5G: sieci telekomunikacyjne nowej generacji

dr hab. Grzegorz Tatoń

Zakład Biofizyki, Katedra Fizjologii, Wydział lekarski, Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego

Zrozumienie zjawiska, jakim jest pole elektromagnetyczne (PEM) nie jest możliwe bez wyjaśnienia, czym w fizyce jest „pole”. Termin ten przez fizyków rozumiany jest jako stan przestrzeni, w którym obserwowane są pewne określone oddziaływania. Możemy zatem zetknąć się z takimi określeniami jak „pole grawitacyjne”, „pole magnetyczne” czy „pole elektryczne”, w zależności od tego z jakiego rodzaju siłami mamy do czynienia. Problem najłatwiej zobrazować na przykładzie tego ostatniego, czyli pola elektrycznego.

Jedną z podstawowych kwestii związanych ze zjawiskami elektrycznymi, którą chyba każdy zapamiętał ze szkoły jest fakt, że ładunki elektryczne przyciągają się, jeśli mają przeciwne znaki lub odpychają, jeśli mają ten sam znak. Ładunek elektryczny jest więc źródłem pola, w którym na inne ładunki działają siły przyciągające lub odpychające. Pole takie nazywamy elektrycznym, ponieważ działa ono na ładunki elektryczne. Skoro już pojedynczy ładunek jest źródłem pola elektrycznego, to przestrzenny rozkład ładunków – czyli naładowany obiekt makroskopowy – również jest źródłem takiego pola. Jest nim na przykład napompowany balonik, który potrzemy o włosy. Pole elektryczne rozciągające się wokół balonika działa na inne naładowane elektrycznie obiekty przyciągając je (jak nasze włosy, skrawki papieru czy kurz) lub odpychając. Na obiekty takie działa siła, która wprawia je w ruch, jeśli dotychczas pozostawały w spoczynku, albo zmienia ich ruch, jeśli się poruszały. Można więc powiedzieć, że pole elektryczne oddziałując na inne obiekty określoną siłą ma zdolność do zmiany ich energii kinetycznej. Uwaga ta jest niezwykle istotna, gdyż leży u podstaw zrozumienia mechanizmów oddziaływania pól na obiekty materialne, w tym na ciało człowieka.

Jak łatwo się domyślić siła z jaką obiekty oddziałują ze sobą za pośrednictwem pola zależy od odległości pomiędzy nimi i jest tym mniejsza, im odległość jest większa. Są to zależności nieliniowe. Przykładowo w przypadku pola elektrycznego siła maleje z kwadratem odległości pomiędzy oddziałującymi na siebie ładunkami. Oznacza to, że w przypadku podwojenia tej odległości siła maleje czterokrotnie.

Pole elektryczne oddziałuje na każdy ładunek elektryczny, który się w nim znajduje. Nieco inaczej jest w przypadku drugiego zjawiska istotnego w zrozumieniu zagadnień związanych z falami elektromagnetycznymi, czyli w przypadku pola magnetycznego. Pole magnetyczne, to stan przestrzeni, w którym siły oddziałują na poruszające się ładunki elektryczne, ale już na pozostające w bezruchu nie działają. Pole magnetyczne ma zdolność zmiany toru poruszających się ładunków, co wiąże się z pewnym przekazem energii pola obiektom, a w konsekwencji ze zmianą ich energii kinetycznej. O polu magnetycznym wiemy również, że oddziałuje na obiekty makroskopowe, które wykazują „własności magnetyczne”, jak na przykład igła kompasu czy magnes na metalowej tablicy z ogłoszeniami. U podstaw takich własności leżą oddziaływania ładunków elektrycznych na poziomie mikroskopowym, ale wykracza to poza zakres naszych rozważań.

Opisane wyżej zjawiska dotyczą sytuacji, gdy pola są statyczne, czyli nie zmieniają się w czasie. Pole elektryczne i magnetyczne może jednak ulegać zmianom. Wyobraźmy sobie na przykład, że naelektryzowany balonik, wokół którego rozciąga się statyczne pole elektryczne, przesuwamy w przestrzeni. Jak zaznaczyliśmy wcześniej zdolność pola do oddziaływania na inne obiekty (siła) zależy od odległości od źródła pola. Jeśli więc wybierzemy jakiś konkretny punkt przestrzeni w pewnym oddaleniu od balonika, to zmiana jego pozycji względem tego punktu będzie powodowała zmianę właściwości pola elektrycznego w tym konkretnym miejscu. Podobnie proces elektryzowania balonu przez pocieranie będzie zmieniał pole wokół niego. Czym więcej ładunków zgromadzi się na jego powierzchni podczas pocierania o włosy, tym pole będzie stawało się silniejsze. Podsumowując, można stwierdzić, że źródłem zmiennego pola elektrycznego są przemieszczające się w przestrzeni ładunki elektryczne.

Trochę trudniej to wytłumaczyć i zrozumieć, ale fizyka pokazuje, że źródłem zmiennego pola elektrycznego może być również zmienne pole magnetyczne i odwrotnie. Źródłem zmiennego pola magnetycznego jest zmienne pole elektryczne. Zjawiska te są ze sobą związane i generują się nawzajem. Jeśli w jakimś punkcie przestrzeni dochodzi do zmiany pola elektrycznego, to towarzyszy mu również zmiana pola magnetycznego w tym punkcie. I tym właśnie jest pole elektromagnetyczne, jest stanem przestrzeni, w którym następują powiązane ze sobą, cykliczne zmiany pól: elektrycznego i magnetycznego. Pole elektromagnetyczne oddziałuje na ładunki elektryczne równocześnie składową elektryczną i magnetyczną.

Zauważmy, że zmiany obydwu rodzajów pól odbywają się zarówno w czasie, jak i w przestrzeni. Jeśli pole pojawia się w jakimś miejscu, to rozbiega się ono błyskawicznie w przestrzeni wokół tego miejsca. W kolejnych punktach, do których dociera, generowane jest na przemian pole elektryczne, które generuje pole magnetyczne, które z kolei generuje pole elektryczne, które jest źródłem pola magnetycznego… i tak w nieskończoność. I to zupełnie dosłownie. Widzimy więc, że pole elektromagnetyczne, które powstaje w jakimś konkretnym miejscu jest zaburzeniem przestrzeni, które propaguje się w czasie i w przestrzeni. Zjawisko takie można opisywać w sposób bardzo podobny do opisu fali dźwiękowej w powietrzu albo do opisu fal na powierzchni wody. Z tego powodu często w przypadku pola elektromagnetycznego mówimy o fali elektromagnetycznej (FEM), a niekiedy również o promieniowaniu elektromagnetycznym.

Przemieszczający się obiekt o niezerowym ładunku elektrycznym jest źródłem zmiennego pola elektrycznego, a tym samym źródłem FEM. Tak samo jest w sytuacji, gdy taki obiekt wiruje, drga albo gdy zmienia kształt (wtedy w ramach jego objętości zmienia się rozkład ładunku elektrycznego). Cały Wszechświat jest zbudowany z atomów, które łączą się w cząsteczki (chemiczne), atomy z kolei zbudowane są z cząstek elementarnych. Część z nich obdarzona jest ładunkiem. Atomy czy cząsteczki chemiczne mogą zostać zjonizowane, co prowadzi do powstawiania obiektów elektrycznie nieobojętnych. Wszystkie w/w elementy organizacji materii poruszają się i oddziałują ze sobą w ten, czy w inny sposób, co związane jest z powstawaniem pól elektromagnetycznych o różnych parametrach.

Pola elektromagnetyczne są nieodłączną cechą funkcjonowania Wszechświata i są obecne w naturze. Powstają wszędzie tam, gdzie mamy do czynienia z oddziaływaniem ładunków elektrycznych albo obiektów naładowanych elektrycznie. Powstają również wtedy, gdy następuje przepływ ładunku, a więc mówiąc potocznie, przepływ prądu elektrycznego.

Wszystkie tego rodzaju zjawiska wiążą się z absorpcją albo emisją FEM, w pewnych sytuacjach nazywanej również promieniowaniem elektromagnetycznym. Organizację Wszechświata można rozpatrywać w różnych skalach. Na poziomie obiektów makroskopowych, w tym np. ciała człowieka; na poziomie cząsteczek chemicznych, z których wszystko jest zbudowane; na poziomie atomów, z których zbudowane są cząsteczki; czy wreszcie na poziomie jąder atomowych i cząstek elementarnych. Oczywiście FEM będące efektem procesów obserwowanych w różnych skalach będą miały odmienne właściwości w sensie oddziaływania na świat materialny i na nas samych, pomimo tej samej natury. Właściwości FEM generowanej przez jądro atomowe będą inne niż tej, która emitowana jest przez pręt aluminiowy o długości 1 m, przez który popłynie prąd zmienny (czyli tzw. antenę dipolową).

Jeśli dochodzi do takich oddziaływań na poziomie jąder atomowych, czyli obiektów bardzo małych, to mamy do czynienia z FEM o bardzo małej długości, czyli równocześnie bardzo wysokiej częstotliwości. Fale elektromagnetyczne z tego zakresu częstotliwości nazywamy promieniowaniem gamma.

Źródłem FEM mogą być same atomy, czyli tak naprawdę elektrony na ich powłokach. Ponieważ atomy są większe niż ich jądra, to i FEM generowana w takich procesach ma większą długość. Fale emitowane albo absorbowane w tego rodzaju zjawiskach nazywamy promieniowaniem Rentgena (albo promieniowaniem X), promieniowaniem ultrafioletowym i światłem widzialnym. W przypadku gdy źródłem FEM są cząsteczki chemiczne, to mamy do czynienia ze światłem widzialnym i podczerwienią. Gdy wreszcie źródłem FEM są prądy przepływające w obiektach makroskopowych, to generowane są fale radiowe.

Źródłem FEM z zakresu radiowego może być przewód zasilający lampkę nocną, silnik elektryczny, antena telefonu komórkowego, żarówka, kosiarka elektryczna, świeca zapłonowa w silniku samochodowym, czy wreszcie układ nerwowy albo mięśniowy człowieka.

Jednym z parametrów opisujących PEM jest częstotliwość, z jaką następują zmiany pola. Częstotliwość, to liczba zmian obserwowanych w jednostce czasu. Wyraża się ją w hercach (Hz), a 1 Hz oznacza obserwację jednej zmiany w ciągu jednej sekundy. Jak już wiemy PEM często nazywane jest również falą elektromagnetyczną, gdyż jest propagowane i w czasie, i w przestrzeni. Wspomnieliśmy, że propagacja taka w pewnym sensie przypomina rozprzestrzenianie się fal na wodzie, lub dźwięku w powietrzu, najważniejsza różnica polega na tym, że FEM w przeciwieństwie do wymienionych może rozchodzić się w próżni.

FEM ma zdolność do rozchodzenia się z ogromną prędkością. W próżni jest ona równa niemal 300 tys. kilometrów na sekundę i nazywana jest prędkością światła bez względu na rodzaj FEM, który rozpatrujemy. W powietrzu FEM rozchodzi się z prędkością nieco mniejszą od prędkości światła. W zależności od rodzaju FEM i rodzaju materiału może się rozchodzić również w innych ośrodkach, ale zawsze odbywa się to z mniejszą prędkością niż w próżni i zawsze wiąże się z absorpcją części energii niesionej przez falę w materiale.

Droga, którą FEM przebywa w czasie pojedynczego „drgnięcia” pola nazywana jest długością fali. Jest to drugi parametr fizyczny istotny w opisie FEM. Długość fali i częstotliwość są względem siebie odwrotnie proporcjonalne. Czym szybciej drga pole, tym krótszą drogę jest w stanie przebyć w czasie pojedynczego drgania. Jeśli częstotliwość oznaczymy przez f, a długość fali przez λ, to spełniona jest następująca zależność:

przy czym stała c we wzorze jest wspomnianą wcześniej prędkością światła.

Wróćmy do bardzo ważnej kwestii, która została wcześniej jedynie zasygnalizowana. FEM niesie ze sobą energię i ta energia może zostać przekazana obiektowi, z którym fala oddziałuje. Pod pewnymi względami zachowuje się ona jakby stanowiła strumień cząstek elementarnych. Cząsteczki kojarzone z FEM nazywamy fotonami, a teorię, która mówi o tym, że FEM zachowuje się jak fala, ale równocześnie jak strumień cząsteczek, nazywamy teorią dualizmu korpuskularno-falowego.

Korpuskularna (cząsteczkowa) natura FEM szczególnie łatwo objawia się w przypadku bardzo wysokich częstotliwości (fal bardzo krótkich). Dotyczy to zakresów gamma, X i części ultrafioletu. Fotony z tych zakresów związane są z tak wysokimi częstotliwościami i niosą tak dużo energii, że są w stanie jonizować atomy i cząsteczki chemiczne. Jonizować, czyli rozrywać je na elementy składowe posiadające ładunek elektryczny. W wyniku ich oddziaływania powstają swobodne elektrony oraz jony. Wszystkie trzy w/w zakresy można określić jednym wspólnym mianem – promieniowanie jonizujące. Światło widzialne i podczerwień nie posiadają już zdolności jonizacji materii, ale nadal dość wyraźnie objawia się ich dwoistość korpuskularno-falowa. Fale radiowe w najmniejszym stopniu wykazują zachowania typowe dla strumienia cząsteczek, a fotony kojarzone z nimi zdecydowanie nie mają zdolności jonizacji materiału. PEM w całym radiowym zakresie częstotliwości jest niejonizujące.

W przybliżeniu, począwszy od granicy pomiędzy ultrafioletem, a światłem widzialnym, poprzez światło widzialne i podczerwień, aż po najdłuższe fale radiowe, mamy więc do czynienia z FEM niejonizującą. Nie znaczy to jednak, że fale tego rodzaju nie mają zdolności przekazywania swojej energii do środowiska. Przekaz ten w przypadku zakresów jonizujących odbywa się głównie na drodze jonizacji, a w przypadku FEM z zakresów niejonizujących na drodze innych mechanizmów. Polegają one na zmianie energii kinetycznej cząsteczek o niezerowym ładunku elektrycznym (elektrony i jony) albo chemicznych cząsteczek polarnych. Cząsteczki polarne to takie, które jako całość są obojętne elektrycznie, ale rozkład ładunku elektrycznego w ich objętości jest niesymetryczny albo niejednorodny. Najważniejszym przykładem takiej cząsteczki jest cząsteczka wody.

Zmiany pola elektrycznego (w dużo mniejszym stopniu zmiany pola magnetycznego w przypadku tkanek) wpływają na ruch polarnych cząsteczek materiału lub znajdujące się w nim jony. Zmiany takie mogą dotyczyć ruch postępowego, rotacji albo cyklicznych drgań i deformacji. W ten sposób materiał pozyskuje energię z FEM, a zysk ten objawia się jako wzrost jego temperatury. Temperatura ośrodka jest bowiem miarą energii ruchu wszystkich atomów i cząsteczek wchodzących w jego skład. Z tego powodu oddziaływania FEM z zakresów niejonizujących, zwłaszcza radiowych, nazywane są często oddziaływaniami termicznymi.

W określonych warunkach, tzn. przy odpowiednio silnym polu elektromagnetycznym i właściwie dobranej częstotliwości może dojść do przepływu prądu elektrycznego, który jest niczym innym jak ukierunkowanym przepływem ładunków elektrycznych, a w przypadku tkanek – przepływem jonów. Przepływ prądu elektrycznego w każdym materiale powoduje wzrost jego temperatury, mamy więc w tym przypadku również do czynienia z efektem termicznym. Dodatkowym efektem w przypadku organizmów żywych mogą być jednak zaburzenia takich procesów fizjologicznych w organizmie, u podstaw których leży przepływ ładunku. Dotyczy to głównie układu nerwowego i mięśniowego, ale podkreślmy to dobitnie, ma to miejsce tylko w przypadku odpowiednio silnego pola.

Fundamentalną sprawą związaną z potencjalną szkodliwością FEM dla organizmu żywego jest ilość energii przekazanej przez FEM do układu. Musimy więc wiedzieć, w jaki sposób opisuje się przekaz energii materiałowi, na który działa FEM. W przypadku promieniowania jonizującego istotną rolę pełni energia fotonów związanych z FEM i jej relacja do energii wymaganej do rozerwania atomów i cząsteczek chemicznych na jony, ponieważ najważniejszym procesem jest w tym przypadku jonizacja. Wpływ promieniowania jonizującego na organizmy żywe opisuje się wprowadzając pojęcie dawki, równoważnika dawki, efektywnego równoważnika dawki czy mocy dawki. Kwestie związane z tzw. dozymetrią są dość skomplikowane i wykraczają poza zakres niniejszego opracowania. W skrócie można powiedzieć, że wszystkie te wielkości opisują ilość energii zdeponowanej w tkankach w procesie jonizacji i skutki biologiczne takiej ekspozycji w zależności od rodzaju promieniowania jonizującego oraz rodzaju tkanki. W przypadku promieniowania jonizującego dochodzi do efektu kumulacji ekspozycji, co oznacza, że czas ekspozycji i częstość jej występowania mają istotne znaczenie. Żeby zobrazować, jak niebezpieczne może być promieniowanie jonizujące i aby mieć dalsze odniesienie dla porównania z oddziaływaniem promieniowania niejonizującego, można powiedzieć, że w przypadku człowieka o masie 70 kg pochłonięcie energii FEM z zakresu jonizującego na poziomie około 300 J w trakcie ekspozycji może mieć skutek śmiertelny. Czy energia o wartości 300 J to mało czy dużo? Otóż stanowi to równowartość energii pozyskiwanej przez nasz organizm po spożyciu ok. 20 mg cukru. Dla porównania jedna łyżeczka cukru waży aż 250 razy więcej (~ 5 g) i może dostarczyć nam ok. 84 000 J energii.

Inaczej opisuje się ilościowo kwestie przekazywania energii do materiału w przypadku oddziaływania z nim promieniowania niejonizującego, co jest konsekwencją odmiennych mechanizmów oddziaływania. Ponieważ przekaz energii polega na zmianie energii kinetycznej ładunków lub cząsteczek polarnych obecnych w materiale, to istotna jest siła z jaką składowa elektryczna i magnetyczna pola działają na te obiekty. A ta z kolei zależy od amplitudy obydwu składowych, czyli od natężenia składowej elektrycznej i magnetycznej pola.

Natężenie składowej elektrycznej wyraża się w woltach na metr (V/m), a składowej magnetycznej w amperach na metr (A/m). Ilość energii niesionej przez FEM może być również opisana jako moc przenoszona przez falę na jednostkę powierzchni, przez którą fala przepływa (W/m²), czyli gęstość mocy. Czym wyższe w/w wartości, tym większa ilość energii może zostać zdeponowana w postaci energii cieplnej w materiale, czyli np. w tkankach naszego ciała. Z tego powodu, określając bezpieczne poziomy dla FEM z zakresów częstotliwości radiowych, określa się je podając maksymalne dopuszczalne wartości natężenia składowej elektrycznej, natężenia składowej magnetycznej i/lub gęstości mocy.

Należy zauważyć, że niecała energia przechodząca przez ciało musi zostać w nim zaabsorbowana. Zależy to od rodzaju tkanki i częstotliwości FEM. Niektóre w większym, a niektóre w mniejszym stopniu absorbują tego rodzaju fale. Skutek biologiczny oddziaływania FEM z zakresów radiowych opisuje się ilościowo stosując tzw. współczynnik absorpcji swoistej, SAR (ang. Specific Absorption Rate). Wyraża się go w watach na jednostkę masy (W/kg). SAR mówi o tym, jak szybko nagrzewa się tkanka pod wpływem ekspozycji na FEM. W uproszczeniu można powiedzieć, że jeśli urządzenie byłoby charakteryzowane przez SAR na poziomie rzędu 4 W/kg, to nastąpiłby wzrost temperatury tkanki o ok. 1°C. Dopuszczalne normy dla urządzeń, z którymi możemy mieć do czynienia na co dzień (np. routery Wi-Fi, telefony komórkowe) są kilkukrotnie niższe.

Skoro wyjaśniliśmy już czym jest FEM, wiemy jakie są mechanizmy odpowiedzialne za jej oddziaływanie z materią, w tym organizmem człowieka, i jak je opisywać ilościowo, to pora odpowiedzieć na najważniejsze pytanie: czy fale elektromagnetyczne są szkodliwe dla człowieka? Uważny czytelnik sam od razu zauważy, że tak zadane pytanie nie ma sensu. Nie można na nie odpowiedzieć jednoznacznie TAK lub NIE, nie biorąc pod uwagę charakterystyki fali, o której mówimy, ponieważ skutki biologiczne będą od niej zależeć. Przede wszystkim należy uwzględnić częstotliwość (a tym samym długość) fali i energię fotonów z nią związanych.

Po pierwsze musimy wiedzieć, czy mamy do czynienia z zakresem jonizującym, czy niejonizującym. Można w zasadzie powiedzieć, że promieniowanie jonizujące zawsze jest szkodliwe i jeśli tylko istnieje możliwość, to staramy się go unikać. Z tego powodu nie wykonuje się na przykład niepotrzebnych zdjęć rentgenowskich. Z drugiej jednak strony należy mieć świadomość, że ten rodzaj promieniowania towarzyszy nam na co dzień i nie da się go uniknąć. Jego źródłem jest promieniowanie kosmiczne i naturalne pierwiastki promieniotwórcze. Jako ciekawostkę można powiedzieć, że limit dawki uznawanej za bezpieczną dla ogółu społeczeństwa w naszym kraju wynosi 1 mSv (1 milisivert), podczas gdy tło naturalnego promieniowania kształtuje się na poziomie 3,5 mSv. Jeśli zastanowić się nad tym faktem, to dojdziemy do wniosku, że nawet w przypadku bezsprzecznie uznawanego za szkodliwe promieniowania jonizującego odpowiedź na pytanie o jego szkodliwość również nie jest tak jednoznaczna. Nikt nie jest w stanie powiedzieć, czy gdyby ktoś nagle znalazł się w środowisku pozbawionym naturalnego promieniowania jonizującego, to wpłynęłoby to na jego zdrowie korzystnie, czy nie. Tego nie sposób sprawdzić, bo takiego środowiska po prostu nie jesteśmy w stanie wytworzyć.

Jak sprawa się ma z promieniowaniem niejonizującym? Począwszy od światła widzialnego, poprzez podczerwień i mikrofale, aż do najdłuższych fal radiowych mamy do czynienia z FEM, które nie są jonizujące. Ale czy sam fakt, że jest to zakres niejonizujący daje nam podstawy do stwierdzenia, że są całkowicie bezpieczne dla człowieka? Niestety nie. Nawet światło widzialne, które jest niezbędne do życia może być niebezpieczne. Świetnym przykładem jest tu laser, źródło światła o takim natężeniu, że można je wykorzystać do cięcia metalu. Lasery przemysłowe emitują światło o podobnej długości fali, jak wskaźnik wykorzystywany podczas wykładów, czy zabawka dla kota. Różnica w efektach działania leży w natężeniu wiązki. Przykład ten jasno pokazuje, że parametr ten musi być brany pod uwagę, gdy rozpatrujemy szkodliwość FEM. Dotyczy to wszystkich zakresów częstotliwości, również tych stosowanych w telekomunikacji, czyli wykorzystywanych przez nasze telefony komórkowe, lokalne sieci bezprzewodowe, czy piloty do bram i systemów alarmowych.

Wiemy już, że niejonizująca FEM z zakresu radiowego o dużej amplitudzie może spowodować przepływ prądu o dużym natężeniu w tkance, albo rozgrzać ją do tego stopnia, że mechanizmy termoregulacji organizmu nie poradzą sobie z pozbyciem się nadmiaru ciepła. Sytuacja taka będzie dla nas zdecydowanie szkodliwa, ale w normalnych warunkach eksploatacji urządzeń codziennego użytku raczej nie występuje.

Ponieważ w dalszej części opracowania skupimy się na zagadnieniach związanych z FEM z zakresów częstotliwości stosowanych w telekomunikacji, to należy prawidłowo sformułować pytanie o szkodliwość FEM dla ludzi. Powinno ono brzmieć następująco: czy fale elektromagnetyczne o częstotliwościach i natężeniach stosowanych w telekomunikacji są bezpieczne dla człowieka?

Ograniczymy się do zagadnień związanych z telefonią komórkową i bezprzewodowym dostępem do Internetu (Wi-Fi), gdyż te dwa aspekty wciąż wzbudzają najwięcej emocji i kontrowersji. Nie są to oczywiście jedyne zastosowania fal radiowych w życiu codziennym.

Oprócz wyżej wymienionych korzystamy na przykład również z:

• radia i telewizji;
• telefonów bezprzewodowych stanowiących mobilne terminale klasycznej przewodowej linii telefonicznej;
• pilotów do sterowania różnego rodzaju urządzeniami życia codziennego;
• krótkofalówek;
• kuchenek mikrofalowych;
• zaawansowanych urządzeń diagnostyki obrazowej (tomografia rezonansu magnetycznego);
• technologii Bluetooth, technologii NFC

i wielu innych. Każde z wymienionych rozwiązań wykorzystuje jakiś konkretny zakres fal radiowych.

Zakres fal radiowych rozciąga się w dziedzinie częstotliwości od 0,003 MHz do 3 000 000 MHz, podczas gdy mikrofale stanowią podzakres od 1 000 MHz do 300 000 MHz. Przedrostek „M” (mega) oznacza, że zastosowana została wielokrotność jednostki podstawowej, jaką jest herc: 1 MHz to 1 000 000 Hz, czyli milion herców. Nie należy przywiązywać szczególnej wagi ani do nazewnictwa, ani też do sztywnych granic podanych wyżej zakresów. Są one raczej umowne i mogą się różnić w zależności od źródła, w którym są definiowane. Przykładowo według dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady Europy 2014/53/UE falami radiowymi są wszystkie FEM o częstotliwości poniżej 3 000 000 MHz, a więc również te w zakresie od 0 Hz do 0,003 MHz.

Z pewnym przybliżeniem można powiedzieć, że zarówno w sieciach komórkowych, jak i w sieciach Wi-Fi wykorzystywany jest właściwie mikrofalowy zakres częstotliwości. Telefonia komórkowa w Polsce wykorzystuje w tej chwili fale radiowe o częstotliwościach od ok. 800 MHz do ok. 2 600 MHz. Wprowadzana obecnie technologia 5G będzie wykorzystywać częstotliwości w pasmach 700 MHz, 3 600 MHz i 26 000 MHz. W sieciach Wi-Fi stosuje trzy stosunkowo wąskie zakresy częstotliwości: jeden w paśmie 2,4 GHz (od 2400 MHz do 2483,5 MHz) i dwa w paśmie 5 GHz (od 5150 MHz do 5350 MHz oraz od 5470 MHz do 5725 MHz). W przypadku sieci komórkowych zakresy stosowanych pasm częstotliwości zależą od technologii (2G, 3G, 4G, czy 5G) i są przydzielane niezależnie poszczególnym operatorom telekomunikacyjnym przez Urząd Komunikacji Elektronicznej, który w Polsce jest odpowiedzialny za gospodarkę zasobami widma częstotliwości radiowych.

Właściwości fal radiowych zależą od ich częstotliwości, stąd limity zapewniające bezpieczeństwo określane są na różnych poziomach dla różnych zakresów częstotliwości FEM. Dopuszczalne poziomy PEM w naszym kraju określane są obecnie poprzez rozporządzenie Ministra Zdrowia z 17 grudnia 2019 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku (Dz.U. 2019 poz. 2448). Przykładowe wartości pokazano w Tabeli 1. W tej tabeli przedstawiono wartości dla kilku wybranych częstotliwości z zakresów stosowanych w telekomunikacji i dla częstotliwości 50 Hz. Ta ostatnia nie należy do zakresu stosowanego w telekomunikacji, ale podajemy ją dla porównania i dlatego, że jest ona emitowana przez każde urządzenie, które zasilane jest z sieci energetycznej. Podstawą ustalonych limitów są przesłanki naukowe, które na bazie aktualnej wiedzy pozwalają te limity określić na poziomach nie wywołujących negatywnych skutków zdrowotnych.

Tabela 1. Dopuszczalne poziomy pól elektromagnetycznych, charakteryzowane przez dopuszczalne wartości parametrów fizycznych dla miejsc dostępnych dla ludności. E – wartość skuteczna natężenia pola elektrycznego, H – wartość skuteczna natężenia pola magnetycznego, S – wartość równoważna gęstości mocy pola elektromagnetycznego. ND – nie dotyczy.

Obowiązujące obecnie w Polsce limity zostały kilka lat temu podniesione z wcześniej obowiązujących do takich, jakie stosowane są w większości krajów europejskich. Przykładowo limit dla częstotliwości powyżej 2 000 MHz dla składowej elektrycznej pola (E) wynosił do końca 2019 r. 7 V/m, a teraz wynosi 61 V/m; podobnie – limit dla gęstości mocy tego samego zakresu częstotliwości wynosił wcześniej 0,1 W/m², a obecnie wynosi 10 W/m². Zwiększenie limitów wywołało spore kontrowersje i opór ze strony niektórych grup społecznych. Czy zwiększenie limitów (stukrotne w przypadku gęstości mocy) spowoduje, że będziemy narażeni na poważniejsze skutki zdrowotne i że poziom ekspozycji na pola w naszym środowisku znacząco wzrośnie? Dotychczasowe doświadczenia wskazują, że nie.

Po pierwsze w krajach, w których te normy obowiązywały znacznie wcześniej nie notuje się większych niż w naszym kraju poziomów PEM w środowisku. Zwiększenie limitów nie oznacza przecież automatycznego zwiększenia poziomu PEM. Nie uległ on zwiększeniu również w naszym kraju po zmianie limitów. Natężenia PEM występujące w otoczeniu stacji bazowych telefonii komórkowej jest wprost związane z tym, że na całym świecie sieci komórkowe projektuje się wg takich samych zasad dobrej praktyki inżynierskiej i z wykorzystaniem takiego samego lub podobnego wyposażenia (urządzenia nadawczo-odbiorcze oraz anteny sektorowe).

Po drugie w krajach, gdzie te limity obowiązują od dawna (ponad 20 lat) nie obserwowało się zwiększonej zapadalności na choroby kojarzone z oddziaływaniem telefonów komórkowych na organizm ludzki, w stosunku do poziomów obserwowanych w Polsce przed zmianą limitów.

Mówiąc o limitach PEM nie wolno zapominać o tym, że bardzo ważnym aspektem związanym z ich przestrzeganiem są pomiary. Pomiary takie muszą być prowadzone prawidłowo i według ściśle określonych procedur i metodyk. Istotne znaczenie ma to, w jakich miejscach wykonywane są pomiary (np. wyłącznie miejsca publicznie dostępne, takie jak np. parki, place zabaw, chodniki), czy mierzona jest długookresowa wartość średnia, czy chwilowa wartość maksymalna, czy pomiar ma charakter szerokopasmowy, czy selektywny, czy do określenia wyniku pomiaru uwzględnia się niepewność pomiaru albo inne współczynniki korekcyjne i w jaki sposób. Wszystko to wpływa w sposób pryncypialny na procedurę przeprowadzania pomiaru natężenia PEM, którego wynik następnie jest porównywany z obowiązującym limitem.

Zasygnalizowaliśmy już wcześniej kilkukrotnie, że skutki oddziaływania FEM z materią zależą, poza częstotliwością, również od ilości energii, która jest przekazywana materii przez falę. W przypadku organizmów żywych, takich jak nasze, istotna jest również skala czasowa, w jakiej następuje przekaz energii. Organizmy stałocieplne są w stanie pozbywać się nadmiaru energii pochodzącej z otoczenia poprzez różnego rodzaju mechanizmy termoregulacji, o ile zysk nie jest zbyt szybki. Ilość energii na jednostkę czasu, to moc.

Zastanówmy się, jakie moce FEM mogą być generowane przez urządzenia stosowane w telekomunikacji. Urządzeniami takimi są stacje bazowe telefonii komórkowej (SBTK) z dość dużymi antenami umieszczanymi np. na wysokich stalowych lub betonowych wieżach albo na dachach budynków, telefony komórkowe, routery Wi-Fi i karty Wi-Fi naszych komputerów, tabletów, czy laptopów.

Z wymienionych urządzeń sygnały o największych mocach są emitowane przez anteny SBTK, gdyż muszą one równocześnie obsłużyć wielu użytkowników rozproszonych na stosunkowo dużym obszarze i w sporych odległościach od anten. Moc sygnałów emitowanych przez nadajniki stacji bazowych wynosi typowo kilkadziesiąt watów. Z kolei moc sygnałów emitowanych przez nadajniki telefonów komórkowych jest znacznie mniejsza niż moc nadajników stacji bazowych i systematycznie zmniejsza się wraz z rozwojem technologii (np. maksymalna moc nadajnika telefonu pracującego w technologii 2G wynosi 2 W, podczas gdy w technologii 4G już tylko 0,2 W). Nadajniki Wi-Fi w niezależnych routerach czy też wbudowane do naszych telefonów komórkowych pracują z jeszcze mniejszymi poziomami mocy, bo maksymalnie do 0,1 W w paśmie 2,4 GHz. Ich zadaniem jest obsługa terminali na znacznie mniejszym obszarze niż to ma miejsce w przypadku SBTK. Typowa moc nadajnika pracującego w standardzie Bluetooth jest jeszcze mniejsza i wynosi ok. 0,001 W.

Niestety trudno jednoznacznie określić, jakie moce dokładnie są emitowane przez urządzenia telekomunikacyjne np. SBTK w konkretnym miejscu i w konkretnym czasie. Zależy to od wielu czynników, takich jak zakres wykorzystywanych częstotliwości, obszar, który powinien zostać pokryty sygnałem radiowym o wymaganej jakości, czy też liczba użytkowników, którzy są aktualnie obsługiwani. Emitowana przez SBTK ilość energii zależy również m.in. od pory dnia, dnia tygodnia i aktualnych warunków meteorologicznych. Zależy także od tego w jakiej technologii stacja bazowa pracuje. W przypadku 2G, 3G i 4G można mówić praktycznie o statycznym rozkładzie PEM w otoczeniu stacji bazowej, wynikającym z charakterystyk przestrzennych zainstalowanych anten. Na masztach zwykle instaluje się trzy anteny (lub grupy anten), które emitują sygnał w określonych kierunkach (azymutach) i z których każda pokrywa w przybliżeniu jedną trzecią pełnego kąta wokół masztu tj. 120°. Nierzadko spotykane są jednak także i takie lokalizacje, w których z pewnych względów stosuje się np. tylko dwie anteny (lub grupy anten) lub też azymuty nie są rozłożone równomiernie co 120°. Wiązka sygnału nadawanego z anten sektorowych typowo przyjmuje kształt mocno spłaszczonego stożka o wierzchołku w miejscu lokalizacji anteny i skierowanego ukośnie w dół pod niezbyt dużym kątem (tilt) do powierzchni gruntu.

Warto zauważyć, że nadajniki stacji bazowych starszych generacji (2G, 3G i 4G) emitują sygnały o częstotliwości radiowej niezależnie od tego, czy w otoczeniu stacji bazowej znajdują się użytkownicy, czy też ich tam nie ma. W technologii 3G i 4G moc nadawanego sygnału zwiększa się wraz ze wzrostem liczby użytkowników, których stacja bazowa musi obsłużyć, chociaż nigdy nie przekracza pewnej ustalonej wartości maksymalnej. Z twego powodu w nocy, gdy liczba użytkowników jest zazwyczaj najmniejsza, nadajniki pracują z minimalną mocą. Stację bazową 2G, 3G, 4G możemy porównać do latarni, która w miarę równomiernie oświetla teren wokół siebie, świecąc raz mocniej, raz słabiej w zależności od tego, czy w jej otoczeniu znajdują się przechodnie. Wtedy gdy ich nie ma świeci najsłabiej, ale i tak zawsze świeci.

Inaczej sytuacja przedstawia się w przypadku stacji bazowych 5G, które emitują sygnał tylko wtedy, kiedy w ich zasięgu znajduje się użytkownik. Ponadto wiązka radiowa jest formowana w taki sposób, by podążała za użytkownikiem. Nie ma bowiem potrzeby wysyłania sygnału tam, gdzie nie ma użytkowników zgłaszających potrzebę nawiązania łączności ze stacją bazową. W stacjach bazowych 5G sygnał radiowy jest nadawany nie w całym obszarze wokół stacji jak w przypadku stacji bazowych starszych generacji, lecz tylko w te miejsca, w których znajdują się aktywni użytkownicy. Stację bazową 5G możemy również porównać do latarni, ale takiej, która oświetla teren tylko w tych miejscach, w których znajdują się przechodnie. Rozwiązanie takie pozwala zaoszczędzić dużo energii.

Powyższy opis to oczywiście duże uproszczenie. Trzeba zdawać sobie sprawę, że w rzeczywistości stacje bazowe działają w znacznie bardziej skomplikowany sposób. Jedna stacja bazowa obsługuje zwykle kilka standardów w różnych pasmach częstotliwości. Zdarzają się także sytuacje, że w jednej lokalizacji pracują urządzenia kilku operatorów. Do tego trzeba uwzględnić jeszcze fakt, że stacje bazowe na terenach wiejskich projektuje się wg innych zasad, niż stacje bazowe w obszarach zurbanizowanych. I tak, w obszarach zurbanizowanych buduje się stacje o mniejszej mocy (czyli o mniejszym zasięgu), ale umożliwiające obsługę większej liczby użytkowników równocześnie (większa pojemość). Rozmieszcza się je przy tym stosunkowo gęsto. Inaczej jest na terenach wiejskich. System musi obsłużyć małą liczbę użytkowników, ale rozproszonych na dużym obszarze. Anteny instaluje w większych odległościach i na wysokich masztach. Muszą one dysponować większymi mocami, ale nie muszą się charakteryzować dużymi pojemnościami.

Sprawa wcale nie jest prostsza w przypadku współczesnych terminali abonenckich, czyli potocznie mówiąc, naszych telefonów czy smartfonów. Są to urządzenia skomplikowane i wielozadaniowe. Dają możliwość komunikacji we wszystkich stosowanych w praktyce zakresach częstotliwości przeznaczonych dla telefonii komórkowej. Muszą obsługiwać wszystkie stosowane obecnie standardy, niezależnie od operatora sieci komórkowej, gdyż smartfon dostosowuje transmisję do infrastruktury telekomunikacyjnej dostępnej na obszarze, w którym się znajduje. Nowoczesny telefon jest równocześnie nadajnikiem i odbiornikiem sygnałów 2G, 3G i 4G, a część z nich już również 5G. Praktycznie wszystkie nowoczesne smartfony obsługują łączność w sieciach Wi-Fi oraz Bluetooth. Standardem stała się także obsługa łączności NFC, wykorzystywanej np. do realizacji płatności zbliżeniowych.

Widzimy więc, że kwestia rozkładu natężenia pola emitowanego przez urządzenia telekomunikacyjne jest niezwykle skomplikowana. W zasadzie jedyną możliwością jego określenia jest pomiar, ale pomiar taki również nie jest sprawą trywialną. Musi być wykonany z wykorzystaniem odpowiednich, wiarygodnych, profesjonalnych i wzorcowanych przyrządów pomiarowych według ściśle określnej i spójnej metodyki referencyjnej. Nie można przeprowadzić wiarygodnych pomiarów natężenia PEM urządzeniem zakupionym za kilkaset złotych.

Aby wyrobić sobie pogląd na temat ekspozycji na FEM, jaka może być związana z użyciem urządzeń telekomunikacyjnych codziennego użytku, rozważmy prosty przykład. Przy czym należy dobitnie pokreślić, że w naszych oszacowaniach będą poczynione poważne założenia upraszczające, które jednak w większości prowadzą do przeszacowania ekspozycji.

Oszacujmy potencjalną ekspozycję na PEM i jej skutek biologiczny na przykładzie typowego routera Wi-Fi, który działa w paśmie 2,4 GHz i wyposażony jest w antenę dookólną, tzn. że sygnał emitowany jest wokół anteny praktycznie równomiernie we wszystkich kierunkach.

Typowe routery pobierają z sieci zasilającej około 10 W energii elektrycznej. Jedynie niewielka część tej mocy jest emitowana przez urządzenie w postaci FEM, bo około 1%, czyli 0,1 W. Ponieważ router pracuje w paśmie częstotliwości 2,4 GHz (a więc powyżej 2 000 MHz, patrz Tabela 1), to dopuszczalny poziom gęstości mocy określony w rozporządzeniu Ministra Zdrowia z dnia 17 grudnia 2019 r. wynosi dla niego 10 W/m².

Przyjmijmy, że cała moc emitowana przez antenę rozprzestrzeniana jest równomiernie wokół niej. Oznacza to, że strumień energii wychodzący z anteny biegnie przez sfery o coraz większym promieniu oddalając się od anteny. Sfera o promieniu ~0,28 m ma pole powierzchni ~1 m². W takiej odległości od anteny poziom gęstości mocy będzie więc równy maksymalnie 0,1 W/m². W odległości 2,8 m (czyli 10-krotnie większej) gęstość mocy będzie aż 100 razy mniejsza (bo powierzchnia sfery zmienia się z kwadratem promienia, a więc będzie równa ~100 m²) i wyniesie 0,001 W/m². Idąc dalej, w odległości 28 m (czyli 100-krotnie większej) wyniesie tylko 0,00001 W/m² (będzie 100² = 10 000 razy mniejsza niż w odległości 0,28 m).

Warto zwrócić uwagę na powyższą obserwację i zapamiętać, że dla większości źródeł PEM gęstość mocy maleje bardzo szybko z odległością (maleje z jej kwadratem) i zmniejszenie odległości od źródła jest najłatwiejszym sposobem minimalizowania ekspozycji na czynnik, jakim jest PEM.

Spróbujmy oszacować, jaki byłby wzrost temperatury ciała człowieka o masie 80 kg i wzroście 180 cm, który stoi zwrócony twarzą do routera w odległości 2,8 m przez 10 godzin. Zakładamy, że cała przechodząca przez ciało człowieka energia niesiona wraz z FEM jest absorbowana w jego tkankach. Pole powierzchni skóry przy w/w wzroście i masie ciała wynosi około 2 m², a pole przekroju ciała przez który przechodzi strumień energii to połowa całkowitej powierzchni skóry, czyli 1 m². Oznacza to, że ciało absorbuje w ciągu jednej sekundy:

0,001 W/m² × 1 m² × 1 s = 0,001 J

energii niesionej przez FEM.

W ciągu jednej godziny jest to: 3600 × 0,001 J = 3,6 J,

a w ciągu 10 godzin ilość zaabsorbowanej energia wzrasta do: 10 × 3600 × 0,001 J = 36 J.

Załóżmy, że cała ta energia przekształcana jest na ciepło i powoduje wzrost temperatury ciała oraz, że całe ciało składa się z tkanki miękkiej i nie działają w organizmie mechanizmy termoregulacji. Aby podgrzać 1 kg tkanki miękkiej o 1°C potrzeba nieco mniej niż 3600 J (ciepło właściwe tkanki miękkiej wynosi 3500 J/kg/°C). Ponieważ przyjęliśmy, że uczestnik naszego eksperymentu waży 80 kg, to można łatwo obliczyć, że jego ciało ogrzeje się o:

Δt = 36 J / 3500 J/kg/°C / 80 kg.

Daje to wzrost temperatury na poziomie Δt ≈ 0,00013°C.

Taki byłby wzrost temperatury ciała przy przyjętych założeniach, ale w rzeczywistości będzie mniejszy, bo tylko część energii przechodzącej przez ciało jest w nim absorbowana. Nawet tak pesymistycznie oszacowany wzrost temperatury jest stale rekompensowany przez mechanizmy termoregulacji obecne w organizmie człowieka i w praktyce jest niemierzalny. Przypomnijmy, że termometry lekarskie mierzą temperaturę z dokładnością do 0,1°C, a naturalne różnice temperatur występujące w naszych organizmach mogą być znacznie większe. Już w stanie podgorączkowym temperatura ciała zwiększa się z 36,6°C do 37°C, czyli o 0,4°C. Temperatura dłoni może być niższa od tzw. temperatury głębokiej nawet o kilkanaście stopni Celsjusza.

Łatwo obliczyć, że aby uzyskać efekt mierzalny przy pomocy termometru lekarskiego (rozdzielczość 0,1°C) router Wi-Fi musiałby emitować około 770 razy większą moc, czyli 77 W. Przypomnijmy, że większość tego rodzaju urządzeń pobiera z sieci energetycznej jedynie około 10 W, a zgodnie z niewątpliwie obowiązującym prawem zachowania energii, nie może jej wyemitować więcej, niż pobrał.

Dodajmy, że ciało ludzkie emituje cały czas energię w postaci FEM z zakresu podczerwieni i w ciągu godziny w warunkach normalnych (przy temperaturze otoczenia rzędu 21°C) traci w ten sposób nieco mniej niż 300 000 J, a jest to tylko jeden z kilku procesów biorących udział w bilansie cieplnym ludzkiego organizmu. Warto zauważyć, że na co dzień mamy do czynienia z wieloma sytuacjami, w których organizmowi człowieka dostarczana jest znacznie większa ilość energii cieplnej, a organizm w procesach termoregulacji potrafi sobie z nimi doskonale poradzić. Za przykład możemy wziąć gorącą kąpiel lub seans w saunie suchej czy parowej. Temperatura w saunie suchej może wzrosnąć nawet powyżej 100°C. W sytuacji, kiedy temperatura otoczenia jest wyższa niż temperatura skóry, sytuacja się odwraca. To nie ciało emituje energię cieplną do otoczenia, ale otoczenie promieniuje je w kierunku ciała człowieka.

Fale elektromagnetyczne z zakresów jonizujących (X i gamma) stosowane są w medycynie w diagnostyce obrazowej i w terapii nowotworowej. Lecząc nowotwory przy pomocy promieniowania jonizującego wykorzystujemy jego negatywny wpływ na tkanki organizmu, co prowadzi do niszczenia tkanki nowotworowej. Badania obrazowe oparte na zastosowaniu promieniowania jonizującego traktowane są jako dodatkowe narażenie pacjenta na promieniowanie jonizujące i ich zastosowanie zawsze stanowi kompromis pomiędzy ryzykiem związanym z narażeniem na dawkę promieniowania jonizującego, a korzyścią prozdrowotną płynącą z prawidłowo postawionej diagnozy.

Inaczej sprawa ma się z promieniowaniem niejonizującym, a w szczególności radiowym (pomijamy w rozważaniach promieniowanie świetlne, czyli światło widzialne i podczerwień). Jedną z metod stosującą fale radiowe w diagnostyce jest tomografia rezonansu magnetycznego, która uznawana jest za metodę całkowicie bezpieczną i nieinwazyjną, o ile wykonywana jest bez podania środków cieniujących. Ciało ludzkie znajdujące się w silnym stałym polu magnetycznym naświetlane jest w tej metodzie falą radiową o odpowiednio dobranej częstotliwości. Energia tej fali akumulowana jest czasowo w jądrach atomów wodoru (w postaci wzbudzonych stanów energetycznych jądra), a następnie reemitowana. Falę radiową reemitowaną przez tkanki rejestruje się i poddaje analizie. Na podstawie tej analizy obliczane są pewne parametry opisujące właściwości tkanek, a następnie rozkłady tych właściwości prezentowane są w postaci obrazów ich rozkładów. Jedynym niepożądanym skutkiem zdrowotnym spodziewanym podczas badania w tomografii rezonansu magnetycznego jest ewentualne nadmierne nagrzewanie się badanych tkanek. Z tego powodu każdy tomograf rezonansu magnetycznego kontroluje potencjalne skutki termiczne badania, biorąc pod uwagę charakterystykę badania i budowę ciała pacjenta. Jeśli dopuszczalny SAR miałby być w badaniu przekroczony, to system sugeruje zmiany parametrów badania.

Zdolność FEM z zakresów radiowych do nagrzewania tkanki wykorzystywana jest w terapii. W fizykoterapii stosuje się tzw. diatermię krótkofalową i mikrofalową w celu wspierania terapii niektórych schorzeń układu kostno-szkieletowego. W diatermii krótkofalowej stosuje się falę radiową o częstotliwości 27,12 MHz, a w diatermii mikrofalowej o częstotliwości 2450 MHz. Obydwie metody opierają się na absorbcji energii niesionej przez FEM i prowadzącej do podgrzania tkanek. To zwiększona temperatura pewnych obszarów ma poprawiać proces ukrwienia i przyśpieszać proces leczenia. Rodzi się pytanie, dlaczego akurat te częstotliwości FEM są wykorzystywane w diatermii? Dzieje się tak dlatego, że w przypadku tych częstotliwości przekaz energii cząsteczkom wody jest szczególnie efektywny. Mówimy, że są to częstotliwości rezonansowe dla wody, tzn. takie, dla których cząsteczki wody szczególnie łatwo można wprowadzić w ruch drgający. Przy okazji widzimy, że zależność absorbcji energii niesionej przez FEM nie zależy w prosty i łatwo przewidywalny sposób od częstotliwości, a przynajmniej nie w całym jej zakresie. Monotonicznie rosnące lub malejące efekty można obserwować jedynie w pewnych zakresach częstotliwości. W wielu przypadkach nie można powiedzieć jednoznacznie, czy zwiększanie częstotliwości będzie prowadziło do zwiększenia absorbcji czy jej zmniejszenia i czy przez to również będzie bardziej czy mniej niebezpieczne dla ludzi.

Warto podkreślić tą obserwację dlatego, że w ogóle społeczeństwa funkcjonuje fałszywe przekonanie, że czym wyższa częstotliwość FEM wykorzystywanej w telekomunikacji, tym groźniejsze będą jej skutki zdrowotne. Być może jest to jedna z przyczyn szczególnie dużego oporu społecznego przed wprowadzeniem technologii 5G, która w założeniu ma wykorzystywać wyższe niż dotychczas częstotliwości.

Jak pokazaliśmy wyżej FEM stosowane są w terapii, więc skoro wykorzystujemy ich prozdrowotne działanie, to nie możemy równocześnie negować ich realnego wpływu na nasze organizmy. Pamiętajmy jednak, że skutki oddziaływania na organizm są związane z parametrami fali, przede wszystkim częstotliwością, ale również i może nawet w większym stopniu z natężeniem. Gęstości mocy stosowane w diatermii są bez porównania wyższe niż w telekomunikacji i dlatego obserwujemy jej efekty.

Jeśli chodzi o aspekty zdrowotne, które wiązane są z odziaływaniem FEM z organizmami ludzi, to najczęściej podnosi i bada się kwestie wpływu na układ nerwowy, zachorowalność na nowotwory i generowanie tzw. nadwrażliwości elektromagnetycznej.

Potencjalnie negatywny wpływ na układ nerwowy wiąże się z faktem, że działa on na zasadzie przewodzenia impulsów elektrycznych. Impulsy nerwowe są konsekwencją przepływu jonów przez błony komórkowe komórek nerwowych. Istnieje ryzyko, że szybkozmienne pole elektromagnetyczne może zaburzać przepływy jonowe, a tym samym prowadzić do zaburzeń potencjałów błonowych, a w konsekwencji zaburzać funkcjonowanie układu nerwowego. Prawdą jest, że może do tego dochodzić, ale przy znacznie większych natężeniach pola niż te, które stosowane są w przypadku telekomunikacji.

Odzwierciedleniem obaw związanych z wpływem FEM z zakresu radiowego na zwiększoną zachorowalność na nowotwory, a w szczególności nowotwory mózgu, jest zakwalifikowanie fal radiowych wysokich częstotliwości do grupy 2B czynników kancerogennych przez Międzynarodową Agencję Badań nad Rakiem, IARC (ang. International Agency for Research on Cancer). Celem IARC, która jest agencją działającą w ramach WHO, jest badanie kancerogennego charakteru różnego rodzaju czynników środowiskowych. Członkowie IARC na podstawie analizy doniesień naukowych określają jakościowo, jak wysokie jest prawdopodobieństwo, że analizowany czynnik jest rakotwórczy. Do kategorii oznaczonej jako Grupa 1 kwalifikowane są czynniki, co do których nie ma wątpliwości, że są rakotwórcze (np. promieniowanie jonizujące, azbest, konsumpcja przetworzonego mięsa). Takich czynników jest obecnie 121. Grupa 2, to czynniki, które mogą być potencjalnie rakotwórcze, ale dowody na ich rakotwórczość nie są do końca przekonywujące. Grupę 2 podzielono na dwie podkategorie: Grupę 2A i Grupę 2B. Do Grupy 2A należą czynniki, co do których przesłanki o ich kancerogennym charakterze są mocniejsze. Zalicza się do niej 93 czynniki. Przykładowo jest to spożywanie czerwonego mięsa czy przebycie malarii, ale również picie gorących napojów.

Grupa 2B, to grupa, co do której dowody na ich kancerogenny charakter są mało przekonujące. Tutaj obok PEM z zakresów radiowych znajdziemy np. kwas kawowy, ekstrakt z liści aloesu albo implantowanie ciał obcych zawierających niektóre metale, czyli np. kolczyki zawierające chrom, nikiel, tytan, lub stal nierdzewną.

Ostatnią kategorię, tj. Grupę 3, stanowią czynniki, które nie mogą być kwalifikowane jako rakotwórcze i do tej grupy należą m.in. FEM o niskich częstotliwościach.

Nie potwierdzono związku pomiędzy narażeniem na FEM a zachorowalnością na nowotwory. Brakuje tutaj również wiarygodnego mechanizmu, który wiązałby absorbcję energii fal z powstawaniem choroby nowotworowej. Efekty cieplne mogą mieć co najwyżej wpływ na szybkość rozwoju choroby, natomiast mało prawdopodobne jest, aby były jej bezpośrednią przyczyną. Pamiętajmy, że ekspozycja na FEM emitowaną w telekomunikacji prowadzi do pomijalnych wzrostów temperatury, które wyrównywane są niemal natychmiast przez procesy termoregulacji organizmu, niemniej jednak należy tutaj zwrócić uwagę na następujące aspekty. Każdy proces biochemiczny (a procesy prowadzące do powstania i rozwoju tkanki nowotworowej są właśnie takimi procesami) zależy od temperatury, zwiększenie temperatury powoduje wzrost szybkości tych procesów. Niektórzy naukowcy zadają na przykład pytanie, czy oddziaływanie FEM na poziomie komórkowym nie zaburza na tyle mechanizmów eliminacji wolnych rodników w komórce, żeby w sposób znaczący przyśpieszać proces nowotworowy. Zauważmy, że wolne rodniki, które zawsze są naturalnym produktem przemiany materii w każdej komórce (ale mogą być też efektem działania np. promieniowania jonizującego) są najczęściej cząsteczkami posiadającymi ładunek elektryczny, a jak wiemy PEM może oddziaływać na takie cząsteczki.

Ostatnim aspektem zdrowotnym, na który chcemy tutaj zwrócić uwagę jest nadwrażliwość na PEM. Zjawisko to związane jest z FEM nie tylko z zakresów radiowych, ale z całego zakresu częstotliwości, również niskich. Wbrew obiegowej opinii, osoby postrzegające się jako wrażliwe na PEM chyba częściej nawet wiążą swoje objawy z oddziaływaniem urządzeń codziennego użytku będących raczej źródłem FEM o częstotliwości 50 Hz, niż z urządzeniami telekomunikacyjnymi.

Nadwrażliwość na pola elektromagnetyczne jest jednym z postulowanych problemów zdrowotnych związanych z wpływem pola elektromagnetycznego charakteryzującego się niską gęstością mocy. Zjawisko to według wytycznych WHO prawidłowo powinno się określać, jako idiopatyczną nietolerancję środowiskową przypisywaną polom elektromagnetycznym IEI-EMF (ang. Idiopathic Environmental Intolerance Attributed to Electromagnetic Fields). „Nadwrażliwość elektromagnetyczna” albo „nadwrażliwość na PEM” to potoczne nazwy tego zjawiska. IEI-EMF wiąże się z występowaniem licznych niespecyficznych objawów, które przez osoby dotknięte tym zespołem przypisane są ekspozycji na EMF różnorodnego pochodzenia i o różnej charakterystyce. Etiologia zjawiska nie jest znana, stąd określenie „idiopatyczna”. Współczesna medycyna opisuje w ten sposób również inne zjawiska zdrowotne, których podłoże jest niejasne lub nieznane, jak na przykład fibromialgię, czy młodzieńcze reumatoidalne zapalenie stawów. Tego rodzaju schorzenia ze względu na niewyjaśnione przyczyny ich powstawania leczy się objawowo.

IEI-EMF wiąże się z objawami niespecyficznymi, czyli takimi, których nie można przypisać do jednej konkretnej jednostki chorobowej. Osoby dotknięte IEI-EMF najczęściej zgłaszają: ból głowy; ogólne zmęczenie; objawy związane z centralnym układem nerwowym, takie jak problemy z koncentracją, pamięcią, uczeniem się, dezorientacja; problemy ze snem, zasypianiem, nocne wybudzenia, ale też i senność; często są to objawy określające stany lękowe, niepokój, irytację; problemy z układem krążenia, jak podwyższone, albo obniżone ciśnienie, zwiększone, albo obniżone tętno, kołatanie serca. Różnorodność zgłaszanych objawów przypisywanych działaniu PEM jest duża. Niekiedy są to objawy przeciwstawne, chociaż odnoszone do tej samej przyczyny. Niektórzy pacjenci zgłaszają senność, podczas, gdy inni problemy z zasypianiem, jedni skarżą się na podwyższone ciśnienie krwi, a inni na jego spadek. Najczęściej objawy są trudne do obiektywnej diagnozy i ich występowanie oparte jest jedynie na wywiadzie z pacjentem.

Przyczyną IEI-EMF może być realny wpływ FEM na organizm człowieka, ale wiele wskazuje na to, że u podstaw tego zjawiska leży mechanizm psychologiczny. Może on polegać na tym, że osoby przekonane o negatywnym wpływie pola przypisują mu wywoływanie odczuwanych dolegliwości, a u podstaw takiego przekonania leży obawa przed zjawiskiem, którego nie rozumieją. Stres związany ze strachem przed FEM, która przecież alternatywnie może być określana jako promieniowanie elektromagnetyczne, prowadzi do powstania realnych objawów psychosomatycznych. Tezę taką wydają się potwierdzać badania prowokacyjne przeprowadzane w kontrolowanych warunkach w formie badania z podwójnie ślepą próbą. Badania takie polegają na poddawaniu osób podejrzewanych o nadwrażliwość działaniu pól elektromagnetycznych albo symulowanie takiej ekspozycji, podczas gdy osoba badana i osoba prowadząca badanie nie wie, czy ma do czynienia z realną, czy pozorowaną ekspozycją. Okazuje się, że osoby uznające się za nadwrażliwe nie są w stanie określić, kiedy ekspozycja jest realna, a kiedy pozorowana. Ponadto zwykle określają swoje samopoczucie jako gorsze nie wtedy, kiedy ekspozycja jest realna, a wtedy, kiedy wydaje im się, że ma ona miejsce.

Nie istnieją wiarygodne metody diagnozy IEI-EMF, a kwalifikacja pacjentów do grupy osób nadwrażliwych odbywa się w istocie na zasadzie samodefinicji. Stwarza to poważne problemy w diagnostyce i leczeniu takich pacjentów, ale również w badaniach naukowych nad IEI-EMF. Podstawowym problemem jest zdefiniowanie grupy osób nadwrażliwych na PEM i grupy kontrolnej, do której osoby nadwrażliwe mają być porównywane. Przypuszczalnie problem ten jest m.in. przyczyną dużych dysproporcji w częstotliwościach występowania IEI-EMF określanych w różnych badaniach naukowych. Dotychczasowe badania częstotliwości występowania zjawiska prowadzone w innych krajach pozwalają ją oszacować na poziomie pomiędzy ok. 1% a 14% społeczeństwa. Tak duże dysproporcje mogą wynikać z rzeczywistych różnic pomiędzy badanymi populacjami, ale mogą być też efektem przyjętych w badaniach kryteriów identyfikacji osób nadwrażliwych.

Przesłankami za psychologicznymi źródłami IEI-EMF są głównie wielorakość, niespecyficzność i nieobiektywny charakter objawów, wiązanie ich powstawania z ogromną różnorodnością źródeł PEM oraz wyniki badań z podwójnie ślepą próbą.

Nie ulega wątpliwości, że jakkolwiek by je nazywać, to fale elektromagnetyczne (pola elektromagnetyczne, promieniowanie elektromagnetyczne), oddziałują na organizm człowieka. Działania tego nie można negować, ponieważ nie można negować faktu, że w jego wyniku układowi – jakim jest organizm – przekazywana jest energia. Jakiekolwiek efekty zdrowotne muszą być konsekwencją tego transferu, gdyż dodatkowa energia w układzie prowadzi do reakcji biochemicznych, albo zmiany szybkości tych reakcji, a to z kolei może mieć już konsekwencje zdrowotne.

Konsekwencje takie zależą od mechanizmów fizycznych związanych z ekspozycją i ilości dostarczonej energii. W przypadku FEM z zakresów radiowych w pierwszej kolejności dochodzi do podwyższenia temperatury tkanek. Przy natężeniach FEM na niskim poziomie zmiany te są nieistotne i są rekompensowane przez mechanizmy termoregulacji.

Prowadzi to do wniosku, że aby korzystanie z komunikacji bezprzewodowej opartej o zastosowanie fal radiowych było bezpieczne, to urządzenia radiokomunikacyjne muszą emitować takie gęstości mocy, aby skutki termiczne były dla naszych organizmów zaniedbywalne. Jeśli instalacje radiokomunikacyjne i urządzenia biorące udział w komunikacji spełniają te warunki, to przy obecnym stanie wiedzy nie ma podstaw do obaw.

Podstawą bezpieczeństwa w kontekście stosowania pola elektromagnetycznego jest więc stworzenie i utrzymanie takiego stanu prawnego, w którym bezpieczne limity będą skutecznie kontrolowane i przez to dotrzymywane.