Алла Борисовна Казанцева

Физика в быту

* * *

© А.Б. Казанцева, 2022

© ООО «Издательство АСТ», 2022

Предисловие автора

Эта книга и о физике, и о нашей жизни в современном мире.

Для большинства людей физика ассоциируется со школой: это трудный и малопонятный предмет, имеющий небольшое отношение к повседневной жизни. Понятно, что все современные технологии так или иначе базируются на физических законах, но надо ли каждому пользователю знать и понимать эти законы? И всё же физика имеет гораздо большее отношение к повседневной жизни, чем это кажется на первый взгляд. В этой книге мы хотим рассказать о некоторых физических явлениях и законах, которые позволят вам лучше понимать и оценивать риски обитания в современном мире, особенно в больших городах. Как вы полагаете, к примеру: что причиняет бóльший вред нашему здоровью – курение, городские шумы или электромагнитное загрязнение? А что опаснее – жить возле атомной электростанции или возле тепловой? Эти и многие другие животрепещущие вопросы будут затронуты в книге.

Она состоит из четырёх частей. В первой части обсуждается звуковая составляющая нашей жизни. Мы расскажем, что такое звук и в чём отличие музыки от шума, поговорим о звуках полезных и вредных, об опасности «неслышных» звуков; выясним, можно ли сделать голос красивее и в чём тайна целительного воздействия музыки на человека. Вы узнаете также об особенностях слухового восприятия и о причинах преждевременного его повреждения.

Во второй части речь пойдёт об источниках света. Какие опасности для здоровья таят в себе такие, казалось бы, безобидные устройства, как осветительные приборы? Как их грамотно выбирать? Чтобы разобраться в этом, мы предварительно вооружимся всеми необходимыми сведениями о свете и о нашей зрительной системе.

Третья часть книги посвящена электромагнитной обстановке больших городов. Вы узнаете о нашей удивительной связи с естественными электромагнитными полями Земли, которые в современном мире почти полностью заглушены гораздо более сильными техногенными полями. Как это может отразиться на нашем здоровье, и как минимизировать риски?

Наконец в четвёртой части мы поговорим о том, что такое радиация, где мы можем «схватить дозу», чего надо бояться, а чего нет. Мы постараемся разобраться с физическими основами всех этих явлений, чтобы вы могли осознанно выстраивать свой быт в современных условиях.

Автор книги более тридцати лет преподаёт физику самым разным слушателям – как физикам, так и не физикам, а также читает научно-популярные лекции. Автор надеется, что изложенный материал будет понятен и интересен любознательному читателю, который хоть «краешком уха» прослушал курс физики в школе или только знакомится с этой замечательной наукой. Студенты-физики и учителя также найдут в книге что-то полезное для себя.

Часть 1

Мир звуков

Мы погружены в звуковую атмосферу: голоса природы, городские шумы, речь, музыка. Что такое звуки, как они рождаются и почему такие разные: высокие и низкие, приятные и неприятные, иногда шумы, а иногда музыка? Какая может быть польза от звуков для нашего здоровья и самочувствия и могут ли они приносить вред? Постепенно мы ответим на все эти вопросы. Природу звука и проблемы, связанные с его возникновением, распространением и восприятием человеком, изучает раздел физики – акустика. Сначала мы немного поговорим о физике: как звуковые волны возникают, распространяются и воспринимаются человеком, а затем обсудим их влияние на самочувствие и здоровье.

Глава 1

Физика звуков

Что такое звук?

Мы слышим звук, когда что-то заставляет вибрировать, то есть колебаться, барабанные перепонки в наших ушах. Причём частота вибрации должна лежать в определённых пределах: не менее 16 колебаний в секунду (то есть 16 герц) и не более 20 тысяч колебаний в секунду (20 тысяч герц). Эту область частот называют звуковым диапазоном. Колебания барабанной перепонки с частотой менее 16 герц и более 20 тысяч герц мы не воспринимаем как звук, то есть не слышим. Сразу оговоримся: таков звуковой диапазон для молодых людей. Но уже с 15–20 лет этот диапазон начинает заметно сужаться, особенно со стороны высоких частот. Так что к 35 годам люди перестают слышать звуки с частотой более 15 тысяч герц, а к 50 годам верхний предел снижается, как правило, до 12 тысяч герц (у многих мужчин даже до 6–7 тысяч герц). Причём для того, чтобы предельно низкие и предельно высокие звуки были услышаны, они должны быть очень сильными, то есть вызывающими гораздо более интенсивные колебания барабанных перепонок, чем звуки середины звукового диапазона.

Колебания – это периодически повторяющиеся движения, они характеризуются частотой – числом колебаний в секунду. Частота измеряется в герцах (сокращённо Гц): 1 Гц – это одно колебание в секунду.

Одни звуки мы воспринимаем как низкие (басовые), другие – как высокие, тонкие. Музыканты называют это высотой тона. Именно частота колебаний определяет высоту тона: большая частота создаёт ощущение высокого звука, малая частота – низкого.

Итак, ощущение звука связано с вибрацией барабанных перепонок. Но что её вызывает? Обычно нас окружает воздух. Вибрации воздуха, его периодические сгущения и разрежения – вот что заставляет так же периодически двигаться наши барабанные перепонки. А что порождает вибрации воздуха? Периодические или непериодические изменения плотности окружающей среды создаёт источник звука.

Этим источником может быть любое тело: можно ущипнуть струну или провести по ней смычком, постучать по чему-нибудь, поскрести, потрясти… Нужно, чтобы поверхность тела-источника начала колебаться, колыхаться, дрожать. Положите ладонь на горло во время пения или потрогайте крышку звучащего рояля, и вы почувствуете вибрацию.

Вибрирующая поверхность источника изменяет плотность прилегающего слоя окружающей среды: воздуха или воды, а иногда и твёрдого тела (копыта коня стучат по земле). Все эти среды – газообразная, жидкая, твёрдая – являются упругими, то есть изменения плотности и давления, возникшие в одном месте, передаются от слоя к слою, распространяясь всё дальше от источника, подобно кругам на воде от брошенного камня. Такая передача объясняется взаимодействием молекул среды друг с другом. В газе это взаимодействие сводится к столкновениям молекул: молекулы из места уплотнения расталкивают молекулы в прилегающих слоях, заставляя их так же толкать своих соседей. В итоге колебания плотности и давления передаются от слоя к слою с определённой скоростью – скоростью звука. В газах эта скорость составляет сотни метров в секунду (в воздухе при комнатной температуре она равна 340 м/с). Обратите внимание: при распространении звуковой волны сами массы воздуха не перемещаются, каждая частичка среды лишь колеблется туда-сюда и заставляет это делать соседние частицы.

В жидких и твёрдых средах молекулы «чувствуют» друг друга на расстоянии электрическими полями: стоит одному слою молекул чуть сместиться от своего положения равновесия, как соседние молекулы почувствуют это и тоже придут в движение – начнут колебаться около своих равновесных положений, воздействуя в свою очередь на следующие слои. Поэтому звуковые волны в плотных средах распространяются быстрее, чем в газах. Так, в воде скорость звука около 1,5 км/с, а в твёрдых телах и того больше.

Звуковая волна – это процесс распространения колебаний плотности и давления в упругой среде (воздухе, воде и любом твёрдом веществе).

И вот звуковая волна доходит до барабанной перепонки уха, вызывая её движения. От перепонки колебания через систему слуховых косточек передаются улитке внутреннего уха (мы ещё поговорим о ней в своё время), а от неё уже в виде электрических импульсов по слуховому нерву поступают в нужную зону мозга, который обрабатывает полученный сигнал. И мы слышим звук. Так что звук – явление не только физическое, но и физиологическое.

Ощущение звука возникает в результате воздействия колебаний давления воздуха (или воды, если человек находится в воде) на барабанную перепонку уха.

Итак, чтобы мы услышали звук, необходимы три составляющие:

1. Источник звука, создающий периодические или непериодические изменения плотности частиц окружающей среды.

2. Упругая среда, которая передаёт возникшие в ней уплотнения во все стороны.

3. Приёмник звука (барабанные перепонки и весь наш слуховой аппарат). Добавим сюда и мозг, обрабатывающий сигналы от звуковых нервов.

Неслышные звуки

Звуковые волны с частотой менее 16 Гц называют инфразвуком, а с частотой более 20 000 Гц – ультразвуком. Мы не воспринимаем такие колебания барабанной перепонки как звук, но значит ли это, что мы совсем их не чувствуем?

Исследования инфразвука начались в середине прошлого века. Инфразвук появляется при землетрясениях, цунами, ударах грома, вибрациях тяжелых станков, рёве реактивных двигателей.

Он присутствует и в рок-музыке, особенно в тяжёлом роке и на «живых» концертах.

Инфразвуковые волны проходят сквозь любые преграды и распространяются на огромные расстояния.

У многих морских животных развита чувствительность к инфразвуку, благодаря которой они узнают о приближении шторма. Некоторые виды наземных животных (в том числе кошки) изменяют своё поведение перед землетрясением.

Что позволяет им чувствовать его приближение? Малые колебания грунта, увеличение статического электричества, воздействие инфразвуковых волн? Точно неизвестно. Возможно, все факторы вместе. А тигры, слоны, аллигаторы просто слышат инфразвук и даже могут общаться с его помощью!

Хотя человеку и большинству животных инфразвук и не слышен, он всё же действует на внутренние органы и системы организма и вызывает чувство тревоги. Этот эффект пытались использовать в фильмах ужасов, но потом запретили, так как инфразвук может привести к неконтролируемой панике среди зрителей. При большой интенсивности инфразвук ощущается как вибрация в теле, вызывая недомогания (тошноту, головокружение, вялость) и даже чувство острой боли. Наиболее негативное влияние инфразвук оказывает на нервную систему и работу сердца. Есть предположение, что инфразвук, возникающий от шторма в океане, увеличивает число автокатастроф и сердечных заболеваний на расстояниях в тысячи километров!

Инфразвук при длительном воздействии вызывает состояние усталости. Присутствием инфразвука в шумах автострад и рёве взлетающих самолётов может объясняться синдром усталости у живущих поблизости людей.

Ультразвук имеет частоты, превышающие верхний порог звукового диапазона, то есть выше 20 тысяч (а для пожилых людей – выше 12 тысяч) герц.

Многие животные могут воспринимать ультразвук, например кошки, собаки, кузнечики, летучие мыши, бабочки. Дельфины и другие морские животные для поисков косяков рыб, для ориентировки в мутной воде используют ультразвуковую локацию, то есть посылают ультразвуковой сигнал, а затем ловят сигнал, отражённый от препятствия. По времени запаздывания отраженного сигнала они судят о расстоянии до препятствия, а по изменению частоты сигнала – о скорости движения этого препятствия (этот же принцип применяют «гаишники» для определения скорости вашего автомобиля). Почему дельфины предпочитают зрению ультразвуковую локацию? Потому что свет в воде довольно сильно поглощается (радиус видимости составляет несколько метров), а ультразвук с частотой 50 тысяч герц распространяется на несколько километров! Летучие мыши и другие ночные животные благодаря ультразвуковой локации ориентируются при ночном полёте. В медицине тоже широко применяется ультразвуковая локация – это знакомая вам процедура УЗИ.

Как измеряют волны

Поговорим немного подробнее о волнах. Это пригодится нам не только в связи со звуком, но и при разговоре об электромагнитном излучении и свете.

Чтобы нагляднее представить себе звуковую волну, воспользуемся аналогией. Характер движения частиц среды в бегущей волне напоминает работу «семафорного телеграфа», применявшегося в конце XVIII – начале XIX века. Между городами в области прямой видимости возводили специальные башни с мачтами. К концу мачты прикреплялись подвижные линейки, которые могли принимать различные положения, изображая таким образом все буквы и даже некоторые слова. Работник на каждой башне наблюдал за соседней башней в подзорную трубу и воспроизводил на своей мачте те же самые движения линеек, которые совершал его предшественник, но с небольшой задержкой во времени.

И так сигнал «бежал» от башни к башне. От Парижа до Бреста депеша передавалась всего за 7 минут! Так и в бегущей звуковой волне частицы в каждой точке среды повторяют те же самые движения, которые совершают частицы «на первой башне», то есть движения источника звука, но с некоторым запаздыванием, время которого определяется расстоянием до источника и скоростью волны.

Рис. 1. Пример графика зависимости смещений частиц среды от своих равновесных положений в один и тот же момент времени в зависимости от расстояния до источника звука

Если движения источника звука периодические, то такими же будут и движения частиц среды, причём частицы, находящиеся на определённом расстоянии друг от друга (в направлении распространения волны), будут совершать синхронные движения. Такое минимальное расстояние называется длиной волны. Если в какой-то момент времени мы сделаем «мгновенную фотографию» распределения смещений частиц от своих равновесных положений, то увидим повторяющуюся картину (рис. 1).

Итак, длина волны – это минимальное расстояние между частицами среды, колеблющимися синхронно. Длина волны связана с частотой колебаний: чем больше частота, тем меньше в данной среде длина волны. Запомним это!

Длина волны λ равна расстоянию, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний Т. Если v – скорость распространения волны, то λ = v·T. Частота колебаний f – это величина, обратная периоду:

f = 1/T , поэтому λ = v/f.

Чем больше скорость волны и чем больше период колебаний (то есть меньше частота), тем больше длина волны. Эта формула справедлива для любых волн, как звуковых, так и электромагнитных. Мы ещё не раз её вспомним.

Инфразвуковые низкочастотные волны самые длинные: в воздухе более 20 м и могут достигать сотен метров. Длины волн для ультразвука, наоборот, очень малы: в воздухе менее 15 мм. При ультразвуковой диагностике в медицине применяют волны длиной в доли миллиметра – именно такие короткие волны позволяют заметить в тканях организма неоднородности малого размера (ведь волны любой природы не замечают преград, размер которых гораздо меньше длины волны – так, океанская волна «не заметит» маленький камушек на своём пути). Столь же короткие ультразвуковые волны используют летучие мыши для локации. Ну а для звукового диапазона длины волн в воздухе простираются от 15 мм до 20 метров.

Обратите внимание: длина волны изменяется при переходе волны из одной среды в другую. Так, в воде или другой среде все длины волн уменьшаются во столько же раз, во сколько раз увеличивается скорость звука (в воде – в 4,4 раза).

Частота же колебаний частиц в волне – это её неизменяющаяся характеристика. Поэтому физики предпочитают характеризовать волну именно частотой колебаний частиц.

Рис. 2. Смещение частицы среды как функция времени в гармонической волне

Ещё одна важная характеристика волны – её интенсивность. Она определяется амплитудой («размахом») колебаний частиц в волне и связана с громкостью воспринимаемого звука (позже поговорим об этом подробнее).

Наконец, очень важна форма колебаний. Мы имеем в виду форму графика, изображающего зависимость смещения частиц среды в фиксированном месте от времени. Такая же форма повторится на «мгновенной фотографии» распределения смещений частиц среды вдоль направления распространения волны (рис. 1). Наиболее простая форма колебаний – синусоидальная (рис. 2). Волны с такой формой колебаний называют гармоническими. Они имеют очень большое значение в акустике и вообще в физике. Вскоре мы узнаем почему.

Секреты музыкальных звуков

Внимание! Сейчас мы откроем тайну музыкальных и немузыкальных звуков. Итак: любые периодические колебания источника рождают музыкальный звук, а непериодические – немузыкальный.

Музыкальный звук мы можем пропеть, немузыкальный – не можем. У музыкальных звуков мы различаем высоту тона (то есть отождествляем звук с определённой нотой музыкального строя), у немузыкальных – нет. К примеру, пение птиц красиво, но записать его нотами и воспроизвести голосом или на музыкальном инструменте не получается (разве что «ку-ку» можно спеть вполне узнаваемо).

Ещё у музыкальных звуков есть тембр – «звуковой окрас», позволяющий отличить ноту «до», взятую на рояле, от такой же ноты, взятой на другом инструменте.

Где же в форме колебаний спрятаны все эти особенности музыкального звука? И как можно классифицировать многообразие всевозможных форм колебаний, чтобы можно было «подделывать» (синтезировать) нужные звуки или сделать программы их распознавания?

Рис. 3. Пример разложения периодического колебания (кривая 3) на гармоники (кривые 1 и 2)

Оказывается, любое периодическое движение чисто математически может быть представлено как сумма гармонических колебаний с кратными частотами, то есть с частотами, полученными умножением некоторой основной частоты f_0 на целые числа: 2, 3, 4… (это известная математикам теорема Фурье). Наименьшая частота этого ряда (f_0) называется основной, а колебание с этой частотой – основным колебанием или первой гармоникой. Основная частота определяется периодом исходного движения. Колебания с кратными частотами 2f_0, 3f_0, 4f_0… называют гармоническими обертонами или просто гармониками (второй, третьей, четвёртой и так далее до бесконечности). Многообразие сочетаний различных амплитуд (и фаз) гармоник обеспечивает все возможные формы результирующего колебания.

Процедура выделения простых гармоник из сложного колебания называется спектральным (или гармоническим) анализом. На рисунке 3 приведён пример разложения колебания на гармоники (в данном примере понадобилось всего две гармоники с частотами f_0 и 2f_0). Такой анализ можно произвести математически, а можно разложить звук на гармоники с помощью прибора – спектроанализатора.

Нарисуем график, состоящий из вертикальных отрезков: высоты отрезков соответствуют амплитудам гармоник, их положение на горизонтальной оси – частотам. Такая картинка изображает спектр колебания (спектр звука). Итак, спектр звука показывает, гармоники (обертоны) каких частот и с какими амплитудами присутствуют в данном звуке.

Рис. 4. Спектр колебания, представленного на рис. 3

Основная частота определяет высоту тона, а все остальные (высшие) гармоники создают неповторимый тембр звука.

Основная частота для самого низкого мужского голоса (бас) составляет 80 Гц. Основная частота для самого высокого женского голоса (сопрано) достигает 1050 Гц. Обертоны же могут простираться до частот порядка 50 тысяч герц, выходя за пределы частотного диапазона слухового восприятия.

Основная частота звуков, издаваемых музыкальными инструментами, лежит в диапазоне 40–5000 Гц.

Нота «ля» первой октавы имеет частоту 440 Гц.

Как правило, первая гармоника (основная частота) присутствует в музыкальном звуке с наибольшей амплитудой. Но это не обязательно так. В спектре флейты, фагота, корнета и трубы некоторые высшие гармоники столь же сильны, как и основная частота, или даже сильнее. Но ухо не проведёшь! Оно безошибочно распознаёт основную частоту, даже если её вовсе нет в спектре, а присутствуют лишь гармоники 2f_0, 3f_0, 4f_0,… Так, например, музыкальный звук, состоящий из набора частот 200, 300, 400 и 500 Гц, воспринимается как звук высотой 100 Гц, хотя этой частоты нет в наборе. Другими словами, мы слышим отсутствующий звук! Это связано с особенностями человеческого уха, которое вносит свои искажения. Так, при возбуждении его двумя частотами f_1 и f_2 в нём возбуждаются также суммарная и разностная частоты f_1+f_2 и f_1−f_2 вместе со всеми их гармониками. Чем больше амплитуда исходных колебаний, тем больше слышны «лишние» частоты – их называют субъективными тонами. В нашем примере, когда в спектре объективно присутствуют частоты 200, 300, 400 и 500 Гц, но нет основного тона 100 Гц, в ухе возникают колебания разностных частот 300–200=100 (Гц), 400–300=100 (Гц) и т. д., то есть колебания отсутствующего основного тона. Для любого музыкального звука основная частота эффективно усиливается разностными частотами и обязательно будет опознана ухом.

Бесконечное разнообразие спектров музыкальных звуков, то есть сочетаний частот и амплитуд гармоник, объясняет разнообразие тембров звучания. В природе не существует «простых» звуков, тембрально не окрашенных (состоящих только из колебаний одного основного тона). Такой звук можно искусственно синтезировать, преобразовав электромагнитное колебание одной частоты в звуковое с помощью так называемого звукового генератора, причём ухо воспринимает этот звук как весьма противный. Более того, человеку труднее опознать высоту тона «чистого» звука, чем звука с тембральным окрасом, и мы уже поняли почему. Из инструментальных звуков наиболее «чистым», почти без примеси гармоник, является звук камертона.

Если в звуке много гармоник, то он воспринимается «богатым». Так, в спектре голоса хорошего оперного певца гораздо больше обертонов, чем в спектре любителя, поющего ту же арию.

Но если в спектре слишком много гармоник, то звук кажется «грязным», а если там много верхних гармоник – то и резким, крикливым, неприятным.

Тембр детских звучащих книжек очень бедный. Он «урезан» буквально до одной-двух гармоник. Такие книжки портят слух.

Подумаем: почему низкие звуки на рояле звучат «богато» (рояль рокочет), а верхние звуки – «бедненько»? Ответ прост. Ухо немолодого человека не слышит гармоники с частотами выше 12–15 тысяч герц. Значит, высшие гармоники высоких звуков просто не воспринимаются. Верхние ноты рояля не виноваты, виноваты наши уши.

А чем можно объяснить пристрастие многих меломанов к громкой музыке? Легко сообразить, что она тембрально богаче: ведь для того, чтобы мы могли слышать высокие обертоны, они должны быть достаточно интенсивными (вспомним, что чувствительность уха быстро падает по мере приближения к границам звукового диапазона). Правда, увеличение громкости имеет смысл, только если вы используете качественную звуковую систему, не обрезающую высшие гармоники.

Слушая современные реставрированные перезаписи голосов великих певцов прошлого, удивляешься: что же такого удивительного люди в них находили? А дело в том, что при реставрации вместе с шумами старой грамзаписи удаляются и многие обертоны – и голос лишается своего волшебства.

Что за шум, что за рёв

Непериодические движения рождают немузыкальные звуки и шумы. Некоторые немузыкальные звуки вполне красивы, например звон колоколов и пение птиц. А другие воспринимаются как шум и рёв. Почему?

Немузыкальный звук тоже имеет свой спектр, но этот спектр уже не является набором обертонов с частотами, кратными наименьшей основной частоте. Он может содержать или «хаотичный» набор отдельных частот, или вообще все частоты в некотором диапазоне (такой спектр называют непрерывным).

Посмотрим, например, на спектр звука колокола. Хотя звон колокола похож на музыкальный звук, подобрать соответствующую ему ноту звукоряда сложно, и как ни пытались композиторы изобразить перезвон колоколов на рояле или с помощью оркестра, узнаваемым оставался скорее ритмический рисунок перезвона, нежели само звучание колоколов. А почему? Спектр звучания колокола представляет собой ряд обертонов, но их частоты не кратны наименьшей частоте. Воспринимаемая высота тона колокола определяется не наименьшей частотой, как для музыкальных звуков, а обертоном, доминирующим сразу после удара. Спустя некоторое время в звуке колокола начинают преобладать более низкие обертоны, и восприятие тона меняется. И если спектры всех роялей в основном похожи друг на друга, то спектры звуков колоколов совершенно индивидуальны.

Звуки с непрерывным спектром воспринимаются как шумы. Если полоса частот не слишком широка, мы можем грубо оценить высоту звука: рычание тигра – низкий звук (полоса низких частот), крик павлина – высокий. Если частоты более-менее равномерно распределены по всему звуковому диапазону, получается так называемый белый шум (пример: рёв близкого водопада).

Пение птиц ещё труднее передать звуками музыки, чем звучание колоколов, хотя шумом его тоже не назовёшь. С точки зрения спектра, это нечто промежуточное между звоном колокола и шумом. Каждая «нота» птичьего пения содержит не ряд кратных частот, как музыкальный звук, и не набор отдельных обертонов, как звук колокола, а несколько узких непрерывных полос частот, причем эти полосы во время песни «ползут» вверх или вниз по шкале частот, совершают резкие взлёты и падения. Именно эти взлёты и падения при переводе птичьего пения на язык музыки композиторы имитируют скачками на те или иные интервалы.

Частоты некоторых птичьих голосов простираются до 50 тысяч герц, уходя в область ультразвука, так что мы слышим лишь часть их песен.

Очень короткие звуки (стук в дверь, хлопок в ладоши) также воспринимаются как немузыкальные. Ведь нашему слуховому аппарату требуется некоторое время для определения периода колебаний и частоты основного тона, а при коротких звуках он просто не успевает это сделать. Спектры коротких звуков непрерывны, как и спектры шумов. Если ширина полосы частот невелика, мы можем приблизительно определить высоту тона, особенно в сравнении с другими подобными звуками. Вспомните, например, детский деревянный ксилофон, состоящий из дощечек разной длины. Удар по одной дощечке воспринимается просто как стук (немузыкальный звук), но ударяя по ряду дощечек-клавиш, мы уже слышим гамму.

Как создать музыкальный звук?

Одни предметы издают музыкальные звуки, а другие – немузыкальные. Самый простой, известный с древних времён источник музыкальных звуков – натянутая струна. Именно с изучения звучания струн началась математическая теория музыки, и основы её заложил в Древней Греции Пифагор (570–490 гг. до н. э.).

Самые простые движения, которые могут совершать точки струны, изображены схематически на рисунке 5: каждая точка движется туда-сюда, словно маятник, в результате струна изгибается так, что её форма соответствует части синусоиды. Длина полного периода такой синусоиды равна длине волны. Если оба конца струны закреплены, то на длине струны укладывается целое число полуволн (на верхнем рисунке – одна полуволна, на среднем – две, на нижнем – три). Такие колебания струны называются стоячими волнами или собственными колебаниями. Частоты этих колебаний кратны друг другу. Если одной полуволне соответствует частота f_0, то частоты колебаний для более коротких волн равны 2f_0 и 3f_0. Как вы понимаете, возможны также колебания с частотами 4f_0, 5f_0 и так далее. Частота f_0 является основной, а все остальные – обертонами или высшими гармониками.

Самое интересное: если вы просто ущипнёте струну, то многие обертоны возбудятся одновременно, и соответствующие им движения наложатся друг на друга, в результате форма струны в процессе колебаний будет уже не синусоидальной, а более сложной. Это как «спектральный анализ наоборот»: сложение простых гармоник даёт в результате сложное колебание.

Ущипнув струну, мы услышим музыкальный звук, высота тона которого соответствует основной частоте f_0, а наличие обертонов придаст звуку тембральный окрас. Щипая струну в разных местах, мы меняем амплитуды обертонов и, значит, меняем тембр. Например, щипок ровно посередине струны исключает из движений чётные гармоники 2f_0, 4f_0 и т. д., так как для этих гармоник средняя точка струны должна быть неподвижна.

Рис. 5. Простейшие колебания струны (первая, вторая и третья гармоники)

Какими параметрами струны определяется её основная частота? Как видно из рисунка 5, чем длиннее струна, тем больше длина волны первой гармоники, а значит, частота колебаний меньше (низким звукам рояля соответствуют самые длинные струны, высоким – самые короткие). Основная частота f_0 зависит также от натяжения струны: увеличивая натяжение, мы увеличиваем основную частоту (именно путём изменения натяжения струн настройщик добивается нужной частоты звука).

Как и для бегущих волн, длина стоячей волны λ связана с частотой колебаний частиц и скоростью v распространения волны универсальной формулой λ = v/f. Длина волны первой (основной) гармоники, как видно из рисунка 5, в два раза больше длины l струны: λ = 2l. Так что основная частота струны f_0 = v/λ = v/2l. Увеличение натяжения струны приводит к увеличению скорости волн v, а значит, и к увеличению основной частоты.

Ещё одним простым телом, рождающим музыкальные звуки, являются цилиндрические трубы, ширина которых гораздо меньше длины (вспомним, например, трубы оргáна). Главным звучащим телом в трубах является наполняющий их воздух. Возбуждая на одном конце трубы движение воздуха с помощью вибратора, мы приводим в колебательное движение весь столб воздуха в трубе, и он рождает звуковую волну, бегущую от трубы к вашему уху. Основная частота f_0 определяется длиной воздушного столба: чем длиннее труба, тем ниже её звук, как и для струны. И также наряду с основной частотой возбуждаются обертоны с кратными частотами.

Струны и воздушные трубы – основа всех музыкальных инструментов. Именно они рождают музыкальные звуки. Предметы же более сложных форм являются источниками немузыкальных звуков.

Можно ли увидеть звук?

Любой твёрдый предмет будет издавать те или иные звуки, если по нему ударять или, к примеру, водить по нему смычком. И у любого предмета конечных размеров, как и у струн, есть характерный набор собственных колебаний – возможных простейших движений его частиц. У большинства объемных тел частоты собственных колебаний образуют непрерывный спектр в пределах определённой полосы частот, зачастую весьма широкой, то есть воспринимаются ухом как шум. Например, ударив по столу, вы слышите звук, создаваемый возникающими колебаниями стола, но высоту тона определить не можете. Можно только предсказать, что шум от удара по массивному шкафу будет более низкочастотным, чем от удара по небольшому столику.

Немецкий физик и музыкант Эрнест Хладни сумел сделать видимыми собственные колебания плоских пластин разной формы (круглых, квадратных и прочих). Для этого он возбуждал в них колебания с помощью скрипичного смычка (рис. 6). При этом пластины издавали немузыкальные звуки разной степени «противности». На поверхность пластин он насыпал мелкий песок, который слетал с активно колеблющихся областей и концентрировался в тех местах, которые оставались практически неподвижными. Проводя смычком по краю пластины в разных местах, под разными углами и с различной скоростью, можно возбуждать различные собственные колебания и получать самые разные картины: иногда простые, иногда сложные, иногда красивые, иногда беспорядочные. Каждому типу колебаний соответствуют определённая «песочная картина» и своё неповторимое звучание.

Рис. 6. Примеры фигур Хладни, полученных с помощью насыпанного на поверхность колеблющихся пластин песка

Резонанс и резонаторы

Но вернёмся к музыкальным звукам и струнам. Остаётся вопрос: почему тембры разных струнных инструментов (рояля, скрипки, виолончели и прочих) столь отличаются друг от друга, хотя струны везде практически одинаковые? Всё дело в резонаторах. Давайте разберёмся, что это такое.

До сих пор мы говорили о собственных колебаниях тел – таких колебаниях, которые они совершают «по своему сценарию», стоит только вывести их из равновесия, сообщив запас энергии (ущипнуть струну, постучать по столу, ударить по металлической пластинке, провести смычком и т. д.). Как мы уже знаем, собственные колебания происходят с собственными частотами – с любой из них или одновременно со многими. А что будет, если мы будем извне «навязывать» упругому телу колебания с какой-то частотой? Возникнут колебания, которые называют вынужденными.

Попробуйте закрепить один конец длинного шнура (желательно эластичного), а другой конец периодически раскачивать рукой. По шнуру побежит какая-то рябь. Но постарайтесь подобрать такую частоту качаний, чтобы на длине шнура уложилась одна или несколько полуволн (как на рисунке 5) – шнур отзовётся колебанием значительной амплитуды. Мы наблюдаем при этом явление резонанса – резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты вынуждающего периодического воздействия с любой из собственных частот.

Говорят, что Карузо мог разбить бокал голосом, взяв ноту надлежащей высоты. В середине XIX века во Франции рухнул мост, по которому проходил отряд солдат. В Петербурге в XIX веке таким же образом обрушился Египетский мост (с тех пор солдатам запрещено ходить по мостам в ногу). Это всё примеры проявления резонанса.

Слово «резонанс» происходит от французского resonance – звучать, откликаться.

Резонанс может возникнуть только там, где возможны колебания. Колебаться (а значит, и резонировать) могут твердые тела (металл, дерево и прочие), жидкие (вода в сосуде), газообразные (воздух в трубе).

Явление резонанса используют, чтобы усиливать звучание тех или иных частот и формировать нужный тембр музыкального инструмента.

Как сделать резонатор – устройство, которое «откликается» на колебания, близкие к его собственной частоте (любой из них)? Очень просто: берём любой полый предмет, наполненный воздухом и сообщающийся с атмосферой одним или несколькими отверстиями – это и есть резонатор. Главным резонирующим телом является именно воздух внутри полого предмета, хотя и стенки тоже дают свой вклад. Узнаёте в этом описании корпус скрипки, гитары?

Если у вас есть камертон, вы легко убедитесь, что он звучит заметно громче, когда поставишь его ножкой на стол. И звук смартфона будет громче, если вы положите его на твёрдую поверхность стола. Стол играет в этих случаях роль резонатора. Из-за сложной формы стола его собственные частоты образуют широкий непрерывный спектр, так что он с готовностью откликается на любую частоту. Хотя отклик этот будет и не слишком сильным, но всё же благодаря своей большой площади поверхности стол породит более интенсивную звуковую волну в воздухе, чем маленькие ножки камертона или мембрана динамика смартфона.

Резонанс и резонаторы в музыке играют огромную роль. Сама по себе струна звучит едва слышно, потому что площадь её соприкосновения с воздухом очень мала и в колебательное движение вовлекается мало частиц окружающего воздуха. Только в соединении с резонатором струны приобретают надлежащую звучность.

Если резонатор сильно откликается на очень узкий диапазон частот, то это, как говорят физики, добротный резонатор. Примером добротного резонатора может служить длинный полый ящик или труба с одним или двумя открытыми торцами – он будет резонировать только на избранные частоты, а на остальные не реагировать. Но такие резонаторы не годятся для музыкальных инструментов! Все резонаторы музыкальных инструментов «плохие», то есть обладают низкой добротностью: они усиливают звук на всех частотах, но понемножку. Добротные резонаторы были бы для музыкальных инструментов сплошным бедствием: ведь они усиливали бы только звуки избранных резонансных частот.

Тайны музыкальных инструментов

Голос каждой скрипки, каждого инструмента индивидуален, как и голос каждого человека. Но всё же вы отличаете звучание любой скрипки (и грубой школьной, и шедевра Страдивари) от звучания любой виолончели, флейты или кларнета. По каким признакам вы это делаете?

Секрет спрятан в особой и неповторимой форме резонаторов. Эти формы совершенствовались столетиями в руках мастеров. Хотя резонаторы музыкальных инструментов усиливают звуки любой частоты, но на некоторые полосы частот они откликаются особенно охотно. Области частот, которые усиливаются резонаторами данного вида инструментов лучше остальных частот, называют формантами этого инструмента. Независимо от частоты основного тона, сильнее будут звучать те обертоны, которые попадают в область формант. Форманты всех скрипок одни и те же, как и форманты всех флейт. Так, благодаря избирательному усилению обертонов создаётся характерный узнаваемый тембр инструмента.

Резонатором рояля служит большая дека, на которой крепятся струны. Большая площадь деки позволяет добиваться большой мощности излучения звуковых волн в окружающее пространство, то есть производить громкий звук.

У скрипки и её «родственников» на звучание струн отзываются корпус и воздух в корпусе. Сложная форма корпуса создаёт необходимый набор формант. Прорези эфы нужны для того, чтобы звуковые колебания, усиленные в воздушном резонаторе, могли свободно выходить наружу.

У медных духовых инструментов форманты определяются раструбом, из которого выходит звук.

Индивидуальность же звучания каждой отдельной скрипки прячется в неповторимых деталях: породе и качестве дерева, его возрасте, тончайших нюансах формы деки, толщине дерева и составе лака, покрывающего поверхность инструмента… Как говорится, Бог – в деталях. Изменение любой детали в архитектуре инструмента приводит к изменениям качества звука. Создавать новые «скрипки Страдивари» за 200 лет так и не научились, хотя с помощью компьютерной томографии и смогли воспроизвести все нюансы их форм.

Электронные синтезаторы могут имитировать звук музыкальных инструментов благодаря тому, что мы знаем характерные форманты того или иного инструмента. И всё же одного только тембра для «подделки» звуков музыки недостаточно. Дело в том, что звуки реальных инструментов не статичны, и тембр каждой взятой ноты меняется в процессе звучания. Наш слух чётко отслеживает фазу нарастания звука и фазу его постепенного спадания, все изменения тембра. Помимо гармоник, в звуках музыкальных инструментов присутствует и определённый шумовой фон (типа стука клавиш). По нюансам спектра и временнóй структуры звука мы способны отличить звучание реального инструмента от подделки.

Рождение живого голоса

Голосовой аппарат человека устроен подобно духовому музыкальному инструменту типа кларнета. Источником звука в кларнете являются колебания гибкой трости в воздушном потоке, а у человека – голосовых связок. Это небольшого размера мышечные складки, прикреплённые к внутренней стороне гортани. Голосовые связки достаточно гибкие и могут менять расстояние между своими краями в очень широких пределах (рис. 7). При дыхании они разведены в стороны, образуя треугольное отверстие, через которое свободно проходит воздух. Для порождения звука связки начинают вибрировать, периодически захлопываясь и размыкаясь.

Рис. 7. Голосовые связки человека при дыхании (слева) и при звучании (справа)

Частоту основного тона колебаний голосовых связок, от которой зависит высота голоса, мы можем произвольно менять, регулируя их напряжение и скорость воздушного потока.

Интересно, что звук, порождаемый голосовыми связками, совсем не похож на звуки живого голоса, – вы никогда не догадались бы, что это голос человека. Человеческий тембр наш голос приобретает благодаря системе резонаторов. Дело в том, что сверху и снизу к гортани примыкают трубообразные полости, составляющие с ней единое целое. Пазухи носа, полость ротоглотки, глотка и гортань – это головные резонаторы. Кости черепа, подобно корпусу скрипки, тоже принимают участие в усилении звука. Ниже голосовых связок, рядом с бронхами и лёгкими, расположены кости трубчатой структуры, которые, получая энергию от звуковой волны, начинают вибрировать, усиливая звук, – этот процесс принято называть грудным резонированием. Оно ощущается как вибрация в груди. Головное же резонирование ощущается как вибрация в голове.

Каждый из нас хотел бы иметь приятный «грудной голос», более тёплый и чувственный, сочный и бархатистый, чем голос при головном резонировании. «Вытащить» грудной голос вполне возможно! Для этого разработаны специальные упражнения. Вы легко найдёте их описание на Ютуб-канале.

Воздух в каждом из резонаторов имеет свои собственные частоты, зависящие от их размера и формы. Эти частоты мы можем в той или иной степени менять, изменяя форму и размеры резонансных полостей с помощью движения языка и губ.

Первоначальный звук связок состоит из 20–30 гармонических обертонов, интенсивность которых слегка уменьшается с ростом частоты. Каждый из резонаторов усиливает обертоны с частотами, близкими к основной частоте резонатора, и гасит обертоны с далёкими частотами. И в спектре голоса остаётся всего несколько гармоник различной интенсивности, которые и определяют его тембр.

Если воздух в резонаторах заменить другим газом, то их собственные частоты изменятся. Пробовали вдохнуть содержимое шарика, надутого гелием, а потом заговорить? Получается «голос Буратино». Дело в том, что скорость звука в гелии больше, чем в воздухе, поэтому собственные частоты заполненных гелием резонаторов увеличились, так что резонаторы стали усиливать обертоны более высокой частоты.

О певческих голосах

Стоит человеку запеть, как наш слух легко выделяет тех, кто имеет певческий голос, даже если это не профессиональный певец. Что же такое особенное содержится в певческих голосах? Почему не каждый, кто умеет петь «чистенько», музыкально, может стать певцом? Умение петь громко и охватывать широкий диапазон частот, безусловно, имеет значение, но этого недостаточно!

Оказывается, в спектре певческих голосов усилены обертоны, попадающие в две особые области частот, – их называют певческими формантами. Нижняя певческая форманта расположена в районе частоты 500 Гц и придаёт голосу мягкость и «округлость». Верхняя певческая форманта с частотой в районе 3000 Гц (у мужчин чуть ниже, у женщин чуть выше) придаёт голосу «полётность», «металличность» и «блеск». Удивительно, но двадцатая или тридцатая гармоника, попадающая в область верхней певческой форманты, может превосходить по интенсивности все остальные гармоники спектра! Певец способен управлять интенсивностью верхней певческой форманты, то есть блеском своего голоса.

Эти певческие форманты должны присутствовать у любого певца – от баса до сопрано. Голос может обладать этими качествами от природы или же быть профессионально обработанным. Ухо профессионала сразу распознаёт наличие или отсутствие певческих формант у певца, а для непрофессионалов – это просто волшебство голоса.

Современные усилители позволяют исправить недостатки тембра певца путём специальной избирательной настройки частотной характеристики тракта усилителя. Например, можно «вытянуть» обертоны в области певческих формант и придать голосу певца недостающий блеск. Эстрадные солисты вовсю используют подобные системы индивидуальной настройки усилителей.

Тайны речи

Как мы на слух отличаем один звук речи от другого? Разберёмся в этом на примере гласных, которые длятся, подобно музыкальным звукам, и у которых имеется основная частота, то есть высота тона (с согласными всё несколько сложнее).

Мы различаем гласные, даже произнесённые на одной высоте, по их спектру. Каждый гласный звук (А, О, У…), подобно каждому виду музыкальных инструментов, имеет свои характерные области частот – форманты гласных. Когда мы произносим гласную, все обертоны голоса, попавшие в область формант этой гласной, усиливаются. Форманты гласных остаются неизменными, когда высота основного тона меняется. Положение формант каждого гласного одинаково для всех людей, независимо от индивидуальных особенностей их тембров. По этим-то формантам наше ухо и опознаёт гласные, подобно тому как по характерным формантам музыкальных инструментов ухо отличает скрипку от флейты.

У каждого гласного звука есть две основные форманты, причём одна из них связана с резонированием в глотке, а вторая – в ротовой полости (у некоторых гласных имеется ещё несколько добавочных формант). Например, форманты гласной «У» расположены в районе частот 300 и 650 Гц, форманты «А» – около 700 и 1000 Гц. Учась говорить, мы учимся изменять собственные частоты своих ротоглоточных резонаторов, перемещая язык и губы.

Все основные форманты гласных попадают в диапазоне частот от 200 до 4000 Гц. Эта частотная область совершенно необходима нам для распознавания речи. Если по каким-то причинам ослабнет или исчезнет какая-то из формант (например, при плохом качестве радиосвязи или при некоторых формах тугоухости, когда нарушено восприятие высоких частот), то становится трудно разобрать, что говорит человек. Замечали, что старые люди иногда с трудом воспринимают вашу речь по телефону, но понимают её при личном общении?

Когда хороший певец не просто произносит, а поёт гласный звук, то помимо формант данного гласного, в спектре звука будут присутствовать также универсальные певческие форманты.

Глава 2

Восприятие звуков

В первой главе мы уже немного говорили о том, как человек слышит. Далее мы подробнее остановимся на особенностях восприятия различных по частоте и громкости звуков.

Область слышимости

Звуковая волна, достигая барабанной перепонки, заставляет её колебаться, передавая ей необходимую для этого энергию. Чем больше приносимая энергия, тем сильнее эти колебания. В физике для измерения энергии, переносимой волной, используют понятие «интенсивность волны»: она показывает, какая энергия приносится волной на единицу площади приёмника за одну секунду и измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м^2). Самая слабая интенсивность звуковой волны, которая ещё вызывает слуховые ощущения, называется порогом слышимости. Для разных частот порог слышимости различен. Так, на частотах 1000–2000 Гц порог слышимости составляет одну тысячную от одной миллиардной доли ватта на квадратный метр (10-12 Вт/м^2). Представьте себе: амплитуда колебаний частиц воздуха при такой интенсивности звуковой волны в сто тысяч раз меньше размера пылинки! Такая чувствительность уха находится на пределе биологической целесообразности: будь она ещё немного меньше, и мы бы слышали постоянный шум в ушах от тока крови. А максимальная интенсивность звука, которая граничит уже с болевым порогом, в тысячу миллиардов раз больше и составляет 1 Вт/м^2. Это колоссальный диапазон! В этом смысле человеческое ухо уникально. Оно является намного более совершенным устройством, чем любой из измерительных приборов: обычно они воспринимают интенсивности, отличающиеся не более чем в 100 раз.

Рис. 8. Область слышимости. По горизонтальной оси отложены частоты в герцах (шкала неравномерная!), слева по вертикали – интенсивность (шкала тоже неравномерная), справа – уровни громкости в децибелах

Но по мере приближения к пограничным частотам звукового диапазона наша чувствительность к звукам быстро падает, то есть порог слышимости быстро растёт. Болевой же порог меняется не столь сильно. На нижней и верхней границах звукового диапазона порог слышимости и болевой порог сливаются: чтобы услышать звук частотой 20 герц или 20 тысяч герц, требуется интенсивность, граничащая с болью. На рисунке 8 изображены кривые порога слышимости и болевого порога в зависимости от частоты. Пространство на графике между этими кривыми соответствует области слышимости. (Напомню, что с возрастом область слышимости сильно сокращается, особенно со стороны высоких частот.) Внутри области слышимости на рисунке указаны области частот и интенсивностей, соответствующие речи и звучанию музыкальных инструментов.

Из рисунка 8 видно, что наибольшей чувствительностью мы обладаем к частотам от тысячи до пяти тысяч герц (это верхний регистр фортепиано, начиная с третьей октавы) – здесь пороговая кривая опускается ниже всего. Обратите также внимание на ещё большее снижение порога слышимости в районе 2,5–3 тысяч герц. Видите «ямку» на кривой порога слышимости? О её происхождении мы узнаем, когда поговорим об устройстве уха человека.

Есть некая загадка в нашей повышенной чуткости к высоким частотам. Возможно, часть отгадки кроется в том, что в детском крике особо выделяются обертоны с частотами около трёх тысяч герц. Вероятно, природа постаралась, чтобы детский крик всегда был услышан на фоне помех. В этом же районе частот находится и верхняя певческая форманта, обеспечивающая «дальнобойность» голоса.

Как мы воспринимаем громкость

Интенсивность звуковой волны, а также пропорциональное ей звуковое давление – это объективные характеристики звука. Они могут быть измерены приборами. Громкость – субъективная характеристика: она показывает, как звук воспринимается человеком.

Чем больше интенсивность, тем громче звук. Но связь между громкостью звука и интенсивностью не простая пропорциональная: субъективно оцениваемая громкость возрастает гораздо медленнее, чем интенсивность звуковой волны. Вы удивитесь, но, например, интенсивность звука при громкой речи в тысячу раз больше, чем при тихом разговоре (недаром мы гораздо сильнее устаём после чтения лекции, нежели после спокойной беседы). Другими словами, когда интенсивность увеличивается в десятки раз, нам кажется, что громкость возросла на сколько-то единиц.

Придётся нам немного вспомнить математику. Функция, которая превращает произведение в сумму, – это логарифм. Грубо говоря, ухо «логарифмирует» интенсивность и воспринимает это как громкость.

Чтобы приблизить объективную характеристику звуковой волны – интенсивность – к субъективной характеристике звука – громкости, в акустике ввели понятие уровня громкости, измеряемого в децибелах (дБ). Нулевой уровень громкости (0 дБ) соответствует порогу слышимости при частоте 1000 Гц, то есть интенсивности 10-12 Вт/м^2. При возрастании интенсивности в 10 раз уровень громкости увеличивается на 10 дБ, при возрастании интенсивности в 100=10^2 раз – на 20 дБ… при возрастании интенсивности в миллион (10^6) раз – на 60 дБ. Болевому порогу, то есть интенсивности в 10^12 раз больше порога слышимости, соответствует уровень громкости 120 дБ.

Для тех, кто любит формулы, приведём математическое определение уровня громкости L (в децибелах):

где I – интенсивность звука,

I_0 =10-12 Вт/м^2 – порог слышимости при частоте 1000 Гц.

Наше ухо уверенно различает (громче – тише) разницу в уровнях громкости в 3 дБ, что соответствует возрастанию интенсивности (и звукового давления) примерно в 2 раза.

Для ориентировки в уровнях громкости:

10 дБ – еле слышно, тихий шелест листьев

30 дБ – тиканье настенных часов

40 дБ – обычная речь

70 дБ – громкие разговоры, смех

90 дБ – громкий крик человека

100 дБ – езда на мотоцикле, визг бензопилы

120 дБ – работающий отбойный молоток на расстоянии 1 м.

Оперный певец имеет шанс петь ведущие партии, если сила его голоса позволяет ему «выдавать на-горá» 120 дБ и более, чтобы не потеряться на фоне оркестра.

Но даже при равных уровнях громкости (в децибелах) субъективное восприятие громкости звуков разных частот не совпадает: чем ближе звук к частотным границам звукового диапазона (очень низкий или очень высокий), тем хуже мы его слышим. Особенно сильно это различие проявляется при малых уровнях громкости.

Шагая по ступеням гаммы

Вы уже знаете, что высоту тона мы определяем по основной частоте f_0 (даже если она объективно отсутствует в звуке): чем больше f_0, тем выше звук. Но ощущение возрастания высоты тона зависит от роста частоты нелинейно. Возьмём пример. Гамма состоит из целых тонов (например, интервалы между до и ре, ре и ми) и полутонов (это звуковой интервал между чёрной и белой клавишами рояля). Разность частот для тонов до и ре первой октавы 32 Гц. Будет ли такой же разность частот между тонами ре и ми, а также между частотами до и ре второй октавы? Оказывается, нет.

Нам кажется, что высота тона возрастает на одну и ту же величину, когда частота возрастает в одно и то же число раз (это похоже на восприятие нами соотношения громкостей звуков). Когда мы шагаем по ступеням гаммы (до, ре, ми), нам кажется, что высота звука с каждым шагом увеличивается на одну и ту же величину (мы так и говорим: шаг на тон выше). Между тем шаг на один тон вверх означает увеличение частоты в 1,122 раза (в современной равномерно темперированной шкале). Возрастание частоты в 1,5 раза мы воспринимаем как скачок на квинту, в 2 раза – скачок на октаву.

Используемый в европейской музыке со времён Баха равномерно темперированный строй устроен очень просто: интервал октава (то есть удвоение частоты) делится на 12 неравных ступеней – полутонов – так, что переход от одной ступени к следующей означает возрастание частоты в 12√2 ≈1,059453 раза, а шаг на целый тон, соответственно, увеличивает частоту в (1,059453)2 ≈ 1,122 раза.

Слуховой аппарат человека очень чувствителен к изменению высоты звука: на слух человек способен различить более 600 градаций высоты тона, причём максимальная чувствительность слуха к изменению высоты звука приходится на диапазон 200–1000 Гц (средний диапазон рояля). В европейской музыке используют гораздо меньше звуковысотных градаций: так, на рояле всего 88 клавиш. К примеру, в индийской музыке используют гораздо больше звуковысотных градаций.

В начале XX века в Европе и России активно развивалось направление так называемой микротоновой музыки, в которой полутон дробился на более мелкие интервалы. С микрохроматикой (дроблением полутона) экспериментировали многие известные композиторы XX века: Пьер Булез, Бела Барток, Кшиштоф Пендерецкий, Альфред Шнитке, Эдисон Денисов, София Губайдулина и другие.

При частотах ниже 50 Гц способность различать высоту звука сильно падает. Те, кто учился музыке, знают, что опознать одни и те же звуковые интервалы в самой нижней октаве гораздо труднее, чем в средних и верхних регистрах.

При определении на слух высоты звука важную роль играет его тембр, и особенно важны первые 7–8 гармоник. Вы же помните, что разность частот гармоник воспринимается ухом как субъективный тон. Когда он совпадает с высотой основного тона, это служит мощной поддержкой слуху для распознавания высоты тона. Даже музыканту с абсолютным слухом трудно определить на слух высоту чистого тона, создаваемого эталонным генератором и не имеющего других гармоник.

Для очень высоких звуков с частотой выше пяти тысяч герц высота тона вообще не распознаётся. Причина в том, что высшие гармоники таких звуков (кроме, может, первых двух) выходят за пределы частотного звукового диапазона и не могут служить опорой для опознания основного тона. Не случайно для музыкальных инструментов основные частоты звуков не сильно превышают две тысячи герц (лишь у флейты-пикколо частоты звуков достигают четырёх тысяч герц).

В чём красота звуковых сочетаний?

Почему одновременное звучание одних звуков красиво, а других неприятно? Возьмите на рояле две ноты, отличающиеся на октаву (например, «до» первой и «до» второй октавы) или квинту («до» и «соль») – эти сочетания воспринимаются как благозвучные и нравятся даже младенцам и животным. Красиво, гармонично звучащие пары звуков называют консонансами (от французского consonance – согласие). Раздражающее, нестройное звучание называют диссонансом (что значит несогласие).

Для всех одноимённых интервалов отношение частот основных тонов пары звуков одно и то же. Так, для самого благозвучного интервала – октавы – частоты отличаются в 2 раза; для всех квинт – в 1,5 раза, то есть частота верхнего тона относится к частоте нижнего тона как 3:2, для кварт – как 4:3. Оказывается, для всех консонансных интервалов основные частоты верхнего и нижнего тонов относятся как небольшие целые числа. А вот для неблагозвучных интервалов отношение частот тонов выражается весьма большими числами – например, для звуков полутона это примерно 16:15.

Октава – наилучший консонанс. Пусть f_0 – основная частота нижнего тона (основания интервала), тогда 2f_0 – частота верхнего тона (вершины интервала). Весь гармонический ряд вершины (2f_0, 4f_0, 8f_0, 16f_0…) входит в состав гармонического ряда основания (f_0, 2f_0, 3f_0, 4f_0, 5f_0, 6f_0…). Получается, что вершина усиливает обертоны основания, не внося никаких новых гармоник. Так что для уха эти два звука практически сливаются в один.

Посмотрим теперь на обертоны чистой квинты (до – соль). Гармонический ряд основания: f_0, 2f_0, 3f_0, 4f_0, 5f_0, 6f_0… Гармонический ряд вершины: 1,5f_0; 3f_0; 4,5f_0; 6f_0… Все чётные гармоники вершины входят в состав гармонического ряда основания, все нечётные обертоны – это новые частоты, не содержавшиеся в звуке основания. Нашему слуху такой расклад тоже нравится: чем меньше общее число гармоник, которые надо опознать, тем приятнее. Работает принцип экономии усилий.

Чем меньше целые числа, составляющие отношение частот основных тонов двух звуков, тем больше у этих звуков общих гармоник, и тем гармоничнее для слуха звучит интервал.

Восприятие консонансов, как и чистых музыкальных звуков, стимулирует выработку гормона серотонина, который отвечает за хорошее настроение и эмоциональную устойчивость.

Уже грудные младенцы в возрасте 2–6 месяцев отдают явное предпочтение консонансам.

А вот у полутонового интервала (отношение частот 16:15) лишь каждый 15-й обертон основания совпадёт с обертоном вершины, но так много обертонов даст далеко не каждый музыкальный инструмент, да и не от каждой частоты ухо способно услышать 15-й обертон. Так что можно считать, что у основания и вершины вообще нет общих обертонов. Слуху это категорически не нравится.

Все интервалы равномерно темперированного строя, кроме октавы, не вполне чистые. Так, для квинт отношение частот отличается от идеального 3:2 на 0,11 %. Но даже музыканты с тонким слухом воспринимают эти интервалы темперированного строя как чистые. Дело в том, что наш слух не замечает разность частот, если она не превышает 0,3 % в диапазоне от 500 до 5000 Гц (при наличии гармоник). А вот темперированные терции (до – ми) и сексты (до – ля) человек с тренированным слухом в принципе может отличить от чистых (идеальное целочисленное отношение для этих интервалов отличается больше чем на 0,3 % от темперированного).

Как работает наша слуховая система

Давайте, наконец, посмотрим, как устроена наша замечательная слуховая система, способная не просто воспринимать звуки, сильно отличающиеся по интенсивности, но и раскладывать их на гармонические составляющие, то есть определять спектр звуков с высокой точностью.

Рис. 9. Слуховые косточки среднего уха

То, что мы обычно называем ухом, – это лишь наружное ухо. Ушная раковина через слегка изогнутую трубочку – слуховой канал – направляет звук к барабанной перепонке – тончайшей мембране. Наружное ухо благодаря явлению резонанса может усилить звуковое давление в сотни раз в области частот 2–5 тысяч герц, создавая ту самую «ямку» на кривой порога слышимости, на которую мы обращали внимание на рисунке 8.

По другую сторону от барабанной перепонки начинается среднее ухо – система из трёх маленьких слуховых косточек, их называют молоточком, наковальней и стременем (рис. 9).

Среднее ухо соединено с носоглоткой евстахиевой трубой. Это нужно для выравнивания внешнего атмосферного давления и давления воздуха в полости среднего уха. Несмотря на солидное название, «труба» эта имеет толщину всего 2 мм, а у детей и того меньше. Поэтому нам приходится иногда ей помогать: так, в самолёте при взлёте и посадке, когда давление в салоне быстро изменяется, мы должны глубоко зевнуть или сглотнуть, чтобы быстрее выровнять давление снаружи и внутри среднего уха.

Задача слуховых косточек – передать колебания барабанной перепонки дальше по назначению, то есть во внутреннее ухо, а заодно усилить их за счёт эффекта рычага (если эти колебания слишком слабы) или, наоборот, частично погасить их за счёт рефлекторного сокращения мышц среднего уха (для слишком громких звуков). Наковальня служит демпфером между молоточком и стременем, благодаря чему среднее ухо хорошо защищает нас от длительных громких звуков – но только до тех пор, пока мышца среднего уха не устанет, и тогда ухо начнёт постепенно глохнуть. Что касается слабых звуков, то среднее ухо может усилить их интенсивность в несколько тысяч раз!

Внутреннее ухо включает в себя вестибулярный аппарат (три полукружных канала) и главный приёмник и анализатор звука – улитку (рис. 10).

Рис. 10. Внутреннее ухо: вестибулярный аппарат и улитка

Улитка представляет собой свёрнутый спиралью канал, заполненный жидкостью. Канал улитки разделён по всей своей длине перегородкой – основной мембраной, состоящей из 24 тысяч поперечных волокон – слуховых струн. Струны имеют различную длину и толщину, а значит, и разные собственные частоты. Основную мембрану можно сравнить с миниатюрной арфой, только с гораздо бóльшим числом струн и свёрнутой для компактности в спираль. Каждая из струн откликается на свою собственную частоту, так что на поверхности мембраны «представлена» вся шкала звуковых частот: на одном конце – самые высокие частоты, на другом – самые низкие. Когда слуховые струны колеблются, они возбуждают прикреплённые к ним удлиненные звуковоспринимающие клетки – слуховые рецепторы. Электрические сигналы от клеток-рецепторов передаются волокнам слухового нерва и направляются далее к коре головного мозга, где и происходит окончательное различение звуков по их характеру, высоте и силе.

Для частот ниже 50 Гц на основной мембране улитки нет соответствующих по частоте струн. Мозг определяет высоту тона для таких низких звуков по разности частот их высших гармоник.

Вход в улитку – это овальное окошко, прикрытое эластичной плёнкой. Стремя среднего уха упирается в эту плёнку и «запускает» звуковую волну в жидкость улитки. На рисунке 10 вы видите ещё одно окно на поверхности улитки – круглое окно: его эластичная мембрана играет роль «предохранительного клапана», спасающего улитку при слишком сильном давлении стремени на овальное окно.

Главные зоны слуха находятся в височных областях мозга. Слуховые нервы по пути в кору головного мозга перекрещиваются, так что информация от правого внутреннего уха попадает в левое полушарие, и наоборот.

Глава 3

Воздействие звуков

Особо важные частоты

То, о чём сейчас будет сказано, пригодится нам не только в этой части книги. Мы снова вспомним об этом в части 3, когда речь пойдёт о воздействии на нас электромагнитных полей.

Как вы помните, у тел любой формы есть свои собственные частоты, зависящие от размеров, формы, плотности. А что такое наше тело, как не «набор» клеток, органов и систем? Для всех составных частей наших организмов, от молекул ДНК и клеточных мембран до крупных органов и целых систем (кровеносной, нервной) имеется свой ряд собственных частот, на которые эти части, органы и системы откликаются наиболее явно. Такие частоты определяют экспериментальным путём и называют биоэффективными. Общая закономерность проста: чем меньше орган, тем выше его собственные частоты (как и у струн: чем короче струна, тем больше её основная частота и соответственно выше тон). Так, частоты клеточных мембран имеют порядок миллиарда герц – это выходит очень далеко за пределы звукового и даже ультразвукового диапазонов. В низкий звуковой диапазон попадают биоэффективные частоты нервных волокон (50–60 Гц), некоторые частоты кровеносной системы (80 и 300 Гц). Диапазоны частот ритмов мозга достаточно широки: от 0,3 до 100 Гц – это инфразвуковой и звуковой диапазоны. В инфразвуковом диапазоне лежат частоты отклика кровеносной, сердечно-сосудистой, нервной систем, а также крупных органов: сердца, желудка, почек, позвоночника, кишечника, лёгких и других.

Опыт показывает, что отклик на внешнее воздействие на биоэффективной частоте может как улучшить состояние организма, так и ухудшить его. Тут многое зависит от интенсивности воздействия. Когда мы имеем дело с резонансными явлениями, всегда требуется особая осторожность. Причём неважно, какова природа воздействия: звуки, механическая вибрация, электромагнитные поля – в живом организме механические и электромагнитные колебания могут трансформироваться друг в друга (так, механические сокращения сердца приводят к колебаниям его электрических потенциалов).

Теперь, когда вы узнали о биоэффективных частотах, многие из которых попадают в инфразвуковой диапазон, вас не удивляет, что инфразвук значительной интенсивности опасен для организма и вызывает неблагоприятные реакции самых разных его систем, о чём мы уже говорили в первой главе. Даже при небольшой интенсивности инфразвук может испортить настроение, причём вы даже не поймёте, почему оно испортилось.

Но учёным удаётся получить и благоприятные отклики на инфразвук. Так, с помощью инфразвука с частотой 0,9 Гц при определённой интенсивности можно повысить общий тонус, вызвать прилив бодрости и жажды действий.

Очень сильно на человека действуют ритмичные звуки. Так, музыка с подчеркнутым ритмом 60 ударов в минуту приводит в состояние расслабления. А определённые ритмы барабанов могут ввести человека в транс.

Роль звуков в самочувствии и здоровье человека находится в процессе активного исследования.

Музыка и мозг

Несомненно, музыка и звуки природы сильно действуют на человека. И тут не надо искать совпадений с биоэффективными частотами (хотя и они могут иметь значение). Просто всё то, что доставляет нам радость, эстетическое наслаждение, чувство эйфории, полёта и вдохновения, сопровождается определёнными гормональными и биохимическими изменениями в организме, укрепляет иммунитет и продлевает жизнь. И это научно вполне обосновано.

И всё же музыка занимает особое положение среди «всех великих наслаждений», говоря словами Пушкина. Дело в том, что при восприятии музыки задействуются в той или иной степени почти все области головного мозга! Это подтверждено с помощью современных методов нейровизуализации. Отдельного центра восприятия музыки нет. Когда мы её слушаем, активируется сразу несколько областей мозга за пределами слуховой коры. Одни участки определяют источник звука, другие анализируют его частоты, третьи занимаются анализом мелодии, гармонии и ритма. В левом (доминантном, «логическом») полушарии обрабатывается смысловая информация, содержащаяся в музыке, правое (недоминантное, «интуитивное») полушарие обеспечивает переживание музыки, причём в эмоциональное реагирование вовлечена не только кора, но и подкорка – эволюционно более древняя часть мозга. А поскольку состояния повышенной творческой активности и интуитивных озарений легче всего достигаются через стимуляцию недоминантного правого полушария, то наслаждение музыкой отнюдь не бесполезное занятие!

У профессиональных музыкантов при прослушивании музыки активнее включается «логическое» полушарие, в отличие от простых слушателей, воспринимающих музыку больше на уровне эмоций.

Музыка и дети

За три месяца до рождения в мозгу плода уже начинают действовать слуховые системы. Он воспринимает, прежде всего, звуки организма матери. Но до него доходят и звуки внешнего мира, хотя и приглушённые, и плод реагирует на них движениями и изменением сердцебиения.

О пользе раннего музыкального развития давно и много говорят и пишут. Установлено, что длительное обучение музыке вызывает физические изменения в мозге (как, впрочем, и обучение любым другим умениям и навыкам): увеличивается площадь слуховых зон, реагирующих на музыку, образуются новые межнейронные связи, так что можно смело говорить о музыкальном развитии мозга. Мозг можно тренировать так же, как вы накачиваете мышцы при регулярных упражнениях. Но есть ли от этого толк?

Скорее всего, не случайно среди талантливых физиков и математиков многие (более 60 %) обладают развитым слухом и регулярно музицируют (вспомним хотя бы Эйнштейна, играющего на скрипке под аккомпанемент другого гениального физика, Макса Планка). Идеи часто рождаются в правом «интуитивном» полушарии, а музыка, как уже говорилось, помогает его активировать. У талантливых людей хорошо и взаимосвязанно работают оба полушария, чему также способствует музыка. Гёте, к примеру, утверждал, что ему всегда лучше работается после прослушивания скрипичного концерта Бетховена.

У детей дошкольного возраста ведущую роль в обучении чему бы то ни было играет именно недоминантное правое полушарие, и в этом же возрасте активно формируются множественные межнейронные связи. При занятиях музыкой (и другими искусствами тоже) эти процессы активизируются.

Не обязательно учить ребёнка играть на инструменте (хотя это дело очень полезное, требующее координации работы двух полушарий), можно просто слушать музыку. Многие исследования подтверждают благотворное влияние музыки на умственное развитие, развитие пространственного мышления (за которое тоже отвечает правое полушарие), речи и внимания.

Есть распространенные мифы об особом воздействии музыки Моцарта: дескать, 10 минут прослушивания его сонаты заметно повышает уровень IQ студентов. Или что дети, которые росли под музыку Моцарта, в дальнейшем достигают большего успеха в жизни. Хотя строго научных доказательств «эффекта Моцарта» и нет, но и научного опровержения тоже нет. Так что никто нам не мешает верить и применять музыку Моцарта (и не только его – прекрасных композиторов много!) в качестве универсального релаксанта и стимулятора творческой активности. Надёжно установленными можно считать утверждения о том, что музыка должна быть: а) любимая, б) не слишком громкая.

Но о громкости будет отдельный разговор чуть позже. Сначала о приятном.

Музыкотерапия

Греческий философ Пифагор (примерно VI век до н. э.) был убеждён, что правильно подобранная музыка может не только создавать нужное настроение, но и лечить болезни. Древнекитайский мыслитель Конфуций отводил музыке важную роль в управлении государством. В начале XIX века французский психиатр Эскироль успешно применял лечение музыкой в психиатрических клиниках. Во второй половине XX века музыкотерапия, как и арт-терапия в целом, стала одним из популярных направлений альтернативной медицины. В ряде стран западной Европы (Швеции, Германии, Австрии) и в США возникли музыкально-психотерапевтические центры и общества. Постепенно это направление лечения развивается и в России.

Между большинством болезней и психическим состоянием человека существует прямая связь, так что целебный потенциал музыки не вызывает сомнений. Под воздействием музыки меняются артериальное давление, частота сердцебиений, ритм и глубина дыхания. И, безусловно, огромное влияние музыка оказывает на нервную систему.

Сторонники музыкотерапии делятся на две группы. Одни считают, что её целебная сила основана «лишь» на психологическом воздействии. Но даже если так, разве этого мало? Другие верят в непосредственное физическое действие на организм звуковых волн. Но все сходятся в убеждении, что, хотя мы пока и не понимаем до конца всех механизмов воздействия музыки и прочих звуков, это воздействие может помочь в лечении многих болезней. Музыкальные терапевты высоко оценивают лечебный потенциал классической музыки, а также некоторой этнической музыки. И считают вредными для здоровья тяжёлый рок и ему подобные музыкальные направления: громкие низкочастотные звуки, жёсткие ритмы и монотонные повторения рока оказывают угнетающее действие на мозг и психику. Классическая же музыка, гармоничная и богатая высокочастотными звуками, даёт прилив жизненных сил и творческой энергии.

Разные инструменты дают разный терапевтический эффект: возможно, частоты-форманты разных инструментов «родственны» частотам тех или иных органов и систем. Так, согласно наблюдениям, звуки флейты помогают при заболеваниях бронхо-лёгочной системы (как и звуки саксофона, ксилофона, колокольчиков), кларнет хорош при сердечно-сосудистых проблемах, фортепиано и арфа успокаивают нервную систему, а барабаны оказывают оживляющее влияние.

Что лучше: играть самому или слушать? Оказывается, оба эти действия дают сравнимые результаты. Так, общеизвестно, что игра на духовых инструментах укрепляет дыхательную систему. Но и простое прослушивание музыки, исполняемой на этих инструментах, оказывает подобное действие! Почему? Да потому, что при слушании вы непроизвольно подстраиваете дыхание под ритм дыхания исполнителя, даже не сознавая этого, – подобно тому, как ваши связки беззвучно воспроизводят звуки речи, которые вы слышите. А слушая пение, мы тоже беззвучно поём. Большинство пианистов подпевают себе под нос, когда играют (на аудиозаписях Глена Гульда это хорошо слышно).

Абсолютно все специалисты сходятся во мнении об особой пользе вокала. Пение, как активное, так и беззвучное, улучшает кровоснабжение мозга, помогает наладить правильное дыхание, а также укрепляет сердечную мышцу. Когда человек поёт, во внутренних органах возникает вибрация – ведь при пении больше половины звуковой энергии идёт во внутренние органы, а не в окружающую среду. В результате улучшается кровоснабжение всех органов, снимаются застойные явления.

Сильное и прямое воздействие и на тело, и на эмоции оказывают ритмы. Определённые ритмы могут ускорять или тормозить обменные процессы, расслаблять или тонизировать мускулатуру. Поп-музыка «выезжает» во многом именно на простых ритмах (зачастую примитивных).

Весьма опасны могут быть синтезируемые на компьютерах ритмы с одинаковой частотой, звучащие на большой громкости. Жёсткая периодичность таких ритмов противоестественна – живые ритмы всегда «дышат». А низкие частоты, как мы уже поняли, могут вызвать нежелательные резонансы в организме.

Пётр Ильич Чайковский говорил о музыке Моцарта: «Слушая его музыку, я как будто совершаю хороший поступок» (в письме к Надежде Филаретовне фон Мекк от 11/23 января 1883 года). Целительна для духа, души и тела самая разная музыка – главное, чтобы она была хорошей.

Немного о мантрах

Определённые сочетания звуков использовались во многих древних культурах для воздействия на психику и тело человека. И это понятно, ведь голос – самый совершенный и самый первый музыкальный инструмент, данный нам.

Санскритское слово «мантра» означает в буквальном переводе «инструмент мышления». Считают, что мантры появились более трёх тысяч лет назад. Для людей, практикующих йогу или медитацию, повторение мантр – это способ успокоения ума.

Основная мантра индуизма – «Ом» (произносится как АУМ на выдохе, на одной высоте, нараспев), с неё начинаются и ею заканчиваются все индуистские молитвы (можно провести аналогию с христианским «Аминь»), причём правильному произношению мантр индийских браминов учат годами.

Много книг написано об исцеляющей силе мантр. В сущности, это неспешное ритмичное пропевание звукосочетаний. Не только гласные, но и многие согласные звуки вызывают ощутимые вибрации в носо-рото-глоточном и грудном резонаторах, передающиеся и другим органам. Не говоря о психотерапевтическом действии мантр (вы же не просто их произносите – вы сосредотачиваете свои мысли на чём-то возвышенном), вибрации их звуков оказывают физическое воздействие. Вспомним о формантах гласных – повышенной силе вибраций на определённых, для каждого звука своих, частотах, не зависящих от высоты основного тона. Веками эмпирически подбирались сочетания звуков, наилучшим образом воздействующих на те или иные системы организма. Доверимся многовековой мудрости.

Берегитесь громких звуков

Наша слуховая система может воспринимать звуки в очень широком диапазоне интенсивностей, но всё же она лучше приспособлена для обработки звуков средней интенсивности. При длительном воздействии громких звуков у человека временно ухудшается слух – вспомним об усталости мышц среднего уха, отвечающих за амортизацию слишком интенсивных колебаний барабанной перепонки. Эффект ухудшения слуха начинает проявляться при уровне громкости более 75 дБ (шум на оживлённой улице) и может длиться до 16 часов. При длительном воздействии звуков с уровнем громкости более 90 дБ могут начаться необратимые изменения в слуховой системе, вплоть до полной глухоты. Степень повреждений пропорциональна времени воздействия громкого звука. При уровне громкости 90 дБ максимально допустимое время воздействия составляет 8 часов, 95 дБ – 4 часа, 100 дБ – 2 часа, 110 дБ – 30 минут (на танцевальной дискотеке вы, скорее всего, столкнётесь именно с таким уровнем громкости). При превышении допустимого временнóго предела полного восстановления слуха уже не происходит.

По европейским нормам, максимально допустимый уровень громкости для наушников плеера равен 100 дБ. Но некоторые наушники могут выдавать громкость до 110–120 дБ! При столь высоких уровнях громкости «усталость слуха» начинает проявлять себя уже через несколько минут, и тогда звук той же самой громкости кажется более тихим, и вы ещё больше увеличиваете громкость, ведь она опьяняет, подобно алкоголю и наркотикам. Между тем повреждается миелиновая оболочка слуховых нервов. В тишине она постепенно восстанавливается. А если отдыхать ушам не дают, постепенно развивается тугоухость, иногда в течение 5–10 лет. И вот вы уже плохо понимаете речь, потому что верхний частотный диапазон, в котором лежат форманты звуков, сильно занижен. Вот уже несколько десятилетий признаки «старения слуха» наблюдаются у более чем половины выпускников школ.

Каждый десятый любитель MP3-плееров имеет диагностированные нарушения слуха. Не злоупотребляйте громкостью и выбирайте полноразмерные наушники с шумоподавлением – они самые безопасные.

Чрезмерное усиление звука при помощи сверхмощной электронно-акустической аппаратуры стало настоящим бичом поп-культуры. Особую опасность представляют низкие звуки и инфразвуки, выдаваемые такой аппаратурой. Этим и опасны концерты рок-музыки, хэви-металл и им подобные: уровень громкости на них достигает 110–120 дБ.

Также установлено, что звуки высоких частот в диапазоне 1000–3000 Гц и интенсивности более 90 дБ вызывают значительное повреждение сенсорных клеток головного мозга.

Для детей и подростков предельно допустимая громкость звука – 70 дБ.

Городские шумы

Естественные шумы звуков природы привычны и даже необходимы человеку, потому что абсолютная тишина угнетает психику. Другое дело – городские шумы: они стали важным фактором риска развития гипертонической болезни и ишемической болезни сердца. Техногенный шум увеличивает содержание в крови гормонов стресса.

Согласно санитарно-гигиеническим нормам, допустимый максимум шума для жилых помещений ночью – 45 дБ (шум кондиционера), но для разных спящих людей индивидуальный порог влияния шума варьируется от 30 до 60 дБ. Так, шум кондиционера кому-то уже может обеспечить бессонницу. Если шумовой фон по ночам достигает 50 дБ (шум вытяжного вентилятора) и более, возрастает риск сердечно-сосудистых заболеваний. Дневная норма громкости для жилых помещений – не более 55 дБ. Работающий телевизор на средней громкости обеспечивает вам 60 дБ, а если вы открыли окна, выходящие на улицу с интенсивным движением, то шум будет ещё больше. Постоянное действие шума более 80 дБ нарушает секреторную и моторную функции желудка и может привести к гастриту.

Замечали, как поездки в метро (особенно в старых вагонах) утомляют слух? При торможении поезда грохот в вагоне может достигать 110 дБ. Но опасен для здоровья только длительный шумовой фон. Звуки фена и пылесоса, хотя и громкие (до 75 дБ), угрозы здоровью не несут.

В инструкциях к приборам или на сайтах вы можете встретить другую единицу измерения уровня громкости: не дБ (децибел), а дБа (акустический децибел). Разница между ними в том, что уровень громкости в дБ не учитывает различную чувствительность уха к разным частотам, а оценка громкости в дБа это различие принимает в расчёт. Санитарно-гигиеническое нормы даются именно в дБа. Если сигнал по частоте приближается к границам звукового диапазона, его уровни громкости по шкале дБ и дБа будут сильно отличаться. Так, для инфразвука акустическая (слышимая) громкость становится равной нулю даже при значительной объективной громкости в дБ, поэтому уровни громкости инфразвука указывают только в дБ.

Немецкий врач-гигиенист Роберт Кох в своё время предсказывал: «Когда-нибудь человечество будет расправляться с шумом столь же решительно, как оно расправляется с холерой и чумой». Но пока что более половины населения Европы проживает в районах с уровнем шума 60–65 дБ, и этот уровень продолжает увеличиваться. Вред от шумового загрязнения стал сравнимым с вредом от курения (а по некоторым оценкам, шум сокращает жизнь даже больше, чем курение).

Если у вас в комнате включены сразу два прибора, создающие шум по 40 дБ каждый, не переживайте: общий уровень громкости будет не 80 дБ, а всего 43. Ведь возрастание интенсивности звука в 2 раза соответствует увеличению уровня громкости примерно на 3 дБ, ведь ухо «логарифмирует» звуковой сигнал. Как всё же мудро устроен наш слух!

Часть 2. Что нам светит

Весь мир и мы сами пронизаны электромагнитными полями, и свет – одна из их разновидностей, и можно смело сказать: важнейшая для нас! По разным оценкам, от 60 до 90 % информации мы получаем через зрительный канал, и освещение – это то, что позволяет нам это делать. Но если на протяжении веков освещение было исключительно естественным, то вот уже более ста лет оно всё более вытесняется искусственным. Согласитесь: очень важно понимать, «что нам светит», какие источники света лучше выбирать для тех или иных целей и как они могут повлиять на зрение, самочувствие и здоровье. Разговор снова будет касаться как физики, так и физиологии.

Глава 1

Свет и цвет: физика и физиология

Что такое свет?

Этот вопрос рано или поздно возникает у каждого ребёнка, и ответ на него искали философы и учёные на протяжении многих столетий. К началу XX века мы получили наконец научно обоснованный ответ на этот вопрос.

Свет – это довольно узкий диапазон электромагнитных волн (что такое электромагнитные волны, мы чуть ниже обсудим). Длины световых волн очень малы – меньше размеров пылинок, поэтому их измеряют в нанометрах, то есть в миллиардных долях метра. Итак, для видимого света длины волн находятся в диапазоне примерно от 400 до 750 нанометров (сокращённо нм). По своим физическим характеристикам волны светового диапазона ничем принципиально не отличаются от волн соседних участков электромагнитного спектра. Самые короткие световые волны (менее 480 нм) соответствуют фиолетовому свету, самые длинные (более 620 нм) – красному. Только представьте: в одном миллиметре укладывается 2500 длин волн фиолетового света или 1300 длин волн красного.

Столь малые длины волн долго «скрывали» от учёных волновые свойства света, не позволяя заметить типичные для волн любой природы явления интерференции (когда при наложении волн одинаковой частоты в одних точках пространства они гасят друг друга, а в других – усиливают) и дифракции (способности волн огибать преграды и попадать в область геометрической тени).

Когда вы любуетесь радужной окраской мыльных пузырей или цветными переливами бензиновых плёнок на воде, вы наблюдаете явление интерференции света: в зависимости от переменчивой толщины плёнки где-то произошло усиление голубых световых волн, отраженных от верхней и нижней поверхностей плёнки и наложенных друг на друга, а где-то – красных… а когда вы видите «радугу» на компакт-диске, поднесённом к лампе, вы встречаетесь с явлением дифракции.

Во второй половине XVII века Ньютон экспериментально доказал, что белый свет состоит из набора чистых цветов: от красного до фиолетового. Он раскладывал белый свет в цветную радужную полоску (спектр) с помощью призмы и соединял затем все цвета обратно в белый свет. Вы наверняка видели, как солнечный свет, пройдя сквозь гранёный стакан на столе или призматическую подвеску люстры, рождает радужные полоски на столе или на стене – это и есть разложение белого света в спектр. Если выделить из спектра белого света одноцветный пучок (например, с помощью щели), то никаких дальнейших превращений его цвета при прохождении через оптические системы уже не происходит. Такой спектрально чистый цвет называют монохроматическим (то есть «одноцветным»).

Ньютон полагал, что свет – это скорее частицы (корпускулы), нежели волны. Но в первой половине XIX века Юнг, Френель и другие физики убедительно продемонстрировали волновые свойства света – интерференцию и дифракцию. К концу XIX века, благодаря теории электромагнитных полей Максвелла и экспериментам Генриха Герца, была доказана электромагнитная природа световых волн и измерена их скорость: 300 тысяч км в секунду (в пустоте). Однако в начале XX века выяснилось, что Ньютон не так уж и заблуждался: в некоторых явлениях свет ведёт себя именно как поток неделимых частиц. Их назвали фотонами.

Наиболее явно корпускулярные свойства света проявляются в явлении фотоэффекта – выбивания светом электронов с поверхности металлов. При освещении полупроводников наблюдается внутренний фотоэффект: фотоны отрывают электроны от атомов, но освобожденные электроны не покидают полупроводник, который благодаря им получает способность хорошо проводить ток. Внутренний фотоэффект лежит в основе работы солнечных батарей.

Такое двойственное поведение света – и как волн, и как частиц – поставило физиков в тупик. В итоге они смирились с таким странным поведением света и назвали это корпускулярно-волновым дуализмом (хотя до сих пор мы не можем наглядно объяснить такое свойство). Оказалось, что в этом смысле фотоны ничем не отличаются от других объектов микромира, которые тоже в каких-то явлениях ведут себя как волны, а в других – как частицы.

Вездесущее излучение

Электромагнитные волны, видимые или невидимые, непрерывно излучаются абсолютно всеми телами: живыми и неживыми, твёрдыми, жидкими и газообразными, холодными и горячими. Речь идёт о так называемом тепловом излучении – самом универсальном, можно сказать, вездесущем виде излучений. Если тело нагрето менее чем до 500 °C (примерно), то его тепловое излучение невидимо для нас. Но мы можем ощущать его кожей как тепло, если источник теплее нас самих. Длины волн такого излучения превышают 750 нм, то есть лежат в инфракрасном диапазоне. Действие тепловизоров (приборов ночного видения) основано на регистрации теплового излучения живых объектов, которые теплее окружающей среды.

Электромагнитные излучения, примыкающие к красному концу видимого спектра и имеющие длины волн от 750 нм до примерно 2 мм, называют инфракрасным излучением.

Мощность теплового излучения быстро возрастает с ростом температуры тела, а длины волн этого излучения становятся всё короче и короче. Телá, температура которых меньше 500 °C, излучают только в инфракрасном диапазоне. При более высоких температурах тепловое излучение частично «пробирается» и в красную часть видимого диапазона, а при 2000 °C свечение тела уже кажется нам жёлто-белым (но инфракрасного излучения оно испускает всё же гораздо больше, чем видимого). Солнце, температура поверхности которого около 6000 градусов, излучает во всех диапазонах, но преимущественно в видимом (на него приходится почти половина всей излучаемой энергии). Примерный вид спектра солнечного света изображён на рисунке 11.

Помимо инфракрасного и видимого света, Солнце испускает также волны, длина которых меньше 400 нм – это невидимое ультрафиолетовое излучение. Чем горячее звезда, тем больше ультрафиолета она выдаёт. Максимум излучения звёзд с температурой поверхности более 8000 градусов приходится именно на ультрафиолетовую область спектра.

Электромагнитные излучения, примыкающие к фиолетовому концу видимого спектра и имеющие длины волн от 400 нм до примерно 10 нм, называют ультрафиолетовым излучением.

Рис. 11. Зависимость интенсивности теплового излучения от длины волны. Площадь под графиком соответствует полной мощности излучения, заштрихованная часть – мощности излучения в видимом диапазоне

Естественные источники света, к которым приспосабливалась наша зрительная система за миллионы лет эволюции, – это солнечный свет и голубой свет неба днём, лунный свет и свет костра в тёмное время суток. Ввиду их особой важности для нас давайте познакомимся с ними поближе.

Естественные источники света

Солнечный свет проходит сквозь атмосферу Земли и по пути видоизменяется: немного ослабляется из-за поглощения в атмосфере, а также немного желтеет, так как из пучка фотонов, идущих от солнца к глазам, выбывают коротковолновые сине-фиолетовые фотоны – они гораздо сильнее рассеиваются на молекулярных неоднородностях атмосферы, чем красные. Кстати, это одновременно ответ на вопрос, почему небо голубое: потому что мы видим небо именно благодаря рассеянному солнечному свету, в котором преобладает сине-голубая составляющая. А по ночам небо (то есть атмосфера) совершенно прозрачно и черно, потому что нет рассеянного света.

Почему на рассвете и закате мы видим солнце красным? Свет от солнечного диска, расположенного низко над горизонтом, проходит по касательной к земной поверхности, так что путь солнечных лучей в атмосфере становится намного больше, чем днём, и бóльшая часть синего и даже зелёного света рассеивается в стороны, окрашивая небо, а само солнце кажется красным.

Максимум дневного солнечного спектра после прохождения через атмосферу приходится на жёлто-зелёный диапазон – 555 нм (запомним это число!).

Что касается ультрафиолетовой части солнечного спектра, то она практически обрывается на длине волны 290 нм, так как более короткие волны задерживаются слоем озона в атмосфере, а также поглощаются водяным паром, кислородом и углекислым газом.

Медики выделяют в ультрафиолетовом излучении три участка, в зависимости от длины волны:

УФ-А (400–315 нм), УФ-В (315–280 нм) и УФ-С (280–200 нм). 99 % солнечного ультрафиолета, дошедшего до поверхности Земли, приходится на участок УФ-А и 1 % – на УФ-В; что касается солнечного УФ-С, то оно полностью поглощается атмосферой. Самый мягкий ультрафиолет УФ-А приводит к появлению загара: в клетках выделяется пигмент меланин, меняющий цвет кожи.

Но гораздо более эффективен для загара УФ-В, под действием которого в клетках запускается производство нового меланина, а также вырабатывается витамин D. Это самая полезная для нас часть УФ-спектра – при её отсутствии снижаются защитные функции организма и ухудшается обмен веществ (но «употреблять» её нужно в разумных количествах). Более жёсткое УФ-С излучение Солнца, хотя его и немного в исходном спектре Солнца, было бы губительно для нас, так как оно убивает микроорганизмы и живые клетки. Считается, что жизнь не могла выйти из океанов на сушу, пока в атмосфере не образовалось достаточно озона для поглощения УФ-С.

В тёмное время суток людям светила луна. Лунный свет – это не собственное излучение Луны, а отражение солнечного света, и он имеет почти такой же спектр, как солнечный, но в нём меньше синего и больше красного. Нашим же глазам луна кажется иногда серебристо-белой, иногда жёлтой. Мы позже ещё поговорим о том, почему цвета предметов не совсем такие, как можно было бы ожидать по спектральному составу их излучений. Например, цвет пламени костра вы воспринимаете как жёлто-оранжевый, а не красный, хотя спектр его теплового излучения лежит почти целиком в инфракрасной области, и только незначительная доля энергии излучается в видимом диапазоне, быстро убывая от красной его части к жёлтой.

Свет в жизни человека

Как вы думаете, почему мы воспринимаем как видимый свет именно такие длины волн (400–750 нм), а не иные? Тому есть ряд причин.

Во-первых, как мы видели на рисунке 11, именно в этой области частот наше Солнце излучает максимальную энергию (почти половину от полной энергии излучений). Естественно, эволюция устроила так, чтобы глаз наилучшим образом воспринимал тот свет, который преобладает в спектре главного светила.

Во-вторых, глаза не случайно невосприимчивы к инфракрасному излучению. Будь это не так, собственное тепловое излучение глаза, приходящееся как раз на инфракрасную область, полностью затмило бы приходящий извне свет, и работа глаза была бы невозможной. В этом одна из главных причин (к такому заключению пришёл знаменитый физик Сергей Вавилов). Кроме того, энергии инфракрасных фотонов недостаточно для возбуждения химического действия света в рецепторах глаза.

В-третьих, ультрафиолетовая граница видимой области тоже не случайна. Прошедший сквозь атмосферу ультрафиолет УФ-А и УФ-В почти полностью поглощается внутри глаза, особенно в хрусталике. И это прекрасно, потому что он представляет угрозу для сетчатки глаза. Кстати, хрусталик детского глаза более проницаем для ультрафиолета, так что глаза ребёнка требуют особой защиты.

Оконное стекло и обычное стекло очков частично пропускают ультрафиолетовое излучение. Для защиты глаз от солнечного ультрафиолета требуются очки со специальными покрытиями.

Рис. 12. Относительная чувствительность глаза к различным длинам волн при дневном (1) и ночном (2) зрении

Итак, мы разобрались, почему именно такие длины волн эволюция выбрала для нашего зрения. Но и в пределах видимого диапазона чувствительность глаза к разным длинам волн очень сильно отличается, что видно из рисунка 12. Там представлены так называемые «кривые видности» (чувствительности глаза) для дневного зрения (кривая 1) и ночного зрения (кривая 2). При дневном свете глаз лучше всего воспринимает жёлто-зелёный свет с длиной волны 555 нм, ведь именно на эту длину волны приходится максимум интенсивности солнечного света, прошедшего через атмосферу. Примем чувствительность глаза к свету этой длины волны за единицу. По мере удаления от этой длины волны относительная чувствительность глаза быстро падает. Так, из рисунка 12 (кривая 1) мы видим, что для красного света с длиной волны 660 нм чувствительность глаза равна примерно 0,1. Это означает, что требуется в 10 раз бóльшая интенсивность красного света, чтобы вызвать такое же зрительное ощущение яркости, как для жёлто-зелёного света.

Кстати, в этой «кривой видности» кроется ответ на вопрос, почему воспринимаемый цвет объекта не соответствует его реальному спектру. Глаз «умножает» интенсивность каждой присутствующей в спектре компоненты света на свой коэффициент – относительную чувствительность к данной длине волны. Например, в спектре пламени свечи интенсивность монотонно возрастает от синего конца к красному (рис. 13), а после процедуры умножения на функцию видности получается максимум в жёлто-оранжевой части, и мы таким и видим пламя. При равной чувствительности глаза ко всем длинам волн пламя воспринималось бы тёмно-красным. Такой же «трюк» глаз проделывает со спектром лампы накаливания (он похож в видимой области на спектр пламени свечи), в результате чего её свет нам кажется жёлто-белым вместо красного.

Для сумеречного зрения максимум чувствительности глаза приходится на длину волны 507 нм – это зелёный цвет (кривая 2). В темноте мы лучше воспринимаем сине-зелёную часть спектра. Замечали, что в сумерках зелёные листья видятся более светлыми, а красные цветы кажутся совсем чёрными? Цвета же предметов мы в сумерках и вовсе не различаем (как говорится, в темноте все кошки серы). Почему? Об этом поговорим дальше.

Рис. 13. Спектр пламени свечи в видимом диапазоне

Безусловно, зрение – это очень важно. Но свет не только позволяет нам видеть, но и помогает мозгу синхронизировать физиологические процессы и обмен веществ со временем суток, то есть свет управляет нашими биологическими часами. Яркий дневной свет заставляет шишковидную железу мозга вырабатывать серотонин – гормон «бодрости и счастья». Причём важна не просто яркость света, а наличие сине-голубой составляющей – как в свете дневного неба. Чем ближе к вечеру, тем меньше остаётся голубого в спектре солнечного света, начинают преобладать красные цвета заката или света костра. Это сигнал для шишковидной железы, что пора прекращать производство серотонина и приступать к выработке мелатонина – гормона сна. Запомним: за 2–3 часа до сна голубого света в спектре источника быть не должно, а то потом не уснёшь! Но если и днём совсем не было голубого света, сон будет неглубоким, неполноценным (зимой в северных регионах у людей возникает «световое голодание»).

Шишковидная железа принимает сигналы не от тех рецепторов сетчатки, которые отвечают за зрение, а от специальных фоточувствительных клеток, залегающих в более глубоких слоях сетчатки. Поэтому даже при полной потере зрения свет может продолжать влиять на работу мозга.

Не получая дневного света, наши биологические часы начинают отставать: по каким-то причинам они добавляют к суткам лишние 30 минут. Дневной свет каждое утро перезапускает наши внутренние часы.

Как устроен глаз человека

Пора нам обсудить строение глаза, объясняющее особенности и нашего цветовосприятия и адаптации к изменяющимся условиям освещения.

Глаз как оптическая система похож на фотоаппарат: система линз, подобно объективу фотоаппарата, создаёт изображение внешнего мира на светочувствительной внутренней поверхности глаза – сетчатке. Основное преломление обеспечивает роговица – выпукло-вогнутая линза (как в наручных часах). Хрусталик, эластичная двояковыпуклая линза, может почти мгновенно менять свой диаметр, из-за чего изменяется его фокусное расстояние, и человек может чётко видеть и вблизи, и вдали. Радужная оболочка с круглым отверстием переменного диаметра – зрачком – играет роль диафрагмы, регулирующей поступление света в глаз. На ярком свете зрачок сужается, в темноте – расширяется, пропуская в глаз больше света.

Внутренняя оболочка глаза – сетчатка – состоит из светочувствительных рецепторов. Клетки-рецепторы делятся на два вида: колбочки и палочки. В них находятся особые светочувствительные пигменты. Под действием света они разлагаются, а в темноте снова восстанавливаются. Изменение химического состава пигментов вызывает раздражение волокон зрительного нерва, электрический импульс от которых передаётся в головной мозг.

Ночное зрение обеспечивают палочки (всего 130 миллионов палочек толщиной 2 микрометра). Они способны воспринимать свет очень малой интенсивности, но не различают цвета, потому что содержат только один сорт светочувствительного пигмента.

Дневное зрение обеспечивают колбочки (7 миллионов колбочек толщиной 6 микрометров). Они чувствительны к цветам, но зато менее чувствительны к интенсивности: для их работы требуется яркий свет.

Распределение рецепторов на сетчатке неравномерно. На ней есть особое место вблизи центра, называемое жёлтым пятном. Здесь преобладают колбочки, а палочек очень мало. К периферии сетчатки, наоборот, число колбочек быстро уменьшается, и остаются одни только палочки, поэтому в темноте мы лучше видим объекты «боковым» зрением. Кстати, если хотите в шутку напугать приятеля в темноте, вставайте прямо по курсу – и он вас не заметит; движение же сбоку, на периферии поля зрения, сразу привлечёт его внимание.

Диаметр желтого пятна около 1 мм, а соответствующее ему поле зрения глаза – всего 6–8 градусов. В жёлтом пятне к большинству колбочек подходят отдельные волокна зрительного нерва; вне жёлтого пятна одно волокно зрительного нерва обслуживает целые группы колбочек или палочек. Поэтому только в области жёлтого пятна, то есть в очень небольшом поле зрения, глаз может различать тонкие детали, причём только при ярком свете. Мы этот факт особо не осознаём, потому что при рассматривании предмета наш взгляд всё время беспорядочно перемещается по объекту, сосредотачиваясь на разных его участках – мы сканируем объект глазами, а мозг создаёт и хранит его целостный образ.

Там, где ствол зрительного нерва «входит» в глазное яблоко, находится слепое пятно: в этом месте нет ни колбочек, ни палочек – оно не чувствительно к свету. Убедиться в его существовании можно так: поднесите рисунок к глазам на расстояние около 10 см, закройте левый глаз и смотрите на крестик правым глазом. Перемещайте немного глаз вперёд-назад, и в какой-то момент изображение кружка исчезнет, оно попадёт на слепое пятно.

Что такое цвет?

Строго говоря, световые волны сами по себе не имеют цвета. Он возникает лишь при восприятии этих волн человеческим глазом и мозгом. Когда мы говорим про монохроматический свет с длиной волны 400 нм, что он фиолетовый, мы хотим сказать, что таким его воспринимают наши глаза и мозг.

Диапазоны длин волн монохроматического света, соответствующие основным цветам радуги, примерно таковы:

красный: 750–620 нм

оранжевый: 620–590 нм

жёлтый: 590–575 нм

зелёный: 575–510 нм

голубой: 510–450 нм

синий: 450–480 нм

фиолетовый: 480–400 нм

У каждого монохроматического цвета есть дополнительный цвет: если из полного солнечного спектра убрать данный цвет, оставшаяся «смесь» будет восприниматься как дополнительный цвет. Так, дополнительный к фиолетовому – жёлтый (и наоборот), к красному – зелёный.

Но если глазу предъявить сразу несколько монохроматических цветов, ощущения «аккорда», как при слышании нескольких звуков, не возникнет, а будет ощущение какого-то одного цвета, зачастую такого, которого нет в радуге (розового, коричневого и многих-многих других, знакомых художникам). Увы, глаз не умеет определять спектральный состав света, его легко обмануть (в отличие от слуха). Смешивая разные монохроматические и немонохроматические цвета, можно получить все возможные цветовые оттенки. Но самое интересное, что все цвета, которые мы знаем, можно создать, смешивая всего три основных монохроматических ингредиента: красный, зелёный, синий, варьируя их относительную интенсивность.

Это объясняется тем, что на сетчатке есть три типа колбочек, содержащих три различных пигмента и проявляющих наибольшую чувствительность к различным диапазонам видимого спектра:

красно-оранжевому (примерно 600–700 нм);

жёлто-зелёному (примерно 500–600 нм);

сине-фиолетовому (примерно 400–500 нм).

На краях диапазоны чувствительности трёх типов колбочек частично перекрываются. Комбинации их возбуждений дают мозгу ощущения всей гаммы цветовых оттенков. Чтобы получить белый свет, надо или соединить все цвета радуги в той пропорции, в которой они присутствуют в спектре солнечного света, либо подобрать пропорцию трёх основных цветов (если не очень придираться к качеству, хватает и двух: синего и красного).

В случае отсутствия у человека одного или двух типов колбочек цветовосприятие нарушается. Этот дефект зрения называют дальтонизмом (по имени физика Дальтона – первого исследованного дальтоника). Дальтонизм обусловлен изменением в мужской хромосоме и встречается чаще у мужчин. А у небольшого числа женщин, наоборот, имеется четвёртый вид колбочек, позволяющий им различать гораздо больше цветовых оттенков.

Цвета предметов

Мы обсудили, как глаз реагирует на спектральный состав воспринимаемого излучения.

Поставим теперь вопрос немного иначе: почему предметы имеют разные цвета? От чего зависят их цвета?

Во-первых, от свойств самих предметов. Во-вторых, от спектрального состава освещения.

Дело в том, что вещества поглощают падающий на них свет избирательно: какие-то длины волн поглощаются, другие – отражаются, а чаще рассеиваются в разные стороны и попадают нам в глаза. Благодаря этому рассеянному свету мы и видим предметы, которые сами по себе не излучают видимый свет. Пусть, к примеру, предмет поглощает все длины волн, за исключением красных, которые он рассеивает. Тогда мы будем видеть его красным, но при условии, что красный свет присутствует в спектре внешнего освещения. Если же красная компонента в освещении отсутствует, предмету будет нечего отражать и рассеивать, и мы увидим его чёрным.

Но это очень простой пример. Не исключено, что тот предмет, который мы воспринимаем как красный, поглощает только зелёный, так что при освещении его полноценным белым светом в рассеянном свете присутствуют все цвета, кроме зелёного. А красная окраска объясняется тем, что это дополнительный цвет к зелёному, поэтому вычитая из полного спектра зелёный, получаем красный. Вообще, только по цвету предмета, без спектральных приборов, нельзя понять, что же именно он поглощает и что «отдаёт обратно».

Мы так привыкли воспринимать цвета предметов при солнечном освещении, что отождествляем их с этими цветами. Говоря, что листья зелёные, мы подразумеваем освещение белым светом. Содержащийся в листьях хлорофилл поглощает красную и синюю части солнечного света и отражает зелёную. Но представьте себе, что зелёного света не будет в составе освещения, тогда цвет листьев изменится. Осветите их в темноте красным фонариком – и листья станут чёрными. Для правильной (то есть привычной нам) цветопередачи спектр источника света должен быть максимально похож на солнечный. Мы вспомним этот факт, когда дойдём до обсуждения искусственных источников света.

Адаптация глаза к свету, темноте и цвету

Глаз может приспосабливаться к изменениям освещённости в столь же широких пределах, что и слух к изменениям громкости: наименьшая и наибольшая воспринимаемые интенсивности света отличаются в тысячу миллиардов (10^12) раз! Что же позволяет этого добиваться?

Самое быстрое реагирование – это сужение или расширение зрачка. Он может изменяться в диаметре от 2 до 8 мм, при этом его площадь изменяется в 16 раз и во столько же раз – пропускаемый им световой поток.

Важная информация! Зрачок реагирует прежде всего на жёлто-зелёную часть спектра. Если «ударить» по глазам синим светом, зрачок почти не среагирует.

Но это не всё. Оказывается, внутри глаза присутствуют собственные «чёрные очки»: дно глаза выстлано чёрным пигментом, роль которого состоит в предохранении зрительных рецепторов от чересчур интенсивного света. При отсутствии света зёрна черного пигмента находятся на задней поверхности сетчатки, то есть позади светочувствительных клеток («очки сняты»). При освещении зёрна перемещаются навстречу падающему свету и проникают в слои сетчатки, поглощая значительную часть световой энергии и заслоняя тем самым палочки и колбочки от избыточного светового раздражения. Этот процесс занимает некоторое время, поэтому внезапно включающийся яркий свет ослепляет.

Для перехода от малых яркостей к большим требуется световая адаптация. При малом освещении работали палочки. Неожиданный яркий свет «ослепляет» палочки, их пигмент разрушается, и даже колбочки, не защищенные ещё зёрнами чёрного пигмента, раздражены слишком сильно. Для начала почти мгновенно сужается значок, но этого недостаточно. Только постепенно, по мере перемещения зёрен чёрного пигмента, прекращается неприятное чувство ослепления. Световая адаптация продолжается 8–10 мин.

Если же глаз первоначально имел дело с ярким светом, то после выключения света начинается темновая адаптация. На свету работали колбочки, палочки же были ослеплены, их пигмент выцвел, чёрный пигмент проник в сетчатку, заслоняя колбочки от света. При резком уменьшении освещения вначале в течение пяти минут раскроется шире отверстие зрачка, затем из сетчатки начнёт уходить чёрный пигмент, зрительный пигмент в палочках будет восстанавливаться, и когда его наберётся достаточно, они начнут функционировать. Сначала чувствительность глаза возрастает очень быстро, затем её рост замедляется. Требуется не менее часа пребывания в темноте, чтобы чувствительность глаза достигла своего максимального значения.

Глаз способен также к цветовой адаптации. Если, например, вы долго находились в комнате с насыщенным красным светом, то, выйдя из неё в помещение с нормальным освещением, вы будете воспринимать окружающие предметы как зеленоватые, что особенно заметно на белых участках. Это связано с тем, что при долгом раздражении красночувствительных колбочек в них распадается светочувствительный пигмент. Потом он восстановится, но не мгновенно. Это физиологическая цветовая адаптация.

Но есть ещё и психологическая адаптация: мозг всё время делает поправку на условия освещения. Вспомните фотографии, сделанные при свете ламп накаливания. Обращали внимание на неестественный красно-жёлтый оттенок? Это происходит потому, что фотокамера честно регистрирует то, что есть на самом деле. А мозг человека убирает любую постоянную примесь цвета, приспосабливаясь к условиям освещения. В нашей памяти заложены характеристики цветов известных предметов: бумаги, кожи человека, листвы и так далее. И при необходимости мозг компенсирует цветовую «вуаль», переосмысливая значения всех цветов, опираясь на известные как на эталоны. Естественно, если мозг убирает из спектра некую цветовую примесь, это искажает цвета некоторых объектов. Поэтому условия освещения играют такую важную роль в точной работе с цветом, да и просто для комфортного самочувствия.

Подытожим всё сказанное, чтобы ответить на вопрос: какое искусственное освещение было бы максимально комфортно для глаз? С непрерывным спектром (содержащим все цвета радуги), похожим на спектр солнечного света, то есть с максимумом интенсивности в жёлто-зелёной части. Желательно обеспечить наличие голубой (подчёркиваю: голубой, а не сине-фиолетовой!) спектральной составляющей в дневное время для выработки достаточного количества гормона бодрости – серотонина. И ещё более важно в вечернее время убирать синие цвета из спектра, чтобы не мешать организму готовиться ко сну.

Ну что ж, теперь мы вооружены необходимыми сведениями о свете и о нашей зрительной системе и готовы приступить к обсуждению достоинств и недостатков различных искусственных источников света.

Глава 2

Что надо знать об источниках света

В продаже мы встречаем разные типы бытовых ламп: лампы накаливания, галогенные, люминесцентные, светодиодные (или led-лампы). Помимо понятных всем мощности, напряжения, силы тока, срока службы ламп, на упаковках указан ряд характеристик. Это световой поток, светоотдача, цветовая температура, индекс цветопередачи, коэффициент пульсаций и проч. Что означают все эти характеристики и на какие из них стоит обратить внимание про покупке ламп? Давайте разбираться.

Световой поток и светоотдача

Любой искусственный источник света (о свечах мы тут не говорим) потребляет из сети электроэнергию, за которую мы (или государство) платим. Нам понятно, что за каждый час работы лампы мощностью 75 Вт придется платить в 5 раз больше, чем за час работы лампы мощностью 15 Вт. Но что именно мы получаем за свои деньги? Отнюдь не только свет. Вся затраченная электроэнергия никогда не преобразуется полностью в световую, значительная её часть выделяется в виде тепла.

Световой поток очень важная характеристика лампы. Он определяет ту часть мощности излучения, которая воспринимается глазом как видимый свет. Остальная часть излучения будет в инфракрасном (а иногда и в ультрафиолетовом) диапазоне. Световой поток – это именно то, что мы хотим получить от лампы. Чтобы рассчитать его, надо знать полный спектральный состав излучения, а также чувствительность глаза к свету разных длин волн (ту самую функцию видности, которая графически изображена на рис. 12, кривая 1). Вспомним, что при равных интенсивностях жёлто-зелёный свет воспринимается более ярким, чем красный и сине-фиолетовый. Световой поток учитывает эту особенность глаз. Для измерения светового потока ввели специальную единицу – люмен (лм).

Недостаточная освещенность в помещении, а также её переизбыток, могут вызывать повышенную утомляемость и даже головные боли. Чтобы прикинуть, сколько люменов вам потребуется для нормального освещения конкретного помещения, надо его площадь в квадратных метрах умножить на санитарно-гигиеническую норму для данного типа помещений, выраженную в лм/м^2 (это при условии, что светильники подвешены не слишком высоко, не выше 3 м; если же выше, то увеличьте полученное число в 1,5 раза). Санитарно-гигиеническая норма для освещенности жилых комнат составляет 150 лм/м^2, для рабочего кабинета или библиотеки 300 лм/м^2. Например, если жилая комната имеет площадь 20 м^2, для её освещения вам требуется 150 лм/м^2 × 20 м^2 = 3000 лм. Допустим, на упаковке лампы указан световой поток 940 лм (примерно такой световой поток даёт лампа накаливания мощностью 75 Вт), тогда потребуется минимум 3 таких лампы, а лучше 4. Если же лампа даёт световой поток 1500 лм (это может быть светодиодная лампа мощностью 20–22 Вт), то достаточно двух ламп. Итак, обеспечение достаточной освещённости – это условие нашего зрительного комфорта. Ради этого мы обращаем внимание на строку «световой поток» на упаковке лампы.

Другой вопрос – сколько нам придётся платить за обеспечение зрительного комфорта. Разные типы ламп имеют разную энергетическую эффективность – отношение светового потока к потребляемой мощности. Это отношение называют светоотдачей. Просто разделите выдаваемый лампой световой поток на потребляемую мощность, и вы узнаете светоотдачу лампы (она измеряется в лм/Вт). Так, в разобранных примерах светоотдача лампы накаливания составляет 940 лм: 75 Вт = 12,5 лм/Вт, а светоотдача светодиодной лампы 1500 лм: 20 Вт = 75 лм/Вт. Чем больше светоотдача, тем выгоднее лампа. Учитывать светоотдачу разных типов ламп важно в целях экономии денег и электроэнергии. Заменив три 75-ваттных лампы накаливания из нашего примера на две 20-ваттные led-лампы, мы будем тратить вместо 75 × 3=225 Вт всего 20 × 2 = 40 Вт – экономия электроэнергии более чем в 5 раз.

Самую высокую светоотдачу имеют светодиодные лампы: от 50 до 90 лм/Вт, самую низкую – обычные лампы накаливания (10–15 лм/Вт).

Индекс цветопередачи и цветовая температура

Обе эти характеристики тоже касаются зрительного комфорта: мы хотим видеть естественные цвета предметов. Насколько хорошо искусственный источник света обеспечивает такую возможность, определяется спектром его излучения.

Цвет предметов, как мы помним, меняется в зависимости от освещения. Для источников света ввели специальный параметр – индекс цветопередачи (обозначения: Ra или CRI, от английского Color Rendering Index). Он показывает, насколько натурально выглядят цвета предметов в свете данного источника, и может меняться в диапазоне от 0 до 100. Индексом цветопередачи 100 «наделили» солнечный дневной свет. Если Ra (он же CRI) искусственного источника света больше 90, цветопередача считается очень хорошей, от 60 до 80 – просто хорошей, от 40 до 60 – посредственной, менее 40 – очень плохой, представляющей дискомфорт для глаз. Покупая лампу, обратите внимание на эту характеристику: индекс цветопередачи для жилых помещений должен быть не менее 80.

Естественный свет различается в разное время суток и при различной погоде. Мы говорим: тёплый солнечный свет, холодный свет луны или пасмурного неба. Цветовая температура (Тц) связана с цветовой тональностью освещения. Её принято измерять в градусах Кельвина (К). Чем выше цветовая температура, тем «холоднее» свет: в нём больше представлена синяя составляющая спектра и меньше – красная. Мы как бы подбираем такую температуру теплового излучения (света свечи, солнца, раскалённого тела), при которой оно имело бы похожий окрас (в нашем восприятии). Так, при цветовой температуре 2000 К свет по окрасу похож на пламя свечи, при 3500 К – на свет утреннего солнца, при 5000 К – на полуденный солнечный свет, при 6000–7000К – на свет облачного неба, при 9000–10000 К – на яркий свет синего неба.

Температура в градусах Кельвина на 273 градуса выше температуры, измеренной по более привычной нам шкале Цельсия.

Все источники света, в соответствии с их цветовыми температурами и окрасом света, разделены на три группы:

Тц ниже 3500 К – тёплый белый свет;

Тц от 3500 до 5300 К – нейтральный белый, или дневной, свет;

Тц выше 5300 К – холодный белый свет.

Лампы накаливания имеют цветовую температуру от 2200 до 2800 К (чем больше мощность лампы, тем выше Тц, тем белее её свет), а разные типы светодиодных ламп – от 2700 до 8000 К.

Цветовая температура влияет на величину комфортной освещённости. Однако в санитарно-гигиенических нормах освещённости это влияние не учитывается! Но имейте в виду: при высокой цветовой температуре, когда в спектре лампы мало красного света, для создания комфортной для глаз световой среды требуется существенно бóльший уровень освещённости, чем прописано в санитарно-гигиенических нормах. Например, при Тц = 6000 К нормальная для жилой комнаты освещённость 150 лм/м^2 будет ощущаться как «мало света», и для комфортного ощущения вам потребуется обеспечить освещённость минимум вдвое больше. Но, увеличивая число таких «холодных» ламп, вы одновременно увеличиваете интенсивность преобладающего в их спектре коротковолнового синего света, который при длительном воздействии вреден для сетчатки. (Об опасностях синего света ещё будет идти речь в дальнейшем.)

Не пытайтесь создать яркое освещение с помощью ламп холодного белого света. Хотя избыток синего не воспринимается как зрительный дискомфорт, он может представлять угрозу для глаз!

У источников с низкой цветовой температурой (менее 3000 К) есть другой недостаток: вы не сможете с их помощью обеспечить достаточно большую освещённость, если таковая требуется для тонкой работы. Дело в том, что при увеличении числа таких источников вы одновременно увеличиваете интенсивность преобладающего в их спектре красного света, который в большом количестве вызывает зрительный дискомфорт: свет кажется слишком ярким, хотя и не достигает нормального уровня освещённости. Это не опасно для глаз, просто неприятно. Так, освещённость более 250 лм/м^2, созданная обычными лампами накаливания, воспринимается уже как избыточная. Чтобы увеличить её без появления дискомфорта, надо добавить лампы с более высокой цветовой температурой.

Коэффициент пульсаций

Этот очень важный параметр излучения изготовители ламп часто «забывают» указывать.

Свет большинства ламп, в отличие от естественного света, пульсирует, мерцает: их световой поток то усиливается, то ослабевает. У ламп накаливания пульсации связаны с переменным сетевым напряжением и происходят с удвоенной технической частотой 100 Гц. Люминесцентные и светодиодные лампы требуют для своей работы применения специальных устройств управления, часто работающих в импульсном режиме, поэтому свет этих ламп тоже может пульсировать.

Мы не воспринимаем эти пульсации визуально, но наш мозг их регистрирует. Исследования показали, что на электроэнцефалограмме мозга появляются навязанные пики активности с частотой пульсаций света. Эти навязанные ритмы подавляют естественные биоритмы нервной системы. Воздействие оказывают пульсации света, частота которых не превышает 300 Гц. Они приводят к изменению гормонального фона, который в свою очередь влияет на наши эмоции и работоспособность. Чем сильнее пульсации, тем быстрее устают глаза, тем труднее сосредотачиваться на работе, может даже заболеть голова. Самое печальное, что эти негативные воздействия мы не ощущаем напрямую и не осознаём причину, их вызвавшую.

К счастью, не все лампы одинаково плохи. Мы подробнее обсудим пульсации разного типа ламп в следующей главе.

Величина пульсаций характеризуется коэффициентом пульсаций КП и вычисляется по относительной глубине пульсаций светового потока.

Коэффициент пульсаций равен отношению полуразности максимального и минимального световых потоков к его среднему значению и выражается в процентах. Формула для расчёта коэффициента пульсаций:

где буквой Ф обозначен световой поток лампы.

Рис. 14. Пример зависимости светового потока Ф от времени

Для наглядности посмотрим на график (рис. 14). КП для этого примера составляет около 70 %.

Работа мозга нарушается при коэффициенте пульсаций выше 5–8 %, если частота пульсаций менее 300 Гц. Чем больше коэффициент пульсаций, тем хуже для мозга. Но превышение уровня пульсаций 20 % уже не имеет значения: пульсации глубиной 20 % и 100 % создают одинаковую угрозу здоровью.

Пульсации некоторых люминесцентных и светодиодных ламп могут быть более 30 %. Длительное их воздействие опасно для здоровья!

На территории РФ действуют санитарные нормы, ограничивающие допустимые пульсации источников света при частоте менее 300 Гц. Согласно этим нормам, в игровых комнатах детских садов и в учебных классах коэффициент пульсаций света должен быть менее 10 %. Этот же норматив действует для торговых залов супермаркетов, для парикмахерских и некоторых производственных и медицинских помещений. В помещениях с непродолжительным пребыванием людей норматив допускает пульсации до 20 %. Самые же строгие требования предъявляются к освещению мест, оборудованных компьютерной техникой. Здесь КП не должен быть больше 5 %. Это связано с тем, что помимо ламп пульсируют ещё и мониторы компьютеров, что создаёт дополнительную нагрузку на зрение и мозг.

Учтите, что при использовании диммеров (светорегуляторов) пульсации всех типов ламп могут существенно возрасти! Лучше для регулировки освещённости включать разное количество ламп.

Для измерения коэффициента пульсаций используют специальные приборы – пульсометры (или комбинированный люксметр + пульсометр).

Мы перечислили самые важные параметры ламп, на которые следует обращать внимание при выборе источников света. Ну а теперь пришла пора обсудить подробнее разные типы ламп: их принцип работы и связанные с этим достоинства и недостатки. Мы не будем рассматривать лампы для уличного освещения и других специальных целей – только применяемые в быту лампы накаливания, галогенные, люминесцентные и светодиодные лампы. И начнём с заслуженных ветеранов труда – ламп накаливания.

Глава 3

Лампы накаливания

Характеристики излучения

Эти лампы начали постепенно входить в наш быт с конца XIX – начала XX века.

Это чисто тепловой источник света, и в этом отношении лампа накаливания – близкий родственник свечи и Солнца. Чем ближе температура теплового источника к температуре поверхности Солнца, тем больше похожи спектры их излучений. Нить накала лампы (вольфрамовый волосок, закрученный в виде спирали) при пропускании через неё тока раскаляется до температуры 2600–3000 К. Спектр её излучения непрерывный, как и солнечный, но из-за более низкой температуры максимум излучения приходится не на видимую, а на инфракрасную часть спектра. И хотя практически вся потребляемая лампой электроэнергия превращается в излучение, в видимый диапазон попадает не более 5 % энергии. Это и есть КПД (коэффициент полезного действия) лампы. То есть на каждый заплаченный за электроэнергию рубль мы получаем света на 5 копеек, остальное идёт на нагревание помещения инфракрасным излучением (что в холодное время года, может, и неплохо).

Понятия КПД лампы и светоотдачи родственны. При расчёте КПД мы берём отношение полезной мощности, выделяющейся в виде света, к затраченной и получаем безразмерную величину, обычно выражаемую в процентах. При расчёте светоотдачи мы берём отношение светового потока в люменах к затраченной мощности в ваттах.

Чем больше мощность лампы, тем выше температура нити накала, из-за чего значительно возрастает доля видимого излучения в спектре, и растёт светоотдача. При температуре 3400 К уже 15 % электроэнергии превращается в свет. Но при такой высокой температуре вольфрамовая нить быстро испаряется и срок службы лампы уменьшается до нескольких часов, поэтому такие лампы в быту не используют. Сейчас в продаже имеются лампы мощностью 75, 60 и 40 Вт. Жаль, но 100-ваттные и 150-ваттные лампы сняли с производства, хотя они более энергоэффективны, чем маломощные лампы, хотя и менее долговечны.

С ростом мощности лампы её свет становится не только ярче, но и белее, потому что возрастает цветовая температура, что тоже существенно для нас. Так, цветовая температура 40-ваттной лампы 2200 К, 60-ваттной – 2680, а 100-ваттной – 2800 К.

Рис. 15. Сглаженный график спектра солнечного света на уровне земли и спектр лампы накаливания

И всё же из-за того, что температура нити накала гораздо ниже температуры поверхности Солнца (около 6000 К), свет ламп накаливания содержит гораздо больше красно-жёлтой составляющей, чем голубой и синей, в то время как спектр дневного солнечного света, прошедшего сквозь атмосферу, в видимой области весьма ровный: в нём более-менее равномерно представлены все цвета радуги с нерезким максимумом в жёлто-зелёной области (в чистом солнечном свете, в космосе, максимум выражен более резко). Схематически спектры солнечного света и лампы накаливания изображены на рисунке 15. Нехватка голубой составляющей света будет существенна, если пытаться заменить дневное освещение обычными лампами накаливания (например, в условиях полярной зимы) – человек начнёт испытывать «световое голодание» и недостаток гормона серотонина.

Световой поток ламп накаливания всегда пульсирует, они ведь питаются переменным напряжением сети. Нить накала нагревается то сильнее, то слабее, но сильно изменить свою температуру она не успевает благодаря быстрому изменению питающего напряжения и тепловой инерционности. Для самых распространённых ламп мощностью 60–100 Вт, подключенных к сети напряжением 220 В, коэффициент пульсаций находится в диапазоне 10–15 %, причём чем больше мощность лампы, тем меньше КП. Это понятно: ведь в более мощных лампах нить накала толще, то есть массивнее, а значит, лучше сохраняет свою температуру. У 40-ваттных ламп накаливания пульсации достигают уже 20 %. Сильно смягчает обстоятельство тот факт, что форма пульсаций света у ламп накаливания гладкая, близкая к синусоидальной, без резких скачков, в отличие от пульсаций люминесцентных ламп и дешевых светодиодов. Поэтому влияние пульсаций лампы накаливания на мозг при одной и той же величине КП существенно меньше, чем у других типов ламп. По этой причине и нормы по ограничению пульсаций во времена царствования ламп накаливания не вводились.

Мы видим, что во многих отношениях лампы накаливания большой мощности, накаляемые до более высоких температур, лучше и выгоднее, чем лампы малой мощности. Свет от одной 100-ваттной лампы будет лучшего качества, чем от двух 60-ваттных, и тем более лучше, чем от трёх 40-ваттных, и по цветовой температуре, и по глубине пульсаций, и по светоотдаче (энергоэффективности). Поэтому возникает недоумение: почему с 1 января 2011 года в нашей стране работает запрет на продажу именно самых мощных ламп накаливания (мощностью 100 Вт и больше)? Сегодня в продаже остались только лампы мощностью не более 75 Вт, но и их Министерство энергетики предполагает вскоре вывести из оборота.

Преимущества ламп накаливания

Главное их преимущество по сравнению со всеми другими источниками света – непрерывный, очень ровный спектр, подобный солнечному, комфортный для глаз. Из-за преобладания красного он напоминает свет вечернего Солнца и особенно хорош перед сном, способствуя выработке гормона сна – мелатонина. Переизбыток красного в спектре благодаря особенностям «кривой видности» (см. рис. 12) существенно сглаживается из-за снижения чувствительности глаза к этим длинам волн, так что мы воспринимаем свет лампы как жёлто-белый. Психологическая адаптация к цвету тоже вносит свой вклад, и белая бумага в свете ламп накаливания не кажется нам желтоватой.

Ультрафиолетового излучения они не создают совсем, что выгодно отличает их от других типов ламп. Другими словами, лампы накаливания абсолютно безвредны для сетчатки глаза. Это особенно существенно для освещения детской комнаты.

Индекс цветопередачи идеальный, то есть почти 100 (98,7–99,1).

Что ещё важно – в их составе нет токсичных компонент, так что специальной утилизации отработавших ламп не требуется.

Также нет нужды в специальных пускорегулирующих устройствах – просто подключаем лампу к электрической сети. Это достоинство мы осознали «задним числом», когда стали выпускать люминесцентные, а потом и светодиодные лампы, для запуска которых нужны специальные пускорегулирующие устройства.

Мгновенное зажигание тоже стало восприниматься как отличительное достоинство ламп накаливания только после появления люминесцентных ламп. Добавим сюда же независимость от условий окружающей среды: температуры, влажности, радиации и прочего. Лампы накаливания исправно служат в любых помещениях, в любую погоду.

Ну и напоследок – низкая цена, радующая потребителя.

Будет очень жаль, если оставшиеся в России виды ламп накаливания тоже снимут с производства, как это уже произошло в Европе и США, лишив нас свободы выбора в пределах своей квартиры. Так хочется замолвить слово «о бедном гусаре» – лампе накаливания!

Недостатки ламп накаливания

Главный недостаток, из-за которого лампы накаливания попали под опалу, – их низкая энергоэффективность (КПД, светоотдача). Во всём мире на освещение, по некоторым оценкам, тратится около пятой части всей вырабатываемой электроэнергии. Безусловно, в масштабах всей планеты и всей страны замена значительной доли ламп накаливания энергосберегающими типами необходима и даёт большую экономию электроэнергии.

Что также существенно – лампы накаливания считаются более пожароопасными, чем энергосберегающие лампы. Во-первых, стеклянная колба довольно сильно нагревается (у 75-ваттной лампы до 250 °C), и надо следить, чтобы она не прикасалась к воспламеняемым материалам (ткани, бумаге…). Во-вторых, при плохом контакте цоколя с пружиной патрона возникает нагрев патрона. (Но, заметим в скобках, чаще пожары случаются всё же не от ламп, а от неисправностей электропроводки.)

К недостаткам относят и относительно небольшой срок службы лампы. При нормальном напряжении (220 В), будучи без дефектов, она должна служить около тысячи часов, при напряжении 127 В – до 2500 часов. Кстати, продлить срок службы за счёт частого выключения и включения не получится, ведь именно при включении эти лампы чаще всего и перегорают, потому что в ещё не разогретой нити накаливания ток превышает рабочий в 10–15 раз.

Среди ламп накаливания есть долгожитель-рекордсмен: «столетняя лампа», которая горит с 1901 года в одном из пожарных отделений американского города Ливермор. Вероятно, её долгожительство объясняется тем, что лампа работает на малой мощности, в глубоком недонакале.

Галогенные лампы

По принципу работы они тоже относятся к лампам накаливания, но с некоторыми усовершенствованиями. Колба галогенной лампы наполнена не инертным газом, как во многих лампах накаливания, а химически активным газом – галогеном (это может быть фтор, хлор, бром или йод). Галогены вступают в химические реакции с испаряющимся вольфрамом нити накаливания, образуя летучие соединения. Галогениды вольфрама летают по всему объёму колбы, а вблизи нити накаливания снова разлагаются на исходные компоненты. Атомы вольфрама частично оседают обратно на нить и образуют вокруг нити вольфрамовую «атмосферу», замедляющую дальнейшее испарение. А ведь быстрое испарение нити накаливания – главное препятствие к повышению её температуры.

В галогенных лампах температура накала увеличена до 3000–3100 К. Из-за этого заметно повышаются КПД и светоотдача. Так, светоотдача 75-ваттной лампы накаливания составляет 12,5 лм/Вт, а галогенной лампы такой же мощности – 14,5 лм/Вт. У самых мощных галогенных ламп светоотдача достигает 25 лм/Вт. Спектр немного изменяется «в пользу» голубой составляющей, и свет воспринимается глазом как яркий белый, более холодного оттенка, чем у ламп накаливания, а цветопередача у галогенных ламп такая же, то есть приближается к 100.

Пульсации светового потока у них меньше, чем у традиционных ламп накаливания! Срок службы возрастает в 2–4 раза, а для низковольтных ламп ещё больше.

Можно было бы считать недостатком галогенных ламп слишком высокую температуру колбы (из-за этого в некоторых типах ламп её делают из кварцевого стекла). Но этот недостаток легко преодолевается путём помещения маленькой кварцевой колбы в привычный стеклянный баллон, так что издали вы не отличите такую лампу от обычной лампы накаливания.

Есть много разновидностей галогенных ламп по мощности, цоколю и типу исполнения. Отдельное направление – для автомобильных фар.

Галогенные лампы разнообразны и универсальны в употреблении. Есть виды, подходящие для точечного освещения, использования в натяжных потолках, лампы с отражателем для создания направленного светового потока, а есть варианты, заменяющие лампы накаливания в привычных светильниках. Их можно использовать с диммерами и выключателями, имеющими световой индикатор. Есть низковольтные лампы, питающиеся от сети напряжением в 12 в или 24 в (для их подключения требуется трансформатор).

В 2016 году среди проданных ламп больше половины составляли лампы накаливания, а в 2020 году их доля сократилась до 30 %, не считая галогенных ламп, доля которых в общем числе проданных ламп – 9,5 %.

Лампы накаливания долгое время были самыми популярными источниками света в наших домах, но последние десятилетия их начали активно вытеснять энергосберегающие типы ламп, люминесцентные и светодиодные.

Глава 4

Люминесцентные лампы

Исторически первыми на смену лампам накаливания пришли люминесцентные лампы: сначала – на производстве и общественных местах, а потом – и в быту. Переходим к разговору о них.

Принцип работы

Чтобы понять, как работают эти лампы, нам придётся вкратце познакомиться с двумя физическими явлениями: газовыми разрядами и люминесценцией.

При прохождении тока через газы могут возникнуть те или иные световые и шумовые явления. Например, молния (искровой разряд). Но нас сейчас интересует так называемый тихий разряд – тлеющий. Для его возбуждения надо заполнить стеклянную трубку каким-то газом при низком давлении и приложить значительное постоянное или выпрямленное напряжение. Тогда газ начнёт светиться. Но спектр свечения будет не непрерывный, а линейчатый. Если разложить свет разряда в спектр с помощью призмы, то мы увидим не сплошную полосу с радужной окраской, как в спектрах Солнца и лампы накаливания, а отдельные цветные линии, разделённые тёмными промежутками. Линии какого именно цвета будут представлены в спектре, зависит от состава газа. Спектр – «визитная карточка» газа. Подчеркнём ещё раз, это важно: свечение тлеющего разряда – смесь отдельных монохроматических излучений. Ну а глаз такую смесь воспринимает как некий цвет. К примеру, трубка с неоном даёт оранжево-красное свечение, с аргоном – синевато-зелёное. Такие трубки используют в рекламе.

Почему газовые разряды могут сопровождаться свечением? Электроны, движущиеся в газе при пропускании тока, сталкиваются с атомами или молекулами газа и могут их возбудить или ионизовать, то есть перевести в состояние с большей энергией. Возвращаясь через короткое время в основное состояние, атомы или молекулы излучают свет.

В бытовых лампах, о которых дальше пойдёт речь, газовый разряд происходит в смеси аргона и паров ртути, излучающей преимущественно синий и зелёный свет, а также много ультрафиолета. Сам по себе такой свет не годится для освещения. Но ультрафиолетовое излучение можно превратить в видимый свет с помощью ещё одного физического явления – люминесценции.

Некоторые вещества (их называют люминофорами) поглощают свет коротких длин волн, в том числе ультрафиолет, а затем излучают его в виде более длинных волн видимого диапазона. Это и есть люминесценция (название происходит от латинского lumen – свет). Вспомним светящиеся брошки или ёлочные игрушки: подержали их под лампой, а потом в темноте в течение нескольких минут видим свечение (некоторые люминофоры могут светиться несколько часов и даже суток). Это частный случай люминесценции – фосфоресценция, при которой свечение продолжается значительное время после прекращения исходного светового воздействия. А другие люминофоры переизлучают поглощённый свет почти мгновенно. Этот вид люминесценции называется флуоресценцией (название происходит от минерала флуорит, у которого она впервые была обнаружена). Они-то и используются в люминесцентных лампах.

Свет каких именно длин волн будет излучать люминофор, поглощая ультрафиолет, зависит от его химического состава. Внутренние стенки люминесцентной лампы покрывают таким люминофором, чтобы выходящий свет казался белым. Но спектр этого белого света не является непрерывным, он состоит из нескольких более-менее узких полос излучения аргона, ртути и люминофора.

Люминесцентные «лампы дневного света» Британская компания «Дженерал электрик» начала выпускать с 1938 года. Это были линейные (трубчатые) лампы с дешёвым люминофором, дающие холодный белый свет. В СССР массовое производство и внедрение такого рода ламп началось на 10 лет позже. В 1960–1970 годах они использовались в большинстве общественных мест, в том числе школах.

Спектр люминесцентных ламп

Люминофор – вещь чрезвычайно важная для качества света, к тому же недешёвая. В недорогих лампах используют люминофор, который излучает в основном в жёлтой и синей частях спектра, а красного и зелёного света даёт значительно меньше. Хотя свет такой лампы и кажется белым, цветопередача у неё плохая. В более дорогих лампах применяют «трёхполосный» или даже «пятиполосный» люминофор, излучающий в трёх или пяти диапазонах длин волн. Цветопередача становится гораздо лучше. Пример графика спектра лампы с качественным люминофором изображён на рисунке 16. Путём подбора люминофоров в специальных лампах может быть достигнута идеальная цветопередача (они используются в картинных галереях, музеях, типографиях).

И всё же, как ни крути, спектр не станет непрерывным, привычным и комфортным глазу.

В спектре люминесцентных ламп присутствует небольшая доля ультрафиолета УФ-А и УФ-В, который не полностью поглощается люминофором и стеклом. По мере «старения» лампы эта доля возрастает из-за деградации люминофора. При длительном воздействии ультрафиолет совместно с коротковолновым сине-фиолетовым излучением лампы может оказать неблагоприятное действие на роговицу и сетчатку глаза. И не будем также забывать, что синий свет блокирует выработку гормона сна – мелатонина.

Рис. 16. График спектра излучения люминесцентной лампы с «пятиполосным» люминофором

Самым опасным для сетчатки при длительном воздействии является сине-фиолетовый свет с длиной волны от 415 до 455 нм, и как раз в этой области находится пик в спектрах излучения люминесцентных ламп.

Для некоторых специальных целей ультрафиолетовое излучение является необходимым, например в люминесцентных лампах для соляриев. В этих случаях при изготовлении колб используют не обычное, а кварцевое стекло, хорошо пропускающее ультрафиолет.

Старые линейные «лампы дневного света»

Люминесцентную лампу, в отличие от лампы накаливания, нельзя напрямую включить в электрическую сеть. Для её пуска и работы требуется специальное устройство – пускорегулирующий аппарат (сокращённо ПРА).

Первые модели люминесцентных ламп (линейные лампы) работали с помощью электромагнитных ПРА (или ЭмПРА), содержащих конденсаторы, стартёр для зажигания разряда и дроссель (проволочную катушку с железным сердечником) для ограничения силы тока. Но иногда такие лампы начинали гудеть из-за испорченного дросселя. А при неисправности стартёра лампа начинала мигать. Люди старшего поколения хорошо помнят, что раздражающее гудение и нервирующее мигание были частым явлением в школьных классах, рабочих кабинетах и административных зданиях, ведь лампы дневного света с электромагнитным ПРА до 1980-х использовались практически во всех общественных местах.

Излучение ламп с ЭмПРА пульсирует с удвоенной технической частотой, то есть 100 Гц, причём коэффициент пульсаций достигает 50, а иногда и 100 % и наносит огромный вред зрению и здоровью. Несколько поколений людей благодаря таким лампам испортили своё зрение и нервы.

И очень существенный недостаток линейных ламп старого образца – большое содержание паров ртути (десятки миллиграммов). При разбитой колбе эти пары оказывались в воздухе помещения. Серьёзного отравления от одной разбитой лампы не будет, но ртуть имеет свойство накапливаться в организме годами, а это чрезвычайно токсичное вещество! Вышедшие из строя лампы было необходимо должным образом утилизировать, что требовало материальных затрат, поэтому далеко не всегда соблюдалось на практике. Ртуть попадала в окружающую среду, загрязняя её.

Несмотря на очевидные недостатки, эти «лампы дневного света» терпели из-за гораздо более высокой светоотдачи (КПД), в несколько раз превышающей светоотдачу ламп накаливания.

Можно только радоваться, что такие лампы канули в прошлое. На смену им в 1990-х пришли компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), которые быстро начали вытеснять не только своих линейных собратьев из учреждений, но и лампы накаливания из наших домов.

Компактные люминесцентные лампы

Лампы нового поколения оснащены не электромагнитными, а электронными пускорегулирующими аппаратами (ЭПРА) на полупроводниковых элементах. ЭПРА надёжны и компактны – их можно установить прямо в цоколе лампы (точнее, в корпусе между цоколем и газоразрядной трубкой). Оснащённая ЭПРА лампа не мерцает, не гудит, быстрее зажигается и входит в рабочий режим. Благодаря ЭПРА стало возможным выпускать компактные люминесцентные лампы (КЛЛ).

КЛЛ, как и линейная лампа, содержит газоразрядную трубку, только меньшей длины и скрученную в виде спирали, так что по габаритам такие лампы могут не сильно отличаться от ламп накаливания. Многие виды КЛЛ можно вкручивать в те же самые патроны, что и лампы накаливания. Форма колб КЛЛ может быть самая разная; некоторые лампы имеют несколько трубок (рис. 17).

Рис. 17. Примеры различного вида КЛЛ

Из-за уменьшения размеров газоразрядных трубок светоотдача КЛЛ тоже уменьшилась, и всё же она составляет от 30 до 65 лм/Вт против 12–15 лм/Вт у ламп накаливания. Линейные лампы не ушли со сцены, но их тоже стали оснащать электронными ПРА. Светоотдача современных линейных ламп достигает 80–100 лм/Вт. Правда, со временем из-за затемнения трубок люминесцентные лампы теряют до 30 % светового потока.

ЭПРА высокого качества решают и проблему пульсаций излучения. Электронная схема ЭПРА преобразует сетевое напряжение (50 Гц) в высокочастотное напряжение (20–40 кГц), которое и питает лампу. А как вы помните, мерцание с частотой выше 300 Гц уже не воспринимается глазом и мозгом. Зато и цена лампы за счет качественного ЭПРА сильно возрастает. Если же вы встречаете недорогой товар, то наверняка производители сэкономили на электронике, и свет лампы будет сильно пульсировать.

В продаже часто встречаются лампы с некачественным ЭПРА. Их коэффициенты пульсаций достигают 45–50 %.

Есть простой способ проверить, пульсирует ли свет лампы, с помощью видеокамеры смартфона. Надо поднести камеру довольно близко к лампе, так, чтобы на экране был виден большой светлый круг. Если по экрану пойдут полосы, то яркость лампы пульсирует. Но если лампа далеко (на потолке), способ не сработает.

У линейных ламп старого образца цветопередача была довольно плохой. У современных ламп, в зависимости от качества люминофора, индекс цветопередачи колеблется от 60 у не слишком дорогих ламп до 98 у специальных; чаще всего он будет в районе 80, причём чем лучше светоотдача, тем хуже цветопередача.

Преимущества люминесцентных ламп

Главное – это, конечно, значительная экономия электроэнергии в масштабах страны и всего мира. На пару десятилетий, пока на смену не пришли светодиодные лампы, за КЛЛ закрепилось название «энергосберегающие лампы».

Что касается экономии ваших личных средств на оплату электроэнергии, то экономия здесь не столь очевидна: вы платите меньше за освещение при той же яркости света, но больше за покупку самих ламп (будем считать, что вы покупаете качественные лампы). Оценки показывают, что экономия будет достигнута при ежедневном использовании лампы не менее трёх часов. Помещения, в которых свет включается редко и ненадолго, не стоит освещать с помощью КЛЛ.

Ещё одно достоинство КЛЛ – увеличение срока службы в несколько раз по сравнению с лампами накаливания. На упаковках КЛЛ декларируется срок службы до 12–15 тысяч часов, хотя на практике он может оказаться гораздо меньше, если лампу часто включают-выключают или используют в помещениях с высокой влажностью.

Широкий выбор цветовых температур от 2700 К (мягкий белый) до 6400 К (холодный белый) тоже можно отнести к достоинствам.

Отметим ещё пониженную пожароопасность, ведь люминесцентные лампы гораздо меньше нагреваются, чем лампы накаливания.

Перевешивают ли эти достоинства недостатки? Давайте посмотрим.

Недостатки люминесцентных ламп

Начнём с не самых главных.

Существенное неудобство для потребителя состоит в том, что после включения лампа не сразу набирает полную яркость свечения, а в течение пары минут, пока идёт разогрев газа.

Люминесцентные лампы нельзя использовать с обычными диммерами (регуляторами яркости), так как они перестают работать при понижении напряжения более чем на 10 %.

В помещениях с высокой влажностью возможен пробой ЭПРА при включении. Не рекомендуется использовать обычные люминесцентные лампы и при отрицательных температурах (для этих условий нужны специальные морозоустойчивые варианты). Обычные КЛЛ максимальную светоотдачу имеют при комнатной температуре.

Имеется также проблема с покупкой качественных КЛЛ, ведь на упаковках зачатую сообщается неполная или даже недостоверная информация, а на глаз вы не отличите лампу с высококачественным ЭПРА от варианта низкого качества.

Кроме того, через год-полтора становится заметна деградация люминофора: световой поток уменьшается, свет изменяет оттенок, в нём усиливается ультрафиолетовая составляющая. Указанный на упаковке большой срок службы это явление не учитывает.

Главных же недостатков – два.

Во-первых, это спектр, состоящий из довольно узких полос, в отличие от спектра солнца и ламп накаливания. Такой спектр вызывает повышенное зрительное утомление при чтении и тонкой работе. Окулисты отмечают, что острота зрения, измеренная в свете люминесцентных ламп, уступает остроте зрения при солнечном свете или свете ламп накаливания.

Почему при свете КЛЛ хуже выполнять тонкую работу? Дело в том, что фокусные расстояния линзы-хрусталика для синего и жёлтого света отличаются (так как коэффициент преломления синего света больше, чем жёлтого, – это называется хроматической аберрацией). Из-за этого изображения предмета на сетчатке в синих и жёлтых лучах не совпадают. Глаз фокусируется по жёлто-зелёной составляющей света, так что «жёлтое» изображение получается на сетчатке чётким, а «синее» чуточку размытым. В солнечном свете жёлтый свет преобладает, так что «синее» размытие по краям изображения не особо мешает его восприятию. При свете некоторых КЛЛ, наоборот, жёлтого меньше, чем синего, и это делает изображение на сетчатке менее чётким.

Наличие ультрафиолета и избыток синего света в спектре – палка о двух концах: с одной стороны, это может уменьшить «световое голодание» тёмной зимой, с другой – может представлять опасность для глаз. Дело в том, что для сокращения хрусталика нужна большая яркость именно жёлто-зелёного света, а на синий свет хрусталик так не реагирует. Когда сине-фиолетового света много, а жёлтого – мало, то хрусталик не чувствует опасности, не сокращается в достаточной мере и не защищает сетчатку от проникновения опасных для неё лучей. Кроме того, электронный пускорегулирующий аппарат создаёт высокочастотное магнитное поле вблизи от неё (об опасности таких полей будет идти речь в следующей части книги). Особенно надо быть осторожными с КЛЛ в настольных светильниках, которые могут оказаться близко к голове. Рекомендуется располагать такие лампы не ближе 30 см от глаз.

Но самый главный недостаток – наличие ртути в газоразрядной трубке. Правда, в КЛЛ её всего 3–5 мг; если трубка разобьётся, заметного отравления парами не будет. И всё же попадание даже такого количества ртути в организм нежелательно. Опять-таки, остаётся проблема утилизации вышедших из строя ламп, а много ли у нас сознательных потребителей, готовых искать специальные пункты утилизации? Да и производители не всегда указывают на упаковках необходимость этого.

Именно из-за наличия ртутных паров с июля 2016 года всем государственным и муниципальным предприятиям и учреждениям РФ запрещено приобретать многие типы люминесцентных ламп, в том числе КЛЛ и лампы с ЭмПРА. А с 2018 года их начали постепенно выводить из оборота. Но мы ещё имеем шанс с ними встретиться: ведь множество светильников с люминесцентными лампами будет работать, пока не выработает свой ресурс, да и на складах имеется их хороший запас, так что они всё ещё продаются в магазинах. В 2020 году из всех проданных ламп люминесцентные составляли немногим менее 5 %.

Под запрет не попадают амальгамные люминесцентные лампы. В них ртуть находится в виде твёрдого сплава – амальгамы. Во время работы лампы амальгама выделяет пары ртути в трубку, а после выключения полностью поглощает её из объёма лампы.

Глава 5

Светодиодные лампы

Отказ от использования люминесцентных ламп стал возможен после выхода на арену в начале 2000-х ламп нового типа – светодиодных, или led-ламп (от английского light-emitting diode), к разговору о которых мы и переходим.

Принцип работы

Сначала о том, что такое светодиод. Это крохотный кристалл полупроводника, в одной половине которого создан путём добавления определённой примеси избыток свободных электронов, а в другой – наоборот, избыток «вакансий», так называемых дырок, которые с удовольствием захватывают свободные электроны. Это и есть светодиод. При пропускании через него тока нужного направления электроны прорываются через границу раздела двух областей и захватываются дырками. При каждом акте захвата выделяется квант света – фотон. Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра, в каком именно – зависит от химического состава светодиода.

В начале 1960-х были созданы светодиоды с красным свечением, в 1970-х годах – с зелёным и жёлтым. Но для получения белого света совершенно необходима ещё и синяя составляющая. Синие же светодиоды появились лишь 20 лет спустя, в 1993 году. С этого момента началась разработка осветительных светодиодных устройств, которые могут давать любой оттенок освещения, в том числе белый. Не удивительно, что за изобретение синих светодиодов японские учёные в 2014 году получили Нобелевскую премию.

Есть два основных способа получения белого света с помощью светодиодов.

Первый – объединить на одной матрице светодиоды трёх основных цветов: красного, зелёного и синего (технология RGB, как в цветном телевидении и фотографии). С точки зрения светоотдачи это самый выгодный вариант, но цветопередача получается не слишком хорошей, особенно для пастельных тонов. Поэтому в бытовых лампах RGB-технологию не применяют, но используют её в световых панелях или лентах.

Второй способ – покрыть кристалл синего светодиода слоем люминофора, излучающего в жёлто-оранжевой части спектра. Часть синего света проходит сквозь люминофор и смешивается с его жёлто-оранжевым свечением. Такое сочетание глаз воспринимает как белый. В отличие от КЛЛ, люминофора требуется гораздо меньше, ведь светодиод очень компактен, поэтому можно использовать более дорогие люминофоры лучшего качества и увеличивать толщину слоя люминофора, улучшая итоговый спектр. Правда, энергоэффективность при этом несколько падает. Преимущество этого способа – хорошая цветопередача.

Имеются и ультрафиолетовые светодиоды. Если желательно, чтобы излучатель имел ультрафиолетовую составляющую света, берут ультрафиолетовый светодиод и три слоя люминофоров, излучающих синий, зелёный и красный свет. Это похоже на получение белого света в люминесцентных лампах. В массовой продукции такие излучатели не используются.

Как устроена светодиодная лампа

Один светодиод светит ярко, но из-за малых размеров имеет малую световую мощность. Светодиодная лампа содержит десятки кристаллов-светодиодов, размещённых на общей плате. Каждый кристалл покрыт люминофором. В некоторых моделях ламп с прозрачной колбой вы можете увидеть жёлтые квадратики – это и есть светодиоды, покрытые жёлтым люминофором. Яркий свет крохотных светодиодов слепит глаза, поэтому в большинстве ламп светодиодная плата закрыта пластиковым колпаком-рассеивателем, который равномерно распределяет свет во все стороны.

От плато со светодиодами надо отводить теплоту, ведь при протекании тока через кристалл не вся работа электрического поля превращается в излучение – часть тратится на нагревание. Для теплоотвода лампы обычно снабжают алюминиевыми теплообменниками-радиаторами ребристой формы.

Помимо ламп, популярны светодиодные ленты: один или несколько рядов светодиодов располагают на гибкой основе. Делают и светодиодные светящиеся панели различной площади.

И непременная часть типовых светодиодных ламп, которые включаются в сеть с напряжением 220 В, – встроенный в корпус лампы источник питания светодиодной платы: драйвер. Его задача – выпрямить и сгладить пульсации напряжения, чтобы питать светодиод постоянным током. От качества драйвера зависит коэффициент пульсации лампы.

В дешёвых лампах драйвер может отсутствовать, вместо него применяется простой блок питания, не обеспечивающий стабилизации напряжения и тока. В миниатюрных лампочках драйвера нет по причине нехватки места внутри корпуса.

Особенности спектра

Спектр светодиодных ламп с люминофором, которые используются для освещения, содержит синий пик – свет самих светодиодов – и непрерывный спектр излучения люминофора, захватывающий широкую область от зелёного до красного (рис. 18). Непрерывный характер спектра является большим преимуществом led-ламп перед КЛЛ. Но обратите внимание на ярко выраженный провал в области голубого света (480 нм), а это как раз та часть солнечного спектра, которая максимально представлена в спектре голубого неба и которая стимулирует выработку «гормона бодрости» серотонина. Проблема «заполнения провала» волнует разработчиков ламп, но до сих пор ещё не решена.

Главная же опасность света led-ламп – это синий пик на длине волны около 450 нм. Многие окулисты высказывают опасения, что этот избыток синего света может вызвать помутнение хрусталика и даже провоцировать повреждения сетчатки, особенно у детей, хрусталик которых особенно прозрачен для ультрафиолета. Проблема синего пика усугубляется нехваткой красного света в спектре led-ламп. Вы ведь помните: при нехватке красного требуется бóльшая интенсивность света для зрительного комфорта. Для увеличения интенсивности мы увеличиваем число ламп – и ещё больше возрастает мощность синего света.

Особенно опасно «ударное» воздействие синего света при резком переходе от темноты к свету, когда хрусталик расширен, а сетчатка не защищена чёрным пигментом. Замечали, как хочется зажмуриться при резком включении светодиодных или люминесцентных ламп в тёмном помещении? Поэтому лучше включать такие источники понемногу, постепенно увеличивая освещённость. Имейте это в виду по утрам.

Рис. 18. Примерные спектры светодиодных ламп «холодного белого» и «тёплого белого» света

Для поражения сетчатки глаз синим светом требуется в 10–100 раз меньшая энергетическая мощность, чем для аналогичного поражающего воздействия светом в более длинноволновом участке спектра.

Приглушить синий пик можно, увеличивая толщину слоя люминофора. Правда, при этом КПД лампы понижается. В лампах «тёплого белого» света (цветовая температура меньше 3500 К) используется более толстый слой дорогого многокомпонентного люминофора с интенсивным излучением в жёлто-оранжевой области, и синий пик в спектре существенно меньше выражен, чем в лампах «дневного» (3500–5300 К) и «холодного белого» (выше 5300 К) света. К сожалению, процесс изготовления ламп «тёплого света» более сложен, и они дороже. Но самое главное: за два-три года работы люминофор успевает деградировать, и цветовая температура постепенно повышается. Лампа способна работать ещё несколько лет, но качество света будет всё хуже и хуже.

Пульсации излучения

Коэффициент пульсации зависит главным образом от качества драйвера. Хорошие светодиодные лампы практически не пульсируют (коэффициент пульсации 1–2 %). Дешёвый же драйвер вместо постоянного тока даёт на выходе выпрямленный ток частоты 50 Гц (то есть переменный ток в течение половины периода просто не пропускается). В итоге, купив дешёвую светодиодную лампу, вы можете иметь световой поток, зависящий от времени, как показано на рисунке 19. Коэффициент пульсации таких ламп приближается к 100 %. Проблема в том, что рынки и магазины заполнены led-лампами с высоким коэффициентом пульсации. Большими пульсациями грешат и так называемые «кукурузные» лампы. Даже у одного и того же производителя могут выпускаться лампы как высокого, так и низкого качества.

Рис. 19. Пульсации светового потока при питании светодиодной платы выпрямленным напряжением

Есть ещё один неприятный момент. Производитель заявляет на упаковке очень большой срок работы лампы (к примеру, 25 лет). Но электронные компоненты, входящие в состав драйвера (прежде всего электролитические конденсаторы), выходят из строя гораздо раньше, скажем, через 2–3 года, особенно если драйвер размещён в корпусе лампы и подвергается нагреву. И излучение лампы начнёт пульсировать! Это касается даже качественных ламп надёжных производителей. Так что проверяйте свои led-лампы время от времени с помощью камеры смартфона. И меняйте их, не дожидаясь окончания заявленного производителем срока работы.

Преимущества и недостатки светодиодных ламп

Преимущества многочисленны и существенны.

Светоотдача ещё больше, чем у люминесцентных ламп, и несравненно больше, чем у ламп накаливания. Она не менее 50 лм/Вт, а может достигать и 120 лм/Вт. Светодиоды позволяют в 6–10 раз сократить потребление электроэнергии на освещение, если сравнивать их с лампами накаливания.

В отличие от люминесцентных, это экологичные источники света, не наносящие ущерба окружающей среде и не требующие расходов на утилизацию (как и лампы накаливания).

Они очень долговечны, причём число включений-выключений не влияет на срок службы. Но всё же не забывайте, что характеристики излучения изменяются по мере эксплуатации: световой поток уменьшается (как и у других типов ламп), цветовая температура растёт (как и у люминесцентных ламп), да ещё могут появиться пульсации.

Как и лампы накаливания, led-лампы включаются сразу на полную яркость (в отличие от КЛЛ).

Они влагостойки и нечувствительны к низким температурам (в отличие от КЛЛ), хотя высокие температуры светодиодам вредны. По умолчанию, рабочий диапазон температур от – 30 до +60 °C.

Как и КЛЛ, светодиодные лампы менее пожароопасны, чем лампы накаливания, так как меньше нагреваются в процессе работы.

Есть и минусы.

Возможно неблагоприятное воздействие на хрусталик и сетчатку глаза из-за высокой интенсивности синей составляющей света, причём по мере использования лампы это воздействие усиливается вследствие деградации люминофора.

Надёжность электронных компонент драйвера может заметно уступать надёжности самих светодиодов, о чём производитель нас не предупреждает.

Главная же опасность – это наличие на рынке множества низкосортных дешёвых и не очень дешёвых ламп, несущих угрозу здоровью. Увы, реальные характеристики ламп зачастую не соответствуют тем, что указаны на упаковке: световой поток может быть существенно меньше, индекс цветопередачи ниже, а пульсации, несмотря на обещание их полного отсутствия, достигать 100 %. И это касается не только дешёвой китайской продукции, но и продукции некоторых российских производителей.

Как бы там ни было, светодиоды продолжают активно завоёвывать мир. По мере развития технологий цены на эти лампы быстро снижаются и уже вполне радуют покупателя. Безусловно, светодиодным источникам света принадлежит ближайшее будущее.

За пять лет, с 2016 по 2020, продажи led-ламп выросли в 2,2 раза и составили более половины полного количества проданных в 2020 году ламп.

Немного о мониторах

Вот уже несколько десятилетий нам светят не только лампы, но и мониторы компьютеров. Мы сейчас не будем говорить о старых громоздких мониторах на основе электронно-лучевых трубок, а только о современных жидкокристаллических.

Качество картинки на ЖК-мониторе компьютера или ноутбука во многом зависит от тыловой подсветки монитора. А для подсветки используют либо люминесцентные лампы, либо белые светодиоды. В обоих случаях повышена интенсивность коротковолновой синей части спектра свечения, а в случае люминесцентной подсветки ещё и ультрафиолет присутствует. Дело усугубляется тем, что мы часами смотрим прямо в монитор, ничем не защищая глаза. А потом чувствуем их усталость, сухость и ощущение «песка в глазах», потерю чёткости изображения. Хуже того, воздействие синего света может привести к образованию катаракты или макулярной дегенерации сетчатки. Неслучайно число этих заболеваний последние годы возросло.

Для тех, кто много работает за компьютером, разработаны очки со специальным покрытием, отражающим сине-фиолетовую часть излучения экрана и немного снижающим его яркость.

Пульсации излучения подсветки тоже вносят свой негативный вклад. Коэффициент пульсации особенно возрастает при понижении яркости экрана. При этом лампа подсветки начинает светить с перерывами, то есть мерцать – так технологически проще и дешевле (это называется ШИМ – широтно-импульсная модуляция). К счастью, есть и мониторы без ШИМ: в них уменьшение яркости подсветки достигается уменьшением яркости свечения самой лампы. У таких мониторов иногда в описании есть надпись «Flicker-Free» (без мерцания).

Подводя итоги

Теперь, когда мы обсудили преимущества и недостатки доступных источников света, подумаем, как лучше организовать оптимальное освещение в своём доме. Главный принцип, на который мы должны опираться при этом, – не навреди. А самое опасное для зрения, особенно детского, – это когда много синего света и ультрафиолета.

Значит, первым делом проверяем, не остались ли в квартире старые люминесцентные лампы. Может, в ванной комнате, где мы обычно проводим полчаса перед сном? Нам ни к чему лишать себя гормона сна мелатонина из-за присутствующих в свете старых ламп синей и ультрафиолетовой составляющих. К тому же они наверняка сильно пульсируют из-за преклонного возраста.

Безусловно, самое безопасное для глаз решение – использовать в жилых комнатах старые добрые лампы накаливания (лучше максимально доступной мощности, а также галогенные). О цветопередаче тогда можно не беспокоиться, она практически идеальна, да и пульсации не опасны. Если это решение неприемлемо (например, из-за соображений экономии, а для жителей Европы и Америки оно просто недоступно), то покупаем лучшие светодиодные лампы тёплого света (с цветовой температурой не выше 3000 К) и каждую проверяем на пульсации с помощью камеры смартфона ещё в магазине. Надписям на упаковках доверять не стоит. И регулярно совершаем ревизию горящих в квартире ламп со смартфоном в руках. Свет пульсирует – зрение перенапрягается, глаза быстро устают, и нервная система расшатывается. Поскорее избавляемся от пульсирующих ламп, не экономим. И помним, что диммеры усиливают пульсации. Для ослабления света лучше выключим часть ламп. И не забываем, что утро надо начинать с минимальной освещённости.

Обратим также внимание на конструкцию светильников: они не должны слепить глаза. Лучше, если свет направляется на белый потолок, рассеиваясь, и равномерно освещает комнату. Неприемлемый вариант – яркие точечные светильники. Смотреть на яркий источник света – это прямой путь к разрушению зрения, особенно детского. А сколько раз приходилось наблюдать картину в магазине: малыш лежит в коляске и таращит глаза на точечные светодиодные светильники на потолке. Родители, будьте бдительны!

Отдельная забота – организация освещения рабочего стола. Светодиодные лампы, как уже говорилось, должны быть удалены от головы минимум на 30 см. Опять-таки самый безопасный вариант – лампа накаливания.

Итак, после всего сказанного в данной части книги мы убедились, что свет Солнца – видимый, ультрафиолетовый и инфракрасный – активно воздействует на нас и совершенно необходим не только для зрения, но и для регуляции биологических ритмов. И пока что никакие искусственные источники света не могут полностью его заменить. Но наука продолжает развиваться, учёные пытаются не только совершенствовать светодиодное освещение, но и создать иные типы ламп, работающие на других физических принципах. Будем ждать и надеяться.

Часть 3

Электромагнитные поля и человек

Человек, как и всё живое, эволюционировал в тесной взаимосвязи с условиями окружающей среды. Мы уже обсудили, насколько тонко наше зрение и гормональная система настроены на состав солнечного света у поверхности Земли. Не менее удивительна наша связь с естественными электромагнитными полями. Но в современном мире эти поля почти полностью заглушены гораздо более сильными техногенными полями. Как это может отразиться на нашем здоровье? Об этом пойдёт разговор в третьей части книги.

Но сначала вкратце остановимся на некоторых физических законах, которым подчиняются все электромагнитные явления.

Глава 1

Законы электромагнетизма

Роль электромагнитного взаимодействия в мире

Для начала хочется, чтобы вы прониклись уважением к электромагнитному взаимодействию, к этой фундаментальной силе природы.

Вся известная нам материя Вселенной построена из частиц, имеющих электрический заряд: протоны и нейтроны ядер сделаны из заряженных кварков; заряженные ядра, удерживающие вокруг себя заряженные электроны, образуют атомы. И хотя атомы сами по себе электронейтральны, их объединение в молекулы тоже связано с взаимодействием входящих в их состав зарядов. Благодаря электрическому притяжению молекул образуются жидкие и твёрдые вещества, то есть и мы с вами. Благодаря электрическому отталкиванию молекул вы не проваливаетесь сквозь землю или сквозь стул. Можно смело сказать: всё вещество видимого мира существует в привычных формах благодаря электрическим зарядам. Электрическое взаимодействие (правильнее сказать, электромагнитное, как мы поймём в дальнейшем) – это то фундаментальное взаимодействие, которое создаёт весь окружающий мир. Второе «слагаемое», формирующее мир, – это гравитация, соединяющая огромные массы вещества в космические тела. Но наши тела какое-то время могут существовать и без гравитации, а вот без электромагнитного взаимодействия – ни одного мгновения!

Что же такое электрический заряд? Мы до конца не понимаем этого. Можно только сказать, что это фундаментальное свойство, изначально присущее фундаментальным частицам материи, как им присуща масса. Благодаря этому свойству – заряду – частицы участвуют в электромагнитном взаимодействии, законы которого физикам хорошо известны. Благодаря массе частицы участвуют в гравитационном взаимодействии.

Несколько слов о фундаментальных частицах материи. Согласно современной теории микромира – так называемой Стандартной модели – к фундаментальным (то есть не составным частицам), помимо кварков и электронов, относятся не имеющие заряда нейтрино, а также два более массивных «двойника» электрона – мюон и таон. К тому же у каждой фундаментальной частицы есть своя античастица. Но для построения атомов хватает протонов с нейтронами (состоящими из самых лёгких кварков) и электронов. Остальные частицы рождаются в ядерных реакциях внутри атомов и внутри звёзд, а затем распадаются. Только легчайшие нейтрино живут сколь угодно долго и пронизывают всю Вселенную.

Заряды. Статическое электричество

Начнём с того, что есть заряд и антизаряд, но мы больше привыкли называть их положительным и отрицательным зарядами. При соединении равного количества заряда и антизаряда происходит их нейтрализация. Исторически сложилось так, что заряд электрона назвали отрицательным, а протона – положительным.

Одноименные заряды отталкиваются, а разноимённые – притягиваются, причём сила взаимодействия убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между зарядами. Это закон Кулона. Математически он очень напоминает закон всемирного тяготения Ньютона. Но надо отметить, что электрическое взаимодействие гораздо мощнее гравитационного. К примеру, сила электрического отталкивания двух электронов больше силы их гравитационного притяжения на таком же расстоянии в 10^43 раз! У такого числа и названия-то нет. Поэтому электрическое взаимодействие доминирует «в масштабах человека», а гравитационное взаимодействие становится заметным только при огромной массе хотя бы одного из тел.

Самое древнее, известное ещё древним грекам электрическое явление – электризация трением. При этом мизерная доля лёгких электронов переходит с одного тела на другое; тела заряжаются разноимённо и притягиваются друг к другу. Это явление называют также статическим электричеством. Кстати, не обязательно что-то специально натирать, статический заряд часто появляется без нашего желания: шагаешь по синтетическим коврам, съезжаешь с пластиковой горки, снимаешь синтетическую рубашку или шерстяной свитер, выходишь из автомобиля, наливаешь бензин из канистры – рождается статический заряд. А поднесёшь потом руку к батарее или к другому человеку, и вот вам микромолния, то есть электрический разряд – кратковременный ток через воздушный промежуток между телами. Разряд статического электричества для человека в принципе не представляет особой опасности. Но он неприятен. А иногда и пожароопасен. Так, при заправке автомобиля бензином из пластмассовой канистры могут воспламениться пары бензина.

Из-за статического электричества предметы притягивают к себе пыль. Протрешь мебель сухой тряпкой – пыль тут же вернётся. Надо проводить влажную уборку, она снимает статический заряд с поверхности, и предмет становится ненаэлектризован на некоторое время.

Электромагнитное поле

Заряды чувствуют друг друга на расстоянии благодаря электрическому полю – особой материальной среде, возникающей вокруг каждого заряда. Первым об этом заговорил Майкл Фарадей в 1830 году, а ещё на сто лет раньше – российский физик Рихман, тот самый, который был убит молнией во время изучения грозы.

Электрические поля пронизывают буквально всё вокруг: они внутри атомов, между молекулами. Они окружают заряженные тела. Электрическое поле создаётся и самим земным шаром (об этом подробнее в следующей главе).

А что такое магнитное поле? Оказывается, когда заряды движутся, между ними возникает дополнительное, гораздо более слабое, взаимодействие. Если одноимённые заряды движутся в одну сторону, то будет дополнительное притяжение, в противоположные стороны – отталкивание. Это дополнительное взаимодействие движущихся зарядов называют магнитным взаимодействием. А так как оно очень слабое по сравнению с электрическим, то заметить его можно, либо когда заряды движутся очень быстро (почти со скоростью света), либо когда их очень много, причём положительных и отрицательных примерно поровну. Так, упорядоченным движением электронов среди положительных ионов кристаллической решётки обусловлено магнитное взаимодействие проводов с током.

Движущийся заряд создаёт вокруг себя не только электрическое поле, но ещё и «довесок» к нему – магнитное поле. Это просто установившийся способ описывать единое явление: поле вокруг заряда – электромагнитное поле. Электрическое поле действует на любой заряд, магнитное – только на движущий заряд. Разделение единого поля на электрическую и магнитную составляющие – дань исторической традиции.

В дальнейшем нам понадобятся количественные характеристики полей. Величину электрического поля характеризует его напряжённость (Е), единицей её измерения является вольт на метр (В/м). У магнитного поля есть разные характеристики и разные единицы их измерения, но чтобы не запутаться, мы будем использовать для его описания в этой книге магнитную индукцию (В), единицей измерения которой является тесла (Тл).

Электрическая напряжённость Е = 1 В/м – это небольшая величина. Когда возникает пробой воздуха при статическом разряде, напряженность в месте искры достигает трёх миллионов вольт на метр.

А вот магнитная индукция В = 1 Тл – это очень сильное магнитное поле. Такая индукция характерна для сильных постоянных магнитов, применяемых в электродвигателях и генераторах. Магнитные поля от 1 до 3 Тл используются в медицине при МРТ (магнито-резонансной томографии).

Для понимания дальнейшего подчеркнём ещё раз: магнитное поле всегда возникает вокруг проводов с током. Все электрические приборы питаются током. Чем больше ток (то есть чем больше мощность, потребляемая электрическим прибором), тем более сильное магнитное поле он создаёт вокруг себя. Естественно, это поле с расстоянием убывает.

А откуда же берётся поле постоянных магнитов, ведь мы не пропускаем через них токи? Ещё Ампер в 1820 году догадался, что оно возникает от упорядоченных атомных микротоков, похожих на крохотные круговые виточки. Чтобы все микротоки были одинаково ориентированы, магнит надо намагнитить, поместив во внешнее магнитное поле. Способностью сильно намагничиваться обладают ферромагнетики: железо, кобальт, никель и редкоземельные металлы. При нагревании выше определённой температуры эти вещества теряют свои магнитные свойства.

Магнитное поле Земли, как предполагают, порождается круговым током, циркулирующим во внешнем жидком ядре из-за вращения Земли.

В наших телах тоже имеются свободные (способные куда угодно двигаться) заряды и токи. Носителями заряда являются нейроны, а в разных клетках организма и в крови присутствуют ионы металлов, в том числе железа. Все эти компоненты создают собственные электрические и магнитные поля, характерные для разных органов, и реагируют на внешние поля. Мы получаем информацию об электрической активности сердца с помощью электрокардиограмм, мозга – электроэнцефалограмм. Много информации о сердце и мозге могут дать магнитограммы.

Более ста лет физики не знали, что же представляет собой эта таинственная субстанция – электромагнитное поле, – хотя прекрасно изучили законы, которым оно подчиняется. В середине XX века квантовая электродинамика раскрыла тайну электромагнитного поля: оно состоит из «супа» виртуальных фотонов и виртуальных электронно-позитронных пар, непрерывно рождающихся и исчезающих в пространстве вокруг заряженной частицы.

Индукционные токи

Все знают, что для получения тока в цепи надо, чтобы в цепи присутствовал источник напряжения, например аккумулятор или батарейка. Но Фарадей обнаружил, что можно получить ток в проводящем контуре безо всяких источников! Надо только, чтобы магнитный поток через этот контур изменялся по любым причинам. А что такое магнитный поток? Это, грубо говоря, произведение магнитной индукции на площадь, ограниченную контуром. Но важна также и ориентация контура относительно магнитного поля. Чтобы магнитный поток изменялся, можно или менять само магнитное поле в месте нахождения контура, или поворачивать контур в неизменном магнитном поле. По этому принципу работает генератор переменного тока: рамку, состоящую из многих витков, вращают между полюсами магнита, или, наоборот, магнит вращают вокруг неподвижной рамки. В обоих случаях через витки рамки течёт ток – тот самый переменный ток, которым мы активно пользуемся. Такой ток, созданный путём изменения магнитного потока, называют индукционным. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем больше величина индукционного тока. Это суть закона электромагнитной индукции Фарадея.

Если линии магнитной индукции составляют угол α с направлением нормали к площадке S, то магнитный поток через эту площадку равен BS·cosα. Изменение магнитного потока в электрогенераторах достигается за счёт изменения угла α при вращении рамки.

Но каким образом изменяющееся магнитное поле заставляет двигаться электроны в неподвижном проводнике? Ведь на неподвижные (в среднем) заряды магнитные поля не действуют. Размышляя над этой загадкой, Максвелл пришёл к выводу: изменяющееся со временем магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, то есть поле, линии напряженности которого замкнуты сами на себя. Оно-то и приводит в движение электроны в проводящем контуре, создавая индукционный (или вихревой) ток.

При протекании любого тока, в том числе индукционного, проводник нагревается. Мы используем разогрев индукционными токами в индукционных электроплитах: токовые катушки создают сильное переменное магнитное поле высокой частоты, возбуждающее индукционные токи в посуде со специальным ферромагнитным слоем на дне. Вот и получается: сама конфорка холодная, а посуда на ней вместе со своим содержимым нагревается.

Забегая вперёд, отметим, что индукционные токи – один из главных механизмов воздействия на нас переменных магнитных полей, особенно высокочастотных.

Излучение электромагнитных волн

Электрическое и магнитное поля тесно связаны друг с другом. Подобно тому, как изменяющееся магнитное поле порождает электрическое, изменяющееся электрическое поле порождает магнитное.

Итак, электрическое поле создаётся не только зарядами, но и изменяющимся магнитным полем. Магнитное поле создаётся не только токами, но и изменяющимся электрическим полем. Этот процесс взаимного порождения полей, начавшись в некоторой точке пространства, распространяется от точки к точке всё дальше и дальше – это и есть электромагнитная волна.

Электромагнитные волны были предсказаны Максвеллом на основе полной системы уравнений, описывающей эти поля (уравнений Максвелла), и обнаружены экспериментально Генрихом Герцем в конце XIX века.

Более полувека физики не верили в существование электрического и магнитного полей, предсказанных Фарадеем. Построение полной теории электромагнитных полей Максвеллом (1865 г.) не убедило их в реальности существования полей. Только после опытов Генриха Герца (1888 г.) по излучению и приёму электромагнитных волн электромагнитные поля стали рассматриваться как объективная реальность.

Как же «запустить» в пространство электромагнитную волну? Ответ: для этого надо заставить заряды в каком-то месте двигаться с ускорением, и из этого места и начнёт распространяться электромагнитная волна. Чем больше ускорение, тем больше интенсивность волны. Один из способов сообщить ускорение зарядам – это заставить их колебаться туда-сюда с большой частотой. Чем больше частота колебаний, тем больше ускорение (оно пропорционально квадрату частоты) и больше интенсивность излучения (она пропорциональна квадрату ускорения, то есть частоте в четвёртой степени). На этом принципе основано излучение всех антенн: от смартфона до радиовещания.

Подчеркнём: чтобы интенсивность излучения электромагнитных волн была хоть сколько-то ощутима, частота колебаний в антенне должна быть очень большой – десятки килогерц и больше. На технической частоте 50 Гц никакого электромагнитного излучения нет! Иногда говорят: проводка или прибор, работающий на переменном токе, излучает электромагнитное поле. Это не совсем корректно: вокруг проводов проводки есть электромагнитное поле, но никакие волны она не излучает. Излучают радиоантенны, смартфоны и базовые станции, микроволновые печи, беспроводные наушники, радионяни, Wi-Fi роутеры и так далее.

Чем больше частота, тем меньше длина волны, как и для звуковых волн. Самые короткие радиоволны с длиной волны (в воздухе) от 1 мм до 1 м называют микроволнами, их частоты лежат в пределах от 30 МГц (мегагерц, то есть миллионов герц) до 300 ГГц (гигагерц, то есть миллиардов герц). Микроволны излучают любимые нами гаджеты, роутеры, микроволновки. Ещё более короткие волны – это уже инфракрасное излучение, источником которого являются все нагретые тела (мы сами создавать излучатели таких больших частот не умеем).

На этом завершим наш краткий экскурс в науку электродинамику и поговорим о тех естественных электромагнитных полях, в которые мы были погружены в доиндустриальную эпоху, пока они не были сильно искажены достижениями нашей технической цивилизации.

Глава 2

Естественные электромагнитные поля

Земной шар обладает собственными электрическим и магнитным полями, а ещё вблизи поверхности Земли наблюдается некий фон электромагнитных волн низких и сверхнизких частот. Итак, по порядку.

Электрическое поле Земли

Земля – это огромный заряженный шар, имеющий большой отрицательный заряд (почти полмиллиона кулон). Но из космоса этот заряд не заметен, так как он компенсируется таким же по величине положительным зарядом, сосредоточенным, в основном, в ионосфере на высоте около 50 км от земной поверхности; избыток положительных ионов имеется также в нижних слоях атмосферы. В целом Земля со своей атмосферой имеют нулевой суммарный заряд.

Но около поверхности земли имеется электрическое поле. В ясную погоду над пустынной равниной его средняя напряженность равна 100–130 В/м, над океанами 80–90 В/м. Почему мы говорим о пустынной равнине? Потому что присутствие предметов и живых существ сильно изменяет земное электрическое поле. С высотой электрическое поле Земли быстро убывает (так, на высоте 1,5 км оно уже в 4 раза слабее) и исчезает на расстоянии 50–60 км от поверхности.

Заряд Земли и её поле изменяются в течение суток: они минимальны в 3–4 часа по Гринвичу и максимальны около 19 часов – на всей Земле!

Из-за избытка положительных ионов в воздухе к земле постоянно течёт слабый ток. Полный ток, достигающий поверхности земли, равен 1800 А, то есть ежесекундно отрицательный заряд Земли уменьшается на такое же количество кулон. Казалось бы, из-за этого Земля должна быстро потерять свой заряд, однако этого не происходит. В чём же причина?

Разгадку подсказал тот факт, что около 19 часов по Гринвичу достигает максимума степень грозовой активности на всей Земле (в основном это тропические грозы) – тогда же, когда максимально электрическое поле Земли. Именно молнии снабжают Землю отрицательным зарядом. Слабые атмосферные токи разряжают Землю, а молнии заряжают. В среднем в Землю бьёт 60–100 молний в секунду, и каждая молния приносит отрицательный заряд до 20 Кл.

Так выглядит сильно упрощённая картина. По современным представлениям электрическое поле Земли связано со множеством процессов, происходящих в атмосфере, ионосфере и даже магнитосфере Земли, и все эти процессы объединяют общим понятием – Глобальная электрическая цепь.

Во время грозы электрическое поле под грозовым облаком меняет своё направление на противоположное, а его напряженность достигает 100 тысяч В/м.

Геомагнитное поле

Земля обладает весьма сильным магнитным полем по сравнению с другими планетами земной группы. Вблизи Земли оно имеет такой вид, будто внутри земного шара находится постоянный полосовой магнит, ось которого на 10° отклонена от оси вращения Земли. Соответственно, магнитные полюса отстоят от географических на 2–3 тысячи км. Как уже говорилось, этот магнит образован токами во внешнем жидком ядре Земли. Схематично геомагнитное поле вблизи Земли изображено на рис. 19. Линии индукции магнитного поля – это как раз те воображаемые линии, вдоль которых выстраиваются стрелки компасов. Там, где линии гуще, магнитное поле сильнее. Из рисунка мы видим, что вблизи полюсов магнитное поле более сильное, чем вблизи экватора. Индукция геомагнитного поля составляет десятки микротесла (миллионных долей тесла: мкТл), и это в тысячи раз меньше, чем локальные магнитные поля, создаваемые обычными бытовыми приборами.

На экваторе магнитная индукция в настоящее время равна 34 мкТл, на широте Москвы 50 мкТл, вблизи полюсов около 66 мкТл. В области Курской магнитной аномалии магнитное поле 100 мкТл.

Геомагнитное поле в тысячи раз слабее поля постоянного магнита, который вы можете купить в магазине.

Магнитное поле, создаваемое токами в ядре, называют главным, и его вклад в общее поле составляет 95 %. Есть ещё аномальное поле, создаваемое намагниченными горными породами, и внешнее геомагнитное поле, связанное с солнечно-земными взаимодействиями (о нём поговорим чуть позже).

На большом расстоянии от Земли геомагнитное поле несимметрично: со стороны Солнца оно «сплющено» и простирается на 10 земных радиусов, а в направлении от Солнца магнитное поле образует шлейф, тянущийся на сотни тысяч километров – дальше орбиты Луны. Такая форма возникает из-за солнечного ветра. Солнечный ветер – это непрерывный поток высокоэнергетичных заряженных частиц, главным образом протонов и электронов. Эти заряженные частицы захватываются и удерживаются магнитным полем Земли, как в ловушке. Их траектории «наматываются» на линии поля, и частицы кочуют от одного полюса к другому, постепенно растрачивая свою энергию в столкновениях с молекулами атмосферы. Ближе всего они приближаются к Земле в районе полюсов, и мы видим их атаки как полярные сияния.

Рис. 19. Линии индукции магнитного поля вблизи Земли

Области околоземного пространства с повышенной концентрацией захваченных заряженных частиц образуют радиационные пояса Земли, которые окружают Землю, подобно кольцам. Таких поясов два. Внутренний радиационный пояс находится на высоте четырёх тысяч километров от поверхности Земли и состоит в основном из протонов. Внешний пояс, расположенный на высоте 17 тысяч километров, состоит в основном из электронов. Содержимое радиационных поясов постепенно «протекает» в атмосферу, но продолжает постоянно пополняться от Солнца.

Без защиты магнитного поля с его радиационными поясами жизнь на поверхности Земли была бы невозможна. Да и саму атмосферу рано или поздно «сдуло» бы солнечным ветром, как это произошло у Марса, когда он лишился своего магнитного поля.

Когда магнитные полюса меняются местами

Прямые измерения магнитного поля проводятся всего 400 лет, а о далёких временах мы узнаём, анализируя намагниченность горных пород. Оказалось, что главное геомагнитное поле не совсем стабильно: есть вековые колебания, длящиеся столетиями, а изредка случаются «геомагнитные рывки» продолжительностью не больше года. Это всё так или иначе связано с токами в ядре. Но самое интересное, что примерно раз в миллион лет северный и южный магнитные полюса меняются местами, то есть происходит инверсия магнитных полюсов. Процесс это небыстрый, длящийся несколько тысяч лет, и в течение какого-то времени геомагнитное поле становится очень слабым, так что всё живое на Земле оказывается под угрозой. Последняя такая инверсия произошла около 770 тысяч лет назад.

Возможны также ситуации, когда полюса меняются местами на короткое время порядка сотен лет, а потом возвращаются обратно. Последнее такое событие произошло 42 тысячи лет назад («событие Лашамп»). Магнитное поле имело противоположное направление в течение примерно 440 лет, а переходные периоды длились по 250 лет. Во время переходов магнитная индукция составляла всего 5–10 % от обычной! Космические частицы, проникая в атмосферу, разрушали озоновый слой, что привело к увеличению потока ультрафиолета. Древние люди вынуждены были прятаться в пещерах. Предполагают, что неандертальцы не выдержали конкуренции с гомо сапиенс в борьбе за пещеры. Серьёзные климатические изменения на Земле, вымирание мамонтов и мегафауны Австралии тоже связывают с этим событием.

Магнитные полюса всегда находятся в движении. Но с 1990-х движение северного магнитного полюса ускорилось в 4 раза. За последние 150 лет геомагнитное поле уменьшилось на 10 %. Эти изменения происходят неравномерно: где-то поле ослабевает сильнее, а где-то даже усиливается. Учёные опасаются нового «события Лошамп».

Магнитные бури

При вспышках на Солнце миллиарды тонн плазмы (заряженных протонов, ядер гелия и электронов) выбрасываются в космос. Если выброс попадает в Землю (это может произойти через 2–3 дня после вспышки), геомагнитное поле испытывает возмущения. В магнитно-спокойные дни вариации геомагнитного поля во много тысяч раз меньше постоянно действующего поля, а во время сильных вспышек всплески магнитных полей увеличиваются в десятки раз, их величина достигает 1 % от стационарного поля – это так называемые магнитные бури. При буре земное поле меняется с амплитудой в сотые доли мкТл в минуту (напомню, что в Москве магнитная индукция стационарного поля 50 мкТл). Сильные магнитные бури возникают в основном в активной фазе солнечного 11-летнего цикла. В годы минимума солнечной активности мы имеем лишь несколько бурь в течение года, при максимумах солнечной активности – до 50 бурь в год. Фаза нарастания магнитных возмущений длится около 7 часов, а возвращение поля к исходному состоянию занимает около трёх суток. Это означает, что в годы активного солнца мы чуть ли не половину времени живём в условиях умеренных и сильных бурь.

Хотя относительная величина магнитных всплесков на первый взгляд не впечатляет, они несут угрозу высокотехнологичной инфраструктуре и могут выводить из строя космические аппараты.

Самая мощная в истории наблюдений геомагнитная буря произошла в 1859 году, то есть больше 160 лет назад. Тогда северное сияние можно было увидеть даже на широте Кубы. Телеграф вышел из строя по всей Европе и Северной Америке на несколько дней. По оценкам, амплитуда всплесков достигала 0,9 мкТл. В нашу высокотехнологичную эпоху такое событие нанесло бы колоссальный ущерб экономике! К счастью, антарктические ледяные керны свидетельствуют, что столь сильные магнитные бури происходят раз в 500 лет.

Действуют ли магнитные бури на людей? Исследования дают противоречивые результаты. С одной стороны, есть свидетельства служб скорой помощи, что в течение 1–2 дней после начала бури возрастает число обращений людей с сердечно-сосудистыми проблемами. Однако строгими статистическими расчётами эти утверждения не подкреплены. Исследователям всё же удалось выявить статистически значимый тренд, связывающий геомагнитные бури с усилением психотической депрессии у мужчин. Также удалось экспериментально подтвердить, что работа сердечно-сосудистой системы зависит от геомагнитной обстановки.

В целом, российские учёные склонны допускать, что магнитные бури влияют на здоровье человека (хотя механизмы такого влияния до сих пор неясны), а западные и американские учёные отвергают эту идею. Так или иначе, исследования о воздействии солнечных вспышек на людей продолжаются.

Электромагнитные волны в атмосфере

До сих пор мы говорили о стационарных электромагнитных полях и их случайных возмущениях.

Но есть ещё один постоянно действующий фактор – это стоячие электромагнитные волны низких и сверхнизких частот, так называемые резонансы Шумана (в честь профессора Мюнхенского университета В. Шумана, теоретически предсказавшего их в 1952 году).

Дело в том, что пространство между Землёй и ионосферой представляет собой гигантский электромагнитный резонатор. Подобно звуковым резонаторам, он усиливает колебания с определёнными частотами, зависящими от размеров и формы резонатора. Основные собственные частоты электромагнитного резонатора Земля-ионосфера лежат в диапазоне от 7,83 до 50 Гц (сейчас известно восемь частот Шумана, их округлённые значения: 8, 14, 20, 26, 32, 39, 45 и 50 Гц). Ионосферный резонатор постоянно возбуждается и подпитывается энергией от молний, бьющих ежесекундно в Землю.

Человек, как и всё живое, сформировался в полости этого резонатора. И не случайно основные шумановские частоты соответствуют диапазонам альфа– и бета-волн мозга человека. Наиболее интенсивной является шумановская волна со средней частотой 7,83 Гц, соответствующая альфа-диапазону мозговых волн человека (7,5–13 Гц). Интересно, что не только у человека, но и у большинства живых существ, независимо от размера мозга, в электрической активности мозга доминирует частота около 8 Гц.

Шумановские волны необходимы для синхронизации биоритмов всего живого на Земле. Эксперименты по стимуляции мозга волнами различной частоты показали, что частота 7,83 Гц способствует переходу из активного бодрствования в спокойное, умиротворённое состояние. Стимуляции в бета-диапазоне (14–30 Гц) повышают умственную активность и внимание. У добровольцев же, помещённых в бункеры, отражающие шумановские волны, через три недели развивались эмоциональные нарушения и мигрени.

Между тем городские жители постоянно находятся в такого рода «бункерах»: ведь интенсивность шумановских волн столь невелика, что они практически полностью заглушаются электромагнитным смогом городов.

На ночной стороне Земли ионосфера редеет, из-за чего интенсивность шумановских волн ночью уменьшается в 5–10 раз. Возможно, вследствие этого ночью у бодрствующих людей снижается скорость реакции и способность к абстрактному мышлению.

Глава 3

Человек в электромагнитных полях

Электромагнитное поле Земли воздействует на всю живую и неживую природу. Состояние геомагнитного поля влияет на климат и погоду. Геомагнитное поле намагничивает почвы, что сказывается на скорости роста растений. С помощью геомагнитного поля многие виды перелётных птиц, насекомых и членистоногих безошибочно определяют направление движения на тысячи километров (хотя нет единой точки зрения на то, как именно они это делают).

А насколько существенно воздействие электромагнитных полей (сокращённо ЭМП) на человека? И как сказывается на нашем здоровье всё возрастающий фон техногенных полей? Уже накоплен обширный экспериментальный материал на эту тему. И всё же вопросов здесь остаётся гораздо больше, чем ответов.

Человек как источник полей

В основе всех функций организма лежат электромагнитные взаимодействия. Жизнедеятельность сопровождается генерацией электрических полей и протеканием в тканях слабых электрических токов. Биотоки создают распределение электрических потенциалов по поверхности тела. Регистрация этих потенциалов давно уже используется в медицине – это электрокардиография и электроэнцефалография.

Биотоки порождают также биомагнитное поле, существующее внутри и за пределами тела. Другой источник магнитных полей человека – мельчайшие ферромагнитные частицы (которые сами по себе могут быть намагничены), случайно попавшие или специально введённые в организм, например с целью диагностики или терапии.

Биомагнитное поле в миллионы и миллиарды раз слабее геомагнитного, и учёные научились измерять его только в 1970-х годах с помощью сверхпроводящих сквид-магнитометров. Тогда и возникло новое научное направление – биомагнетизм. Регистрируя зависимость от времени магнитного поля сердца или мозга (то есть снимая магнитокардиограммы и магнитоэнцефаллограммы), врачи могут диагностировать те или иные заболевания. Какие-то процессы лучше видны на электрограммах, а какие-то – на магнитограммах. Каждый орган генерирует своё магнитное поле. Самое сильное биомагнитное поле создаётся сердцем. Интересно, что магнитное поле глаз сильнее, чем магнитное поле мозга (это связано с работой сетчатки).

Если вы съели консервы из жестяной банки, сквид-магнитометры обнаружат ферромагнитные частицы у вас в желудке. У сварщиков такие частицы регистрируются в лёгких.

Влияние внешних полей

Живые организмы не только создают собственные электромагнитные поля, но и отзываются на воздействие внешних полей. То, что восприимчивость к магнитному полю есть не только у птиц, но и у людей, доказано прямыми экспериментами. Хотя данные об изменениях внешнего магнитного поля в сознание человека не попадают, на электрической активности мозга в альфа-диапазоне эти изменения отражаются. По вопросу о механизмах влияния ЭМП на людей имеются разногласия, но несомненно, что одним из главных механизмов воздействия магнитного поля является индуцирование токов внутри тела. Индукционные токи текут между клетками, стимулируя нервные и мышечные ткани. Наиболее чувствительна к электромагнитным полям нервная система, но магнитное поле воздействует и на кровеносно-сосудистую систему (красные кровяные тельца способны сильно намагничиваться), на эффективность переноса кислорода кровью, транспортировку питательных веществ.

Естественное геомагнитное поле в значительной мере определяет состояние наших внутренних магнитных полей. Когда же в этот процесс взаимодействия вмешиваются искусственные источники ЭМП, по интенсивности во много раз превосходящие естественные поля, происходит нарушение синхронизации. Человек не ощущает ЭМП напрямую, и явно заметного вреда чужеродные поля не приносят, но при длительном воздействии они уменьшают нашу способность адаптироваться к другим неблагоприятным факторам, снижают иммунитет и работоспособность. Специалисты Института биофизики РАН на основании своих исследований пришли к выводу: следствием воздействия техногенных электромагнитных полей может стать синдром раннего старения организма. Его признаки: ухудшение памяти и работоспособности, снижение иммунитета, нарушение репродуктивной функции и развитие других возрастных патологий в более ранние годы.

Техногенные электромагнитные поля уже стали значимым экологическим фактором. В 1995 году Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) ввела термин «глобальное электромагнитное загрязнение окружающей среды» и включила эту проблему в перечень приоритетных для человечества. Практически все развитые страны реализуют свои национальные программы исследования биологического действия ЭМП и обеспечения безопасности человека.

Серьёзные исследования воздействия электромагнитных полей и радиоизлучений на организм человека начались ещё в СССР в 1960-х годах, когда держава готовилась стать лидером в освоении космического пространства. Ведь при полётах к Луне и другим планетам экипаж будет лишён постоянного геомагнитного поля и атакован космическими лучами (более подробный разговор о которых мы будем вести в четвёртой части книги). Как вариант защиты от космической радиации рассматривается создание мощного искусственного магнитного поля. Кроме того, значительный электромагнитный фон создаёт работающая аппаратура корабля. Эти же факторы будут действовать на лунной или марсианской базе. Как всё это может сказаться на здоровье, особенно при длительном воздействии?

Посмотрим, что же известно о влиянии полей различной интенсивности и частоты на людей.

Когда поля ослаблены

Биологическое действие наблюдается не только при усилении, но и при ослаблении электрического и магнитного полей. Тут важна степень изменения полей по сравнению с их естественными значениями. Более того, ослабление поля действует хуже, чем усиление, к которому до определённого предела организмы адаптируются.

Так, при экранировании от электрического поля у мышей и крыс обнаружились нарушения регуляции обмена веществ и рост смертности через три недели эксперимента. Но изменения были обратимы и проходили при включении «электрического душа» – немного усиленного искусственного электрического поля.

Заметим: в жилых помещениях со стальной арматурой земное электрическое поле ослаблено в 10–100 раз. Скорее «под душ», на природу!

Достаточно много фактов накоплено по магнитной депривации. Так, у крыс при ослаблении в 500 раз геомагнитного поля происходили дегенеративные изменения внутренних органов, а также сильно возрастала агрессивность. У людей-добровольцев, находившихся в сильно ослабленном магнитном поле в течение десяти суток, не обнаружили каких-либо отклонений в самочувствии и здоровье. Но более длительное отсутствие геомагнитного поля, вероятно, может вызвать более серьёзные последствия.

В середине XX века японский учёный и врач Киочи Накагава описал новую болезнь «синдром дефицита магнитного поля человека». Он убедительно показал, что у человека магнитная депривация проявляется в ухудшении сна, снижении иммунитета, быстрой утомляемости и нервозности. Геомагнитное поле ослаблено в подземных помещениях (метро, туннелях), в домах с бетонными и монолитно-каркасными стенами и перекрытиями (из-за наличия стальной арматуры).

Санитарные правила и нормы (СанПин) устанавливают предельно допустимый уровень (ПДУ) ослабления геомагнитного поля в жилых зданиях: 1,5 раза.

Эффект ослабления геомагнитного поля сильнее всего выражен в крупнопанельных домах, особенно на высоких этажах, где предельно допустимый уровень ослабления может быть превышен в 2–3 раза. В зданиях, построенных по монолитно-каркасной технологии, коэффициент ослабления обычно не превышает ПДУ. В кирпичных домах с бетонными перекрытиями ослабление ещё меньше. Но лучше всего в этом отношении деревянные дома.

В стальной коробке автомобиля, трамвая, поезда, самолёта, корабля геомагнитное поле ослаблено примерно в 50 раз! Это одна из причин, по которой длительные поездки утомляют.

Лечиться от электрической и магнитной деприваций очень просто: почаще бывать на природе.

Постоянные техногенные магнитные поля

Мы ежедневно встречаемся с постоянными магнитными полями, во много раз превышающими земное поле, в обычных бытовых устройствах: микроволновых печах (там целых два постоянных магнита), компьютерах, наушниках, смартфонах, акустических системах, видеоплеерах, электромоторах… Что же известно о действии на человека сильных постоянных магнитных полей?

Для ориентировки: стрелка компаса начинает реагировать на источник магнитного поля индукцией 0,03 Тл с расстояния 15 см.

В отличие от внешних электрических полей, магнитные поля практически полностью проникают в тело, так что весь организм испытывает их воздействие. Вопрос об их опасности или безопасности всё ещё остаётся открытым. Известно, что кратковременное воздействие сильных магнитных полей (до нескольких Тл) человек переносит без явных патологических последствий. Например, во время процедуры МРТ (магнито-резонансная томография) вы подвергаетесь действию стационарного поля от 0,01 до 3 Тл. При повороте головы в поле выше 2 Тл может возникнуть головокружение и тошнота, и виновато в этом явление электромагнитной индукции.

Ещё много веков назад постоянные магниты прикладывали к ранам и ушибам, ноющим суставам и зубам для облегчения боли и снятия воспаления. Сейчас во многих странах, особенно в Японии, популярны магнитные аппликаторы и браслеты, которые создают довольно сильные магнитные поля: от 0,01 Тл до 0,2 Тл, причём носят эти магнитные браслеты по 8–10 часов. В ряде стран, в том числе в СССР и затем в РФ, используется магнитотерапия: лечение постоянными, импульсными или низкочастотными полями. Однако в других странах, например в США, магнитотерапия считается псевдонаучным методом с недоказанной клинической эффективностью. Но как бы там ни было, ежегодные мировые обороты индустрии магнитотерапии превышают миллиард долларов.

Санитарные правила и нормы (СанПин) не устанавливают предельно допустимых уровней (ПДУ) для постоянных полей в быту, ограничения есть только для рабочих мест. Так, для длительного пребывания (1–8 часов) установлен ПДУ постоянного магнитного поля 0,01 Тл (10 тысяч мкТл, то есть в 200 раз больше естественного геомагнитного поля на широте Москвы), при кратковременном (до 10 минут) – 0,03 Тл. При кратковременном локальном действии (на отдельную часть тела) разрешены поля до 0,05 Тл. Заметьте: магнитные браслеты могут создавать локальные поля до 0,1 Тл! Так что хорошо подумайте, прежде чем долго их носить.

При желании вы можете придерживаться рекомендации Международной ассоциации радиационной защиты (IRPA): для населения постоянно действующее техногенное магнитное поле не должно превышать 100 мкТл (0,0001 Тл) – это вдвое больше геомагнитного поля на широте Москвы. Чтобы быть спокойным на этот счёт, не стоит, к примеру, ставить у изголовья кровати устройства, содержащие сильные постоянные магниты.

ВОЗ считает, что имеющихся на сегодня данных о возможных долгосрочных или отсроченных последствиях воздействия на людей постоянных магнитных полей недостаточно для окончательных выводов. Проблема требует дальнейших исследований.

Поговорим теперь о переменных полях.

Влияние полей технической частоты

Среди всех переменных полей со сверхнизкими частотами (таковыми считаются частоты до 300 Гц) особое положение занимают поля технической частоты 50–60 Гц, потому что мы буквально купаемся в них в повседневной жизни. Эти поля создаются электропроводкой, всеми бытовыми приборами, питающимися от сети переменного тока, линиями электропередач, трансформаторными подстанциями. На переменном токе технической частоты работает железнодорожный транспорт (городской же транспорт на электротяге использует постоянный ток).

Вспомним ещё раз закон электромагнитной индукции: изменения магнитного потока создают индукционные электрические поля и токи. При постоянном магнитном поле изменения магнитного потока могут возникать при ваших движениях и поворотах, но это будут медленные изменения! При полях порядка геомагнитного или чуть более сильных индукционные токи чрезвычайно малы. Другое дело – переменные магнитные поля технической и более высоких частот. Они индуцируют гораздо более сильные электрические поля и токи в организме, которые воздействуют на нервы и мышцы. У человека может увеличиться частота пульса, начать болеть голова. Всё зависит от амплитуды переменных полей.

Не забывайте, что есть ещё и биоэффективные частоты человеческого тела – мы уже говорили о них в первой части книги. В диапазон частот от нуля до 100 Гц попадают частоты отклика кровеносной, сердечно-сосудистой и переферической нервной систем, а также основные ритмы мозга. Резонансные частоты нервных волокон 50–60 Гц близки к технической частоте. Любой сбой ритма этих важнейших систем может отозваться во всём организме. Особенно опасны частоты около 10 Гц (частота сердца) и 8–12 Гц (диапазон альфа-волн).

В конце 1970-х годов в ряде стран были начаты масштабные эпидемиологические исследования по влиянию полей технической частоты на здоровье населения. В Швеции наблюдали за здоровьем 500 тысяч людей, проживающих вдоль трасс линий электропередач (ЛЭП) в условиях повышенных уровней магнитного поля технической частоты. Оказалось: если индукция магнитного поля превышала 0,3 мкТл, то раковые заболевания и лейкозы у детей встречались в 2 раза чаще. Аналогичные результаты были получены в Финляндии, Дании, США и Канаде. (Справедливости ради отметим, что не все исследовательские группы подтвердили такие результаты. Споры о повышенном риске рака в связи с воздействием магнитных полей ЛЭП не утихают до сих пор.) Сейчас во многих странах принято считать безопасным уровнем низкочастотного магнитного поля в местах длительного пребыванию людей величину 0,2 мкТл (так называемый «шведский стандарт»). Запомните это число! Такое поле может быть зарегистрировано на расстоянии 500 метров от ЛЭП. Эта величина (0,2 мкТл) сопоставима с амплитудой нерегулярных изменений геомагнитного поля при очень сильных магнитных бурях.

Сейчас во всём мире техногенные магнитные поля считаются гораздо опаснее для здоровья, чем электрические. Однако большинство линий электропередач строилось без учёта «магнитной опасности»: охранные зоны вокруг них определяли только по уровню электрического поля. В итоге старые жилые здания могут располагаться вблизи ЛЭП, так что уровень магнитного поля в некоторых зданиях достигает 3,5 мкТл. Трансформаторные подстанции тоже могут приводить к превышению допустимого уровня полей.

В 2007 году в России были введены ПДУ полей технической частоты 50 Гц для населения (до этого нормировались только поля на рабочих местах): в жилых помещениях, детских, общеобразовательных и медицинских учреждениях магнитное поле не должно превышать 5 мкТл. Как видите, это в 25 раз больше «шведского стандарта». Но у нас в стране только в соответствии с этой нормой вы можете «качать права».

Нормативы Международной ассоциации радиационной защиты носят рекомендательный характер: для частот 10–400 Гц магнитные поля в местах регулярного пребывания людей не должны превышать 0,1 мкТл.

В 2002 году Международное агентство по исследованию рака включило магнитные поля частоты 50–60 Гц в список «возможных канцерогенных факторов».

Поля бытовых электроприборов

Около проводника, по которому протекает ток, возникают одновременно электрическое и магнитное поля. Источниками переменных магнитных полей в наших квартирах являются все приборы, потребляющие большой ток (а значит, и большую мощность): грили, утюги, вытяжки, холодильники, телевизоры, компьютеры и блоки питания, общий силовой кабель подъезда или лифта.

Наибольший вклад в электромагнитное загрязнение внутри домов дают кабельные линии, подводящие электричество ко всем квартирам и внутри них, а также распределительные щиты и трансформаторы. В помещениях, смежных с этими источниками, уровень магнитного поля обычно повышен. Постарайтесь не ставить кровать или рабочий стол в опасную зону, то есть ближе чем 3–5 метров к распределительным щитам.

Что касается электроприборов, то самые мощные, а значит, и самые опасные из них – это электрическая плита и микроволновка (СВЧ-печь). Магнитное поле СВЧ-печи на расстоянии 1 м редко бывает ниже 0,5 мкТл (мы сейчас говорим о поле, созданном током электропитания печи, а не о её СВЧ-излучении – это будет предметом особого разговора). Электрическая плита на расстоянии 30 см создаёт магнитное поле до 4 мкТл. Правда, мы не проводим возле плиты или СВЧ-печи много времени, что сильно смягчает ситуацию. Высокие уровни магнитного поля регистрируют также возле посудомоечных машин, пылесосов и холодильников с системой «без инея». Блоки питания компьютеров, зарядные устройства смартфонов создают значительное поле на расстояниях до 1 м.

Понятно, что шарахаться от всех бытовых приборов не надо, просто держитесь от работающих устройств подальше и не размещайте наиболее мощные электроприборы вблизи мест продолжительного пребывания или сна. «Зона риска», в которой магнитное поле может превышать «шведский стандарт» 0,2 мкТл, для большинства мощных бытовых устройств находится в диапазоне от 1 до 1,5 метров.

Мы обычно не принимаем во внимание поля энергосберегающих ламп. А между тем их пускорегулирующие аппараты создают существенное магнитное поле как промышленной частоты, так и радиочастотного диапазона. Это касается как КЛЛ, так и светодиодов с некачественными драйверами. Эти лампы совершенно безопасны на потолке, но размещать их ближе чем 30–40 см от головы не стоит.

При заземлении бытовой техники создаваемые электромагнитные поля уменьшаются в несколько раз. Увы, дома советской постройки оснащены двухпроводной сетью без заземления. Только после 1985 года стали строить дома с трёхпроводной сетью, предполагающей заземление.

Магнитные поля транспорта на электротяге

Магнитные поля имеются не только внутри вагонов трамваев, троллейбусов, метро, поездов, но и на прилегающих территориях, ведь контактные сети создают земные токи растекания, и эти токи существенно изменяют фоновые уровни магнитных полей на десятки метров вокруг. При разгоне и торможении транспорта поля меняются скачкообразно, «всплесками». В некоторых зонах пиковые значения магнитного поля достигают 100 мкТл. Подобные «скачущие» поля с точки зрения их влияния на живые организмы считаются достаточно агрессивными. При систематическом воздействии они могут вызывать «срыв адаптации» к другим неблагоприятным факторам, то есть снижать устойчивость организма. Особенно такие поля нежелательны для людей, уже страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Самые большие скачки магнитного поля наблюдаются в метро. На платформе во время торможения и разгона поезда регистрируются поля 50–100 мкТл. Поле на платформе вернётся к исходному состоянию после того, как состав подключится к другому контактному рельсу. А в самóм вагоне магнитное поле достигает ещё бóльших значений: 100–150 мкТл.

Самым безвредным из наземного электрического транспорта с точки зрения наличия магнитных полей в салонах были троллейбусы. (Не правда ли, жаль, что троллейбусы ушли с наших улиц?) Даже при разгоне троллейбуса поле в салоне невелико. Дело в том, что по двум проводам контактной сети текут постоянные токи противоположного направления, и их магнитные поля в окружающем пространстве частично компенсируют друг друга. А в трамвае обратным проводом служат рельсы. Среднее поле в движущемся трамвае 30 мкТл. На уровне пола прямо над двигателем поле сильнее (в пиковые моменты достигая 250 мкТл), а чем выше от пола, тем оно слабее.

В пригородных электричках средние значения магнитного поля составляют 20 мкТл, достигая при разгоне и торможении 75 мкТл. В пассажирских вагонах поездов дальнего следования поля сильнее: на уровне пола они достигают сотен мкТл, в других местах купе – десятков мкТл.

К счастью, в транспорте обычный человек проводит не столь уж много времени.

Какому же усреднённому совокупному воздействию полей подвергается житель большого города? По оценкам петербургских специалистов, в будние дни средняя величина техногенных низкочастотных полей составляет 0,6 мкТл (что соответствует экстремальной магнитной буре), в выходные в полтора раза меньше. Но это не прямые измерения, а оценки. А вот в Германии Федеральное ведомство по радиационной защите попыталось измерить уровень повседневного воздействия магнитных полей при участии двух тысяч добровольцев, которые носили специальные дозиметры 24 часа в сутки. Полученные данные значительно отличались для разных людей, но средний уровень техногенного магнитного поля составил 0,1 мкТл. Интересно, что между фермерами и горожанами не оказалось значительной разницы (с точки зрения воздействия полей). Вдохновляющий результат!

Согласно оценкам, в городах главным неблагоприятным фактором, воздействующим на здоровье населения, является всё же акустический шум, а электромагнитные поля стоят на втором месте.

Глава 4

Электромагнитные излучения

Люди изменили электромагнитный фон не только в местах своего обитания. Буквально вся наша планета окутана радиошумом техногенного происхождения. Суммарная мощность радиоизлучения, создаваемого человечеством, сопоставима с радиоизлучением Солнца! Какие-то излучения простой горожанин не имеет возможности контролировать (среди них теле– и радиовещание), а какие-то – может.

Попробуем разобраться, что за опасности со стороны электромагнитных излучений нам грозят и как их минимизировать.

Радиоволны. Микроволны

Как уже говорилось, излучение электромагнитных волн радиотехническими устройствами становится существенным при достаточно высоких частотах изменения полей: выше 30 тысяч герц (30 кГц). С этой частоты начинается отсчёт частотных диапазонов радиовещания. Со стороны высоких частот радиодиапазон граничит с инфракрасным диапазоном (частота около 300 миллиардов герц, то есть 300 ГГц). Всему диапазону радиочастот соответствуют длины волн в вакууме от 10 км до 0,1 мм.

Конечно, радиоволны могут иметь длины волн и больше 10 км, но излучение сверхдлинных волн – технически очень сложная задача, так как с ростом длины волны увеличиваются размеры излучающих антенн. Сверхдлинные волны использовались для связи с подводными лодками, так как более короткие волны сильно поглощаются морской водой. Но из-за крайне высокой технической сложности передатчики сверхдлинных волн были только в СССР и США.

Влияние переменных полей на человека усиливается с ростом частоты, поэтому среди радиоволн особо выделяют диапазон микроволн, или сверхвысокочастотный (СВЧ) диапазон. Ему соответствуют частоты выше 300 миллионов герц (300 МГц) и длины волн менее 1 м. Источники микроволн – это спутниковое телевидение, мобильные телефоны, радионяни, беспроводные наушники, спутниковая навигация, микроволновые печи, беспроводные компьютерные сети. В общем, самые необходимые в современной жизни устройства.

При высоких интенсивностях радиоизлучения могут представлять опасность для здоровья, а при малых интенсивностях быть даже полезными. Так, в медицине применяют УВЧ-терапию: воздействие на очаг воспаления слабым электромагнитным излучением дециметрового диапазона (это самый «мягкий» вариант микроволн, называемый ультравысокими частотами). Наиболее вредным для организма человека является более высокочастотное СВЧ-излучение сантиметрового диапазона (частоты от 3 до 30 ГГц).

Отметим ещё, что глубина проникновения микроволн в ткани организма с ростом частоты становится всё меньше и меньше (так называемый скин-эффект), что связано с более сильным поглощением энергии волны в организме на каждом отрезке пути. Если частота излучения возросла в 4 раза, глубина проникновения уменьшилась в 2 раза; если частота возросла в 100 раз, глубина проникновения уменьшилась в 10 раз. Волны метрового диапазона (частота меньше 300 МГц) пронизывают всё тело. При частотах в районе 1–3 ГГц глубина проникновения излучений в биологические ткани составляет несколько сантиметров (именно поэтому пища в микроволновке, работающей на частоте 2,45 ГГц, греется в слое толщиной несколько см, оставаясь холодной внутри). При частотах выше примерно 10 ГГц практически всё излучение поглощается в поверхностном слое тела.

Механизмы действия и нормирование радиоизлучений

Переменное электрическое поле волны возбуждает индукционные токи в проводящих тканях организма (кровь, лимфа, слизистые, хрусталик…). При достаточно низких частотах (менее 1 МГц) на мышцы и нервы воздействуют сами эти токи. А при более высоких частотах механизмом воздействия становится нагревание тканей индукционными токами – подобно тому, как индукционная плита нагревает еду в кастрюле. Организм спасается от перегрева путём дополнительного притока крови к нагретым тканям. Но некоторые органы не содержат кровеносных сосудов или их очень мало, и этот механизм терморегуляции не срабатывает. Так, хрусталик лишён кровеносных сосудов, и СВЧ-облучение может привести к его помутнению и разрушению. По той же причине уязвимы для микроволн мозг, желчный пузырь, мочевой пузырь и желудочно-кишечный тракт: отток теплоты от этих органов с помощью кровотока затруднён.

Тепловой механизм воздействия СВЧ-излучений сомнений не вызывает. Но многие учёные убеждены, что существует ещё специфическое нетепловое воздействие (иногда его называют информационным). Механизм его ещё мало изучен. Но исследования, проведённые в Советском Союзе ещё в 1980-х годах, показали, что даже при отсутствии заметного теплового воздействия радиоволны могут вызывать нервные расстройства (повышенную утомляемость, бессонницу, депрессивные состояния), а также нарушения функций сердечно-сосудистой системы и обмена веществ. Есть подозрения, что СВЧ-излучения подавляют выработку Т-киллеров, главной функцией которых является уничтожение повреждённых клеток собственного организма, а такое подавление является прямым путём к раку. СВЧ-излучения ослабляют также клеточные мембраны (резонансные частоты клеточных мембран как раз порядка нескольких ГГц), облегчая вирусам и прочим микроорганизмам проникновение в клетки (такой способ ослабления клеточных мембран применяют в генной инженерии).

Более 40 лет ведутся споры о нетепловом действии радиоизлучений на организм. В зависимости от того, признаётся или не признаётся в научном сообществе страны это действие, устанавливаются те или иные предельно допустимые уровни (ПДУ) излучений. Теперь вы не будете удивляться, почему эти уровни так сильно отличаются в разных странах.

Отметим, что для радиоволн с частотами менее 300 МГц (с длинами волн более 1 метра) нормируются амплитуды электрического и магнитного полей, причём с ростом частоты допустимые величины полей становятся всё меньше (мы не будем здесь приводить конкретные цифры). А для микроволн (то есть частот более 300 МГц) ограничивается плотность потока энергии, то есть энергии, переносимой волной через поперечную площадку площадью 1 кв. см за 1 секунду (эту величину называют также плотностью излучения), единицей её измерения является Вт/см^2.

В США предельно допустимая плотность излучения микроволн принята равной 1000 мкВт/см^2 = 10 Вт/м^2.

Эта величина соответствует тепловому порогу, то есть заметному нагреванию тканей (в США не признают нетеплового действия полей).

В России и ряде стран Европы предельно допустимая плотность излучения в сто раз меньше:

10 мкВт/см^2 = 0,1 Вт/м^2. Это норма для населения; для рабочих мест нормы обычно в 5 раз выше. В некоторых странах (Бельгии, Испании, Италии, Бразилии, Канаде, Великобритании и других) ПДУ ещё меньше. При тестировании устройств – источников микроволн (за исключением мобильных телефонов) требуют соответствия ПДУ плотности излучения, принятому в данной стране.

Самые осторожные нормы для плотности излучения микроволн были в своё время в СССР: 1 мкВт/см^2. Именно эта величина (для населения) соответствует современной рекомендации Международной ассоциации радиационной защиты.

Радиоизлучения в населённых пунктах

Основные источники радиофона в местах обитания людей – это передающие радио– и телевизионные станции, а также базовые станции сотовой связи. Излучение, связанное с радио– и телевизионным вещанием, в среднем сильнее, чем излучение антенн базовых станций.

Средний фоновый уровень плотности радиоизлучений в больших городах очень невелик по сравнению с ПДУ: он составляет всего 0,05 мкВт/см^2. Но этот фон распределён очень неравномерно. Вблизи передающих устройств или радарных систем могут наблюдаться повышенные плотности излучения. По оценкам, около 1 % жителей крупных городов подвергаются избыточному облучению. В Москве главные передающие источники – это Останкинская телебашня, Шуховская башня на Шаболовке и Московская радиовещательная станция на улице Демьяна Бедного (Северо-Западный округ). В советское время именно на Московской радиовещательной станции работали мощные «глушилки вражеских голосов», что создавало значительный добавочный радиошум. В конце 1980-х все они были отключены.

Обязанность контролировать соблюдение санитарно-гигиенических норм в районах жилой застройки столицы возложена на московский Центр Госсанэпиднадзора. По данным этого центра, в районах Москвы, прилегающих к передающим радио– и телевизионным станциям, не наблюдается повышенной заболеваемости лейкозами среди детей, которая могла бы стать индикатором неблагополучной электромагнитной обстановки.

Сейчас во всех городах продолжается бурное развитие сотовой мобильной связи. Мы уже на пороге внедрения пятого поколения мобильных сетей 5G (G – это сокращение от Generation: поколение). Для увеличения скорости передачи информации поднимают частоту излучений. Предыдущие поколения сотовой связи работали в частотных диапазонах от 450 МГц до 2,6 ГГц. Сети же 5G будут охватывать диапазон от 6 до 100 ГГц. Между прочим, вблизи частоты 40 ГГц наблюдается резонанс третичной структуры ДНК, так что вблизи этой частоты следует быть особо осторожным.

Запуск сетей нового поколения начался, новая технология уже работает в пилотном режиме в 24 странах мира. Базовых станций будет больше из-за уменьшения радиуса их действия (микроволны более высоких частот сильнее поглощаются в окружающей среде), зато и мощность их излучения будет гораздо меньше из-за уменьшения площади покрываемой зоны. Существующие нормы плотности излучения (у нас 10 мкВт/см^2) не будут нарушены.

В марте 2021 года компания МТС запустила первую в России сеть 5G в 14 тестовых зонах Москвы, среди которых Лубянская площадь, инновационный центр Сколково, главная аллея и каток ВДНХ, развлекательный центр «Остров мечты» и другие. Сеть работает в полосе частот от 4,4 до 5 ГГц. В ближайшее время будет использован диапазон 24,25–24,65 ГГц.

Сторонники исключительно теплового механизма воздействия микроволн убеждают, что никакого вредного воздействия не было и не будет. Сторонники нетеплового механизма воздействия опасаются возрастания рисков для населения. Единства мнений здесь не было и нет.

Жертвами поколения 5G могут стать пчёлы и другие насекомые. Излучения с частотами от 12 до 24 ГГц сильнее всего поглощаются телом пчелы и оказывают на него тепловое воздействие. Массовая гибель пчёл, которая уже идёт с начала 2000-х, вызвана различными причинами (пестициды, климатические изменения и другие), среди которых важную роль играют техногенные электромагнитные поля. К такому выводу пришли американские учёные.

Излучение антенн базовых станций

На одной и той же башне базовой станции имеются как передающие, так и приёмные антенны. Приёмные антенны, по определению, не излучают, а только принимают. Передающие антенны находятся на самом верху башни. Под ними расположены радиоблоки, преобразующие цифровой сигнал в аналоговый. В самом низу – «мозг» базовой станции (оборудование, обрабатывающее цифровой сигнал, и элементы питания); источником шума являются вентиляторы систем охлаждения, размещённые тут же.

Передающая антенна не «светит» равномерно во все стороны. В направлении собственной оси (по вертикали) она вообще не излучает. Максимально антенна излучает в направлении, перпендикулярном своей оси, то есть в горизонтальной плоскости, причём основная энергия излучения (более 90 %) сосредоточена в довольно узком секторе – его называют главным лепестком. По своей конструкции антенны бывают разные. Всенаправленные антенны излучают равномерно по всем направлениям, перпендикулярным оси антенны. На рисунке 20 схематически изображена диаграмма, которая даёт представление о сравнительной интенсивности излучения по разным направлениям от антенны. Мысленно вращайте эту картинку вокруг оси, совпадающей с антенной, – примерно такую форму в пространстве будет иметь опасная зона, в которой плотность излучения превышает ПДУ. Протяженность опасной зоны по горизонтали зависит от мощности антенны и для антенн базовых станций обычно составляет не более 40 метров. Эта величина зависит не только от мощности излучателя, но и от принятого ПДУ для плотности излучения. К примеру, в Украине принят ПДУ 2,5 мкВт/см^2 (в 4 раза ниже, чем в России), поэтому расстояния от базовых станций до линии застройки должны быть примерно в 2 раза больше. Но гораздо чаще на базовых станциях применяют направленные антенны, основное излучение которых сосредоточено в одном горизонтальном секторе шириной 30, 60 или 120 градусов. Антенну устанавливают так, чтобы главный лепесток её излучения был направлен в сторону от прилегающих построек. Это необходимо не только для охраны нашего здоровья, но и для нормального качества передаваемого сигнала.

Рис. 20. Упрощённый вид диаграммы направленности излучения всенаправленной антенны. Возможно также наличие более слабых дополнительных боковых лепестков

Поскольку антенны базовых станций располагают обычно на высотах 17–30 м от уровня земли, самыми безопасными с точки зрения облучения являются нижние этажи зданий. Если станция размещена на крыше дома, то квартиры прямо под ней находятся в мёртвой зоне воздействия. Проявлять беспокойство могут жильцы, чьи квартиры находятся примерно на уровне передающей антенны на небольшом расстоянии от неё. Но наверняка главный лепесток излучения этой антенны направлен в сторону от дома. Если вы всё же подозреваете, что подвергаетесь повышенному уровню облучения от антенн ближайшей базовой станции, можете вызвать специалиста по замеру облучения на сайте Роспотребнадзора или воспользоваться телефоном горячей линии по безопасности сотовой связи. В случае выявления превышения ПДУ решать проблему будет тот, кто построился позже: оператор базовой станции или застройщик дома.

Оконное стекло уменьшает плотность микроволнового излучения в 2–3 раза, бетонные стены – примерно в 30 раз. На балконе напротив вышки вы подвержены более сильному облучению, чем в квартире.

Излучение мобильных телефонов и смартфонов

Даже если все нормы по уровню внешнего излучения соблюдены, мы имеем шанс подвергать себя избыточному облучению от собственных гаджетов. Как уже упоминалось, ПДУ плотности излучения 10 мкВт/см^2 не относится к аппаратам мобильной связи: для них допустимая плотность излучения в 10 раз больше, то есть 100 мкВт/см^2. Так сильно аппарат излучает не всегда, а в тех случаях, когда приём слабый или сеть не ловится, а также когда он переключается от одной вышки на другую. Тогда ваш аппарат выходит на максимальную мощность своего передатчика и постоянно посылает запрос. Так что в наших интересах, чтобы базовые станции стояли достаточно часто, а максимальная мощность излучения гаджетов была как можно меньше. Мощность современных гаджетов варьируется от 0,125 Вт до 2 Вт. Мобильные телефоны первого поколения имели мощность излучения до 5 Вт (ведь базовых станций было ещё мало), и потенциальный риск для здоровья от их применения был гораздо выше.

Очень важно не прижимать аппарат к уху во время разговора. Вблизи передающей антенны телефона каждый лишний сантиметр имеет значение, потому что интенсивность излучения в ближней зоне очень быстро убывает с ростом расстояния от антенны. Желательно держать аппарат не ближе 10–20 см от тела.

В Европе и США для характеристики аппаратов мобильной связи и других источников микроволн используют параметр SAR (Specific Absorption Rate) – удельный коэффициент поглощения. Он характеризует поглощение мощности излучения единицей массы тела, единицей его измерения является Вт/кг. От величины SAR зависит, на сколько градусов нагреются ткани головы при разговоре или ткани тела при ношении аппарата. Так, если SAR равен 2 Вт/кг, температура тканей при использовании аппарата возрастёт на 0,3 градуса (такой допустимый уровень SAR принят в Европе для гаджетов). Опасным считается повышение температуры тканей тела более чем на 1 градус. SAR измеряется отдельно для головы и для тела, поскольку они по-разному поглощают излучение. При измерениях SAR используют специальные манекены, а не живых людей. Разработчики следят, чтобы SAR не превышал установленного допустимого уровня в режиме максимальной мощности, иначе аппарат не будет сертифицирован. Типовые значения SAR лежат в диапазоне 0,8–1,5 Вт/кг. Чем выше SAR, тем лучше качество связи. И всё же, очевидно, чем этот параметр меньше, тем безопаснее для здоровья.

Научно обоснованных данных по длительному, в течение десятилетий, воздействию излучению сотовых телефонов на мозг пользователя ещё не накоплено. В данных условиях, согласно рекомендации ВОЗ, разумно придерживаться предупредительного принципа: лучше переоценить опасность, чем недооценить.

Над внешним фоном радиоизлучений мы не властны, но в наших возможностях избегать избыточных уровней облучения, правильно выстраивая свои отношения с личными гаджетами. Правила просты и всем известны: использование проводной гарнитуры или громкой связи, небольшая продолжительность разговоров. Желательно избегать звонков при низком уровне сигнала, требующем максимальной мощности излучения. В частности, нежелательны звонки из автомобиля, автобуса, тоннелей, подвальных помещений.

В 2011 году Международное агентство исследования рака (IARC), входящее в структуру ВОЗ, на основе результатов серии исследований классифицировало электромагнитные поля радиочастот как возможное канцерогенное излучение для людей.

Мобильные телефоны и дети

Дети особо беззащитны перед электромагнитными излучениями, в том числе от мобильных телефонов. Черепная коробка ребёнка тоньше, глубина проникновения излучений в мозговые ткани больше, а объём мозга меньше. Если у взрослого зона облучения захватывает около 15 % мозговых структур, то у пятилетнего ребёнка зона охвата целых 80 %! Кроме того, именно растущие организмы особо чувствительны к воздействию экологических угроз. У разных органов и систем имеются свои «окна восприимчивости», когда они особенно уязвимы.

По мнению Российского национального комитета по защите от неионизирующих излучений, сформулированному ещё в 2008 году, у детей, активно использующих мобильные телефоны, можно ожидать ближайшие расстройства в виде ослабления памяти, снижения внимания и умственных способностей, раздражительность, нарушения сна. А в более старшем возрасте (25–30 лет), по мере накопления побочных эффектов в клетках, повышается вероятность опухолей головного мозга. В возрасте 50–60 лет возрастает риск болезни Альцгеймера и других проявлений дегенерации нервных структур головного мозга. Возможно, российские учёные перестраховываются, сгущают краски? Но исследования, которые проводятся с 1997 года в ряде других стран, тоже указывают на увеличение риска развития глиомы мозга при длительном пользовании мобильными телефонами, особенно для людей, которые начали пользоваться мобильниками с 8–10-летнего возраста.

Есть крупномасштабные эксперименты, убедительно доказывающие негативное влияние микроволн на грызунов и куриные эмбрионы. Но очень сложно отследить долгосрочные результаты воздействия излучений на здоровье людей, потому что неясно, как отделить их от влияния прочих негативных факторов. Строго научно обоснованных доказательств долгосрочного вреда от излучения мобильных телефонов и прочих гаджетов нет. Также нет доказательств их безопасности. Юные пользователи первых мобильных телефонов только входят в зрелый возраст. Исследования продолжаются.

Так, в 2019 году на Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы радиобиологии и гигиены неионизирующих излучений» учёные из Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН, Института космических исследований и Российского национального комитета по защите от неионизирующих излучений представили результаты единственного в мире 14-летнего исследования воздействия электромагнитного излучения мобильных телефонов на психофизические показатели детей и подростков. Мониторинг таких показателей проводился в двух группах школьников: использующих мобильные телефоны (1161 человек) и не использующих (370 человек). Установлены статистически значимые ухудшения показателей сенсомоторных реакций, утомления, работоспособности, когнитивных функций пользователей по сравнению с контрольной группой. Показано, что безопасные режимы пользования гаджетов (наушники, громкая связь, использование SMS, MMS) улучшают все психофизические показатели.

В России с 2003 года в санитарных правилах и нормах рекомендовалось ограничение возможности использования мобильных телефонов лицами, не достигшими 18 лет, из-за того, что стандарты безопасности для мобильных телефонов были разработаны для взрослых и не учитывали особенности детского организма.

Но, в обход этой рекомендации, смартфоны уже прочно вошли в обиход школьников. С 1 января 2021 года действует новый свод санитарных правил, в котором сказано: «Для образовательных целей мобильные средства связи не используются».

Wi-Fi роутеры

По интенсивности воздействия на людей с личными гаджетами конкурируют прежде всего Wi-Fi роутеры – устройства, которые подключаются к Интернету через кабель, а потом «раздают» Интернет всем устройствам домашней сети с помощью радиосигналов, беспроводным способом. Плотность излучения Wi-Fi сети меньше, чем для мобильного телефона, но это, во-первых, облучение всего тела, а во-вторых, это облучение не кратковременное, а длящееся часами.

Wi-Fi роутеры могут использовать две полосы частот: 2,4 ГГц и 5 ГГц. Что существенно, все устройства беспроводной связи, включая Wi-Fi, обмениваются данными с помощью импульсного излучения. Между тем импульсные электромагнитные поля более агрессивно влияют на живые организмы, чем непрерывные излучения.

В инструкции к Wi-Fi роутеру указывается безопасное расстояние, на котором плотность излучения не будет превышать ПДУ (обычно это 2–3 метра). Проблема в том, что в многоквартирном доме накладываются друг на друга сигналы сразу от нескольких Wi-Fi сетей (их может быть более десятка), ведь радиус действия Wi-Fi роутеров в помещении около 50 метров (он зависит от мощности роутеров). Возможно, вы отключаете свой Wi-Fi роутер на ночь или при длительном перерыве в использовании, но ваши соседи могут этого не делать.

Несмотря на все заверения производителей о полной безвредности этих излучений, накапливается всё больше данных о результатах нетеплового воздействия микроволн на две наиболее важные регуляторные системы организма: нервную и эндокринную. Чем выше частота, тем сильнее повреждающее действие. И что не вызывает сомнений – это то, что влияние излучений на детей сильнее, чем на взрослых. Кроме того, эффекты воздействия носят накопительный характер и могут проявиться спустя годы.

Эксперименты на мышах показали: воздействие микроволн, не превышающих «человеческий» ПДУ, в течение 1–2 месяцев вызывало очень малые изменения в структуре головного мозга и нейронов, причём эти изменения исчезали после прекращения воздействия. Однако при более длительном облучении изменения становились необратимыми. А через несколько поколений эти мыши стали стерильны.

Конечно, нельзя результаты опытов на мелких грызунах переносить на людей, потому что мы имеем совсем другое отношение площади поверхности к объёму (излучение поглощается в поверхностном слое тела). Но поневоле задумаешься: возможно, мы сильно недооцениваем ущерб, который Wi-Fi может нанести в долгосрочной перспективе, даже через несколько поколений.

А пока следует стараться умеренно оградить себя от Wi-Fi и по возможности использовать проводные технологии.

Группа учёных в Нидерландах исследовала влияние Wi-Fi на деревья. Через 3 месяца облучения деревья сбрасывали часть листвы, страдали от аномального отмирания коры и замедления роста. Схожие симптомы проявляются у большинства деревьев в голландских городах, где хорошее покрытие Wi-Fi.

Дети и беспроводные технологии

24 февраля 2017 года в Рейкьявике прошла международная конференция «Дети, время, проводимое перед экранами, и излучение от беспроводных устройств», в которой участвовали эксперты по электромагнитному излучению, онкологи, педагоги и другие специалисты. По итогам конференции более ста участников подписали открытое обращение к властям и администрациям школ во всём мире. Основные положения этого документа можно свести к следующему (полный текст вы можете найти в Интернете).

Облучение от базовых станций мобильных телефонов, точек доступа Wi-Fi, смартфонов, ноутбуков и планшетов постоянно происходит в школе и дома. Многочисленные научные исследования показали значительный медицинский риск при длительном воздействии электромагнитного излучения в радиочастотном диапазоне от беспроводных устройств и сетей на уровне даже значительно ниже рекомендуемого по нормативам Международной комиссии по защите от неионизирующего излучения. Такие излучения связаны с повышенным риском раковых заболеваний, особенно опухолей головного мозга. Развивающиеся и несозревшие клетки детских организмов более чувствительны к воздействию электромагнитных излучений. К тому же риск для детей может быть усилен эффектом накопления в течение жизни.

Помимо риска развития рака радиочастотное излучение, возможно, также воздействует на гематоэнцефалический барьер, открывая путь в мозг токсичным молекулам, повреждает нейроны в гиппокампе (центре памяти мозга), влияет на экспрессию белков в головном мозге, участвующих в обмене веществ, реакцию на стресс и нейропротекцию, а также влияет на уровень нейромедиаторов. Исследования выявили когнитивные нарушения, затрагивающие обучение и память.

Авторы обращения подчёркивают, что поддержка проводных технологий в образовании является более безопасным решением, чем использование Wi-Fi сетей, и просят власти и администрации школ во всём мире придерживаться принципа «минимизации вреда» (принципа ALARA – As Low AS Reasonably Achievable) и принять все разумные меры, чтобы снизить воздействие радиочастотного излучения.

«Мы призываем власти взять на себя ответственность за здоровье и благополучие наших детей в будущем», – говорится в обращении. – «Откажитесь от беспроводных сетей в дошкольных учреждениях, детских садах и школах».

Результаты исследований международной программы по оценке образовательных достижений учащихся PISA по чтению и математике показывают снижение результатов в странах, которые вложили наибольшие средства в компьютеризацию школ.

Другие бытовые источники микроволн

Мобильная связь и Wi-Fi – это основные потенциально опасные источники микроволновых излучений для людей (мы не говорим сейчас о тех профессионалах, которые работают с этими излучениями и хорошо осведомлены о рисках и способах защиты). Но мы используем в быту и другие источники радиоволн, среди которых особо популярны беспроводные наушники и микроволновые печи.

Наушники Bluetooth используют микроволны с частотами 2,4–2,48 ГГц. В том же самом частотном диапазоне работают микроволновые печи, Wi-Fi роутеры, а полоса частот вблизи 2,6 ГГц используется для мобильной связи. Сигналы от наушников Bluetooth гораздо менее интенсивны, чем сигналы сотовой связи, но антенна наушников расположена внизу под ухом, то есть в непосредственной близости к головному мозгу. Беспроводные наушники используют десятки миллионов людей во всём мире. С одной стороны, нет никаких научных доказательств, что в перспективе эти наушники могут угрожать здоровью пользователей. С другой стороны, обратное тоже не доказано, ведь это относительно молодой тип гаджетов, и полноценных клинических исследований по изучению их влияния на организм не хватает. Выбор за вами.

Микроволновые печи начали входить в нашу жизнь с 1980-х. Микроволны, генерируемые магнетроном на частоте 2,45 ГГц, могут быстро нагревать вещества, в состав которых входят полярные молекулы, то есть такие молекулы, на одном конце которых находится положительный заряд, а на втором отрицательный. Полярными являются прежде всего молекулы воды, а также глюкозы и жиров. В электрическом поле волны полярные молекулы поворачиваются туда-сюда с частотой 2,45 ГГц, стремясь расположиться вдоль поля. Энергию для своих поворотов они поглощают у микроволн, а расталкивая соседние молекулы, передают им часть поглощенной энергии, что и приводит к нагреванию. Микроволны, отдавая свою энергию, затухают, проникнув в вещество на глубину нескольких сантиметров. Разогрев более глубоких слоёв происходит уже за счёт теплопроводности, то есть гораздо медленнее.

Производители микроволновых печей гарантируют, что на расстоянии 50 см от дверцы плотность СВЧ-излучения не будет превышать ПДУ (10 мкВт/см^2), и не рекомендуют находиться ближе этого расстояния во время работы печи. Однако со временем степень защиты от излучений, которую обеспечивает многослойная дверца печи, может снижаться, в основном из-за появления микрощелей в уплотнителе дверцы. В процессе эксплуатации материалы дверцы изнашиваются, могут появиться механические повреждения. Тогда плотность потока излучения сильно возрастает. Через несколько лет печь желательно заменить на новую.

А главное – каждый источник микроволн сам по себе удовлетворяет санитарно-гигиеническим нормам, но они же все действуют на нас одновременно: и излучение базовых станций сотовой связи, и Wi-Fi, и беспроводные наушники, и радионяни, и микроволновые печи (не говоря о телевидении и радиовещании)… Кто знает, что вы получите в итоге? Для человека важно суммарное излучение, которому подвергается организм.

Вы уже поняли, что в настоящее время гарантий безопасности для здоровья в долгосрочной перспективе никто не даст. Единства мнений по этому вопросу среди учёных нет. Мы сами решаем за себя и за своих детей, на какие риски готовы пойти ради комфорта и использования всех благ научно-технического прогресса.

Часть 4

Надо ли бояться радиации?

Как и в предыдущих частях книги, сначала уделим внимание физике: поговорим о природе радиации и о дозиметрических величинах, характеризующих воздействие радиации на людей. Потом обсудим естественные источники радиации и дозы, которые они нам в среднем обеспечивают. В конце рассмотрим техногенные источники радиации и выделим приоритетные среди них. И ответы на вопросы, надо ли бояться радиации и какие меры предосторожности стоит предпринимать, постепенно сами собой прояснятся.

Глава 1

Виды радиации

Что такое радиация?

Разберёмся для начала, что понимают под этим термином у нас и за рубежом. Вообще, слово «радиация» означает просто «излучение». Так сложилось, что за рубежом сюда относят все электромагнитные излучения, а также радиоактивные излучения и космические лучи.

У нас же в стране принято разделять все излучения на неионизирующие и ионизирующие. Электромагнитные излучения радиодиапазона, а также примыкающего к ним инфракрасного оптического диапазона, относятся к первой категории: энергии квантов этих излучений недостаточно, чтобы оторвать электрон от атома или молекулы, то есть ионизировать. Неионизирующие излучения и их потенциальный вред для здоровья людей мы обсудили в предыдущей части книги.

По мере роста частоты электромагнитных излучений энергии их квантов увеличиваются. Видимый свет обладает ещё очень малой способностью к ионизации, а вот ультрафиолет уже относится к ионизирующим излучениям, причём по мере уменьшения длины волны его ионизирующее действие возрастает. Благодаря этому жёсткое ультрафиолетовое излучение способно изменять химическую структуру тканей и клеток. На этом основано его бактерицидное действие.

Ещё более короткие волны и ещё более энергичные кванты соответствуют рентгеновскому диапазону электромагнитных волн. Условная граница рентгеновского и ультрафиолетового диапазонов лежит в районе 10 нм. Рентгеновское излучение мы получаем с помощью так называемых рентгеновских трубок. Коротковолновая граница рентгеновского диапазона примерно 0,01 нм.

Но есть ещё более короткие электромагнитные волны, их называют гамма излучением. Гамма-кванты испускают ядра некоторых атомов при радиоактивном распаде. Энергии таких квантов в сотни тысяч раз больше энергии квантов видимого света, а длины волн меньше 0,01 нм. Гамма-излучение присутствует и в космических лучах.

В нашей стране под термином «радиация» обычно понимают совокупность рентгеновского излучения, всех видов радиоактивных излучений, а также сюда относят космические лучи. Все эти излучения обладают ионизирующим действием, и для количественной характеристики их воздействия на человека используют одни и те же физические величины. Далее мы поговорим подробнее обо всех этих составляющих радиации.

Радиация – это ионизирующие излучения различного происхождения: рентгеновское излучение, все виды радиоактивных излучений и космические лучи.

Открытие рентгеновских лучей

Во второй половине XIX века физики много работали с так называемыми катодными трубками. Это стеклянные вакуумные трубки различной формы, в которые вставлены два электрода: отрицательно заряженный катод и положительно заряженный анод. При подаче между электродами высокого напряжения стекло начинает светиться. В 1897 году после ряда опытов английский физик Дж. Дж. Томсон установил, что «катодные лучи», вызывающие это свечение, представляют собой поток очень лёгких отрицательно заряженных частиц – электронов. Так был официально открыт электрон, о существовании которого давно уже догадывались.

А немного ранее, в конце 1895 года, немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (хотя правильнее было бы произносить его фамилию как Рёнтген) обнаружил, что аноды таких трубок являются источником некоего проникающего излучения, способного засвечивать фотопластинки сквозь чёрную бумагу или сквозь стенки деревянного ящика. Это излучение порождают электроны, которые с огромными скоростями врезаются в анод и резко тормозятся. Икс-лучи, как назвал это излучение Рентген, легко пронизывают мягкие живые ткани, но частично поглощаются костями. Рентген сделал первый рентгеновский снимок: теневое изображение костей кисти руки (это была рука его жены).

Рентген предположил, что икс-лучи имеют электромагнитную природу, потому что они не отклонялись ни электрическим, ни магнитным полями, как отклонялись бы заряженные частицы. В 1912 году это предположение было доказано опытами по дифракции рентгеновских лучей и была измерена их длина волны.

За открытие икс-лучей в 1901 году Рентгену была присуждена первая в истории Нобелевская премия по физике. А лучи вскоре стали называть его именем.

Патента на своё открытие Рентген оформлять не стал. Уже через полгода после открытия рентгеновские лучи начали использовать военные медики для обнаружения пуль у раненых солдат. А во время первой мировой войны на службе у медиков были рентгеномобили, оборудованные мобильными аппаратами для рентгенографии (они выпускались по инициативе Марии Кюри, и она же вместе со своей дочерью Ирен готовила кадры для их обслуживания).

Однако особых мер предосторожности при работе с рентгеновскими лучами не принимали. Удивительно, но они использовались даже в бытовых целях! Так, с 1924 и до начала 1960-х в Швейцарии были в ходу рентгеновские примерочные для обуви: просвечивая ногу в башмаке, продавец видел, насколько хорошо подходит клиенту обувь. При этом покупатель получал дозу облучения, которая по современным нормам раз в 40 превышает допустимую годовую (к счастью, ноги не являются самой уязвимой частью тела). А уж какому систематическому облучению подвергался продавец, не считал никто. Жертвами рентгеновского облучения стали сотни физиков, медиков и простых граждан.

Радиоактивность

Практически сразу после открытия Рентгена состоялось ещё одно знаменательное событие: французский физик Анри Беккерель тоже обнаружил некое проникающее излучение, засвечивающее фотопластинки сквозь чёрную бумагу. На этот раз источником излучения были соли урана. По предложению Марии Кюри явление назвали радиоактивностью.

В исследованиях свойств радиоактивного излучения самое деятельное участие приняли Резерфорд, супруги Кюри, Беккерель и многие другие физики и химики. Оказалось, что радиоактивное излучение неоднородно по своей природе: оно состоит из трёх компонент, которые назвали α, β и γ. Так, α – это положительно заряженные частицы, ядра атомов гелия; β-лучи – это энергичные (релятивистские) электроны; γ-лучи – жёсткое электромагнитное излучение, подобное рентгеновскому. Энергии всех частиц и γ-квантов очень велики, так что они способны вырывать из атомов даже очень крепко «привязанные» электроны.

Три составляющих радиоактивных излучений сильно различаются по своей проникающей способности: α-частицы задерживаются даже тонким листом бумаги, а их пробег в воздухе составляет всего несколько сантиметров; β-лучи могут пройти сквозь алюминиевую пластинку толщиной до 3 мм, а в воздухе они проходят до 4 метров; γ-лучи преодолевают несколько сантиметров свинца, а слой бетона толщиной 10 см ослабляет их поток только наполовину.

Альфа-частицы можно увидеть и невооруженным глазом, а точнее, увидеть крохотные вспышки, возникающие при попадании каждой альфа-частицы на экран, покрытый люминофором. В 1911 году Резерфорд с помощью таких микровспышек исследовал рассеяние альфа-частиц атомами и открыл атомное ядро.

На радиоактивность не влияют никакие даже самые интенсивные физические и химические воздействия: нагрев или охлаждение, изменение агрегатного состояния, обработка химическими реагентами. В 1902 году физик Резерфорд и химик Содди доказали, что радиоактивные излучения сопровождают процесс превращения одного химического элемента в другой. В некотором смысле это то, что безуспешно пытались осуществить средневековые алхимики (хотя получить золото из ртути таким способом всё же нельзя). В то время физики и химики ещё верили в неделимость и вечность атомов. С этой идеей им было непросто расстаться. Так, Дмитрий Иванович Менделеев до конца жизни (он умер в 1907 году) не смог поверить в возможность превращения одних химических элементов в другие.

О существовании атомного ядра Резерфорд узнал лишь в 1911 году, и только после этого стало понятно, что превращение одного элемента в другой связано с самопроизвольным распадом ядра, приводящим к изменению его состава. Именно потому, что это внутриядерный процесс, на него невозможно повлиять никакими изменениями внешних условий.

Закон радиоактивного распада

Любой атом в принципе может распасться, но для некоторых эта вероятность столь мала, что за время жизни Вселенной не успевает реализоваться – такие атомы мы называем стабильными. А те, для которых вероятность распада гораздо больше, мы называем радиоактивными.

Радиоактивность – процесс самопроизвольный, вероятностный. Для каждого конкретного ядра вероятность распасться в следующую секунду одна и та же, независимо от того, сколько уже существует это ядро – секунду или миллион лет. Грубо говоря, атомы не стареют, хотя и распадаются иногда. Если в некоторый момент имеется N радиоактивных атомов данного сорта, то число распадов в секунду будет пропорционально этому числу N, а коэффициент пропорциональности – это вероятность распада, постоянное число.

Со временем число исходных (материнских) ядер будет убывать по определённому закону. А именно: за равные промежутки времени количество материнских ядер уменьшается в одно и то же число раз. В качестве характеристики процесса обычно берут период полураспада Т – время, за которое число материнских ядер уменьшается вдвое. Прошло время Т – осталась половина исходных ядер, через время 2Т осталась половина от половины, то есть четверть ядер, через 3Т осталась половина от четверти, то есть ⅛ доля ядер… Математически это соответствует экспоненте.

Кстати, точно такому же временнóму закону подчиняются все процессы, при которых изменение величины за единицу времени пропорционально самой имеющейся величине. Например, число ежегодных смертей на Земле пропорционально числу жителей, и если бы не было прироста населения, число жителей уменьшалось бы, как при радиоактивном распаде, с каким-то периодом полураспада. А число родившихся по такому же закону возрастает, но со своим «периодом полувозрастания». Если эти периоды равны, численность населения стабильна. Последние столетия рождаемость доминирует над смертностью, и на Земле происходит демографический взрыв.

Состав ядра. Изотопы

Ядра атомов состоят из довольно тяжёлых частиц: положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Эти две частицы называют одним словом – нуклоны. Они несут в себе практически всю массу атома, лёгкие электроны почти ничего к ней не добавляют. Именно число протонов в ядре отличает один химический элемент от другого. Почему так? Химические свойства атомов зависят от числа электронов на последней, валентной оболочке атома, а это число определяется полным количеством электронов в атоме, ведь они распределяются по оболочкам строго определённым образом. Ну а полное число электронов в атоме равно числу протонов, так как атом в целом не заряжен.

Итак, число протонов равно порядковому номеру элемента в периодической таблице Менделеева: один протон – водород, 2 протона – гелий, 3 протона – литий… 92 протона – уран.

До 1940 года таблица Менделеева заканчивалась на уране, 92-м элементе. Все элементы, начиная с 84-го, радиоактивны с большими периодами полураспада. Открытые позже трансурановые элементы с номерами 93–104 распадаются довольно быстро, так что за 4,5 миллиарда лет существования Земли они уже исчезли. Их научились синтезировать искусственно. Сейчас в таблице Менделеева представлены 104 элемента, а всего удалось синтезировать элементы до номера 118.

А вот число нейтронов в ядрах одного и того же химического элемента может немного варьироваться. На химических свойствах элемента это никак не отражается, только на массе. Атомы с одинаковым числом протонов, но отличающиеся по числу нейтронов, называют изотопами. Одни изотопы одного и того же химического элемента могут быть стабильны, а другие радиоактивны. Практически все элементы в природе встречаются в виде смеси изотопов в определённых пропорциях. Например, у водорода три изотопа. У обычного водорода (протия) ядро состоит только из протона, у тяжёлого водорода (дейтерия) ядро содержит протон и нейтрон. В ядре сверхтяжёлого водорода (трития) один протон и два нейтрона, этот изотоп радиоактивен. В природном водороде доля лёгкого водорода составляет 99,985 %, дейтерия – 0,015 %, трития практически нет. У гелия два стабильных изотопа: гелий-4 (два протона и два нейтрона) и гелий-3 (два протона и один нейтрон). Чемпион по количеству стабильных изотопов – олово: 10 изотопов.

Изотопы невозможно разделить химическими методами – только физическими, по массе. И это очень трудоёмкий процесс, буквально «поштучный».

Всего на сегодняшний день известно около 270 стабильных и более 2000 радиоактивных изотопов.

Радиоактивные семейства

При распаде ядер исходного изотопа может возникнуть новый радиоактивный изотоп, который при распаде снова рождает радиоактивный изотоп и так далее. Получается цепочка превращений, в конце которой стоит стабильный изотоп. Все звенья одной цепочки образуют радиоактивное семейство.

Все встречающиеся в природе радиоактивные элементы, начиная с 84-го, принадлежат трём природным семействам. Родоначальником каждого из них является определённый долгоживущий изотоп: торий-232 (всего 232 нуклона, период полураспада 14 млрд лет), уран-238 (238 нуклонов, период полураспада 4,5 млрд лет) и уран-235 (период полураспада 500 млн. лет). Период полураспада родоначальников этих трёх семейств больше или сравним со временем жизни Земли (около 4,5 млрд лет). Эти «патриархи» изначально присутствовали в составе газо-пылевого облака, из которого сформировались Солнце и планеты. А родились они при взрывах сверхновых звёзд первого поколения (наше Солнце – это звезда второго поколения).

Конечные продукты распада трёх природных семейств – стабильные изотопы свинца (так называемый радиогенный свинец-206, 207 и 208). Помимо этих радиогенных изотопов, в земных породах присутствует стабильный «изначальный» свинец-204, не являющийся продуктом радиоактивных превращений. По содержанию радиогенного свинца в урановых рудах определяют возраст Земли (при этом предполагается, что изначально радиогенного свинца не было).

Во всех радиоактивных семействах период полураспада родоначальника гораздо больше, чем у его «потомков». В этих семействах установилось состояние векового равновесия, при котором убыль каждого члена семейства за любой промежуток времени компенсируется «прибылью» за счёт распада его непосредственного «предка». Только атомов родоначальника становится всё меньше и меньше, а конечного радиогенного свинца всё больше и больше. Но пока «патриарх» жив, живы и все его «потомки», причём их количество остаётся неизменным. Такое равновесие сохраняется до тех пор, пока не распадётся всё родоначальное вещество.

В природной урановой руде содержатся целых два радиоактивных семейства со всеми их «потомками»: урана-238 и урана-235, причём львиная доля приходится на уран-238 и его потомков. Урана-235 осталось всего 0,7 %, потому что период его полураспада в шесть с лишним раз меньше возраста Земли.

Более лёгкие естественные радиоактивные изотопы – «бессемейные», после их распада сразу получается стабильное ядро. Среди них особо отметим калий-40 с периодом полураспада около 1,3 млрд лет. Калий – довольно распространённый химический элемент, он входит в состав многих минералов. Доля радиоактивного изотопа в природном калии везде постоянна и равна 0,012 %. Калию в минералах всегда сопутствует рубидий, причём 28 % природного рубидия составляет радиоактивный изотоп рубидий-87 с периодом полураспада 49 млрд лет (почти в 11 раз больше возраста Земли).

В земной коре присутствуют все естественные радиоактивные изотопы. За 4,5 миллиардов лет существования Земли большая часть урана-235 и калия-40 уже распалась, но рубидий-87 сохранился почти полностью, урана-238 распалась только половина и только пятая часть тория-232. Энергия, выделяющаяся при радиоактивных распадах, превращается в конечном счёте в тепло (поэтому образец, содержащий достаточно много радиоактивных изотопов, тёплый на ощупь). Общее количество тепла, произведённого радиоактивными изотопами, выступает как мощный энергетический фактор, способный повышать температуру глубоких недр Земли. 3–4 миллиарда лет назад радиоактивность Земли была гораздо выше и нагревала Землю сильнее.

Виды распадов

Природные образцы руд являются источником всех трёх радиоактивных излучений: α, β и γ. Это потому, что они содержат целые семейства радиоактивных изотопов. Но каждый конкретный изотоп претерпевает определённый тип распада (в немногих случаях возможны два канала распада одного и того же изотопа): для одних изотопов это α-распад, для других – β-распад.

При альфа-распаде ядро «выплёвывает кусок», состоящий из двух протонов и двух нейтронов. Это и есть альфа частица – очень прочное ядро гелия. Они вылетают из материнских ядер с огромной скоростью, но быстро расходуют свою энергию на ионизацию встречных молекул, «обрастают» электронами и становятся обычными атомами гелия. Альфа-распады элементов в земной коре – это постоянный и единственный поставщик гелия на Земле. Поставки невелики, так что гелий весьма дорогой газ.

При β-распадах из ядра с огромной скоростью вылетает электрон или его положительный двойник позитрон. Самое интересное, что исходно их в ядре не было! Откуда же они взялись? Электрон рождается при превращении одного из нейтронов ядра в протон. Если же, наоборот, протон превратился в нейтрон, вылетает позитрон. Одновременно с позитроном или электроном всегда рождается ещё одна частица – легчайшее и неуловимое нейтрино или антинейтрино. Но все виды нейтрино столь слабо взаимодействуют с веществом, что мы их просто не замечаем. Каждую секунду ваше тело пронизывают миллиарды нейтрино без каких бы то ни было последствий. Так что в дальнейшем в этом разделе о нейтрино больше упоминать не будем.

Гамма-кванты могут рождаться как в актах α-распадов, так и при β-распадах. Это сопутствующее излучение.

В земных радиоактивных семействах реализуются β-распады с рождением электронов. А в недрах Солнца по мере превращения ядер водорода в ядра гелия (именно этот термоядерный процесс является источником солнечной энергии) происходят превращения протонов в нейтроны с рождением позитронов.

Что такое космические лучи

Третья составляющая понятия радиация – это космическое излучение. Оно было открыто в 1912 году, когда австрийский физик Виктор Франц Гесс поднялся в воздух на воздушном шаре и измерил концентрацию ионов воздуха на разной высоте. Ожидалось, что она будет падать, так как предполагалось, что ионизацию вызывают радиоактивные излучения земных недр. Но на большой высоте ионизация даже возрастала! Это означает, что некие ионизирующие излучения идут сверху, из космоса.

Верхние слои атмосферы бомбардируют первичные космические лучи – галактическое и солнечное излучения.

Галактическое излучение – это заряженные частицы громадных энергий. Для получения такого рода энергичных частиц в научных целях построили Большой адронный коллайдер (БАК), но ему далеко до галактических частиц! Нечасто, но в галактических лучах попадаются частицы с энергиями, во много миллиардов раз превышающими максимальную энергию, которую обеспечивает БАК! Источником таких энергичных частиц, вероятно, являются взрывы сверхновых; затем частицы блуждают в Галактике, удерживаемые её мощными магнитными полями. 90 % галактических лучей составляют протоны, 10 % – ядра гелия и других лёгких атомов; относительно немного электронов и позитронов. Присутствуют и гамма-кванты.

Космонавты на Международной космической станции (МКС) время от времени ощущают вспышки света в одном или другом глазу. Каждая вспышка вызвана попаданием в глаз галактической частицы с огромной энергией.

Свой вклад в первичные космические лучи даёт и Солнце. Ежесекундно оно выбрасывает в окружающее пространство около одного миллиона тонн своего вещества: протонов, электронов и немного ядер гелия. Они образуют солнечный ветер, который вызывает возмущения геомагнитного поля и полярные сияния. При спокойном Солнце интенсивность солнечного космического излучения в 20 раз меньше, чем галактического. Но во время мощных вспышек именно солнечные космические лучи представляют наибольшую опасность для космических путешественников и пассажиров самолётов.

Радиационные пояса Земли и атмосфера защищают нас от первичного космического излучения. До земной поверхности доходят лишь вторичные космические лучи. Они возникают в атмосфере в результате взаимодействия первичных частиц с ядрами молекул воздуха. Протоны высокой энергии, врезаясь в ядра, рождают большое число самых разных вторичных частиц, которые в свою очередь сталкиваются с ядрами и создают новые частицы… Такой каскад частиц называют широким атмосферным ливнем. До поверхности Земли долетают в основном лёгкие частицы: электроны, позитроны, нейтрино, гамма-кванты и некоторые другие. Протоны первичных лучей до поверхности не доходят. От одного галактического или солнечного протона с высокой энергией получается широкий атмосферный ливень, покрывающий площадь в несколько квадратных километров!

По своим защитным свойства земная атмосфера приблизительно эквивалентна 80-сантиметровому слою свинца.

Глава 2

Дозы и риски

Здесь мы обсудим: как радиация действует на человека, и как можно измерить количественно это воздействие; что такое поглощённая, эквивалентная и эффективная дозы, и каково действие на человека малых и больших доз облучения.

Исторические ошибки

В начале XX века меры безопасности не применялись ни при работе с рентгеновскими трубками, ни при контакте с радиоактивными веществами. Более того, эти передовые достижения науки вызывали неумеренный энтузиазм и стремление внедрить их не только в технику и медицину, но и в быт.

В 1898 году Мария и Пьер Кюри открыли новый химический элемент – радий, радиоактивность которого была гораздо сильнее, чем у урана такой же массы. Радий (что значит «лучистый») – член уранового семейства, период его полураспада всего 1680 лет. Чистый металлический радий был впервые выделен в 1910 году. Тогда цена одного грамма радия соответствовала цене 160 кг золота! Это был самый дорогой металл. За сто лет во всём мире удалось выделить около 1,5 кг чистого радия.

С 1920-х годов началось настоящая мода на радиоактивность. Радиация убивает микробов! Кроме того, обогащённые радием вещества самопроизвольно светятся (явление называется радиолюминесценцией). В рекламе тех лет сообщалось, что зубная паста с радием избавит от кариеса и придаст блеск зубам. Соли радия и тория добавляли в дорогую косметику и парфюмерию: кремы и пудры, мыло, соль для ванн, сосуды для обеззараживания воды… Выпускали сигареты с радием и даже продукты питания с радием! Радиоактивная минеральная вода, омолаживающие пилюли, шоколад… Радий использовался в производстве шерстяных изделий для детей и взрослых, подушек, одеял, матрасов. Считалось, что радиация способствует омолаживанию клеток тела.

Надо сказать, что по своим химическим свойствам радий похож на кальций. Попав в организм, он накапливается в костных тканях и разрушает их изнутри, испуская альфа-частицы. Кроме того, радий воздействует на костный мозг. Так что любители радиевой продукции в итоге сильно пострадали. К счастью, продукты радиевой индустрии были доступны только весьма состоятельным и поэтому немногочисленным людям. В 1932 году употребление радиевых «эликсиров здоровья» было запрещено.

Люминесценцию солей радия использовали для изготовления самосветящихся красок. Вплоть до 1960-х применялась так называемая светомасса постоянного действия на основе солей радия. Её наносили на шкалы часов, будильников, компасов, оружейных прицелов и всевозможных измерительных приборов, чтобы можно было их видеть в темноте. В отличие от фосфора, радиевая светомасса может светиться столетиями, ведь период полураспада радия 1680 лет! Если вам попадётся старый прибор со светящейся в жёлто-коричневой гамме шкалой или ёлочная игрушка начала XX века с постоянно светящимся желтоватым рисунком, то скорее всего, это та самая радиевая краска. Дозиметр вблизи таких объектов показывает уровень гамма-радиации, в сотни раз превышающий фоновый. Но на расстоянии двух метров излучение уже не опасно.

Сейчас радиевые краски не используют для шкал гражданских приборов – только для военных. Вместо радия применяют гораздо менее опасные изотопы с небольшими периодами полураспада и более мягким гамма-излучением.

Для добычи одного грамма радия требуется переработать три тонны урановой руды. С расцветом радиевой индустрии появилось много «лишнего» урана. Он тоже нашёл себе применение. Различные химические соединения урана имеют самые разные цвета, причём очень яркие и насыщенные: оранжевый, жёлтый, красный, синий, зелёный и прочие. Это их свойство стали применять при изготовлении цветной глазури для керамической плитки, посуды, ювелирных украшений и даже предметов мебели. При отделке примерно четверти всех домов и квартир, построенных в США в 1920–1940 годы, использовались плитки с урановой глазурью. В глазурь керамической посуды чаще всего добавляли триоксид урана, имеющий ярко-оранжевый цвет. Такая посуда была популярна в 1930–1950 годы, она ещё сохранилась в некоторых в домах – проверьте свои шкафы!

Вплоть до 1950-х производилось также урановое стекло. Оно имеет красивый зеленоватый оттенок, красиво блестит, а при освещении ультрафиолетом ещё и флюоресцирует. Стекло с добавлением урана начали выпускать ещё в 1830-х, причём до Второй мировой войны использовался природный уран – минерал, содержащий, помимо урана, все радиоактивные члены урановых семейств и обладающий поэтому высокой активностью. Содержание такого урана в некоторых стёклах 1920-х годов достигало 25 %! После войны, когда выпуск уранового стекла ненадолго был возобновлён, в него уже добавлялся чистый уран без «потомков», так что активность новых стёкол была гораздо ниже, а массовая доля урана обычно не превышала 2 %. Из уранового стекла делали всевозможную посуду, а также украшения. Посуда не представляет особой радиационной опасности для потребителя (особенно если хранится в серванте за стеклом); но вот стеклодувы, работавшие со стеклом, пострадали очень серьёзно.

Урановое стекло перестали выпускать, главным образом, потому, что уран стал ценным стратегическим сырьём для военной промышленности, а также для атомных электростанций. К тому же стоимость урана очень сильно выросла.

Дозы и единицы их измерения

Постепенно накапливались данные по негативному действию ионизирующих излучений на организм человека. Так, с середины 1920-х начали болеть работницы американской часовой фабрики, производящей часы с радиевой светомассой. Работницы смачивали слюной палитры, на которых разводили радиолюминесцентную краску, и вскоре у них начали выпадать зубы и разрушаться челюсти, были и смертельные исходы. Многие учёные – пионеры изучения радиоактивности – впоследствии умерли от хронической лучевой болезни. Ведь первичное действие радиации на организм не ощущается человеком (если доза не смертельна), симптомы лучевой болезни проявляются лишь спустя некоторое время.

В 1934 году в возрасте 66 лет от лучевой анемии угасла Мария Кюри. Её дочь Ирен, также работавшая с радиоактивными препаратами, умерла от лейкемии.

Чтобы контролировать воздействие радиации на человека, в 1921 году во многих странах были созданы национальные комитеты по защите от ионизирующих излучений. Они решали вопросы об измерении доз этих излучений и об их воздействии на живые и неживые объекты. Вскоре была введена первая единица измерения таких излучений – рентген (Р). Она характеризует способность излучения создавать ионы в сухом воздухе. С 1990 года эта единица не используется, однако вы можете ещё встретить старые дозиметры, отградуированные в рентгенах.

В процессе взаимодействия ионизирующего излучения с веществом часть энергии излучения поглощается. Именно поглощенная энергия – исходная мера вредоносности всех последующих процессов, которые в конечном итоге приводят к биологическим изменениям в живом организме. Количественно действие ионизирующего излучения (независимо от его природы) оценивается по энергии, переданной живым тканям.

Энергия ионизирующего излучения любого вида, поглощённая одним килограммом вещества, называется поглощённой дозой. Единица её измерения Дж/кг (мы не будем здесь приводить название этой единицы, чтобы не запутать читателя новыми словами).

Но при одной и той же поглощённой дозе степень поражения биологических тканей разными видами излучений (α, β, γ-излучениями, рентгеновскими лучами, заряженными частицами космических лучей) различается. Чтобы учесть эти различия, ввели коэффициент относительной биологической эффективности К (можно было бы назвать его коэффициентом вредоносности). Для рентгеновского, β и γ-излучений К = 1. Альфа-излучение радиоактивных ядер при той же поглощённой дозе в 20 раз опаснее, потому что на единице своего пути альфа-частицы производят гораздо больше ионов. Для α-излучения принято К = 20. Для всех других частиц в зависимости от их энергий имеются свои значения К.

Чтобы оценить совокупный вред всех видов излучений, ввели понятие эквивалентной дозы. Для её вычисления поглощённую дозу каждого вида излучений умножают на соответствующий данному виду коэффициент К, а потом всё суммируют – это и есть эквивалентная доза, количественная мера биологического воздействия облучения. Единицей её измерения является зиверт (Зв). Именно в зивертах мы будем приводить в дальнейшем значения тех или иных доз. При этом мы можем не конкретизировать, о каких видах излучений идёт речь – достаточно числового значения эквивалентной дозы в зивертах.

1 Зв – это энергия излучения, поглощённая одним килограммом биологической ткани, при которой её воздействие эквивалентно поглощенной дозе рентгеновского излучения 1 Дж/кг.

Единица введена в 1963 году и названа в честь шведского специалиста в области дозиметрии и радиационной безопасности Рольфа Максимилиана Зиверта.

Для сопоставления единицы «зиверт» с единицей «рентген» можно приблизительно принять 1 Зв = 100 Р.

Наконец, есть ещё эффективная эквивалентная доза. Дело в том, что чувствительность разных органов к ионизирующим излучениям различна. Наиболее уязвимы половые железы, затем идут красный костный мозг, лёгкие, желудок и толстый кишечник. Это значит, что при облучении одной и той же дозой лёгкие могут пострадать сильнее, чем, скажем, щитовидная железа. Для каждого органа вводится свой коэффициент радиационного риска. Эквивалентную дозу умножают на коэффициент радиационного риска каждого из органов, а затем всё суммируют – получается эффективная эквивалентная доза. Она рассматривается как мера риска возникновения отдалённых последствий облучения. Измеряется также в зивертах. В дальнейшем мы будем иметь ввиду именно эффективную эквивалентную дозу, которую для краткости зачастую будем называть просто дозой.

1 Зв – это весьма большая доза. В нормальной жизни мы сталкиваемся с дозами порядка миллизивертов (1 мЗв = 0,001Зв).

Мощность дозы – это доза, поглощаемая за единицу времени: секунду, час или год. Обычно она измеряется в микрозивертах в час (мкЗв/ч, где 1 мкЗв = 0,001 мЗв).

Для измерения доз ионизирующего излучения служат различные дозиметры. Бытовой дозиметр регистрирует гамма-излучение и β-частицы (электроны). Шкалы дозиметров градуируются в единицах дозы (мЗв) или мощности дозы (мкЗв/ч). Для регистрации альфа-излучения обычные дозиметры не годятся, так как альфа-частицы не могут пройти через окошко измерителя; тут нужны гораздо более дорогие альфа-радиометры.

Теперь, когда мы вооружены единицами измерения, можно говорить о степени вредоносности облучения при тех или иных эквивалентных эффективных дозах.

Воздействие больших и средних доз облучения

Действие ионизирующих излучений на живые ткани никак не связано с их нагреванием, в отличие от действия неионизирующих излучений. Даже смертельная доза радиации, если перевести переданную тканям энергию в тепло, нагрела бы тело лишь на тысячные доли градуса. В основе действия радиации на живые ткани лежит процесс ионизации молекул, приводящий к образованию химически активных радикалов. Они вступают в реакции с органическими молекулами клеток, вызывая химические изменения, в результате которых функционирование клетки нарушается. Наиболее чувствительны к облучению ядра клеток, а самые опасные последствия связаны с повреждением ДНК.

Ежегодно каждая клетка тела испытывает по крайней мере одно радиационное повреждение. Но организм умеет с ними справляться. Считается, что примерно 90 % радиационных повреждений восстанавливается.

Если доза радиации превысит определённый порог (порядка 500 мЗв), может развиться иммунодефицитное состояние, возрастает риск онкологии. Но не только. Большие дозы могут вызывать болезни сердца, инсульты, нарушение пищеварения и респираторные заболевания.

При единовременном облучении потенциально опасными считаются дозы, начиная примерно с 50 мЗв (0,05 Зв). Если облучаться постепенно, в течение года, то потенциально опасны дозы более 200 мЗв в год.

Влияние средних и больших доз радиации довольно хорошо изучено: чем больше доза, тем больше хромосомных повреждений и больше риск заболеваний. Эта простая линейная зависимость работает при дозах выше 300 мЗв. Влияние радиации при таких дозах носит накопительный характер.

Смертельной считается доза 5–6 Зв, полученная за короткий промежуток времени. Большинство людей такая доза убивает, но кто-то выживает, так как все отличаются по своей радиационной устойчивости. Так, некоторые ликвидаторы, работавшие в подвалах Чернобыля, получили дозы до 10 Зв, но остались живы. Вероятно, повышенная радиорезистентность отдельных индивидов имеет генетическую природу.

Некоторые простые организмы – насекомые, черви, растения – обладают поразительной радиационной устойчивостью. Например, микроскопические беспозвоночные тихоходки выдерживают дозы радиации до 5000 Зв! Учёные надеются выявить «ген радиационной устойчивости». Возможно, в далёком будущем само выживание человечества будет возможным лишь при повышении радиорезистентности популяции.

Средние и высокие дозы лучше растянуть на как можно больший срок, чтобы у организма было время на починку повреждений. Так, если получить единовременно дозу 1 Зв, лучевая болезнь разовьётся в 50 % случаев. Но если такую дозу набирать постепенно, за 50–70 лет (в год получается по 15–20 мЗв), то скорее всего обойдётся без неблагоприятных последствий.

При более низких дозах всё не так однозначно: одна и та же доза, поглощённая в течение разных промежутков времени, оказывает разное действие. Так, дозу 10 мЗв (возможная доза при медицинской компьютерной томографии грудной клетки) лучше получить сразу, не растягивая, скажем, на месяц, тогда организм лучше справится с последствиями повреждений. А доза 150 мЗв, полученная хоть сразу, хоть частями, несёт примерно одинаковые риски возникновения раковых заболеваний. К сожалению, нормы радиационной безопасности таких нюансов не учитывают.

Кроме того, надо различать внешнее и внутреннее облучения. Второе гораздо опаснее.

При внешнем облучении наибольшую опасность представляют γ-лучи, так как они проникают в ткани на большую глубину. Внешнее α– и β-излучения менее опасны, так как они не достигают внутренних органов человека. Альфа-излучение поражает кожу и роговицу глаза; β-излучение проникает в живые ткани на несколько сантиметров. Иногда его применяют в лучевой терапии для лечения поверхностных опухолей.

Внутреннее облучение возникает, когда радиоактивные изотопы попадают в организм с воздухом, водой, пищей, через открытые раны и ожоговые поверхности. Оно поражает все органы. При внутреннем облучении опасны все виды радиации.

Особенности малых доз

Есть две основные точки зрения на малые дозы. Первая: сколь угодно малые дозы несут опасность, и чем меньше радиации, тем лучше (линейная беспороговая теория). Вторая: до определённого порога малые дозы не опасны и даже полезны.

Сейчас больше склоняются ко второй точке зрения. Опыты на животных и растениях, которых экранировали от радиации, показали, что они хуже развиваются. Если же создать на какое-то время уровень радиации чуть выше фонового, то жизнеспособность организмов даже повышается. Такое стимулирующее гамма-облучение стали использовать для повышения всхожести семян и жизнестойкости эмбрионов домашних птиц. Ещё пример: камень сердолик издавна ценится как охраняющий от болезней. Между тем он умеренно радиоактивен.

Есть специальный термин: гормезис. Это стимулирующее действие определённых малых доз стрессового фактора, не только радиации. Например, обливание холодной водой – это тоже гормезис. Кратковременный стресс провоцирует защитную реакцию организма. Ключевое слово – кратковременный. Что касается величины стимулирующих доз, то это дело индивидуальное (кто-то обливается прохладной водой, а кто-то купается в проруби). В те времена, когда ничего ещё не знали о радиации, уже использовали явление гормезиса. Так, радоновые озёра, в воде которых растворён радиоактивный газ радон, и которых много на северо-западе нашей страны, всегда считались целебными, особенно при кожных заболеваниях. А многие известные курорты (Пятигорск в Ставропольском крае, Белокуриха на Алтае, Цхалтубо в Грузии, Висбаден, Баден-Баден в Германии и другие) отличаются повышенным радиационным фоном.

Длительное действие очень малых доз радиации, как это ни парадоксально, может быть хуже, чем действие умеренно слабых доз. Дело в том, что слишком слабое воздействие радиации наш организм просто не распознаёт, «не бьёт тревогу» и не включает механизмы защиты от повреждений, которые постепенно накапливаются и накапливаются.

Учёные пришли к выводу, что те малые дозы облучения, которые создаются естественным радиационным фоном, нам необходимы, как необходимы естественные электромагнитные поля.

30–35 тысяч лет назад, когда вид «человек разумный» только-только появился, естественный радиационный фон на Земле был выше современного в несколько раз. Возможно, это было связано со вспышкой недалёкой сверхновой.

Предельно допустимые дозы

К определению максимальных безопасных доз облучения, не повышающих риска болезни в долгосрочной перспективе, подбирались постепенно, «наощупь».

В 1928 году была организована Международная комиссия по радиологической защите (МКРЗ), которая стала предлагать свои рекомендации по нормированию излучений и мерам радиационной защиты. В 1934 году эта комиссия рекомендовала ограничить облучение персонала, работающего с рентгеновскими и радиоактивными источниками, предельной дозой 500 мЗв в год. Эта рекомендация была просто ужасна! За 10 лет при таком облучении набирается смертельно опасная доза 5 Зв. Человек, ежегодно получавший такую дозу, не умирал от острой лучевой болезни, потому что это не единовременное облучение, а об отделённых последствиях тогда почти ничего не знали.

В 1948 году Международная комиссия по радиологической защите установила понятие предельно допустимой дозы (ПДД). ПДД – это такая доза, которая при непрерывном облучении в течение 50 лет не должна вызывать клинически выявляемые повреждения человеческого организма. Исходя из этого определения, в 1958 году была рекомендована ПДД для профессионалов: до 50 мЗв в год. Сейчас эта норма снижена до 20 мЗв в год.

Тогда же было впервые рекомендовано ограничение дозы техногенного облучения для населения в целом: 5 мЗв в год. В настоящее время эта рекомендация снижена до 1 мЗв в год. Мы ещё вернёмся к обсуждению действующих в нашей стране ПДД для населения позже, после того, как поговорим о естественном радиационном фоне. Ведь именно его среднее значение служит отправной точкой для рекомендаций по ограничению техногенного облучения.

Международная комиссия по радиологической защите – некоммерческая организация, в которой на добровольной основе работает более двухсот авторитетных специалистов. Большинство стран, включая Россию, учитывает рекомендации этой комиссии при разработке национальных стандартов радиационной безопасности.

Глава 3

Естественный радиационный фон

Естественные источники радиации можно разделить на две основные группы: источники земного происхождения (они обеспечивают в среднем около 85 % эффективной эквивалентной дозы) и космические лучи (около 15 %). Около двух третей полученной от всех естественных источников дозы приходится на внутреннее облучение.

Естественный радиационный фон сильно отличается для разных географических мест и на разных высотах над уровнем моря. В этой главе мы обсудим основные составляющие этого фона и причины таких различий.

Источники земной радиации

Забудем на время про космическое излучение и поговорим о земной радиации. От земных источников население Земли получает в среднем эффективную эквивалентную дозу 2 мЗв в год, в основном от почвы и воздуха. Но в одних местах уровень радиации может быть гораздо выше среднего, в других – ниже. Это зависит от концентрации радиоактивных веществ в том или ином участке земной коры. Есть отдельные места (пляжи в Бразилии, Индии и Китае) с очень высоким фоном, достигающим 250 мЗв в год! Этот гигантский фон связан с чёрным песком, содержащим много тория и радия. Большинство населения Земли живёт в местах с небольшим радиационным фоном (менее 1 мЗв год), но на некоторых территориях обитатели получают 15–20 мЗв в год (мы ещё вернёмся к разговору о таких местах).

Запомним эти средние фоновые значения: 2 мЗв в год, или 0,22 мкЗв в час (бытовые дозиметры обычно показывают мощность дозы в мкЗв/ч).

Высоким считается уровень естественного облучения более 5 мЗв/год (0,6 мкЗв/ч).

Перечислим основные источники земной радиации.

1) Радиоактивность земных недр. Основной вклад в неё дают уран, торий, калий-40 и рубидий-87. Земная поверхность обеспечивает нам в среднем 0,35 мЗв внешнего гамма-облучения, потому что только это излучение может «вырваться наружу» из земных недр.

2) Среди продуктов распада урана и тория есть радиоактивные газы радон и торон, которые просачиваются из земной коры в атмосферу, а оттуда – в наши лёгкие. Именно эти газы и продукты их распада являются виновниками львиной доли естественного внутреннего облучения. Мы ещё вернёмся к более подробному разговору о них.

3) Радиоактивные изотопы в еде и воде – тоже источники внутреннего облучения. Все продукты питания содержат те или иные радиоактивные изотопы и обеспечивают нам один или несколько процентов годовой эффективной дозы. Так, мы уже упоминали радиоактивный калий-40, всегда сопровождающий «обычный» калий. Всё, что богато калием, имеет повышенную радиоактивность: самые обычные бананы, курага и прочие продукты. Чемпионом по радиоактивности среди растительных продуктов считается бразильский орех: он в 3,5 раза активнее бананов того же веса и содержит, помимо радиоактивного калия, изотопы радия. Радиоактивные изотопы свинца и полония концентрируются в рыбе и моллюсках. Фосфатные удобрения, содержащие уран, обеспечивают радиоактивность овощей и фруктов, а также животных продуктов. В воде, особенно артезианской, может быть растворено больше или меньше радона (но он легко удаляется кипячением).

4) Радиоактивность собственного тела. 0,2 % массы нашего тела составляет калий, в том числе радиоактивный калий-40. Он сосредоточен главным образом в мышечной ткани, его вклад в годовую дозу около 0,2 мЗв. Способов избавиться от радиоактивного калия в наших телах не существует.

Отметим ещё радиоактивный изотоп углерод-14 (радиоуглерод), постоянно образующийся в атмосфере под действием галактического космического излучения и попадающий в живые организмы с воздухом и едой. Хотя его вклад в совокупную дозу невелик, он весьма опасен. Беда в том, что радиоуглерод наряду с обычным углеродом по пищевым цепочкам проникает во все органы и ткани, а также в молекулы ДНК. Когда же углерод-14 в молекуле ДНК распадается, превращаясь в азот, состав ДНК изменяется, то есть происходит генная трансмутация, и это необратимый процесс. Такие изменения не восстанавливаются репаративной системой организма. Радиоуглерод – один из важных факторов, определяющих темп старения человека.

В годы повышенной солнечной активности концентрация радиоуглерода в атмосфере уменьшается, так как солнечный ветер частично защищает Землю от галактических частиц высоких энергий.

Максимальные концентрации радиоуглерода наблюдались в 1945–1963 годы в связи с испытаниями ядерного оружия в атмосфере. Это привело к сокращению жизни людей – современников этих испытаний.

Хотя всё перечисленное является естественными источниками облучения, в каких-то пределах у нас есть выбор: где жить, что есть и пить.

Радон – главный виновник земной радиации

Один из продуктов распада уранового ряда – радон, радиоактивный газ без запаха и цвета, то есть мы не можем почувствовать его присутствие. Это инертный газ, как гелий или неон, не вступающий в химические реакции с другими веществами. Его период полураспада равен 3,8 суток. Он постоянно просачивается в атмосферу из почвы, скальных пород и стройматериалов.

Радон вместе со своими продуктами распада, тоже радиоактивными, отвечает более чем за половину дозы облучения от всех естественных источников. Дозы облучения в основном обусловлены вдыханием не самого радона, а короткоживущих дочерних продуктов его распада – изотопов полония, висмута и радиоактивного свинца. Попадая в дыхательные пути и частично оседая там, они облучают нас изнутри и вызывают радиационные повреждения лёгких и бронхов, что намного увеличивает риск заболеть раком лёгких. Многие ученые считают радон второй по значимости (после курения) причиной рака лёгких у человека. В сочетании с табачным дымом онкогенный эффект действия радона и продуктов его распада возрастает в несколько раз.

Радон высвобождается из земной коры через трещины или с грунтовыми водами повсеместно, но его содержание в воздухе сильно отличается в разных местах земного шара и зависит от состава пород. Радон особенно активно выделяется в зонах разломов, которые представляют глубокие трещины в верхней части земной коры. Вообще, любые нарушения структуры земной коры, например, глубокие скважины, могут быть источниками поступления радона в атмосферу. В России есть радоноопасные регионы (Москва к ним не относится). Это отдельные районы Карелии и Ленинградской области, Кольский полуостров, Алтайский край, Уральский регион, зона Кавказских минеральных вод. Радоновые карты России вы можете найти в Интернете.

По данным Роспотребнадзора, средняя по России мощность дозы облучения от всех природных источников за период 2001–2019 гг. составила 3,6 мЗв/год. Это больше среднемирового значения почти в 1,5 раза. Виновник превышения – радон, на него приходится средняя годовая доза 1,7 мЗв. В радоноопасных районах годовые дозы достигают 5–10 мЗв.

Миллионы французов, австрийцев, испанцев, шведов и финнов живут в местах, где содержание радона в наружном воздухе гораздо выше среднего. А филиппинцам, боливийцам и японцам, наоборот, повезло: у них концентрации радона ниже средней.

Вероятно, организмы жителей, веками населяющих территории с высоким естественным радиационным фоном, давно адаптировались к повышенному уровню радиации. По крайней мере, эксперименты на мышах, находившихся длительное время в условиях повышенной радиации, показали, что к 40-му поколению вся популяция становится радиационно устойчивой, а некоторый её процент выдерживает даже смертельные дозы. Может быть, астронавтов для далёких космических путешествий будут набирать из жителей районов с повышенной концентрацией радона?

Посещать такие места вполне безопасно (вспомним про радиационный гормезис), но переезжать на постоянное жительство из мест с гораздо более низким радиационным фоном, возможно, неразумно.

Радон в домах

Как это ни странно, но основную часть дозы облучения от радона мы получаем, находясь в закрытых помещениях. Концентрация радона в домах обычно в несколько раз выше, чем в наружном воздухе, а иногда во много раз выше. Часть радона попадает в здания из наружного воздуха, но главный источник его поступления в дома – это грунт и строительные материалы. Радон просачивается в подвалы через фундамент и пол, а так как он в 7,5 раз тяжелее воздуха, то скапливается в плохо проветриваемых подвалах, проникая через микрощели и трещины на нижние этажи, а через вентиляционные системы – на более высокие этажи. Герметизация помещений с целью утепления сильно ухудшает ситуацию с радоном.

В 1970-е годы во время энергетического кризиса в странах Северной Европы чересчур увлеклись герметизацией жилых домов. В результате концентрация радона в некоторых частных домах в Швеции и Финляндии превышала наружную в 5000 раз!

Даже в рядом стоящих зданиях концентрация радона может различаться в десятки раз. Это сильно зависит от наличия в грунте разломов и трещин, от проницаемости почвы для радона, мощности и глубины залегания ураносодержащих пород. В регионах с повышенным выделением радона при проектировании домов предусматривается установка специальных радоноизолирующих перекрытий, препятствующих попаданию радона из грунта в здание.

На первый взгляд кажется, что чем выше этаж, тем меньше там должно быть радона. Однако измерения показали, что зависимость концентрации этого газа от высоты не столь проста. По прихоти домовой вентиляционной системы радона на высоком этаже может быть не меньше, чем внизу здания.

Иногда повышенные концентрации радона в помещениях бывают связаны с качеством строительных и отделочных материалов, использованных при постройке или ремонте дома. К счастью, самые распространённые материалы – дерево, кирпич и бетон – выделяют мало радона (причём силикатный кирпич в этом отношении лучше красного). Относительно большой радиоактивностью обладают гранит, туф и пемза. Ещё более радиоактивны глинозёмы, которые до 1970-х использовались, к примеру, в Швеции при производстве бетона. Эти материалы создают как внешнее гамма-облучение, так и внутреннее за счёт выделения радона.

Центральный вокзал Нью-Йорка отличается своим высоким радиационным фоном благодаря граниту, из которого построены основание и стены. Повышение уровня радиации фиксируется также на любых гранитных набережных и скамейках. Но всё это в пределах безопасных доз.

Ещё один, хотя и менее существенный, источник поступления радона в наши дома – это вода. В обычной водопроводной воде радона мало, но в воде из глубоких артезианских скважин может быть растворено много радона. Основная опасность происходит не от потребления воды, а от попадания паров такой артезианской воды в лёгкие вместе с воздухом, что чаще всего происходит в ванной комнате. Через несколько минут работы душа концентрация радона в ванной комнате может стать в десятки раз выше, чем в остальных помещениях, и лишь через 1,5 часа она снизится до исходного уровня (ведь, как правило, вентиляция ванных комнат затруднена).

Радон содержится в природном газе. Его концентрация в помещении может заметно возрасти, если кухонные плиты, отопительные и водонагревательные приборы, в которых сжигается газ, не снабжены вытяжкой.

Радон в жилых домах является серьёзной угрозой здоровью. Что можно сделать для уменьшения его концентрации в зданиях:

– улучшить вентиляцию домов, особенно подвалов,

– герметизировать полы и стены подвалов,

– герметизировать стыки полов и стен на всех этажах.

Содержание радона (вместе с продуктами его распада) измеряют с помощью специальных датчиков радона, которые показывают, сколько распадов происходит за секунду в одном кубометре воздуха. Немного цифр для ориентировки. Среднемировое содержание радона в помещениях создаёт активность 45 распадов в секунду на кубометр воздуха. На территории РФ концентрация радона в помещениях изменяется от 11 (Архангельская область) до 250 (Республика Горный Алтай) распадов в секунду на кубометр. Действующий норматив для новых жилых домов – 100 распадов в секунду на кубометр, а для уже эксплуатируемых жилых зданий – 200 распадов в секунду на кубометр. Если активность радона в жилищах превышает 200 распадов в секунду на кубометр, у жителей регистрируется рост частоты рака лёгких.

Казалось бы, чем меньше радона в домах, тем безопаснее для их обитателей. Но недавно были проведены интересные исследования в Венгрии и США. В результате очень большого числа измерений активности радона в типичных домах выяснилось, что минимум частоты рака наблюдается не при минимуме радона в жилищах, а при 110–185 распадах за секунду на кубометр. Видимо, это проявление радиационного гормезиса. Так что исследования продолжаются.

В межсезонье, когда уже похолодало, но отопление ещё не включили, содержание радона в домах возрастает. Почему? Потому что люди реже открывают окна.

Главная и простая рекомендация для всех: чаще проветривайте помещение, и вы сможете быть спокойны насчёт радона.

Космическая радиация на Земле и в космосе

Чем выше над уровнем моря, тем больше интенсивность космического излучения, ведь толщина защитного слоя воздуха уменьшается. Если на уровне моря космическое излучение обеспечивает нам среднюю эффективную дозу 0,3 мЗв в год, то на высоте 4 км (максимальная высота, на которой ещё встречаются человеческие поселения) эта доза возрастает до 2 мЗв в год, то есть сравнивается со средней годовой дозой от земной радиации. Мощность дозы на высоте 12 км в 25 раз выше, чем в среднем на поверхности Земли.

Все пассажиры и экипаж авиалайнеров подвергаются добавочному облучению, ведь корпус и внутренняя обшивка самолёта практически не ослабляют космическое излучение, а делать корпус толще для защиты от него нерентабельно. Полученная в самолёте доза пропорциональна времени полёта; она также зависит от состояния солнечной активности, высоты и широты, на которых происходит полёт. В приполярных маршрутах мощность дозы существенно выше, так как именно здесь быстрые заряженные частицы космических лучей проникают ближе всего к поверхности Земли. В средних широтах в отсутствие солнечных выбросов при полёте на высоте 10 км мощность дозы составляет 3 мкЗв в час; при подъёме на высоту 11 км будет уже 4 мкЗв в час, на высоте 12 км (максимальная высота полёта авиалайнеров) – более 6 мкЗв в час. При солнечных вспышках и выбросах мощность дозы возрастает во много раз. Но если вы летаете не очень часто, то о добавочном космическом облучении можете не беспокоиться.

За 20 трёхчасовых перелётов в спокойных радиационных условиях вы получите суммарную дозу около 0,2 мЗв, что в 10 раз меньше средней годовой дозы от естественных источников и немного меньше дозы от одного рентгеновского снимка лёгких на плёнку.

Для членов экипажей самолётов установлен профессиональный норматив: не более 5 мЗв в год. Правда, выполнение этого норматива весьма трудно контролировать, потому что кабины пилотов не оснащены дозиметрами. В советское время пилотам не разрешалось летать более 70 часов в месяц; сейчас эта нома увеличена до 90 часов. Исследования, проведённые западными медиками, показали: у пилотов, налетавших более 5000 часов (и получивших вследствие этого дополнительные дозы более 20 мЗв), уровень заболеваемости раком крови, лейкемией и меланомой повышен на 20–30 %. У стюардесс, летающих более 15 лет, вероятность заболеть раком лёгких возрастает на 30 %.

Ещё большему космическому облучению подвергаются космонавты. Полёты на околоземных орбитах проходят выше границы плотной атмосферы, но всё же под защитой радиационных поясов, которые простираются от высот 300 км до 40 тысяч км над поверхностью Земли. За сутки космонавт МКС (высота орбиты около 400 км) получает от 0,3 до 0,8 мЗв, за год набирается около 200 мЗв, что в 10 раз превышает профессиональный норматив работников атомной промышленности. А если на Солнце случается мощный протонный выброс, космонавт получает дополнительно до 30 мЗв. К счастью, такие события происходят не чаще 1–2 раз за 11-летний цикл солнечной активности. Астрофизики давно и упорно ищут способы предсказывать такие события, но пока задача не решена.

Ещё острее стоит проблема радиационной защиты при разработке планов колонизации других планет. За полгода пребывания на поверхности Марса человек получит среднюю дозу излучения около 120 мЗв. Эта цифра сопоставима с дозой облучения за такой же срок на МКС. На Луне доза облучения вдвое выше. Марсианина всё же защищает атмосфера, хоть она и разреженная, магнитного же поля у Марса практически нет. А на Луне нет ни того, ни другого. Но за время перелёта к Марсу, если он также займет полгода, доза облучения составит уже 350 мЗв, если не будут предприняты специальные защитные меры. Возможно, придётся устанавливать защитное покрытие на жилой модуль космического корабля или хотя бы на отдельный «штормовой» отсек, в котором космонавты смогут пережидать мощные солнечные выбросы.

Глава 4

Техногенные источники радиации

С середины XX века люди начали использовать атомную энергию и сотни искусственно созданных радиоактивных изотопов в самых разных целях, главные из которых – атомное оружие, производство энергии, медицинские исследования и лечение. Это привело к увеличению доз облучения людей.

Источники и нормы техногенного облучения

Перечислить все источники техногенного облучения населения сложно, да и не всегда понятно, к какому типу отнести тот или иной источник – естественному или техногенному (например, строительные материалы, или радиоактивность пищи, обусловленная ядерными взрывами, или полёты на самолётах). Вот приблизительный перечень основных техногенных источников радиации:

• медицинские исследования и процедуры,

• последствия ядерных взрывов в атмосфере,

• сжигание угля,

• фосфатные удобрения, содержащие уран,

• атомная энергетика, включая добычу и переработку руды,

• курение,

• радиоактивные предметы быта,

• сканеры на транспорте.

Для обычного человека, чья профессия не связана с повышенным облучением, годовая доза от техногенных источников обычно в несколько раз меньше дозы от естественных источников. Для разных людей дозы техногенного облучения отличаются друг от друга гораздо сильнее, чем дозы от естественного облучения. К примеру, кто-то делает ежегодную флюорографию, а кто-то нет, кто-то курит, а кто-то нет… Что касается ранжирования техногенных источников по степени значимости, то это тоже очень индивидуально. Мы будем в дальнейшем приводить некие усреднённые значения доз.

Федеральный закон о радиационной безопасности населения в настоящее время устанавливает предельную годовую эффективную дозу для техногенного облучения населения, равную 1 мЗв. При этом оговаривается, что в отдельные годы допустимы бóльшие значения при условии, что средняя годовая доза за пять последовательных лет не превысит 1 мЗв. Это значит: если вы в какой-то год получили 5 мЗв, то следующие 4 года не должны подвергаться никакому техногенному облучению. Важно подчеркнуть: предельная доза 1 мЗв не включает в себя дозы, полученные при проведении рентгенорадиологических процедур и лечения – эти дозы оговариваются отдельно.

При проведении профилактических рентгенорадиологических обследований (то есть обследований здоровых людей) рекомендовано ограничить дозы облучения до величины 1 мЗв в год. Что касается лечения больных людей, то здесь решения о применяемых дозах принимают врачи – пределы доз не устанавливаются.

Несмотря на все индивидуальные различия, можно с определённостью сказать одно: главный источник техногенного облучения в современной жизни – это медицина.

Медицина как источник облучения

Здесь мы не будем говорить о применении радиоактивных изотопов, рентгеновского и прочих облучений при лечении онкологических заболеваний, а только о здоровых в принципе людях.

В 2019 году средняя годовая доза от медицинских обследований составила для жителя Российской Федерации 0,56 мЗв. Это около 14 % суммарной дозы от всех источников – как естественного, так и искусственного происхождения. Это весьма большой процент, причём начиная с 2013 года он с каждым годом увеличивается (эта тенденция присуща всему мировому сообществу). В США и развитых европейских странах доля медицины в облучении ещё больше. Так, в США уже в 2006 году средняя годовая доза медицинского облучения составила 3 мЗв на жителя (55 % полной эффективной дозы).

Давайте посмотрим, какую лучевую нагрузку дают распространённые медицинские процедуры. Для начала немного истории.

Период развития рентгенодиагностики во всём мире начался с 1912 года. В России первая в мире специализированная рентгенологическая клиника открылась в 1918 году. Но по-настоящему массовые рентгеновские обследования начались после второй мировой волны, когда ежегодная флюорография грудной клетки стала нормой жизни промышленно развитых стран (это было связано с ростом туберкулёза во всём мире).

При флюорографии рентгеновские лучи, прошедшие сквозь грудную клетку, создают светящееся теневое изображение на специальном флюоресцентном экране. Это изображение фотографируется с уменьшением на обычную фотоплёнку. Разрешающая способность метода невелика, к тому же используется более жёсткое (а значит, более вредное) рентгеновское излучение, чем при обычной рентгенограмме – фиксировании изображения в натуральную величину на специальной рентгеночувствительной плёнке, которая гораздо дороже. Старые аппараты для флюорографии давали дозу 0,6–0,8 мЗв за один снимок. Эти аппараты могут ещё кое-где использоваться! Доза за плёночную рентгенографию лёгких (то есть за прямой снимок на рентгеночувствительную плёнку, без посредничества экрана) меньше: 0,15–0,4 мЗв. Основные преимущества флюорографии по сравнению с рентгенографией – дешевизна и большая пропускная способность (1 человек в минуту). К 1980-м годам в большинстве развитых стран, но не в СССР, такие ежегодные флюорографические обследования были признаны нецелесообразными. Практика показала, что обнаружение рака лёгких с помощью флюорограммы почти не увеличивает шансов на выживание пациента, так как выявляет его лишь на достаточно поздних стадиях и не оправдывает облучения больших масс населения.

А в конце XX века произошла настоящая революция в рентгенодиагностике: на смену плёночным изображениям пришли цифровые. Это позволило сократить дозы облучения в 5–10 раз, одновременно повысив разрешающую способность. И флюорограммы, и рентгенограммы стали цифровыми. С каждым годом цифровых рентгеновских аппаратов становится больше. Можно надеяться, что вскоре они совсем вытеснят с рынка плёночные аппараты.

Примерные дозы облучения на современных рентгеновских аппаратах:

– плёночная флюорограмма – 0,15–0,5 мЗв,

– цифровая флюорограмма – 0,06 мЗв,

– плёночная рентгенограмма лёгких – 0,3 мЗв,

– цифровая рентгенограмма лёгких – 0,03 мЗв.

Весьма большие дозы за процедуру (2–6 мЗв) даёт рентгеноскопия – рентгеновское просвечивание с получением изображения на флюоресцентном экране в реальном масштабе времени (от 2 до 15 минут). При этом пациент может поворачиваться, что позволяет врачу видеть теневые изображения органов в разных проекциях. Сейчас вместо рентгеноскопии чаще применяется рентгенотелевизионное просвечивание, когда лучи попадают не на экран, а на усилитель рентгеновского изображения, которое затем преобразуется в оптическое (видимое) изображение и выводится на экран монитора.

Самым большим достижением в разработке методов рентгеновской диагностики стала компьютерная томография (КТ). Томография, хоть магнитная, хоть рентгеновская – это получение послойных изображений части тела (срезов). Для получения таких срезов стол, на котором лежит пациент, поступательно перемещается, а узкий рентгеновский луч сканирует тело слой за слоем. Излучение, прошедшее сквозь тело, преобразуется в электрические сигналы, которые записываются и передаются на монитор компьютера. Имея достаточное число срезов (300–400, иногда и более), компьютер может создать 3D-реконструкцию органов.

В настоящее время именно КТ вносит самый большой вклад в коллективную медицинскую дозу – более половины. За последние 15 лет этот вклад возрос почти в 10 раз! Такой гигантский вклад связан не с большим числом процедур КТ, а с большими индивидуальными дозами при каждой процедуре. В 2019 году КТ-исследования составляли всего 4,5 % от общего числа рентгеновских обследований, в 2020 году в связи с наступлением пандемии число процедур КТ возросло минимум вдвое. Эффективная доза за одно исследование колеблется от 0,1 мЗв (при томографии конечностей) до 30 мЗв (при томографии органов брюшной полости с контрастом). А 30 мЗв – это доза, эквивалентная тысяче цифровых рентгенограмм (или полторы предельных годовых дозы работника атомной промышленности). Самое распространённое сейчас КТ грудной клетки даёт 4–6 мЗв за процедуру, то есть пятилетний рекомендуемый лимит на диагностическое медицинское облучение.

Специалисты не советуют назначать столь «нагрузочные» процедуры, как рентгеноскопия и КТ, без настоятельной необходимости.

В ряде развитых стран (США, Японии, Германии) доза облучения от КТ-исследований в пересчёте на одного жителя в 5 раз выше, чем в России.

Ядерные взрывы в атмосфере

Казалось бы, это дела давно минувших дней: ведь ядерные взрывы в атмосфере прекращены развитыми странами к 1980 году; Индия и Пакистан осуществили разовые испытания в конце 1990-х. Но плоды всех этих взрывов мы пожинаем до сих пор.

Испытания ядерного оружия привели к глобальным экологическим последствиям, повысив радиационный фон практически на всей поверхности земного шара. В атмосферу, а затем и в биосферу, впервые попали радиоактивные вещества техногенного происхождения.

Особенно большой вред нанесли ядерные взрывы в атмосфере. Всего было произведено около 550 таких взрывов. Их пик пришёлся на 1954–1958 и 1961–1962 годы. Бóльшая часть радиоактивного материала при надземном взрыве выбрасывается не только в тропосферу (прилегающий к земле слой атмосферы), но и в стратосферу (самые высокие слои атмосферы), где остаётся многие месяцы и годы, медленно опускаясь и рассеиваясь по всей земной поверхности. Но всё же на Северное полушарие, где проводилось большинство испытаний, выпала бóльшая часть радиоактивных осадков. Среди них основной вклад в длящееся по сей день облучение дают три долгоживущих изотопа: углерод-14, цезий-137 и стронций-90. Период полураспада углерода-14 равен 5730 лет, цезия и стронция – около 30 лет. Цезий и стронций медленно смывались с поверхности, уходили с подземными водами, а затем попадали в растения через корневую систему. В итоге они накапливались в зерновых продуктах, картофеле, сене и мясе, меньше – в овощах и фруктах. В 1963–1964 годах содержание цезия и стронция в продуктах питания было во много раз выше обычного. Попав в организм, цезий оседает в костной ткани, а стронций – в мышечной. Они облучают органы и ткани изнутри и очень медленно выводятся. К концу XX века распалось около половины радиоактивных цезия и стронция, выпавших в те годы, к настоящему времени – около трёх четвертей. А чрезвычайно опасный углерод-14 задержится в биосфере на тысячелетия. До сего дня мы не получили всей дозы облучения, вызванного радиоактивными осадками, а будем получать её ещё много лет.

В 1965–1990 годы смертность от раковых заболеваний возросла в СССР на 12,5 %, а в Новосибирской области и Алтайском крае, граничащих с Семипалатинским ядерным полигоном, – более чем на 30 %.

Эти лишние проценты – «эхо» ядерных взрывов.

Ядерный топливный цикл

Начнём с того, что атомная энергетика – не только атомные электростанции (АЭС), это весь ядерный топливный цикл. Он начинается с добычи и обогащения урановой руды, из которой после переработки и очистки производится ядерное топливо, и только потом реализуется основная цель – высвобождение энергии в процессе цепной реакции деления. Отработанное на АЭС топливо является ценным ресурсом: из него извлекают уран и плутоний, а также целый ряд продуктов деления, которые применяются в промышленности, медицине и научной работе. Завершающей стадией цикла является, как правило, захоронение радиоактивных отходов, образующихся практически на всех стадиях цикла.

Что такое обогащение урана? В естественной смеси изотопов урана цепная реакция невозможна. Для распространённых реакторов на медленных нейтронах требуется довести долю чрезвычайно редкого изотопа урана-235 до 5 %, а для современных реакторов-размножителей – до 15 %. Этот процесс и называют обогащением. Обогащение урана – очень длительный и дорогостоящий процесс, связанный к тому же с радиоактивным загрязнением окружающей среды.

В будущем, по мере накопления запасов плутония (трансуранового элемента номер 94, получаемого в реакторах-размножителях), ядерным топливом будет служить смесь естественного урана с плутонием.

На каждом этапе ядерного топливного цикла происходит выделение в окружающую среду радиоактивных веществ, причём основное загрязнение связано с добычей и обогащением урановой руды, а также с переработкой отработанного топлива. Так, дополнительные дозы облучения жителей, проживающих вокруг предприятий по переработке ядерного топлива на расстоянии до 200 км, могут достигать 65 % естественного радиоактивного фона. А население, живущее вблизи АЭС, при её нормальной эксплуатации получает дозу менее процента от естественного фона. Если же «размазать» получаемые от всего ядерного цикла дозы облучения по всему населению Земли, то получится около 1 мкЗв в год на человека, то есть несколько сотых процента дозы, полученной от всех естественных источников.

Одна из главнейших проблем атомной энергетики – радиоактивные отходы. Это долгоживущая «мина»: радиоактивные вещества могут достигнуть биосферы спустя сотни тысяч и даже миллионы лет, и всё еще представлять для неё угрозу. Обсуждаются разные стратегии захоронения радиоактивных отходов: на дне океана, на необитаемых островах, в ледяных толщах Антарктиды или Гренландии, даже в космосе. Разные страны реализуют разные технологии в отношении отходов ядерных технологий. Предпочтение отдаётся строительству подземных хранилищ в стабильных геологических формациях (как правило, в скальных породах). Россия планирует начать строительство такого глубинного хранилища в Нижнеканском массиве скальных пород неподалёку от Енисея после 2030 года, а пока что там строится подземная исследовательская лаборатория на глубине 500 метров. В общем, проблема пока не решена.

Аварии на ядерных объектах

Сама по себе АЭС – это весьма чистое производство. Зато очень опасны аварии на любых ядерных объектах. За всё время существования таких объектов произошло около 400 аварий разной степени опасности, многие из них сопровождались утечкой радиоактивных веществ. Международная шкала ядерных событий выделяет 7 уровней (категорий) опасности. Риск облучения населения возникает при уровнях, начиная с четвёртого. Вот перечень самых масштабных аварий, начиная с 5-й категории.

1952 год, Канада – первая в мире радиационная авария 5-й категории. Частичное расплавление ядерного реактора в Чок-Риверской лаборатории произошло из-за ошибок оператора и сбоев в системе аварийной остановки.

1957 год, СССР – «Кыштымская авария» 6-й категории. Она оставалась самой масштабной ядерной аварией в мире до наступления Чернобыльской. Производственное объединение «Маяк», расположенное в закрытом городе Челябинск-40, производило компоненты для ядерного оружия, а также занималось переработкой радиоактивных отходов. В одной из ёмкостей для хранения высокоактивных отходов из-за выхода из строя системы охлаждения произошёл взрыв. В атмосферу были выброшены цезий-137 и стронций-90 (те самые изотопы, о которых мы говорили в связи с ядерными взрывами). На заражённой территории проживало около 270 тысяч человек.

1957 год, Великобритания – авария 5-й категории на атомном реакторе в Уиндскейле. Из-за ошибок персонала произошёл пожар, и затем – крупный выброс радиоактивных веществ.

1979 год, США – авария 5-й категории на АЭС в Тримайл-Айленд, связанная опять-таки с ошибками персонала. Работники АЭС заглушили реактор, но не учли, что энергия продолжает выделяться из-за распада радиоактивных продуктов деления, и этой энергии оказалось достаточно для расплавления оболочки реактора. Радиационные последствия для населения и окружающей среды были несущественными, однако именно эта авария стала началом широкого общественного движения протестов против атомной энергетики. После этой аварии вплоть до 2012 года никто в США не получал лицензии на возведение АЭС, не были запущены и десятки уже согласованных к тому моменту атомных станций.

1985 год, СССР – авария ядерной энергетической установки на атомной подводной лодке в бухте Чажма Японского моря (5 категория), повлёкшая за собой гибель одиннадцати человек и облучение сотен людей.

1986 год, СССР – самая крупная в мировой истории радиационная катастрофа на Чернобыльской АЭС (Украина), 7 категория. Авария произошла во время тренировочных учений по причине недостаточной компетентности персонала и несовершенства конструкции реактора. В результате взрыва сразу пострадали от радиации 134 человека, находившиеся на месте аварии. 28 пожарных скончались от лучевой болезни в первые 3 месяца, ещё 16 умерли в течение 18 лет от разных причин: пневмонии, лейкоза, инфаркта. После взрыва на большой территории (в основном Черниговской, Гомельской, Брянской областей) выпало много радиоактивного йода. Поступая в организм через кожу, дыхательные пути, пищу, он накапливался в клетках щитовидной железы. За короткий промежуток времени его дозы составили 300 мЗв и более. В связи с этим почти у 500 детей в скором времени развился рак щитовидной железы. В следующие 18 лет ещё у 30 тысяч детей были обнаружены изменения щитовидки, в том числе опухоли.

2011 год, Япония – авария 7-й категории на АЭС «Фукусима-1». Пожалуй, это единственная авария, в которой не замешан «человеческий фактор»: ошибки и оплошности людей. В данном случае виноваты природные факторы: землетрясение и вызванное им цунами. Только два человека из персонала станции получили потенциально опасные дозы 500 мЗв. Но рыбу в тех краях запрещено ловить до сих пор. По прогнозам, полная ликвидация последствий может занять до сорока лет.

Британский совет по исследованиям окружающей среды (NERC) в 2007 году опубликовал результаты своего исследования по последствиям катастрофы в Чернобыле. Вывод сделан неожиданный: последствия этой аварии для населения намного менее серьёзны, чем принято считать. Разрушительный эффект чернобыльской радиации сопоставим с воздействием загрязнения воздуха, курения и ожирения.

ТЭС или АЭС?

До 1988 года мировая атомная энергетика набирала обороты. В 1988 году атомные электростанции произвели 17 % от всей электроэнергии на Земле. Но к 2018 году их доля в энергетике упала до 10,2 %. В США и развитых европейских странах атомная энергетика постепенно сворачивается: старые АЭС закрывают, новые не строят. В Германии к 2022 году должна прекратить работу последняя из 21 построенных там АЭС. В России же доля электроэнергии, производимой на АЭС, продолжает медленно, но верно расти. В наше время она составляет около 19 % всей электроэнергии и сопоставима с долей, производимой гидроэлектростанциями. Но основную часть (более 60 %) электроэнергии в России по-прежнему производят тепловые электростанции (ТЭС), сжигающие ископаемое топливо.

Общемировое сокращение атомной энергетики – следствие всеобщего страха перед ядерными катастрофами. Но есть ли достойная альтернатива «мирному атому»?

Начнём с того, что все страны считают главной мировой проблемой глобальное потепление, а потеплению способствуют выбросы углекислого и других парниковых газов, основная часть которых связана с сжиганием угля и природного газа. Переход на биотопливо проблему не решит, ведь при сжигании пальмового и соевого масла, которые используют для получения энергии, углекислоты выделяется больше, чем от угля. Ветровые и солнечные станции вряд ли станут основными источниками электроэнергии из-за непостоянства и нерегулируемости световых и ветровых потоков, а также меньшей рентабельности. Но если довести долю атомной энергии в мире хотя бы до 50 %, уровень парниковых газов в атмосфере сам начнёт снижаться.

Парниковые газы – не единственная проблема, связанная с ТЭС. При сгорании угля в атмосферу выбрасываются мельчайшие частицы сажи, которые из-за своих малых размеров не отсеиваются в дыхательных путях человека и попадают через лёгкие напрямую в кровь, становясь центрами образования тромбов и приводя к инсультам и инфарктам. Кроме того, среди выбросов ТЭС есть токсичные элементы, среди которых: чрезвычайно опасные диоксид серы, оксиды азота, а также ртуть, свинец, кадмий и многое другое. А ещё вы удивитесь, но радиоактивность одного килограмма выбросов ТЭС в 5–10 раз выше, чем одного килограмма выбросов АЭС. Это относится даже к современным ТЭС, оборудованным фильтрующими системами. Радиоактивность выбросов ТЭС связана с зольной пылью, содержащей множество радиоактивных изотопов. Облака, извергаемые трубами ТЭС – источник дополнительного облучения людей, так же как печки и камины, сжигающие уголь.

По оценкам, ежегодная смертность от заболеваний, обусловленных дымом ТЭС, гораздо выше смертности от раковых заболеваний, связанных с утечками радиоактивных веществ на АЭС.

Общее число преждевременных смертей от сжигания угля оценивают в 800 тысяч в год. В инцидентах и авариях неатомной энергетики за последние 30 лет погибло более 80 тысяч человек.

Всех преждевременных смертей от инцидентов на АЭС за всю их историю – около четырёх тысяч.

По сути, против АЭС – только общественное мнение в США и странах Европы. Опросы показывают, что в России три четверти населения относятся к атомной энергетике положительно. Именно в России, а также азиатских странах (Китае, Южной Корее) происходит развитие и совершенствование атомных технологий. Специалисты утверждают, что аварии типа Чернобыля и Фукусимы на реакторах нового поколения просто невозможны. Согласно расчётам, современные реакторы могут выдержать землетрясение магнитудой 9 и цунами высотой 14 метров.

Кстати, вернуться к строительству новых АЭС после столь долгого перерыва, скажем в США, будет так же сложно, как и к восстановлению космической лунной программы: ведь у специалистов на протяжении двух с лишним десятилетий не было опыта нового строительства в своей стране, в результате утеряны специалисты, навыки и технологии.

Курение

Не правда ли, неожиданный пункт в перечне источников техногенного облучения? Речь здесь пойдёт не о никотине и не о продуктах неполного сгорания табака, и не о том, что промышленный табак содержит тысячи вредных веществ, из которых 30 особо токсичны. Речь о радиоактивности сигаретного дыма. Вместе с этим дымом в лёгкие курильщика, а также окружающих его людей, попадают радиоактивные изотопы радия-226, полония-210 и радиогенного свинца-210. Появление этих изотопов в табаке связано с применением на промышленных табачных плантациях удобрений с высоким содержанием фосфатов. Большинство разрабатываемых фосфатных месторождений содержит уран, присутствующий в довольно высокой концентрации, а значит, там присутствуют и все члены уранового семейства, включая радий, полоний и свинец. Сигаретные фильтры задерживают лишь малую часть радиоактивных металлов. О радиоактивности сигаретного дыма заговорили сравнительно недавно, после исследований, опубликованных американскими учёными в 2008 году.

Оценки эквивалентных доз, получаемых активными и пассивными курильщиками, имеют очень большой разброс: от скромных микрозивертов в год до доз, превышающих в несколько раз установленные для техногенных источников облучения пределы. Это зависит и от сорта табака, и от масштабов курения.

Ежегодно в мире жертвами активного и пассивного курения становятся 2–3 человека из каждых 100 тысяч. От последствий радиации, включая аварии на ядерных объектах, в год умирает 0,05 человека на каждые 100 тысяч. У нас в 40–60 раз больше шансов погибнуть от табака, чем от радиации, не связанной с курением.

Другие источники техногенного облучения

Ещё один источник ионизирующего излучения, с которым мы периодически сталкиваемся, – рентгеновские сканеры (рентгенотелевизионное досмотровое оборудование проходного типа). Они установлены во многих международных аэропортах, на крупных железнодорожных вокзалах и стадионах, а также в музеях Кремля и некоторых государственных учреждениях. В зависимости от типа сканера, доза за «процедуру» колеблется от 0,000035 мкЗв до 0,2–0,4 мкЗв. Для сравнения, средняя мощность дозы от естественного облучения составляет 0,22 мкЗв в час, а за перелёт Москва-Санкт-Петербург вы получите добавочные 3–5 мкЗв. Можно сделать вывод, что эпизодические проходы сквозь сканеры допустимы, но делать это на регулярной основе крайне нежелательно.

Сейчас в аэропортах Москвы рентгеновские сканеры уже заменили на менее вредные микроволновые. Мощность сигнала такого сканера во много раз ниже мощности сигнала мобильного телефона. Вы легко отличите рентгеновский сканер от микроволнового по внешнему виду: рентгеновский похож на две железные будки, между которыми встаёт человек, а микроволновый – это прозрачная кабинка с двумя вращающимися стенками (там установлены излучающие антенны).

Существует огромное количество общеупотребительных предметов, являющихся источником облучения. Кто-то ещё использует старые часы со светящимся циферблатом, которые дают годовую эквивалентную дозу, в 4 раза превышающую ту, что обусловлена утечками на АЭС. При изготовлении таких циферблатов использовали радий или торий. В современных светящихся устройствах (брелоках, часах, компасах, указателях входа-выхода и прочих) используют радиоактивный изотоп водорода – тритий. Этот изотоп заключён в прозрачную герметичную ёмкость, на внутреннюю поверхность которой нанесён тонкий слой люминофора. Электроны, испускаемые тритием при β-распаде, вызывают свечение люминофора. Из-за малой энергии эти электроны поглощаются стенками ёмкости и не представляют опасности. Опасны могут быть более дешёвые брелоки, в которых тритий заменён на другие радиоактивные изотопы. Недостаток светящихся устройств с тритием – потеря половины яркости в течение 12 лет.

Хотя в той или иной степени радиоактивны могут быть многие бытовые предметы, но доза, получаемая нами от таких предметов, составляет сотые доли процента от суммарной дозы облучения. Еще порядка 1 % общей дозы мы можем получить с продуктами питания, выращенными с применением фосфатных удобрений или на заражённых территориях.

Наполнитель для кошачьего туалета изготавливается из бентонитовой глины, которая содержит радиоактивные элементы уран и торий.

Я шагаю по Москве

Москва – единственный в мире город, где функционируют 10 ядерных реакторов, где почти две сотни организаций работают с радиоактивными источниками, где функционируют десятки опасных производств, использующих радиоактивные материалы. Зачастую эти опасные объекты не имеют даже санитарно-защитных зон.

7 из 10 действующих атомных реакторов (это всё реакторы малой мощности для научных исследований) находятся на территории Российского научного центра «Курчатовский институт», и здесь же – самое большое в мире городское хранилище отходов отработанного ядерного топлива. Хранилище начало заполняться с середины 1940-х, когда в Институте шла работа по созданию первого в мире атомного реактора и первой советской атомной бомбы.

Есть и другие радиационные свалки прошлого века, когда отработанные радиоактивные материалы просто выбрасывали в овраги за городом. А потом эти места оказались в черте города. Самая большая, но не единственная такая свалка – вдоль Москвы-реки рядом с Каширским шоссе. Работа по вывозу радиоактивного грунта постепенно ведётся, но эта работа очень медленная и кропотливая, требующая к тому же больших финансовых вложений. А между тем радиоактивные изотопы вместе с грунтовыми водами могут попадать в Москву-реку.

Имеются также сотни мест незаконного размещения радиоактивных отходов и старого медицинского оборудования на территории Москвы и области, и отнюдь не все из них обнаружены и обезврежены. Контролем радиационной безопасности в Москве, как и на всей территории РФ, занимается Роспотребнадзор. Кроме того, в Москве много лет работает организация МосНПО «Радон» (МосРадон), задача которой – мониторинг радиационной обстановки, обнаружение радиоактивных объектов и их обезвреживание. Уже выявлены сотни и сотни таких объектов, вывезены тысячи кубометров заражённого грунта (с последующим захоронением). А сколько ещё осталось необнаруженного? Иногда локальные очаги радиоактивного заражения находят энтузиасты-любители, шагая по городу с дозиметром.

Средний уровень радиационного фона по Москве невысок: 1 мЗв/год (0,11 мкЗв/ч). Это вдвое меньше общемирового среднего значения. Но если вы где-то зарегистрируете мощность дозы 0,6 мкЗв/ч и более, вы можете обращаться в Роспотребнадзор.

В завершение этой части книги хочется ещё раз повторить: основными источниками радиации в жизни обычного человека по-прежнему остаются естественный радиационный фон (особенно радон в жилых помещениях) и медицинские обследования. И эти факторы мы в определённой мере способны контролировать. К счастью, радиационные аварии и ситуации, в которых мы подвергаемся воздействию неконтролируемых источников радиации, очень редки. К несчастью, такие ситуации периодически случаются, так что будьте бдительны.

Content

Алла Борисовна Казанцева
Физика в быту

Предисловие автора

Часть 1 Мир звуков

Глава 1 Физика звуков

Что такое звук?

Неслышные звуки

Как измеряют волны

Секреты музыкальных звуков

Что за шум, что за рёв

Как создать музыкальный звук?

Можно ли увидеть звук?

Резонанс и резонаторы

Тайны музыкальных инструментов

Рождение живого голоса

О певческих голосах

Тайны речи

Глава 2 Восприятие звуков

Область слышимости

Как мы воспринимаем громкость

Шагая по ступеням гаммы

В чём красота звуковых сочетаний?

Как работает наша слуховая система

Глава 3 Воздействие звуков

Особо важные частоты

Музыка и мозг

Музыка и дети

Музыкотерапия

Немного о мантрах

Берегитесь громких звуков

Городские шумы

Часть 2. Что нам светит

Глава 1 Свет и цвет: физика и физиология

Что такое свет?

Вездесущее излучение

Естественные источники света

Свет в жизни человека

Как устроен глаз человека

Что такое цвет?

Цвета предметов

Адаптация глаза к свету, темноте и цвету

Глава 2 Что надо знать об источниках света

Световой поток и светоотдача

Индекс цветопередачи и цветовая температура

Коэффициент пульсаций

Глава 3 Лампы накаливания

Характеристики излучения

Преимущества ламп накаливания

Недостатки ламп накаливания

Галогенные лампы

Глава 4 Люминесцентные лампы

Принцип работы

Спектр люминесцентных ламп

Старые линейные «лампы дневного света»

Компактные люминесцентные лампы

Преимущества люминесцентных ламп

Недостатки люминесцентных ламп

Глава 5 Светодиодные лампы

Принцип работы

Как устроена светодиодная лампа

Особенности спектра

Пульсации излучения

Преимущества и недостатки светодиодных ламп

Немного о мониторах

Подводя итоги

Часть 3 Электромагнитные поля и человек

Глава 1 Законы электромагнетизма

Роль электромагнитного взаимодействия в мире

Заряды. Статическое электричество

Электромагнитное поле

Индукционные токи

Излучение электромагнитных волн

Глава 2 Естественные электромагнитные поля

Электрическое поле Земли

Геомагнитное поле

Когда магнитные полюса меняются местами

Магнитные бури

Электромагнитные волны в атмосфере

Глава 3 Человек в электромагнитных полях

Человек как источник полей

Влияние внешних полей

Когда поля ослаблены

Постоянные техногенные магнитные поля

Влияние полей технической частоты

Поля бытовых электроприборов

Магнитные поля транспорта на электротяге

Глава 4 Электромагнитные излучения

Радиоволны. Микроволны

Механизмы действия и нормирование радиоизлучений

Радиоизлучения в населённых пунктах

Излучение антенн базовых станций

Излучение мобильных телефонов и смартфонов

Мобильные телефоны и дети

Wi-Fi роутеры

Дети и беспроводные технологии

Другие бытовые источники микроволн

Часть 4 Надо ли бояться радиации?

Глава 1 Виды радиации

Что такое радиация?

Открытие рентгеновских лучей

Радиоактивность

Закон радиоактивного распада

Состав ядра. Изотопы

Радиоактивные семейства

Виды распадов

Что такое космические лучи

Глава 2 Дозы и риски

Исторические ошибки

Дозы и единицы их измерения

Воздействие больших и средних доз облучения

Особенности малых доз

Предельно допустимые дозы

Глава 3 Естественный радиационный фон

Источники земной радиации

Радон – главный виновник земной радиации

Радон в домах

Космическая радиация на Земле и в космосе

Глава 4 Техногенные источники радиации

Источники и нормы техногенного облучения

Медицина как источник облучения

Ядерные взрывы в атмосфере

Ядерный топливный цикл

Аварии на ядерных объектах

ТЭС или АЭС?

Курение

Другие источники техногенного облучения

Я шагаю по Москве