Physikalische Eigenschaften von Feldern und Wellen

Eine Einführung in die Ursachen der biologischen Wirksamkeit von Feldern und Wellen

Bei der Betrachtung der Auswirkungen von Feldern und elektromagnetischen Wellen auf biologische Systeme muss zwischen statischen, niederfrequenten und hochfrequenten Feldern unterschieden werden, da auf Grund unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften in der Materie differente Wirkungen erzielt werden. 

Natürliche und künstliche Quellen erzeugen elektromagnetische Energie in Form von elektromagnetischen Wellen. Diese Wellen bestehen aus elektrischen oder magnetischen Schwingungsfeldern, die mit biologischen Systemen wie Zellen, Pflanzen, Tieren oder Menschen in unterschiedlicher Form interagieren. Um die Wechselwirkungen zwischen Physik und Biologie besser verstehen zu können, ist die Kenntnis der physikalischen Eigenschaften von Feldern und Wellen, eine wesentliche Voraussetzung. 

Die Gesamtheit aller physikalischen Felder bezeichnet man als das Elektromagnetische Spektrum.Das elektromagnetische Spektrum reicht von 0 Hertz (Hz) bis 10 ²⁴ Hz. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen nicht-ionisierender (= NIS) und ionisierender Strahlung (= IS).

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

Ionisierende Strahlungen (= IS) sind extrem hochfrequente elektromagnetische Strahlen, (Röntgen und Gammastrahlen) ab 10¹⁷ Hz, deren Energie groß genug ist, um eine Ionisierung zu erzeugen (d.h. um positive und negative elektrisch geladene Atome oder Molekülteilchen zu schaffen), indem sie die atomaren Bindungen der Zellmolküle aufbrechen.

Nichtionisierende Strahlen (= NIS) sind ein allgemeiner Ausdruck für denjenigen Teil des elektromagnetischen Spektrums, dessen Photonenenergie zu schwach ist, um atomare Bindungen aufzubrechen. Dazu zählen u.a. ultraviolette Strahlen (UV), sichtbares Licht, Infrarotstrahlen, HF und Mikrowellenfelder, extrem niederfrequente Felder (50 und 16 2/3 Hz-Felder) sowie statische elektrische und magnetische Felder.

Elektromagnetische Felder und Wellen sind durch ihre Wellenlänge, Frequenz oder Energie charakterisiert. Diese drei Parameter hängen miteinander zusammen, wobei jeder einzelne einen Einfluss darauf hat, wie sich das Feld auf ein biologisches System auswirken kann.

Wellen mit niedrigen Frequenzen werden zwar unter dem Sammelbegriff elektromagnetische Felder geführt werden aber besser als elektrische und magnetische Felder bezeichnet, da beide Felder getrennt auftreten können (nicht von einander abhängig sind; physikalisch gesprochen: ungekoppelt sind).

Solche mit sehr hohen Frequenzen werden als elektromagnetische Strahlungen oder Wellen(felder) bezeichnet. Beide Felder sind physikalisch miteinander verbunden, man spricht von gekoppelten Feldern. Wird ein Wellenteil abgeschirmt, verschwindet auch der andere Wellenanteil, man spricht von Koppelung.

Je nach ihrer Frequenz und Energie werden elektromagnetischen Wellen - wie schon ausgeführt, - entweder als „ionisierende Strahlungen“ (IS) oder „nichtionisierende Strahlungen“ (NIS) klassifiziert.

Statische Felder

Die Wirkung elektrischer und magnetischer Felder beruht auf der primären Wirkung solcher Felder auf biologische Systeme, indem eine Induktion elektrischer Ladungen und Ströme ausgelöst wird. Da sich im Körper ständig freie Ladungsträger bewegen (Blutsystem, Lymphe) wird ein entsprechender Einfluss auch in magnetostatischen Feldern auf die Körperstromdichte ausgeübt. Bei elektrostatischen Feldern werden andere Effekte beobachtet, die eine mögliche gesundheitliche Gefährdung darstellen.

Elektro-statische Felder – werden auch als elektrische Gleichfelder bezeichnet – sie dringen nicht in den Körper ein, sind jedoch z.B. anhand von Haarbewegungen auf der Haut wahrnehmbar. Abgesehen von elektrischen Entladungen, bedingt durch starke statische elektrische Felder, besitzen sie keine primären gesundheitlichen Auswirkungen. Sekundäre Auswirkungen in Form von Staubverfrachtungen und Großionenbildung können aber sehr wohl biologische Probleme hervorrufen.

Magneto-statische Felder – werden auch als magnetische Gleichfelder bezeichnet - besitzen innerhalb und außerhalb des Körpers praktisch die gleiche Stärke. Materie dämpft magnetische Felder nicht. Statische Magnetfelder lassen im Körper bei bewegenden Ladungsträgern eine Spannung und in Folge Ströme entstehen. Gerade im Bereich der Reizleitungs- und Körper-Informationssysteme sind möglichen Störungen zu suchen. Mittlere Intensitäten können zu einer Veränderung der Durchblutung (Mikrozirkulation) und hohe zu einer Störung der Nervenimpulse führen. Hohe Feldstärken treten im täglichen Leben sehr selten auf. Allerdings liegen derzeit nur sehr unzureichende Informationen über die Auswirkungen von Langzeit-Expositionen im Hinblick auf statische und niederfrequente Felder an Arbeitsplatzen und in Wohnbereichen vor.

Niederfrequente Felder

Extrem niederfrequente elektrische und magnetische Felder (ELF) wirken auf biologische Systeme durch Induktion elektrischer Ladungen und Ströme. Ein weiterer Wirkmechanismus dürfte die Ankoppelung körpereigener Frequenzen an ELF-Felder sein.

• · Ein extrem niederfrequentes elektrisches Feld entsteht sobald eine Ladung (Spannung) vorhanden ist, unabhängig davon ob gerade Strom fließt. Ein solches elektrisches Feld dringt nicht in den menschlichen Organismus ein. Durch das Anliegen eines Wechselfeldes am Körper schwingen aber alle frei beweglichen Ladungsträger im Körper im Rhythmus des anliegenden Wechselfeldes mit. Das Ergebnis ist das Entstehen eines Verschiebungsstromes im Körpers. Die entscheidende biologische Größe ist hier die Veränderung der Stromdichte im Körper (A/m²). Die Körperstromdichte ändert sich dabei im Bereich von µA/m².

• Bei sehr hoben Feldstärken können solche Felder durch die Bewegung der Hauthaare wahrgenommen werden.

• · Ein extrem niederfrequentes magnetisches Feld entsteht, sobald Strom fließt. Es dringt ohne nennenswerte Abschwächung in den menschlichen Organismus ein und führt zu einer Wirbelstrombildung. Je höher die Frequenz um so größer die Wirbelstrombildung im Körper. Die Frequenz ist proportional zum induzierten Strom. Gemessen wird die auftretende Flussdichte in T (= Tesla) bzw. ihren kleineren Untereinheiten. Die biologische Wirkung erklärt sich wieder aus der daraus resultierenden Veränderung der Körperstromdichte.

Hochfrequente Wellen

Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Frequenz. Der Bereich des AMRundfunkbandes zum Beispiel hat im mittel eine Frequenz von einer Million Hertz (1 MHz) und eine Wellenlänge von ungefähr 300 m, Mikrowellenherde arbeiten z.B. mit einer Frequenz von 2.45 Milliarden Hertz (2,45 GHz,) und einer Wellenlänge von 12 cm.

Eine elektromagnetische Welle besteht aus sehr kleinen Energiepaketen, Photonen genannt. Die Energie in jedem Paket oder Photon ist direkt proportional zur Frequenz der Welle: Je höher die Frequenz, desto größer die Energiemenge in jedem Photon. 

Selbst hochintensive NIS können keine Ionisierung in einem biologischen System hervorrufen. Doch hat sich gezeigt, dass NIS andere biologische Effekte bewirken kann.

Welchen Einfluss elektromagnetische Wellen auf biologische Systeme haben, wird von verschiedenen Faktoren bestimmt. So werden die thermischen Effekte ausschließlich von der Intensität eines Feldes und der Wellenlänge bestimmt, während die athermischen Effekte mehr von Frequenz, Modulationsart, Signalform, Frequenzbandbreite und Polarisation beeinflusst werden. 

Kommt es bei hohen Feldstärken zur Induzierung elektrischer Ströme, so werden bei

geringen und geringsten Feldstärken vorwiegend athermische Effekte in Biosystemen ausgelöst. 

Technische, hochfrequente Felder sind ebenso Teil des elektromagnetischen Spektrums wie natürliche hochfrequente Felder und diese treten heutzutage besonders im Frequenzbereich von 300 kHz bis 300 GHz auf. Dies gilt im Besonderen für Strahlungsquellen des Mobilfunks und anderer Funkemissionen. 

Häufig vorkommende Quellen von HFFeldern sind u. a,: Monitore und Bildschirmgeräte (3 30 kHz), Rundfunk (30 kHz 300 MHz). industrielle Induktionsheizgeräte (0,3 3 MHz), HFHitzeversiegler, medizinische Kurzwellendiathermie (3 30 MHz), Mobiltelefone, Fernsehemissionen, Mikrowellenherde, medizinische Mikrowellendiathermie (0,3 3 GHz), Radar (1-100 GHz), Mikrowellen-Kommunikationsysteme (0,930 GHz,)

HFFelder unter einer Frequenz von 10¹⁶ Hz gehören zu den nichtionisierende Strahlen (NIS). Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen und Gammastrahlen sind sie viel zu schwach, um die Molekül-Bindungen der Zellen aufzubrechen. Sie verursachen keine Ionisierung. HF-Felder können jedoch unterschiedliche Wirkungen auf biologische Systeme wie Zellen, Pflanzen, Tiere oder Menschen haben. Die Wirkung hängt neben der Frequenz und der Intensität des HFFeldes ab, vor allem von der Expositionsdauer ab. Weitere Faktoren wie Modulation, Signalcharakteristik, Frequenzbandbreite, Pulsfrequenz und Polarisation sind ebenfalls Größen, die einen wichtigen Einfluss auf die Biowirksamkeit ausüben.

Und letztendlich spielen mögliche Resonanzeffekt noch eine Rolle. Welcher Faktor welche Bedeutung im biologischen „Konzert“ spielt, ist bis heute nur sehr unzureichend erforscht!

 Während NF-Felder bis 30 kHz überwiegend durch ihre Wirkung auf Ladungsträger eine Biofunktionalität entwickeln, bewirken HFFelder mit einer Frequenz von mehr als 1 MHz vor allem Wärmebildung (thermische Wirkung) durch die Bewegung von Ionen und Wassermolekülen in dem sie umgebenden Medium. Auch bei nur sehr geringen Mengen von HFEnergie entsteht ein bestimmtes Quantum an Wärme, das jedoch durch die normale Thermoregulierung des Körpers abgeführt wird, ohne dass die betreffende Person sich dessen bewusst ist. Ein anderer Teil führt zu der so genannten athermischen Wirkung, die sich vor allem in Membraneffekten (Mineral-Austausch-Störungen), Enzyminduktionsstörungen und der Störung chronobiologischer Regelkreise -Veränderungen der neuronalen Signalform - und einer langsamen Immunsupression ausdrückt. 

Zusammenfassung:

- HF Felder unter 1 MHz führen nicht zu einer signifikanten Thermischen Reaktion. Sie bewirken, vielmehr eine Induktion elektrischer Ströme und Felder im Gewebe, die als Stromdichte in Ampere pro Quadratmeter (A/m².) gemessen werden. Die Stromdichte ist hier die grundlegende dosimetrische Größe für HF-Felder mit Frequenz von etwa unter 1 MHz. 

Die zahlreichen Kommunikationsprozesse im Körper, die ein Teil des Lebensprozesses sind, führen im Gewebe zu Körperströmen und Feldern, wobei die Körperstromdichte etwa 10 mA/m² beträgt.

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

- HFFelder zwischen 1 MHz und 10 GHz dringen in exponierte Gewebe ein und erwärmen diese durch Energieabsorption. Wie tief das HF-Feld in das Gewebe eindringt, hängt von dessen Frequenz ab und dem Körpergewebe ab. Bei niedrigen Frequenzen ist die Eindringtiefe viel größer.

Die Energieabsorption durch HF Felder im Gewebe wird als spezifische Absorptionsrate (SAR) innerhalb einer bestimmten Gewebemasse bestimmt. Die Einheit für die spezifische Absorptionsrate ist Watt pro Kilogramm (W/kg). SAR ist die grundlegende dosimetrische Größe für HFFelder zwischen etwa 1 MHz und 10 GHz.

Um bei Personen, die HF Feldern in diesem Frequenzbereich ausgesetzt sind, negative thermische Auswirkungen hervorzurufen, ist eine spezifische Absorptionsrate von mindestens 4 W/kg erforderlich. Solche Energien treten im Bereich von Dutzenden Metern um leistungsstarke Sendeantennen auf. Diese Bereiche sind für Menschen unzugänglich. 

Die häufigsten thermischen Auswirkungen, die durch den Einfluss von HF Feldern im Bereich zwischen 1 MHz und 10 GHz entstehen können, entsprechen der Reaktion auf eine induzierte Erwärmung, die zu einer Erhöhung der Gewebs oder Körpertemperatur um mehr als l⁰ C führt. Die athermischen Wirkungen treten bei hohen Feldstärken in den Hintergrund, da sie als chronische Langzeitfolgen erst viel später auftreten als die akut wirkenden thermischen Reaktionen.

 - HF Felder über 10 GHz werden an der Hautoberfläche weitgehend absorbiert, wobei nur ein sehr geringer Teil der Energie in das darunter liegende Gewebe eindringt. Es ist aber wieder ein Trugschluss zu glauben, dass der nicht resorbierte Teil der Strahlung (0,5 -3 %) biologisch vernachlässigt werden kann.

Die grundlegende dosimetrische Grundgröße für HF-Felder über 10 GHz ist die Intensität des Feldes gemessen als Leistungsdichte in Watt pro Quadratmeter (W/m²) bzw. für schwache Felder in Milliwatt pro Quadratmeter (mW/m²) oder Mikowatt pro Quadratmeter (W/m²).

Gesundheitliche Belastungen oder Schäden ergeben sich aus zwei möglichen Wirkmechanismen. Der thermischen Wirkung, die z. B. beim Mikrowellen-Kochen ausgenützt wird und der athermischen Wirkung die Membraneffekte, Enzyminhibition und Störung von chronobiologischen Regelkreisen auslösen kann. Auch Resonanzphänomene können in Biosystemen eine Rolle spielen.

Elektromagnetische Interferenzen und andere Wirkungen: MobilTelefone können wie viele andere elektronische Geräte des täglichen Gebrauchs elektromagnetische Interferenzen in anderen Elektrogeräten erzeugen. Aus diesem Grund ist beim Umgang mit Mobiltelefonen in der Umgebung empfindlicher elektromedizinischer Geräte, wie sie auf Intensivstationen von Krankenhäusern zum Einsatz kommen, große Vorsicht geboten. Mobiltelefone können in seltenen Fällen auch bei anderen medizinischen Apparaten wie Herzschrittmachern oder Hörgeräten Interferenzen verursachen. Den Benutzern solcher Geräte wird empfohlen, ihren behandelnden Arzt zu konsultieren, um die Empfindlichkeit des Produktes, auf solche Effekte zu untersuchen.

Ein Vergleich der natürlichen und künstlichen Strahlungsintensität im Frequenzbereich 300 kHz bis 300 GHz:

Im Frequenzbereich von 300 kHz bis 300 GHz weisen die natürlichen HF-Quellen nur eine sehr geringe Leistungsdichte auf. So beträgt etwa die natürliche HFIntensität in diesem Bereich nur ca. 10^-12 W/m² ( Billionstel Watt pro Quadratmeter).  

Die künstlichen HF-Quellen, im Frequenzbereich von 300 kHz bis 300 GHz haben heute eine mittlere Leistungsdichte von 0,1 – 10 µW/m² erreicht, dabei ist der Ausbau von UMTS und WLAN-DSL-Netzen noch nicht mit einbezogen. Wenn man beide Leistungsflussdichten vergleicht, stellt man fest, das die technisch bedingten HF-Emissionen ca. 100.000-fach bis 1.000.000-fach über den Intensitäten der natürlichen Strahlung liegen!

© 6/2007 - Arbeitskreis Elektro-Biologie e.V..