Sähkömagneettinen säteily
Sähkömagneettinen säteily eli sähkömagneettiset aallot ovat fotonien eli säteilykvanttien liikkeen aiheuttamia aaltoja. 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.
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.
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.
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:
missä formula_3 on vektoreihin liittyvä differentiaalioperaattori nabla. Tämän operaattorin ja vektorikentän ristitulo merkitsee samaa kuin vektorikentän roottori.
Vektorianalyysin avulla voidaan osoittaa, että mille tahansa vektorikentälle pätee:
Sähkökenttää koskevan yhtälön (1) molemmista puolista voidaan ottaa edelleen roottori seuraavasti:
Soveltamalla tähän yhtälöä (3) saadaan saadaan:
mutta koska tyhjiössä sähkökentän divergenssi formula_7 ja näin ollen myös tämän gradientti ovat nollia, yhtälö lyhenee muotoon
Yhtälön oikeaa puolta voidaan myös muokata seuraavasti:
Yhtälöt (4) ja (5) ovat yhtäpitäviä, joten tästä saadaan sähkökentälle vektoriarvoinen differentiaaliyhtälö
Samaan tapaan saadaan magneettikentälle yhtälö
Nämä yhtälöt ovat muodoltaan samankaltaisia kuin mille tahansa aaltoliikkeelle muodostettava aaltoyhtälö:
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.
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.
Sähkömagneettiseen altoon liittyvän sähkö- ja magneettikentän voimakkuuksien välillä vallitsee yhteys
missä formula_12 on aallon etenemissuuntainen yksikkövektori.
Sähkökentän energiantiheydelle formula_13 on voimassa yleinen lauseke:
missä formula_15 on sähkökentän voimakkuus ja formula_16 yleinen sähkövakio. Vastaavasti magneettikentän energiantiheydelle on voimassa lauseke
missä B on kentän magneettivuon tiheys ja formula_18 magneettivakio.
Edellä mainitusta sähkö- ja magneettikenttien voimakkuuksien välisestä yhteydestä seuraa, että sähkömagneettisessa aallossa on sähkö- ja magneettikenttien energiatiheys yhtä suuri, joten niiden yhteenlaskettu energiantiheys on
Aallon energia etenee aallon mukana valon nopeudella. Säteilyn energiavirta "S", joka tunnetaan myös Poyntingin vektorina , määritellään siten, että pinta-alkion "dA" läpisevä säteilyteho on formula_20. Tämän itseisarvo on sama kuin säteilyn intensiteetti.
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
Sen sijaan ympyräpolaroituneessa aallossa kentillä on koko ajan maksimiarvonsa, jolloin säteilun intensiteetti on
Ympärillämme oleva sähkömagneettinen säteily aiheuttaa kehon pinnan lämpenemistä radiotaajuisilla aalloilla ja kehomme varautumista pienitaajuisilla sähkökentillä. Pienitaajuisten aaltojen varauksita osa tunkeutuu kehomme sisään ja aiheuttaa sähkövirtoja. Osa jää iholle pintavarauksina ja sähkökenttinä.
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 fotosynteesissä, 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 ..
Radioaallot (30–300 GHz) ovat vähäenergistä ionisoimatonta säteilyä. Sen energia riittää liikuttamaan molekyylejä, mutta ei kuitenkaan irrottamaan sen osia, kuten elektroneja, toisin kuin ionisoiva säteily. Altistuessaan suurille määrille radiotaajuista säteilyä, aineet jotka sisältävät vettä, kuten ruoat, nesteet ja solukudokset, voivat lämmetä. Tästä voi seurata palo- tai kudosvammoja. Radioaallot eivät kuitenkaan aiheuta syöpää toisin kuin ionisoiva säteily vahingoittamalla DNA:ta.
Ihmiset voivat altistua sekä luonnollisten, että keinotekoisten lähteiden radioaalloille.
Luonnolliset lähteet:
Keinotekoiset lähteet:
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 .
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.
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]..
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. Sähköyliherkkyyttä ei lääketieteessä määritellä sairaudeksi, mutta sitä pidetään esimerkiksi Ruotsissa työkykya rajoittavana vammana. Sähköyliherkät eivät pysty sanomaan ovatko he sähkömagneettisessa kentässä kun kentän lähde piilotetaan.
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 .
Toisaalta mat­ka­pu­he­lin­ten ja tu­ki­ase­mien sä­tei­ly on erittäin heikkoa. Esimerkiksi tavallisen auringonvalon fotonien energiat ovat noin miljoonakertaisia puhelinten ja tukiasemien säteilyn fotonien energioihin nähden. Fysiikan professori Ta­pio Ala-Nis­si­län ja akatemiaprofessori Ris­to Il­mo­nie­men mukaan tuhansissa korkealaatuisissa tutkimuksissa ei ole löytynyt todisteita minkäänlaisesta vaarasta matkapuhelinten tai tukiasemien säteilystä.
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: