modelli di calcolo dell`inquinamento elettro

Massimo De Chiara
Via della Quercia, 94- 84080 Capezzano (SA)
Tel. ++39 089272105 E-Mail: massimo [email protected]
Tesi di Laurea in Ingegneria, Università degli Studi di Salerno
Relatore Prof. Antonio Piccolo
MODELLI DI CALCOLO DELL'INQUINAMENTO ELETTROMAGNETICO
PRODOTTO DA SORGENTI IN ALTA FREQUENZA
(CALCULATION MODELS OF ELECTROMAGNETIC POLLUTION
PRODUCED BY HIGH FREQUENCY SOURCES)
Sommario: la crescita costante nell'ambiente urbano e suburbano di installazioni di
impianti che utilizzano i campi elettromagnetici in alta frequenza (stazioni radioTV, stazioni radiobase per la telefonia mobile) induce
nella popolazione notevoli preoccupazioni.
Questo studio suggerisce alcuni criteri per
calcolare il campo in alta frequenza a seconda della distanza fra l'impianto trasmittente e
il punto di osservazione e a seconda dell'ambiente in cui si considera l'irradiazione.
Abstract: in urban and suburban
environment, the constant growth of high
frequency installations (such as base stations
for mobile communication or radio TV
stations) leads a lot of troubles in the resident
people. This article suggests some models to
calculate high frequency electromagnetic
fields in according to the distance between
the trasmitter antenna and the observation
point and in according to the irradiation
environment.
La presenza di campi elettromagnetici nell'ambiente è da considerarsi un elemento preoccupante, per almeno tre ordini di motivi:
omologazione (che rientrano nella cosiddetta
compatibilità elettromagnetica) che mirano a
scongiurare per quanto possibile tali eventualità.
· Infine c'è il sospetto che esposizioni prolungate ("croniche") di individui a campi elettrici od elettromagnetici anche di livello molto basso, assai inferiore a quello necessario a provocare effetti acuti possano provocare conseguenze
sanitarie molto gravi. Il sospetto è un po' più radicato nella regione delle bassissime frequenze
(50/60 Hz), dove un grande numero di studi
epidemiologici (per altro in parte controversi)
sembrano evidenziare l'esistenza di una debole
associazione tra esposizione al campo magnetico e insorgenza di alcune forme tumorali soprattutto infantili (leucemie). Nel campo dell'alta frequenza (100 KHz - 300 GHz) sono stati fatti ancora pochi studi in merito; tuttavia non è difficile
capire come la vicinanza, ad esempio, di ripetitori radiotelevisivi o stazioni radio base per la
telefonia cellulare possa essere fonte di preoccupazione per la popolazione esposta alle onde elettromagnetiche emanate da tali apparati.
Per tutti questi motivi (ma soprattutto per
· Innanzi tutto è possibile che, quando le intensità dei campi superano determinati livelli, possono esservi notevoli conseguenze sanitarie per
gli organismi biologici esposti anche per brevi
periodi di tempo (esposizioni "acute"). Contro
questa eventualità sono state stabilite rigide norme di sicurezza, che specificano i livelli massimi
ammissibili (20 V/m e 0,05 A/m rispettivamente
per il campo elettrico e per il campo magnetico
nell'intervallo che va da 3 MHz a 3 GHz) nell'ambiente o nei luoghi di lavoro affinché queste conseguenze non si verifichino.
· In secondo luogo esiste la possibilità che
campi elettromagnetici anche di modesta intensità possano disturbare il funzionamento di
apparecchiature elettroniche il cui disservizio può
causare un danno, o un disagio più o meno grande per un singolo, o per la comunità. Esistono
anche in questo caso delle norme di sicurezza e
procedure internazionali di verifica ed
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NOTE
TESI PREMIATA CON LA TARGA INPRAT 2001
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NOTE
l'ultimo di essi, per quanto ancora non è stata ancora provata una relazione di causa-effetto nel
campo delle alte frequenze), esiste nella popolazione una notevole sensibilità verso i possibili rischi derivanti dall'esposizione ai campi elettromagnetici, che ha reso necessario attivare istituzioni
(es. ANSI/IEEE, CENELEC, ICNIRP) espressamente deputate a tenere sotto controllo questo
agente fisico potenzialmente pericoloso.
Per potere valutare i livelli di campo elettromagnetico in un determinato ambiente o intorno
ad una data sorgente (e quindi valutare il potenziale rischio a cui è sottoposta la popolazione residente nelle vicinanze) occorre realizzare campagne di misura oppure applicare dei metodi teorici (analitici o numerici).
Questi ultimi, quando applicabili ( il che richiede situazioni schematizzabili in modo sufficientemente semplice), risultano più rapidi, pratici, ed economici delle campagne di misura. Un
esempio è la formula dello spazio libero[1]
(E=
30 PG
, con E campo elettrico ricevuto, P
d
potenza irradiata in W, G guadagno in potenza
dell'antenna nella direzione considerata, d è la
distanza fra il centro elettrico dell'antenna e il
punto di osservazione) che può essere utilizzata
Regione
reattiva
Modelli
adottabili
60
Modello a terne
di onde sferiche
per distanze dall'antenna superiori a 5λ, dove λ è
la lunghezza d'onda della radiazione trasmessa.
Tale formula è molto approssimativa in quanto
non considera le caratteristiche di conduttività del
terreno, assimila l'antenna come una sorgente
puntiforme collocata nel centro elettrico della stessa e trascura i contributi dell'onda riflessa e dell'onda di superficie.
Un modello più accurato, utilizzabile per
valutare il campo elettromagnetico irradiato da
una stazione radio base, ad esempio, consiste nel
suddividere l'antenna presa in considerazione in
tanti sottoelementi considerando l'insieme dei
sottoelementi come un array uniforme.
Grazie al principio di sovrapposizione degli
effetti, è possibile calcolare il campo totale in un
punto come la sovrapposizione di tutti i differenti
contributi originati da ogni singolo sottoelemento.
Tale modello prende il nome di modello a diagrammi di radiazione parziali proprio perché sfrutta i diagrammi di radiazione di ogni singolo componente dell'array.
La validità di questo modello comincia già
per distanze dall'antenna superiori a 3 λ; il vantaggio notevole di questo modello consiste nel
fatto che la condizione di campo lontano deve
essere soddisfatta per il singolo sottoelemento e
quindi risulta verificata ad una distanza molto ridotta rispetto alla classica condizione di campo
Regione
intermedia
Regione
lontana
Modello a
diagrammi
parziali
Formula del
campo libero
Algoritmo di
ray-tracing
Algoritmo di
ray-tracing
Modello
a terne di
onde
sferiche
Modello
a terne di
onde sferiche
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MODELLI DI CALCOLO DELL'INQUINAMENTO ELETTROMAGNETICO
PRODOTTO DA SORGENTI IN ALTA FREQUENZA
(CALCULATION MODELS OF ELECTROMAGNETIC POLLUTION PRODUCED BY HIGH FREQUENCY SOURCES)
lontano ( r >
2D 2
, con r la distanza tra l'antenna
λ
trasmittente ed il ricevitore e D la massima dimensione dell'antenna in questione).
Lo spazio che circonda un'antenna è di solito suddiviso in tre regioni sebbene le transizioni
attraverso esse siano graduali e non esistano confini ben definiti [2].
Esse si possono identificare essenzialmente
nella:
a) Regione di campo vicino reattivo, comunemente identificata per una distanza
D3
λ
con D dimensione max dell’antenna
b) regione di campo vicino radiativo o di
D3
2D 2
a R<
λ
λ
c) regione di campo lontano o di Fraunhofer
Fresnel da R > 0,62
per R >
2D 2
λ
Ogni modello è utilizzato solo ad una certa
distanza dal trasmettitore.
Nel modello a terne di onde sferiche di
Schelkunoff:
Fig.2 Array lineare in coordinate sferiche.
Il campo irradiato da un dipolo di lunghezza d è dato dalla somma dei campi irradiati da tre
sorgenti di onde sferiche (vedi fig.1) [3].
Questo modello permette di valutare il campo anche nella regione reattiva perché non si basa
sul calcolo dei diagrammi di radiazione.
·Nel modello a diagrammi parziali si considerano l'antenne delle SRB (stazioni radiobase)
come array uniformi [4].
Il metodo proposto in questa sede sviluppa
il calcolo del campo elettromagnetico irradiato
in zona vicina e lontana dell’antenna in esame
considerando soltanto i diagrammi di radiazione
in campo lontano e la lunghezza dell’antenna.
I livelli di campi calcolati con il metodo proposto sono stati confrontati con quelli calcolati
con il NEC2 (numerical elettromagnetic code).
Assumendo che la funzione guadagno d’antenna sia rappresentata in coordinate sferiche
(vedi fig.2) come segue:
G (θ ,ϕ ) = GM Dv (θ ) DH (ϕ )
dove G M è il massimo guadagno dell'antenna
e
Dv (θ ) e D H (ϕ )
Fig.1 Geometrie di riferimento per le tre sorgenti di onde
sferiche.
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sono i diagrammi di radiazione nel piano
verticale e orizzontale, rispettivamente,
61
NOTE
R < 0 ,62
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il campo elettrico irradiato risulta essere il seguente:
E ( R ,θ ,ϕ ) ≅
30 PG ( θ , ϕ )
R
per R > 2L λ dove P è la potenza d'ingresso,
L è la massima delle dimensioni dell'antenna e λ
è la lunghezza d'onda.
Sfortunatamente questa formula non è sempre applicabile alle antenne di stazioni radio base,
perché la zona di campo lontano dovrebbe essere
a più di 40 m, mentre le postazioni delle antenne
sono spesso a meno di 10 m dalle abitazioni.
Comunque, assumendo che le antenne radio base sono degli array uniformi, può essere
ottenuta una buona stima del campo vicino
(radiativo) irradiato da un antenna come una combinazione dei campi irradiati in zona lontana da
ogni elemento dell'array.
In questo caso la validità del campo calcolato comincia approssimativamente per R> 3λ; il
vantaggio notevole di tale metodo è, come detto,
dato dal fatto che la condizione di campo lontano
deve essere soddisfatta per il singolo
sottoelemento e quindi risulta verificata ad una
distanza molo ridotta rispetto alla classica condizione di campo lontano.
Il campo elettrico è
NOTE
2
E ( R ,θ ,ϕ ) ≅
N
∑
30PGe (θ i,ϕi )
Ri
i =1
exp( − jφi ) pˆ (θi ,ϕ i )
(1)
dove
G e ( θ , ϕ ) = G M D Ve ( θ ) D He ( ϕ )
e
N
2π
Ri
λ
numero
1
N
φ i = ( i − 1 )φ +
indica
il
di
elementi
dell' array, [ Ri ,θ i , ϕ i ] è la coordinata sferica del
sistema centrato all'i-esimo elemento dell' array;
Dve (θ ) e DHe (ϕ )
sono i diagrammi di
radiazione, rispettivamente, degli elementi nel piano orizzontale e verticale;
pˆ (θ , ϕ ) è il vettore polare dell'i-esimo elemento
e φ è la differenza di fase fra i coefficienti
degli elementi irradianti.
Tra il NEC e il presente modello c'è accordo
già a distanza di alcune lunghezze d'onda dall'antenna (vedi fig.3 e 4).
In un ambiente urbano, la formula dello spazio
Fig.3 Livelli di campo elettrico nel piano verticale
---- NEC (numerical elettromagnetic code)
__ modello a diagrammi parziali
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PRODOTTO DA SORGENTI IN ALTA FREQUENZA
Fig.4 Livelli di campo elettrico nel piano orizzontale
libero tende a sottostimare i livelli di campo elettrico
ricevuto; ciò è dovuto alla presenza di ostacoli (edifici, alberi, automobili) attorno all'antenna trasmittente
che determinano riflessioni, trasmissioni, diffrazioni.
Per non trascurare il loro contributo in termini
di ampiezza e fase al campo elettrico nel luogo di
ricezione occorrerebbe procedere con un algoritmo
di ray-tracing.
Sotto le assunzioni della GTD (Teoria Geometrica della Diffrazione), infatti, in alta frequenza la propagazione viene descritta con dei raggi
che si possono riflettere, trasmettere, diffrangere
a causa di ostacoli.
Ogni ostacolo deve essere descritto dalle sue
proprietà elettromagnetiche (costante dielettrica,
permeabilità magnetica, conduttività) ed è assunto essere omogeneo.
Il campo totale è ottenuto come la somma
vettoriale di tutti i contributi corrispondenti a tutti
i raggi che arrivano al ricevitore dopo un certo
numero di interazioni (riflessioni, trasmissioni,
diffrazioni) con gli ostacoli.
Si evince, quindi, come sia importante considerare anche l'ambiente nel quale avviene la
propagazione elettromagnetica.
In aperta campagna (dove cioè non ci sono
ostacoli, a parte la riflessione del terreno) per calcolare i livelli di campo elettromagnetico ricevuto si po-
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trà adottare la formula dello spazio libero; in città,
invece, per non sottostimare i livelli di campo ricevuto, occorrerà procedere con un differente approccio
(es. ray-tracing).
Gli ampi studi epidemiologici condotti in
numerosi Paesi hanno evidenziato correlazioni
con neoplasie e principalmente con leucemia,
linfoma e tumori cerebrali; tali correlazioni, però,
sono spesso solo debolmente positive, molti studi hanno invece dato risultati negativi.
La quota possibile, infatti, di tumori indotti
appare molto bassa e per poterla evidenziare con
sicurezza occorrono studi su popolazioni di grande numerosità e con una valutazione accurata dei
fattori di confondimento (legati allo stile di vita,
quali ad esempio il fumo o fattori ambientali).
È sbagliato, comunque, dire: non esiste un
danno evidente dunque niente danno; il principio di precauzione è indispensabile per
l'elettrosmog come per gli Ogm(organismi
geneticamente modificati).
Giustamente, è stato rilevato che troppa ricerca si concentra su ciò che ha immediato ritorno in termini di profitto senza indagare sui pericoli a lunga scadenza: basti pensare alla vicenda relativa alla "mucca pazza".
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NOTE
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NOTE
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