Interferenza
tra
Campi Elettromagnetici e Corpi Biologici


Ing. Stefano Longhi - Università di Ancona

Nelle moderne società tecnologiche tutti gli individui sono esposti con continuità, giorno dopo giorno, a un ampio spettro di Radiazioni Elettromagnetiche Non Ionizzanti (NIR, acronimo di Non Ionizing Radiation) di frequenza e intensità variabile.
Fatta eccezione per la regione spettrale corrispondente alla luce visibile, la cui presenza è rilevata da quel sensibilissimo organo provvisto di sintonia che è l'occhio umano, la presenza delle NIR non è di norma percepita dall'uomo perché:

• il nostro corpo non è provvisto di recettori o organi di senso specifici per le Radiofrequenze (RF) e le Microonde (MO);
• solitamente nell'ambiente l'intensità delle Radiofrequenze e/o delle Microonde è inferiore ai valori corrispondenti alla soglia di stimolazione delle strutture elettricamente eccitabili del corpo umano (tessuto nervoso e muscolare) o a quelli corrispondenti alla soglia di percezione del calore indotto dalla radiazione. Ambedue questi fenomeni, quando si verificano, possono rivelare indirettamente l'esposizione a dette radiazioni.

Allo scopo di dare i riferimenti necessari, si ricorda che con il termine Radiofrequenze e Microonde si intende la regione spettrale compresa fra 10kHz - 300MHz e 300MHz - 300GHz rispettivamente. Tutti gli effetti prodotti dalle Radio Frequenze e le Microonde sul corpo umano hanno alla base un denominatore comune, i meccanismi biofisici che descrivono l'interazione dei Campi Elettromagnetici con la materia biologica considerata nella sua complessità organizzativa, strutturale e funzionale, a livello microscopico e macroscopico. Detti meccanismi costituiscono insieme alla fisica dell'interazione ed ai risultati della ricerca biologica ed epidemiologica le basi scientifiche su cui si fonda la protezione dalle Radio Frequenze e dalle Microonde.
L'aumento del livello di Campo Elettromagnetico presente nell'ambiente, dovuto alla crescente diffusione di apparati e tecnologie a Radiofrequenze e a Microonde è tale da far pensare ad una nuova possibile forma di inquinamento: l'Inquinamento Elettromagnetico (Elettro-Smog).

Figura 1. variazione di livello di campo elettromagnetico, in un area urbana, negli anni

La Fig.1 illustra la variazione che il livello di campo elettromagnetico, presente in un'area urbana, ha subito negli anni. Il livello di inquinamento è espresso su basi statistiche in funzione dell'intensità del campo elettrico rivelato nell'arco degli anni, ed è proporzionale al prodotto dei seguenti fattori: (1) potenza media degli apparati radianti, (2) numero degli apparati e (3) densità della popolazione.

Siccome tutti e tre questi fattori stanno crescendo nel tempo e le previsioni dicono che continueranno a farlo in modo esponenziale, si deduce che con questa tendenza, nei prossimi anni l'inquinamento elettromagnetico salirà vertiginosamente. E' sorta allora la necessità di identificare chiaramente i possibili effetti che un tale inquinamento può produrre sui corpi biologici, ed eventualmente individuare un insieme di norme di sicurezza per la protezione delle persone fisiche. I limiti di esposizione alle microonde sono ancora oggi oggetto di discussione poiché non sono ancora ben definiti gli effetti biologici di questo tipo di radiazione che trova applicazioni sempre più estese in campi molto diversi. In questi ultimi anni, soprattutto nel nostro paese, gli effetti prodotti dai Campi Elettromagnetici sono stati sempre più spesso divisi in due distinte categorie: (1) gli effetti di tipo acuto o immediati; (2) gli effetti a lungo termine. Mentre è abbastanza chiaro cosa siano gli effetti appartenenti alla prima categoria non altrettanto si può affermare per i secondi anche se in ampi settori della nostra società essi vengono identificati quasi esclusivamente con il rischio cancerogeno. I possibili effetti dell'esposizione a lungo termine è, dal punto di vista scientifico, tuttora una questione aperta. La mancanza di adeguate prove biologiche ed epidemiologiche non consente di stabilire in maniera chiara e conclusiva una relazione causale tra nessun tipo di esposizione e nessuna forma di tumore.

Ogni attività umana comporta una dose di rischio. Il rischio non può essere separato dalla vita ed è un concetto che può essere difficilmente espresso in modo univoco. La percezione del rischio differisce largamente secondo le categorie di persone. In particolare, la percezione dei rischi connessi all'esposizione a campi elettromagnetici è molto diversa tra esperti e grande pubblico.Tra i fattori che potrebbero spiegare tali divergenze troviamo la possibile confusione tra radiazioni ionizzanti e non ionizzanti, la paura di effetti sulla salute dei bambini, la natura stessa dei campi elettromagnetici - che non possono essere percepiti a livello sensitivo - e la difficoltà di capire i meccanismi di interazione con il corpo umano.
La questione non può trovare sbocco negli ordinari modi di pensare che oscillano tra posizioni estreme di chi vorrebbe il silenzio elettromagnetico e chi ne vorrebbe fare un uso sfrenato. La riduzione del rischio deve essere un dato obbligatorio nella progettazione tecnologica, così come l'accettazione del rischio un dato della consapevolezza umana. Dobbiamo riflettere sulla questione in maniera sintetica e non analitica; trovare una formulazione complessa del problema che contenga sia i rischi che le opportunità di queste nuove tecnologia.

Schematizzazione del problema

Il problema degli effetti biologici generati dai campi elettromagnetici può essere schematizzato nel modo illustrato in Fig.2. La sorgente e il canale trasmissivo rappresentano rispettivamente l'apparato di emissione elettromagnetica e l'ambiente (terreno, pareti in cemento armato, aria ecc.), mentre il ricevitore rappresenta la struttura irradiata (animale, uomo e sue parti o altri corpi biologici).

Lo studio degli effetti prodotti dai campi elettromagnetici sui corpi biologici può essere affrontato seguendo i punti qui di seguito riportati:

1. Caratterizzazione del campo incidente:
   - campo vicino;
   - campo lontano;
   - polarizzazione (orizzontale, verticale ecc.);
   - presenza di ostacoli.
   
2. Stabilire dato un campo incidente, quanto ne penetra nel corpo umano (dosimetria):
   - metodi numerici;
   - metodi analitici;
   - fantoccio.
   
3. Effetti che un dato campo provoca sugli organismi biologici
4. Limiti di sicurezza e normativa.
   
   

Caratterizzazione del campo incidente

Le sorgenti elettromagnetiche possono essere distinte in due categorie, a seconda che l'inquinamento si avverta nelle immediate vicinanze o a grande distanza dalla sorgente. Tale distinzione è importante al fine di realizzare una opportuna caratterizzazione elettromagnetica della sorgente, individuarne le principali caratteristiche fisiche e i rispettivi parametri di emissione.

La Tabella 1 riporta le principali sorgenti di inquinamento suddivise in sorgenti vicine e lontane. In campo vicino sono evidenziate soprattutto le sorgenti di natura magnetica per la particolare applicazione che la radiofrequenza ha nel riscaldamento e nella fusione dei materiali. In fase di studio è allora possibile simulare le caratteristiche radioattive di queste sorgenti attraverso delle antenne a loop .

Per caratterizzare completamente il campo è necessario stabilire inoltre la polarizzazione dell'onda incidente. La polarizzazione fornisce il modo di variare del vettore campo elettrico e campo magnetico nel tempo, per un fissato punto dello spazio. A seconda della geometria, delle correnti e delle tensioni il grado di polarizzazione di un campo magnetico e di un campo elettrico in un dato punto può variare da lineare e circolare.

- Polarizzazione Lineare: nella quale il vettore campo elettrico e campo magnetico, nel punto in esame, varia nel tempo in ampiezza mantenendo costante la sua direzione. Si verifica quando le due componenti sinusoidali del campo sono in fase tra loro o comunque se gli andamenti temporali delle due componenti sono tra loro proporzionali.

- Polarizzazione Circolare: nella quale il vettore campo elettrico e campo magnetico, nel punto in esame, varia nel tempo la sua direzione mantenendo costante la sua ampiezza. L'estremità del vettore descrive una circonferenza con velocità angolare costante, corrispondente alla frequenza dell'onda, in senso orario (circolare destrorsa) o antiorario (circolare sinistrorsa). Si verifica quando le due componenti del campo sono di pari ampiezza e sfasate di +-90°.

- Polarizzazione ellittica: nella quale il vettore campo elettrico e campo magnetico, nel punto in esame, varia nel tempo la sua direzione e la sua ampiezza . L'estremità del vettore descrive un ellisse, con velocità angolare costante , corrispondente alla frequenza dell'onda, in senso orario (ellittica destrorsa) o antioraria (ellittica sinistrorsa). Si verifica nel caso più generale in cui le due componenti sinusoidali del campo non rispondono ai requisiti particolari necessari per polarizzazioni circolari e lineari.

Va tenuta inoltre in debita considerazione la presenza di eventuali ostacoli i cui effetti di riflessioni e difrazione possono influenzare il legame tra emissione, esposizione e dose di radiazione assorbita (Fig. 4).

Interazione tra campi Elettromagnetici e corpi biologici (dosimetria).

Quando un'onda elettromagnetica incide all'interfaccia tra due mezzi diversi viene in parte riflessa nel primo mezzo ed in parte trasmessa nel secondo. Una parte dell'onda riemerge nel primo mezzo (onda trasmessa), mentre una parte viene assorbita nel secondo mezzo. Quest'ultima si attenua per effetto della dissipazione con andamento esponenziale al crescere della distanza dall'interfaccia e la lunghezza d'onda e la velocità di propagazione si riducono per effetto della diversa costante dielettrica (Fig.5). Questo è anche quanto accade quando un campo elettromagnetico che si propaga in aria investe un corpo biologico. La modalità con cui la radiazione penetra all'interno del sistema (energia assorbita) dipende sia dai parametri dielettrici e geometrici del corpo stesso che dalle condizioni di incidenza. Si producono così situazioni molto diverse e difficilmente riconducibili ad un unico modello descrittivo.

La dosimetria a microonde è la determinazione della potenza assorbita e della sua distribuzione in un sistema biologico esposto ad un campo elettromagnetico alle frequenze radio e alle microonde.

La grandezza assunta a descrivere l'entità di questa interazione è il SAR (acronimo di Specific Absorption Rate) definito come la quantità di potenza elettromagnetica assorbita dall'unità di massa. La valutazione del SAR richiede quindi una misura o una stima del campo all'interno dell'oggetto esposto, che come innanzi detto non è affatto agevole e talvolta, specialmente nel caso degli esseri viventi, praticamente impossibile. La distribuzione del SAR nel corpo, inoltre, non è uniforme, si creano così punti caldi di maggiore assorbimento che complicano ancora di più la sua determinazione. Si ricorre quindi a tecniche di misura indiretta e a simulazioni per la stima delle grandezze d'interesse.

La seguente espressione rappresenta la definizione analitica di SAR:

Per comprendere gli effetti primari prodotti dall'interazione tra un campo elettromagnetico e un corpo biologico è necessario richiamare alcuni concetti relativi alle perdite nei materiali dielettrici. Si distinguono due tipi di perdite: 1. perdite dovute alla polarizzazione del dielettrico e 2. perdite dovute alla conducibilità finita del dielettrico. L'effetto di questi due tipi di perdite determina comunque un aumento della temperatura del corpo biologico.

1. Sottoponendo un materiale dielettrico ad un campo elettrico variabile nel tempo, ha luogo il fenomeno della polarizzazione, che consiste nella continua orientazione delle molecole costituenti il materiale nella direzione del campo applicato. Poiché il moto è ostacolato dagli urti reciproci tra le molecole, il campo elettrico perde energia che risulta trasformata in calore. Si verifica così un progressivo riscaldamento del materiale che aumenta con l'aumentare della frequenza. Questo effetto diventa rilevante per valori di frequenza molto elevati.

2. In un materiale dielettrico , investito da un campo magnetico, circolano delle correnti (correnti di perdita) dovute alla non idealità del materiale, che presenta una conducibilità diversa da zero. Tali correnti di perdita determinano un riscaldamento progressivo del materiale per effetto ohmico con conseguenti variazioni delle sue caratteristiche chimiche e fisiche. A differenza delle perdite dovute alla polarizzazione del dielettrico, questo tipo di perdite sono già evidenti a frequenze relativamente più basse.

Dalla precedente relazione risulta evidente che il rapporto specifico di assorbimento (S.A.R.) è inversamente proporzionale alla densità di massa e direttamente proporzionale al quadrato dell'intensità del campo elettrico, alla frequenza e alla parte immaginaria della costante dielettrica del materiale che tiene conto delle perdite. L'assorbimento energetico da parte di un organismo dipende anche in modo complesso dalla taglia del soggetto e dalla sua orientazione rispetto alle onde, come pure dal tipo di radiatore impiegato. A partire dagli anni 60 gli studiosi hanno intrapreso degli studi per meglio comprendere le modalità di assorbimento di un corpo biologico e per determinare le tecniche atte ad effettuare misure sempre più raffinate del S.A.R.; tutto questo al fine di determinare il valore limite massimo di radiazione elettromagnetica consentita.

Il grafico di Fig.7, ottenuto con una orientazione del campo incidente favorevole al massimo assorbimento di energia da parte del corpo biologico, fornisce il rapporto specifico di assorbimento per un uomo esposto ad una sorgente di energia radiante. La quantità di energia assorbita dipende anche dalle dimensioni del soggetto esposto. Ad esempio un uomo in piedi, di altezza e peso standard (H=1.75 m; P=70 kg) e non posto a terra, presenta un picco pronunciato del S.A.R. intorno a 70 MHz circa, diversamente da una persona più bassa o un bambino la cui frequenza di risonanza è circa 100 MHz. Persone più alte hanno una frequenza di risonanza minore a 70 MHz.

Calcolo del S.A.R.

La relazione ( 14 ) mostra come il SAR dipenda dall'intensità di campo elettrico all'interno della struttura biologica. La determinazione della distribuzione del campo a rigore dovrebbe essere svolta risolvendo le equazioni di Maxwell con le opportune condizioni al contorno. La non semplice caratterizzazione dielettrica dei tessuti biologici, la non omogeneità degli stessi e le complesse funzioni metaboliche e di scambio tipiche degli esseri viventi rendono la modellizzione e l'analisi alquanto complesse. Si sono ipotizzati modelli omogenei, non omogenei e stratificati; risolvendo le equazioni di campo con diverse tecniche di approssimazione: Metodo dei momenti; Ottica geometrica; Approssimazioni quasi statiche (per dimensioni inferiori a 0.1l), Condizioni al contorno estese fino a 80 MHz. Altri metodi arrivano alla determinazione dell'energia assorbita in maniera indiretta attraverso la misura dell'aumento di temperatura indotta nei corpi biologici dai campi elettromagnetici. Questi metodi si sono rivelati pratici e soddisfacenti, tra questi la tecnica del fantoccio.

La tecnica del fantoccio consente di misurare sperimentalmente l'aumento di temperatura negli esseri umani e animali e di simulare la distribuzione, la profondità e la quantità di energia assorbita dal corpo vivente. Dopo aver costruito la sagoma di un corpo, con due metà di un blocco di schiuma sintetica (styrofoam) opportunamente scavate, questa viene riempita con un gel, le cui proprietà dielettriche sono analoghe a quelle del tessuto vivente. Il modello viene irradiato per breve tempo alla frequenza corrispondente all'assorbimento massimo, nel modo indicato in Fig.8 e quindi spaccato; l'interno viene fotografato con una pellicola a raggi infrarossi che registra la mappa di riscaldamento del corpo.

Per determinare l'assorbimento si può ricorrere anche all'analisi numerica assistita dal calcolatore. Dell'animale o della persona, esposti alla radiazione, si fa un modello che consiste semplicemente in un ellissoide o in un cilindro, nella rappresentazione più approssimata, che suppone il corpo omogeneo, o in un modello più complesso come quello illustrato in Fig. 9 che mostra il corpo umano diviso in tanti blocchi. Sulla base delle proprietà dielettriche di ciascun blocco, della frequenza e di altri fattori, il calcolatore, tramite metodi numerici, calcola il rapporto specifico di assorbimento (S.A.R.) corrispondente ad una determinata potenza e direzione del campo incidente.

Effetti che la radiazione elettromagnetica provoca sugli organismi biologici.

Le onde elettromagnetiche utilizzate nell'ambito delle trasmissioni radio, televisive e radar, occupano una posizione ben definita dello spettro elettromagnetico, precisamente nella banda 100MHz - 300GHz. Oltre la banda delle microonde si trovano le radiazioni infrarosse, la luce visibile e le radiazioni ionizzanti, cioè le radiazioni ultraviolette, i raggi X e i raggi gamma.

Quando un fotone, cioè un quanto di energia di un fascio ionizzante, attraversa una sostanza, esso spezza i legami chimici e fa si che le molecole, fino ad allora neutre, acquistino una carica elettrica, danneggiando così i tessuti. I fotoni di una microonda non hanno un'energia sufficiente a spezzare un legame chimico, ma possono determinare un riscaldamento del tessuto. Non si riscontrano infatti ancora alterazioni alla struttura molecolare del tessuto anche se non se ne esclude la possibilità.

L'esposizione alle microonde a bassi livelli di energia, a seguito di studi effettuati sugli animali , può indurre:

- alterazioni sul sistema di termoregolazione del cervello;

- alterazioni sul sistema immunitario;

- modificazioni del comportamento;

- danni al sistema neurovegetativo;

- danni cromosomoci e insorgenza di tumori;

- cataratta;

- interferenza con pace-maker cardiaci;

- effetti cardiovascolari.

L'esposizione a microonde ad alti livelli di energia possono produrre effetti letali sui corpi biologici.

L'effetto termogenico delle Radiofrequenze e delle Microonde: qualora la quantità di calore sviluppato complessivamente o localmente non sia trascurabile rispetto al calore metabolico, determina una serie di risposte biologiche adattative e compensative che sono state oggetto di studio e lo sono tuttora. Infatti nonostante si tenda, in qualche caso, a considerare gli effetti termici come un problema scientificamente datato, vi sono, anche in questo caso aspetti che non sono stati ancora interamente chiariti. L'assorbimento di energia a RF e MO può determinare uno sviluppo di calore differente per quantità profilo spaziale e temporale in rapporto a: frequenza dei campi; tessuti corporei interessati; tempo di esposizione.

Valori limiti di sicurezza e normative

I primi studi sui limiti di sicurezza nei confronti delle radiazioni elettromagnetiche furono eseguiti dal prof. Herman P. Schwan nel 1953 presso l'università della Pennsylvania. Raccomandò, sulla base di valutazioni teoriche relative al riscaldamento dei tessuti, che l'esposizione all'energia delle microonde fosse limitata, per gli esseri umani, ad una densità di potenza media non superiore a 10 , che costituisce tuttora lo standard federale statunitense. I calcoli di Schwan, dimostravano che, esponendo un soggetto a questo livello di potenza, la temperatura di qualunque parte del corpo si innalza di 1°C e il calore si accumula con una capacità paragonabile a quella dei normali processi fisiologici del corpo. Per meglio comprendere l'entità di tale riscaldamento, la Tabelle 2 riporta i principali livelli di potenza tipici per alcune fonti di interesse quotidiano. Si noti come il limite proposto da Schwan sia 1/10 dell'intensità della radiazione solare e 1/50 dei livelli di potenza delle apparecchiature per diatermia.

La proposta di Schwan fu adottata nel 1966 come normativa americana dall'A.N.S.I. (American National Standards Istitute), che è un'istituzione della Marina Militare degli USA che si occupa delle misure di sicurezza nel settore civile e militare. Nel 1982, l'A.N.S.I. ritocco il limite al fine di tenere conto del diverso grado di assorbimento al variare della frequenza. Propose un limite di 100 in corrispondenza delle frequenze più basse dove l'assorbimento e minore e un limite pari a 1/10 di quello previsto da Schwan, 1 , per le frequenze dove l'assorbimento è più elevato. Il limite così stabilito ripercorre assintodicamente la curva tipica di assorbimento. La Fig. 8 mette in relazione il limite di Schwam con quello proposto dall.ANSI.

Risultati universalmente riconosciuti per le Radiofrequenza e le Microonde:

- Gli effetti biologici prodotti dal campo elettromagnetico a radiofrequenza e a microonde sono strettamente collegati all'ammontare della potenza assorbita nei tessuti e quindi al S.A.R.
- Il livello di S.A.R. medio per cui si verifica l'insorgenza di effetti nocivi è di 4 W / kg.
- Il livello del S.A.R. medio accettato come sicuro è di 0,4 W / kg.
- Le norme internazionali fissano i limiti di esposizione che garantiscono il non superamento del S.A.R. medio di 0,4 W / kg.

Nella Tabella 3 sono riportati i limiti stabiliti per i livelli dei campi elettrici, magnetici e della densità di potenza, mediati su un'area equivalente alla sezione verticale del corpo umano e su un intervallo temporale di sei minuti. (Decreto Ministero dell'Ambiente n. 381 del 10 settembre 1998). Tali limiti si riferiscono al range di frequenza alto 0,1 MHz - 300 GHz.

In corrispondenza di edifici adibiti a permanenze non inferiori a quattro ore non devono essere superati i seguenti valori, indipendentemente dalla frequenza, mediati su un'area equivalente alla sezione verticale del corpo umano e su qualsiasi intervallo di sei minuti: 6 V/m per il campo elettrico, 0,016 A/m per il campo magnetico e, per frequenze comprese tra 3 MHz e 300 GHz, 0,10 W/m2 per la densità di potenza dell'onda piana equivalente.
A bassa frequenza (ed è il caso delle linee elettriche a frequenza industriale 50 - 60 Hz) i campi elettrici e magnetici sono separati. Il campo elettrico, che si misura in kV /m è legato alla tensione dell'elettrodotto e cresce al crescere di questa. Si attenua rapidamente allontanandosi dalla linea. La presenza di edifici nelle immediate vicinanze attenua il campo elettrico, così l'intensità di campo elettrico all'interno di un edifici adiacente ad un elettrodotto è praticamente nullo. Il campo magnetico, misurato in T (Tesla), dipende invece dalla corrente che circola nei conduttori. Dipende dall'altezza degli stessi rispetto al suolo e si attenua all'aumentare della distanza dalla linea. Il campo magnetico a differenza di quello elettrico però non può essere schermato da oggetti vicini e quindi non si riduce all'interno di abitazioni.
Per quanto riguarda gli aspetti normativi si rimanda al decreto del presidente del Consiglio dei Ministri dell'aprile 1992.

I limiti in bassa frequenza sono ancora oggetto di controversia in molti ambienti scientifici e normativi. La prudenza richiederebbe di abbassare questo limite (c'è la proposta di 0,1mT), soprattutto perché è proprio sul campo magnetico, e non su quello elettrico, che si pone oggi la maggior parte delle preoccupazioni circa i rischi di salute. Questo limite renderebbe impossibile il trasporto dell'energia elettrica. O comunque sarebbe necessario allontanare gli edifici così tanto da essere irrealizzabile.

Bibliografia

"Metodologie sperimentali nella ricerca bioelettromagnetica" DIP. AMBIENTE ENEA Roma ALTA FREQUENZA - RIVISTA DI ELETTRONICA - VOL. 11 N.3 Luglio Settembre 1999.
"Problemi dei Campi Elettromagnetici a Frequenze Industriali" - ANDREA SILVESTRI - AEI Volume 86 N.4 Aprile 1999.
"Campi Elettromagnetici ad Alta Frequenza" - PAOLO VECCHIA - AEI Volume 86 N.4 Aprile 1999.
"Introduzione alla Compatibilità Elettromagnetica" - LONGHI STEFANO - CUSL Ancona 1992