CC BY
79
№ 297
ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
Апрель
2007
ФИЗИКА
УДК: 504.064:537.612
А.Г. Колесник, С.А. Колесник, А.С. Бородин, Е.Л. Шошин, М.А. Федичев
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ФОН ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ ДИАПАЗОНА
ПРОМЫШЛЕНЫХ ЧАСТОТ
Определен спектральный состав вариаций магнитной составляющей электромагнитного фона городской среды обитания и характер его изменчивости в салонах электротранспорта в диапазоне частот от 2 до 200 Гц.
Как показали эпидемиологические исследования, продолжительное пребывание людей в повышенном электромагнитном поле (ЭМП) промышленного диапазона частот приводит к негативным последствиям для здоровья человека. Поскольку источники этих полей, имеющие в основном антропогенное происхождение, крайне разнообразны и сосредоточены, как правило, на урбанизированных территориях, то актуальным является мониторинг ЭМП окружающей среды в местах массового пребывания людей и определение его основных характеристик.
Известно, что линии электропередач, потребители энергии промышленной частоты, а также электротранспорт являются мощными источниками магнитного поля КНЧ диапазона. При этом магнитная индукция (МИ), создаваемая этими источниками, существенно зависит от режима их эксплуатации [1, 2]. Поскольку систематические исследования электромагнитного окружения, создаваемого такими техногенными источниками, только начинаются, представляется актуальным не только оценка эффективных значений магнитной индукции для типичных источников в широких диапазонах частот, но и определение спектральных характеристик генерируемых ими ЭМП. Этот ракурс исследований принципиально важен также с точки зрения различной биологической эффективности влияния ЭМП разных частотных диапазонов на человека [3-5].
Целью данного исследования является определение спектрального состава пространственных и временных вариаций магнитной составляющей электромагнитного фона в диапазоне частот от 2 до 200 Гц, создаваемого совокупностью всех источников на урбанизированной территории.
Аппаратура и методика исследования
Регистрация значений компонент МИ проводилась в различных районах г. Томска и г. Сургута, а также в салонах городского электротранспорта (трамвай и троллейбус).
Пространственные карты электромагнитного загрязнения в диапазоне промышленных частот получены на автоматизированном измерительном комплексе, который состоит из: персонального компьютера, трех тестеров магнитной индукции (ТМИ-01, Центр физического приборостроения ИОФ РАН), выносной платы аналогоцифрового преобразователя (АЦП) (Ь-саМ Е-330, ЗАО «Л-КАРД»), прибора определения местонахождения
(GPS), мобильного персонального компьютера и уникального программного обеспечения. Измерения проводились в движении на автомобиле со скоростью порядка 20 км/ч, привязка к координатам местности осуществлялась с помощью GPS-навигатора. Регистрируемые данные оцифровывались и записывались на жесткий диск компьютера. Период каждого измерения составлял 2 с с интервалом дискретизации 250 мс, после чего по каждой компоненте проводилось спектральное преобразование Фурье и вычислялся модуль магнитной индукции на промышленных частотах.
Для измерения составляющих магнитного поля в салонах электротранспорта использовался аналогичный автоматизированный комплекс, позволяющий регистрировать значения трех ортогональных компонент МИ. Для верификации источника переменных ЭМП в салонах электротранспорта комплекс был оснащен датчиком инфразвукового давления. Аналого-цифровое преобразование данных осуществлялась с частотой дискретизации 400 Гц и разрядностью 12 бит. Оцифрованные данные записывались на магнитный накопитель мобильного компьютера. Полученные непрерывные записи данных, по длительности соответствующие времени измерений (от получаса до трех часов) в том или ином месте, разбивались на последовательности 3-минутных интервалов, по которым проводилось прямое преобразование Фурье для каждой пространственной компоненты вектора магнитного поля, вычислялся амплитудный спектр модуля МИ и оценивались различные статистические характеристики его эмпирических распределений.
Результаты исследования
В результате спектральной отработки было выявлено, что максимальный уровень ЭМП фона находится на частоте 50 Гц и ее кратных гармониках. На рис. 1, 2 представлены карты электромагнитной обстановки южного района г. Томска и центральной территории г. Сургута на этой частоте. Разрядная сетка - клетки по долготе соответствуют 0,5 км и по широте - 0,5 км для г. Томска и 1 км для г. Сургута. Эксперименты показали, что электромагнитное загрязнение имеет крайне неоднородный характер, зависящий от расположения основных источников, при этом уровень магнитной составляющей электромагнитного загрязнения в определенных местах города в тысячи раз превышает уровень естественного фона.
Рис. 1. Карта электромагнитного загрязнения южного района г. Томска
Для анализа полученной карты электромагнитного загрязнения использовались ГИС технологии, было проведено сопоставление полученных данных с картой расположения электрических сетей и трансформаторных подстанций. Обращая внимание на корреляцию изменений магнитного поля с расположением линий передач, следует отметить, что наибольший уровень ЭМП наблюдается под линиями высоковольтных передач, вблизи кабельных сооружений. Этот уровень ЭМП в г. Томске достигает значения по магнитной составляющей 2500 нТл, что соответствует более 800 В/м по электрической составляющей, а в г. Сургуте - более 600 нТл, в некоторых местах до 1000 нТл, что соответствует более 500 В/м по электрической составляющей. Предельно допустимый уровень ЭМП в этом диапазоне частот составляет 500 В/м. Получается, что в большей половине Южного округа г. Томска и только в некоторых местах г. Сургута уровень ЭМП находится за границами предельно допустимых норм. Относительно низкие значения электромагнитного загрязнения г. Сургута обусловлены тем, что силовые коммуникации расположены под землей.
Как и следовало ожидать, амплитудно-частотное распределение среднего значения модуля МИ вблизи (десятки метров) основных источников (линии электропередач, трансформаторы распределительных подстанций, потребители энергии промышленной частоты) характеризуется присутствием трех основных мод на частотах 50, 100 и 150 Гц, с максимумом на основной гармонике, причем в зависимости от характера искажения сигнала возможно различное соотношение амплитуд гармоник (рис. 3). Амплитуда МИ на промышленной частоте в пределах основных транспортных маги-
стралей г. Томска варьирует от единиц до 2500 нТл, что определяется совокупностью известных факторов [1], а амплитуда МИ зависит от присутствия нелинейных преобразователей энергии, нагрузки на силовую сеть и соответственно связана со степенью и характером искажения формы сигнала на частоте 50 Гц. При этом вертикальная компонента, как правило, существенно превышает горизонтальные составляющие МИ.
В отличие от спектрального состава ЭМП окружающей городской среды, амплитудно-частотные характеристики МИ в салонах электротранспорта, работающего на постоянном токе, существенно сложнее. Суперпозиция полей от внешних источников, мимо которых движется транспорт, внутренних, связанных с работой его электромеханических узлов, а также модуляция последних особенностями режимов движения (разгон, торможение) приводят к выраженным аддитивным компонентам в амплитудном спектре вариаций модуля МИ (рис. 4, 5).
Наиболее высокий уровень МИ наблюдается в диапазоне 2-6 Гц с максимумом на частоте порядка 2,6 Гц и резким экспоненциальным спадом уровня к 6 Гц. Кроме того, присутствуют участки, имеющие выраженные моды МИ в диапазонах 29-45, 93-97, 166-170 Гц, а также составляющая промышленной частоты и ее гармоники. Анализ изменчивости спектрального распределения модуля МИ за все время движения по маршруту (рис. 6, где N - номер трехминутного интервала) показал, что максимум значений амплитуд в этих диапазонах изменяется в зависимости от режима работы транспортного средства и местоположения его относительно внешних источников МИ. Вариации МИ в диапазоне частот от 2 до 30 Гц
при этом, по данным кросскорреляционного анализа значно связаны с работой внутренних электромеханиче-данных от магнитных и инфразвуковых датчиков, одно- ских узлов электротранспорта.
Л
Киртбая / 1 / ё ч
режный 1> Чеховг Н и? е СфТЮГвНСК 1 эе шоссе тфсоюзов * V
1 | / - <>» П>; Я нинуэ } X 44^ к**. Быстр и иска нра ^Зр йеЧ п я обеды 1II1 »г! ^ ■ ■ 1
Наб1ф а' ГЩ1- ежныи у, ’ *• , Г! | V " Й льса Пролетарски^ „ ; га я й к <о г X А 9 1 £ £
нТл ■ 600 •Д > 1 *4, 2 £ ¿V Энтузиастов Кон § ^ г 1_ СОМ*) льски» /ГчЧ | /Л ‘I
■ 450 1 300 | 150 0 Т1елик Карамова » I — г
Рис. 2. Карта электромагнитного загрязнения в г. Сургуте
1 2400 2200 -2000 1000 161X1 1400 1200 1000 ООО 600 400 200
г 1
200 Г, Гц,
Рис. 3. Характерный амплитудный спектр модуля МИ окружающей среды вблизи высоковольтных линий электропередач
Рис. 4. Типичное амплитудно-частотное распределение модуля МИ в салоне троллейбуса
Рис. 5. Типичное амплитудно-частотное распределение модуля МИ в салоне трамвая
Рис. 6. Вариации амплитудного спектра модуля МИ в диапазоне 2-6 Гц во время движения троллейбуса
На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы:
1. Спектральная плотность мощности МИ на урбанизированных территориях сосредоточена в основном на промышленной частоте и ее гармониках и изменяется на порядки величины в зависимости от характера источников и их локализации.
2. МИ промышленной частоты в электротранспорте имеет небольшую амплитуду относительно окру-
жающей среды и изменяется, в зависимости от месторасположения в городе, в пределах от десятков до сотен нТл.
3. Спектр вариаций модуля МИ в салоне электротранспорта имеет наиболее выраженную моду в диапазоне от 2 до 6 Гц. В различных режимах работы электротранспорта максимальная амплитуда МИ в этом диапазоне частот изменяется от сотен до тысяч нТл.
ЛИТЕРАТУРА
1. Григорьев Ю.Г., Григорьев О.А., Степанов В.С., Пальцев Ю.П. Электромагнитное загрязнение окружающей среды и здоровье населения
России // Электромагнитное загрязнение окружающей среды и здоровье населения / Под ред. А.К. Демина. М.: Изд-во Российской Ассоциации общественного здоровья, 1997. С. 10-76.
2. Шевель Д.М. Электромагнитная безопасность. К.: ВЕК+; НТИ, 2002. 432 с.
3. Птицина Н.Г., Виллорези Дж., Дорман Л.И. и др. Естественные и техногенные низкочастотные магнитные поля как факторы, потенциально
опасные для здоровья // Успехи физических наук. 1998. Т. 168, № 7. С. 765-791.
4. Гичев Ю.П., Гичев Ю.Ю. Влияние электромагнитных полей на здоровье человека. Аналит. обзор / CO РАН. ГПНТБ. Сер. «Экология».
Вып. 52. Новосибирск, 1999. 90 с.
5. Бородин А.С., Колесник А.Г. Медико-биологические аспекты воздействия электромагнитного фона в диапазоне крайне низких частот // Ре-
гиональный мониторинг атмосферы. Ч. 5: Электромагнитный фон Сибири / Отв. ред. М.В. Кабанов. Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2001. С. 215-262.
Статья представлена научно-редакционным советом журнала, поступила в научную редакцию «Физика» 11 декабря 2006 г., принята к печати 18 декабря 2006 г.
