Effets biologiques des ondes électromagnétiques (OEM)
Pénétration des OEM dans les tissus vivants - La conductivité électrique
Le comportement d'une onde qui frappe une surface matérielle va dépendre d'une propriété particulière de la matière dont est constituée cette surface :
- Si la matière est parfaitement conductrice de l'électricité, l'onde incidente va être totalement réfléchie avec 2 conséquences :
- il n'y aura pas pénétration de l'onde dans la matière,
- il n'y aura pas de dépôt d'énergie dans la matière.
- Si la matière est parfaitement isolante, l'onde incidente va être totalement transmise avec 2 conséquences :
- il y aura traversée de l'onde sans intéraction avec la matière,
- il n'y aura pas non plus de dépôt d'énergie dans la matière.
Dans les 2 cas, il n'y aura pas d'échauffement de la matière ou d'autres effets consécutifs à un dépôt d'énergie.
Le caractère conducteur électrique ou isolant d'une matière est quantifiée par une grandeur physique appelée "conductivité électrique". Cette grandeur est désignée par la lettre \( \sigma \) et l'unité avec laquelle on l'exprime est le siemens par mètre.
L'inverse de la conductivité électrique est la "résistivité". Elle est désignée par la lettre \( \rho \) et s'exprime en ohms-mètres.
On a :
$$
\sigma_{(S/m)} = {1\over {\rho_{(\Omega.m)}}}
$$
Selon les matières, la conductivité varie dans des proportions absolument gigantesques. A titre d'exemple :
• Pour les supraconducteurs (ex. l'alliage de niobium et d'étain avec \( T \lt 18 K \) ) : \( \sigma = \infty S/m \).
• Pour les bons conducteurs (or, cuivre, aluminium...) : \( \sigma \geq 10^ 7 S/m \).
• Pour les bons isolants (plastiques, verres...) : \( \sigma \leq 10^ {-17} S/m \) et même jusqu'à \( 10^ {-20} S/m \) (polystyrène).
• Pour le vide parfait : \( \sigma = 0 S/m \)
La composition chimique des tissus biologiques humains est complexe et variée. Elle se compose majoritairement d'eau (65% en masse pour un adulte), de protéines, de lipides, de glucides, de sels minéraux... et leur conductivité électrique les situe entre les conducteurs et les isolants. Cette conductivité varie notamment en fonction de la nature de ces tissus (sang, muscle, os, graisse...) et de la fréquence de l'onde ou du courant appliqué.
Selon les tissus, la conductivité électrique varie approximativement entre 0,1 S/m et 1 S/m.
De ce fait, les ondes qui frapperont ces tissus ne seront pas réfléchies à leur surface. Elles ne traverseront pas non plus librement ces tissus mais elles seront absorbées, c'est-à-dire qu'elles pénétreront plus ou moins profondément dans la matière vivante en intéragissant avec celle-ci et en y déposant de l'énergie qui provoquera, notamment, un échauffement des tissus.
Caractéristiques des ondes émises par les téléphones portables
Les bandes de fréquences utilisées par les téléphones portables vont de 800 MHz à 2,6 GHz environ. A ces fréquences, les ondes se propagent pratiquement en ligne droite, comme la lumière, les ondes de la télévision ou les ondes radar.
Pour des raisons bien faciles à comprendre, les antennes installées dans les téléphones portables sont omnidirectionnelles. En effet, lorsqu'on utilise un téléphone, il n'est pas nécessaire de s'orienter en direction du relais avec lequel le téléphone communique (contrairement à une antenne de télévision, que ce soit satellite ou TNT, qui doit être orientée précisément dans la direction de l'émetteur). D'ailleurs, la plupart du temps, on ignore où se situe ce relais et on ne s'en préoccupe absolument pas !
De ce fait, la quasi totalité de l'énergie radioélectrique est émise en pure perte par le portable et seule une partie absolument infime atteint l'antenne du relais et permet la communication.
Le rayonnement a donc lieu dans toutes les directions, et notamment vers la tête de l'utilisateur dont l'oreille est collée au boîtier du portable et donc à son antenne.
Parfois, les OEM peuvent avoir à traverser la boîte crânienne de l'utilisateur (et/ou celle de son voisin !) pour atteindre le relais (et vice-versa).
Une expérience peut être réalisée pour s'en convaincre : en vue de l'antenne d’un relais, se tourner pour que le mobile soit à l’opposé du relais. On constate que la communication n’est pas altérée… En effet, si besoin et à votre insu, le téléphone et le relais augmentent de concert leurs niveaux d’émission pour compenser l’atténuation provoquée par l'énergie dissipée dans votre cerveau ! Bien que la réalité puisse être plus complexe (dans certains cas, il peut y avoir réflexion imparfaite d'une partie des ondes sur des objets voisins conducteurs...), cette vision schématique constitue une très bonne représentation de la transmission des ondes entre un téléphone portable et l'antenne d'un relais.
Intéractions des ondes émises par les téléphones portables avec le corps de l'utilisateur
La manière dont les ondes émises par les téléphones portables intéragissent avec les tissus constituant la tête de l'utilisateur, et notamment la profondeur de pénétration, ont fait l'objet de quantité d'études, de simulations et d'animations. On peut retenir ce dessin de l'IEEE :
Il est couramment admis que, compte tenu de la conductivité des tissus biologiques, la profondeur de pénétration des OEM dans le corps humain est comparable à leur longueur d'onde. Soit, pour les téléphones portables, selon les standards et les bandes des fréquences de 800 MHz à 2,6 GHz, des longueurs d'ondes de 37 cm à 11 cm, sachant que l'onde est d'autant plus atténuée que la profondeur de pénétration est importante. Compte tenu de ces éléments, on peut considérer que le dessin de l'IEEE indique la zone où l'irradiation est vraiment la plus forte, sachant que les tissus voisins sont aussi irradiés, mais dans une moindre mesure.
Le pourcentage de l'énergie émise par le portable qui irradie la tête de l'utilisateur peut être estimé en appréciant la valeur de l'angle solide \( \Omega \) du cône représenté sur la figure ci-contre.
On voit que l'angle plan au sommet du cône \( \Theta \) (mesurable avec un rapporteur) fait environ 132 degrés, ce qui correspond à 2,3 radians.
On passe de la valeur de l'angle plan au sommet d'un cône ( \( \Theta \) en radians) à la valeur de l'angle solide de ce cône ( \( \Omega \) en stéradians) par la relation suivante :
$$
\Omega_{(sr)} = {2. \pi . (1 - \cos( {\Theta_{(rad)} \over2}))}
$$
Soit :
$$
\Omega_{(sr)} = {2. \pi . (1 - \cos( {2,3 rad \over2}))} = 3,73 sr
$$
Sachant que l'on peut considérer le rayonnement du portable comme étant isotrope (voir infra), celui-ci se répartit uniformément dans un angle solide de 4 \( \pi \) stéradians correspondant à une sphère complète.
Le pourcentage de l'énergie émise par le portable qui est dirigée vers la tête de l'utilisateur sera le suivant :
$$
P_{tete} = {{100\times3,73 }\over{4.\pi} } = 29,7 \%
$$
On voit donc que, lors de l'utilisation habituelle d'un téléphone portable, près du tiers de l'énergie électromagnétique émise par ce dernier est dirigée vers la tête de l'utilisateur et sera, en grande partie, absorbée par celle-ci.
Cette valeur peut varier selon que le portable est plus ou moins pressé contre l'oreille (dans la figure ayant servi de base au calcul, il n'est pas vraiment appuyé) et aussi selon son épaisseur qui pourra éloigner l'antenne de quelques millimètres (mais les portables et smartphones modernes sont de plus en plus fins et compacts...).
Dans le pire des cas (portable pressé et coincé entre la tête penchée, l'épaule et le bras de l'utilisateur), l'angle plan au sommet du cône \( \Theta \) peut atteindre 180 degrés, ce qui correspond à \( \pi \) radians. Le cône dessiné ci-dessus s'aplatit alors et l'angle solide atteint 2 \( \pi \) stéradians. Dans ce cas, la moitié de l'énergie radioélectrique émise par le portable est dirigée vers la tête de l'utilisateur.
Cette situation peut être encore aggravée par le mécanisme d'ajustement automatique des puissances d'émission du téléphone et du relais qui vise à garantir (autant que faire se peut) la qualité de la transmission. Ce mécanisme va, en effet, provoquer une augmentation des puissances d'émission pour compenser les pertes dues à l'énergie dissipée dans les tissus biologiques.
On peut remarquer que, lorsque le kit mains libre est utilisé mais que le portable est placé dans une poche intérieure, à quelques mm du corps, on se trouve systématiquement dans le cas de figure ci-dessus, donc avec 50 % de la puissance d'émission dissipée dans les tissus biologiques, mais dans une autre partie du corps. Dans ce cas (kit mains libres), pour diminuer considérablement l'irradiation du corps, il faudrait tenir le portable à bout de bras, au dessus de sa tête, ce qui n'est pas très pratique !
Où passe l'énergie radioélectrique émise par le téléphone lors d'une communication ?
Dans une situation de communication donnée, les conditions de transmission du signal entre les antennes sont très voisines dans le sens montant (téléphone vers relais) et dans le sens descendant (relais vers téléphone). On peut considérer que la sensibilité du relais en réception est au moins aussi bonne que celle du téléphone (en réalité, elle est bien meilleure, notamment du fait du gain de l'antenne du relais qui est une conséquence de sa directivité).
On considère le cas où la communication est encore assez bonne, mais à la limite d'une barre de niveau affichée sur l'écran du téléphone, donc avec un niveau de puissance reçue par l'antenne du téléphone de l'ordre de -113 dBm, soit 5 femto Watt. L'antenne du relais reçoit une puissance du même ordre de grandeur (mais en réalité inférieure).
Comme on est en limite de réception, le téléphone émet avec sa puissance crête maximum, soit 2 W ou 33 dBm.
Dans ces conditions, la puissance des OEM émises par le téléphone (33 dBm) se répartissent de la manière suivante :
- 70 % (31,5 dBm ou 1,4 W) est envoyée, en pure perte, dans l'espace ou vers des personnes voisines qui vont l'absorber, en grande partie,
- 30 % (28,7 dBm ou 0,6 W) est dirigée vers le corps de l'utilisateur (boîte crânienne, épaule, main,...) qui va l'absorber, en grande partie,
- 0,000 000 000 000 25 % (-113 dBm ou 5 fW) est captée par l'antenne du relais et permet la communication (en réalité moins, comme vu ci-dessus).
Si on se place dans le pire des cas évoqué ci-dessus :
- 50 % (30 dBm ou 1 W) est envoyée, en pure perte, dans l'espace ou vers des personnes voisines qui vont l'absorber, en grande partie,
- 50 % (30 dBm ou 1 W) est dirigée vers le corps de l'utilisateur (boîte crânienne, épaule, main ou thorax...) qui va l'absorber, en grande partie,
- 0,000 000 000 000 25 % (-113 dBm ou 5 fW) est captée par l'antenne du relais et permet la communication (en réalité moins, comme vu ci-dessus).
Le cas de la "5G" - aspects techniques et économiques
Les premiers réseaux 5G ont été mis en place dans le monde en 2019. Cette nouvelle norme sera intensément déployée dans les années qui viennent.
Du point de vue de l'utilisateur, elle se traduit par un débit instantané qui atteint 10 gigabits par seconde (10 fois plus que la 4G) et un temps de latence qui descend à 2 ms (contre 20 à 40 ms en 4G). Si ces caractéristiques permettront à des applications industrielles de voir le jour, l'intérêt pour le particulier est beaucoup moins évident. Il n'y verra, tout au plus, qu'une 4G "améliorée".
Les enjeux économiques liés au déploiement de cette norme sont gigantesques. Des milliards d'euros sont en jeu, dans chaque pays, rien que pour l'attribution des bandes de fréquences aux opérateurs !
Les caractéristiques techniques (voir ci-dessous) de cette norme 5G présentent une rupture par rapport à celles de la norme 4G avec des effets sur l'organisme humain qui sont inconnus et qui ne peuvent être déduits simplement des études déjà réalisées.
Les fréquences allouées à la 5G, dans un premier temps, seront comprises entre 3,4 et 3,8 GHz (bande dite des 3,5 GHz). Les premières licences, dans cette bande, iront aux opérateurs de téléphonie mobile. Dans quelques années, une autre bande sera ajoutée autour des 26 GHz, puis, plus tard, d'autres fréquences, encore plus élevées, seront ajoutées. De par leurs caractéristiques, ces bandes des 26 GHz et au-delà donneront une couverture très locale, à courte portée, de l'ordre de quelques dizaines ou centaines de mètres (contre quelques kilomètres pour le 4G). Le maillage de ces bandes sera extrêmement serré (chaque arrêt de bus, chaque lampadaire, chaque panneau d'affichage, chaque coin de rue...). Les antennes seront minuscules et totalement invisibles du fait de leur intégration à des équipements existants. Les licences pourront être acquises par des collectivités territoriales, voir par des industriels, des équipementiers auto...
Les antennes actives, mises en œuvre dans le cadre de la 5G, permettront au faisceau d'ondes, assurant la communication avec un usager qui se déplace, de se comporter un peu comme un projecteur de poursuite braqué sur un acteur se déplaçant sur une scène. En conséquence, l'irradiation de l'environnement sera moindre mais l'irradiation de l'usager (et de son voisinage) sera plus élevée. Dans ces conditions, les méthodes actuelles de mesure de l'exposition seront à revoir.
Contrairement à ceux de la 4G, les signaux radio de la 5G seront découpés en tranches (network sclicing) de façon à permettre, en temps réel, une adaptation à chaque usage : communications téléphoniques, transmission vidéo, navigation internet, communication à haute sécurité ou d'urgence, échanges avec les objets connectés.
L'intelligence des réseaux ne reposera plus sur les équipements matériels qui les constituent mais sur des moyens informatiques dématérialisés à la manière d'un "cloud". Ainsi elle sera virtualisée et reconfigurable en temps réel pour tenir compte, à tout instant et en tout lieu, des paramètres nécessaires à chaque usage (nombre d'appareils connectés, débit, temps de latence) et adapter au mieux les ressources disponibles, voir à mobiliser de nouvelles ressources, si nécessaire.
Le cas de la "5G" - aspects sanitaires
L'impact sanitaire consécutif au déploiement de la 5G, qui est une conséquence des choix techniques présentés ci-dessus, n'est pas connu (il n'a pas encore été évalué, début 2020). Compte tenu de ce qui précède, on peut craindre que cet aspect ne soit pas prioritaire et que, par défaut, on applique à la 5G la réglementation initialement prévue pour la 4G, tout en sachant qu'elle est inadaptée. Par ailleurs, certains opérateurs demandent, d'ores et déjà, un relèvement des normes limites d'exposition !...
Le mode d'exposition aux radiofréquences mises en jeu sera très différent, mais il faut distinguer les 2 bandes : 3,5 GHz et 26 GHz :
Dans le cas de la bande des 3,5 GHz (longueur d'onde de 8 cm), les ondes sont plus vite absorbées par les tissus et la profondeur de pénétration sera amoindrie par rapport à la bande des 2,6 GHz de la 4G. Pour une même puissance surfacique reçue par la peau, les tissus profonds seront moins impactés au détriment des tissus plus superficiels qui subiront une augmentation du stress électromagnétique.
Par ailleurs, le principe de la propagation en ligne droite vu ci-dessus restant (d'autant plus) valable, la puissance nécessaire pour maintenir une communication de qualité satisfaisante, avec traversée des tissus vivants par les ondes, nécessitera (par rapport à la 4G) une augmentation de la puissance d'émission du relais et du téléphone (qui se fera automatiquement). La plus grande absorption des ondes de la 5G par les tissus aggravera donc cet effet.
Dans le cas de la bande des 26 GHz et au-delà (longueur d'onde de 1 cm et moins), les tissus superficiels absorberont la quasi-totalité de la puissance surfacique reçue.
On peut s'attendre à des effets importants sur la peau et les tissus sous-cutanés. En particulier, on peut craindre que l'œil, organe qui cumule une grande fragilité et une très forte aptitude à absorber les ondes du fait de sa composition (teneur en eau), ne soit fortement impacté.
Un autre effet, à terme dramatique, de l'exploitation de la bande des 26 GHz par la 5G, pourrait être la perturbation des mesures, faites par les satellites météorologiques, de la concentration en vapeur d'eau des différentes régions de l'atmosphère. En effet, pour cartographier la teneur en vapeur d'eau, les récepteurs hypersensibles de ces satellites captent une radiation passive naturelle (d'un niveau extrêmement faible) émise par la Terre et l'atmosphère entre 23,6 et 24 GHz. La future bande des 26 GHz (qui s'étendra de 24,5 à 27,5 GHz) est très (beaucoup trop !...) proche de la bande d'observation des satellites. Il suffirait d'un réglage insuffisamment précis (ou d'un déréglage accidentel ou d'une qualité insuffisante...) d'un émetteur dans cette bande pour perturber considérablement (par brouillage) le mécanisme de détection de la formation des cyclones et de détermination prévisionnelle de leurs trajectoires. En conséquence, le bilan sanitaire (en nombre de morts et de blessés) de ces cataclysmes pourrait s'en trouver considérablement alourdi.
Si cet aspect essentiel est "pris en compte" par les gouvernements européens (il fait au moins l'objet de discussions...), les Américains, par contre, ne semblent pas s'en soucier et ne souhaitent pas introduire de contraintes dans la libre exploitation de ces fréquences par leurs lobbys des télécommunications.