E.M. STRALING bij gebruik van GSM e.a.

Een regelmatig terugkerende vraag bij het grote publiek is of het antenne signaal bij GSM  gebruik lichamelijke hinder of schade kan berokkenen. Desinformatie die momenteel daaromtrent wordt verspreid, bereikt grote bevolkingsgroepen.

Om een paar voorbeelden te noemen: volgens sommigen veroorzaakt GSM gebruik opwarming en beschadiging van de hersenen. Ook moet men vermijden GSM apparaten dicht bij de onderbuik te hanteren om reden van mogelijke schade aan het menselijk reproductief systeem.

Opvallend daarbij is dat GSM signalen eigenschappen worden toegedicht die er helemaal niet zijn. Een verspreide onzekerheid bij het publiek, die hiervan een gevolg is, heeft kennelijk te maken met het feit dat de signalen niet zintuiglijk kunnen worden waargenomen en slechts instrumenteel meetbaar zijn.

In discussies ter zake komt het er daarom op  aan vergelijkingspunten te vinden uit het dagelijks leven waarmee iedereen vertrouwd is. Daglicht, zonlicht, kunstlicht ... zijn bekend als vormen van straling en zijn precies daarom een geschikte basis voor vergelijking. Bovendien, fysisch gesproken, is licht nu eenmaal ook een E.M. golfverschijnsel, net zoals GSM signalen. 

Net zoals licht verplaatsen (“transporteren”) GSM signalen energie doorheen de ruimte. We stellen ons dit best voor in een XYZ assenstelsel, met bv. de x-as als voorplantingsrichting. De fysica leert dat in de Y- en Z- richtingen het transport gepaard gaat met een wisselend elektrisch, respectievelijk magnetisch veld.

De intensiteit van E.M. golven is - per definitie - het transport van energie per m² en per seconde en wordt daarom uitgedrukt in Joule/sec.m² of in Watt/m². Als fysisch model voor het toelichten van GSM signalen en hun eigenschappen stellen we ons een puntbron voor (Fig. 1), een voortplantingsrichting (R) en een eenheids-oppervlak (1m²) loodrecht op die richting: De intensiteit van straling is dan de transport van energie in die richting, doorheen dat oppervlak en per seconde.

Fig. 1: Puntbron van signalen in het centrum van een bol oppervlak. De ruimte tussen de bron en het bol oppervlak bevat geen energiebronnen of verbruikers zodat het volledige antenne vermogen doorheen het omringende boloppervlak te voorschijn treedt. Dit energie behoud geldt o.m. ook voor blauw omlijnde deeloppervlakken.

 Nota : de GSM antenne, meestal van het fractale type, is  klein van afmeting en heeft goede impedantie aanpassing ….

 Terugkomend op licht als vergelijkingsmateriaal: de intensiteit van zonnestraling,  (de z.g. “insolatie”) in onze streken gemeten op een zomerse dag, bedraagt ong. 1,4 KW/m². 

Ter verduidelijking: zonnepanelen hebben een oppervlak van ong. 1,6 m² en een rendement van 20 à 30 %.  Dit verklaart de opbrengst ervan, meestal in de grootteorde van 300 tot 400 W per paneel. 

Wat mogelijke lichamelijke schade of hinder betreft ingevolge opwarming door RF straling, interesseert ons in feite enkel wat zich afspeelt op/in een beperkt deel van de hoofdhuid, meer bepaald op dat deel vlak naast het gehanteerde apparaat (Fig. 2). Een oppervlak ter grootte van 1dm² verdient daarom onze bijzondere aandacht. De eerder vermelde insolatie in onze streken van 14W/dm² zullen we daarbij verder gebruiken als basis voor vergelijking met GSM straling.

Fig. 2 : Aanvullende voorstelling bij het fysisch model (Fig.1) voor bepaling van de exposie van een deel van de hoofdhuid (geel gekleurd ) bij GSM gebruik.

Licht, op een zomerse dag, zoals bekend, is inderdaad in staat de temperatuur van de hoofdhuid enkele graden te doen oplopen. De intensiteit van het GSM antennesignaal blijkt echter grootteorde lager dan die van zonlicht, zoals we dadelijk aantonen.

Met het GSM toestel naast het hoofd wordt het antennevermogen in alle richtingen gelijkmatig uitgestuurd: In vaktaal spreekt men daarom over een “isotrope” antenne of puntbron. In een fysisch model maken we daarom gebruik van een dergelijke puntbron (Fig.1) in het centrum van een sfeer: alle energie door de puntbron uitgestuurd doorloopt  het medium binnen dat boloppervlak om zich vanop het oppervlak verder te verplaatsen in de omgevende ruimte.

De straling die op het  onderzocht oppervlak (Fig. 2, geel gekleurd). terecht komt, wordt in vaktaal de exposie genoemd. Hier zijn we dus geïnteresseerd aan de exposie van 1 dm² van het zij oppervlak van het hoofd, het  z.g. “test-oppervlak”.

Met het hoofd in de ene helft van de voornoemde sfeer, ziet men in dat slechts een fractie (grootteorde 30 %) van het uitgestuurde vermogen (binnen die hemisfeer) op het test-oppervlak kan terecht komen, omwille van ontsnappingsmogelijkheden voor straling via de ruimte tussen het GSM apparaat en de wang.

De exposie van het test-oppervlak laat zich nauwkeurig bepalen in een meetopstelling met het fantoom verwijderd en een lichtbron in het centrum van de sfeer (Fig. 1) geplaatst, op grond van de verhouding van oppervlak van de schaduw van het test-oppervlak tot het totale oppervlak van de buitenmantel van deze hemisfeer. Deze verhouding is – zoals verwacht – sterk afhankelijk van de afstand van het test-oppervlak tot de lichtbron. Een getalwaarde van 30 %, zoals hierboven vermeld, blijkt representatief.

Een verdere beperking van de exposie bij GSM gebruik heeft te maken met het volgende. Het GSM zendvermogen blijft in de loop van de communicatie niet constant. De eerste  seconde(n) worden benut voor het kiezen van de meest nabije antenne-mast, voor de identificatie van de gesprekspartners en voor keuze van de werk-frequentie (“protocol”, “handshaking,” “frequency hopping”). Daarna wordt het zendvermogen teruggebracht van het initiële 1,5 à 2W tot ongeveer 0,4W. Dit vermogen blijkt meestal voldoende voor een  communicatie zonder onderbrekingen.

Verder in de loop van de communicatie wordt het spraak-signaal gedigitaliseerd en gecomprimeerd op tijdsschaal, tot ongeveer 12%  of 1/8 van de oorspronkelijke tijdsduur (“TDMA”). Pas daarna wordt het signaal als een serie data via de antenne uitgezonden. Dit comprimeren van het signaal (te vergelijken met het “zippen” van tekst files) vermindert de zendtijd en bijgevolg ook de tijdsgemiddelde exposie.

Bij dat “processen” van het signaal zijn dus in het totaal vier effecten betrokken die het  antenne vermogen en dus ook de exposie beperken, te weten:

1. Reductie van het initieel antenne vermogen van ong. 2W  tot 0,4 W  (GSM protocol).

2. Beperking van het afgestraald vermogen tot de richting naar het hoofd toe, i.e. tot 50%, ingevolge het functioneren van de GSM antenne als puntbron.

3. Reductie van dat afgestraald vermogen tot het effectieve deel (ong. 30% van de halve sfeer) dat op 1 dm² van de hoofdhuid.

4. Reductie van het tijd gemiddeld vermogen ingevolge “ signaal-compressie”  tot ong. 12% of 1/8e  van de initiële tijdsduur.

Deze vier effecten verminderen drastisch de gemiddelde intensiteit van het antennesignaal en dus de exposie van de hoofdhuid, meer bepaald tot  (0,4 x 0,5 x 0,3 x 0,12) Watt of tot ong. 7 mW per dm². Met het GSM apparaat op enige afstand van de gebruiker daalt die intensiteit nog verder met een factor 4 telkenmale de afstand verdubbelt.  

Conclusie: de tijdsgemiddelde exposie van onze hoofdhuid aan EM straling is – louter energetisch –  ongeveer 2.000 maal kleiner bij GSM gebruik dan bij blootstelling aan zonlicht in zomerse omstandigheden: vergelijk 14 W/dm² met 7 mW/dm². Van enige merkbare) opwarming  van de hoofdhuid bij GSM gebruik kan dus geen sprake. zijn.

Noteer dat zelfs bij binnenshuis GSM gebruik of in een voertuig, i.e. waarbij het antennevermogen mogelijks niet werd gereduceerd tot ong. 0.4 W maar hoe dan ook beperkt blijft tot 2W, de exposie minder dan (7 mW/dm² x 5) of  35 mW/dm² bedraagt. Vergelijk deze intensiteit met deze van 14 W/dm² bij exposie aan zonlicht. De vorige conclusie blijft dus ook hier geldig.

DEEL 2 

Tot zover hebben we enkel de exposie aan EM golven besproken bij gebruik van draagbare GSM apparatuur. Het stralingspatroon van antennes op mast is echter verschillend van dat bij draagbare GSM apparaten: antennes van draagbare toestellen zijn rond-stralers, deze op mast zijn richtantennes. Het functioneren van die richtantennes is best te begrijpen op grond van een voorbeeld, opnieuw uit de wereld van licht voortplanting.

Een 50 W verlichtingslamp, (“bol lamp”, rond-straler), volstaat nauwelijks voor het verlichten van een woonkamer. Zodra echter die zelfde lamp voor een parabolische spiegel is geplaatst, blijkt ze geschikt voor verlichting van bv. een wegdek over een afstand van een paar honderd meters. Een richtantenne, net zoals een parabolische spiegel, voegt geen vermogen toe maar bundelt het zendvermogen in één richting. 

Op een GSM antennemast zijn doorgaans drie à vier richtantennes geplaatst, die de vier windrichtingen bestrijken. Slechts één van die vier antennes is op een gegeven ogenblik in gebruik voor communicatie met een draagbaar toestel. De antennes zijn licht hellend geplaatst zodat de as van de stralen bundel pas op ongeveer 1 km afstand van de mast de bodem bereikt. Daar is de intensiteit van straling sterk gedaald. Dit is ook het geval dichter bij de zendmast waar men zich in feite buiten de stralingsbundel bevindt. 

GSM operatoren beschikken over een net van antenne masten die onderling nooit meer dan enkele km van elkaar verwijderd staan. Dit laat toe bij de aanvang van een communicatie met die mast en die antenne in verbinding te treden die het meest stabiele verbinding garandeert (“handshaking”). Dit gebeurt algemeen op basis van een sterkte meting van het ontvangstsignaal (RSSI).

Bij een mobiele verbinding komt het aldus voor dat met meerdere masten verbinding wordt gemaakt. Dit gebeurt uiteraard ook wanneer hindernissen de verbinding bemoeilijken. Bij toenemende van de afstand tot de zendmast verloopt de signaalsterkte hierdoor op zeer onvoorspelbare wijze.

De afzwakking (“path loss”) van signalen in verloop van de afstand tot een zendmast kan worden berekend op basis van een fysisch /mathematisch model, het “FRIIS model”. Dit rekenmodel is evenwel enkel geldig in z.g. “vrije veld omstandigheden”, m.a.w. bij afwezigheid van hindernissen en/of reflecties. De berekeningen leveren dan ook  uitstekende resultaten dienstig voor lucht- en ruimtevaartcommunicatie, maar zijn slechts beperkt bruikbaar voor het berekenen van de GSM signaalsterkte in stedelijk milieu.

Uit metingen van signaalsterkte bij toenemende afstand tot de zendmast is gebleken dat in verloop van de afstand langs wegen en in agglomeraties afzwakking van het signaal door hindernissen en de versterking ingevolge reflecties (“constructieve interferentie” … ) elkaar dikwijls compenseren. In die omstandigheden blijkt de intensiteit van het GSM signaal kwadratisch af te nemen met de afstand tot de zendmast, net zoals bij een puntbron in “vrije veld” omstandigheden.

In een ander aantal gelijkaardige experimenten bleek de verzwakking sneller toe te nemen, meer bepaald met de derde macht van de afstand.

GSM operatoren baseren zich daarom op veldsterkte metingen om de toegelaten intensiteit/veldsterkte niet te overschrijden. De meeste zendmasten in Vlaanderen hanteren een vermogen dat niet hoger is dan 30 W, en een veldsterkte die  2 V/m  niet overschrijdt. Redenen daarvoor worden dadelijk verduidelijkt.

Nota: in de fysica toont men aan dat er een éénduidig verband bestaat tussen de  veldsterkte en de intensiteit van E.M. straling (Poynting vector), beiden gemeten op één plaats.

Met een gemeten veldsterkte (E₀) is de overeenkomstige intensiteit (I) eenvoudig te berekenen en o.m.  te vergelijken met deze bij gebruik van draagbare GSM toestellen: in de overgrote meerderheid der gevallen blijken die intensiteiten van een zelfde grootteorde.  

Ter verduidelijking: Het verband tussen de stralingsintensiteit (I) en de gemeten veldsterkte (E), steeds volgens Poynting luidt:

                                                     I =  ½ . c. e₀ . E₀²

waar c : lichtsnelheid (3 10⁸ m/sec.); e₀ : dielektrische constante van lucht (8,85 10 ^-12 F/m);

E₀ : veldsterkte amplitude, in V/m.

Noteer dat de gemeten veldsterkte (E) een “effectieve” waarde is. Ingevoerd in  bovenstaande vergelijking levert dit alles voor een veldsterkte van 2 V_e/m :

                                   I = ½  x 3 10⁸ x 8,85 10^-12 x 4 x 2  =  1,062 10^-2 Watt/m²

Vergelijking van dit resultaat met de hoger vermelde norm toont dus aan dat de straling afkomstig van antennes op mast met een intensiteit in de grootte orde 10^-4 W/dm, de exposie/blootstelling aan zonlicht (14W/dm²) en de thermische effecten daarvan zeker niet overschrijdt.

Tot zover hebben we enkel warmte-effecten van GSM signalen besproken. In discussies omtrent stralingseffecten verdient ook een tweede aspect onze aandacht: het is bekend dat bepaalde types van straling in staat zijn z.g. chemische defecten te veroorzaken in menselijk/dierlijk weefsel.

Bij nader toezien blijken die defecten enkel te kunnen optreden met E.M. straling van zeer korte golflengte, zoals bv. met UV licht, met X-stralen en met g stralen van radio-actieve oorsprong.

Een bekend voorbeeld is de verkleuring van de opperhuid onder invloed van UV licht (UV-C  met golflengten van 200 à 300 nanometer). Dergelijke effecten zijn onbestaand bij GSM signalen daar de golflengte ervan zich steeds in het centimeter bereik situeert, ook met de meest recente 5G  technologie: maximale frequentie ong. 26 GHz,  l = 1,15 cm.  

Nota: Dit alles heeft te maken met het fysisch gegeven dat energie transport bij licht en EM straling niet plaats vindt als een continue stroming, maar als een transport van energie pakketjes, de z.g. fotonen, waarvan de energie inhoud bepaald is door de frequentie/ golflengte van de straling.

Zo zijn er fotonen van een minimale energie inhoud nodig om bv. de  C – C  en/of  C – H  of andere moleculaire bindingen te verbreken, in menselijk/dierlijk weefsel. De drempelwaarden (i.e. de zeer korte golflengten die daarvoor vereist zijn) zijn precies bekend op grond van fysisch/chemisch onderzoek. Weefselschade veroorzaakt door GSM signalen blijkt daarom a priori uitgesloten.

Tenslotte vermelden we dat E.M. straling afkomstig van GSM en/of aanverwante apparatuur totaal geen uitstaans heeft met de z.g. “ deeltjes-straling” (i.e. alpha-, bèta-, neutronen straling) bekend in de wereld van nucleaire/kernfysische processen.