF) Mikrowellenöfen, Nahrungsmittelindustrie 3-30 GHz (SHF) Höhenmesser, Radar, Navigation, Richtfunk, Satelliten GHz (EHF) Radioastronomie, Radiometrologie, Raumforschung, Radiospektroskopie

12 Tabelle 3.: Beispiele für Feldstärken durch hochfrequente elektromagnetische Felder bei medizinischen Anwendungen. Quelle Frequenz Abstand Typische Werte für Feldstärken/ Bemerkungen (MHz) (m) Leistungsdichten / SAR Kurzwellen- 7,1 0, bis 1000 V/m Behandlungsdiathermie 0,5 bis 500 V/m personal 1 bis 00 V/m bis 0,4 A/m V/m Patient, bis 1,6 A/m unbehandelte Körperstellen Mikrowellen ,5 5 W/m Behandlungserwärmung 1 10 W/m personal 450 0, W/m W/m Hyperthermie- 450 behandlung von Patienten, unbehandelte Körperstellen Magnetische im Gerät bis 1 W/kg Patient, gemittelt Resonanz über den ganzen Körper Tabelle 3.3: Beispiele für die Feldstärken durch niederfrequente Felder. Meßbedingungen elektrische Magnetfeld- Feldstärke stärke V/m µt 400 kv Hochspannungsfreileitung 50 Hz (6 Leiter, 1300A/Phase, Spannfeldmitte) - unter den Leitungen Meter von Trassenmitte 50,5-00 Meter von Trassenmitte - 0,1 110 kv Hochspannungsfreileitung 50 Hz (6 Leiter, 35A/Phase) - unter den Leitungen 000 4, - 50Meter von Trassenmitte <100 0,5-100 Meter von Trassenmitte - 0,05 Freiluftschaltanlage 50 Hz (innerhalb der Anlage) Niederspannungskompaktstation 50 Hz - Außenwand 40 - m Abstand Mittelwert 50 Hz in deutschen Haushalten 0,01-0,3 Haushaltsgeräte 50 Hz - 30 cm Entfernung , cm Entfernung 0,3-000

13 Fernseher 15 khz, 30 cm Entfernung , Niederspannungskabel 50 Hz (3 Leitungen, 50 A/Phase, unsymetrische Belastung 5 A) - auf dem Leiter 0,8-3 m Abstand 0,3 Induktionsschmelzofen 50 Hz (Industriearbeitsplätze) 0,5-1 m Abstand Induktives Erwärmen 0,15-10 khz 0,1-1 m Abstand (Industriearbeitsplatz) Glühen von Schweißnähten 10 khz - 0,3 m Abstand (Industriearbeitsplatz) 00-0,7 m Abstand 6 Kernspintomograph (0 Hz) - Patient Personal im Raum Erdmagnetfeld (0 Hz) 30-60

14 Tabelle 3.4: Beispiele für Feldstärken durch hochfrequente elektromagnetische Felder in Wohngebieten. Quelle Frequenz Abstand Typische Werte Bemerkungen Mikrowellen-,45 GHz 0,05m 0,6 W/m Gerätestandard: In 5 cm Kochgeräte 0,3 m < 0,06 W/m Liestungdichte < als 50 W/m Mittelwerte aus 130 Messungen Verkehrs GHz 3 m < 50 mw/m Leistung: 0,5-100 mw radar 10 m < 10 mw/m Diebstahl- 0,9-10 GHz < mw/m im Nutzstrahl sicherung CB-Funk 7 MHz 5 cm bis 1000 V/m Leistung: wenige Watt Walkie- bis 0, A/m Talkies 1 cm bis 00 V/m bis 0,1 A/m Starke 87,5-108 MHz 1,5 km < 50 mw/m Leistung: Rundfunk MHz " < 0 mw/m bis 100 kw TV-Sender; kw UKW VHF- TV UHF-TV MHz 1,5 km < 5 mw/m Leistung: bis 5 MW Kurzwelle 3,95-6,1MHz 0 m 7,5 V/m Leistung: 750 kw Bänder 50 m 11 V/m Lang- und 3 khz 100 m 5 V/m Leistung: 490 kw Mittelwelle 830 khz 100 m 10 V/m 100 kw HF- Rundfunk- Anteile der US-Bevölkerung Exposition in und Fern- > 00 mw/m 0,0 % Ballungs- sehsender > 10 mw/m 1 % gebieten > 0,05 mw/m 50 % (USA 89) > 0,0 mw/m 90 % Mobiltelefon D-Netz 10 cm V/m Leistung: W Flugüber GHz 0,1-1 km 0,1-10 W/m CW- Leistung: 0,- 0 kw wachungs- > 1 km < 0,5 W/m und Militärradars Richtfunk 10-0 GHz 500 m 0,4 mw/m im Hauptstrahl µw/m 0 m unter Hauptstrahl 0,5 Watt Leistung

15 Tabelle 3.5: Beispiele für Feldstärken am Arbeitsplätzen bei industrieller Anwendung von Hochfrequenz. Verfahren Frequenz Leistung Abstand Typische Werte Bemerkungen Induktive -100 kw 0,5-1 m 50 A/m; Erwärmung 1000 V/m 300 khz - 1 MHz Ort der 0, - 1 A/m 100 khz - 10 MHz Bedienperson Induktives Löten - " 800 V/m abgeschirmt khz Dielektrisches 1-10 kw Rumpf V/m Plastikschweißen bis 8 A/m 7,1 MHz Hände bis 1500 V/m bis 7A/m Dielektrische kw 0,5 m 170 V/m Pressmaschinen 1,5 kw 0,5 m 00 V/m - Vorwärmung - Ort der 6-8 V/m - Verleimung Bedienperson - Trocknung 7,1 MHz Induktives Härten 4 kw Ort der 0,43 A/m 7,1 MHz Bedienperson Dielektrisches Vulkanisieren - Ort der 0,7-5 W/m 915 MHz -,45 Ghz Bedienperson Nachrichten- bis 1000 V/m Unmittelbar an übertragung x 700 W/m Antenne MW und LW Sender bis 5 A/m bzw.generator x W/m Sendergeneratoren bis 000 W/m

16 4. Biologische Wirkungen 4.0 Einführung Die Wirkungen elektromagnetischer Felder auf biologische Systeme hängen im allgemeinen von der Frequenz und der Intensität der einwirkenden Felder ab. Individuelle Eigenschaften (z.b. Körpergröße) und physikalische Randbedingungen (z.b. Erdung, Ausrichtung zum Feld) können auch eine Rolle spielen. Bei der Wirkung auf den Menschen werden drei Frequenzbereiche unterschieden, die im folgenden näher erläutert werden: Statische Felder - bei statischen Magnetfeldern treten quantenelektronische und magnetomechanische Wechselwirkungen sowie auf bewegten Ladungen auch induktive Wirkungen auf. - bei statischen elektrischen Feldern können Effekte wie Aufrichten der Haare, Elektrisierung und Entladungen auftreten. Niederfrequente Felder (bis ca. 30 khz) - hier dominieren bei den akuten Wirkungen die Reizwirkungen auf Sinnes-, Nerven- und Muskelzellen Hochfrequenz (30 khz GHz) - hier sind die thermischen Wirkungen vorherrschend. Im Bereich 10 khz khz müssen abhängig von der Frequenz teilweise beide Wirkungen berücksichtigt werden, da beide relevante Beiträge liefern können. Neben den aufgeführten Reiz- und thermischen Wirkungen werden in der Literatur weitere nichtthermische (athermische) Wirkungen beschrieben, ihre biologische Relevanz wird zur Zeit intensiv untersucht. Dabei werden sowohl Laborexperimente mit Zellen, Tieren und Menschen durchgeführt als auch epidemiologische Untersuchungen (Bild 4.1). Auch wenn einige der beobachteten Effekte an Zellen schon bestätigt sind, so ist ihre biologische Relevanz für den Menschen noch weitgehend unklar. Bedenken gegenüber starken elektrischen Feldern haben ursprünglich vor etwa 30 Jahren Berichte über unspezifische vegetative Störungen bei Arbeitnehmern in russischen Höchstspannungsanlagen ausgelöst. Diese Ergebnisse konnten jedoch in der Folge im Westen nicht verifiziert werden und wurden daher nicht auf direkte Einflüsse von elektrischen Feldern sondern auf mangelhafte Versuchsdurchführung, indirekte Effekte und belastende Umweltbedingungen zurückgeführt. Eventuelle Auswirkungen von Langzeitexpositionen gegenüber Magnetfeldern, wie sie im Alltag auftreten, werden seit etwa 0 Jahren mit Hilfe epidemiologischer Studien untersucht. Auf die Ergebnisse, aber auch auf die Probleme dieser Untersuchungen wird in Kap näher eingegangen. Zur Verunsicherung der Bevölkerung tragen von den Medien geprägte Begriffe wie Elektrosmog, nichtwissenschaftliche Berichte, die Felder mit einer Reihe von neurovegetativen Störungen in Verbindung bringen, aber auch die ungeklärte Frage der Elektrosensibilität bei. Einen besonders kritischen Standpunkt nehmen sogenannte Baubiologen ein.

17 Zu den folgenden Themen sind schon Untersuchungen zu biologischen Wirkungen elektrischer und magnetischer Felder durchgeführt worden s Studien an Probanden 3 Wahrnehmung und Belästigung 3 Verhalten und Physiologie 3 "Elektro-Sensibilität" 3 Änderungen der Signale des EEG und EKG 3 Biologische Rhythmen, Melatonin s Epidemiologische Studien 3 Korrelation Krebs bei Kindern und Wohnen in der Nähe von Hochspannungsfreileitungen 3 Korrelation Krebs und Arbeit in "elektrischen Berufen" 3 Korrelation Magnetfeld und Alzheimererkrankung s Studien an Tieren 3 Einflüsse auf Neuroendokrines System und Zentralnervensystem 3 Biologische Rhythmen, Melatonin 3 Beeinflussung der Hormonproduktion der Zirbeldrüse,Melatonin 3 Einflüsse auf den Kreislauf 3 Einflüsse auf die Fortpflanzung, das Wachstum und die Entwicklung 3 Verhaltensänderungen 3 Krebsentstehung 3 Co-Promoter Krebs s Studien an Pflanzen 3 Wachstum und Entwicklung s Studien an Zell- und Gewebekulturen 3 Änderung von Potentialen an Zellmembranen, Calcium 3 Änderung zellulären Wachstums 3 Modulation von biochemischen Reaktionen 3 Zell-Kommunikation 3 Immunantwort 3 Genexpression 3 Melatonin Bild 4.1: Schematische Darstellung von Versuchen bei denen Effekte durch elektrische und magnetische Felder an Zellen, Tieren und an Menschen in der Literatur beschrieben worden sind. Über die Frage, ob diese Untersuchungen einem Zusammenhang aufzeigen konnten, ob diese Effekte eine biologische Relevanz haben oder wie gut die Validität der Ergebisse ist, wird damit nicht ausgesagt.

18

19 4.1 Niederfrequente Felder Unter direkter Wirkung werden Effekte verstanden, die auf die unmittelbare Einwirkung von Feldern auf den Körper zurückgehen. Dazu gehören die Oberflächeneffekte in starken elektrischen Feldern und die Wirkung im Körperinneren, die von elektrischen und magnetischen Feldern verursacht werden (Bild 4., 4.3). Von den direkten Wirkungen werden indirekte (mittelbare) Wirkungen unterschieden. Diese entstehen bei der Berührung von Metallkörpern im elektrischen Feldern (Bild 4.4), zu ihnen zählt man aber auch die Auswirkungen, die aus der Beeinflussung von medizinischen Implantaten resultieren. Bild 4.: Beispiel für eine kapazitive Einkopplung eines induzierten Körperstroms (unmittelbare Feldwirkung) Bild 4.3: Beispiel für eine induktive Einkopplung eines induzierten Körperstromes (unmittelbare Feldwirkung) E Bild 4.4: Beispiel für eine galvanische Einkopplung eines induzierten Körperstroms (mittelbare Feldwirkung)

20 4.1.1 Direkte Wirkungen Oberflächeneffekte In starken elektrischen Wechselfeldern werden Körperhaare durch Influenz und elektrostatische Abstoßungsvorgänge zu Bewegungen angeregt, wodurch diese Felder wahrnehmbar und ab etwa 10 kv/m für empfindliche Personen belästigend werden können. Das vorhandene Datenmaterial beschränkt sich auf die energietechnischen Frequenzen 50 bzw. 60 Hz. Empfindungen können auch von Mikroentladungen zwischen scharfkantigen Objekträndern wie z.b. Brillenfassungen, Krägen, Manschetten u. dgl. und der Haut ausgehen Innere Wirkungen Die biologischen Wirkungen reichen je nach der Stärke der einwirkenden Felder über einen weiten Bereich. Es ist sinnvoll, zwischen Reizwirkungen und anderen biologischen Effekten zu unterscheiden Reizwirkungen Die Wirkungen starker elektrischer und magnetischer Felder im Körperinneren bestehen in der Erregung (Stimulation) von Nervenzellen oder erregbarem Muskelgewebe und können durch die von den Feldern influenzierten bzw. induzierten intrakorporalen elektrischen Stromdichten erklärt werden. Das Stromdichtemodell, das für die Erklärung der Reizwirkung ausreichend ist, erlaubt, unter Anwendung gesicherter physikalischer Grundgesetze, äußere elektrische und magnetische Felder gemeinsam zu diskutieren. Dabei kann auf bereits gut fundiertes Wissen über Reizwirkungen zurückgegriffen werden. Dazu gehören die in zahlreichen Versuchen seit der Entdeckung der Elektrizität, wie die im Zusammenhang mit der Analyse von Elektrounfällen und die bei der medizinischen Anwendung der Reizstromtherapie im Verlauf vieler Jahrzehnte gewonnenen Ergebnisse. Reizwirkungen sind unmittelbar an die Präsenz des Feldes gebunden. Bleibende Veränderungen können ausgeschlossen werden. Für Reizwirkungen ist die Existenz einer Schwelle und die Frequenzabhängigkeit charakteristisch: 1. Es existiert eine Reizschwelle, die überschritten werden muß, um eine Erregung auszulösen. Die Erregung einer Zelle selbst jedoch gehorcht dem Alles- oder Nichts- Gesetz und kann durch größere Reizstärken oberhalb der Reizschwelle nicht mehr gesteigert werden.. Die Auslösung der Erregung hängt vom zeitlichen Reizverlauf ab : Zu geringe zeitliche Reizänderungen ( zu niedrige Frequenzen) und zu kurze Reize (zu hohe Frequenzen) können auch bei hoher Reizstärke keine Erregung auslösen.

21 100 J N ( f) J( f) Spur 1 Spur f Bild 4.6 Prinzipielle Abhängigkeit der reizwirksamen Stromdichte von der Frequenz. Als Bezugswert dient der Basiswert ma/m t. Kurve A: Ausgleichsvorgänge in der Membran die das Lapiquesches Gesetz beschreibt. Kurve B: In der Norm verwendete vereinfachter Geradenzug. In Abhängigkeit von der Stromdichte können bei niedrigen Frequenzen folgende Wirkungsbereiche unterschieden werden. Tabelle 4. Wirkungen Stromdichten, die zwischen 3 und 300 Hz zu den angegebenen biologischen Wirkungen führen. Stromdichten in ma/m² Extrasystolen und Herzkammerflimmern möglich, deutliche Gesundheitsgefahren > 1000 Veränderung in der Erregbarkeit des zentralen Nervensystems bestätigt; Reizschwellen; Gesundheitsgefahren möglich Gut bestätigte Effekte, visuelle (Magnetophosphene) und mögliche Nervensystemeffekte; Berichte über beschleunigte Knochenbruchheilung Berichte über subtile biologische Wirkungen 1-10 Abwesenheit gut gesicherter Effekte < 1 Diese Wirkungen sind Stromdichten infolge der Einwirkung von elektrischer und magnetischer Feldern gemeinsam. Aus den Stromdichten können mit Hilfe von Modellrechnungen die dazugehörigen äußeren Feldstärken berechnet werden. Die Angaben verschiedener Autoren über den Zusammenhang zwischen den äußeren Feldstärken und den durch sie im Körperinneren verursachten Stromdichten unterscheiden sich jedoch. Der Grund dafür liegt in der Wahl unterschiedlicher Modelle zur Nachbildung des menschlichen Körpers, seiner äußeren Form und inneren Komplexität. Bei der Festlegung von Grenzwerten wird den Vereinfachungen der Modellrechnungen und der eingeschränkten Übertragbarkeit der Versuchsergebnisse, die der Tab. 4. zugrunde liegen, mit Hilfe von zusätzlichen Faktoren Rechnung getragen. Je nach Feldart und Frequenz ergeben sich folgende Zusammenhänge: a) Elektrostatische Felder Aufgrund der Influenzwirkung ist das Körperinnere feld- und stromdichtefrei; durch Leckströme verursachte Stromdichten können vernachlässigt werden. b) Elektrische Wechselfelder Der Gesamtstrom durch den Körper infolge der kapazitiven Ankopplung läßt sich sowohl meßtechnisch als auch theoretisch gut ermitteln. Die abgeschätzten Stromdichten J im Körperinneren hängen jedoch von der gewählten Modellvorstellung

22 und dem betrachteten Körperbereich ab. In 1. Näherung läßt sich bei Mittelung über nicht zu kleine Flächen folgender Zusammenhang angeben: J = k # % # f # o # Eo k Formfaktor Mensch: ; Kugel: 3 J Körperstromdichte (A/m²) f Frequenz (Hz) Eo ungestörte Feldstärke (V/m) -1 o elektrische Feldkonstante 8, As/Vm Für die Influenz einer Stromdichte von 1 ma/m² im Kopf oder Herzbereich eines homogenen Modells sind unter Zugrundelegung ungünstigster Expositionsbedingungen folgende äußere Feldstärken erforderlich: Kopf 7 kv/m bis 0 kv/m Herzbereich 7 kv/m bis 14 kv/m An anderen Körperstellen wie z.b. den Knöcheln mit der vergleichsweise geringen Querschnittsfläche bei einem relativ hohen Anteil schlecht leitender Knochen und Sehnen liegen lokale Stromdichten erheblich (um mehr als das 10fache) höher. c) Magnetostatische Felder In einem statischen Magnetfeld können in einem Körper elektrische Spannungen induziert werden, wenn sich im Körper bewegte Ladungsträger befinden (Hall-Effekt) oder wenn sich der gesamte Körper in einer Weise bewegt, daß sich die Durchflutung ändert (Induktion). Im Falle des Menschen geschieht dies in nennenswertem Ausmaß in den großen Blutgefäßen des Kreislaufes mit rasch fließendem Blut bzw. im sich rasch bewegenden Herzen oder wenn der ganze Körper rotiert. Die elektrische Spannungen bewirken in leitfähigen Geweben eine Stromdichte. Die Stromdichte kann mit der Bewegungsgeschwindigkeit v und dem spezifischen Widerstand ) abgeschätzt werden zu J = (B # v) # ) B magnetische Flußdichte (T), v Bewegungsgeschwindigkeit (m/s) ) (1/6 # m) d) Magnetische Wechselfelder Während die intrakorporale Stromdichteverteilung infolge elektrischer Wechselfelder über dem Körperquerschnitt lediglich aufgrund der inhomogenen Leitfähigkeitsverteilung variiert, ist im Fall magnetischer Wechselfelder zusätzlich die durch den Induktionsvorgang bedingte starke Ortsabhängigkeit zu berücksichtigen. Im Körperzentrum ist die Stromdichte Null und erreicht im Oberflächenbereich ihr Maximum. Für kreisförmige Strombahnen erhält man für die Stromdichte die Beziehung r J = B # % # f # r # ) Radius der Kreisbahn des Stroms im Körper, (m) aus der hervorgeht, daß die Stromdichte porportional dem Radius und der Leitfähigkeit ist. Üblicherweise verwendet man für den Menschen die folgenden Parameter:

23 Radius 0,1 m (Kopf); 0, m (Thorax) und die Leitfähigkeit 0,1-0,4 (1/6m). Bei Berücksichtigung längsgestreckter Strombahnen erhöhen sich beim Menschen die berechneten Stromdichten gegenüber dem kreisförmigen Fall um etwa einen Faktor. Es gibt auch schon Rechenmodelle (z.b. FDTP, finite-difference-time domain), die mit hoher räumlicher Auflösung die Stromdichte im Körper berechnen können. Es zeigt sich, daß die Stromdichten im Körper sehr inhomogen ist Andere biologische Effekte In der Literatur werden neben der Reizwirkung auch andere biologische Effekte beschrieben, für die noch keine Wirkungsmodelle bekannt sind und die auch teilweise schon unterhalb der Schwelle für Reizwirkungen auftreten. Während das Modell der direkten Wirkung intrakorporaler Stromdichten bei jenen Effekten Berechtigung besitzt, die eine makroskopische Betrachtungsweise erlauben, muß für andere Effekte, wie z. B. Freisetzung von Kalziumionen oder die Aktivierung von Enzymen an der Zellmembran auf zusätzliche Wechselwirkungshypothesen, wie die Existenz weiterer z.b. lokaler Phänomene, zurückgegriffen werden. Ein Reihe von Effekten, die sowohl bei Versuchen mit Zellkulturen als auch mit Organen und Tieren gefunden wurden, deutet an, daß magnetische Felder auf den Spiegel und damit auf die Wirkung des Hormons Melatonin einen Einfluß ausüben können. Gemeinsam ist diesen Effekten, daß sie derzeit - auch wenn gewisse experimentell in in-vitro Versuche an Zellen oder Organen gesichert erscheinen - im Hinblick auf ihre gesundheitliche Bedeutung für Gesamtsysteme nicht bewertet werden können Mutagene/Teratogene Effekte Bei sehr großen Flußdichten (30 mt) wurde eine schwache teratogene Wirkung an Ratten gefunden. Andere Studien zur teratogenen Wirkung und zu anderen negativen Beeinflussungen der Schwangerschaft durch elektromagnetische Felder (insbesondere Arbeit während der Schwangerschaft an Bildschirmarbeitsplätzen) waren meist negativ oder ergaben keine signifikanten Effekte. Das gleiche gilt für die Studien zur Wirkung Feldern, die von Haushaltsgeräten, insbesondere für elektrische Heizdecken, erzeugt werden. Es gibt keine experimentellen oder epidemiologischen Hinweise darauf, daß in der Praxis vorkommende elektrische oder magnetische Felder Veränderungen am Erbgut bewirken könnten. So haben die Studien, die den Zusammenhang zwischen der Exposition von Vätern und Krebserkrankungen der Kinder untersuchten, keine verwertbare Aussage ergeben Felder und Krebs Zur Frage, ob schwache niederfrequente elektrische und magnetische Felder zu einer Erhöhung der Krebsinzidenz beitragen, wurden in den letzten 15 Jahren mehr als 100 epidemiologische Studien durchgeführt. Die meisten Studien betrafen Beschäftigte in sogenannten "elektrischen" Berufen, ein zweiter Schwerpunkt waren

24 Kinder in ihrer Wohnumwelt. Obwohl das Studiendesign sehr uneinheitlich war, kann man feststellen, daß am häufigsten die Frage gestellt wurde, ob der "elektrische" Beruf oder der Aufenthalt in erhöhten Magnetfeldern (Größenordnung einige Zehntel µt) zu einer Häufung von Krebs ohne Differenzierung nach der Art des Krebses oder bei spezifischen Krebsarten zu einer Häufung von Leukämie und Gehirntumoren geführt hat. Eine Reihe von Studien zeigte einen schwachen Zusammenhang zwischen der Feldexposition und der untersuchten Krebsart. Wenn mehrere Studien zusammen betrachtet werden (Metastudie) ergibt sich häufig eine nicht signifikante Verdoppelung des betrachteten Krebsrisikos. Es gibt auch eine Reihe von Studien, die keinen Zusammenhang finden konnten. Die Ergebnisse der Studien müssen aber sehr differenziert betrachtet werden. Generell kann festgestellt werden, daß bei einer Bewertung der Ergebnisse der epidemiologischen Studien insbesonders deren statistische Aussagekraft, die Art und Weise der Expositionsbestimmung und allgemein das Fehlen von Modellvorstellungen für eine Krebsverursachung problematisch sind. Diese und weitere gravierende Mängel müssen durch einschlägige Forschung behandelt werden, bevor die Epidemiologie eine klärende Rolle in der Krebsfrage spielen kann. Deshalb besteht international Übereinstimmung mit der Konsequenz, daß in die Grenzwertüberlegungen die Ergebnisse der epidemiologischen Studien nicht einbezogen werden. Dafür, daß elektrische und magnetische Felder bei Feldstärken, wie sie am Arbeitsplätzen oder auch in der Wohnumgebung auftreten, Krebs auslösen können, gibt es keine Hinweise. Neben den epidemiologischen Studien gibt es eine Reihe von Laborexperimenten an Zellen und Tieren, die auf einen Zusammenhang von einer Beschleunigung des Krebswachstums und dem Vorhandensein von magnetischen Feldern im Bereich von µt hindeuten. So wurde bei Ratten mit chemisch induziertem Brustkrebs bei Magnetfeldstärken von 50 und 100 µt ein schnelleres Wachstum der Tumoren beobachtet. Diese und auch andere Tierexperimente sind zur Zeit aber noch nicht von anderen Arbeitsgruppen wiederholt worden. Es gibt eine Vielzahl von Versuchen, die teilweise einen Zusammenhang nahelegen, teilweise aber keine Wechselwirkungen finden. Eine einheitliche Bewertung der verschiedenen Laborversuche ist zur Zeit noch nicht möglich, da es kein Wirkungsmodell gibt und die Übertragung auf den Menschen nicht geklärt ist Felder und andere Erkrankungen In der letzten Zeit wurden epidemiologische Untersuchungen publiziert, die auf einen Zusammenhang zwischen dem Auftreten der Alzheimer-Krankheit und der Exposition gegenüber Magnetfeldern von Nähmaschinen in Textilberufen befassen. Da über die Ursachen der Alzheimer-Krankheit wenig bekannt ist und keine Umstände bekannt sind, die einen Zusammenhang nahelegen, müssen weitere Untersuchungen abgewartet werden, bevor Aussagen gemacht werden können Elektrosensibilität Die Frage der Elektrosensibilität, d.h. ob es Personen mit einer besonderen

25 Empfindlichkeit für elektrische und/oder magnetische Felder gibt, wird derzeit durch mehrere Forschergruppen mit unterschiedlichen Ansätzen untersucht. Die von manchen Personen geäußerten Vermutungen hinsichtlich einer eigenen besonderen Empfindlichkeit konnten in Experimenten nicht verifiziert werden. Die Trennung von unspezifischen psychosomatischen Beschwerden ist schwierig Indirekte Feldwirkungen Mittelbare Feldwirkungen Mittelbare Feldwirkungen beruhen auf Körperströmen und Berührungsspannungen, die sich durch Annäherung oder Berührung von elektrisch leitfähigen Teilen ergeben (Bild 4.4). Auch die Störung und Beeinflussung von Körperhilfen (z.b. Herzschrittmacher) kann als mittelbare Feldwirkung angesehen werden. In elektrischen Feldern können sich isolierte leitfähige Objekte (z.b. Kraftfahrzeuge unter Hochspannungsleitungen) aufladen, und wenn sie berührt werden, gibt es eine Entladung (Mikroschock). Solange das Objekt berührt wird, fließt im Wechselfeld ständig Strom zur Erde ab. Die Wahrnehmungsschwellen für Funkenentladungen und die Ströme sind abhängig von der Empfindlichkeit der betreffenden Person und den Eigenschaften des berührten Gegenstandes. So können im elektrischen Feld einer Hochspannungsleitung unter ungünstigen Umständen schon Feldstärken von bis zu 0,5 kv/m wahrgenommen werden. Bei diesen Effekten zeigte sich, daß Frauen und Kinder empfindlicher als Männer sind. Auch wenn die im Alltag auftretenden Effekte durch indirekte Wirkungen nicht sehr häufig sind und in der Regel als nicht gesundheitsschädlich angesehen werden, so können sie doch als Belästigung empfunden werden. Tabelle 4.4 Schwellenwerte für die Wirkung elektrischer Strömen (50 /60 Hz), die durch den Körper fließen (aufgrund experimenteller Daten für 50% aller Männer). Zu beachten ist, daß die Stromschwelle für Frauen etwa /3, die für Kinder nur die Hälfte der angegebenen Werte beträgt. Bei einem geringen Prozentsatz aller Personen liegen die Schwellenwerte deutlich niedrieger (Strahlenschutzkommission 95). Wirkung Schwellenwerte des Stroms in ma Herzkammerflimmern (Einwirkzeit länger als 1 Sekunde) für 0,5 % der Personen 100 Schwerer elektrischer Schlag (Loslassen unmöglich) 3 Schmerzhafter elektrischer Schlag, unwillkürliche Muskelkontraktion (Griffkontakt; 16 Stromstärke, die bei 50 % aller Männer das Loslassen nicht mehr gestattet) Schmerzhafter elektrischer Schlag, unwillkürliche Muskelkontraktion (Griffkontakt; 9 Stromstärke, die bei 0,5 % aller Männer das Loslassen nicht mehr gestattet) Schmerzhafter elektrischer Schlag (Fingerkontakt) 1,8 Elektrischer Schlag, nicht schmerzhaft (Griffkontakt) 1,8 Wahrnehmung (Griffkontakt) 1,1 Berührungswahrnehmung (Fingerkontakt) 0,36

26 4.1.. Elektronische Implantate In Mitteleuropa sind ca. 4 % der Menschen auf einen implantierten elektronischen Herzschrittmacher angewiesen. Werden in dem Schrittmacher selbst oder über die Sonde zum Herzinneren durch äußere elektromagnetische Felder Signale eingekoppelt, so kann dies zu einer Beeinflussung der Funktion des Schrittmachers führen. Eine ganze Reihe von Geräten, wie z.b. elektrische Bohrmaschinen, Diebstahlsicherungsanlagen, Diathermiegeräte usw., können Herzschrittmacher potentiell stören. Die Bandbreite der möglichen Beeinflussungen reicht von einer eher unbedeutenden einmaligen Intervallverlängerung bis hin zu "Stolperrhythmen", wenn zum Eigenrhythmus des Herzens noch der des Herzschrittmachers kommt. Berichte über Gefährdungen sind sehr selten, die Dunkelziffer ist jedoch unbekannt. Erschwerend kommt hinzu, daß die Empfindlichkeit der verschiedenen Schrittmachertypen (z.z ca. 50) unterschiedlich ist bzw. bei modernen Geräten an die Bedürfnisse des Patienten angepaßt werden kann. Beeinflussungen durch elektronische Geräte im Haushalt, die sich in einem Abstand von mehr als 30 cm vom Herzschrittmacher befanden, sind nicht bekannt geworden. Neben den Herzschrittmachern gibt es noch eine ständig wachsende Anzahl von elektronischen Implantaten (z.b. Insulinpumpen, Hörgeräte). Über deren Beeinflußbarkeit durch elektromagnetische Felder ist nicht sehr viel bekannt. 4. Hochfrequente Felder 4..1 Direkte Feldwirkungen Thermische Effekte Die Energie hochfrequenter Felder wird von biologischem Gewebe absorbiert. Die Energieübertragung erfolgt durch verschiedene frequenzabhängige Mechanismen, hauptsächlich jedoch durch Polarisation gebundener Ladungen, Orientierungsschwingungen permanenter Dipole (z.b. Wasser), Schwingungs- und Rotationsbewegungen innerhalb von Molekülen oder Verschiebung freier Ladungsträger. Bei diesen Vorgängen entsteht infolge von Reibung im Gewebe Wärme. Auf molekularer und zellulärer Ebene ist die pro Zeiteinheit absorbierte Energie von den Gewebeeigenschaften und der jeweiligen Feldstärke im Material abhängig. Durch die absorbierte Energie kann es zu lokalen Erwärmungen oder zu einer Erwärmung des ganzen Körpers kommen. Weiter können Ladungsverschiebungen in der Umgebung und innerhalb einer biologischen Zelle dazu führen, daß Membranspannungen sich ändern (die sich daraus ergebenden Reizwirkungen sind nur unterhalb von ca. 30 khz relevant). Beide Effekte sind stark frequenzabhängig. Der menschliche Körper stellt für das elektromagnetische Feld eine Antenne (resonanzfähiges Gebilde) dar. Je nachdem in welchem Verhältnis die Körpergröße (auch Teile des Körpers) zur Wellenlänge steht, kann der Körper unterschiedlich gut Energie aus dem Feld aufnehmen (Bild 4.7).

27 Resonanzbereich Hot Spot Bereich Subresonanzbereich Oberflächenabsorptionsbereich Ganzkörper Teilkörper (Kopf) f (MHz) Bild 4.7: Qualitativer Verlauf der im Körper absorbierten Leistung (SAR) durch die Absorptionscharakteristik eines Menschen. Voraussetzung: Gleiche Feldstärken für die unterschiedlichen Frequenzen Im unteren Frequenzbereich (Subresonanzbereich, unterhalb von 30 MHz) nimmt die absorbierte Energie etwa mit dem Quadrat der Frequenz zu. Die Eindringtiefe dieser Felder in den menschlichen Körper ist groß. Die Verteilung der absorbierten Leistung im Körper ist inhomogen. Im Resonanzbereich ( MHz) sind die Maße der absorbierenden Strukturen (z.b. Größe des Menschen oder von Körperteilen) und die Wellenlänge der elektromangetischen Felder von ähnlicher Größenordnung und der Körper kann am effektivsten Energie aus dem Feld absorbieren. Die Resonanzfrequenzen für Kinder höher liegen als für Erwachsene. Oberhalb des Resonanzbereiches (300 MHz GHz) ist die Wellenlänge hingegen klein im Vergleich zu den beim Menschen auftretenden geometrischen Abmessungen. Mit steigender Frequenz wird die Eindringtiefe der elektromagnetischen Felder immer kleiner. Bei 433 MHz beträgt die mittlere Eindringtiefe in Muskelgewebe ca. cm, bei,4 GHz nur noch 6 mm. Oberhalb von 10 GHz ist die Temperaturerhöhung auf die Oberfläche des Körpers begrenzt. Durch Überlagerung kann es im Frequenzbereich von MHz zu räumlich eng begrenzten Erwärmungen im Körper kommen (Hot Spots). Das Phänomen des "Hörens" von pulsförmig amplitudenmodulierter Hochfrequenzstrahlung ( µs-pulse), wie sie bei Radarstrahlung im Frequenzbereich von MHz auftreten kann, kann ebenfalls durch thermisch ausgelöste Effekte erklärt werden. Die Größe des Effektes ist stark abhängig von der Frequenz, der Intensität und der jeweiligen Pulsfrequenz. Bei,45 GHz liegt die Hörschwelle für diesen Effekt (Impulsbreiten von 1-3 µs) bei Spitzenimpulsflußdichten zwischen 10 und 400 kw/m. Da die Wechselwirkung von Hochfrequenzenergie mit biologischen Objekten sehr komplex ist (z.b. durch die Abhängigkeit von der äußeren und inneren Geometrie), wird bei den Betrachtungen für den Schutz von Personen das System dadurch beträchtlich vereinfacht, daß nur die Konfigurationen mit den maximalen Energieabsorptionen betrachtet werden. Bei der Beschreibung einer Ganzkörperexposition wird die absorbierte Leistung räumlich über den ganzen Körper integriert und durch die Körpermasse dividiert. Diese Größe ist die durchschnittliche spezifische absorbierte Rate (SAR), in [W/kg]. Werden nur Teile des Körpers bestrahlt (z.b. bei körpernahen Sendern) oder müssen Inhomogenitäten im Körper berücksichtigt werden (z.b. die Augenlinse), so ist die Verwendung lokaler SAR notwendig. Dabei wird über eine

28 kleinere Masse (1, 10, 100 g) gemittelt. Die Absorption im Körper ist abhängig von der jeweiligen Gewebeart, was zu sehr ungleichförmigen SAR-Werten führt. Zusätzlich wird durch die unterschiedliche Durchblutung die Wärme unterschiedlich gut abtransportiert, was Temperaturunterschiede im Körper zur Folge hat. Weitere Effekte (lokale SAR-Erhöhungen durch Reflexion) können sich durch metallische Implantate ergeben. Der durchschnittliche energetische Grundumsatz des Menschen beträgt ca. 1 W/kg, beim Gehen erhöht sich der Umsatz des Organismus auf 3 bis 5 W/kg. Eine Einstrahlung von 4 W/kg führte bei verschiedenen Versuchen nach ca. 30 min zu einer durchschnittlichen Temperaturerhöhung von weniger als 1 Grad. Wie ein Organismus auf den zusätzlichen Wärmeeintrag reagiert, hängt von verschiedenen Umgebungsparametern (Temperatur, Luftfeuchte) sowie der Leistungsfähigkeit der Thermoregulation des jeweiligen Individuums ab. Der Mensch verfügt über eine Reihe von Temperatursensoren und -regelkreisen. Um auch bei Menschen mit gestörter Thermoregulation zu keinen negativen Effekten durch die eingestrahlte Hochfrequenz zu kommen, sollte die Temperaturerhöhung nicht mehr als 0,1-0,5 Grad betragen. In lokal begrenzten Bereichen kann durch eine schlechte Durchblutung und/oder Brechung der einfallenden Welle die Temperaturerhöhung erheblich höher sein. Leistungsdichten von mehr als 1 kw/m² (über einige Minuten) können in der Augenlinse zur Kataraktbildung führen. Ob bei chronischer Exposition oder bei gepulster Strahlung auch bei niedrigeren Leistungsdichten schon Effekte am Auge auftreten, ist noch nicht abschließend geklärt. Bei der Hochfrequenzwärmetherapie werden SAR-Werte von 10 bis 50 W/kg verwendet, um das betreffende Gewebe aufzuwärmen und so einen therapeutischen Effekt zu erzielen. Für die meisten Frequenzen ist die Oberflächenwahrnehmung von Wärme und Hitzeschmerz ein unzuverlässiger Indikator, da die Energie hauptsächlich in den tieferen Schichten, d.h. unterhalb der Hautrezeptoren für Wärme, absorbiert wird. Bei Bestrahlung von Tieren durch elektromagnetische Felder zeigte sich, daß bei einem mittleren SAR-Wert von 4 W/kg schon Temperaturerhöhungen in Teilen des Körpers auftreten, es aber zu keiner Erhöhung der Körperkerntemperatur um mehr als ein Grad kommt. Thermische Wirkungen unter 3-4 W/kg (Ganzkörperexposition) sind in der Literatur nicht beschrieben worden Athermische Effekte Bei Versuchen an Tieren und Zellkulturen traten bereits zwischen 0,4 und 1 W/kg verschiedene Effekte auf. So gibt es Berichte über Beeinflussungen des Zentralnervensystems, Wirkungen auf die blutbildenden Organe, von funktionellen Störungen, Veränderungen von Reflexen bei Versuchstieren, Beeinträchtigung der Sinneswahrnehmung, Veränderungen in Wirkungsmechanismen und der Wirksamkeit von Medikamenten. Viele in der Literatur vorgestellte Effekte (z.b. Änderung des Calcium-Flusses von Zellen) können nicht mit dem Konzept der Wärmewirkung erklärt werden. Diese sogenannten athermischen Effekte treten teilweise schon bei Werten auf, die weit unterhalb der Grenze für thermische Wirkungen (3-4 W/kg) liegen. Sie sind jedoch oft nur auf spezielle Frequenzen und Intensitäten begrenzt. Manche Effekte traten nur bei gepulsten Feldern auf. Dies gilt besonders für niederfrequent amplitudenmodulierte Hochfrequenzfelder, wie sie z.b. für das Radar und die Mobilfunk-GSM-Netze benutzt werden. Für solche Felder werden verschiedene Effekte, wie z.b. die Änderung der Signalleitungsgeschwindigkeit im autonomen