اثرات امواج الکترومغناطیس بر زنبورهای عسل

چکیده

میدان‌های الکترومغناطیسی فرکانس رادیویی (RF-EMF) می‌توانند در همه موجودات زنده از جمله زنبورهای عسل ( Apis Mellifera ) جذب شوند. زنبور یک حشره جهانی مهم از نظر زیست محیطی و اقتصادی است که به طور مداوم در معرض RF-EMF های محیطی قرار دارد. این مواجهه به صورت عددی و تجربی در این مقاله بررسی شده است. برای این هدف، شبیه‌سازی‌های عددی با استفاده از مدل‌های زنبور عسل، به‌دست‌آمده با اسکن میکروسی‌تی، برای تعیین توان جذب شده RF به عنوان تابعی از فرکانس در محدوده 0.6 تا 120 گیگاهرتز اجرا شد. پنج مدل مختلف زنبور عسل به دست آمد و شبیه سازی شد: دو کارگر، یک نر، یک لارو و یک ملکه. شبیه سازی ها با اندازه گیری های آزمایشگاهی با داده های اندازه گیری شده کنوهای در معرض RF-EMF محیطی در بلژیک به منظور تخمین  مقادیر توان جذب شده توسط زنبورهای عسل بررسی و ادغام شد. تجزیه و تحلیل ما نشان می دهد که تغییر نسبتاً کوچک 10٪ از چگالی توان حادثه محیطی از فرکانس های زیر 3 گیگاهرتز به فرکانس های بالاتر منجر به افزایش نسبی توان جذب شده با ضریب بالاتر از 3 می شود.

مقدمه

ارتباطات بی سیم یک فناوری گسترده و رو به رشد است. اکثر شبکه های بی سیم و دستگاه های شخصی با استفاده از میدان های الکترومغناطیسی فرکانس رادیویی (RF) (EMF) کار می کنند. شبکه های فعلی بر فرکانس های بین 0.1 گیگاهرتز و 6 گیگاهرتز تکیه دارند (1) . این EMF ها می توانند در محیط دی الکتریک جذب شوند و باعث گرم شدن دی الکتریک شوند . این گرمایش دی الکتریک می تواند در هر موجود زنده از جمله حشرات رخ دهد(2).

جذب EMFs RF در حشرات قبلا مورد مطالعه قرار گرفته است. وانگ و همکاران (3) جذب EMFs RF را در لارو پروانه له شده در فرکانس 27 مگاهرتز و 915 مگاهرتز مورد مطالعه قرار دادند. شرستا و همکاران (4) گرمایش دی الکتریک کریپتولستیز فروگنویس را در مراحل مختلف (تخم، لارو، شفیره و بالغ) در فرکانس 27 مگاهرتز مورد مطالعه قرار دادند. شایسته و همکاران (5) ، Tribolium confusum و Plodia interpunctella را در معرض EMFهای RF در 2450 مگاهرتز( 6 ، 7 ، 8) قرار داده.  گرمایش RF حشرات را بررسی کردند. نفوذ دی الکتریک حشرات توسط نلسون و همکاران اندازه گیری شد. (9) از 0.2 تا 20 گیگاهرتز از طریق تعیین از دست دادن قدرت RF EMF در نمونه های حشرات (شپشک برنج، سوسک آرد قرمز، سوسک دانه دندانه دار، و کرم دانه کوچکتر). جذب EMFs RF در حشرات بین 10 تا 50 گیگاهرتز توسط هالنورسون و همکاران (10) مورد مطالعه قرار گرفت. تیلنز و همکاران(11) شبیه سازی عددی را برای مطالعه جذب EMFهای RF از 2 تا 120 گیگاهرتز در چهار مدل حشره استفاده کردند. نتیجه گیری اصلی از مطالعات فوق این است که الف) EMF های RF می توانند جذب شوند و می توانند باعث گرمایش دی الکتریک در حشرات شوند و ب) این جذب RF-EMFs وابسته به فرکانس است. این وابستگی به فرکانس مهم است زیرا شبکه‌های نسل پنجم ( 5G ) تا حدی در فرکانس‌های بالاتر (تا 300 گیگاهرتز) استفاده می‌کنند (13) . این تغییر ممکن است باعث تغییر در جذب RF EMF برای حشرات شود (11) .

زنبورهای عسل ( Apis Mellifera ) به دلیل اهمیت زیست محیطی و اقتصادی این گونه حشرات مهمی هستند. بنابراین، مطالعات قبلی بر روی اثرات بالقوه قرار گرفتن در معرض EMF زنبورهای عسل غربی متمرکز شده‌اند. خواص EM فرکانس پایین و قرار گرفتن در معرض زنبورهای عسل در (14) مورد مطالعه قرار گرفت . تأثیر میدان های مغناطیسی با فرکانس پایین بر جهت گیری زنبور عسل در (15) مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین مطالعاتی در مورد اثرات RF EMF بر زنبورهای عسل انجام شده است. اثرات بالقوه قرار گرفتن در معرض RF EMF بر تولید مثل ملکه های زنبور عسل در (16) مورد بررسی قرار گرفت. اثرات رفتاری بالقوه ناشی از قرار گرفتن در معرض EMFهای RF در زنبورهای عسل در 17، 18، 19 بررسی شده است. یک نقطه ضعف این است که این مطالعات فاقد تعیین کمیت میزان قدرت جذب شده در زنبورهای عسل مورد مطالعه است که به آن دزیمتری RF 20 می گویند. از طرفی این میزان جذب برای یک زنبور کارگر مجرد در سال (11)تعیین شده است. با این حال، تیلنز و همکاران. (11) هیچ گونه جفتی از این جذب را با یک موقعیت واقعی قرار گرفتن در معرض RF-EMF ارائه نمی دهد و فقط یک زنبور عسل را مطالعه می کند که هیچ اطلاعاتی در مورد تکامل چنین جذبی ارائه نمی دهد زیرا زنبور عسل مراحل مختلف رشد را طی می کند. همچنین مشخص نیست که آیا این جذب RF برای سایر کاست ها، مانند زنبورهای نر یا ملکه ها، در کلنی زنبور عسل واقعی است یا خیر. 

بحث

این مطالعه به بررسی جذب RF-EMF در زنبورهای عسل به عنوان تابعی از فرکانس در محدوده 0.6 تا 120 گیگاهرتز می پردازد. برای این منظور از پنج مدل مختلف زنبورهای عسل مختلف استفاده کردیم: دو کارگر، یک نر، یک لارو و یک ملکه. این مدل ها با استفاده از تصویربرداری میکرو CT به دست آمد و برای شبیه سازی FDTD استفاده شد. این مطالعه برای ارزیابی قرار گرفتن در معرض میدان دور زنبورهای عسل استفاده شد. این نوردهی میدان دور به عنوان مجموعه ای از امواج صفحه در فرکانس های هارمونیک بین 0.6 تا 120 گیگاهرتز مدل سازی شده است. شبیه‌سازی‌های عددی منجر به P abs به عنوان تابعی از فرکانس برای زنبورهای عسل مورد مطالعه مختلف شد. این شبیه‌سازی‌ها با اندازه‌گیری‌های واقعی قرار گرفتن در معرض RF-EMF در نزدیکی کندوهای زنبور عسل در بلژیک ترکیب شدند تا مقادیر واقعی قرار گرفتن در معرض زنبورهای عسل را تخمین بزنند.

تصویربرداری Micro-CT تکنیکی است که قبلاً نشان داده شده بود که حشرات را با دقت اسکن می کند 35 ، 36 . مدل‌های مورد استفاده در این مطالعه دارای وضوح بین 0.02 میلی‌متر تا 0.25 میلی‌متر هستند که بزرگ‌تر از وضوح مدل‌های micro-CT در (11) است. از آنجایی که کوچکترین مرحله شبکه مورد استفاده در شبیه سازی ما 0.05 میلی متر است، وضوح ایده آل مدل های حشرات کوچکتر از آن خواهد بود. وضوح بیشتر اسکن مشکلی برای پایداری الگوریتم FDTD نیست، اما وضوح فضایی بیشتری را می توان با تنظیمات شبیه سازی مشابه به دست آورد. انتظار می رود که مدل های micro-CT مورد استفاده در این مطالعه منجر به تخمین بهتر P abs شودو توزیع فضایی میدان های الکتریکی نسبت به مدل های تقریبی مانند بیضی ها یا استوانه ها (20) شود .

نتایج شبیه‌سازی‌های عددی ما، به شکل 5 مراجعه کنید ، افزایش P abs را با فرکانس تا 6 تا 12 گیگاهرتز نشان می‌دهد. شکل 4 مکانیسم پشت این افزایش را نشان می دهد: با افزایش فرکانس، EMFها کمتر در اطراف زنبورهای عسل پراکنده می شوند، که در مقایسه با طول موج های <6 گیگاهرتز نسبتاً کوچک هستند و می توانند در مدل ها نفوذ بیشتری کنند و الکتریسیته داخلی بالاتری تولید کنند. فیلدها و در نتیجه مقادیر P abs بالاتر . شکل 4 همچنین نشان می دهد که چرا میانگین P abs کل بدن بیش از 12 گیگاهرتز افزایش نمی یابد. با افزایش رسانایی، جدول 1 را ببینیدمیدان‌های الکتریکی در زنبور نر سریع‌تر از بین می‌روند، که منجر به حجم‌های نسبی بزرگ‌تر در داخل حشره با میدان‌های پایین‌تر می‌شود . این اثر همچنین باعث می شود که P abs وابستگی (تغییر) کمتری به زاویه برخورد و قطبش داشته باشد، به شکل 5 مراجعه کنید . ما همچنین مشاهده می کنیم که هم وابستگی به فرکانس P abs ، یعنی نقطه گذار بین افزایش شدید P abs بر فرکانس و کاهش جزئی در فرکانس، و هم بزرگی P abs ، یعنی افست P abs .منحنی، به اندازه زنبور عسل بستگی دارد. این اثر قبلاً در 11 مشاهده شده بود . به طور کلی، نتایج ارائه شده در این نسخه خطی با نتایج ارائه شده در 11 مطابقت دارد. نتایج از نظر P abs به‌دست‌آمده برای زنبورهای عسل در این مطالعه دقیقاً بین نتایج به‌دست‌آمده در 11برای زنبور بی‌نیاز استرالیایی کوچک‌تر و ملخ صحرایی بزرگ‌تر قرار می‌گیرد، که باز هم وابستگی P abs به اندازه فانتوم را تأیید می‌کند. همان اثر مرتبط با اندازه برای انسان در 21، 22، 23توصیف شد و روندهای فرکانسی قابل مقایسه در انسان هایی که اندازه تمام بدن بزرگتر در فرکانس های مگاهرتز دارند مشاهده شد21، 23. لازم به ذکر است که این نسخه خطی بر قرار گرفتن حشرات در فضای آزاد متمرکز شده است. در واقعیت، زنبورهای عسل ممکن است خوشه شوند، سطح مقطع جذب بزرگتر و به طور بالقوه جذب بالاتر در فرکانس های پایین تر ایجاد کنند.

شبیه‌سازی‌های FDTD ارائه‌شده در این دست‌نوشته از خواص دی‌الکتریک استفاده می‌کنند که از بررسی ادبیات اجرا شده در 11 به‌دست آمده‌اند . در حالت ایده آل، این پارامترهای دی الکتریک برای زنبورهای عسل مورد مطالعه در این نسخه به دست می آید. با این حال، همانطور که در 11 نشان داده شده است ، بیشتر مطالعات در مورد خواص دی الکتریک حشرات در مقالات 3 ، 39 ، 40 ، 41 وابستگی فرکانسی مشابهی را در این پارامترهای دی الکتریک نشان می دهد. ما شبیه‌سازی‌های عددی اضافی را برای آزمایش عدم قطعیت در پارامترهای دی‌الکتریک اجرا کرده‌ایم و انحراف‌هایی را تا ۲۱۰ درصد در P abs پیدا کرده‌ایم.، که قابل توجه است اما هنوز کوچکتر از تغییراتی است که به دلیل تغییر زاویه تابش و قطبش در فرکانس ثابت یا تغییرات فرکانس وجود دارد. ما حشرات را به عنوان اجسام دی الکتریک همگن مدل کردیم، در حالی که در واقعیت آنها پارامترهای دی الکتریک ناهمگن دارند. اگرچه الگوریتم FDTD همیشه به میانگین پارامترهای دی الکتریک در اندازه مکعب نیاز دارد، پیشرفت‌های بیشتر در فانتوم‌های زنبور عسل و حشرات باید روی گنجاندن چندین بافت متمرکز شود تا این مدل‌ها اصلاح شوند.

اندازه‌گیری‌های RF-EMF درجا با استفاده از یک مجموعه اندازه‌گیری متشکل از یک آنالایزر طیف متصل به یک آنتن همسانگرد و سه محوری مطابق روش اندازه‌گیری فهرست شده در 32 انجام شد . ما کل حادثه E RMS را بین 0.016 V/m و 0.226 V/m در پنج محیط روستایی با میانگین خطی 0.06 V/m و میانگین درجه دوم 0.1 V/m اندازه‌گیری کردیم. جوزف و همکاران 32 مقدار متوسط ​​کل E RMS 0.09 V/m را در چندین مکان روستایی در بلژیک، هلند و سوئد اندازه‌گیری کرد. بهات و همکاران 1 میانگین مقدار E RMS را 0.04 ± 0.07 V / اندازه گیری کرد.متر در محیط های روستایی در بلژیک. هر دو مطالعه قبلی در مورد قرار گرفتن در معرض RF-EMF روستایی نزدیک به آنچه در این نسخه خطی یافتیم و مطمئناً در عدم قطعیت اندازه گیری 3 دسی بل در اندازه گیری های ما هستند.

همانطور که اندازه گیری های قرار گرفتن در معرض RF-EMF ما در نزدیکی کندوهای زنبور عسل نشان می دهد، به جدول 2 مراجعه کنید ، بیشتر قرار گرفتن در معرض RF-EMF فعلی در فرکانس های ≤1 گیگاهرتز قرار دارد. علاوه بر این، شکل 5 نشان می دهد که P abs در تمام مدل های زنبور عسل مورد مطالعه در فرکانس های ≤1 گیگاهرتز کمترین است . این نشان می‌دهد که در واقعیت، جابه‌جایی‌های بالقوه در فرکانس‌های مخابراتی به فرکانس‌های بالاتر ممکن است افزایش‌های بزرگ‌تری نسبت به آنچه در جدول 4 تخمین زده‌شده است، ایجاد کند، زیرا در آن تحلیل یک مقدار متوسط ​​روی تمام مقادیر P abs ≤3 گیگاهرتز در نظر گرفته شده است.

نقاط قوت و محدودیت ها

این دست‌نوشته کمک‌های متعددی به وضعیت هنر در زمینه ارزیابی قرار گرفتن در معرض RF-EMF از حشرات ارائه می‌کند. اول، با بهترین دانش نویسندگان، این تنها مقاله ای است که در آن دزیمتری RF عددی برای مراحل مختلف رشد زنبورهای عسل ارائه شده است. دوم، این تنها مطالعه‌ای است که اندازه‌گیری‌های قرار گرفتن در معرض واقعی و درجا را با شبیه‌سازی عددی قرار گرفتن در معرض RF-EMF حشرات به منظور تخمین قرار گرفتن در معرض واقعی زنبورهای عسل ترکیب می‌کند. در مقایسه با مطالعه قبلی ما 11، ما محدوده فرکانس وسیع تری را از 0.6 گیگاهرتز تا 120 گیگاهرتز در نظر گرفتیم که بیشتر با فرکانس های مورد استفاده در شبکه های مخابراتی فعلی (3G و 4G) مطابقت دارد. در نهایت، این مطالعه یک کمیت منحصر به فرد از قرار گرفتن در معرض زندگی واقعی زنبورهای عسل و تخمین هایی از چگونگی تغییر آن در صورت وقوع تغییرات فرکانس آینده در آن قرار گرفتن در معرض ارائه می کند. نقطه ضعف این مطالعه این است که ما اندازه گیری های دی الکتریک و حرارتی را برای بدست آوردن خواص دی الکتریک و حرارتی زنبورهای عسل مورد مطالعه انجام ندادیم. ما خواص دی الکتریک را از ادبیات به دست آوردیم و توانستیم شبیه سازی های الکترومغناطیسی را اجرا کنیم. ما در این مطالعه شبیه سازی حرارتی را انجام ندادیم. نقطه ضعف دیگر این است که ما نوردهی میدان دور را با تعداد محدودی از امواج هواپیما مدلسازی کردیم.26 . ما با مقایسه آن با مجموعه‌ای از نوردهی‌های تصادفی امواج صفحه‌ای، اعتبارسنجی قرار گرفتن در معرض تنظیم‌شده را اجرا کردیم و مطابقت خوبی پیدا کردیم، مطمئناً نزدیک به میانگین/میانگین. در نهایت، ما از شبیه‌سازی‌های FDTD که با عدم قطعیت‌های 29 مواجه هستند و از مدل‌هایی استفاده کردیم که وضوح فضایی محدودی دارند. این یک نقطه ضعف هر مطالعه شبیه سازی RF-EMF در مقایسه با مطالعه ای است که بر اندازه گیری حشرات واقعی متکی است.

تحقیقات آینده

تحقیقات آینده ما بر روی اجرای اندازه‌گیری‌های قرار گرفتن در معرض حشرات به منظور اعتبارسنجی مقادیر RF-EMF P abs و پارامترهای دی الکتریک تمرکز خواهد کرد. علاوه بر این، ما می خواهیم شبیه سازی های حرارتی زنبورهای عسل و سایر حشرات را تحت قرار گرفتن در معرض RF-EMF اجرا کنیم. در نهایت، هدف ما این است که روی توسعه فانتوم‌های حشرات بیشتر، با دقت فضایی بیشتر و به طور بالقوه چندین بافت مستقل کار کنیم.

نتیجه گیری

قرار گرفتن زنبورهای عسل غربی ( apis mellifera ) در معرض میدان‌های الکترومغناطیسی فرکانس رادیویی (RF) با استفاده از ترکیبی از اندازه‌گیری‌های قرار گرفتن در محل در نزدیکی کندوهای زنبور عسل در بلژیک و شبیه‌سازی‌های عددی مورد مطالعه قرار گرفت. شبیه‌سازی‌ها از تکنیک دامنه زمانی تفاضل محدود برای تعیین میدان‌های الکترومغناطیسی در و اطراف پنج مدل زنبور عسل در معرض امواج صفحه در فرکانس‌های 0.6 گیگاهرتز تا 120 گیگاهرتز استفاده می‌کنند. این شبیه‌سازی‌ها منجر به تعیین کمیت توان فرکانس رادیویی جذب شده کل بدن ( P abs ) به عنوان تابعی از فرکانس می‌شود. میانگین P absبا فاکتورهای 16 تا 121 افزایش می یابد، بسته به فانتوم در نظر گرفته شده، زمانی که فرکانس از 0.6 گیگاهرتز به 6 گیگاهرتز برای شدت میدان الکتریکی برخورد ثابت افزایش می یابد. کاهش نسبتاً کمی در P abs برای همه زنبورهای عسل مورد مطالعه بین 12 تا 120 گیگاهرتز مشاهده شد. اندازه گیری قرار گرفتن در معرض RF در ده سایت در نزدیکی پنج مکان مختلف با کندوهای زنبور عسل در بلژیک انجام شد. این اندازه‌گیری‌ها منجر به میانگین شدت میدان RF کل تصادفی 0.06 V/m شد که مطابقت عالی با ادبیات بود. این مقدار برای ارزیابی P abs برای آن زنبورهای عسل در آن مکان‌های اندازه‌گیری استفاده شد. P abs واقع بینانهتخمین زده می شود که بین 0.1 و 0.7 nW برای مدل های زنبور عسل مورد مطالعه باشد. با فرض اینکه 10 درصد از چگالی توان فرودی به فرکانس‌های بالاتر از 3 گیگاهرتز تغییر می‌کند، منجر به افزایش این جذب بین 390 تا 570 درصد می‌شود. چنین تغییری در فرکانس ها در شبکه های آینده انتظار می رود.