Physik

Physikalische Eigenschaften von Feldern und Wellen

Einführung in die Ursachen der biologischen Wirksamkeit von Feldern und Wellen

Bei der Betrachtung der Auswirkungen von Feldern und elektromagnetischen Wellen auf biologische Systeme muss zwischen statischen, niederfrequenten und hochfrequenten Feldern unterschieden werden, da auf Grund unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften im Körper differente Wirkungen erzielt werden.
Um die Wirkungen physikalischer Felder auf die Biologie besser verstehen zu können, ist die Kenntnis der physikalischen Eigenschaften von Feldern und Wellen eine wesentliche Voraussetzung.

Die Gesamtheit aller physikalischen Felder bezeichnet man als das Elektromagnetische Spektrum. Es reicht von 0 Hertz (Hz) bis 1024 Hz. Man unterscheidet zwischen nicht-ionisierender (= NIS) und ionisierender Strahlung (= IS).

Die Nicht-Ionisierende Strahlung – NIS – beinhaltet folgende Felder:

Die Frequenz einer elektromagnetischen Welle ist einfach die Anzahl der Schwingungen, die einen festen Punkt in einer Zeiteinheit passieren. Sie wird in Perioden pro Sekunde, in Hertz gemessen. Eine vollständige Schwingung, Periode pro Sekunde, ist gleich ein Hertz (Hz). Größere Einheiten zur Beschreibung Wellen sind: Kilohertz (kHz) = eintausend Perioden pro Sekunde, Megahertz (MHz) = 1 Million Perioden pro Sekunde; und Gigahertz (GHz) = 1 Milliarde Perioden pro Sekunde.

Nichtionisierende Strahlung beschreibt denjenigen Teil des elektromagnetischen Spektrums, dessen Photonenenergie zu schwach ist, um atomare Bindungen aufzubrechen. Dazu zählen u.a. die langwelligen Anteile der UV-Strahlung, sichtbares Licht, Infrarotstrahlen, alle Mikrowellenfelder, ELF-Felder (50 Hz und 16 ⅔ Hz-Felder) sowie elektro- und magnetostatische Felder.

Die Ionisierende Strahlung – IS – beinhaltet die Radioaktivität:

Ionisierende Strahlung beschreibt die extrem hochfrequente elektromagnetische Strahlung ab 1015Hz (UV-Licht, Röntgen-, Gamma- und Höhenstrahlung), deren Energie groß genug ist, um ein Ablösen einzelner Elektronen von einem Atom zu bewirken. Es entstehen positive und negative elektrisch geladene Atome oder Molekülteilchen. Die atomaren Bindungen der Zellmoleküle werden aufgebrochen; diesen Vorgang nennt man Ionisation.

Felder und Wellen – Charakterisierung

Elektromagnetische Felder und Wellen sind durch ihre Wellenlänge und Frequenz charakterisiert. Diese beiden Parameter bestimmen zusammen welchen Einfluss das entsprechende Feld auf ein biologisches System hat.
Da sich elektrische und magnetische Felder wie auch HF-Felder mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, kann man die Distanz berechnen, die eine Welle zwischen zwei Zeitpunkten zurücklegt. Die Wellenlänge von 1 Hz entspricht daher ca. 300.000 km. Die Wellenlänge von 50 Hz Wechselstrom ca. 6.000 km und die Wellenlänge der Mobilfunk-Frequenz von 900 MHz ca. 32 cm und von 1.8 GHz ca. 16 cm.
Statische und niederfrequente Felder werden jeweils in elektrische und magnetische Felder aufgeteilt, denn beide Felder können getrennt voneinander auftreten; physikalisch gesprochen, sie sind ungekoppelt.
Felder mit sehr hohen Frequenzen (oberhalb 30 – 100 kHz) werden als elektromagnetische Wellen oder Strahlungen bezeichnet. Beide Felder sind physikalisch miteinander – untrennbar – verbunden, man spricht von gekoppelten Feldern.

Statische Felder

Elektrostatische Felder – werden auch als elektrische Gleichfelder bezeichnet – sie dringen nicht in den Körper ein, und haben deshalb keine primäre Wirkung, sind aber körperlich wahrnehmbar, z. B. durch elektrische Entladung. Sekundäre Auswirkungen in Form von Staubverfrachtungen und Großionenbildung können aber sehr wohl gesundheitliche Probleme hervorrufen.
Magnetostatische Felder – werden auch als magnetische Gleichfelder bezeichnet – haben eine primäre Wirkung. Sie durchfluten den Körper vollständig ohne dabei gedämpft zu werden. Statische Magnetfelder induzieren im Körper bei freien Ladungsträgern eine Spannung und in Folge entstehen Ströme.

Niederfrequente Felder

Extrem niederfrequente elektrische und magnetische Felder (ELF) wirken primär auf biologische Systeme durch Influenz und Induktion elektrischer Ladungen und Ströme. Ein weiterer Wirkmechanismus ist die Einkoppelung von ELF-Felder in den Körper.
Ein niederfrequentes elektrisches Feld entsteht, sobald eine Spannung an einem Leiter anliegt, unabhängig davon, ob gerade Strom fließt. Ein solches elektrisches Feld dringt nicht in den menschlichen Organismus ein. Aber, durch das Anliegen eines Wechselfeldes am Körper schwingen alle frei beweglichen Ladungsträger im Körper im Rhythmus des anliegenden Wechselfeldes mit. Das Ergebnis ist das Entstehen eines Verschiebungsstromes im Körper. Die entscheidende biologische Größe ist hier die Änderung der Stromdichte im Körper. Die Körperstromdichte ändert sich dabei im Bereich von µA/m2.
Ein niederfrequentes magnetisches Feld entsteht, sobald Strom fließt. Es dringt ohne nennenswerte Abschwächung in den menschlichen Organismus ein und führt zu einer Wirbelstrombildung. Je höher die Frequenz umso größer die Wirbelstrombildung im Körper. Der induzierte Strom ist proportional zur Frequenz, gemessen wird die auftretende Flussdichte in T (= Tesla) bzw. ihren kleineren Untereinheiten (z.B. nT). Die biologische Wirkung erklärt sich wieder aus der daraus resultierenden Veränderung der Körperstromdichte (µA/m2).

Hochfrequente Wellen

Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Frequenz. Elektromagnetische Strahlung kann die Elektronen eines Atoms in einen höheren energetischen Zustand versetzen. Die Wellen des nicht-ionisierenden Spektrums (NIS) haben keine ausreichende Energie, unser Gewebe zu ionisieren. Der Übergang zur ionisierenden Strahlung liegt im UV-Bereich bei ca. 200 Nanometer, entspricht einer Frequenz von 200 PHz (Petahertz).
Elektromagnetische Wellen des Mobilfunk-Bereiches können keine Ionisierung in einem biologischen System hervorrufen. Doch es hat sich gezeigt, dass NIS andere biologische Effekte bewirkt.
Welchen Einfluss elektromagnetische Wellen auf biologische Systeme haben, wird von verschiedenen Faktoren bestimmt. Die thermischen Effekte, die Erwärmung des Gewebes, wird ausschließlich von der Intensität eines Feldes und der Wellenlänge bestimmt. Dagegen werden die athermischen Effekte von Frequenz, Modulationsart, Signalform, Frequenzbandbreite, Signalanstiegsgeschwindigkeit und der Polarisation bewirkt.
Bei hohen Feldstärken im Bereich der Mobilfunk-Frequenzen kommt es zur Wärmebildung im Gewebe, während bei geringen und geringsten Feldstärken vorwiegend athermische Effekte in Biosystemen ausgelöst werden.
Technische, hochfrequente Felder dominieren heute das elektromagnetische Spektrum! Sie dominieren den Frequenzbereich von 20 kHz bis 10 GHz, wobei eine Ausdehnung auf 45 GHz und 60 GHz in Indoor Bereich geplant ist.
Häufig vorkommende Quellen von HF-Feldern sind u. a. Monitore und Bildschirmgeräte (3 – 30 kHz), Rundfunk (30 kHz – 300 MHz). industrielle Induktionsheizgeräte (0,3 – 3 MHz), HF-Folienschweißgeräte, medizinische Kurzwellendiathermie (3 – 30 MHz), Mobiltelefone, Fernsehemissionen, Mikrowellenherde, medizinische Mikrowellendiathermie (0,3 – 5 GHz), Radar (1-100 GHz), Mikrowellen-Kommunikationssysteme (0,4 – 50 GHz).
Und letztendlich spielen Resonanzeffekte noch eine Rolle. Welcher Faktor welche Bedeutung im biologischen „Konzert“ spielt, ist bis heute nur sehr unzureichend erforscht!

Auch bei nur sehr geringen Mengen von HF-Energie entsteht ein bestimmtes Quantum an Wärme, das jedoch durch die normale Thermoregulierung des Körpers abgeführt wird, ohne dass die betreffende Person sich dessen bewusst ist. Ein anderer Teil führt zu der so genannten athermischen Wirkung, die sich vor allem in Membraneffekten (Mineral-Austausch-Störungen), Enzyminduktionsstörungen und der Störung chronobiologischer Regelkreise – Veränderungen der neuronalen Signalform – und einer langsamen Immunsuppression ausdrückt.

Zusammenfassung:

NF-Felder bis 1 kHz wirken ausschließlich durch Kraftwirkung auf Ladungsträger, bei NF-Felder zwischen 1 und 30 kHz überwiegend durch ihre Wirkung auf Ladungsträger. NF-Felder unter 30 kHz führen zu keiner signifikanten thermischen Reaktion im Gewebe. Sie bewirken, vielmehr eine Induktion elektrischer Ströme im Körper, die als Stromdichte in Ampere pro Quadratmeter (A/m2.) erfasst werden. Die Stromdichte ist hier die grundlegende dosimetrische Größe für NF-Felder mit Frequenz von unter 30 kHz.

Induzierte Stromdichten von über 100 mA/m2 können die Vitalfunktion des Körpers beeinträchtigen. Die Langzeitauswirkungen schwacher (< 10 mA/m2), schwächster (< 1 mA/m2) und ultraschwacher (µW/m2) technisch induzierter Körperströme sind wissenschaftlich bisher nur mangelhaft untersucht, und so sind nur empirische Erfahrungen aus Bau- und Elektro-Biologie über die Auswirkungen bekannt. Es ist aber ein Trugschluss der Wissenschaft zu glauben, dass Störungen der Körperstromdichte im µA/m2 Bereich keine biologischen Auswirkungen haben.

HF-Felder zwischen 1 MHz und 10 GHz dringen ins Gewebe ein und erwärmen diese durch Energieabsorption. Wie tief die HF-Strahlung in das Gewebe eindringt, hängt von der Frequenz und dem Körpergewebe ab. Bei niedrigen Frequenzen ist die Eindringtiefe umso größer.
Die Energieabsorption durch HF Felder im Gewebe wird als spezifische Absorptionsrate (SAR) innerhalb einer bestimmten Gewebemasse bestimmt. Die Einheit für die spezifische Absorptionsrate ist Watt pro Kilogramm (W/kg). SAR ist die physikalische Größe für absorbierte HF-Strahlung zwischen etwa 1 MHz und 10 GHz.

Um bei Personen, die HF-Feldern in diesem Frequenzbereich ausgesetzt sind, thermische Auswirkungen hervorzurufen, ist eine spezifische Absorptionsrate von mindestens 4 W/kg erforderlich. Solche Energiedichten treten im Bereich von wenigen Dutzend Metern um leistungsstarke Sendeanlagen auf. Diese Bereiche sind für Menschen unzugänglich.
Die häufigsten thermischen Auswirkungen, die im Bereich zwischen 1 MHz und 10 GHz entstehen, gehen von den Handys und Schnurlostelefonen der mobilen Kommunikation aus und können durchaus zu einer lokalen Erhöhung der Gewebetemperatur um mehr als 1 Grad Celsius führen. Die athermischen Wirkungen treten dabei scheinbar in den Hintergrund, weil sie als Langzeitfolgen erst sehr viel später auftreten.
Die Felder der Mobil-Kommunikation führen im Gewebe aber auch, wenn auch zu einer sehr geringen Veränderungen der Körperströme. Die körpereigene Stromdichte von etwa 10 mA/m2 wird dadurch beeinflusst und muss vom Körper ausgeglichen werden.

HF Felder über 10 GHz werden an der Hautoberfläche weitgehend absorbiert, wobei nur ein sehr geringer Teil der Energie in das darunter liegende Gewebe eindringt. Es ist aber ein weiterer Trugschluss zu glauben, dass der nicht resorbierte Teil der Strahlung (0,5 -3 %) biologisch vernachlässigt werden kann.
Die biologisch wichtige Größe für HF-Felder über 10 MHz ist die Intensität des Feldes gemessen als Leistungsdichte in Watt pro Quadratmeter (W/m2) bzw. für schwache Felder in Milliwatt pro Quadratmeter (mW/m2) oder in Mikrowatt pro Quadratmeter (W/m2).

Elektromagnetische Interferenzen und andere Wirkungen

Mobil-Telefone können wie viele andere elektronische Geräte des täglichen Gebrauchs elektromagnetische Interferenzen in anderen Elektrogeräten erzeugen. Aus diesem Grund ist beim Umgang mit Mobiltelefonen in der Umgebung empfindlicher elektromedizinischer Geräte, wie sie auf Intensivstationen von Krankenhäusern zum Einsatz kommen, große Vorsicht geboten. Mobiltelefone können in seltenen Fällen auch bei anderen medizinischen Apparaten wie Herzschrittmachern oder Hörgeräten Störungen verursachen. Den Benutzern solcher Geräte wird empfohlen, ihren behandelnden Arzt zu konsultieren, um die Empfindlichkeit des Produktes auf HF abzuklären. Die digitale Pulsung ist eine Signalform, die in dieser Art nicht in der Natur vorkommt!

Ein Vergleich der natürlichen und künstlichen Strahlungsintensität im Frequenzbereich 300 kHz bis 300 GHz:
Im Frequenzbereich von 300 kHz bis 300 GHz weisen die natürlichen HF-Quellen nur eine sehr geringe Leistungsdichte auf. So beträgt etwa die natürliche HF-Intensität in diesem Bereich nur ca. 10-12 W/m2 (Billionstel Watt pro Quadratmeter).
Die technischen HF-Quellen, im Frequenzbereich von 300 kHz bis 300 GHz haben heute eine mittlere Leistungsdichte von 0,1 – 10 µW/m2 erreicht, dabei ist der Ausbau von LTE, TETRA und öffentliche WLAN-Netzen noch nicht einbezogen. Wenn man beide Leistungsdichten vergleicht, stellt man fest, dass die technisch bedingten HF-Emissionen ca. 100.000-fach bis 1.000.000-fach über den Intensitäten der natürlichen Strahlung liegen!