Dipl.-Ing. Rainer Elschenbroich, Böblingen, gibt auf seiner Website in einer wissenschaftlichen Arbeit einen detaillierten Überblick über den Stand der Forschung zu den biologischen Wirkungen von schwachen elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern.
An dieser Stelle noch einmal herzlichen Dank für die freundliche Genehmigung des Autors, Ihnen liebe Leser, die wichtigsten Ergebnisse seiner Studie auf unserer Website vorstellen zu dürfen.
Die biologischen Wirkungen von elektromagnetischen Feldern.
1. Einleitung
Bei der sehr kontrovers geführten Diskussion um gesundheitliche Auswirkungen von elektromagnetischen Feldern und Wellen besteht oft die Neigung, dies von vornherein als unsinnig abzutun. Mit dieser Einstellung disqualifiziert man sich jedoch als kompetenter Gesprächspartner, da eine biologische Wirksamkeit selbst schwacher Felder inzwischen kaum noch abgestritten werden kann.
Es sollte also angestrebt werden, die Thematik differenziert und so objektiv wie möglich zu betrachten. Dazu ist es ratsam, sich mit dem Gesamtkomplex der biologischen Wirkungen elektrischer und magnetischer Felder zu befassen und sich nicht auf einzelne Aspekte zu beschränken. Wir werden uns deshalb in diesem Beitrag sowohl mit hochfrequenten elektromagnetischen Wellen als auch intensiv mit niederfrequenten elektrischen und magnetischen Wechselfeldern, Gleichfeldern und dem natürlichen elektromagnetischen Umfeld des Menschen befassen. Um den gegebenen Rahmen nicht zu sprengen, ist es gleichwohl notwendig, sich auf die wesentlichen Aspekte zu beschränken.
2. Untersuchungsmethoden der Wissenschaft
Zunächst soll kurz beschrieben werden, wie sich die Wissenschaft mit diesem Thema auseinander setzt. Es gibt folgende Möglichkeiten :
2.1 Epidemiologische Studien
In epidemiologischen Studien wird nach dem Zusammenhang zwischen einer Kranken- oder Todesstatistik und einer belastenden Größe gesucht. Es erfolgt eine Aufteilung in mehrere Belastungskategorien sowie eine unbelastete Kontrollgruppe.
Hierbei treten meist folgende Probleme auf :
In der Regel nur sehr geringe Fallzahlen
Schlechte Erfassung der Belastung
Schlechte oder keine Erfassung von weiteren Faktoren
Existenz von Fenstereffekten (Gesundheitliche Auswirkungen zeigen sich nur innerhalb bestimmter Amplituden- und Frequenzbereiche –> sogenannte Amplituden- und Frequenzfenster)
Fehlen eines plausiblen Erklärungsmodells
Mangelnde Reproduzierbarkeit
Studien ohne positives Ergebnis werden möglicherweise nicht veröffentlicht („Publikations-Bias“)
2.2 Messungen beim Menschen
Hier werden Versuchspersonen exakt messbaren äußeren Feldern ausgesetzt und Auswirkungen auf physiologische und psychologische Vorgänge ermittelt (z.B. Herz- und Pulsfrequenz, EEG, EKG, Veränderungen in Blut, Urin oder Hormonhaushalt, Gefühle und Wahrnehmungen etc.). Vorteilhaft ist hier eine einfache Wiederholbarkeit sowie eine leichte Kontrollierbarkeit von weiteren Faktoren. Problematisch ist die Begrenzung der Versuchsbandbreite aus ethischen Gründen sowie die Unmöglichkeit von Langzeitversuchen mit praxisnaher, aber kleiner Feldbelastung.
2.3 Tierversuche
Hier werden Versuchstiere in Gruppen exakt messbaren äußeren Feldern ausgesetzt. Es werden gut kontrollierte Versuchsbedingungen angestrebt (Ernährung, Beleuchtung, Temperatur etc.). Vorteilhaft gegenüber Menschenversuchen ist hier, dass auch andere Parameter wie z.B. Tumorentwicklungen beobachtet werden können. Studien von synergetischen Effekten sind möglich (z.B. Kombinationswirkung von Feldern und Chemikalien) und auch längerfristige Versuche sind hier kein Problem mehr. Nach wie vor besteht jedoch das ethische Problem (Wie groß ist der Erkenntnisgewinn für den Menschen bezogen auf das den Tieren zugefügte Leid ?) sowie die nur bedingt mögliche Übertragbarkeit dieser Ergebnisse auf den Menschen.
2.4 Zellexperimente
Hier werden Zellkulturen äußeren Feldern ausgesetzt, wie z.B. Krebszellen, Bakterien oder Hefezellen. Als messbare Parameter dienen Wachstums- und Stoffwechselprozesse sowie Chromosomenveränderungen. Vorteilhaft ist der geringe finanzielle und experimentelle Aufwand sowie die sehr gut kontrollierbaren Versuchsbedingungen. Von Nachteil ist, daß die Übertragung von Ergebnissen auf den Menschen extem schwierig ist: Die meisten Effekte treten nicht bei isolierten Zellen auf, sondern erst, wenn ganze Körperteile, ganze Organe oder der ganze Mensch einem Feld exponiert sind. Umgekehrt müssen Störungen auf Zellebene nicht unbedingt gesundheitliche Auswirkungen haben, da körpereigene Regelmechanismen diese wieder ausgleichen können.
2.5 Statistische Auswertung
Das Ergebnis einer Studie wird als Risikofaktor (engl. odds ratio OR) ausgedrückt und besagt, wie viel mal höher das Risiko einer Erkrankung ist bezogen auf die Kontrollgruppe. Die Glaubwürdigkeit einer Studie steigt mit dem OR-Wert.
Das Vertrauensintervall oder Konfidenzintervall KI (engl. CI) gibt den Bereich des Risikofaktors an, der unter Berücksichtigung von Unsicherheiten und Streuungen möglich ist. Meistens wird ein Bereich angegeben, der mit 95-prozentiger Sicherheit alle möglichen Werte des Risikofaktors einschließt. Die Glaubwürdigkeit einer Studie steigt, je kleiner das Konfidenzintervall ist. Eine Studie gilt dann als signifikant, wenn die untere Grenze des Konfidenzintervalls den Wert 1 nicht einschließt.
Beispiel : OR = 2, CI 0.9 – 4.2 besagt, dass der ermittelte Risikofaktor zwar doppelt so groß ist wie der der Kontrollgruppe, das Ergebnis sich aber mit 95-prozentiger Wahrscheinlichkeit irgendwo zwischen 0.9 und 4.2 bewegen kann. Da 0.9 kleiner als 1 ist, ist das Ergebnis nicht statistisch signifikant.
2.6 Erstellung von Wirkungsmodellen
Wenn eine im Versuch herausgearbeitete Hypothese wissenschaftlich anerkannt werden soll, ist dazu ein plausibles Wirkungsmodell erforderlich. Damit sind dann auch Voraussagen über den Ausgang weiterer (abgeänderter) Experimente möglich. Bei mehrfacher Bestätigung eines Wirkungsmodells durch verschiedene Experimente gilt dieses als experimentell abgesichert und wird zur THEORIE. Dabei hat man jedoch mit etlichen Schwierigkeiten zu kämpfen :
Wirkungsmodelle sind vom Menschen gemachte Abbilder der Wirklichkeit und damit oft unzulässig stark vereinfacht.
Wenn es kein Wirkungsmodell gibt, wird eine Theorie nicht wissenschaftlich anerkannt. Beispiele : Akupunktur, Homöopathie.
Bei den meisten durch elektromagnetische Felder im Niedrigdosisbereich hervorgerufenen Effekten gibt es ebenfalls bislang kein Wirkungsmodell!
3. Grundsätzliches
Im nachfolgenden Teil wird die Rede sein von einer Unzahl von Studien und Untersuchungen. Es muß dazu grundsätzlich bemerkt werden, dass ein positives Ergebnis einer Studie (d.h. wenn ein Effekt gefunden wurde) ein HINWEIS darauf ist, dass ein solcher Effekt existiert, keinesfalls jedoch ein BEWEIS. In diesem Licht sind alle nachfolgenden Ausführungen zu betrachten. Im Umkehrschluss gilt jedoch auch, dass eine Studie, die keine Anzeichen für einen vermuteten Effekt gefunden hat, in keinster Weise ein Beweis dafür sein kann, dass ein solcher Effekt nicht existiert. Die Nichtexistenz eines Effektes ist grundsätzlich nicht beweisbar, da er unter anderen Randbedingungen immer noch in Erscheinung treten kann.
4.1 Allgemeines | Das niederfrequente magnetische Wechselfeld
In diesem Abschnitt geht es primär um solche Felder, die durch unsere Stromversorgung entstehen (50 Hz, 16 2/3 Hz), da diese die größte Rolle in unserem Leben spielen. Hier muß zwischen elektrischen und magnetischen Feldern unterschieden werden.
Magnetfelder entstehen ringförmig um einen stromdurchflossenen Leiter und nehmen mit steigendem Abstand ab. Gemessen wird das magnetische Feld H in der Maßeinheit A/m (Ampere pro Meter); es hat sich jedoch weitgehend durchsetzt, stattdessen die magnetische Induktion B mit der Maßeinheit T (Tesla) zu verwenden. In Luft gilt : 1 A/m = 1.2566 µT.
Für die magnetische Induktion eines stromdurchflossenen geraden Leiters in Luft gilt dann
I mit µo = 1.2566 µH/m,
B = µo · ——- [T] I = Strom in A,
2·¶·r r = Abstand vom Leiter im m
Magnetfelder besitzen folgende Eigenschaften : Sie entstehen ausschließlich durch den Strom (die Spannung spielt keine Rolle), sie verlaufen auf geschlossener Bahn um den stromführenden Leiter herum, besitzen also weder Anfang noch Ende. Die meisten Materialien werden ungehindert durchdrungen. Mann kann Magnetfelder nicht abschirmen, sondern nur mittels magnetisch leitender Materialien (Weicheisen, Mumetall) um den zu schützenden Bereich herumführen.
Sie durchdringen auch den menschlichen Körper ungehindert und erzeugen im Körperinneren mit wachsender Frequenz zunehmend Wirbelströme.
4.2 Biologische Wirkungen
Mehrere durch schwache Magnetfelder ausgelöste Effekte konnten wissenschaftlich inzwischen vielfach bestätigt werden und sind inzwischen weitgehend unumstritten :
4.2.1 Einfluss auf den Hormonhaushalt
Unter dem Einfluss schwacher Magnetfelder verändert sich die Ausschüttung des körpereigenen Hormons Melatonin. Melatonin wird in der Zirbeldrüse (im Gehirn) produziert und unterliegt starken Tag-/Nacht-Schwankungen. Die Hauptsteuerung der Produktion erfolgt über den Lichtreiz auf der Netzhaut. Sie lässt im Alter stark nach. Noch vor wenigen Jahren maß man der Zirbeldrüse keinerlei Bedeutung bei; inzwischen ist bekannt, dass Melatonin beim menschlichen Biorhythmus, bei der Fortpflanzung, bei Wachstum und Immunsystem eine Funktion erfüllt. Melatonin hat die Eigenschaft, stark reaktionsfreudige Moleküle an sich binden zu können und dadurch möglicherweise krebshemmend zu wirken. Direktere Folgen einer gehemmten Melatoninproduktion könnten Schlafstörungen, degenerative Veränderungen (Alzheimer, Parkinson) und psychische Beeinträchtigungen (Depressionen) sein, wobei es sich hier nach wie vor um Verdachtsmomente handelt.
4.2.2 Einfluss auf Zellebene
Durch magnetische und auch elektrische Felder im haushaltsüblichen Bereich kann der Kalziumstoffwechsel in den Zellen beeinflusst werden. Dies heißt, dass vermutlich durch die Änderung der Eigenschaften der Zellmembranen die Menge des Kalziumaustritts aus den Zellen verändert wird. Da der Austausch von Kalziumionen ein wichtiges Kommunikationsmittel zwischen dem Zellinnern und seiner Umgebung darstellt, kann dies eine Störung der Zellkommunikation zur Folge haben. Was dies in letzter Konsequenz bedeutet, ist noch weitgehend unklar. Die für die Melatoninbildung notwendigen Enzyme benötigen jedoch Kalzium; des weiteren ist die Steuerung des Größenwachstums von Zellen sowie die Bildung der Erbsubstanz stark vom Kalziumstoffwechsel abhängig.
4.2.3 Epidemiologische Studien
Umstrittener ist die Aussagekraft verschiedener epidemiologischer Studien, die – meistens in der Nähe von Hochspannungsleitungen – ein erhöhtes Krebsrisiko durch magnetische Felder festgestellt haben wollen, insbesondere für Leukämie und Gehirntumore. Die sich dabei ergebenden Probleme wurden bereits vorher erörtert.
Trotz aller bereits genannten Probleme epidemiologischer Studien ist nicht ganz von der Hand zu weisen, dass die meisten Studien eine Risikofaktorerhöhung erbracht haben, d.h. die Risikofaktoren über 1 liegen (davon etliche statistisch signifikant, d.h. das untere Ende des Konfidenzintervalls liegt über 1), während fast keine Studien existieren, deren ermittelte Risikofaktoren deutlich unter 1 liegen. Diese wären jedoch die Voraussetzung, um das Problem als irrelevant ansehen zu können. Es ist ungeklärt, ob eine solch starke Verschiebung allein mit dem oben geschilderten „Publikations-Bias“ zusammenhängen kann.
4.3 Beispiele für die Exposition durch schwache magnetische Wechselfelder
Im täglichen Leben kompensieren sich die meisten Magnetfelder, was bedeutet, dass der Strom auf einem zweiten Leiter in enger räumlicher Anordnung zum ersten wieder zurückfließt, womit zwei gleich große, aber gegensinnige Magnetfelder entstehen, die sich größtenteils aufheben.
Eine normale Hausinstallation erzeugt aus diesem Grund meist nur sehr geringe magnetische Felder.
Relevante Felder im Niedrigdosisbereich können entstehen durch :
Transformatoren jeglicher Art. Ein Netz-Kleintrafo in einem elektronischen Gerät bringt meistens ein nicht unerhebliches Streufeld mit sich.
Freileitungen erzeugen Magnetfelder durch den nicht zu vernachlässigenden Abstand zwischen den Leitern.
Niederspannungsfreileitungen können wegen der verwendeten Netzstrukturen deutliche Magnetfelder erzeugen. Dies hat seine Ursache in der Konzeption der Stromversorgungsnetze als zumeist „Offenes Ringnetz“, was bedeutet, dass die Phasen (offen) sternförmig, der Neutralleiter jedoch (geschlossen) ringförmig verlegt ist. Dies hat in der Praxis häufig zur Konsequenz, dass der Rückstrom einen anderen Weg nimmt als der zum Haus hinfließende Strom, so dass sich die entstehenden Magnetfelder nicht mehr kompensieren können. Weitere Effekte sind Magnetfelder durch den nicht zu vernachlässigenden Leiterabstand bei blanken Freileitungen sowie Magnetfelder durch sogenannte vagabundierende Erdströme, die sich im Bereich niederohmiger Hauserdungen (metallenes Wasserleitungsnetz etc.) bilden können. Solche vagabundierenden Erdströme treten auch oft in der Nähe von Bahnanlagen auf, wenn der Rückstrom des Zuges nicht vollständig über die Gleise zurückfließt, sondern auch über benachbarte Rohrnetze.
Weitere Quellen wie elektrische Heizdecken, elektrische Fußbodenheizungen, Niedervolt-Halogenbeleuchtung etc.
4.4 Wirkungen, Grenzwerte und Expositionsbeispiele im Überblick
Die Graphik an dieser Stelle von Dipl.-Ing. Rainer Elschenbroich mit einigen Wirkungen, Grenzwerten und Expositionsbeispielen im Überblick war für mich hier nicht darstellbar. Sorry. Rolf Wurster.
4.5 Messung magnetischer Wechselfelder
Magnetische Wechselfelder können mit einer entsprechend dimensionierten Spule aufgenommen und gemessen werden. Da die Ausgangsspannung einer Spule bei konstantem Magnetfeld proportional zur Frequenz ist, muss im Messverstärker ein Integrator vorgesehen werden, der den Frequenzgang entsprechend korrigiert. Gute industriell gefertigte Geräte verfügen zusätzlich noch über schaltbare Bandpässe sowie eine dreidimensionale Messmöglichkeit mit Hilfe von drei aufeinander senkrecht stehenden Spulen.
Ein für den Laien brauchbarer Feldindikator ist z.B. ein einfacher Telefonverstärker, wie man sie früher benutzt hat, um induktiv ans Telefon anzukoppeln und somit magnetische Felder im NF-Bereich hörbar zu machen. Ein Selbstbau ist auch leicht möglich (Eine Spule aus der Bastelkiste sowie ein halbwegs empfindlicher NF-Verstärker ist ausreichend, um Felder im nT-Bereich hörbar zu machen und ggf. die Quelle zu orten).
5.1 Allgemeines | Das niederfrequente elektrische Wechselfeld
Elektrische Wechselfelder entstehen durch eine Wechselspannung zwischen zwei Leitern. Gemessen wird das elektrische Feld E in V/m (Volt pro meter).
Am bekanntesten ist das elektrische Feld eines Kondensators, welches sich wegen seiner Homogenität leicht berechnen lässt :
U mit U = Spannung zwischen den Platten in V,
E = — [V/m] d = Plattenabstand in m
d
Elektrische Felder besitzen folgende Eigenschaften : Sie entstehen ausschließlich durch die Spannung (der Strom spielt keine Rolle), sie besitzen einen Anfang und ein Ende und sie lassen sich sehr leicht abschirmen. Jeder sich im Feld befindliche Körper beeinflusst das Feld. Daher ist es schwierig, elektrische Felder korrekt zu messen.
Elektrische Felder dringen nicht in den menschlichen Körper ein. Mit wachsender Frequenz werden zunehmend Verschiebungsströme erzeugt (kapazitive Kopplung an die Feldquelle).
5.2 Biologische Wirkungen
Die bei den magnetischen Wechselfeldern bereits genannten Effekte (Beeinflussung der Melatoninsynthese und der Zellkommunikation) konnten auch bei den elektrischen Wechselfeldern gefunden werden.
Die elektrischen Feldstärken entsprachen dabei ungefähr denen, bei welchen die im Körper erzeugten Verschiebungsströme den durch ein äquivalentes Magnetfeld erzeugten Wirbelströmen entspricht und befinden sich damit durchaus in haushaltsüblichen Bereichen.
Da elektrische Felder leicht abzuschirmen sind und auch kaum von außen in Häuser eindringen, waren sie bislang eher ein Stiefkind der Forschungen.
5.3 Beispiele für die Exposition durch schwache elektrische Wechselfelder
Es hängt sehr stark von der Art der Leitungsführung einer Elektroinstallation ab, wie stark elektrische Felder sind. Da diese Leitungen immer unter Spannung stehen, sind auch die elektrischen Felder stets vorhanden.
Generell kann gesagt werden:
Elektrische Felder durch freiliegende Leitungen sind weitaus größer als die von unter Putz geführten Leitungen, da der Putz einen Großteil des Feldes absorbiert. Der Grad der Absorption hängt von der Leitfähigkeit des Putzes ab.
Bedingt durch den höheren Leiterabstand sind die elektrischen Felder von Stegleitungen größer als von Mantelleitungen.
Schutzisolierte Geräte, die einphasig in der Zuleitung abgeschaltet werden, produzieren verhältnismäßig starke elektrische Felder, wenn der Schalter den Nulleiter statt die Phase schaltet und das Gerät ausgeschaltet ist, d.h. die Feldstärke hängt stark von der Polung des Netzsteckers ab. Dies liegt daran, dass die entstehenden Feldlinien der unter Spannung stehenden Zuleitung in diesem Zustand nicht mehr auf dem Nulleiter enden können, sondern im Raum „Zuflucht“ suchen. Beispiel : Nachttischlampen.
Noch stärkere elektrische Felder werden durch elektrische Heizdecken erzeugt, da der Körper hier praktisch keinen Abstand von der Quelle hat.
Hinweis : Im Elektrofachhandel sind neben abgeschirmten Leitungen auch sogenannte Feldschaltautomaten erhältlich („Netzfreischalter“). Diese werden im Sicherungskasten montiert und testen mit einer kleinen Gleichspannung, ob sich ein Verbraucher im Stromkreis befindet. Erst wenn ein Verbraucher eingeschaltet wird, wird Netzspannung auf den Stromkreis gegeben. Nach dem Abschalten des Verbrauchers wird die Netzspannung wieder vom Stromkreis getrennt. Dadurch wird die Feldexposition auf die Zeitdauer einer Gerätebenutzung beschränkt. Vor allem im Schlafbereich bei Neubauten finden Feldschaltautomaten eine immer häufigere Anwendung.
5.4 Wirkungen, Grenzwerte und Expositionsbeispiele im Überblick
Abb. 2 zeigt einige Wirkungen, Grenzwerte und Expositionsbeispiele im Überblick.
5.5 Messung elektrischer Felder
Die Messung elektrischer Felder ist nicht einfach, da jede Messung eine Verzerrung des Feldes verursacht. Es existieren prinzipiell zwei Messverfahren, wobei bei beiden wie bei der Magnetfeldmessung eine Frequenzgangkorrektur erforderlich ist.
5.5.1 Die potentialfreie Messung
Hier wird der Kurzschlussstrom ermittelt, der zwischen zwei sich im Feld befindlichen Kondensatorplatten fließt. Dieser ist proportional zur Feldstärke. Bei einer dreidimensionalen Messung werden drei Kondensatoren – für jede Achse einer – verwendet. Da jegliche Zuleitung eine starke Verfälschung des Messergebnisses durch Feldverzerrung bedeutet, erfolgt eine Messwertübertragung in der Regel mittels Glasfaser. Die Messung erfolgt zumeist im ungestörten Feld (keine Personen in der Messumgebung anwesend).
5.5.2 Die potentialgebundene Messung
Bei dieser Messung ist die Messsonde geerdet; es wird in Kauf genommen, dass sich dadurch Feldverzerrungen gegenüber dem ungestörten Feld einstellen können. Gedanklicher Hintergrund hierbei ist, dass eine sich im Feld befindliche Person zumeist auch mehr oder weniger gut geerdet ist (und sei es rein kapazitiv) und dadurch den gleichen Effekt hervorrufen kann. Die Erdung des Messgeräts bewirkt somit eine „worst-case“-Messung; d.h. es wird die maximale Feldstärke gemessen, die sich bei Einbringung eines geerdeten Körpers in das Feld ergibt. Die eigentliche Messung besteht wiederum aus der Bestimmung des Kurzschlussstroms zwischen einer Feldplatte und der Erde, welcher proportional zur Feldstärke ist.
Diese Art der Messung ist relativ unkritisch und wird auch im kommerziellen Bereich eingesetzt (z.B. MPR-II-Norm für strahlungsarme Monitore).
Mit Hilfe eines NF-Verstärkers, der durch einen einfachen FET-Vorverstärker erweitert wird, kann man sich durch Anschließen einer kleinen Teleskopantenne auch hier einen einfachen Feldindikator bauen, der Feldstärken im V/m-Bereich akustisch erfassen kann.
Es gibt auch eine simple Messmöglichkeit, um eine ungefähre Idee von der vorherrschenden Größenordnung des elektrischen Feldes zu bekommen : Man misst die Spannung des menschlichen Körpers gegen Erde mit einem handelsüblichen Digitalvoltmeter mit 10 MOhm Eingangswiderstand (Wechselspannungsbereich). Es kann davon ausgegangen werden, dass der Eingangswiderstand des Messgeräts relativ niederohmig ist gegenüber den kapazitiven Kopplungswiderständen zur Umgebung. Somit ergibt sich näherungsweise eine Strommessung, wobei bei f=50 Hz und durchschnittlichen Körperproportionen die Faustformel gilt : 1 V Körperspannung (an 10 MOhm) entspricht ca. 50 V/m mittlere Feldstärke auf den geerdeten Körper [Maes 1995]. Dies ist jedoch nur ein grober Erfahrungswert zur Ermittlung der ungefähren Größenordnung eines Feldes! Lokale Spitzenwerte werden damit nicht erfasst, sondern gehen lediglich anteilig in den Mittelwert ein.
6.1 Allgemeines | Das hochfrequente elektromagnetische Feld
Im hochfrequenten Bereich kann man elektrisches und magnetisches Feld nicht mehr ohne weiteres trennen, da beide zumindest im Fernfeld über den Freiraumwellenwiderstand Z0 fest miteinander verknüpft sind; hier gilt Z0 = E/H = 120•¶ Ohm = 377 Ohm. Im Nahfeld, welches bis zum Abstand Wellenlänge/(2•¶) von der Antenne reicht, hängt es von der Art der Antenne ab, ob das elektrische oder das magnetische Feld dominiert. Wie stark die einzelnen Komponenten sind, ist jedoch nur sehr schwierig zu errechnen.
Zur Benennung der Feldintensität wird neben der elektrischen und magnetischen Feldstärke gerne die Leistungsflussdichte S verwendet.
Im Fernfeld gilt :
P · G mit P = Sendeleistung im Watt,
S = E · H = ——- [W/m²] G = relativer Gewinn gegen-
4·¶·r² über isotropem Strahler,
r = Abstand zur Antenne
Im menschlichen Körper entstehen auch hier Wirbelströme, welche das elektrisch leitfähige Körpergewebe erwärmen und das Eindringen des Feldes behindern (Skin-Effekt). Die sogenannte Eindringtiefe ist dann der Wert, bei dem das Feld auf 1/e = 37 % abgefallen ist. Bei einer Frequenz von 1 GHz beträgt sie je nach Art des Körpergewebes zwischen 1.8 cm (Muskeln) und 18 cm (Knochen) [Käs 1995].
6.2 Biologische Wirkungen
Bei den biologischen Wirkungen elektromagnetischer Wellen muss zwischen thermischen und athermischen Wirkungen unterschieden werden.
6.2.1 Thermische Wirkungen
Bei den thermischen Wirkungen wird die Strahlungsenergie vom Körper absorbiert und in Wärme umgewandelt. Die heutige Grenzwertgebung beruht ausschließlich darauf, daß im Körper keine thermisch bedingten Schädigungen auftreten sollen.
Die absorbierte Energie wird als SAR-Wert (Specific Absorption Rate) bezeichnet und ist stark frequenzabhängig. Somit ergeben sich für die Grenzwerte ebenfalls stark frequenzabhängige Kurven.
Man unterscheidet zwischen der Ganzkörperbelastung, bei der der ganze Körper einer HF-Strahlung ausgesetzt ist, und der Teilkörperbelastung, bei der nur ein Körperteil (z.B. der Kopf) einer erhöhten HF-Strahlung ausgesetzt ist.
Bei der Ganzkörperbelastung wirkt der komplette Körper als Antenne; somit ist mit einer maximalen Absorption im Bereich 50 bis 200 MHz zu rechnen.
Bei der Teilkörperbelastung z.B. des Kopfes muss mit einem Absorptionsmaximum im Bereich 300 bis 2000 MHz gerechnet werden.
Besonders betroffen sind Organe mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und schlechter Durchblutung (z.B. Augenlinse) sowie temperatursensible Organe (z.B. Hoden).
Die Auswirkungen thermischer Effekte sind in der Wissenschaft unstrittig und reichen von einer erhöhten Krebswahrscheinlichkeit bis zu starken Missbildungen bei der Nachkommenschaft im Tierversuch. Bekannt sind ferner Störungen von Stoffwechsel, Drüsenfunktionen, Blut-/Immun- und Nervensystem, Grauer Star, Unfruchtbarkeit bis hin zu inneren Verbrennungen und Herzinfarkt bei extrem hohen Feldstärken.
Auch der sogenannte „Mikrowellen-Höreffekt“, bei dem Mikrowellenimpulse als Klicken, Zischen oder Summen von sensiblen Personen wahrgenommen werden können, beruht auf minimalen thermoelastischen Druckwellen im Kopf.
6.2.2 Athermische Wirkungen
Athermische Wirkungen sind Effekte, die unterhalb der thermischen Wirkungsschwelle auftreten. Ihre Existenz ist inzwischen weitgehend wissenschaftlich anerkannt. Strittig ist nur noch, ob diese zu gesundheitlichen Auswirkungen führen können, da körpereigene Regel- und Kontrollmechanismen dem entgegen wirken können.
Interessant ist, dass die meisten athermischen Effekte nur auftreten, wenn das HF-Signal periodisch amplitudenmoduliert oder gepulst ist. Bei unmodulierten oder zufallsabhängig AM-modulierten Signalen (Sprache) sind die Effekte meistens nicht nachweisbar.
Dies ist ein Indiz dafür, dass das HF-Signal am nichtlinearen Körpergewebe demoduliert wird und es sich eigentlich letzten Endes um niederfrequente Effekte handelt, die dabei in Erscheinung treten. Andere athermische Effekte treten wiederum nur bei Dauerbelastungen auf.
Dazu kommt, dass Wirkungen oft nur innerhalb schmaler Amplituden- und Frequenzfenster auftreten, was eine Reproduzierbarkeit von Versuchen oft stark erschwert.
Beispielhaft seien folgende Effekte genannt :
Bei periodisch amplitudenmodulierter HF (0.02 mW/cm², 150 MHz bei 6 bis 20 Hz Modulationsfrequenz) wurde (wie bei Niederfrequenz) eine signifikante Erhöhung des Kalziumionenaustritts aus Zellkulturen festgestellt.
Bei Tierversuchen wurden Verhaltensänderungen festgestellt (0.2 mW/cm², im GHz-Bereich). Die Wirkungen bei gepulster HF-Strahlung war auch hier weitaus höher als bei unmodulierter Strahlung. Solche Versuche bildeten u.a. die Basis für die Grenzwerte des ehemaligen Ostblocks, die teilweise um den Faktor 100 niedriger liegen als westliche Grenzwerte (unabhängig davon, ob sie jemals respektiert wurden oder nicht).
Erhöhte Tumorbildung bei Ratten (0.5 mW/cm², 2.45 GHz gepulst)
Schädigung von Hühnerembryonen (1 mW/cm², 1.25 GHz)
Beeinflussung der Gehirnaktivität (0.001 mW/cm², 150 MHz mit 217 Hz gepulst) [von Klitzing 1993]. Diese Studie ist wissenschaftlich stark umstritten; der Effekt trat auch hier nur bei einem periodisch gepulsten Signal auf. Da ähnliche Effekte auch bei eingeschlafenen Versuchspersonen auftreten und keine ausreichenden statistischen Aussagen vorliegen, sind Zweifel an der Aussagekraft der Versuche angebracht. Eine weitere Studie bestätigt zwar den Einfluss von D-Netz-Telefonen (900 MHz mit 217 Hz gepulst) auf das EEG; der Effekt wurde jedoch bei weitaus höheren Feldstärken als bei von Klitzing festgestellt (40 cm Abstand zwischen Kopf und Handy).
Eine Studie im Auftrag des Schweizer Bundesamtes für Energiewirtschaft deutet darauf hin, dass verschiedene Beschwerden wie Schlafstörungen, Nervosität und Schwächegefühle bei Menschen, die durch einen 3 x 150 kW Rundfunk-Kurzwellensender in weniger als 2 km Entfernung einer Dauerbelastung ausgesetzt sind, signifikant häufiger auftreten als bei Menschen aus weiter entfernten Wohnungen.
Es gibt noch eine Vielzahl von anderen nachgewiesenen Einzeleffekten teils sehr spezieller Natur, die jedoch nicht in ein einheitliches Modell passen.
Die Effekte sind daher teilweise sehr strittig und eine abschließende Bewertung ist praktisch nicht möglich.
6.3 Beispiele für die Exposition durch elektromagnetische Felder
Zur Vermeidung unnötiger thermischer Belastungen – vor allem im Bereich der Augen – muss empfohlen werden, zu Sendeantennen (vor allem bei Handsprechfunkgeräten und Mobilfunk-Handies, die kopfnah betrieben werden) einen entsprechenden Mindestabstand einzuhalten, der den im Entwurf der DIN 0848 von 1991 genannten Werten entspricht [SSK 1992].
Dies gilt auch für Mikrowellenherde, bei denen ein längeres Hineinschauen aus unmittelbarer Nähe während Betrieb vermieden werden sollte. Vor allem bei älteren Geräten sind durch Undichtigkeiten im Bereich der Tür Strahlungswerte möglich, die deutlich über den thermischen Grenzwerten liegen.
Athermische Wirkungen – wobei ihre gesundheitliche Relevanz ungeklärt ist – könnten z.B. auftreten bei D-Netz- und E-Netz-Handies und Mobilfunkgeräten, deren Aussendungen mit 217 Hz gepulst sind. Bei anderen Funkdiensten, wie z.B. CB- und Amateurfunk, Betriebsfunk, Polizei- und Feuerwehrfunk usw. dürften athermische Wirkungen zu vernachlässigen sein, da hier keine periodisch gepulsten oder periodisch amplitudenmodulierten Aussendungen verwendet werden und es sich in der Regel um reine Kurzzeitbelastungen handelt.
Zur Vermeidung thermischer Schädigungen empfiehlt sich jedoch in jedem Falle die Einhaltung von Schutzabständen nach DIN VDE 0848, Teil 2, 1991.
Bei kritischer Einschätzung athermischer Wirkungen empfiehlt sich, die Schutzabstände zu verdreifachen; dies ergibt eine Verringerung der Leistungsflussdichte um fast Faktor 10 und liegt damit weitgehend im unkritischen Bereich.
6.4 Wirkungen, Grenzwerte und Expositionsbeispiele im Überblick
Abb. 3 zeigt einige Wirkungen, Grenzwerte und Expositionsbeispiele im Überblick. Wenn nicht anders zitiert, beziehen sich die deutschen Grenzwerte auf den Entwurf der DIN VDE 0848 Teil 2 von 1991.
6.5 Messung elektromagnetischer Wellen
Eine genaue Feldstärkemessung bei elektromagnetischen Wellen bedarf in der Regel kalibrierter Messantennen und Spektrum-Analysatoren und ist damit recht aufwendig und teuer.
Es gibt am Markt aber auch preiswerte Messantennen (kurze Dipole) mit einem Gleichspannungsausgang für ein Multimeter, die dann eingesetzt werden können, wenn die Frequenz bekannt ist und keine allzu großen Anforderungen an die Genauigkeit gestellt werden.
Das elektrostatische Feld
Elektrostatische Felder entstehen durch statische Aufladungen. Um diese zu erzeugen, muss eine Ladungstrennung stattfinden. Dies erfolgt zumeist durch Reibung zweier verschiedener, schlecht leitender Materialien. Begünstigt wird der Vorgang durch trockene Luft. Bei Gewittern reiben turbulente Luftschichten aneinander und verursachen dadurch eine Ladungstrennung.
Durch die Aufladung der Ionosphäre existiert auch in der Natur ein schwaches elektrostatisches Feld. Dieses sogenannte „Schönwetterfeld“ schwankt je nach Jahreszeit zwischen ca. 130 V/m (Sommer) und 270 V/m (Winter). Bei Gewittern herrschen Felder vor bis zu 20000 V/m. Felder in Wohnräumen durch elektrostatische Aufladungen können die gleiche Größenordnung erreichen.
7.1 Biologische Wirkungen elektrostatischer Felder
Hier gibt es eine Vielzahl von Untersuchungen, am besten nachzulesen in [König 1986]. Eine große Zahl davon befasst sich mit der Beeinflussung des Zellwachstums. Es gibt sogar ein Patent für die Fischzucht, nach welchem unter dem Einfluss elektrostatischer Felder ein beschleunigtes Fischwachstum hervorgerufen wird.
Eine unmittelbare Folge von elektrostatischen Feldern ist die Beeinflussung des Kleinionenanteils in der Luft. Durch die Strahlung der Sonne werden Moleküle ionisiert; es entstehen u.a. Kleinionen. Dies sind zumeist Ionen mit Anteilen von Sauerstoff oder Stickstoff. Über dem Ozean liegen typische Konzentrationen bei ca. 600 Ionen/cm3; in sauberer Land- oder Bergluft erreicht die Konzentration Werte zwischen 2000 und 20000 Ionen/cm3.
Dieselben Konzentrationen liegen normalerweise auch in Innenräumen vor; bei Vorhandensein stark elektrostatisch aufgeladener Flächen (synthetische Teppichböden und Gardinen, lackierte Möbeloberflächen etc.) kann die Konzentration jedoch auf weniger als 50 Ionen/cm3 absinken. In verrauchten Räumen misst man sogar weniger als 5 Ionen/cm3 [Maes 1995]. Es existieren in der Literatur zahlreiche Hinweise darauf, dass bei fehlenden Kleinionen – vor allem solchen mit negativer Ladung – die Anfälligkeit gegenüber Infektions- und Erkältungskrankheiten erhöht ist sowie negative Einflüsse auf die körperliche und geistige Leistungsfähigkeit und Reaktionszeit existieren.
Es wird über günstige therapeutische Wirkungen von Kleinionen bei Atemwegserkrankungen, rheumatischen Erkrankungen sowie Herz- und Kreislaufstörungen berichtet. Der hautsächliche Wirkungsmechanismus scheint in der Stimulation der Lungenfunktion durch negativ geladene Ionen zu liegen.
Bei kritischer Einschätzung der Sachlage empfiehlt es sich, den Gebrauch von synthetischen Stoffen im Wohnbereich zu vermeiden und bei Möbeln sowie größeren Boden-/Wandflächen aus Holz geölten und gewachsten Oberflächen vor herkömmlichen Versiegelungen und Lacken vorzuziehen.
Vom Einsatz von Luftionisatoren ist in der Regel abzuraten, da die Ionenkonzentration hier zumeist dem Zufall überlassen bleibt und als Nebenprodukt oft das schädliche Ozon erzeugt wird.
Das magnetostatische Feld
Das bekannteste magnetostatische Feld ist das Erdmagnetfeld. Künstliche magnetostatische Felder werden z.B. noch in der Kernspintomographie verwendet. Des weiteren entstehen sie im Nahbereich von Straßenbahnen und oft auch am Arbeitsplatz (Lichtbogen- und Plasmaschmelzöfen, Aluminiumelektrolyse etc.). Die nachfolgende Abhandlung soll sich jedoch auf das Erdmagnetfeld beschränken. In unseren Breiten besitzt es eine Intensität von ca. 45 µT. Durch den Einfluss des Sonnenwindes gibt es eine natürliche Tag-/NachtSchwankung um ca. +/- 0.02 µT. Geomagnetische Stürme verursachen noch größere Schwankungen bis zu +/- 2 µT.
8.1 Biologische Wirkungen des Erdmagnetfeldes
Es ist schon seit längerer Zeit nachgewiesen, dass sich Tiere wie z.B. Zugvögel anhand des Erdmagnetfeldes orientieren. Auch im Gehirn des Menschen konnten bereits wie bei Brieftauben und Zugvögeln ferromagnetische Stoffe nachgewiesen werden. Darüber hinaus scheint das Erdmagnetfeld in Zusammenhang mit dem natürlichen elektromagnetischen Wechselfeld der Erde eine bedeutende Rolle bei der Ausbildung des Tag-/Nacht-Rhythmus (zirkadianer Rhythmus) des Menschen zu spielen.
Verschiedene Studien haben gezeigt, dass eine Abschirmung des Erdmagnetfeldes und des natürlichen Wechselfeldes eine Rhythmusänderung von 24 Stunden auf zumeist 25 bis 26 Stunden bewirkt. Dies kann ein Hinweis darauf sein, dass der zirkadiane Rhythmus sich selbst auf die minimalen Tag-/Nachtschwankungen des Erdmagnetfeldes synchronisieren kann.
Interessant in diesem Zusammenhang ist noch eine Studie aus den 60er Jahren, in der ein statistisch hochsignifikanter Zusammenhang zwischen dem Auftreten von Magnetstürmen und den Einlieferungszahlen in psychiatrische Anstalten nachgewiesen werden konnte.
Bedingt durch die Ausrichtung des Magnetfeldes wurde auch schon eine Beeinflussung der REM-Latenzzeit – das ist die Zeit zwischen dem Einschlafen und dem Höhepunkt der ersten Traumphase – in Abhängigkeit von der Schlafrichtung festgestellt. Ein möglicher Erklärungsansatz für diesen Effekt sind Lorentz-Kräfte, die im Zusammenspiel von Erdmagnetfeld und elektrischem Feld einer Zelle entstehen und dadurch eine Rotationsbewegung von gelösten Ionen bzw. der Zellflüssigkeit verursachen.
Es gibt eine Reihe von Faktoren, die das Erdmagnetfeld signifikant beeinflussen können; dazu gehören vor allem im Schlafbereich Federkernmatratzen, deren Enden oft geschweißt sind und dadurch stark magnetisch sein können. Auch größere Metallgegenstände wie Heizkörper, Öltanks, Stahltüren etc. verursachen u.U. erhebliche Erdmagnetfeldverzerrungen in ihrer Umgebung. Mit einem Kompass lässt sich dies in der Regel leicht nachweisen.
Das natürliche elektromagnetische Wechselfeld
Die weltweite Gewittertätigkeit erzeugt ständig elektromagnetische Wellen, welche sich rund um die Erde ausbreiten. Diese nennt man Atmospherics oder kurz „Sferics“. Diese haben eine maximale Intensität bei Frequenzen bis zu einigen hundert Hertz und ein weiteres Maximum im Bereich um 10 kHz. Der Raum zwischen der Erde und der Ionosphäre kann als Hohlraumresonator betrachtet werden; es ergeben sich eine Reihe von Resonanzen, z.B. bei 7.8 Hz. Diese sogenannten „Schumannresonanzen“ erzeugen – wiederum angeregt durch die weltweite Gewittertätigkeit – eine Reihe von Feldstärkemaxima zwischen 7.8 und 35 Hz, die sogenannten Schumannwellen.
Es wird seit längerer Zeit vermutet, dass dieses natürliche elektromagnetische Umfeld direkt mit dem menschlichen Wohlbefinden verknüpft ist und vor allem die bekannte Wetterfühligkeit damit zusammenhängt.
Mehrere Studien geben hier einige interessante Hinweise :
An Tagen mit starken atmosphärischen Störungen – gekennzeichnet durch eine stark erhöhte Sferics-Aktivität im Längstwellenbereich – stiegen sowohl die Anzahl der Betriebsunfälle, die Todesziffer, die Geburtenziffer, die Anzahl der Verkehrsunfälle als auch die Beschwerden von Amputierten und Hirnverletzten signifikant an.
Der Vergleich zwischen der Anzahl der täglichen Anfälle von sechs Epileptikern mit der täglichen mittleren Aktivität von Sferics im Bereich um 10 und 28 kHz hat eine signifikante Übereinstimmung erbracht.
Der zirkadiane Rhythmus von Personen in abgeschirmten Räumen konnte durch den Einfluß sehr schwacher elektrischer Felder im Schumannwellen-Bereich (2.5 V/m bei 10 Hz) signifikant beschleunigt werden.
Zusammenfassung
Dieser Beitrag versucht einen Überblick über den Stand der Forschung bezüglich biologischer Wirkungen von schwachen elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern zu geben.
Die Hinweise auf solche Wirkungen sind vielfältig. Sie sind weitgehend zweifelsfrei nachgewiesen bei niederfrequenten Feldern, jedoch bezüglich ihrer gesundheitlichen Relevanz noch umstritten. Dies gilt vor allem für athermische Effekte hochfrequenter Felder. Problematisch scheinen hier vor allem periodisch gepulste oder periodisch amplitudenmodulierte Felder zu sein.
Zur weiteren Klärung der zahlreichen offenen Fragen besteht jedoch noch ein sehr großer Forschungsbedarf auf diesem Gebiet.
Aktuelles zur biologischen Wirkung hochfrequenter Strahlung
Die zunehmende Verbreitung von Mobilfunkhandies löst immer wieder Diskussionen um eventuelle gesundheitliche Risiken für deren Benutzer aus. Über 10000 Studien haben sich in den vergangenen Jahren intensiv mit den Wirkungen nieder- und hochfrequenter Felder befasst. Dieser Beitrag soll einen aktuellen Überblick über biologische Effekte hochfrequenter elektromagnetischer Felder geben.
Thermische Wirkungen
Dass Funkwellen auch Wärme erzeugen, ist schon lange bekannt. Dieser Effekt wird auch in der Medizin zur lokalen Erwärmung von Körpergewebe genutzt. Hierbei wird Strahlungsenergie in Wärmeenergie umgewandelt, was besonders gut bei Wassermolekülen funktioniert.
Problematisch ist hierbei, dass die thermisch sensible Haut zu trocken ist, um sich spürbar aufzuwärmen, während z.B. das wasserreiche Muskelgewebe sich besonders gut erwärmt – was dann nicht rechtzeitig wahrgenommen wird.
Die aufgenommene Wärmemenge wird als spezifische Absorptionsrate (SAR) auf die Körpermasse bezogen. So erzeugt der Körper in Ruhe eine Wärmeleistung von 1 Watt pro Kilogramm Körpergewicht (W/kg). Bei 4 W/kg ergibt sich eine Erwärmung um 1 Grad Celcius. Für die allgemeine Bevölkerung ist eine Wärmezufuhr von maximal 0.08 W/kg zulässig (Ganzkörpererwärmung), bei der Teilkörpererwärmung liegt die Grenze bei 0.4 W/kg. Da die Erwärmung stark lokal begrenzt ist, wurden hier andere Grenzwerte angesetzt. Bei Mobilfunkhandies wird ein großer Teil der Sendeleistung im Kopf in Wärme umgewandelt – der lokale Grenzwert wird bei Handies älterer Bauart oft sogar überschritten, da hier bis zu 60 % der Sendeleistung im Kopf absorbiert wird. Besonders das Auge muss geschützt werden, da es wegen seiner geringen Durchblutung die Wärme schlecht abführen kann.
Athermische Wirkungen
Neben der Wärmeentwicklung durch elektromagnetische Felder müssen jedoch auch nichtthermische Effekte berücksichtigt werden. In zahlreichen Studien wurden bislang Einflüsse auf viele Phänomene untersucht, wie z.B. Enzymaktivität, Veränderungen der Zellmembranen, Zellwachstum und -teilungsvorgänge, Tag/Nacht-Rhythmus, Tumoren und Hirnaktivität.
Beeinflussung der menschlichen Gehirntätigkeit
Dr. Lebrecht von Klitzing hat in einer Reihe von Publikationen über mögliche Einflüsse von gepulsten hochfrequenten Feldern auf das Elektroenzephalogramm (EEG; Hirnstromkurve) berichtet. Seine Experimente konnten jedoch bis dato nur von sehr wenigen anderen Wissenschaftlern nachvollzogen werden. Die dokumentierten Versuchsergebnisse erwecken vielmehr den Verdacht, dass die Änderungen im EEG teilweise durch mangelhaft kontrollierte Vigilanzänderungen (Wegdämmern oder Einschlafen des Probanden) verursacht sein könnten.
Deshalb wurde in einer Studie an der Neurologischen Universitätsklinik Bochum erneut der Einfluss elektromagnetischer Felder auf die Hirntätigkeit untersucht; allerdings mit deutlich höheren Feldstärken als bei den Klitzing-Versuchen (ca. 40 V/m). Weder die Analyse des Wachzustands-EEGs noch die Auswertung einer neuropsychologischen Testreihe ergaben eine signifikante Änderung der Gehirnleistung.
Dies bestätigt die Ergebnisse einer anderen Studie [6]; deren Autoren konnten jedoch schon früher einen Einfluss der Bestrahlung auf die REM-Phasen (rapid eye movement; Zustand während der Traumphasen) im Schlaf beobachten. Die REM-Phasen haben eine Bedeutung für die Informationsverarbeitung im Hirn.
Wirkungen auf die intrazelluläre Kalziumkonzentration
In vielen Studien wurde bereits eine Wirkung von periodisch amplitudenmodulierter Strahlung auf den Kalziumionenaustritt aus Zellkulturen festgestellt [8]. Dieser Effekt trat bei einer Trägerfrequenz von 150 MHz vor allem bei niedrigen Modulationsfrequenzen (6 bis 20 Hz) auf. Eine Studie an der Universität Bonn führte entsprechende Versuche in den Mobilfunkfrequenzbereichen 900 und 1800 MHz mit entsprechender Modulation (217 Hz gepulst) durch [1]. Bei 900 MHz wurden keine Auffälligkeiten beobachtet, bei 1800 MHz wurde eine Verschiebung registriert. Diese war jedoch statistisch nicht signifikant und lässt somit letztendlich keine gesicherte Aussage zu.
Wirkungen auf die Enzymaktivität
Elektromagnetische Felder im Frequenzbereich um 840 MHz führten bei einer Modulationsfrequenz von 60 Hz und einer SAR von 2.5 W/kg zu einer Verdopplung der Aktivität des Enzyms Ornithin-Decarboxylase (ODC) [9]. Derselbe Effekt zeigte sich auch bei einem rein niederfrequenten 60-Hz-Magnetfeld. ODC spielt eine wichtige Rolle bei der Zellteilung und Tumorpromotion. In einem zweiten Schritt wurde dem HF-Signal zusätzlich ein niederfrequentes Magnetfeld in Form eines Rauschens im Bereich 30…100 Hz überlagert. Dies führte zu einer exponentiellen Abnahme der ODC-Verstärkung als Funktion der Rauschamplitude. Dies ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass vor allem die Periodizät des Signals zu dem genannten Effekt führt.
Erbgutschädigende Einflüsse
An der Technischen Universität Braunschweig wurden Änderungen der Erbinformation (Genmutationen) von Blutzellen sowie von Krebsgewebe unter dem Einfluss elektromagnetischer Felder untersucht. Die Studie wurde ausschließlich mit menschlichem Spenderblut durchgeführt. Es wurden keine feldbedingten Veränderungen festgestellt [10].
Andere Studien mit Zellen von Mäusen und menschlichem Tumorgewebe waren zum großen Teil ebenfalls ohne Befund, jedoch war eine Zunahme von DNS-Brüchen in Gehirnzellen von Ratten festgestellt worden (2450 MHz, SAR 0.6 bis 1.2 W/kg) [11].
Belgische Wissenschaftler beobachteten ein um 20 bis 25 % statistisch signifikant erhöhtes Vorkommen von Schäden am Erbgut von Blutzellen, nachdem Blutproben erst einem Feld (954 MHz; 1,5 W/kg; Zeitdauer 2 Stunden) ausgesetzt waren und anschließend mit einer mutagenen (erbgutverändernden) Chemikalie behandelt wurden. Bei doppeltem Antennenabstand oder alleiniger Feldexposition ohne anschließende Chemikalienzugabe traten keine Schäden auf.
Blutdruckerhöhung durch mobiles Telefonieren
Nach einer Studie der Neurologischen Klinik der Universität Freiburg führten hochfrequente elektromagnetische Felder von Mobiltelefonen zu einer signifikanten Erhöhung des Blutdrucks um 5 bis 10 mmHg. Bei doppeltem Antennenabstand oder alleiniger Feldexposition ohne anschließende Chemikalienzugabe traten keine Schäden auf. Die Ursache war ein verringerter Durchmesser der Blutkapillaren, was ein Hinweis auf eine erhöhte Aktivität des sympathischen Teils des vegetativen Nervensystems darstellt. Für die Untersuchung wurden 900-MHz-Mobilfunkhandies verwendet. Das Handy wurde in typischer Telefonierposition an der rechten Kopfseite fixiert. Die Probanden wussten nicht, ob das Handy sendete oder nicht. Die Testdauer war jeweils 5 mal pro Tag je 35 Minuten an 5 verschiedenen Tagen. Die Test wurden unter körperlicher Belastung wiederholt; hier zeigten sich keinerlei Auffälligkeiten.
Gesteigertes Krebsrisiko?
Eine australische Studie, die von einer dortigen Telefongesellschaft in Auftrag gegeben wurde, zeigt bei genmanipulierten Labormäusen eine doppelt so hohe Tumorhäufigkeit wie bei der Kontrollgruppe, wenn diese mit periodisch gepulsten elektromagnetischen Feldern um 900 MHz (Modulationsfrequenz 217 Hz, SAR-Werte zwischen 0,0078 und 4,2 W/kg) zwei mal täglich jeweils eine halbe Stunde lang befeldet wurden. Die Mäuse waren so genmanipuliert, dass ohne weitere äußere Einflüsse bereits ein hohes Krebsrisiko vorhanden war. In der nicht befeldeten Kontrollgruppe erkrankten 22 % der Tiere an Krebs, in der befeldeten Gruppe waren es 43 %.
Eine englische Studie zeigte eine Verdopplung der Leukämierate in der Umgebung eines Radio- und Fernsehsenders. Eine daraufhin durchgeführte Folgestudie an den Standorten 20 weiterer Sender konnte eine nur extrem geringe bis gar keine Erhöhung der Krebsrate nachweisen.
Eine weitere Studie aus Australien bestätigt eine Verdopplung der Leukämierate bei Kindern; die Erfassung beinhaltete das Areal bis zu 4 km um 4 Fernsehsender.
Weitere Untersuchungen sind notwendig
Die Widersprüchlichkeit vieler Studien verlangt geradezu nach weiteren Untersuchungen. Die Randbedingungen der einzelnen Studien sind auch oft viel zu unterschiedlich, um diese miteinander vergleichen zu können. Viele Effekte zeigen keine lineare Abhängigkeit zur Feldintensität und ereignen sich nur innerhalb gewisser Amplituden- und Frequenzfenster in starker Abhängigkeit von der Modulation. Selbst wenn sich biologische Wirkungen zumeist auf Zellebene zeigen, kann noch keine Aussage darüber getroffen werden, ob und wie sich dies tatsächlich gesundheitlich auswirkt.
Fazit
Es verdichten sich die Hinweise darauf, dass periodisch pulsmodulierte oder periodisch amplitudenmodulierte elektromagnetische Felder unterhalb der gültigen Grenzwerte oder auch Dauerbelastungen durch solche Felder biologische Effekte athermischer Natur auslösen können, wenn auch ihre gesundheitliche Relevanz bislang ungeklärt ist. Man geht davon aus, dass das HF-Signal im Körpergewebe demoduliert wird und die ausgelösten Effekte letzten Endes niederfrequenter Natur sind.
Betroffen hiervon wären in erster Linie Basisstationen für den Mobilfunk sowie einige Rundfunksender, die in Amplitudenmodulation senden (Lang- / Mittel- / Kurzwelle).
Die meisten anderen Funkdienste arbeiten mittels Frequenzmodulation oder stellen keine Dauerbelastung dar. Diese stellen sich auch nach aktuellen Erkenntnissen als weitgehend unkritisch dar.
Biologische Wirkungen elektromagnetischer Felder – was gibt’s Neues?
Die Diskussion um gesundheitliche Wirkungen elektromagnetischer Felder hält nach wie vor an, obwohl tausende von Studien in den letzten Jahren versucht haben, Klarheit zu schaffen. Die sich zum Teil widersprechenden Ergebnisse zeigen deutlich, dass dennoch immer noch ein großer Forschungsbedarf gegeben ist. Dies liegt unter anderem daran, dass man in der Klärung der zu Grunde liegenden Wirkmechanismen auch in den letzten Jahren nicht viel weiter gekommen ist. Dieser Beitrag soll einen aktuellen Überblick über neue Forschungsergebnisse bezüglich biologischer Effekte elektromagnetischer Felder geben. Für einen ausführlichen Übersichtsartikel zum Thema sei auf eine frühere Veröffentlichung verwiesen.
Niederfrequenz: „Nur“ Reizwirkungen?
Niederfrequente elektrische und magnetische Felder werden primär durch unser Stromversorgungsnetz und daran angeschlossene Verbraucher hervorgerufen, sei es eine benachbarte Hochspannungsleitung oder – oft viel intensiver wegen des geringen Abstandes – der Radiowecker oder die Lampe auf dem Nachttisch.
Wissenschaftlich anerkannt bei niederfrequenten Feldern sind bislang nur sogenannte Reizwirkungen (z.B. vorübergehende Beeinflussung des Sehvermögens), wie sie durch starke im Körper induzierte Ströme entstehen können. Im Zentrum des Diskussion stehen hier jedoch Effekte deutlich unterhalb der anerkannten Reizschwellen, die einen anderen Wirkungsmechanismus zur Ursache haben müssen. Vor allem über ein gesteigertes Krebsrisiko sowie neurovegetative Störungen wie z.B. Schlafstörungen und Depressionen wird viel diskutiert. Als zu Grunde liegender Mechanismus geht man bei diesen Effekten bislang von einer feldbedingten Hemmung der Synthese des körpereigenen Hormons Melatonin aus. Melatonin beeinflusst die Biorhythmik und kann auch krebshemmend wirken.
Melatonin und Polarisation des Magnetfeldes
Eine aktuelle Studie von Burch [2] bestätigt die Reduktion des Melatonin-Stoffwechselprodukts 6-OHMS um über 30 % bei Elektroarbeitern, die mehr als zwei Stunden einem Feld von über 0.2 µT ausgesetzt waren – eine Feldstärke, wie sie auch in 2 bis 3 % normaler häuslicher Umgebungen anzutreffen ist [3].
Interessant ist hierbei vor allem, dass eine Melatonin-Unterdrückung nur bei Arbeitern festgestellt werden konnte, die in Umspannwerken oder einer anderen Drei-Phasen-Umgebung arbeiten. Bei Arbeitern an einphasigen Anlagen war keine Veränderung nachweisbar. Dies kann ein Hinweis darauf sein, dass die bislang weitgehend unbeachtet gebliebene elliptische oder zirkulare Polarisation der Magnetfelder eine wichtige Rolle spielt.
Die Studie bestätigt eine frühere tierexperimentelle Untersuchung [4], nach der bezüglich der Beeinflussung des Melatoninstoffwechsels ein zirkular polarisiertes Feld bei 1.4 µT wirksam war, während ein linear polarisiertes Feld erst bei 5 µT einen Effekt zeigte. Der momentan gültige Grenzwert für magnetische Felder liegt laut Bundesimmissionsschutzgesetz übrigens bei 100 µT.
Krebs durch Aerosole statt durch Feld?
Im Zusammenhang mit Hochspannungsleitungen wurde kürzlich eine ganz andere Theorie veröffentlicht: Demnach ist denkbar, dass eine schädliche Beeinflussung des Menschen nicht durch Felder, sondern durch die Aufladung und damit Konzentrierung von Schadstoffpartikeln in der Luft verursacht wird. Eine in diesem Zusammenhang durchgeführte epidemiologische Studie unterstützt diese Hypothese; danach tritt Lungenkrebs überdurchschnittlich häufig bei Menschen auf, die innerhalb von 400 m Abstand zu einer Hochspannungsleitung wohnen. Das Erkrankungsrisiko hängt hierbei stark von der Windrichtung ab.
Kinder-Leukämien
Eine Analyse bereits durchgeführter Studien [7] kam zu dem Ergebnis, dass sich das Risiko für Kinder-Leukämien bei Magnetfeldern oberhalb 0.4 µT verdoppelt. Bisher nahm man im Regelfall die halbe Feldstärke als Wirkungsgrenze an, was im Regelfall zu nicht oder nur zu leicht erhöhten Risikofaktoren führte. Da Hochspannungsleitungen auch hier eine Rolle spielen, kann der oben genannte Effekt geladener Schadstoffpartikel als Ursache nicht ganz ausgeschlossen werden. Zumindest in zukünftigen Studien müssen weitere Parameter wie Windrichtung ebenfalls Berücksichtigung finden.
Weitere Effekte
Im Zusammenhang mit niederfrequenten Feldern wurden in letzter Zeit noch eine Reihe weiterer Effekte beobachtet: So wurde bei beruflich exponierten Personen eine deutliche Zunahme neurovegetativer Störungen wie Appetitverlust, körperliche Ermüdung, Abnahme der Libido sowie Melancholie bis hin zu depressiven Tendenzen festgestellt. Die Ergebnisse beruhen auf der Selbsteinschätzung von 13 Personen sowie einer gleich großen Kontrollgruppe und gelten als statistisch signifikant.
Eine weitere Studie befasste sich mit Schlafstörungen durch niederfrequente Magnetfelder und kam zu dem Schluss, dass sich eine Zunahme der Wachphasen sowie eine Reduktion und Verzögerung der Traumphasen ergibt, wenn man Versuchspersonen einem intermittierenden Magnetfeld (60 Hz, 28 µT, je 15 s ein und aus) aussetzt. Bei einer einem gleichmäßigen Feld ausgesetzten Gruppe sowie einer nicht exponierten Kontrollgruppe konnten keinerlei Beeinträchtigungen festgestellt werden.
Dies sollte für zukünftige Studien ein Hinweis sein, Lastschwankungen des Stromnetzes und die damit verbundenen Amplitudensprünge der Magnetfelder, wie sie vor allem im häuslichen Bereich auftreten, besser zu berücksichtigen als bisher.
Hochfrequenz: Nur thermische Effekte?
Bei hochfrequenten Feldern sind bislang nur thermische Effekte wissenschaftlich zweifelsfrei anerkannt. Dies sind biologische Effekte, die durch eine Aufheizung des Körpergewebes durch entsprechend hohe Feldstärken verursacht werden. Bei älteren Mobilfunkhandies kann es hier durchaus zu Problemen kommen wie z.B. zu einer übermäßigen Erwärmung des Auges, da dieses wegen seiner geringen Durchblutung die Wärme schlecht abführen kann.
Nach wie vor strittig sind jedoch sogenannte athermische Effekte, die deutlich unterhalb der Schwelle für thermische Wirkungen liegen. Auch eine Vielzahl von Studien hat hier bislang wenig Licht in die Sache gebracht; vor allem, weil zwar etliche Effekte nachweisbar sind, aber vollkommen unklar ist, ob diese in irgendeiner Form gesundheitlich relevant sind.
Keine Hirntumore durch Handies – aber Augentumore
Zwei neue US-amerikanische Studien fanden keinen Zusammenhang zwischen der Häufigkeit von Hirntumoren und der Verwendung von Mobiltelefonen [10].
Kritiker führen jedoch die sehr kleinen Fallzahlen von Vieltelefonierern sowie die überwiegende Verwendung analoger Handies ins Feld. Biologische Wirkungen werden überwiegend den periodisch gepulsten Aussendungen nachgesagt. Diese werden im europäischen GSM-Mobilfunkstandard sowie bei schnurlosen Telefonen nach DECT-Standard angewendet.
Eine Studie der Universität Essen ergab jedoch ein um den Faktor 3 signifikant erhöhtes Risiko für Augentumore bei Handy-Nutzern. Da das Risiko für einen Augentumor jedoch lediglich bei 1:200 000 pro Jahr liege, besteht gemäß den Wissenschaftlern kein Grund zur Besorgnis.
Veränderung der Hirnströme
Eine Schweizer Studie berichtet von der Veränderung von Hirnströmen durch gepulste elektromagnetische Felder, wie sie im Mobilfunk verwendet werden. 16 gesunde junge Männer wurden 30 Minuten lang einem solchen Feld in den frühen Morgenstunden ausgesetzt. Während der Exposition waren sie wach; anschließend folgte nochmals eine dreistündige Schlafperiode. Das Experiment wurde drei mal im Abstand von einer Woche wiederholt. Es erfolgte nach dem Doppelblind-Prinzip entweder die Bestrahlung der linken oder rechten Gehirnhälfte oder eine Scheinexposition (doppelblind besagt, dass weder die Probanden noch der Versuchsleiter wissen, ob das Feld eingeschaltet ist oder nicht). Es gab keine auffälligen Veränderungen subjektiver Parameter wie z.B. der Schlafqualität. Jedoch fanden sich Veränderungen in der Hirnstromkurve (Elektroenzephalogramm, EEG); hier ergaben sich Erhöhungen der Amplitude in zwei Frequenzbereichen.
Bereits vorher war eine Studie bekannt geworden, bei der über ähnliche Effekte berichtet wird. Eine gesundheitliche Relevanz lässt sich aus diesen Ergebnissen jedoch nicht ableiten.
Frühere Studien haben sich größtenteils auf die Untersuchung von EEG-Änderungen im Wachzustand bezogen. Es wurden in der Regel keine Beeinflussungen gefunden.
Störungen der Blut-Hirn-Schranke
Die Blut-Hirn-Schranke ist die natürliche Barriere zwischen Blut und Gehirnflüssigkeit, über die der Stoffwechsel durchgeführt wird. Damit wird das Gehirn vor schädlichen Substanzen im Blut geschützt. Seit Mitte der siebziger Jahre besteht bereits der Verdacht, dass elektromagnetische Felder die Funktion dieser Barriere stören könnten. Eine aktuelle Studie der Universität Münster verstärkt diese Annahme. Getestet wurde die Durchlässigkeit einer biochemischen Nachbildung der Blut-Hirnschranke für Zucker. Nach zwei Tagen Bestrahlung wurde eine um 50 % erhöhte Durchlässigkeit gegenüber der unbestrahlten Probe nachgewiesen. Nach vier Tagen betrug die Differenz 100 %. Durch verschiedene Tests wurde vorher nachgewiesen, dass das Modell alle Eigenschaften einer echten Blut-Hirn-Schranke aufweist. Die Art der Bestrahlung war ein mit 217 Hz gepulstes 1.8-GHz-Signal, wie es bei E-Netz-Handies Verwendung findet.
Eine tierexperimentelle Studie der Universität Tokio, bei der Ratten über zwei bzw. vier Wochen einer HF-Strahlung ausgesetzt wurden, fand jedoch keinerlei Hinweise auf eine Beeinflussung der Blut-Hirn-Schranke [17]. Angewendet wurde eine gepulste HF-Strahlung, wie sie bei japanischen Mobiltelefonen Verwendung findet (1.4 GHz).
Chemische Ausdünstung bei Handies schlimmer als HF-Abstrahlung?
Manche Handy-Telefonierer klagen über gesundheitliche Beeinträchtigungen wie Übelkeit, Kopfschmerzen oder Hautausschläge. Im schwedischen Arbeitsschutzinstitut wurde der Frage nachgegangen, ob hierfür nicht vielmehr chemische Ausdünstungen der Geräte verantwortlich sein könnten als die HF-Abstrahlung [18]. Messungen haben ergeben, dass bei Berührung mit Schweiß unter Einwirkung der Wärme der Haut dieselben Chemikalien austreten wie bei druckimprägniertem Holz – mit dem Unterschied, dass die Verwendung so mit Pestiziden behandelter Hölzer im Wohnbereich verboten ist. Diesbezüglich betroffene Personen mit Gesundheitsproblemen wurden symptomfrei, als sie ihr Handy in eine Plastiktüte steckten.
Mögliches Wirkungsmodell: Hitzeschockproteine
Eine mögliche Erklärung für die athermischen Wirkungen elektromagnetischer Felder ist die Bildung sogenannter Hitzeschockproteine. Zwei Studien haben den Einfluss gepulster elektromagnetischer Felder auf die Zellteilungsrate sowie die Empfindlichkeit des Herzens gegenüber Sauerstoffmangel untersucht [19]. Die jeweiligen Ergebnisse legen nahe, dass elektromagnetische Felder die Bildung von bestimmten Stressproteinen induzieren können, die insbesondere nach hitzebedingtem Stress auftreten. Eine Temperaturerhöhung spielte hier jedoch nachgewiesenermaßen keine Rolle.
Rinderstudien schaffen keine Klarheit
Zwei Untersuchungen zu Verhaltensauffälligkeiten und Gesundheitsschäden bei Rinderherden erbrachten keinen Zusammenhang mit der HF-Strahlung nahegelegener Mobilfunktürme [20]. Bei Milchleistung, Fruchtbarkeit und Melatoninausschüttung konnten keine Auffälligkeiten festgestellt werden; für Stress-Symptome gab es keine statistisch abgesicherten Hinweise. Allerdings waren sowohl die Häufigkeit des Wiederkauens als auch die Wiederkau-Dauer in den exponierten Gruppen hochsignifikant geringer. Eine Erklärung hierfür konnte nicht gefunden werden.
Fazit
Auch die Studien der letzten Jahre enthalten deutliche Hinweise darauf, dass elektromagnetische Felder unterhalb der gültigen Grenzwerte biologische Effekte hervorrufen können, deren gesundheitliche Relevanz jedoch ungeklärt ist. Bei hochfrequenten Feldern stehen vor allem periodisch pulsmodulierte Aussendungen, wie sie im Mobilfunk Anwendung finden, im Zentrum der Untersuchungen. Aussendungen anderer Art, die weder eine Dauerbelastung darstellen noch gepulste Aussendungen verwenden, scheinen im Vergleich zum Mobilfunk deutlich unkritischer zu sein.
Literatur
Ausführliche Literaturlisten zu den zitierten Studien sind den Originalartikeln von Dipl.-Ing. Rainer Elschenbroich zu entnehmen. Diese finden Sie unter www.elschenbroich.com