Misurare l’esposizione al campo di un telefonino

Nella comunicazione wireless, il cosiddetto campo lontano è la parte dell’onda radio utilizzata per il trasferimento di informazioni: trasporta il segnale e si propaga alla velocità della luce. Per quanto riguarda l’esposizione umana ai campi elettromagnetici dei telefoni cellulari, il campo vicino è più importante. Anche se diverso nelle caratteristiche, il campo lontano è strettamente associato al campo vicino. Qualsiasi cambiamento nel campo vicino può influire sul campo lontano.

Tuttavia, la maggior parte dei misuratori di campi elettromagnetici non sono in grado di funzionare in modo affidabile nel “campo vicino”, ovvero troppo vicino alla sorgente da misurare. Per le fonti di microonde come i telefoni cellulari, le letture prese a meno di 5 cm di distanza saranno, in genere, relativamente poco accurate. La misurazione del campo vicino risulta essere molto complicata perché, quando una sonda esterna viene posizionata nella regione del campo vicino, la sonda stessa interagisce con l’antenna del dispositivo sottoposto a test e cambia il modello di campo iniziale.

 I tre tipi di campo in prossimità di una sorgente RF: campo vicino, quasi-vicino e lontano.

La misurazione esatta del campo vicino richiede rivelatori progettati appositamente per questo scopo. Ecco perché gli specialisti di solito non raccomandano l’uso di normali misuratori RF portatili – ad es. quello usato per le stazioni radio base – per misurare il campo vicino di un telefono cellulare: perché un normale misuratore RF interferisce con l’antenna del telefono e cambia un po’ il campo elettrico che tenta di misurare. Questi misuratori RF portatili sono infatti destinati alla misurazione del campo lontano, cosa che possono fare molto bene.

Quando usi il tuo cellulare, il tuo corpo si trova spesso immerso nel campo vicino dell’antenna del telefono cellulare. I telefoni cellulari utilizzano un’ampia gamma di bande di frequenza da 700 MHz a fino a 2,5 GHz. Il campo vicino si estende fino a circa 40 cm a 700 MHz ed a 12 cm a 2,5 GHz. Nel campo vicino, l’intensità del campo elettromagnetico può aumentare drasticamente con solo un piccolo movimento aggiuntivo verso l’antenna, per cui puoi essere esposto a radiazioni molto intense senza che tu neanche te ne accorga.

Il campo elettrico misurato vicino a uno smartphone operante sulla rete 4G a una certa distanza dalla relativa stazione radio base: è di quasi 6 V/m.

Le attuali linee guida FCC statunitensi consentono a un telefonino di essere testato fino a 25 mm di distanza dal corpo dell’utente. L’iPhone 6, ad esempio, è stato testato a 5 mm di distanza dal corpo. Di conseguenza, quando porti il telefono cellulare direttamente a contatto con il tuo corpo (ad esempio nella tasca), potresti essere esposto a livelli di radiazioni che superano il SAR pubblicato del dispositivo e persino il limite di sicurezza attuale previsto dalle normative americane o europee.

Valutazione professionale dell’esposizione: il SAR

Il SAR (acronimo di Specific Absorption Rate) è il cosiddetto “tasso di assorbimento specifico”, ed esprime la misura della percentuale di energia elettromagnetica assorbita dal corpo umano quando questo viene esposto all’azione di un campo elettromagnetico a radiofrequenza (RF). Più specificamente, il SAR è definito come la quantità di energia elettromagnetica che viene assorbita nell’unità di tempo da un elemento di massa unitaria di un sistema biologico, per cui la sua unità di misura è W/kg.

Come è noto, infatti, per la protezione del pubblico e dei lavoratori da possibili effetti acuti dei campi elettromagnetici a radiofrequenza sono stati stabiliti a livello internazionale dei limiti di esposizione tali da limitare l’aumento stabile della temperatura corporea indotto (il cosiddetto “effetto termico”) ben al di sotto di 1°C (per l’esattezza a max 0,4 °C), una variazione inferiore a quelle associate ai normali processi fisiologici e quindi tollerabile dall’organismo anche per tempi prolungati.

In pratica, i livelli dei campi a radiofrequenza ai quali la popolazione è normalmente esposta sono di gran lunga inferiori a quelli richiesti per produrre un riscaldamento significativo, eccetto che nel caso dei telefoni cellulari, con particolare riguardo alla testa. Esiste perciò un limite che è stato posto sulla quantità massima di energia elettromagnetica che può essere assorbita dalla testa (il SAR) durante una telefonata: in Europa, tale limite è di 2 W/kg, mediato su 10 grammi di tessuto in un periodo di 6 minuti (cioè come se la telefonata durasse solo 6 minuti).

Il SAR è usato come indicatore primario dell’energia a radiofrequenza (RF) assorbita nel corpo quando si quantificano gli effetti biologici e quindi si definiscono limiti di esposizione di base. A frequenze comprese tra 100 kHz e 10 GHz, i limiti SAR hanno la precedenza rispetto ai limiti di legge sull’intensità del campo elettrico e sulla densità di potenza e non devono essere superati. Durante l’esecuzione della valutazione della conformità di un dispositivo emittente radiofrequenze, il SAR dovrebbe essere determinato per i casi in cui le esposizioni hanno luogo a distanza di 20 cm o inferiore dalla sorgente.

L’invenzione dell’unità di misura SAR permette di “aggirare” il problema degli elevati valori del campo elettrico prodotto da un telefonino.

Misurare la dose assorbita da un organismo (SAR) è molto difficile e comunque non si può fare “in vivo”. Per le condizioni in cui la determinazione del SAR non è pratica, deve essere eseguita la misurazione dell’intensità del campo elettrico o la misurazione della densità di potenza all’esterno del corpo. La misurazione del campo elettrico interno al corpo, infatti, è correlata a quella del SAR, poiché il SAR si può determinare con buona precisione misurando con opportuni strumenti il campo elettrico (in V/m) o l’intensità dell’onda (espressa in W/m2) che arriva nel corpo in esame. A sua volta, il campo elettrico interno al corpo è correlato a quello esterno al corpo, cioè più vicino alla sorgente.

Tuttavia, il campo elettrico all’interno di un corpo umano, e quindi il SAR, non sono legati al campo elettrico esterno in modo semplice come si potrebbe pensare. La determinazione del SAR per l’esposizione in campo vicino degli esseri umani, infatti, è difficile e può essere eseguita solo con simulazioni tramite modelli numerici del corpo umano in condizioni di laboratorio. Per essere validi, questi modelli devono essere affidabili e ragionevolmente precisi. Ciò ha portato allo sviluppo di vari metodi numerici e di uno strumento software per l’analisi della SAR nella testa umana da vari telefoni cellulari.

Questi tool numerici permettono la modellazione dettagliata di disomogeneità umane anatomicamente rilevanti, come quelle nella testa, che sono difficili da modellare sperimentalmente. Il software per il calcolo numerico del SAR locale e regionale è disponibile in commercio. I metodi di misurazione per la determinazione del SAR sono stati sviluppati negli animali da esperimento e nei modelli realizzati in materiale sintetico equivalente ai tessuti. Tali modelli sono indicati in gergo come “fantocci”, ed i moderni sono in gel semisolido che simula materiale organico con un’elevata percentuale di acqua.

I metodi di misurazione vengono utilizzati per verificare l’accuratezza dei calcoli numerici. Esistono, fondamentalmente, due metodi di base per la misurazione del SAR. Uno è quello di utilizzare una sonda di temperatura per misurare il cambiamento di temperatura causato dal calore prodotto dall’energia a radiofrequenza (RF) assorbita e quindi calcolare il SAR dalla formula seguente, dove “ΔT” è l’aumento della temperatura (in °C) nell’intervallo di tempo “Δt” (in secondi) e “c” è la cosiddetta “capacità termica specifica” del tessuto (o materiale fantoccio), espressa in J/kg K:

I calcoli del SAR dall’aumento di temperatura si possono fare solo se l’aumento della temperatura è lineare nel tempo. Questo metodo, dunque, è appropriato per la misurazione del SAR locale quando i livelli di esposizione (campi irradianti) sono abbastanza intensi, così che il trasferimento del calore all’interno e fuori dal corpo non influenza l’aumento della temperatura. Il secondo metodo di base per la determinazione del SAR è misurare il campo elettrico all’interno del corpo con delle opportune sonde di campo elettrico impiantabili e quindi calcolare il SAR utilizzando la formula seguente:

dove “σ” è la conducibilità elettrica del tessuto (S/m), “E” è la forza efficace del campo elettrico indotta nel tessuto (V/m) e “ρ” è la densità di massa (kg/m3). Questo metodo è adatto solo per misurare il SAR in specifici punti nel corpo e per bassi valori di SAR, per i quali l’energia assorbita è insufficiente a causare un cambiamento di temperatura rilevabile. La strumentazione per questo tipo di metodo di misurazione del SAR di solito include una sonda di campo elettrico impiantabile, un fantoccio e un sistema computerizzato per il posizionamento della sonda. Questa strumentazione è stata recentemente commercializzata ed è usata per testare trasmettitori portatili per la valutazione della conformità.

Come misurare il campo di un telefono cellulare

In conclusione, i limiti di esposizione al campo di un telefono cellulare per prevenire effetti sulla salute sono stati ricavati dal livello di riscaldamento o dall’intensità del campo elettrico generato all’interno del corpo dai campi elettromagnetici (limiti di base). Poiché questi due parametri non sono facilmente misurabili, da questi limite di base sono stati derivati dei livelli di riferimento in termini di intensità dei campi elettromagnetici all’esterno del corpo. Quando vengono superati i livelli di riferimento esterni al corpo, è necessaria una valutazione più dettagliata per determinare se i limiti di base vengono superati.

Le diverse metodologie alternative per la stima dell’esposizione al campo di un telefonino stabilite dallo standard EN50383. (fonte: De Oliveira, 2015)

Dunque, la sola misurazione del campo elettrico può essere usata al posto della SAR per un facile controllo dell’esposizione locale alle radiazioni di un telefono cellulare a tutte le distanze, anche se ciò tende a sovrastimare leggermente l’esposizione se si confronta il picco locale del campo elettrico con i limiti di legge previsti per le sorgenti fisse (6 V/m), cioè questo limite può essere raggiunto prima del limite SAR. Inoltre, la potenza del segnale emesso da un telefonino varia molto da una zona all’altra del territorio, e dunque una misura del suo campo elettrico ottenuta a casa propria vale solo localmente nel tempo e nello spazio, e potrà essere molto diversa da quella ottenibile ad es. a casa di altri o all’aperto.

Infatti, il telefono cellulare ha una relazione altamente dinamica con la stazione radio base: se quest’ultima “sente” un segnale debole dal telefonino, istruisce il dispositivo in questione ad aumentare la potenza di trasmissione. Pertanto, una maggiore distanza della più vicina stazione radio base, la presenza di ostacoli frapposti – e soprattutto di un prodotto schermante (ad es. un foglio metallico) – sono tutte cose che forzeranno il telefonino a trasmettere con una potenza superiore a quella a cui altrimenti trasmetterebbe, il che non solo scarica la batteria più velocemente, ma comporta una maggiore esposizione per gli utenti.

Di conseguenza, il modo corretto per misurare il campo di un telefono cellulare è quello di porre il telefonino a (almeno) 4 cm di distanza dalla sonda dello strumento di misura del campo elettrico, che può essere ad es. un misuratore RF a larga banda come il PCE-EM 29, prodotto dall’omonima e affidabilissima casa tedesca, la PCE. Si tratta di un apparecchio a larga banda, del costo di circa 200 euro, in grado di misurare i campi elettromagnetici a radiofrequenza nell’intervallo 100 MHz-3,5 GHz, grazie al suo sensore di campi elettrici isotropico (che permette misurazioni su tre assi insieme o uno alla volta).

Quando si effettua la misurazione del campo elettrico prodotto da un cellulare in chiamata è sempre bene misurare la distanza fra misuratore RF e telefonino. In questo caso lo smartphone non è in chiamata, per cui il campo è il fondo: 10 mV/m.

Di solito, un cellulare o un smartphone acceso non emettono radiazioni finché non scambiano dati o effettuano / ricevono chiamate. Pertanto, per misurarne il campo elettrico, dovete effettuare una chiamata (anche solo facendo squillare un altro telefono). Il valore istantaneo ottenuto quando si misura così il campo di un telefonino è rapidamente fluttuante, per cui può essere opportuno attivare la funzione “media” (average) per avere il valor medio su un certo periodo. Prenderemo quindi nota anche di tale valore, in modo da poterlo facilmente poi confrontare con altre misurazioni relative allo stesso telefonino o ad altri.

Le misurazioni vanno fatte poggiando il telefonino e il misuratore su una superficie in materiale non conduttore (ad es. un tavolo di legno o per terra), e dopo aver misurato il livello di fondo del campo nello stesso punto della stanza con tutti gli altri cellulari (e il Wi-Fi) di casa spenti, in modo da avere un primo livello di riferimento con cui confrontare il risultato delle misurazioni successive. Ovviamente, il livello di fondo andrà misurato (e annotato) ogni volta che eseguiamo la misurazione del campo di un telefono cellulare, assicurandosi che la sonda abbia la medesima orientazione in entrambe le misurazioni.

I valori di emissione del campo elettrico di un telefonino dipendono da numerosi fattori, come ad esempio – a parità di altri – la sua generazione: storicamente, infatti, si è passati dai cellulari analogici E-TACS (400 MHz, I generazione, o 1G) ai cellulari digitali GSM (900 MHz) e DCS (1800 MHz) di II generazione (o 2G), ai digitali UMTS (2100 MHz) di III generazione (o 3G), fino ai moderni cellulari digitali LTE (800 MHz, 1800 MHz, 2100 MHz, 2600 MHz) di IV generazione (o 4G), e oggi siamo addirittura al 4,5G (1500 MHz).

Simulazione del campo elettrico di un telefonino alla varie distanze dalla testa al variare della banda di frequenza di emissione usata dall’apparecchio. Si noti come quadruplichi alle frequenze più alte a 10-25 mm. (fonte: De Oliveira, 2015)

Il limite di legge in Italia per le radiofrequenze (6 V/m) trova applicazione per tutte le sorgenti fisse (ad es. le stazioni radio-base della telefonia, le emittenti radio e TV, etc.) ma non nel caso dei telefonini (evidentemente, in quanto “mobili”). Giusto a titolo di esempio, un vecchio cellulare GSM operante su rete 2G alla potenza di 1 W crea un campo di circa 6 V/m già a un metro di distanza e di circa 60 V/m a 10 cm (v. figura). I moderni smartphone 4G di solito emettono molto meno: circa 1-5 V/m a 10 cm di distanza se il “segnale di campo” è buono/medio. I vecchi telefonini che usano il 2G sono noti per comunicare a piena potenza quando si collegano a un numero, perciò un modello vecchio – o magari uno più nuovo ma con pochissimo “campo” – sarebbe facilmente “fuori legge” se gli si applicasse tale normativa.

Il campo vicino a un telefonino GSM (su rete 2G): quasi 50 V/m!

Una stazione radio base della telefonia mobile, come detto, può avere una potenza irradiata dell’ordine di 1-100 W; un comune telefono cellulare, invece, dell’ordine di 1-2 W. Perciò, in campo aperto, avvicinandovi all’antenna della stazione radio base, vi sarà una distanza alla quale il campo elettrico tipico emesso dal vostro telefonino sarà superato da quello dell’antenna della stazione radio base, con la differenza che la stazione emette h24, il vostro cellulare no! Potete determinare in modo molto semplice, con un misuratore RF, qual è questa distanza nel caso del vostro telefonino e della stazione radio base a voi più vicina.

È poi interessante vedere cosa succede quando utilizziamo il cellulare in macchina, durante un viaggio. Nel servizio “Onda su onda” della trasmissione Report andato in onda su Rai 3 il 27 novembre 2018, è stato fatto vedere che, paradossalmente, c’è più impatto (ovvero campo elettrico prodotto) quando il telefonino è spento ma si passa in zone che sono particolarmente inquinate dal punto di vista dell’elettrosmog (stazioni radio base, emittenti radiofoniche o televisive, etc.). Una cena a casa tra amici con quattro telefonini in funzione si rivela poi una sorpresa negativa, con un picco di esposizione di ben 13,6 V/m!

Misurazioni mostrate dalla trasmissione Report di Rai 3, fatte muovendosi in auto con un misuratore portatile professionale PMM 8053. Il campo elettrico è dominato dalle sorgenti esterne (in particolare dalle stazioni radio base della telefonia).

E poi ci sono i mezzi di trasporto pubblici, quelli che prendiamo ogni giorno per andare a scuola o a lavoro e in cui trascorriamo tutto il tempo attaccati al cellulare o al tablet, connessi al computer con il Wi-Fi di bordo. Nella stessa trasmissione, Fiorenzo Marinelli spiega che, eseguendo misurazioni insieme al ricercatore dell’Inail Ivano Lonigro, ha trovato in metropolitana “un massimo di 2,2 V/m”, mentre facendo il percorso da Bologna a Roma (verosimilmente con l’alta velocità, ndr) ha riscontrato anche “valori di oltre 100 V/m emessi dai telefonini, ciò a causa dell’ambiente metallico chiuso in cui le onde fanno fatica a uscire”.

Abbiamo eseguito anche noi delle misurazioni spot del campo elettrico a radiofrequenza su treni regionali e interregionali italiani (alimentati, a differenza dell’alta velocità, da linee in corrente continua a 3 kV) e, con un misuratore PCE-EM 29, esso risulta variabile – lungo il tragitto – tipicamente fra 0,5 e 3 V/m, con valori più frequenti intorno a 1-1,5 V/m quando c’è almeno una persona con uno smartphone acceso nel raggio di qualche metro da noi, e con i valori massimi (alcuni V/m) che vengono toccati quando quasi tutti i posti sono occupati e più persone vicino a noi usano lo smartphone per traffico dati e/o per chiamate in voce.

Misurazione del campo elettrico fatta con uno strumento professionale in prossimità di una nota stazione della metropolitana di Roma. (fonte: Report, Rai 3)

Infine, vogliamo riferire delle nostre misurazioni effettuate nel dicembre 2018, in un normale appartamento sito nel centro di una grande città italiana non coinvolta nella sperimentazione del 5G, su una decina di smartphone di varie marche e modelli. Il campo elettrico misurato a 10 cm è stato, durante una telefonata, dell’ordine di 3-5 V/m (variabile da modello a modello ed a seconda della rete usata, 3G o 4G), mentre quello misurato nel resto del tempo con traffico dati attivato è risultato di appena la metà (ad es. ≈2 V/m se durante una telefonata era di ≈4 V/m). Ciò vuol dire che, se non si disattiva il traffico dati, si ha un’esposizione h24 rilevante anche se non si effettuano/ricevono chiamate. Disattivando il traffico dati (e il Wi-Fi) dai settaggi del telefonino, almeno questo problema – decisamente subdolo, se non si ha un misuratore RF – si risolve.

 

Riferimenti bibliografici

  1. De Oliveira, “Assessment of exposure for LTE mobile terminals in a heterogeneous usage”, Tesi di laurea, 2015, https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/281870113702162/Thesis_VascoOliveira_vFINAL.pdf
  2. “Guidelines for the Measurement of Radio Frequency Fields at Frequencies from 3 kHz to 300 GHz”, 2005, https://www.rfsafetysolutions.com/PDF%20Files/Canada’s%20Measurement%20Practices%20Guidelines.pdf
  3. Fazlul Hoque A.K.M. et al., “A study on specific absorption rate (SAR) due to non-ionizing radiation from wireless/telecommunication in Bangladesh”, American Journal of Physics and Applications, 2013, https://pdfs.semanticscholar.org/b793/879c900395d5800dc3719c5c1442da635bfd.pdf
  4. Carboni G., “Piccola guida ai campi elettromagnetici”, 2006, http://people.roma2.infn.it/~carboni/campi-EM/campi.html
  5. Toivonen T., “Specific absorption rate and electric field measurements in the near field of six mobile phone base station antennas”, Bioelectromagnetics, 2009, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19194889
  6. Ayinmode B.O., “Measurement and Method in Radiofrequency Radiation Exposure Assessments”, https://pdfs.semanticscholar.org/79fe/a2d6f661b5ec8e395fc0f1d9ba7f6b6a252f.pdf
  7. Magnetic Field Near a Cellular Telephone, https://hypertextbook.com/facts/2003/VietTran.shtml
  8. Qual è l’esposizione ai campi elettromagnetici dei cellulari?, ARPA Piemonte, http://www.arpa.piemonte.it/news/esposizione-ai-telefoni-cellulari

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