Sähkömagneettinen säteily

Sinimuotoinen sähkömagneettinen aalto etenee suuntaan +z. Sähkökenttä vaihtelee sinimuotoisesti x-akselin suunnassa, ja magneettikenttä vaihtelee samassa vaiheessa sähkökentän kanssa y-akselin suunnassa. Kentät ovat suorassa kulmassa myös etenemissuuntaan (+z) nähden.

Sähkömagneettinen säteily on säteilyn etenemissuuntaa vasten kohtisuoraan tapahtuvaa sähkö- ja magneettikentien värähtelyä.

Sähkömagneettisen säteilyn välittäjähiukkanen on massaton fotoni ja säteily etenee tyhjiössä valon nopeudella (n. 300 000 000 m/s). Säteilyn energia on suoraan verrannollinen taajuuteen ja kääntäen verrannollinen aallonpituuteen. Taajuus kertoo jaksojen ('aaltojen') määrän aikayksikössä. SI-järjestelmän mukainen taajuuden yksikkö on Hertsi (Hz), joka kertoo jaksojen määrän sekunnissa.

Sähkömagneettisten aaltojen aaltoyhtälö voidaan johtaa yleistä sähkömagneettista kenttää kuvaavista Maxwellin yhtälöistä.

Aallonpituus $\scriptstyle \lambda$.

Aallonpituus on sen matkan pituus, jonka sähkömagneettinen kenttä etenee yhden jakson aikana. Se saadaan jakamalla aallon etenemisnopeus taajuudella:

$\lambda \,={\frac {v}{f}}\,$

missä v on aallon etenemisnopeus (m/s), ja f on aallon taajuus (Hz). Väliaineessa etenemisnopeus hidastuu, joten myös aallonpituus lyhenee.

Sähkömagneettinen spektri. Tarkoituksenmukainen sähkömagneettinen säteily on tyypillisesti jokin kapea alue spektristä. Ympäristö säteilee useilla eri spektrin osa-alueilla.

Sähkömagneettinen spektri jaetaan tyypillisesti erilaisten ominaisuuksiensa mukaisiin pääryhmiin, jotka ovat matalataajuisimmasta suuritaajuisimpaan radiotaajuus- (sis. mikroaallot), infrapuna-, näkyvä valo, ultravioletti-, röntgen- ja gammasäteily.

Vain ionisoivaa säteilyä pidetään yleisesti terveysriskinä. Ionisoivaa sähkömagneettista säteilyä ovat röntgen ja gammasäteily sekä osin ultraviolettisäteily. Nämä ovat näkyvää valoa korkeataajuisempaa ja täten energisempää säteilyä. Radiotaajuinen- ja infrapunasäteily (lämpösäteily) eivät ole ionisoivaa säteilyä ja niiden energia on näkyvän valon energiaa pienempää. Lämpösäteily voi luonnollisesti aiheuttaa kudokseen palovamman lämpövaikutuksen kautta.

Energia, teho

Säteilykvantin energia ja liikemäärämomentti määräytyy (tyhjiössä) säteilyn taajuuden mukaan; mitä suurempi taajuus, sitä suurempi energia: säteilyn energia on siis suoraan verrannollinen säteilyn taajuuteen; mitä suuritaajuisempaa säteily on, sitä suurienergisemmästä säteilystä on kyse. Yksittäinen fotoni voi kuljettaa vain tietyn määrän energiaa.

Säteilyn tehon määrittää energian lisäksi fotonien määrä tietyllä pinta-alalla tiettynä ajanjaksona; kokonaisteho määräytyy kvanttien ajallisen tiheyden - intensiteetin - mukaan; mitä suurempi määrä kvantteja osuu tarkasteltavalle pinta-alalle tarkastelujaksolla, sitä suurempi on säteilyn teho. Intensiteetti ilmoitetaan SI-järjestelmässä W/m² (wattia neliömetrille). Watti itsessään sisältää aikamääreen sekunti. Yksittäisen kvantin energia ja liikemäärämomentti määräytyy (tyhjiössä) siis kuitenkin vain taajuuden mukaan.

Syventävää tietoa: #Energiatiheys ja intensiteetti

Säteilyn ja aineen vuorovaikutus

Emittoituminen, eteneminen ja absorboituminen

Materiaali emittoi ja absorboi samoilla taajuuksilla; se taajuus mikä absorboituu on sama, jota materiaali emittoi absorption aikaansaaman viritystilan lauetessa.

Emittoituminen

Kvanttiteorian mukaan sähkömagneettisen säteilyn lähde ei koskaan kykene emittoimaan energiaa jatkuvana virtana, vaan säteily on aina kvantittunutta, eli se emittoituu vain tietyn suuruisina paketteina, eli säteilykvantteina, eli fotoneina.

Valoemissio on mahdollinen myös kun vapaan elektronin energia muuttuu kiteen energiavyön sisällä. Sähkömagneettinen aalto emittoituu aina kun sähkövaraus on kiihtyvässä liikkeessä.

Ympärillämme on jos jonkin taajuista ja voimakkuudellista säteilyä, eikä suinkaan ainoastaan ihmisen synnyttämää. Aurinko on ehkä selkein sähkömagneettisen säteilyn lähde; valo on sähkömagneettista säteilyä (aallonpituus n. 400-700 nm) ja kaikki sähkömagneettinen säteily eteneekin tyhjiössä valon nopeudella (299 792 458 m/s).

Mikä tahansa kappale, jonka lämpötila on absoluuttisen nollapisteen yläpuolella, lähettää (emittoi) sähkömagneettista säteilyä.

Milloin atomin tai molekyylin viritystila purkautuu - esimerkiksi kappaleen jäähtyessä, niin atomi palaa alemmalle energiatasolle vapauttaen ylimääräisen energian sähkömagneettisena säteilynä (lämpösäteily), eli emittoi fotonin. Emittoidun säteilyn taajuuden määrittää vapautuneen energian määrä; energiamäärä on sama kuin energiatilan muutos.

Sähkömagneettisen säteilyn laaja kirjo voidaan jakaa eri taajuusalueisiin erikoisominaisuuksiensa mukaan: radioaallot, mikroaallot, infrapunasäteily, valo, ultraviolettisäteily, röntgensäteily ja gammasäteily. Nämä eri taajuusalueet muodostavat yhdessä sähkömagneettisen spektrin.

Eteneminen

Säteilyn etenemisnopeus on väliaineesta riippuvainen suure. Tyhjiössä sähkö- ja magneettikenttä etenee valonnopeudella (n. 300 000 000 m/s). Koaksiaalikaapelissa etenemisnopeus putoaa 66 prosenttiin valonnopeudesta.

Tyhjiössä sähkö- ja magneettikentän muutokset ovat yhtäläiset..

Absorptio

Pääartikkeli: Absorptio (sähkömagneettinen säteily)

Aineen absorboidessa ('ottaessa vastaan') sähkömagneettista säteilyä, johtaa se aineen – atomin tai molekyylin – virittymiseen jollain mekanismilla. Aine voi vastaanottaa vain diskreettejä säteilypaketteja; yksittäinen fotoni ei voi absorboitua vain osittain.

Säteilyenergia absorboituu kohtaamaansa materiaan silloin kun sen taajuus vastaa jotain molekyylin tai atomin luontaisista taajuuksista. Toisin sanoin; vastaa energiaa, joka mekanismin virittymiseen tarvitaan. Virittyminen on mahdollista vain, milloin virittymiseen tarvittava energia vastaa aallon energiaa; energiaa ei voi jäädä yli. Molekyylien ja atomien osien virittymiseen liittyvät taajuusalueet:

• atomiytimen spin on herkkä radiotaajuiselle ja mikroaaltoiselle säteilylle
• atomiytimet ovat herkkiä gammasäteilylle
• molekyylin pyörimisliike on herkkä mikroaaltoalueen säteilylle
• molekyylin värähtely on herkkä infrapunasäteilylle (lämpösäteilylle)
• sisimmät elektronit ovat herkkiä röntgensäteilylle
• uloimmat elektronit ovat herkkiä näkyvälle valolle sekä infrapuna- ja ultraviolettisäteilylle

Ilmakehän, eli troposfäärin ilmankosteuden vesimolekyylit (H₂O) ovat voimakkaasti polaarisia ja omaavat laajan resonanssialueen ja absorboikin sähkömagneettista säteilyä täten laajalla taajuusalueella.

Vesihöyryn resonanssitaajuuksia ovat ainakin 22, 183 ja 325 GHz.

Antenni on sovitin, joka sovittaa sähkömagneettisen singnaalin ja virtapiirin toisiinsa; antenniin absorboitunut säteily muuttuu sähkövirraksi ja antenni on näin jatkuvasti 'virittymisherkässä' tilassa. Antenni on myös suodin, joka on viritetty tietyn taajuisen sähkömagneettisen säteilyn vastaanottamiseen.

Heijastuminen, taittuminen ja sironta

Heijastuminen: Jos valo lähetetään kohti tasoa, osa siitä heijastuu takaisin. Tasoon tulevan ja tasosta heijastuvan valon kulma on tason normaaliin nähden sama.

Taittuminen: Kun valonsäde siirtyy väliaineesta toiseen, sen kulkusuunta muuttuu, ellei tulosuunta ole pinnan normaalin suuntainen. Jotkut väliaineet ovat alttiimpia sähkökentän vaikutukselle kuin toiset eli ovat enemmän permittiivisiä. Väliaineen taitekertoimeen vaikuttavat aineen suhteellinen permittiivisyys ja permeabiliteetti. Taitekertoimeen vaikuttaa myös aallon pituus.

Sironta: Fotoni voi sirota atomista niin, että atomi absorboi fotonin ja emittoi toisen fotonin.

Säteily lämmön siirtymismekanismina

Taivaankappaleiden energiataloudessa säteily on merkittävin energian siirtymismekanismi, sillä taivaankappaleita ympäröivässä avaruuden tyhjiössä lämmön siirto johtumalla tai konvektiolla on mahdotonta. Maapallon energiataloudessa säteilyn vuorovaikutus maanpinnan ja ilmakehän kanssa määrittelee planeetan lämpötilan. Yläilmakehään tulee jatkuvasti Auringon säteilyä. Osa säteilystä heijastuu takaisin ilmakehästä ja pilvistä, osa absorboituu pilviin ja osa etenee pilvien läpi maanpinnalle. Maanpinta absorboi osan säteilystä osan säteilystä heijastuessa takaisin ilmakehään. Maanpinta puolestaan lähettää korkeampiaallonpituuksista infrapunasäteilyä avaruuteen, mikä jäähdyttää planeettaa. Se, miten tehokkaasti ilmakehän eri kerrokset absorboivat säteilyä ennen sen poistumista avaruuteen määrää kasvihuoneilmiön tehokkuuden ja maapallon lämpötilan muiden ilmastoon vaikuttavien ilmiöiden ohella.

Sähkömagneettisen säteilyn lajit

Pääartikkeli: Sähkömagneettinen spektri

Sähkömagneettisen säteilyn lajit:
γ = gammasäteily
HX = Kova röntgensäteily
SX = Pehmeä röngtensäteily
EUV = Ultraviolettisäteily (UVA ja UVB)
NUV = Ultraviolettisäteily (UVC)
Näkyvä valo
NIR = Lähi-infrapuna
MIR = Keski-infrapuna
FIR = Kaukoinfrapuna

Mikroaallot ja radioaallot:
EHF = (Extremely high frequency) Mikroaallot
SHF = (Super high frequency) Mikroaallot
UHF = (Ultrahigh frequency) Mikroaallot
VHF = (Very high frequency), Ultralyhyet aallot (ULA)
HF = (High frequency), Suurtaajuusaallot, lyhyet aallot
MF = (Medium frequency), Keskiaallot
LF = (Low frequency), pitkät aallot
VLF = (Very low frequency)
ELF = (Extremely low frequency)

Radio- ja mikroaallot

Katso:

• Radioaallot
• Mikroaallot

Sähkömagneettista säteilyä syntyy erilaisten ilmiöiden aiheuttamana. Matalilla taajuuksilla tyypillisiä radioaaltojen lähteitä ovat erilaiset sähköiset oskillaattorit, jotka sopivaan rakenteeseen eli antenniin kytkettyinä säteilevät. Myös tähdet ja muut syvän taivaan kohteet lähettävät säteilyä jo muutamien tuhansien hertsien taajuuksilta alkaen. Oskillaattoreiden ja antennien rakentaminen vaikeutuu, kun siirrytään useiden satojen gigahertsien taajuusalueelle.

Molekyylien pyörimistiloihin liittyvät viritykset säteilevät puolestaan gigahertsin luokkaa olevilla taajuuksilla.

Infrapuna-, valo-, röntgen-, ja gammasäteily

Pääartikkeli: Infrapunasäteily, Näkyvä valo, Ultraviolettisäteily, Röntgensäteily, Gammasäteily

Luonnollisista rakenteista säteileviksi muodostuvat molekyylien värähtelytilat, jotka säteilevät mikrometriluokan aallonpituuksilla. Tavanomainen huoneenlämpötilassa olevien kappaleiden lämpösäteily sijoittuukin näille spektrin osille. Atomien ja molekyylien elektronien viritystilat ovat puolestaan energioilla, jotka vastaavat satojen nanometrien aallonpituuksia eli valoa, lähi-infrapunaa ja ultraviolettisäteilyä. Myös kuumat kappaleet säteilevät tällä aallonpituusalueella.

Ultravioletti- ja röntgensäteily liittyvät lähellä atomin ydintä olevien elektronien suuriin energioihin. Röntgensäteilyksi kutsutaan myös väliaineessa tehokkaasti jarruuntuvien elektronien lähettämää jarrutussäteilyä. Osittain päällekkäin tämän energia-alueen kanssa menee gammasäteily, joka on radioaktiivisista atomiytimistä lähtevää sähkömagneettista säteilyä.

Synkrotroneissa voidaan tuottaa erittäin korkeaenergistä säteilyä kääntämällä suureen energiaan kiihdytettyjen elektronien liikerataa magneettikentällä.

Maxwellin yhtälöt ja sähkömagneettiset aallot

Pääartikkeli: Maxwellin yhtälöt

James Clerk Maxwell kehitti sähkömagnetismia koskevan teorian, joka voitiin esittää neljällä yhtälöllä, Maxwellin yhtälöillä. Näiden avulla hän saattoi päätellä, että sähkömagneettinen kenttä voi muodostaa aaltoja ja että niiden nopeuskin oli laskettavissa.

Maxwellin yhtälöiden mukaan sähkövarausta ympäröi aina säteittäinen sähkökenttä, ja sähkövirtaa ympäröi pyörteinen magneettikenttä. Lisäksi ajallisesti muuttuva magneettikenttä saa aikaiseksi pyörteisen sähkökentän ja muuttuva sähkökenttä pyörteisen magneettikentän.

Tyhjiössä ei ole varausta eikä virtaa, mutta sähkö- ja magneettikenttiä voi kyllä olla tyhjiössäkin. Tällöin Maxwellin yhtälöissä esiintyvät varaustiheys ja virrantiheys ovat nollia, jolloin kolmas ja neljäs yhtälö lyhenevät muotoon:

$\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}\qquad \qquad \ (1)$

$\nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}},\qquad \quad \ (2)$

missä $\scriptstyle \nabla$ on vektoreihin liittyvä differentiaalioperaattori nabla. Tämän operaattorin ja vektorikentän ristitulo merkitsee samaa kuin vektorikentän roottori.

Vektorianalyysin avulla voidaan osoittaa, että mille tahansa vektorikentälle pätee:

$\nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {A} \right)=\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {A} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {A} .\qquad (3)$

Sähkökenttää koskevan yhtälön (1) molemmista puolista voidaan ottaa edelleen roottori seuraavasti:

$\nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)=\nabla \times \left(-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}\right).\qquad \ \ \ (4)\,$

Soveltamalla tähän yhtälöä (3) saadaan saadaan:

$\nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)=\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {E} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {E}$,

mutta koska tyhjiössä sähkökentän divergenssi $\scriptstyle \nabla \cdot \mathbf {E}$ ja näin ollen myös tämän gradientti ovat nollia, yhtälö lyhenee muotoon

$\nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)=-\nabla ^{2}\mathbf {E} .$

Yhtälön oikeaa puolta voidaan myös muokata seuraavasti:

$\nabla \times \left(-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}\right)=-{\frac {\partial }{\partial t}}\left(\nabla \times \mathbf {B} \right)=-\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {E} }{\partial t^{2}}}.\quad \ \ \ \ (5)$

Yhtälöt (4) ja (5) ovat yhtäpitäviä, joten tästä saadaan sähkökentälle vektoriarvoinen differentiaaliyhtälö

$\nabla ^{2}\mathbf {E} =\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {E} }{\partial t^{2}}}$ (6)

Samaan tapaan saadaan magneettikentälle yhtälö

$\nabla ^{2}\mathbf {B} =\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {B} }{\partial t^{2}}}$. (7)

Nämä yhtälöt ovat muodoltaan samankaltaisia kuin mille tahansa aaltoliikkeelle muodostettava aaltoyhtälö:

$\nabla ^{2}f={\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial t^{2}}},\,$

missä

c₀ on kyseisen aaltoliikkeen nopeus ja

f suure, jonka vaihteluista aaltoliike muodostuu.

Mekaanisissa aalloissa f voi olla esimerkiksi paine tai poikkeama tasapainosta. Sähkömagneettisissa aalloissa se vastaa sähkö- tai magneettikentän voimakkuutta. Täten yhtälöstä (6) ja (7) saadaan myös sähkömagneettisten aaltojen nopeudeksi

$c_{0}={\frac {1}{\sqrt {\mu _{0}\epsilon _{0}}}}.$

Osoittautuu, että tämä nopeus on sama kuin valonnopeus. Koska valo oli jo aikaisemmin osoittautunut erääksi aaltoliikkeen muodoksi, Maxwell päätteli tästä, että valoaallotkin ovat nimenomaan sähkömagneettisia aaltoja.

Sähkö- ja magneettikentän voimakkuudet ja suunnat

Maxwellin yhtälöistä seuraa myös, että tasopolaroituneessa aalloissa värähtelevät sähkö- ja magneettikenttä ovat samassa vaiheessa ja kohtisuorassa toisiaan ja myös aaltoliikkeen etenemissuuntaa vastaan. Sen sijaan ympyräpolaroituneessa aallossa kenttävektorit pyörivät tasaisella kulmanopeudella, mutta niiden suuruudet pysyvät vakioina.

Sähkömagneettiseen altoon liittyvän sähkö- ja magneettikentän voimakkuuksien välillä vallitsee yhteys

$\mathbf {B} ={\frac {1}{c_{0}}}{\hat {\mathbf {k} }}\times \mathbf {E} ,$

missä $\scriptstyle {\hat {\mathbf {k} }}$ on aallon etenemissuuntainen yksikkövektori.

Energiatiheys ja intensiteetti

Sähkökentän energiantiheydelle $\scriptstyle w_{\mathbf {E} }$ on voimassa yleinen lauseke:

$w_{\mathbf {E} }={\frac {1}{2}}\epsilon _{0}\mathbf {E} ^{2}$.

missä $\scriptstyle \mathbf {E}$ on sähkökentän voimakkuus ja $\scriptstyle \epsilon _{0}$ yleinen sähkövakio. Vastaavasti magneettikentän energiantiheydelle on voimassa lauseke

$w_{B}={\frac {1}{2}}={\frac {1}{2}}{\frac {B^{2}}{\mu _{0}}}$,

missä B on kentän magneettivuon tiheys ja $\scriptstyle \mu _{0}$ magneettivakio.

Edellä mainitusta sähkö- ja magneettikenttien voimakkuuksien välisestä yhteydestä seuraa, että sähkömagneettisessa aallossa on sähkö- ja magneettikenttien energiatiheys yhtä suuri, joten niiden yhteenlaskettu energiantiheys on

$w_{\mathbf {E} }=\epsilon _{0}\mathbf {E} ^{2}=c\epsilon _{0}\mathbf {E} B$.

Aallon energia etenee aallon mukana väliaineen mukaisella valon nopeudella. Tyhjiössä valon nopeus on 299 792 458 m/s. 300 000 000 m/s on useimmissa laskotoimituksissa riittävä likiarvo myös ilmassa etenevälle sähkömagneettiselle aallolle, eli sähkömagneettiselle säteilylle.^lähde? Säteilyn energiavirta S, joka tunnetaan myös Poyntingin vektorina , määritellään siten, että pinta-alkion dA läpisevä säteilyteho on $\scriptstyle dP=S\cdot dA$. Tämän itseisarvo on sama kuin säteilyn intensiteetti.

Lineaarisesti polaroituneessa aallossa sekä sähkö- että magneettikentän voimakkuudet vaihtelevat jaksollisesti, sinimuotoisesti ja pienenevät välillä nollaan. Tästä seuraa, että säteilyn keskimääräinen intensiteetti I on vain puolet siitä, mikä se olisi, jos kentillä olisi koko ajan maksimiarvonsa, eli

$I={\frac {1}{2}}c\epsilon _{0}\mathbf {E} ^{2}$.

Sen sijaan ympyräpolaroituneessa aallossa kentillä on koko ajan maksimiarvonsa, jolloin säteilun intensiteetti on

$I=c\epsilon _{0}\mathbf {E} ^{2}$.

Sähkömagneettisen säteilyn terveysriskit

Ympäristön sähkömagneettinen säteily aiheuttaa kehon varautumisen sähkökentillä, mikä aiheuttaa kehonsisäisia sähkövirtoja. Osa sähkömagneettisesta säteilystä läpäisee ihon tunkeutuen syvemmälle elimistöön.. Tosin sähkömagneettista säteilyä on ilman ihmisen toimintaa yllin kyllin ja vaikka ei olisi, niin ihmisessä kulkee koko ajan virtoja

ionisoiva säteily saattaa vaurioittaa soluja. Esimerkiksi Auringon UV-säteilyn, röntgen- ja gammasäteiden energia on riittävän voimakasta kyetäkseen rikkomaan yksittäisten molekyylien kemiallisia sidoksia. Tämän on todettu aiheuttavan syöpää ja erilaisia välittömiä säteilyvaurioita, jotka voivat esiintyä lievimmissä tapauksissa pelkkänä ihon punoituksena; 'iho palaa auringossa'.

Ionisoivan säteilyn turvallisuus;

Pääartikkeli: Säteilyturvallisuus

Myös auringonvalon ja loiste- sekä halogeenivalaisinten ihmissilmälle näkymätön ultraviolettisäteily (UV-säteily) aiheuttaa DNA-vaurioita, jotka saattavat johtaa ihon rypistymiseen vuosikymmenten saatossa ja toisinaan myös ihosyöpään. Ultraviolettisäteily jaetaan A-, B- ja C-säteilyalueeseen pääasiassa säteilyn ihmisterveyteen ja ympäristöön aiheuttamien vaikutusten mukaan. Näistä ensimmäinen tunkeutuu syvimmälle kudoksiin ja läpäisee myös lasia.

• UVA-säteily, aallonpituus 315–380 nm
• UVB-säteily, aallonpituus 280–315 nm
• UVC-säteily, aallonpituus 100–280 nm

Näkyvästä valosta irtoavien fotonien energia riittää vain poikkeustapauksissa rikkomaan kemiallisia sidoksia, minkä vuoksi se aiheuttaa ongelmia lähinnä vain erittäin harvinaisesta näkyvän valon allergiasta kärsiville.

Säteily saattaa heikentää ihmisen immuunipuolustusta, kuten UVB-säteily tekee – toisaalta iho tuottaa auringossa D-vitamiinin esiastetta ja täten parantaa vastustuskykyä, ja esimerkiksi liiallinen lämpösäteily, joka on suurimmaksi osaksi infrapunasäteilyä, saattaa aiheuttaa huolimattomalle palovamman; sentin päässä kiukaasta ei kannata saunoa tuntia.

Monien eläinpopulaatioiden huomattava supistuminen nimenomaan 2000-luvulla on lisännyt tutkimusta myös ympäristön sähkömagneettisen säteilysaasteen vaikutuksista maapallon eliöihin. Lancet Planetary Health -tiedelehdessä vuonna 2018 julkaistun artikkelin mukaan mobiililaajakaistayhteyksissä laajasti käytetyllä 1 GHz:n alueella mikroaaltosäteilyn määrä on 2010-luvulla noussut peräti 10¹⁸ -kertaiseksi luonnon taustasäteilyyn verrattuna, ja se on ilmeisesti kaikkein nopeimmin kasvava ihmisen aiheuttama ympäristövaikutus. Tutkijoiden mukaan on jo uskottavaa näyttöä siitä, että hyönteisten määrän jyrkkä väheneminen on yhteydessä ihmisen aiheuttamaan sähkömagneettisen säteilyn lisääntymiseen ja sen aiheuttamiin vaikutuksiin, joita ovat muun muassa DNA-vauriot.

Sähkömagneettisten kenttien tunnetut haittavaikutukset, kuten hermostimulaatio tai kudosten lämpeneminen, esiintyvät vasta, kun sähkökentän voimakkuus tai tehotiheys ylittää tietyn kynnystason, eivätkä ne määräydy suoraviivaisesti ajan kuluessa kumuloituvasta annoksesta. Koska altistumisen seuraukset riippuvat myös siitä kuinka kauan altistuminen kestää, myös aika on tekijä, joka on otettava huomioon arvioitaessa altistumista pitkällä aikavälillä. Yleisesti altistuminen on kuvattava niin, että esitetään altistumisen voimakkuutta, vaihtelua ja kestoa kuvaavia tunnuslukuja.

Mikroaallot

Pääartikkeli: Mikroaallot

Ihmiset altistuvat sekä luontaisista että keinotekoisista lähteistä tuleville mikroaalloille. Luontainen taustasäteily mikroaaltoalueella on kuitenkin niin heikkoa, ettei sillä ole merkitystä kokonaisuuden kannalta. Keinotekoista mikroaaltosäteilyä tulee esimerkiksi langattomasta viestintäteknologiasta kuten älypuhelimista, matkaviestinverkon tukiasemista ja langattomista lähiverkoista sekä mikroaaltouuneista ja tutkia hyödyntävästä teknologiasta.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että yli kymmenen vuotta kestävä matkapuhelimen keskimääräinen käyttö lisää kolmanneksella riskiä saada aivokasvain. Lukuisat riippumattomat tutkimukset ovat osoittaneet GSM-säteilyn aiheuttavan myös solutason muutoksia, unihäiriöitä, verenpaineen nousua ja EEG-muutoksia. Eläinkokeissa on havaittu lisäksi veriaivoesteen läpäisyvyyden lisääntymistä, joka liitetään esimerkiksi neurologisten sairauksien syntyyn. Espanjalaisessa tutkimuksessa havaittiin, että lyhytaikainenkin säteily vaikuttaa lasten aivoihin vielä pitkään altistuksen jälkeen. Lasten kallo on huomattavasti ohuempi kuin aikuisella, ja mikroaaltosäteily tunkeutuu reippaasti yli puolen pään puhelimen ollessa lapsen korvalla. Ranskassa, Englannissa ja monessa maassa on annettu lasten kännykänkäyttöä koskevia varoituksia ja Taiwanissa on esitetty säädettäväksi lakia, joka kieltäisi lapsilta kännykänkäytön terveysriskien vuoksi.. On kuitenkin hyvä muistaa, ettei yksittäiset tutkimukset on tieteellinen tosiasia.

Kännykän käyttäjän suojaohjeet
Säteilyturvakeskus toteaa, että suurin sähkömagneettisen säteilyn altistus on kännykän käyttäjillä. Siksi kännykänkäyttäjien on hyvä tietää seuraavat asiat jos haluaa vähentää omaa tai läheistensä altistumista:

• Matkapuhelin voi säteillä heikossa kentässä sata kertaa voimakkaammin kuin hyvässä kentässä.
• Päähän kohdistuva säteily vähenee pieneen osaan käyttämällä handsfree-laitetta.
• Vanhempia suositellaan varmuuden vuoksi rajoittamaan lastensa matkapuhelimen puhekäyttöä. Tekstiviestiä lähetettäessä altistuminen on minimaalista.
• Kännykän valmistajat ilmoittavat kunkin mallinsa suurimpaa säteilytasoa ilmaisevan SAR-arvon puhelimien teknisten tietojen mukana. SAR-arvoja voi vertailla Säteilyturvakeskuksen sivuilla.
• Pienikin väli puhelimen ja kehon välillä, esimerkiksi vyökotelo, vähentää altistumista.
• Tatuoitu tai meikattu iho kännykkää vasten saattaa aiheuttaa yliherkkyysreaktion.
• Niin sanotuista kännykkäsuojista ei ole suurta hyötyä, sillä matkapuhelin nostaa tehoa, kun yhteys tukiasemaan heikkenee suojan takia.

Voimajohdot

Voimajohdoissa korkea jännite aiheuttaa sähkökentän ja sähkövirta magneettikentän johdon ympärille. Sähkökentän tunkeutumista tehokkaasti vaimentavia tekijöitä ovat puut, muu kasvillisuus ja rakennukset. Virran aiheuttama magneettikenttä ei juuri vaimennu ympärillä olevista rakennuksista tai kasvillisuudesta. Eräissä väestötutkimuksissa on havaittu, että voimajohtojen lähellä asuvilla lapsilla on hieman kohonnut riski sairastua leukemiaan, kun magneettivuon tiheys on yli 0,4µT. Viitteet ovat heikkoja, ilmiötä selittävää mekanismia ei tunneta, eikä laboratoriokokeissa ole löydetty yhteyttä syövän ja magneettikenttien välillä. Siksi asiaa ei ole otettu huomioon Suomen lainsäädännön altistumisrajoja laadittaessa. Voimajohdoissa olevat jännitteet pysyvät vakioina kuormituksesta huolimatta, jolloin sähkökentän voimakkuus on lähes vakio tilanteesta riippumatta. Virran aiheuttaman magneettikentän voimakkuus vaihtelee kuormituksen mukana. Magneettivuo on 400kV johdon alla noin 22µT ja 100m päässä johdosta alle 0,4µT. Edelliset vuontiheydet ovat johtojen maksimivirtojen mukaisesti laskettuja, joten todellisuudessa vuontiheys on lähes aina pienempi. Sähköjohtojen virran taajuus on kuitenkin mitättömän pieni; 50 Hz ja taajuus määrittää välittyvän energian; mitä suurempi taajuus, sitä enemmän energiaa.

Altistus työpaikoilla

Toisin kuin ionisoivalle säteilylle altistuvat työntekijät, ionisoimattomalle sähkömagneettiselle säteilylle altistuvat työntekijät eivät aina huomaa altistusta työssään, kuten eivät huomaa hengittävänsä typpeäkään, jota ilmassa on kuitenkin 78 %. Sähkö- ja magneettikentät voivat myös häiritä sydäntahdistimen ja muiden lääkinnällisten implanttien toimintaa . Radiotaajuisten sähkömagneettisten kenttien tietyille taajuusalueille on lainsäädännössä annettu enimmäisarvot, joita pitää noudattaa valvotuissa olosuhteissa, esimerkiksi työpaikoilla.[1] Säteilylähteitä ovat muun muassa matkapuhelimet, langattomat verkot, mikroaaltouunit ja -kuivurit, sähköjärjestelmä, sähköjunat, työpaikoilla teollisuuden induktiokuumentimet, sähköhitsaus, suurtaajuuskuumentimet, tuotesuojaportit, metallinpaljastimet, magneettikuvauslaitteet, tutkat, radio-, tv- ja matkapuhelinlähettimet ja linkkiasemat [4]..

Sähköyliherkkyys

Pääartikkeli: Sähköyliherkkyys

Jotkut ihmiset väittävät olevansa herkkiä sähkömagneettiselle säteilylle. Kyseistä ilmiötä kutsutaan sähköyliherkkyydeksi, englanniksi "electromagnetic hypersensitivity" (EHS). Ilmiö voi ilmetä ihoreaktiona, kuten punoituksena, kihelmöintinä tai polttavana tunteena, tai systeemisinä oireina, kuten väsymyksenä, keskittymisvaikeutena, muistihäiriöinä, huimauksena, ruoansulatusvaikeuksina tai sydämentykytyksenä. Tällainen oireiden yhdistelmä ei ole osa mitään tunnettua oireyhtymää. Sähköyliherkkyyttä muistuttava ilmiö on "kemikaaliyliherkkyys" (multiple chemical sensitivities, MCS), joka sekin on etiologialtaan huonosti tunnettu. Sähköyliherkkyydestä on tehty kymmeniä tutkimuksia, mutta sen olemassaoloa ei ole voitu todistaa. Maailman terveysjärjestön WHO:n mukaan (2005) oireita todella esiintyy, mutta niiden yhteyttä sähkömagneettiseen säteilyyn ei ole voitu osoittaa. Sähköyliherkkyyttä ei lääketieteessä määritellä sairaudeksi, mutta sitä pidetään esimerkiksi Ruotsissa työkykya rajoittavana vammana. Sähköyliherkät eivät pysty sanomaan ovatko he sähkömagneettisessa kentässä kun kentän lähde piilotetaan.

Katso myös

• Aallonpituus
• Aalto (fysiikka)
• Aalto-hiukkasdualismi
• Absorptio (sähkömagneettinen säteily)
• Albedo (heijastuskyky)
• Amplitudi
• Amplitudimodulaatio
• Antenni
• Emissiivisyys
• Fotoni (sähkömagneettisen säteilyn välittäjähiukkanen)
• Gammasäteily
• Gaussin laki sähkökentille
• Gravitaatiosäteily
• Hertsi (Hz)
• Infrapunasäteily
• Intensiteetti
• Koherenssi (Koherentit aallot)
• Lorentzin voima (voima, jonka sähkömagneettinen kenttä aiheuttaa varattuun hiukkaseen)
• Lämpösäteily
• Maxwellin yhtälöt (sähkömagneettisen kentän malli makroskooppisessa mittakaavassa)
• Maxwellin yhtälöt#Kenttien riippuvuudet väliaineissa
• Magneettikenttä
• Magneettikentän voimakkuus
• Magneettivuo
• Magneettivuon tiheys
• Magnetismi
• Mikroaallot
• Musta kappale
• Mustan kappaleen säteily
• Mustan kappaleen lämpö­säteilyn teho
• Näkyvän valon spektri
• Permeabiliteetti (aineen (sähkö)magneettista käyttäytymistä kuvaava suure)
• Permittiivisyys (suure, joka kuvaa, miten sähkökenttä vaikuttaa väliaineeseen)
• Planckin laki
• Polarisaatio (aaltoliikkeen värähtelysuuntien samankaltaisuus)
• Radio (radiotaajuuksien hyödyntäminen)
• Radioaalto
• Radiotaajuusalueet
• Radiovastaanotin
• Rayleigh’n–Jeansin laki
• Röntgensäteily
• Spektri
• Stefanin–Boltzmannin laki
• Sähkö (sähkövaraukseen liittyvä luonnonilmiö)
• Sähkökenttä
• Sähkökentän voimakkuus
• Sähkömagneettinen aalto
• Sähkömagneettinen kenttä
• Sähkömagneettinen spektri
• Sähkömagneettinen vuorovaikutus
• Sähkömagneettisen säteilyn ja aineen vuorovaikutus
• Sähkömagnetismi
• Sähkönjohtavuus (väliaineen johtavuus)
• Sähkövaraus
• Sähkövuo
• Sähkövuon tiheys
• Säätutka
• Säteilyn kulmataajuus
• Säteily (aallon eteneminen avaruudessa)
• Taajuus
• Taajuusmodulaatio
• Tutka
• Tšerenkovin säteily
• Ultraviolettisäteily
• Valo
• Wienin siirtymälaki
• Värähtely

Kirjallisuutta

• Sihvola, Ari; Lindell, Ismo: Sähkömagneettinen kenttäteoria 2. Dynaamiset kentät. Helsinki: Otatieto, 2013. ISBN 978-951-672-371-9

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Sähkömagneettinen säteily Wikimedia Commonsissa

• "Introduction to light and electromagnetic radiation" – Khan Academy (englanniksi)

Sähkömagneettinen säteily

Sähkömagneettinen spektri: gammasäteily • röntgensäteily • ultraviolettisäteily • valo • infrapunasäteily • alimillimetrisäteily • mikroaallot • radioaallot

---

Radiotaajuusalueet: THF • EHF • SHF • UHF • VHF • HF • MF • LF • VLF • ULF • SLF • ELF

---

Valo: violetti • sininen • syaani • vihreä • keltainen • oranssi • punainen