Źródła pola elektromagnetycznego
W naszym otoczeniu występują dwa rodzaje źródeł pola elektromagnetycznego: naturalne oraz sztuczne. Źródła naturalne to przede wszystkim Kosmos i Ziemia. Ale omawiając źródła PEM należy również rozróżnić dwa podstawowe zakresy: pole niejonizujące i pole jonizujące. Pomimo, że różnica między nimi polega głównie na częstotliwości to efekty oddziaływania na otoczenie, a szczególnie na organizmy żywe są diametralnie różne. Podstawowe właściwości opisane zostały w zakładce „Czym jest PEM”.
Naturalnymi źródłami PEM zakresu jonizującego są:
- Kosmos – promieniowanie kosmiczne reliktowe, pierwotne, gamma, strumienie cząstek wysokoenergetycznych, inne.
- Słońce – światło (pasmo nadfioletu), „wiatr słoneczny”
- złoża pierwiastków promieniotwórczych
Do sztucznych źródeł PEM tego zakresu zaliczyć można:
- generatory promieniowania rentgenowskiego
- sztucznie wytwarzane izotopy
- urządzenia medyczne wykorzystujące „bomby kobaltowe”
- lampy sterylizacyjne pracujące w paśmie nadfioletu
- reaktory atomowe – same są pomijającym źródłem promieniowania ale produkują odpady promieniotwórcze
- urządzenia do wykrywania mikrouszkodzeń w strukturach metalowych wykorzystujące izotopy
- próby nuklearne
Jako że głównie w naszym polu zainteresowania leży pole elektromagnetyczne zakresu niejonizującego w dalszej części szerzej rozwiniemy związaną z nim tematykę.
Naturalnymi źródłami PEM zakresu niejonizującego są przede wszystkim:
- Kosmos – źródło PEM o praktycznie całym zakresie częstotliwości
- wyładowania atmosferyczne
- Ziemia, a właściwie jej ruch obrotowy względem atmosfery i jonosfery (rezonans Schumanna)
- prądy i pływy morskie
Od powstania planety stanowią one tak zwane tło elektromagnetyczne Ziemi, w którym główną rolę odgrywają wyładowania atmosferyczne oraz cyklicznie powtarzające się (co 10 -12 lat) gwałtowne natężenia wiatru słonecznego.
Sztuczne źródła to przede wszystkim:
- sieci elektroenergetyczne
- instalacje i urządzenia elektryczne
- indukcyjne urządzenia przemysłowe
- nadajniki radiowo – telewizyjne
- nadajniki radiokomunikacyjne
- nadajniki telefonii komórkowych
- urządzenia sterowania bezprzewodowego (radiowego) i nadzoru
- aparatura medyczna (koagulatory, lancetrony, diatermie, itp.)
Pierwsze znaczące sztuczne źródła PEM zaczęto konstruować pod koniec XIX wieku. Rozwój energetyki zapoczątkowany wynalezieniem prądnicy zaowocował budową linii przemysłowych oraz maszyn elektrycznych. Wynalezienie radia (1895-1897 r.) spowodowało powstawanie coraz to nowszych stacji nadawczych, emitujących PEM z zakresu początkowo fal długich w paśmie dziesiątek i setek kHz (kiloherców – tysięcy Herców)) z coraz to większymi mocami. Stopniowo wdrażano również nadajniki pracujące na wyższych częstotliwościach – falach średnich i krótkich – te ostatnie były bardzo popularne zwłaszcza w latach 50 –tych. Lata 70-te XX wieku zaowocowały dynamicznym rozwojem telekomunikacji opartej na połączeniu radiowym – początkowo były to systemy radiotelefoniczne, które z biegiem czasu przekształciły się w systemy radiodostępowe, trunkingowe oraz sieci telefonii komórkowych. W chwili obecnej ilość użytkowników telefonów komórkowych na Ziemi przekroczyła dwa miliardy.
Zakres częstotliwości PEM można ze względu na ich wykorzystanie podzielić na pewne grupy. Pierwsza grupa to częstotliwości przemysłowe (50/60 Hz) wykorzystywane przez elektroenergetykę. Jest to, z racji powszechnego stosowania oraz występujących tam olbrzymich mocy, największe źródło PEM. W przypadku linii przemysłowych o wysokich napięciach (pow. 100 kV – tysięcy Voltów) są one traktowane jako źródła będące potencjalnym zagrożeniem dla środowiska i w zależności od ustawodawstwa obowiązującego w danym kraju najbliższe okolice takich linii traktowane są jako obszary o ograniczonej możliwości użytkowania lub nawet jako obszary całkowicie niedostępne np. dla budownictwa.
Następną grupą są urządzenia wykorzystujące częstotliwości rzędu kilku – kilkunastu kiloherców. Są to przede wszystkim zgrzewarki do tworzyw sztucznych oraz telewizory i monitory komputerów (starszego typu).
Pod względem emitowanej do otoczenia mocy największymi źródłami PEM z zakresu kilkunastu – kilkuset kHz są krótko, średnio i długofalowe stacje nadawcze. Przykładowo, długofalowa stacja nadawcza ma moc rzędu 500 – 700 kW (kilowatów – tysięcy Watów).
Najbardziej popularnymi nadajnikami są urządzenia pracujące w paśmie UKV/VHF. Nadajniki radiowe pracujące głównie w paśmie 88-108 MHz (milionów Herców) są najbardziej popularne na terenach zwłaszcza gęsto zaludnionych. Z racji właściwości propagacyjnych fal z tego zakresu zasięg takiej stacji nie przekracza 60 – 80 kilometrów, a stosowane nadajniki emitują moc rzędu 500 W – kilka kW. Zbliżona do radiowej gęstość występowania nadajników cechuje również sieci telewizyjne. Nadajniki czy też retransmitery pracują w pasmach 174 – 230 MHz oraz 470 – 862 MHz, a stosowane moce nadajników mieszczą się w przedziale od 1 kW do 40 kW.
Bardzo popularne jest również pasmo 27 MHz, zwane CB (Citizen Band – pasmo obywatelskie). Od początku lat 60-tych wykorzystywane było do łączności osobistej. Łączność ta była najbardziej znana w USA, gdzie wykorzystywali ją głównie kierowcy ciężarówek i osoby związane z transportem kołowym. Każdy mógł komunikować się z wykorzystaniem tego zakresu częstotliwości pod warunkiem użytkowania legalnie zakupionego urządzenia nadawczo-odbiorczego. Moce emitowane przez tego typu urządzenia to 4 -10 Watów. Czasami sięgają poziomu 200 W, jako niezbyt legalnie stosowane „dopalacze”. Obecnie w Polsce to jedna z najpopularniejszych form łączności wśród kierowców – ilość użytkowników szacuje się na kilkadziesiąt tysięcy.
W radiokomunikacji amatorskiej do realizacji prywatnych połączeń przeznaczone są pasma 3,5, 7, 11, 14, 28 MHz oraz pasma 144 – 146 i 430 – 440 MHz. Stosowane moce nadajników, wyrażane jako moc doprowadzone do anteny, wynoszą od 50 W do 500 W (oficjalnie – poziom mocy wykorzystywanego nadajnika zależny jest od posiadanej licencji).
Od początku lat 80-tych najbardziej masowo rozwijał się rynek użytkowników pasma 400 ÷ 500 MHz, czyli analogowej telefonii komórkowej.
W skali średniej wielkości kraju użytkowników takich telefonów, emitujących moce od 4 do 7 W było 200-500 tys., a ilość stacji bazowych, pracujących z mocą do 320 W nie przekraczała tysiąca. Lecz dopiero lata 90-te zaowocowały dużym wzrostem popularności telefonii komórkowej. Stało się to za sprawą wdrożenia nowoczesnego systemu telefonii komórkowej GSM (Globar System for Mobile Communications – globalny system dla komunikacji ruchomej) opartej o zaawansowane technologie cyfrowe. System ten wykorzystuje pasma 800/900 i 1800/1900 MHz. W chwili obecnej na wszystkich kontynentach Ziemi jest ponad dwa miliardy użytkowników sieci cyfrowych telefonii komórkowych, do których oprócz najbardziej popularnej – GSM, zalicza się również amerykański system IS-54 (Digital AMPS), IS-95 (oparty na CDMA) oraz japoński JDC. Z racji zastosowania technologii cyfrowych powstały pewne zależności czasowe, ograniczające w przypadku GSM zasięg stacji praktycznie do 35 km. W rzeczywistości stacje bazowe, będące pośrednikiem pomiędzy abonentem a siecią, budowane są zależnie od ukształtowania terenu oraz gęstości zaludnienia. W miastach takie stacje budowane są średnio co 1 km. Rozwój najnowszej technologii – UMTS (Universal Mobile Telecommunications System – uniwersalny system telekomunikacji ruchomej) – będzie zmuszał operatorów do nawet gęściejszego lokalizowania stacji bazowych (tak zwanych nodów) – na obszarach zabudowanych o dużej ilości abonentów nawet co 500 m.
Moce terminali (telefonów) są ograniczone normami ETSI i wynoszą max 2 W dla pasma 900 MHz i 1 W dla 1800 MHz.
Moce emitowane przez stacje bazowe są rzędu kilku – kilkudziesięciu Watów. Nominalne moce nadajników sięgają 45 W, lecz straty występujące w torze antenowym powodują, że do anteny dostarczana jest moc zawsze mniejsza od nominalnej (w praktyce straty mogą sięgnąć 50 – 80 % co oznacza, że do anteny jest doprowadzana moc rzędu kilku – kilkunastu Watów). W średniej wielkości kraju europejskim takim jak Polska do obsługi abonentów niezbędne jest kilkanaście – kilkadziesiąt tysięcy stacji bazowych (zależy to od ilości operatorów i popularności telefonii komórkowej). Jak widać jest to niebagatelna ilość źródeł PEM, emitujących energię bezpośrednio z anten. Mimo dużej ilości źródeł energia emitowana nie jest dominująca, ponieważ system GSM posiada pewne mechanizmy, do minimum redukujące emitowaną moc. Generalnie, polega to na takim automatycznym dobieraniu poziomu sygnału emitowanego przez stację bazową jak i terminal, aby dla tego minimalnego poziomu utrzymać dobrą jakość połączenia. Innym mechanizmem jest wyłączanie emisji w trakcie słuchania – energia emitowana jest przez antenę tylko w czasie mówienia do aparatu.
Częstotliwości wyższe, czyli zakresu mikrofalowego, (w praktyce od kilku, kilkunastu GHz do około 300 GHz), wykorzystywane są głównie w teletransmisji. Takie urządzenia, zwane radioliniami, generują stosunkowo niskie moce, rzędu od kilkuset miliwatów (tysięcznych części Wata) do kilkudziesięciu Watów. Z racji tego, że emitowane PEM kształtowane jest za pomocą anten parabolicznych w bardzo wąską wiązkę o szerokości rzędu pojedynczych stopni, udział tych częstotliwości w ogólnym bilansie istniejących źródeł jest znikomy.
Innym, chociaż mniej popularnym źródłem mikrofal są stacje radiolokacyjne. Emitują one znaczne moce rzędu kilkuset kilowatów – kilkunastu megawatów w impulsie. Ich charakterystyka promieniowania jest taka, że energia jest wysyłana przez anteny kierunkowe obracające się (bądź nieruchome – ale z elektronicznie sterowaną wiązką).
Czasami wykorzystuje się określenie „tło elektromagnetyczne”. Rozumiemy przez to udział ilościowy poszczególnych źródeł PEM z uwzględnieniem całego pasma ograniczonego do zakresu pól niejonizujących.
Przykładowo w aglomeracjach miejskich, gdzie pracuje duża ilość stacji bazowych telefonii komórkowych ich udział w tle elektromagnetycznym będzie większy w godzinach szczytu w dzień, a wręcz znikomy w nocy. Taka sama zależność wystąpi dla sieci trunkingowych, czy też przykładowo sieci radiotaxi. Natomiast udział PEM emitowanych przez stacje radiowe i telewizyjne będzie praktycznie stały przez całą dobę (ciągłość nadawania).
Zróżnicowany poziom tła będzie występował przykładowo w okolicy pracy hutniczego pieca indukcyjnego (bardzo silna składowa magnetyczna 50 Hz) czy też w sali szpitalnej, w której stosuje się zabiegi diatermii ( urządzenia emitują energię PEM o mocach 600 – 1000 W o częstotliwości 27 lub 463 MHz). Zauważalny, zwłaszcza widmowo, (energetycznie jest pomijalny) jest też udział w tle elektromagnetycznym PEM emitowanych przez satelity telekomunikacyjne, radio- i telewizyjne oraz nawigacyjne. Pracują one najczęściej w paśmie mikrofalowym – rzędu dziesiątek GHz a energia docierająca na Ziemię jest rzędu mikrowatów/m² – co nie ma prawie żadnego znaczenia energetycznego dla tła.
Pole elektromagnetyczne towarzyszy nam wszędzie w każdej praktycznie dziedzinie życia. Nikt obecnie nie wyobraża sobie normalnego funkcjonowania bez prądu elektrycznego, radia, komputerów, Internetu czy też telefonu komórkowego. Postęp cywilizacyjny wymaga od nas pewnych wyrzeczeń natury np. estetycznej (słupy wysokiego napięcia czy też wieże telefonii komórkowej nie zdobią krajobrazu), ale tak jak z dróg – nie da się z nich już zrezygnować. Nie można również demonizować aspektu zdrowotnego wpływu na otoczenie takich instalacji. Wyniki długofalowych badań naukowych pozwalają tak konstruować i lokalizować źródła PEM, aby wyeliminować ich potencjalne oddziaływanie na otoczenie.