Sähkömagneettinen säteily

Sähkömagneettinen säteily on energian aaltoina etenevää virtausta tietyn suuruisina pulsseina, joita kutsutaan  säteilykvanteiksi eli fotoneiksi. Sähkömagneettiset aallot muodostuvat nopeasti värähtelevistä sähkö- ja magneettikentistä. Pulssien värähtely tapahtuu säteilyn etenemissuuntaa vastaan kohtisuorasti kaikkiin suuntiin.
Sähkömagneettinen säteily saa alkunsa siitä, että atomi vastaanottaa ulkopuolista energiaa. Tällöin atomi absorboi fotoneja, mikä johtaa atomin virittymiseen eli joku elektroneista hyppää ylemmälle energiakehälle. Tämän jälkeen elektroni hyppää alimmalle vapaalle kehälle luovuttaen säteilyä eli fotoneja. Säteilyn suuruus on sama kuin kehien välinen energiaero. Kvanttiteorian mukaan säteily on kvantittunut eli energian vaihtaminen on mahdollista ainoastaan diskreetteinä pulsseina eli fotoneina. 
Sähkömagneettisten aaltojen aaltoyhtälö voidaan johtaa yleistä sähkömagneettista kenttää kuvaavista Maxwellin yhtälöistä. Sähkömagneettiset aallot kulkevat tyhjiössä taajuudestaan riippumatta vakionopeudella, valonnopeudella, joka on 299 792 458 metriä sekunnissa. 
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

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

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.

Sähkömagneettisen säteilyn terveysriskit

Ympäristön sähkömagneettinen säteily aiheuttaa kehon varautumisen sähkökentillä, mikä aiheuttaa kehonsisäisia sähkövirtoja. Osa sähkömagneettisesta säteilystä läpäisee ihon tunkeutuen syvemmälle elimistöön.
Sähkömagneettinen säteily voi vaurioittaa geenien DNA:ta. DNA-vaikutus on voimakkain ionisoivan säteilyn alueella. Esimerkiksi röntgen- ja gammasäteiden energia on riittävän voimakasta kyetäkseen rikkomaan yksittäisten molekyylien kemiallisia sidoksia. Tämän on todettu aiheuttavan syöpää ja erilaisia välittömiä säteilyvaurioita, jotka voivat esiintyä lievimmissä tapauksissa pelkkänä ihon punoituksena.
Myös auringonvalon ja loiste- sekä halogeenivalaisinten ultraviolettisäteily aiheuttaa DNA-vaurioita, jotka johtavat ihon rypistymiseen vuosikymmenten saatossa ja toisinaan myös ihosyöpään. Sen sijaan näkyvästä valosta irtoavien fotonien energia riittää vain poikkeustapauksissa rikkomaan kemiallisia sidoksia, minkä vuoksi se aiheuttaa ongelmia lähinnä vain erittäin harvinaisesta näkyvän valon allergiasta kärsiville. 
Säteily voi heikentää ihmisen immuunipuolustusta, kuten UVB-säteily tekee ja esimerkiksi liiallinen lämpö- eli infrapunasäteily voi aiheuttaa palovamman.
Monien eläinpopulaatioiden huomattava supistuminen nimenomaan 2000-luvulla on lisännyt tutkimusta myös ympäristön sähkömagneettisen säteilysaasteen vaikutuksista maapallon eliöihin. Lancet Planetary Health -tiedelehdessä vuonna 2018 julkaistun artikkelin mukaan mobiililaajakaistayhteyksissä laajasti käytetyllä 1 GHz:n alueella mikroaaltosäteilyn määrä on 2010-luvulla noussut peräti 10¹⁸ -kertaiseksi luonnon taustasäteilyyn verrattuna, ja se on ilmeisesti kaikkein nopeimmin kasvava ihmisen aiheuttama ympäristövaikutus. Tutkijoiden mukaan on jo uskottavaa näyttöä siitä, että hyönteisten määrän jyrkkä väheneminen on yhteydessä ihmisen aiheuttamaan sähkömagneettisen säteilyn lisääntymiseen ja sen aiheuttamiin vaikutuksiin, joita ovat muun muassa DNA-vauriot.
Sähkömagneettisten kenttien tunnetut haittavaikutukset, kuten hermostimulaatio tai kudosten lämpeneminen, esiintyvät vasta, kun sähkökentän voimakkuus tai tehotiheys ylittää tietyn kynnystason, eivätkä ne määräydy suoraviivaisesti ajan kuluessa kumuloituvasta annoksesta. Koska altistumisen seuraukset riippuvat myös siitä kuinka kauan altistuminen kestää, myös aika on tekijä, joka on otettava huomioon arvioitaessa altistumista pitkällä aikavälillä. Yleisesti altistuminen on kuvattava niin, että esitetään altistumisen voimakkuutta, vaihtelua ja kestoa kuvaavia tunnuslukuja.

Voimajohdot

Voimajohdoissa korkea jännite aiheuttaa sähkökentän ja sähkövirta magneettikentän johdon ympärille. Sähkökentän tunkeutumista tehokkaasti vaimentavia tekijöitä ovat puut, muu kasvillisuus ja rakennukset. Virran aiheuttama magneettikenttä ei juuri vaimennu ympärillä olevista rakennuksista tai kasvillisuudesta. Eräissä väestötutkimuksissa on havaittu, että voimajohtojen lähellä asuvilla lapsilla on hieman kohonnut riski sairastua leukemiaan, kun magneettivuon tiheys on yli 0,4µT. 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. Voimajohdoissa olevat jännitteet pysyvät vakioina kuormituksesta huolimatta, jolloin sähkökentän voimakkuus on lähes vakio tilanteesta riippumatta. Virran aiheuttaman magneettikentän voimakkuus vaihtelee kuormituksen mukana. Magneettivuo on 400kV johdon alla noin 22µT ja 100m päässä johdosta alle 0,4µT. Edelliset vuontiheydet ovat johtojen maksimivirtojen mukaisesti laskettuja, joten todellisuudessa vuontiheys on lähes aina pienempi.

Altistus työpaikoilla

Toisin kuin ionisoivalle säteilylle altistuvat työntekijät, ionisoimattomalle sähkömagneettiselle säteilylle altistuvat työntekijät eivät aina huomaa altistusta työssään. Sähkö- ja magneettikentät voivat myös häiritä sydäntahdistimen ja muiden lääkinnällisten implanttien toimintaa. Vain harvoissa työpaikoissa asiaan kiinnitetään huomiota, sillä sähkömagneettisia säteilylähteitä on muutenkin kaikkialla ympäristössämme. Radiotaajuisten sähkömagneettisten kenttien tietyille taajuusalueille on lainsäädännössä annettu enimmäisarvot, joita pitää noudattaa valvotuissa olosuhteissa, esimerkiksi työpaikoilla.  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].