PIENTAAJUISTEN SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTTIEN VAIKUTUKSET

Transkriptio

1 ELEC-E Sähkömagneettisten kenttien ja optisen säteilyn biologiset vaikutukset ja mittaukset Syksy 2016 PIENTAAJUISTEN SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTTIEN VAIKUTUKSET Lauri Puranen Säteilyturvakeskus Ionisoimattoman säteilyn valvonta SÄTEILYTURVAKESKUS STRÅLSÄKERHETSCENTRALEN RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY

2 Sisältö staattisten kenttien vaikutukset pientaajuisten kenttien vaikutukset stimulaatio magnetofosfeenit kipinäpurkaukset pientaajuisten kenttien epäillyt vaikutukset lasten leukemia heikkojen kenttien mahdollisia vaikutusmekanismeja biologisten vaikutusten tutkimus RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 2

3 Staattisen sähkökentän vaikutukset Vahva staattinen sähkökenttä (yli 10 kv/m) nostaa ihokarvat ja hiukset pystyyn sekä tuntuu kutinana iholla. Staattinen sähkö aiheuttaa kipinäpurkauksia. Keinotekoiset vahvat staattiset sähkökentät ovat harvinaisia. Luonnossa ukkospilven alla voi olla yli 10 kv/m staattinen sähkökenttä, johon liittyy salamaniskun vaara. SÄTEILYTURVAKESKUS STRÅLSÄKERHETSCENTRALEN RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY /LP 3

4 Staattisen magneettikentän vaikutukset Magneettinen induktio Virtaavaan vereen indusoituu sähkökenttiä ja virtoja, joiden vaikutukset sydämen toimintaan ja rytmiin eivät ole todennäköisiä alle 8 T staattisissa magneettikentissä. Kehon normaali liike indusoi kehoon 2-3 T staattisessa magneettikentässä sähkökenttiä ja -virtoja, jotka voivat aiheuttaa huimausta, pahoinvointia ja silmien verkkokalvolle magnetofosfeeneja. Magnetomekaaniset vaikutukset Ihmisen kudokset ovat diamagneettisia tai paramagneettisia ja reagoivat siten hyvin vähän alle 8 T staattiseen magneettikenttään. Elektronien spinien vuorovaikutus Ns. radikaaliparimekanismin biologinen merkitys ei ole selvä. Oletetaan, että linnut hyödyntävät kyseistä mekanismia ja maan magneettikenttää suunnistamiseen. SÄTEILYTURVAKESKUS STRÅLSÄKERHETSCENTRALEN RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY /LP 4

5 Pientaajuisten kenttien aiheuttama sähköinen stimulaatio (1/2) Stimuloituvissa soluissa on jänniteherkkiä ionikanavia hermosolut monet aistinsolut lihassolut Stimuloituvan solun kalvossa on jänniteherkkiä natrium-ioni (Na + ) ja kaliumioni (K + ) -kanavia Solun ulkopuolisessa nesteessä on noin 10-kertainen määrä Na + -ioneja kuin solun sisällä, K + -ionien pitoisuus on päinvastainen Lepotilassa solun sisäpuolella on -70 mv jännite ulkopintaan nähden. Solukalvo stimuloituu, kun kalvon yli indusoituu depolarisoiva yli 20 mv jännite, joka kestää yli 1 ms ajan. Na + -kanavat aukeavat ja Na + -ioneja virtaa solun sisään, jännite nousee -70 mv:sta + 30 mv:iin (depolarisaatio). Na + -kanavat sulkeutuvat ja K + -kanavat avautuvat, jolloin K + -ionien ulosvirtaus palauttaa -70 mv lepojännitteen (repolarisaatio). Lopuksi aktiivinen Na + -K + ionipumppu palauttaa ionit alkutilanteeseen. Stimulaatio tapahtuu 1 ms aikana. RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 5

6 Pientaajuisten kenttien aiheuttama sähköinen stimulaatio (2/2) Depolarisaatio aiheuttaa pitkittäisiä virtoja, jotka ärsyttävät viereistä kalvon osaa. Depolarisaatio etenee noin 1 ms pulssina hermosolujen aksonissa m/s nopeudella. Myeliinipeite nopeuttaa etenemistä (ärsyke hyppää seuraavaan Ranvierin solmuun, jossa on pieni kapasitanssi). RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 6

7 puoliläpäisevä solukalvo soluväliaine Nernstin yhtälö K + K + K + K + K + solulima K + K + K + K + K + K + K + K + K K mv U m kemiallinen sähköinen gradientti U m ci 61 ln( ) [mv] (37 c o C) e c i = ionien konsentraatio solulimassa c e =ionien konsentraatio soluväliaineessa RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 7

8 Hermosolun rakenne sooma dendriittejä aksoni (< 1 mm 1 m) päätehaarakkeita RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 8

9 Myeliinipeitteisen hermosolun rakenne sooma I I myeliinituppi Depolarisoitunut solmu RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 9

10 Virtapulssi laukaisee hermoimpulssin RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 10

11 Hermoimpulssin eteneminen aksonissa RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 11

12 Myeliinipeitteisen aksonin sähköinen malli SENN (Spatially Extended Non-linear Node) -malli RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 12

13 Aktiopotentiaalin syntyminen myeeliinipeitteisessä aksonissa Indusoituva sähkökenttä aiheuttaa jännitteen U i peräkkäisten Ranvierin solmujen välille Jännite U i aiheuttaa aksonin sisälle solmujen välisen virran I i Aktiopotentiaali syntyy, kun solmun kalvon vuotokonduktanssin G m kautta kulkeva virta aiheuttaa mv jännitteen Homogeenisessa kentässä G m :n yli vaikuttava jännite on pieni Aktiopotentiaali voi syntyä vain aksonin päässä tai taitoskohdassa SÄTEILYTURVAKESKUS STRÅLSÄKERHETSCENTRALEN RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY /LP 13

14 Myeeliinipeitteettömien hermosolujen stimulaatio Sähkökentän suuntaiseen hermosoluun indusoituva jännite on solun päissä E i L 2, L on solun pituus ja E i sähkökentän voimakkuus. Toinen pää depolarisoituu ja toinen repolarisoituu. Aktiopotentiaali syntyy depolarisoituvassa päässä, jos jännitteen muutos on mv. Jos sähkökenttä on kohtisuorassa pitkulaiseen hermosoluun nähden, stimulaatiokynnys on paljon korkeampi. Malli toimii alle 1 cm pituisilla hermosoluilla. Pidemmillä hermosoluilla vuotovirrat pienentävät kalvojännitettä. RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 14

15 Stimulaatiokynnys pulssin keston funktiona Stimulaation kannalta soluun indusoituvan sähkökentän tai virrantiheyden huippuarvo on merkittävämpi kuin tehollisarvo. Malleissa käytetään yleensä virrantiheyttä, joka riippuu sähkökentästä yhtälön J = σ E mukaisesti (σ = 0,2 S/m) Sähköisen stimulaation kynnysarvon J T riippuvuutta pulssin kestosta voidaan kuvata seuraavilla yhtälöillä: J T J 1 e 0 t e e 1 t RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 15 J T J 0 = asymptoottinen kynnysarvo pitkillä pulsseilla SENN-mallin mukainen J 0 = 2 A/m 2 eli E 0 = 10 V/m e = empiirinen aikavakio, hermosoluilla s Lyhyillä pulsseilla Pitkillä pulsseilla J T Lapicquen yhtälö J 0 e t Weissin yhtälö J 0 J T J 0 (t << e ) (t > e )

16 Stimulaatiokynnys pulssinkeston funktiona J 1 K DB db dt 10 V/m ICNIRP 1998 ammatillinen altistus K DB =15,6 Tm 2 A -1 s -1 J = σ E σ = 0,2 S/m 0,07 V/m RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 16

17 Stimulaatiokynnys taajuuden funktiona J T J 0 1 f f c 2 10 V/m ICNIRP 1998 ammatillinen altistus f c = empiirinen rajataajuus, tuntohermoilla Hz 0,07 V/m RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 17

18 Aaltomuodon vaikutus Hitaasti muuttuvilla aaltomuodoilla stimulaatiokynnys riippuu hetkellisen sähkökentän huippuarvosta eikä riipu pulssimuodosta Nopeasti muuttuvilla aaltomuodoilla solukalvo toimii integraattorina ja stimulaatiokynnys riippuu pulssin energiasta ja aaltomuodosta. Hermosolujen stimulaatiokynnys on pienimmillään noin 3 V/m sisäisen sähkökentän huippuarvona tai 0,6 A/m 2 virrantiheyden huippuarvona. RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 18

19 Stimulaatio vs. lämpeneminen Lihakset, mukaan lukien sydänlihas, ovat hermokudosta hitaampia stimuloitumaan. RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 19

20 Synapsin toiminta Synapsit liittävät hermosolut toisiinsa, aistinsoluihin ja kehon ääreisosien pääteelimiin. Synapseissa impulssit kulkevat välittäjäaineiden avulla, ei sähköisesti. Synapsit voivat muodostaa verkoston (esim. verkkokalvo). RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 20

21 Synapseja liikehermon soomassa RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 21

22 Magnetofosfeenit Epämääräisiä välähteleviä valoilmiöitä verkkokalvolla alle 100 Hz magneettikentässä Verkkokalvo on osa keskushermostoa, jossa hermosolut muodostavat synapsien välityksellä monimutkaisen hermoverkon. Fosfeenikynnys magneettivuon tiheytenä taajuuden funktiona Sähkökentän vaikutus hermosoluun vahvistuu synapseissa RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 22

23 Magnetofosfeenien kynnys magneettivuon tiheyden muutosnopeuden funktiona Fosfeenikynnys J = 10 ma/m 2 E i = 0,05 0,1 V/m Taajuudella 20 Hz RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 23

24 Kipinäpurkaus sähköinen sijaiskytkentä C s = renkaiden ja maan välinen kapasitanssi R t = renkaiden ja maan välinen resistanssi R g = sormen ja kappaleen välisen kontaktin resistanssi R b = kehon resistanssi RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 24

25 Virrat ja jännitteet kipinäpurkauksessa Aika (s) RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 25

26 Kipinäpurkauksen vaiheet Homogeeninen sähkökenttä (huippuarvo E 0 ) varaa maasta eristetyn kappaleen (tehollinen korkeus = h eff ) jännitteeseen U 0 U h 0 eff E 0 Kappaleeseen kosketettaessa varaus purkautuu kehon kautta maahan purkausvastuksen R =R g +R b kautta R g = sormen ja kappaleen välisen kontaktin resistanssi R b = kehon resistanssi Purkausvirta I c ' U R 0 e t U C ' a 0 U0 Ca Cs Purkauksen aikavakio = R(C a +C s ) Kosketusjännitteen ollessa yli 500 V muodostuu kipinä R g = 100 Purkauksen aikana U ja I pienenevät eksponentiaalisesti Kun U < 500 V, I on pieni, mutta kasvaa sormen koskettaessa kappaletta Jatkuvan kontaktivirran huippuarvo I c = j(c a +C s )U 0 SÄTEILYTURVAKESKUS STRÅLSÄKERHETSCENTRALEN RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY /LP 26

27 Kudoksen sisäisen pientaajuisen sähkökentän biofysikaalisia vaikutuksia 0,07 3) 1,1 4) 3) Keskushermosto, 4) Ääreishermosto RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 27

28 Pientaajuisten magneettikenttien epäiltyjä vaikutuksia Epidemiologisten tutkimusten yhteenvedon perusteella arvioidaan, että lasten sairastumisriski leukemiaan kaksinkertaistuu, kun keskimääräinen magneettivuon tiheys asunnossa on pitkäaikaisesti yli 0,4 µt. Voimajohtojen lähellä vallitsevien magneettikenttien ja asuvien lasten määrän perusteella voidaan arvioida, että voimajohdot aiheuttaisivat alle 1 % lasten leukemioista. Leukemia on lasten yleisin syöpä, ja siihen sairastuu vuosittain alle 15-vuotiasta. Vuorovaikutusmekanismia ei tunneta eivätkä laboratorioolosuhteissa tehtyjen solu- ja eläinkokeiden tulokset tue väitettä. Kansainvälinen syöväntutkimuslaitos IARC on luokitellut pientaajuiset magneettikentät mahdollisesti syöpää aiheuttaviksi (2B-luokka). Pientaajuisiin sähkökenttiin ei liity vastaavia epäilyjä. SÄTEILYTURVAKESKUS STRÅLSÄKERHETSCENTRALEN RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY /LP 28

29 400 kv voimajohdon sähkö- ja magneettikentät RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 29

30 Lasten suhteellinen leukemiavaara eri magneettikenttäluokissa (Ahlbom ym. 2000) RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 30

31 Lasten suhteellinen leukemiavaara eri magneettikenttäluokissa (Greenland yms. 2000) RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 31

32 ALTISTEEN JA SAIRAUDEN VÄLILLÄ HAVAITTU YHTEYS Sattuma? Virhe tutkimusasetelmassa? Sekoittava tekijä? Tutkittava altiste? KOKONAISARVIO HAVAITUN YHTEYDEN MERKITYKSESTÄ RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 32

33 Sähköyliherkkyys RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 33

34 Sähköyliherkkyys (WHO fact sheet) Sähköyliherkillä henkilöillä on monenlaisia epämääräisiä oireita, jotka ovat erilaisia eri henkilöillä ja jotka he yhdistävät altistumiseen SM-kentille: Iho-oireita (punoitus, pistelevät ja polttavat tuntemukset) Hermostollisia oireita (heikotus, väsymys, keskittymisvaikeudet, huimaus, pahoinvointi, sydämentykytys, ruoansulatushäiriöt) Sähköyliherkkyys muistuttaa monikemikaaliherkkyyttä. Sähköyliherkkyys voi olla hyvinkin invalidisoiva. Sähköyliherkkyys ei ole lääketieteellinen diagnoosi. Asianmukaisesti valvotut ja tehdyt kaksoissokkotutkimukset ovat osoittaneet, että oireet eivät korreloi SMkenttäaltistumisen kanssa. SÄTEILYTURVAKESKUS STRÅLSÄKERHETSCENTRALEN RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY /LP 34

35 Molekyylitason vaikutusmekanismeja Vaikutuksia voidaan arvioida vertaamalla fotonin energiaa molekyylien sidosenergioihin- Pien- ja radiotaajuusalueella fotonin energia on niin pieni, että se ei pysty hajottamaan heikkojakaan sidoksia. Fotonin energiaa voidaan verrata organismissa olevaan keskimääräiseen lämpöenergiaan W ave. W ave = 0,027 ev lämpötilassa 37 C >> fotonin energia = 3,7 V taajuudella 900 MHz > fotonin energia alle 100 khz taajuuksilla Realistisilla altistumistasoilla kentän vaikutukset molekyyleihin ovat häviävän pieniä verrattuna taustalämpötilan aiheuttamaan liikkeeseen. Pientaajuinen sähkökenttä ei kykene kiihdyttämään ioneja sellaiselle energiatasolle, että se vaikuttaisi kemiallisiin sidoksiin. RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 35

36 Lämpökohinajännite lämpökohinajännitteen U n vertailu ulkoisen kentän indusoimaan jännitteeseen U i ja lepopotentiaaliin U r (=- 70 mv) pallomaisella solulla (Weaver ja Astumian 1990) kohisevan vastuksen jännite U n 4R m ktf R m rmd 4r m 2 solukalvon kokonaisresistanssi r m = 1 Mm = solukalvon resistiivisyys f 1 4R m C m kohinakaistanleveys RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 36

37 Lämpökohinajännite C m 2 r, m 04r r, m 3 d m kalvon kokonaiskapasitanssi kehon lämpötilassa kt= 4,3 x J Kohinakaista f=9,5 khz ja C m = 6,67 pf Kohinajännite U n = 25 V Magnetofosfeeneja voi syntyä alle 50 Hz taajuuksilla, kun kudoksen sisäisen sähkökentän voimakkuus on E e = 0,1 V/m Sähkökentän E e aiheuttama maksimijännite solukalvolla U 5rE i, m 1, e U i,m = 1,5 V << U n =25 V kohinajännite Magnetofosfeenin aiheuttava jännite solukalvolla on paljon pienempi kuin lämpökohinan aiheuttama jännite. RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 37

38 Sähkömagneettisten kenttien biologisten vaikutusten tutkimus Soluviljelmiä altistamalla saadaan tietoa biologisista, biokemiallisista ja biofysikaalisista mekanismeista. Solukokeet eivät anna kuitenkaan tietoa terveydellisistä haittavaikutuksista. Eläinkokeilla saatu toistettava syöpähavainto viittaa siihen, että vastaavanlainen altistuminen voi olla myös ihmiselle haitallinen. Vapaaehtoisilla koehenkilöillä voidaan tehdä testejä akuuteista vaikutuksista käyttämällä fysiologisia tai psykologisia mittareita. Pitkällä aikavälillä ilmeneviä vaikutuksia tutkitaan tilastollisesti selvittämällä altistumisen ja vaikutuksen välisiä yhteyksiä väestössä (epidemiologiset tutkimukset). Keskeisimpiä tutkimuskohteita heikkojen kenttien biologiset vaikutukset ja terveyshaitat. RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 38

39 Yhteenveto pientaajuisten kenttien vaikutuksista Varmistettuja vaikutuksia ovat: voimakkaiden kenttien aiheuttamat hermo- ja lihasärsytykset päähän kohdistuvan voimakkaan magneettikentän aiheuttamat magnetofosfeenit eli valon välähdykset näkökentän reunoilla voimakkaassa sähkökentässä ihokarvojen ja vaatteiden liikkumisesta aiheutuva kutina ja ärsytys voimakkaassa sähkökentässä maasta eristettyyn kappaleeseen koskettamisesta aiheutuvat kipinäpurkaukset Epäilty vaikutus on lasten leukemiariskin lievä kasvu pitkäaikaisessa altistumisessa pientaajuiselle 50 Hz magneettikentälle, jonka keskimääräinen vuontiheys > 0,4 T. Heikkojen kenttien vaikutusmekanismeista on esitetty erilaisia olettamuksia, joita ei ole voitu kokeellisesti todistaa. Heikkojen kenttien biologisten vaikutusten tutkimus jatkuu. RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 39