Compatibilità elettromagnetica ambientale

di Flavio Canavero Politecnico di Torino  Dipartimento di Elettronica

L'obiettivo di questa relazione è di focalizzare, secondo la mia competenza ed esperienza, gli aspetti elettromagnetici del problema dell’inquinamento ambientale. Il contributo che vorrei portare consiste nel fornire dei dati su quello che è lo stato della conoscenza scientifica in modo che le valutazioni critiche di impatto ambientale di diverse applicazioni elettromagnetiche (trasporto dell’energia elettrica, telefonia mobile, ecc.) possano essere effettuate con la dovuta serenità. In questo contesto vorrei portare dei contributi per dissipare dubbi e sciogliere certi equivoci che sono presenti quando si sente comunemente parlare di questi argomenti.

Cominciamo alla larga e facciamo riferimento al fatto che fin dall'inizio del mondo sono presenti in natura certi fenomeni elettrici, magnetici, elettromagnetici. Si pensi al magnetismo terrestre, alla magnetizzazione di certe rocce, ai fenomeni di elettrificazione (p. es. la sensazione di scossa che si avverte toccando una superficie metallica in una giornata secca), ai fulmini. Quindi l'uomo, fin dall'inizio della sua esistenza sulla Terra, è sempre stato a contatto con questi fenomeni elettromagnetici e li ha già riconosciuti sin dall'antichità (Talete, per esempio, discuteva già di questi fenomeni).

In aggiunta all’elettromagnetismo naturale esiste un elettromagnetismo antropico che è figlio della evoluzione industriale del secolo scorso. E ciò è evidente in modo chiaro se si ripercorre sommariamente la storia della scienza e della tecnologia degli ultimi due secoli: nel 1800 Volta inventò la pila elettrica che diede inizio allo sviluppo di tutto il settore dell'elettricità; nel 1865 l’inglese Maxwell sviluppò la teoria dell’elettromagnetismo che ancora oggi costituisce il fondamento di tutte le applicazioni in questo settore; successivamente l'invenzione del motore a campo magnetico rotante, avvenuta nel 1885 ad opera del piemontese Galileo Ferraris, apre la serie delle applicazioni industriali del fenomeno dell'elettricità. Contemporaneamente, negli ultimi tre quarti del 1800, avviene l'invenzione del telefono e l'invenzione del telegrafo senza fili che apre la strada alla radio. Per finire, la scoperta del transistor al termine del secondo conflitto mondiale genera una valanga di applicazioni nel settore elettronico e delle telecomunicazioni che continua tuttora. Questo naturalmente ha fatto sì che la quantità e la varietà di fenomeni elettromagnetici che al giorno d'oggi sono presenti nell'ambiente in cui viviamo si sia moltiplicata in un modo enorme rispetto a quello a cui erano soggetti gli esseri umani fino a poco più di un secolo fa.

Per affrontare in modo sistematico il problema della compatibilità elettromagnetica ambientale, cioè della presenza dell'uomo in un ambiente di tipo elettromagnetico, bisogna distinguere alcuni aspetti che prima enuncerò e poi approfondirò. Bisogna prima di tutto cercare di capire, descrivere e quantificare il fenomeno elettromagnetico in sé, a prescindere dalla presenza delle persone, ma con la presenza degli oggetti e delle strutture che riempiono l’ambiente. L’obiettivo, in questa prima fase, è di descrivere le origini del fenomeno e di capire come il campo pervade lo spazio. Successivamente si introduce l'uomo all'interno di questo campo elettromagnetico e si descrive l’interazione, cioè in quale modo il campo (che pervade tutto come l'aria) interagisce con la persona fisica.

Solo successivamente, a seguito della interazione del campo con la persona, si possono sviluppare degli effetti biologici, cioè degli effetti a livello dei tessuti, e in ultima analisi si può eventualmente configurare una situazione di rischio. È però da sottolineare che la presenza di un effetto non è una condizione sufficiente per dire che sussista un rischio. L’effetto spesso è reversibile e la sua incidenza sulla fisiologia dell’essere umano può risultare irrilevante. Il rischio invece avviene nel momento in cui l'effetto biologico non è più sopportato dai meccanismi di regolazione dell'organismo; in tal caso i meccanismi di regolazione vanno in tilt ed allora si possono sviluppare delle situazioni incontrollate. Chiaramente gli aspetti degli effetti biologici e della valutazione del rischio non fanno parte delle mie competenze: io accennerò soltanto ad alcune conclusioni, rimandando ad altre presentazioni di questa giornata in cui gli esperti avranno modo di approfondire questi aspetti.

Riprendendo l’approccio sistematico già richiamato, è necessario approfondire la comprensione del fenomeni elettromagnetici. Il movimento accelerato di cariche elettriche ha come conseguenza un’azione a distanza sulle cariche stesse che è rappresentata dal campo elettromagnetico. Per analogia si pensi al campo gravitazionale che traduce l'influenza della grande massa della Terra che ci tiene ancorati alla superficie del pianeta ed agisce senza che ci sia contatto diretto fra le masse. Associato al campo elettromagnetico c'è un trasporto di energia (in un’antenna, infatti, l’energia che fluisce attraverso il connettore si diffonde nello spazio, associata alla perturbazione di campo che l’antenna produce): ovviamente c’è da aspettarsi che l'energia, mediante la sua facilità a manifestarsi in forme diverse, possa produrre conseguenze di varia natura (per esempio termica, chimica, ecc.) sul corpo umano. Un’altra proprietà molto importante del campo elettromagnetico è che, salvo casi estremamente particolari e non significativi in questo contesto, il campo elettrico ed il campo magnetico esistono sempre contemporaneamente (questa è la ragione per cui si parla di campi elettromagnetici): ha poco senso parlare unicamente di campo elettrico o di campo magnetico, perché sicuramente sono presenti entrambi, anche se in certe situazioni una componente può essere dominante rispetto all'altra.

Il campo elettromagnetico in generale ha un andamento di tipo oscillante nel tempo, cioè non rimane costante e da un istante all'altro cambia di valore. La durata di una delle oscillazioni si chiama periodo ed è un parametro fondamentale per la caratterizzazione del campo. Parallelamente la frequenza rappresenta il numero di volte che il periodo dell’oscillazione è contenuto all'interno di un secondo; la frequenza è espressa in Hertz, il cui numero rappresenta quanto rapidamente le oscillazioni avvengono nel tempo. Il campo, oltre che variare nel tempo, varia anche nello spazio; la variazione spaziale è definita da una grandezza che si chiama lunghezza d'onda che, analogamente a prima, è una indicazione di quanto è lungo il passo di una variazione completa. I due effetti, la variazione nel tempo e la variazione nello spazio, sono combinati, per cui sarebbe necessario un film per visualizzare il fenomeno; in assenza, l’immagine delle onde del mare, che è familiare a tutti, consente di immaginare l'evoluzione del campo elettromagnetico nell'ambiente. La lunghezza d'onda (variazione nello spazio) e la frequenza (legata alla variazione nel tempo) sono collegate tra di loro attraverso la velocità della luce.

Relazione frequenza-lunghezza d’onda:  l = c/f

(c = 300 000 km/s, velocità della luce)

Questa tabella riporta frequenze e lunghezze d’onda corrispondenti e ci permette alcune considerazioni piuttosto interessanti: iniziando dalle bassissime frequenze troviamo la trasmissione dell'energia elettrica che è effettuata a 50 Hz, perciò in tutte le prese di tutte le case abbiamo 50 oscillazioni al secondo. A queste oscillazioni corrisponde una lunghezza d'onda di 6000 chilometri (per dare un'idea, 6000 km è la larghezza dell'Oceano Atlantico dalla costa europea alla costa degli Stati Uniti), perciò una persona non può mai osservare un’intera onda. Aumentando la frequenza, troviamo le emissioni delle radio in modulazione di ampiezza che hanno una variazione spaziale dell'ordine dei 300 metri, ancora molto ampia rispetto alla dimensione tipica di una persona. Se però cominciamo a considerare la trasmissione delle radio in modulazione di frequenza, quelle che si ascoltano normalmente, siamo sull'ordine di una lunghezza d'onda di 3 metri; che è il doppio dell'altezza di una persona: perciò si ha uno sviluppo completo dell'onda in una dimensione che è molto prossima a quella della dimensione della persona. Se andiamo ancora più su e consideriamo la trasmissione televisiva, troviamo lunghezze d'onda dell'ordine di una sessantina di centimetri, che è una parte della dimensione di una persona (per esempio la dimensione di una gamba o di un braccio). Ancora più in alto, la telefonia cellulare si situa a frequenze intorno al gigaHertz ed ha una lunghezza d'onda che è dell'ordine dei 30 centimetri, grosso modo la dimensione di un avambraccio. Questi confronti fra la lunghezza d’onda e le dimensioni tipiche di una persona sono rilevanti ai fini dell’interazione del campo elettromagnetico, come vedremo più avanti.

La teoria ci insegna anche che, se ci si mette lontano dalla sorgente, si è in presenza di onde completamente sviluppate; in tali condizioni si parla di onda piana, che significa sostanzialmente che campo elettrico e campo magnetico sono in relazione molto precisa fra di loro e che esiste una ben precisa direzione in cui si propaga l’energia dell'onda; inoltre allontanandosi dalla sorgente, il campo elettrico e magnetico decrescono in modo inversamente proporzionale alla distanza e la potenza decresce ancora più rapidamente; questo vuole dire che, considerando un'antenna trasmittente, l'energia che interessa una persona ad una certa distanza sarà molto minore di quella che è irradiata dall'antenna; quindi il dato della potenza dell'antenna è un elemento che deve essere elaborato prima di avere un significato per valutazioni di sicurezza, come elemento di confronto. La realtà è molto più complicata in vicinanza della sorgente, e la situazione di vicinanza della sorgente avviene in quei casi in cui l'onda non è ancora completamente sviluppata, quindi per tutte le applicazioni relative alla distribuzione dell'energia elettrica (si ricordi che a 50 Hz la lunghezza d’onda è di 6000 km e perciò bisognerebbe stare a distanze ancora maggiori per poter osservare un’onda piana). In condizioni di vicinanza alla sorgente, il campo elettrico e il campo magnetico sono legati tra di loro in modo molto complicato e difficile da descrivere e c'è una forte interazione con gli oggetti circostanti; questo è un altro aspetto importante, poiché la presenza di oggetti nella vicinanza della sorgente può deformare la distribuzione del campo e quindi dar luogo ad una distribuzione che è completamente diversa da quella attesa.

Lo spettro elettromagnetico raccoglie tutte le frequenze che possano essere presenti nell’ambiente e va dalle frequenze bassissime, che abbiamo detto essere utilizzate per la distribuzione dell'energia elettrica, mano a mano salendo fino alla luce visibile e oltre. Nelle zone intermedie dello spettro sono per esempio da segnalare la radiodiffusione in modulazione di frequenza, la distribuzione televisiva terrestre, la telefonia mobile e poi le cosiddette microonde dove si situano le comunicazioni satellitari. Infine, a frequenze elevatissime (per esempio oltre i 300 gigaHertz, che vuole dire 300 miliardi di oscillazioni al secondo) troviamo fenomeni noti come gli infrarossi, che danno la sensazione di calore, il visibile, che è la banda dove gli occhi sono sensibili, e poi ancora l'ultravioletto e i raggi X. Tutti questi fenomeni, come l'infrarosso, il visibile, l'ultravioletto, sono fenomeni elettromagnetici allo stesso modo come è un fenomeno elettromagnetico la trasmissione radiofonica o televisiva.

C'è però una cosa fondamentale da tenere in conto: associata a queste onde elettromagnetiche è presente una certa energia, e solo quando le frequenze sono estremamente elevate essa è tale da essere ionizzante, cioè da poter creare dei fenomeni a livello cellulare, come rompere i legami a livello atomico o molecolare; si parla così di radiazioni ionizzanti. La pericolosità di queste radiazioni è nota da molto tempo e una specifica normativa è in vigore per proteggere chi si viene a trovare a contatto con queste radiazioni; la ‘dose’, cioè l’accumulo dovuto ad un’esposizione prolungata nel tempo, è l’elemento da monitorare (come sanno, per esempio, le persone che lavorano nei reparti di radiologia che portano addosso una piastrina che registra l'esposizione a questo tipo di radiazione). I campi elettromagnetici impiegati nel trasporto dell’energia elettrica e nelle telecomunicazioni hanno un’energia associata decisamente più modesta e fortunatamente non sono in grado di ionizzare le molecole; perciò l’unico possibile effetto è temporaneo e legato alla presenza del campo e cessa quando il trasmettitore viene spento oppure il soggetto si allontana dalla zona in cui è presente il campo e l'effetto cessa senza nessun fenomeno di accumulo. L'effetto finora più acclarato dei campi elettromagnetici a livello molecolare è di indurre delle vibrazioni che, smorzandosi per attrito, producono del calore; un altro effetto di interazione è la creazione di correnti all'interno del corpo che possono interagire con le correnti fisiologiche (la trasmissione degli stimoli nervosi all'interno del corpo avviene attraverso degli impulsi di corrente comandati dal cervello). Altri fenomeni osservati sono le influenze dei fenomeni elettromagnetici sullo scambio ionico a livello della membrana cellulare. Tuttavia è necessario precisare che il capitolo degli effetti elettromagnetici è tutt’altro che assestato; è un settore dove si sta ancora studiando, dove molte esperienze sono state fatte però molto ancora non è chiaro o non è stato spiegato; spesso gli studi sono delle correlazioni fra la presenza del campo elettromagnetico e certi effetti che si sono visti su un certo campione di persone, ma quello che manca è una spiegazione del meccanismo che consenta di escludere che altri fattori esterni concomitanti abbiano inquinato la correlazione.

Ritornando a mettere a fuoco il fenomeno dell'interazione, specialmente alle radiofrequenze e microonde (cioè rispetto alle applicazioni di distribuzione dei segnali radiotelevisivi, della telefonia cellulare e del radar), si può affermare che il corpo umano è un isolante imperfetto, cioè permette il passaggio della corrente elettrica e del campo. Allora il campo elettromagnetico presente nell'ambiente, in presenza della persona umana, interagisce con la stessa e penetra all'interno del corpo. Alcuni dati interessanti sono presenti nella tabella seguente. A seconda delle frequenze, cioè a seconda della velocità delle oscillazioni, il campo può penetrare di più o di meno all'interno della persona. Si vede come ad 1 megaHertz, corrispondente alla radiodiffusione in modulazione di ampiezza, si ha una penetrazione dell'ordine dei 90 centimetri; grosso modo vuole dire che il corpo è trasparente, poiché la penetrazione è pari alla dimensione del corpo; ma aumentando la frequenza a 100 MHz (radiodiffusione in modulazione di frequenza) la penetrazione si riduce a 8 cm, molto meno della dimensione di una persona, quindi il campo penetra solo parzialmente all'interno della persona e si ferma nello strato superficiale. Salendo alla frequenza di 915 MHz (frequenza tipica di una classe di telefoni cellulari), si trova una penetrazione dell'ordine di 3 cm, limitata alla superficie del corpo; quindi nelle zone molto interne del corpo il campo non è presente perché esso è stato in qualche modo tutto raccolto dagli strati superficiali.

Il campo elettromagnetico penetra all’interno del corpo umano attenuandosi.

La profondità di penetrazione dipende da 1/(frequenza)

Inoltre l'assorbimento del campo elettromagnetico da parte di una persona è dipendente anche dall’altezza della persona, perché la persona si comporta grosso modo come un’antenna e quindi nell'intorno dei 70 MHz esiste un picco a cui il corpo è più recettivo rispetto alle altre frequenze (Fig. 1). Il tasso di assorbimento specifico (Specific Absorption Rate, SAR), che rappresenta la potenza che viene assorbita dal corpo per unità di massa del corpo, dà una misura di quanta energia un corpo incameri quando soggetto ad un’irradiazione elettromagnetica. L’energia assorbita viene convertita sostanzialmente in calore e quindi, come conseguenza ultima, si ha un aumento della temperatura dei tessuti che sono stati soggetti a questa energia. Fortunatamente però il nostro corpo ha un suo meccanismo interno di dissipazione del calore; infatti il corpo usa il sangue come fluido di raffreddamento (come il fluido che hanno le automobili per raffreddare il motore): il nostro corpo regola la circolazione del sangue in mondo da attenuare l'aumento di calore che in certe zone è apportato a seguito dell'interazione del campo elettromagnetico.

Alle basse frequenze (tipicamente 50 Hz) il meccanismo è un po’ più complesso, perché non siamo mai lontani dalla sorgente e perciò neppure in presenza di un’onda non completamente sviluppata; in tali condizioni, il corpo è visto sostanzialmente come se fosse un oggetto metallico per quello che riguarda il campo elettrico, quindi il corpo è piuttosto impermeabile al campo elettrico. Invece il corpo è decisamente penetrabile dal campo magnetico, e quindi la componente magnetica entra facilmente all'interno del corpo, mentre il campo elettrico viene tenuto fuori. La presenza del campo magnetico all'interno del nostro corpo può indurre delle correnti localizzate all'interno del corpo che possono, a certi livelli, interagire con le correnti di stimolazione nervosa che sono presenti all'interno del corpo stesso. Inoltre altri studi propongono che queste oscillazioni relativamente lente del campo elettrico (50 al secondo) possano interagire anche sullo scambio a livello cellulare dei diversi elementi che sono sensibili al campo elettrico.

Dalla conoscenza dei fenomeni d’interazione e dagli studi sugli effetti biologici, su cui ho sorvolato perché non è di mia competenza, nascono delle normative con l'idea di mettere dei limiti ai campi a cui siamo esposti. I livelli che sono imposti dalla normativa si riferiscono sempre a campi elettromagnetici ambientali senza la presenza dell'uomo; è chiaro che, quando si eseguono le misure di verifica, esiste l’effetto perturbatore dell’operatore e della sonda di misura, ma ciò si sa valutare e non costituisce un problema. I livelli di sicurezza che vengono imposti dalla normativa rappresentano un limite molto inferiore rispetto a quello che si ritiene, sulla base delle conoscenze scientifiche del momento, sia la causa di effetti potenzialmente pericolosi. Naturalmente, l'incertezza sulla conoscenza dei meccanismi di interazione mette dei vincoli sulla validità delle normative in vigore, o comunque dice semplicemente che sono normative temporanee, cioè che valgono per quello che è lo stato della conoscenza al momento e, se la conoscenza evolve, ovviamente la normativa si adatterà. La base razionale su cui sono impostate le normative è diversa a seconda che si tratti di alte o basse frequenze (cioè, per intenderci, per applicazioni ai cellulari o agli elettrodotti). Per le alte frequenze i limiti sono legati alla possibilità di riscaldamento e il livello imposto risulta molto basso (di un fattore 10, che è il tipico margine di sicurezza usato dagli ingegneri per cautelarsi) rispetto a quello che è in grado di generare l’innalzamento di un grado della temperatura dei tessuti. La variazione di un grado della temperatura del corpo non costituisce un problema, poic