Editorial Board Raffaele Azzaro (CT) Sara Barsotti (PI ... · Simona Masina (BO) Nicola Pagliuca (RM1) Salvatore Stramondo (CNT) Andrea Tertulliani - coordinatore (RM1) Aldo Winkler

DirettoreEnzo Boschi

Editorial BoardRaffaele Azzaro (CT)Sara Barsotti (PI)Mario Castellano (NA)Viviana Castelli (BO)Anna Grazia Chiodetti (AC)Rosa Anna Corsaro (CT)Luigi Cucci (RM1)Mauro Di Vito (NA)Marcello Liotta (PA)Lucia Margheriti (CNT)Simona Masina (BO)Nicola Pagliuca (RM1)Salvatore Stramondo (CNT)Andrea Tertulliani - coordinatore (RM1)Aldo Winkler (RM2)Gaetano Zonno (MI)

Segreteria di RedazioneFrancesca Di Stefano (responsabile)Tel. +39 06 51860068Fax +39 06 36915617Rossella CeliTel. +39 06 51860055Fax +39 06 [email protected]

MONITORAGGIO ELETTROMAGNETICO PROGETTO MEM

ELECTROMAGNETIC MONITORING MEM PROJECT

Paolo Palangio, Angelo Lozito, Antonio Meloni, Cesidio Bianchi

Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia – Via di Vigna Murata, 605 – 00143 Roma

Indice

PRIMA PARTE Monitoraggio elettromagnetico ambientale nelle bande ULF-ELF-VLF-LF (0.001Hz -100 kHz) 9

1. Introduzione al progetto MEM 92. Interferometria a banda larga 103. Rumore elettromagnetico di fondo 114. Sorgenti elettromagnetiche 125. Sorgenti interne alla Terra 176. Modi di risonanza della cavità Terra-ionosfera 187. Bilancio energetico Terra-ionosfera 218. Elaborazione dei dati 24

SECONDA PARTE Monitoraggio ambientale dei campi elettromagnetici di origine antropica nelle bande ELF- LF-HF-VHF-UHF (50 Hz, 100 kHz - 3 GHz) 27

1. Introduzione 272. Strumentazione e metodi di misura 273. Le reti di monitoraggio automatico e in continuo 314. Struttura funzionale della rete 415. Tecniche per la riduzione dell’esposizione 50

APPENDICE 1Strumentazione sviluppata nell’ambito del progetto MEM e alcuni rilevanti risultati 57

APPENDICE 2Il quadro normativo del settore 66

APPENDICE 3Implicazioni interdisciplinari: I meccanismi d’interazione del campo elettromagnetico con i tessuti biologici 78

Bibliografia essenziale 86

Prefazione

In tutto il mondo proseguono misurazionie studi per approfondire le conoscenze suicampi elettromagnetici. Le motivazioni princi-pali di questi studi si ricollegano alla necessitàdi una migliore comprensione dei fenomenielettromagnetici naturali, che permeano la vitasul pianeta dall’inizio dei tempi, così come aldiscernimento delle possibili alterazioni che icampi artificiali possono aver comportato sul-l’equilibrio naturale. Il progetto MEM“Monitoraggio Elettromagnetico Ambientalenelle bande ULF, ELF , VLF, LF, nasce dalProgramma Interreg III A TransfrontalieroAdriatico “Tutela e valorizzazione ambientaleculturale ed infrastrutturale del territorio trans-frontaliero, Asse 1”. Nel Progetto sono staticoinvolti oltre alla Regione Abruzzo, nella vestedi proponente e capofila, la Regione Molise eARPA Molise, l’Istituto Nazionale Geofisica eVulcanologia (INGV), l’Università di Ferrara -Dipartimento Scienze della Terra, l’Universitàdi Tirana (Albania) e l’Istituto Geofisico diBelgrado (Serbia). Nell’ambito del Progetto,iniziato nel 2005 e terminato nel 2007,l’Osservatorio Geofisico di L’Aquiladell’INGV, responsabile scientifico delProgetto, ha sviluppato l’approccio teorico diuna nuova classe di sensori di campo magneticorealizzandone i prototipi ingegnerizzati, e conessi, ha quindi progettato e realizzato una avan-zata rete interferometrica nella banda 0.001 Hz–100 kHz che consente la rilevazione della dis-tribuzione spaziale e temporale dei campi elet-tromagnetici, in tutta la banda di interesse, attra-verso parametri indicativi che includono la loca-lizzazione e la caratterizzazione delle sorgentinaturali e artificiali che concorrono alla forma-zione del rumore di fondo. La presente pubbli-cazione, che costituisce la relazione finale delleattività svolte dall’INGV nell’ambito del pro-getto, è articolata in due parti. La prima parteriassume i risultati teorici e gli sviluppi tecnolo-gici conseguiti nel contesto di ricerca del pro-getto stesso, la seconda parte completa il quadrodella ricerca attraverso un excursus sulle proble-matiche relative alle sorgenti antropiche delcampo elettromagnetico nella banda 100 kHz -3GHz, con particolare riferimento alle nuove tec-nologie strumentali. In tal modo, si è volutocompletare la caratterizzazione della matriceambientale elettromagnetica, realizzando cosìanche un completamento e un aggiornamentodella pubblicazione Quaderni di Geofisica, 22edita dall’INGV nel 2002, dal titolo Campi elet-tromagnetici: tecniche di monitoraggio ambien-

tale e principi dell’interazione biologica, dedi-cata al tema specifico dei campi elettromagneti-ci di origine antropica. Vogliamo formulare unringraziamento al Prof. Enzo Boschi per avercondiviso il progetto nel quale si è inteso fonde-re nella matrice elettromagnetica le esperienzedi fisica terrestre con quelle di fisica ambienta-le, alla Dott.ssa Giovanna Andreola Dirigentedel Servizio Attività Internazionali dellaRegione Abruzzo, al Dott. Luigi PetraccaDirettore Generale ARPA Molise, al Dott.Antonio Di Ludovico Direttore GeneraleAssessorato Programmazione RegionaleRegione Molise, ai colleghi dell’Osservatoriodell’Aquila per il supporto tecnico, IolandaCesarino e Silvia Nardi della segreteria tecnicadella Sezione di Geomagnetismo Aeronomia eGeofisica Ambientale per la preparazione dellagrafica e al Dott. Bruno Zolesi la rilettura deltesto.

Preface

Studies and measurements of terrestrialnatural electromagnetic fields are still inprogress all over the world to deepen the knowl-edge on this geophysical discipline. Main pur-pose of these studies are related to the need of abetter understanding of natural electromagneticfields, that permeate life on our planet since thebeginning of time, and, also to the discrimina-tion of possible alterations that man-made fieldscould have contributed on the natural balance.An Environmental electromagnetic monitoringin the ULF, ELF, VLF and LF bands, startedwith the name MEM project, under the frame of‘Programma Interreg III A Adriatic cross-bor-der cooperation’ in order to ensure an optimaluse of resources to the full potential of the terri-tory. In this project, coordinated by RegioneAbruzzo, Regione Molise and ARPA Molise,Istituto Nazionale Geofisica e Vulcanologia(INGV), Dipartimento Scienze della Terra,University of Ferrara, University of Tirana(Albania) and Institute of Geophysics Belgrade(Serbia), are involved.

In the framework of MEM project, startedin 2005 and ended in 2007, the ‘OsservatorioGeofisico’ of L’Aquila, of INGV, was the scien-tific responsible. In MEM a theoreticalapproach based on new electromagnetic sensors(probes, radiometers) and the realization ofengineered prototypes were developed.Moreover an inteferometric network in the band0.001 Hz –100 kHz was developed and realizedallowing the spatial and temporal detection of

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Paolo Palangio et alii: Monitoraggio elettromagnetico Progetto MEM

electromagnetic fields distribution by means ofindicative parameters describing the localiza-tion and the characterization of the natural andman-made sources that contribute to the back-ground noise formation. This paper, that consti-tutes the final report of the activities developedin the project, is organized in two parts. The firstpart resumes the theoretical results and thetechnological developments in the researchissues, while the second part of the paper com-pletes the limits of the research throughout anexcursus on problems related to man-madesources of the electromagnetic fields in the band100 kHz - 3GHz, with particular attention to thenew instrumental technologies. In this way thecharacterization of the electromagnetic environ-mental matrix has been completed and, more-over, an extension and upgrading of the previ-ous paper, published on 2002 in N.22 ofQuaderni di Geofisica ‘Campi elettromagnetici:tecniche di monitoraggio ambientale e principidell’interazione biologica’devoted to the specif-ic subject of the man-made origin of the electro-magnetic fields, was also undertaken. We wantto thank Prof. Enzo Boschi who encouraged thisproject to link the expertise of terrestrial physicsand environmental physics within the electro-magnetic framework , Dr. Giovanna AndreolaHead of the Servizio Attività Internazionali ofthe Regione Abruzzo, Dr. Luigi Petracca ChiefExecutive ARPA Molise, Dr. Antonio DiLudovico Chief Executive of AssessoratoProgrammazione Regionale of Regione Molise.We also thank the colleagues of L’AquilaObservatory for their technical support, IolandaCesarino and Silvia Nardi of Section ofGeomagnetism, Aeronomy and EnvironmentalGeophysics of INGV, and Dr. Bruno Zolesi for afinal reading of the text .

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1. Introduzione al progetto MEM(Monitoraggio Elettro Magnetico)

Il progetto MEM si prefigge lo scopo pri-mario di dare vita ad una rete di rilevamento deicampi elettromagnetici nella banda 0.001 Hz –100 kHz.

Il progetto coinvolge diversi partner isti-tuzionali quali la Regione Abruzzo,la RegioneMolise (ARPA), l’INGV, l’Università diFerrara, l’Università di Tirana, l’Istituto geofisi-co di Belgrado, e mira ad avere un impatto pro-prio nella diffusione dei risultati delle ricerchesia nell’ambiente scientifico sia al pubblico.

La realizzazione di una rete di monitorag-gio permanente costituisce lo strumento di baseper conoscere l’ambiente elettromagnetico incui viviamo. Il carattere innovativo di questoprogetto è individuabile nell’approccio sceltoper affrontare il complesso problema di rappre-sentare la distribuzione spaziale e temporale deicampi elettromagnetici, in tutta la banda di inte-resse, attraverso parametri indicativi che inclu-dono la localizzazione e la caratterizzazionedelle sorgenti naturali e artificiali che concorro-no alla formazione del rumore di fondo ambien-tale, mediante l’interferometria a larga banda.

Questa tecnica consiste nella combinazio-ne di osservazioni simultanee del campo elettro-magnetico ambientale effettuate in più stazionidi misura distribuite sulla superficie terrestre.Le misure interferometriche consentono di otte-nere informazioni dettagliate sulla strutturadelle sorgenti elettromagnetiche.

Nella cavità Terra-ionosfera sono presen-ti una quantità di segnali naturali e artificialiprodotti da un numero enorme di sorgenti il cuispettro si estende per oltre dodici decadi neldominio della frequenza e di 14 nel dominiodell’energia. Questa estesa variabilità prevede larealizzazione di apparati strumentali di misuramolto sofisticati; è naturale quindi che il princi-pale obiettivo concreto del progetto è la costitu-zione di 3 osservatori permanenti nell’ItaliaCentrale e la realizzazione di un sito WEB delprogetto (http://www.progettomem.it). Questosito sarà il supporto operativo e strutturato per ladiffusione delle informazioni e dei risultati delleattività svolte in seno al progetto.

L’esperienza maturata nei primi due anni

di attività durante i quali è stata sviluppata latecnologia necessaria per la realizzazione dei 3osservatori permanenti ha avuto come ricadutaproduttiva l’industrializzazione della strumenta-zione di misura da parte di un’azienda italiana(vedi appendice1). La tecnologia sviluppata sipresta ad essere impiegata anche in altri ambitidella ricerca in particolare nel campo della pro-spezione elettromagnetica dell’interno delleTerra con le tecniche di Magneto Tellurica (MT)e Geomagnetic Deep Sounding (GDS).

Uno dei temi del progetto è la messa apunto di modelli e strategie per giungere allaseparazione del segnale prodotto dalle sorgentiinterne alla Terra, dal fondo elettromagneticopresente sulla superficie terrestre.

Nella cavità Terra-ionosfera sono presen-ti una quantità di segnali naturali e artificialiprodotti da un numero enorme di sorgenti il cuispettro si estende per oltre 12 decadi nel domi-nio della frequenza e di 14 decadi nel dominiodell’energia.

In sintesi i temi sviluppati in questo pro-getto possono essere sintetizzati in quattropunti:1) sviluppo tecnologico;2) indagini sulle manifestazioni elettromagneti-

che di origine interna alla Terra;3) caratterizzazione del rumore elettromagneti-

co di fondo;4) studio dei fenomeni elettromagnetici che

hanno origine nella magnetosfera, nellaionosfera e nella cavità Terra-ionosfera.

Per poter abbracciare tutte queste temati-che, data la molteplicità dei parametri da misu-rare e la complessità dei meccanismi fisici dastudiare, è necessario che il rumore intrinsecodell’interferometro proposto sia inferiore allivello dei segnali magnetici naturali più deboliche si intendono esplorare. La densità spettraledei segnali naturali più flebili è dell’ordine di5 – 10 fT/√Hz nella banda medio-alta dellospettro di indagine.

La strumentazione sviluppata presenta unrumore di fondo dell’ordine di

nella banda LF (>30 kHz).

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Prima parte

Monitoraggio elettromagnetico ambientale nelle bande ULF-ELF-VLF-LF (0.001Hz -100 kHz)

HzfT /21−

Considerata inoltre la grande variabilitàdei campi magnetici coinvolti che può spaziareper ben 14 decadi in energia e 7 decadi inampiezza, è stato adottato un convertitore analo-gico digitale con una dinamica di 24 bit.L’attuazione del progetto si realizza attraversolo sviluppo di una rete interferometrica perma-nente sul territorio della regione Abruzzo e dellaRegione Molise che potrà essere ulteriormenteespansa, nelle fasi successive, all’intero territo-rio delle due Regioni fino a coprire un’area dicirca 90.000 km quadrati. Nella prima fase ver-ranno realizzati 3 osservatori permanenti distri-buiti nell’Italia Centrale: L’Aquila (AQU),Barete (BAR) e Duronia (DUR). In ognuno diquesti osservatori verranno misurate le tre com-ponenti del campo magnetico, le tre componen-ti del campo elettrico e le due componenti delcampo tellurico. Questa configurazione è neces-saria per separare i campi artificiali di originelocale dai campi elettromagnetici naturali e icampi di origine interna da quelli di origineesterna alla Terra.

L’approccio con tecniche interferometri-che consente tra l’altro di determinare le funzio-ni di trasferimento tra i siti di misura che tengo-no in conto della struttura di conducibilità elet-trica del sottosuolo nei tre osservatori. Questeinformazioni costituiscono la base per realizza-re i modelli tramite i quali è possibile identifica-re campi elettromagnetici anomali di origineinterna alla Terra.

Quindi lo scopo di questo progetto èquello di realizzare la tomografia elettromagne-tica ambientale che ha come prodotto finale larappresentazione della distribuzione dei campielettromagnetici nel dominio del tempo, neldominio della frequenza e nel dominio dellospazio. Questa tecnica costituisce un potentestrumento di indagine per ottenere mappe tridi-mensionali, su scala regionale, del rumore elet-tromagnetico di fondo. Le mappe tomograficheoltre a riportare la distribuzione spaziale dellesorgenti elettromagnetiche, caratterizzano isegnali emessi dalle sorgenti mediante una seriedi parametri quali l’energia, la polarizzazione, leproprietà statistiche e il contenuto spettrale.

L’attività svolta nella seconda fase diattuazione del progetto, dopo lo sviluppo tecno-logico e la costituzione della prima stazione dimisura, si è articolata principalmente intorno atre temi: studio delle matrici spettrali, delladivergenza del vettore di Poynting e del tensoreelettromagnetico.

2. Interferometria a larga banda

L’interferometria è una tecnica osservati-va utilizzata in diversi campi della Fisica, comenella radioastronomia e nell’ottica.L’interferometria radioastronomica si basa sullamisura simultanea, in punti differenti, del segna-le emesso da una radiosorgente e lo studio dellefrange di interferenza prodotte nella rete dimisura. I punti di misura vengono dispostisecondo una appropriata geometria. Questa tec-nica consente di ottenere molte più informazio-ni di quanto consentano le misure da singolipunti.

L’interferometria radioastronomica sibasa sulle seguenti assunzioni:1) la sorgente può essere considerata puntiforme;2) la distanza tra la sorgente e i punti di osser-

vazione è molto più grande della distanza trai punti di osservazione;

3) la lunghezza d’onda dei segnali è molto piùpiccola delle dimensioni della rete osservativa;

4) gli osservatori si trovano sempre nel campolontano (far field);

5) le proprietà dei segnali misurati non vengo-no alterate dal contesto elettromagneticoterrestre;

6) I segnali vengono osservati attraverso unafinestra frequenziale molto stretta.

Da queste assunzioni ne deriva che isegnali registrati nei punti di misura sono prati-camente identici, soltanto la loro fase è differen-te. L’elaborazione dei segnali consiste nella cor-relazione incrociata dei segnali ricevuti nei sin-goli punti di misura. I segnali misurati possonoessere associati all’energia totale oppure alle trecomponenti del campo elettrico delle emissionidelle radiosorgenti. Lo studio delle ampiezze edelle fasi consente di eseguire l’analisi interfe-rometrica.

Nell’interferometria a larga banda e abassa frequenza (ULF-ELF-VLF), le assunzionisopra esposte vengono capovolte: 1) le sorgenti naturali sono prevalentemente

estese e le loro dimensioni sono molto piùgrandi o camparabili con le dimensioni dellarete rivelatrice;

2) la distanza tra le sorgenti e le stazioni dimisura sono dello stesso ordine di grandezzadelle dimensioni della rete interferometrica;

3) la lunghezza d’onda dei segnali è, per granparte dello spettro investigato, molto piùgrande della rete;

4) gli osservatori si trovano sempre nel campovicino (near field);

5) le proprietà dei segnali elettromagnetici

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misurati vengono considerevolmente modifi-cate dal contesto elettromagnetico terrestre;

6) I segnali vengono osservati in una banda difrequenze estremamente ampia.

La conseguenza di queste assunzioni èche una data sorgente elettromagnetica viene“percepita” in ciascuno dei punti di osservazio-ne in maniera differente Questa diversità riguar-da le proprietà fisiche della sorgente e le carat-teristiche dei segnali emessi dalla sorgente qualile proprietà spettrali e statistiche. Ciò è dovutoprincipalmente all’interazione dei segnali con lacavità Terra-ionosfera. Le proprietà fisiche deibordi della cavità rivestono un ruolo fondamen-tale. Queste sono soggette a variazioni spaziali etemporali considerevoli, pertanto segnali osser-vati nello stesso istante ma in punti spazialmen-te distinti sono diversi quand’anche gli osserva-tori fossero disposti simmetricamente rispettoalla sorgente. D’altro canto, misure effettuate inun singolo punto di osservazione ma in tempidifferenti, risultano diverse anche se i segnalimanifestano proprietà stazionarie associate aduna costante di tempo più lunga del periodo diosservazione.

Per la realizzazione della tomografia elet-tromagnetica dell’area investigata e la caratte-rizzazione delle sorgenti elettromagneticheresponsabili dei campi che vengono rivelatidalla rete interferometrica Si procede attraverso2 fasi.. In primo luogo si mette in atto la rico-struzione del campo all’interno del territoriodelimitato dalla rete applicando il teorema inte-grale di Cauchy. Le misure effettuate sul bordodel dominio territoriale vengono interpolate inmodo da ottenere una funzione continua sulperimetro limitato dai punti di osservazionedella rete interferometrica. Le armoniche princi-pali vengono ricostruite mediante funzioni olo-morfe nel dominio della frequenza partendo daidue tensori densità spettrale relativi ai campielettrico E e al magnetico H.

Queste funzioni sono complesse, maapplicando il teorema integrale di Cauchy per-mettono di ricostruire la distribuzione delcampo all’interno del dominio.

Si opera sulle funzioni G(∆ti, ∆fji, s) cherappresentano la generica componente delcampo elettrico e del campo magnetico. Questefunzioni G(∆ti, ∆fji, s) sono relative alle 6 com-ponenti delle grandezze elettriche e magnetichemisurate, in cui ∆ti rappresentano gli intervallitemporali in cui viene suddiviso il record gior-naliero dei dati. In ciascuno degli intervalli ∆tivengono effettuate le trasformate i-esime diFourier. ∆fji rappresentano le bande j-esime rela-

tive alla i-esima trasformata effettuata nell’in-tervallo i-esimo ∆ti, s è la coordinata curvilineasul percorso di integrazione intorno al perimetrodel dominio, ovvero intorno all’area geograficadelimitata dalle stazioni di misura. s è ovvia-mente funzione della latitudine e della longitu-dine.

Il secondo punto viene affrontato partendodal dimensionamento della finestra temporaleattraverso la quale vengono effettuate le elabora-zioni dei segnali. Tale scelta si basa sulle pro-prietà statistiche dei segnali osservati. È necessa-rio che per ciascuna classe di fenomeni vengascelta una finestra avente caratteristiche di “sta-zionarietà locale”, considerato che il rumore emdi fondo presenta un elevato grado di non stazio-narietà. Lo studio delle sorgenti si basa essen-zialmente sull’analisi frequenziale del tensoreelettromagnetico nella banda 1 Hz – 100 kHz.Da questo tensore vengono calcolati una serie diparametri in funzione del tempo, della frequenzae dello spazio: la Lagrangiana del campo elettro-magnetico, l’impedenza d’onda, il vettore diPoynting e i 15 elementi invarianti del tensoreem. Nella banda inferiore invece (0.001 Hz – 100Hz) l’analisi riguarda lo studio del tensore impe-denza dell’interno della Terra, le funzioni dirisposta impulsiva del sottosuolo e la separazionedei segnali di origine interna alla Terra dal fondoche si misura sulla superficie terrestre.

L’Acquisizione dei dati è quindi scissa indue bande: nella banda 0.001 Hz – 100 Hz enella banda 1 Hz – 100 kHz. Nella prima bandavengono registrati direttamente i dati campiona-ti, nella seconda banda il software di acquisizio-ne esegue in tempo reale la trasformata diFourier delle sei componenti del campo, conrisoluzione di 1 Hz. Con queste trasformateviene costruito il tensore elettromagnetico T 6x6;con i 4 minori del tensore vengono realizzate2000000 matrici spettrali 3x3 ogni 10 minuti.

3. Rumore elettromagnetico di fondo

Nella banda di frequenze che si estendeda un millesimo di ciclo al secondo fino a100000 cicli al secondo si manifestano unagrande varietà di fenomeni elettromagneticinaturali che hanno accompagnato l’umanitàattraverso i millenni. Per milioni di anni questeradiazioni non hanno subito apprezzabili cam-biamenti; tutti gli esseri viventi sono comparsi esi sono evoluti in presenza di questa radiazionedi fondo. Soltanto nel secolo scorso le emissio-ni artificiali hanno iniziato a sommarsi a questofondo elettromagnetico.

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Il fondo elettromagnetico naturale, osser-vabile in qualunque punto della superficie terre-stre, è dato dalla sovrapposizione di una quanti-tà di segnali prodotti da un numero enorme disorgenti distribuite nella cavità Terra-ionosfera,nella magnetosfera, nella ionosfera e all’internodella Terra. Questo fondo permea lo spaziocompreso tra la superficie terrestre e la ionosfe-ra interagendo in maniera complessa con le duesuperfici che limitano la cavità. Alcuni di questisegnali sono:

1) modi di oscillazione libera delle cavitàmagnetosferica (0.001 Hz – 0.01 Hz);

2) modi di risonanza della cavità alfvenica (0.1Hz 10 Hz);

3) modi di risonanza longitudinale della cavitàTerra-ionosfera (6 Hz – 50 Hz);

4) fenomeni risonanza onda-particella trasver-sale (risonanza ciclotronica) e longitudinale(risonanza Cerenkov, 1 kHz – 20 kHz);

5) emissioni legate a processi vari di instabilitànel plasma magnetosferico e ionosferico(0.001Hz – 100 kHz);

6) segnali elettromagnetici associati al transitodi meteore nell’atmosfera (300 Hz – 30kHz);

7) emissioni associate a impulsi radio di origineatmosferica (1 kHz – 100 kHz);

8) emissioni che accompagnano gli impulsigamma atmosferici (6 kHz – 50 kHz);

9) emissioni dovute a “sprite”, “blue jet”, “redflash” ecc. nell’alta atmosfera (2 kHz – 60kHz);

10)emissioni secondarie generate da ondemagnetoidrodinamiche prodotte all’internodella magnetosfera, eccitate da transienti emartificiali e naturali (10 Hz – 20 kHz);

11) emissioni prodotte dalle esplosioni nucleari(200 Hz – 10000 Hz);

12) emissioni associate a fenomeni tettonici evulcanici (0.001 Hz – 1000 Hz);

13) segnali di risonanza trasversale della cavitàTerra-ionosfera (800 Hz – 5000 Hz).

Nel corso dell’ultimo secolo si è avutauna proliferazione caotica dei segnali elettroma-gnetici artificiali in cui siamo immersi quotidia-namente e il cui impatto sull’ecosistema non èancora stato chiarito ed è oggetto di indagine dadiversi anni. Negli ultimi decenni è andata sem-pre più aumentando la popolazione esposta sta-bilmente all’azione di campi elettromagneticiartificiali che, nelle aree intensamente urbaniz-zate e industrializzate, possono essere molto piùintensi dei campi naturali. Le principali sorgen-ti artificiali, la cui banda di frequenze si sovrap-

pone a quella dei segnali naturali, sono le lineeferroviarie, i sistemi metropolitani di trasportosu rotaie (metro, tram, filobus) gli impianti didistribuzione dell’energia elettrica, gli impiantiindustriali, ecc.. Queste sorgenti, per la loroestensione spaziale, interessano vaste areeintensamente popolate. Poi ci sono i sistemilocali di piccola estensione spaziale i cui effettisono limitati alle aree domestiche; questi sonorappresentati da quella quantità di oggetti tecno-logici di uso quotidiano diffusi oramai su scalacontinentale.

Il rumore elettromagnetico di fondo si èarricchito di questi segnali artificiali al punto dacoprire una parte dei segnali naturali.Discriminare le sorgenti naturali diventa un pro-blema che in alcuni casi è di una complessitàinsuperabile. La scelta dei siti di misura richie-de quindi una preventiva conoscenza del livellodi fondo artificiale locale attraverso una campa-gna di prospezione effettuata sul territorio.

Il rumore di fondo naturale misurato sullasuperficie terrestre è dominato dal fondo atmos-ferico prodotto dall’insieme delle scariche elet-triche che hanno luogo sull’intera superficie ter-restre al ritmo di circa 60-100 al secondo conuna estensione spettrale vastissima, da qualcheHz fino a diversi MHz con un massimo intornoa 300 kHz. Lo spettro intrinseco di ciascunevento viene deformato dalla presenza dellacavità Terra-ionosfera, in pratica si osservanodiverse finestre spettrali, la prima con un massi-mo intorno a 8 Hz con le relative armoniche chegiungono fino a 45 Hz (risonanza Schumann), laseconda nella banda 900 Hz 5000 Hz (risonanzatrasversale), la terza nella banda centrata tra 5kHz e 12 kHz e altre meno significative per inostri obiettivi, come quella HF e ottica, inquanto cadono al di fuori della banda diindagine. Se si prende in considerazione unasingola scarica atmosferica, lo spettro osservatodipende soprattutto dalla distanza sorgente-osservatore. Da vicino ciò che si osserva è lo“spettro – sorgente”, da lontano si osserva ilprodotto di convoluzione della “funzione – sor-gente” con la funzione di trasferimento dellacavità Terra – ionosfera. Mentre il primo osser-vatore vede un massimo intorno a 300 kHz, ilsecondo lo vede intorno a 7 kHz.

4. Sorgenti elettromagnetiche

Le sorgenti elettromagnetiche, dal puntodi vista dell’estensione spaziale possono essereclassificate in:• dipoli elementari puntiformi

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• dipoli elementari estesi• multipoli ibridi estesi• multipoli ibridi puntiformi

queste sorgenti, dal punto di vista della naturaintrinseca possono essere:

• magnetici• elettrici• ibridi

dal punto di vista spettrale:

• sorgenti termiche• sorgenti colorate• sorgenti complesse

dal punto di vista statistico:

• gaussiane• isotrope• stazionarie• impulsive• omogenee

In natura possono presentarsi combina-zioni varie di tutte queste schematizzazioni.

Inoltre una data sorgente osservata inpunti diversi può manifestare proprietà comple-tamente differenti.

Vi sono anche sorgenti magnetiche nonirradianti o quasi (QNR), molto diffuse in natu-ra, in cui il campo magnetico rimane confinatonel volume della sorgente, tipico esempio sonole sorgenti toroidali (sorgenti dinamo nellamagnetosfera, nella ionosfera e nel nucleo terre-stre). Le sorgenti estese complesse in generalepossiedono quasi sempre una componente toroi-

dale. Queste componenti non sono accessibilimediante misure effettuate lontano dalla sorgen-te, nel senso che non è possibile determinare ilbilancio energetico del sistema attraverso misu-re esterne al sistema. In realtà ciò che si misurasono soltanto le componenti poloidali delle sor-genti. Queste componenti, nel caso di sorgentimolto estese, di dimensioni maggiori della lun-ghezza d’onda dominante, producono campielettrici e magnetici la cui lunghezza di correla-zione spaziale e temporale riflette le proprietà dicoerenza della sorgente legate ai processi digenesi dei campi.

Nella zona reattiva si riesce quasi semprea trovare il legame tra la coerenza spaziale etemporale dei campi misurati e la coerenza spa-ziale e temporale del sistema di correnti chegenerano tali campi.

Infine vi sono sorgenti naturali le qualivengono attivate da segnali artificiali. Spessouno stesso segnale artificiale si manifesta in duebande di frequenza completamente diverse edistanti tra di loro (figure 1.1 e 1.2). I segnalirelativi alle due bande risultano provenire dadirezioni opposte: la superficie terrestre e laionosfera. Ad esempio i grandi sistemi di tra-smissione e di trasformazione dell’energia elet-trica possono dare luogo a fenomeni di risonan-za locale nella magnetosfera producendo segna-li di origine magnetosferica caratterizzati darighe spettrali distanziate di 100 Hz (figura 1.2).

Le armoniche dei 50 Hz penetrano nellaionosfera e si propagano nella magnetosferafino a giungere nella plasmasfera equatoriale,seguendo le linee di forza del campo magneticoterrestre, dove subiscono un processo di ampli-ficazione. Questi segnali appaiono, all’osserva-tore a terra, essere emessi da una superficie

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Figura 1.1 Armoniche prodotte dalla rete di distribuzione dell’energia elettrica. Figure 1.1 Harmonic components due to the power distribution lines.

molto ampia che è costituita dal bordo inferioredella ionosfera. L’impedenza d’onda dei segnalimisurati riflette le proprietà di tale superficie,questa risulta essere molto più bassa dell’impe-denza del vuoto.

I segnali che giungono in tale zona devo-no superare il livello di soglia al di sopra dellaquale si innescano i processi di risonanza ciclo-tronica onda-particella che è di circa 2 pT.

Le righe spettrali dei segnali magnetosfe-rici differiscono da quelli terrestri per la lar-ghezza delle righe: mentre le armoniche terrestripresentano una larghezza di pochi Hz, quelle diorigine magnetosferica sono caratterizzate da unun allargamento di 20-60 Hz (figura 2). Un altroesempio sono le emittenti HF di grande potenzache possono eccitare, nella bassa ionosfera,segnali nella banda ELF/VLF mediante il riscal-damento locale del plasma. I transienti nei gran-di sistemi di potenza possono stimolare lamagnetosfera e la ionosfera producendo tuttauna serie di fenomeni di risonanza onda-parti-cella, oltre ad eccitare i modi di risonanza dellacavità Terra-ionosfera.

Il campo elettromagnetico emesso da unasorgente attiva o scatterato da un oggetto passi-vo è sempre caratterizzato dal campo di propa-gazione e dal campo induttivo. Il campo evane-scente lo si osserva nelle immediate vicinanzedella sorgente, il campo di propagazione siosserva lontano dalla sorgente;

lontano e vicini è in relazione con la lun-ghezza d’onda che si considera e con la dimen-sione della sorgente. Vi è anche da considerarela lunghezza di coerenza della sorgente. In que-ste testo si assume il caso più semplice in cui lalunghezza di coerenza coincide con la dimen-

sione della sorgente. Il campo vicino contieneutili informazioni sulla natura della sorgente.Come interpretare le informazioni ottenute conla misura del campo prossimale è una questionepiuttosto complessa ed è uno dei temi che ver-ranno sviluppati in questo progetto.

E’ usuale considerare lo spazio intornoalla sorgente elettromagnetica suddiviso in 4regioni in funzione della distanza sorgente-osservatore d e della dimensione della sorgenteD:

- zona prossimale (campo reattivo)

- zona di Fresnel 1

- zona di Fresnel 2

- zona di Fraunhofer.

Nella regione 1 non si ha irradiazione(l’energia rimane localizzata nell’intorno dellasorgente), il vettore di Poynting è immaginarioin quanto E e H sono in opposizione di fase e siattenua con l’inverso della quinta potenza delladistanza; in realtà vi è sempre una piccola com-ponente reale. Questo piccolo contributo reale ciconsente di vedere le sorgenti da lontano. Laconfigurazione spaziale della perturbazioneelettromagnetica è estremamente complessa edipende essenzialmente dalle caratteristichedella sorgente. L’energia all’interno della sferadi raggio r ≈ λ/2π viene mutuamente scambiata

14


Figura 1.2 Armoniche di rete che hanno interagito con il plasma magnetosferico. Figure 1.2 Harmonic components of the power lines after the interaction with the magnetosphere.

πλ

2<d1.

λπλ

422Dd <<2.

λλ22

4DdD <<3.

λ22Dd >4.

con la sorgente. Sorgente e spazio circostanterisultano permanentemente accoppiati (figure1.3 e 1.4). L’impedenza d’onda è un tensorecomplesso.

La natura del campo è sostanzialmentecapacitiva nel caso in cui la struttura radiantepossegga le caratteristiche del dipolo elettrico,viceversa è sostanzialmente induttiva quando lastruttura radiante è assimilabile ad un dipolomagnetico. Se l’antenna è assimilabile ad undipolo elettrico si ha

E / H > 377 Ω

con il campo elettrico che decresce con il cubodella distanza, mentre il campo magnetico decre-sce con il quadrato della distanza. Se l’antenna èassimilabile ad un dipolo magnetico si ha:

E / H < 377 Ω

con gli andamenti dei campi che sono invertitirispetto al caso precedente.

Nella regione 2 la componente immagi-naria di P è maggiore della componente reale, Psi attenua con l’inverso della quarta potenza

15


Figura 1.3 Schematizzazione dello spazio che circonda una sorgente elettromagneticadi estensione D.

Figure 1.3 Schematic representation of the space surrounding an electromagnetic source having size D.

Figura 1.4 Fase dei campi E e H per un dipolo elementare esteso. Figure 1.4 Phase of the fields E and H of an elementary dipole of size D.

della distanza. L’impedenza d’onda non è anco-ra definibile. Tale regione si estende fino a unadistanza r detta di Rayeligh.

Nella regione 3 la componente reale di Pè maggiore della componente immaginaria, P siattenua con l’inverso del cubo della distanza. Lacomponente reale dell’impedenza d’onda èmaggiore di quella immaginaria. In questaregione non si hanno le condizioni di onda pianapoiché prevalgono le interferenze dovute allegeometrie delle antenne e, non vi è relazionecostante tra le fasi e tra le intensità dei vettorielettrico e magnetico. La determinazione delladensità di potenza S in un punto richiede lamisura vettoriale della fase e dell’ampiezza dientrambi i campi. La misura scalare di entrambii campi non consente quindi di determinare l’e-satto valore della densità di potenza “S” W/m2,tuttavia tale valore può in alcune circostanzeessere accettato poiché è comunque conservati-vo, dato che la densità di potenza sarà comun-que minore della densità di potenza in condizio-ni di onda piana e quindi di campi ortogonali.

S ≤ E∧H

Si introduce quindi il concetto di densitàdi potenza di onda piana equivalente Seq, comeil valore di densità di potenza che verrebbe tra-sportata dall’onda piana in cui i campi elettricoe magnetico hanno ampiezza uguale a quellamisurata separatamente in condizioni di campovicino radiativo.

S eq = Ε∧Η

Nella regione 4 le componenti radiali di He E sono praticamente nulle, la componentezenitale del campo elettrico è legata alla compo-nente azimutale del campo magnetico attraversouna semplice relazione scalare, l’impedenza delmezzo Εθ/Hφ, che non dipende dalle caratteri-stiche della sorgente, dipende soltanto dalle pro-prietà fisiche del mezzo in cui si propaga l’onda.

Il vettore di Poynting è sempre reale inquanto le componenti sono sempre in fase e siattenua con il quadrato della distanza.

Nella regione di campo radiativo lontanola perturbazione elettromagnetica assume local-mente le caratteristiche dell’onda piana, con dis-tribuzioni uniformi del campo elettrico e delcampo magnetico. Il campo elettrico ed ilcampo magnetico oscillano in fase su piani per-pendicolari e nello stesso tempo le oscillazionisi mantengono ortogonali alla direzione di pro-pagazione. Ciò determina che si mantengacostante nel tempo e nello spazio il rapporto h

(impedenza dell’onda) tra i moduli delle intensi-tà dei due campi, cioè che valga la relazione:

h= Ω.

Dal punto di vista delle tecniche di misu-ra la condizione di campo lontano, e quindi dionda piana, permette di effettuare le sole rileva-zioni di campo elettrico (di campo magnetico)per ottenere l’informazione di campo magnetico(di campo elettrico) e di densità di potenza.Questa però è una schematizzazione che nonrisulta adeguata quando si studiano le sorgenti alarga banda nella zona reattiva. In realtà ilcampo elettromagnetico varia spazialmente concontinuità. Le relazioni di fase tra E e H sonoanch’esse dipendenti da r. A titolo d’esempio, infigura 4, è riportata le fase dei campi E e H perun dipolo elementare esteso al variare di r.L’energia prodotta da una sorgente elementarepuntiforme può essere rappresentata medianteuno sviluppo in serie della funzione 1/r:

(S(t) è la funzione sorgente, ke e km sono

costanti che inglobano le caratteristiche fisiche egeometriche del dipolo in funzione di r)

Possiamo considerare una sfera di raggio rcon il centro coincidente con la sorgente, l’ener-gia totale distribuita sulla superficie S è data da:

Il termine costante k1ek1m , indipendentedalla scelta del raggio della sfera, rappresental’energia impressa dai generatori presenti all’in-terno della sorgente. I termini non costanti rap-presentano il contributo reattivo che è tanto piùintenso quanto più si è vicini alla sorgente.Questa rappresentazione è più realistica rispettoalle usuali schematizzazioni.

16


377=HE

.........])()([ 33

22

2

21 ++

+

= tS

rk

dttdS

rk

dtSd

rk

W eee

.)([.] 32

22

2

21 ++

+

⋅ tS

rk

dtdS

rk

dtSd

rk mmm

.....])()(

[4

2

2

331

2

2

221

2

2

2

11

+

+

+

=

tSdt

Sdrkk

dttdS

dtSd

rkk

dtSdkkW

me

memetot π

5. Sorgenti interne alla Terra

Il monitoraggio elettromagnetico dei pro-cessi geodinamici si basa su due aspetti distinti: 1) cambiamenti nel tempo della struttura di con-

ducibilità elettrica del sottosuolo dovuti avariazioni dello stress tettonico a cui sonosottoposte le rocce nelle aree sismogenetiche;

2) emissioni di campi elettromagnetici dovute adiversi meccanismi di trasformazione dienergia meccanica in energia elettromagneti-ca. Questi meccanismi dipendono dalla strut-tura e dalla natura delle rocce.

Il punto 1 viene affrontato mediante ilmonitoraggio continuo delle funzioni di trasferi-mento e degli elementi del tensore impedenza.Per quanto riguarda il punto 2 bisogna conside-rare la natura della sorgente em ipogeica, lavalutazione dello spettro intrinseco e, attraversole funzioni di risposta impulsiva del sottosuolo,dello spettro osservabile in superficie.

In letteratura sono presenti numerosilavori sulle anomalie elettromagnetiche associa-te a eventi sismici che riportano osservazioni inuna banda di frequenze estremamente ampia chesi estende dai mHz fino ai MHz. La banda 0.001Hz – 1000 Hz viene attribuita a processi lineari,mentre alla banda superiore possono essereassociati processi non lineari nella trasformazio-ne di energia meccanica in energia em.

Tuttavia, considerata l’attenuazione delmezzo attraversato dai segnali e.m., è ragione-vole prevedere di poter osservare sulla superfi-cie terrestre segnali nell’estremo inferiore dellabanda, 0.001 Hz – 1000 Hz. Questo dovrebbeessere l’intervallo di frequenze su cui focalizza-re le indagine in quanto i segnali possono, sottocerte condizioni, raggiungere la superficie terre-stre con ampiezze sufficienti da consentirne ladiscriminazione dal rumore di fondo e.m. Inquesta banda di frequenze la propagazione deisegnali elettromagnetici deve essere trattata intermini di diffusione anche all’esterno dellaTerra, in quanto siamo nella banda al di sottodella frequenza di cut-off minima di cavità per imodi TM e TE.

Un’altra banda di interesse è quella notacome “dead band” che si estende da 1 kHz finoa 5 kHz.

In questa banda si ha una elevata attenua-zione nel sottosuolo dovuta alle caratteristichedei materiali attraversati, nel contempo si ha unbasso livello del rumore ambientale in quantotale banda coincide con quella relativa ai modidi risonanza trasversale di cavità.

Poiché i segnali di origine interna non sipropagano nella cavità, questi possono essere

osservati soltanto in prossimità della sorgente.Il campo misurato sulla superficie ter-

restre è dato dalla sovrapposizione del camposorgente, del campo indotto dall’interazione delcampo sorgente con l’interno della Terra e dalcampo di origine interna alla Terra. Peraffrontare il problema della separazione deicampi la cui genesi sia nel sottosuolo siassumono alcune semplificazioni che si rias-sumono nella seguente rappresentazione:

Il legame tra le funzioni sorgente e ilcampo misurato è dato dal tensore T (6x6) cherappresenta le proprietà dell’interno della Terra,in cui il pedice m si riferisce alla grandezza mis-urata, con il pedice i sono indicati i segnali diingresso al sistema T. Così posto il problemanon vi sono soluzioni concrete in quanto nonsono conoscibili tutte le funzioni sorgente.

Una relazione ulteriormente semplificata,con le seguenti condizioni al contorno:Exi=Eyi=Ezi=Hzi=0, è data dalla seguenteespressione:

In cui il campo sorgente è rappresentatodalla sola componente orizzontale del campomagnetico.

Gli unici minori del tensore T effettiva-mente calcolabili sono i seguenti:

Dagli elementi di questi minori del ten-

17


Zi

Yi

Xi

Zi

Yi

Xi

Zm

Ym

Xm

Zm

Ym

Xm

HHHEEE

TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT

HHHEEE

•=

666564636261

565554535251

464544434241

363534333231

262524232221

161514131211

Yi

Xi

Zm

Ym

Xm

Zm

Ym

Xm

HH

TTTTTTTTTTTT

HHHEEE

⋅=

1211

109

87

65

43

21

ymxmzm HTHTH )()()()()( 1211 ωωωωω +=

Ym

Xm

Ym

XmHH

TTTT

TTTT

EE

)()(

)()()()(

)()()()(

)()( 1

109

87

43

21ωω

ωωωω

ωωωω

ωω

••=−

sore T, calcolati nel dominio della frequenza,vengono determinate le 6 funzioni “rispostaimpulsiva I1(t),I2(t),I3(t),I4(t),I5(t),I6(t)”. Questefunzioni consentono di calcolare una delleincognite del problema mediante la con-voluzione delle funzioni “risposta impulsiva”con i campi misurati:

La differenza tra i campi misurati e lefunzioni ricostruite fornisce il campo di origineinterna:

Questi segnali differenza possono peròessere stati generati anche sulla superficie terre-stre vicino al punto di misura, i segnali prossi-mali non producono effetti induttivi rilevanti, illoro contributo nelle funzioni di risposta impul-siva è praticamente nullo, questi segnali com-paiono nelle funzioni differenza. Per discrimina-re questa ulteriore ambiguità si applica, a questocampo residuo, il teorema della divergenza delvettore di Poynting. Gli algoritmi connessi conquesto teorema forniscono la direzione di arrivodei segnali residui, consentendo quindi di isolareil campo di origine interna alla Terra. Spessoperò l’ambiguità direzionale non viene risolta inquanto anche il rumore locale appare essereemesso dal sottosuolo. Uno strumento di mag-giore efficacia è costituito dal tensore elettroma-gnetico. I segnali sintetizzati vengono introdottinel tensore al posto delle omologhe componenti,opportunamente normalizzati. Lo studio degliautovettori in funzione della frequenza consentedi discriminare la componente interna dal rumo-re locale.

6. Modi di risonanza della cavità Terra-ionosfera

La cavità Terra-ionosfera si comportacome un sistema risonante le cui frequenze sonolegate alle dimensioni della cavità: la circonfe-renza massima della Terra di circa 40000 km el’altezza Terra-ionosfera di circa100 km (figura1.5). Alla prima è associata una frequenza fon-damentale longitudinale di 7.8 Hz, alla seconda

è associata una frequenza fondamentale trasver-sale di 1700 Hz. L’insieme delle scariche elettri-che atmosferiche e dei transienti artificiali digrande intensità che si producono sull’interasuperficie planetaria eccitano i modi di risonan-za longitudinale e trasversale della cavità produ-cendo una radiazione di fondo quasi stazionariae osservabile in qualunque punto della superfi-cie terrestre: un segnale di fondo noto comesegnale di risonanza Schumann (6 Hz – 45 Hz)e un segnale di risonanza trasversale (800 Hz –5000 Hz).

La radiazione Schumann è costituita dauna componente quasi stazionaria la cui ampiez-za è dell’ordine di 10-100 fT, e una componenteimpulsiva costituita da inviluppi quasi esponen-ziali molto più intensi, 0.1 –10 pT., la cui fre-quenza fondamentale e le sue armoniche sonosoggette a piccole fluttuazioni inferiori al 5%.

La componente stazionaria è dovuta alfatto che la frequenza media di ripetizione dellescariche atmosferiche è molto più grande dellafrequenza di risonanza, la componente non sta-zionaria è prodotta dalle scariche atmosferichedi grande intensità (>1 GW); a livello planetariosi ha, statisticamente, un evento ogni secondo(figura 1.6). Nel grafico sono rappresentati isegnali di risonanza longitudinale della cavitàTerra-ionosfera (risonanza Schumann) in essasono visibili le due componenti che caratterizza-no il fondo in questa banda di frequenze (7.5Hz): la componente non stazionaria dovuta aitransienti di grande potenza (>1 GW) e la com-ponente quasi stazionaria eccitata dalle scaricheelettriche atmosferiche (100 al secondo)

I segnali relativi ai modi di oscillazione

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Figura 1.5 Modi di risonanza nella cavitàTerra-ionosfera.Figure 1.5 Resonance modes in the Earth-ion-osphere cavity.

ymxmz tHtItHtItH )()()()()( 21 ⊗+⊗=

)()()()()(

)()()()()()(

65

43

tHtItHtItE

tHttItHtItE

ymxmy

ymxmx

⊗+⊗=

⊗+⊗=

zszmz HtHtH =− )()(

ysymy

xsxmxEtEtEEtEtE

=−=−

)()()()(

trasversale della cavità hanno una morfologiaspettrale molto più complessa (figura 1.7) inquanto dipendono dalla struttura della ionosferala quale è soggetta a continui cambiamentiinfluenzati principalmente dal sole sotto formadi due contributi: radiativo e particellare. Il con-tributo radiativo è dato dalla componente a piùelevata energia della radiazione solare (raggiUV e raggi X) e il contributo particellare dovu-to al vento solare (protoni, elettroni e ioni).

Le proprietà fisiche dei due bordi dellacavità sferica rivestono una importanza fonda-mentale nella propagazione dei segnali. Laionosfera può essere considerata globalmentecome un plasma freddo anisotropo e disomogeo.Questa assunzione è valida fintantoché l’energiadell’onda incidente non sia tale da modificare le

proprietà fisiche del plasma.Nel caso delle scariche elettriche atmo-

sferiche l’energia in gioco può essere talmenteelevata da produrre cambiamenti locali nel pla-sma ionosferico eccitando modi propri di riso-nanza. In una cavità sferica isotropa il campoelettromagnetico può essere scisso in due modidi propagazione indipendenti: nel modo TE (tra-sversale elettrico) e nel modo TM (trasversalemagnetico) oltre al modo TEM. Poiché la iono-sfera non è isotropa a causa del campo magneti-co terrestre, questi modi di propagazione siaccoppiano sul bordo inferiore della ionosfera.

Onde TM o TE incidenti danno luogo ariflessioni TE e TM. Nella cavità Terra-ionosfe-ra non possono coesistere modi TE e TM indi-pendenti. I due modi sono caratterizzati da fre-

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Figura 1.6 Segnali di risonanza di Schumann.Figure 1.6 Schumann’s resonance signals.

Figura 1.7 Frequenze di risonanza trasversale della cavità Terra-ionosfera.Figure 1.7 Transverse resonance frequencies in the Earth-ionosphere cavity.

quenze di cut-off multiple di c/2h: TM1= 1700Hz, TM2=3400 Hz, TM3=5500 Hz, ecc. (h è l’al-tezza della ionosfera assunta per semplicità pari a100 km) in corrispondenza delle quali la velocitàdi gruppo tende a zero .

Per f uguale alla frequenza di plasma fp, lavelocità di gruppo Vg e l’impedenza d’onda ZTMtendono a zero e l’impedenza d’onda ZTE tendea infinito (figure 1.8 e 1.9).

L’accoppiamento tra i due modi di propa-gazione implica che il coefficiente di riflessionenel bordo ionosferico è caratterizzato da una

matrice 2x2 piuttosto che da uno scalare.Il bordo inferiore della cavità è costituito

dalla superficie terrestre che può essere conside-rato approssimativamente isotropo. La matricedi riflessione relativa al suolo ha i due elementidiagonali nulli.

In corrispondenza delle frequenze TM1,TM2, TM3 ecc si ha la massima attenuazione deisegnali (figura 1.10).

Poiché la velocità di gruppo a queste fre-quenze tende a zero, il rumore presente nellacavità permane nell’ambiente per un tempo mag-giore rispetto a tutte le altre frequenze, pertanto

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Figura 1.8 Risposta impulsiva della cavità Terra-ionosfera.Figure 1.8 Impulse response of the Earth-ionosphere cavity.

Figura 1.9 Velocità di propagazione in funzione della frequenza dei modi TM.Figure 1.9 Propagation velocity depending on the frequencies of TM modes.

2)/(1 ffcV pgn −=

è osservabile una serie di inviluppi in corrispon-denza di tali frequenze. Queste frequenze dipen-dono dalla struttura della ionosfera, poiché que-sta è soggetta a variazioni temporali e spaziali, lefrequenze di cut-off possono assumere diversivalori nello stesso istante, tali valori inoltre pos-sono essere soggetti a variazioni nel tempo (tipi-ca è la variazione giorno-notte). La misura diquesti segnali può costituire un utile strumento didiagnosi della ionosfera (figura 1.11).

7. Bilancio energetico della cavità Terra-ionosfera

La cavità Terra-ionosfera può essere con-siderata come un grande condensatore elettricole cui armature sono costituite da due sfere con-centriche, la Terra e la ionosfera (figura 1.12). Lacarica di questo condensatore rimane approssi-mativamente costante nel tempo. La condizionedi equilibrio elettrostatico del sistema è garantitadai meccanismi fisici che consentono la continuarigenerazione del campo elettrico. Questi mecca-nismi sono i responsabili di gran parte del rumo-re elettromagnetico che si osserva sulla superfi-cie terrestre e che permea l’intera cavità. Permantenere carico questo condensatore è necessa-ria una potenza dell’ordine di 400 MW.

In condizioni di bel tempo il campo elet-trico in prossimità della superficie terrestre haun valore medio di circa 120 V/m a cui corri-sponde una densità superficiale di carica di -1.2pC/m2. Integrando questo valore su tutta lasuperficie terrestre si ottiene la carica totalenegativa della Terra di 0.5 MC. Una caricauguale e di segno opposto è ovviamente presen-te sul bordo della ionosfera. Il campo elettricoatmosferico decresce esponenzialmente con laquota, a 10 km il campo si riduce a 5 V/m, a 30km il campo è di soli 0.3 V/m. Integrando ilcampo elettrico dalla superficie terrestre finoalla ionosfera si ottiene la differenza di poten-ziale esistente tra Terra e ionosfera che è di circa300 kV. Nell’atmosfera fluisce una corrente ver-ticale la cui densità è di circa 2 pA/m2, integran-do tale valore della densità di corrente su tutta lasuperficie terrestre si ha una corrente totale di

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Figura 1.10 Curva di attenuazione della cavità Terra – ionosfera.Figure 1.10 Attenuation curve of the Earth-ionosphere cavity.

Figura 1.11 Modello semplificato della strutturadella ionosfera dedotto dalle frequenze di risonanzatrasversale.Figure 1.11 Simplified model of the ionospherestructure inferred by the transverse resonance fre-quencies.

circa 1350 A che scorre tra la ionosfera e lasuperficie terrestre. Questa corrente di scarica èdovuta alla presenza di cariche elettriche cherendono l’atmosfera leggermente conduttrice.Alle quote basse la sorgente principale si trovasulla superficie terrestre e all’interno dellaTerra.

La crosta terrestre infatti contiene mate-riali radioattivi, principalmente Uranio,Torio e iloro prodotti di decadimento. I Raggi beta egamma emessi dal suolo ionizzano le molecoledi aria nei primi metri sopra il suolo. Il gasradioattivo Radon, uno dei prodotti di decadi-mento dell’Uranio 238, può diffondere nell’at-mosfera fino a qualche decina di metri al disopra del suolo prima che decada in Polonioemettendo particelle alfa. Pertanto il Radon è laprincipale causa di ionizzazione dell’aria fino adaltezze di diverse decine di metri sopra la super-ficie terrestre. Nonostante ciò la conducibilitàelettrica dell’atmosfera vicino al suolo diminui-sce perché gli ioni tendono a depositarsi sulleparticelle di aerosol e di polvere. Queste parti-celle a causa della loro minore mobilità contri-buiscono a ridurre la conducibilità elettrica del-l’aria. Nelle zone con elevate concentrazioni diparticolato nell’aria si hanno bassi livelli di con-ducibilità elettrica.

La seconda sorgente di ionizzazione ècostituita dai raggi cosmici la cui efficacia èmassima a 15 km di quota dove il massimoeffetto ionizzante è dato dall’equilibrio tra i dueparametri: densità dell’aria e intensità dei raggicosmici, l’uno decresce e l’altro cresce con laquota. I raggi X e la radiazione ultraviolettasono la principale causa di ionizzazione dell’a-ria al di sopra di 60 km di quota. Questa dipen-

de dalla latitudine geografica, dalle stagioni,dalle ore del giorno e dall’attività solare. Laconducibilità elettrica dell’aria aumenta inoltrecon la latitudine a causa dell’aumento dell’in-tensità dei raggi cosmici alle latitudini più ele-vate.

A livello del suolo la densità di correntesubisce variazioni associate alle condizionimeteorologiche che producono migrazioni dicariche elettriche e quindi correnti di convezio-ne. Alle variazioni temporali del campo elettricoterrestre sono associate le correnti di sposta-mento che rappresentano una parte non trascu-rabile della corrente totale nell’equilibrio delcircuito elettrico globale. La corrente di sposta-mento ha la stessa variazione diurna della cor-rente di conduzione.

Vicino al suolo il campo elettrico è sog-getto a grandi variazioni legate principalmentealle condizioni meteorologiche locali. In condi-zioni di cielo sereno e di assenza di vento siosservano fluttuazioni del campo elettrico lega-te a fenomeni di altra natura, la cui banda siestende da frazioni di mHz (variazione diurna)fino a frequenze dell’ordine dei kHz. Il campoelettrico misurato a terra spesso risulta esseremolto più basso di 120 V/m, anche questo effet-to è dovuto alla radioattività naturale. La super-ficie terrestre ha una carica elettrica negativa, lecariche elettriche negative prodotte dal decadi-mento delle sostanze radioattive della crostavengono spinte verso l’alto dal campo elettricoterrestre, mentre quelle positive si dirigonoverso il basso, ciò dà luogo alla formazione diun campo elettrico opposto a quello terrestre. Siforma uno strato che si estende per un’altezza didiversi metri sopra la superficie terrestre all’in-terno del quale il campo elettrico terrestre rag-giunge un valore di equilibrio molto più basso diquello previsto, in funzione del livello di produ-zione di cariche negative di origine crostale,passando da 120 V/m a 5-30 V/m.

L’attività elettrica planetaria associata aitemporali può essere considerata come la sor-gente primaria dell’energia che alimenta il siste-ma elettrico Terra-ionosfera. Questo sistemaagisce come un immane generatore ad energiasolare, esso converte l’energia solare in energiaelettrica.

Il calore del sole che determina l’evapo-razione, dà luogo a gradienti termici verticali,necessari per l’ascesa del vapore. Le correnticonvettive verticali generano l’elettrizzazionedelle nubi producendo un campo elettrico oppo-sto a quello quasi-statico del condensatoreTerra-ionosfera, di diversi ordini di grandezzapiù intenso. Le scariche elettriche temporale-

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Figura 1.12 Equilibrio elettrostatico della cavi-tà Terra-ionosfera.Figure 1.12 Electrostatic equilibrium of theEath-ionosphere cavity.

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sche caricano la superficie terrestre ripristinan-do la carica negativa persa a causa della scaricacontinua attraverso l’atmosfera. La potenza elet-trica totale messa in gioco in questo enormemeccanismo di carica e scarica è di circa 400MW. Durante una scarica elettrica temporalescaviene creato un canale conduttivo ad elevatatemperatura lungo il quale scorrono correnti del-l’ordine dei kA. Questo conduttore è costituitoda gas allo stato di plasma caratterizzato da unaconducibilità elettrica confrontabile con quelladi un metallo. Per qualche frazione di secondo siforma un’antenna che irradia onde elettroma-gnetiche la cui frequenza dominante dipendedalla lunghezza del canale conduttivo chemediamente è di circa 1000 metri, a cui corri-sponde la frequenza fondamentale di circa 300kHz. In realtà il funzionamento di questa anten-na è piuttosto complesso, poiché il canale non èassimilabile al solo dipolo elettrico, dato che lacorrente che vi circola genera un intenso campomagnetico. Inoltre, il canale ionizzato determinail “congelamento” del campo magnetico terre-stre intensificandolo a causa dei moti vorticosidel plasma.

Quando la scarica cessa e il plasma si raf-fredda si produce una ulteriore emissione disegnali ELF-VLF dovuta allo “strozzamento”locale del campo geomagnetico lungo il percor-so della scarica.

La ionosfera viene caricata anche attra-verso altri meccanismi, diversi e molto più com-plessi.

Al di sopra della quota dei temporali, nel-l’atmosfera media dove l’aria è estremamenterarefatta, hanno luogo diversi fenomeni elettro-magnetici, stimolati indirettamente dall’attivitàelettrica delle nubi, quali red sprites, elves, blujets, impulsi radio ARB ( Atmospheric RadioBursts) e impulsi gamma di origine atmosfericaTGF (Terrestrial Gamma Flashes ) che in diver-sa misura contribuiscono a caricare elettrica-mente la ionosfera. Queste manifestazioni oltrea emettere nella banda propria, ottica, radio HFe gamma, hanno anche una coda spettrale nellabanda ULF,ELF e VLF. Un ruolo importante siritiene che abbiano i flussi di elettroni relativi-stici nella produzione di tali manifestazioni.Questi flussi vengono prodotti dal campo elet-trico presente al di sopra delle nubi dove l’aria èpiù rarefatta. Gli elettroni vengono accelerati,lungo le linee di forza del campo geomagnetri-co, dal campo elettrico estremamente intensopresente al di sopra delle nubi elettrizzate, que-sti interagiscono con i neutri dell’atmosfera pro-ducendo un frenamento delle cariche accelerate(bremsstrahlung) producendo impulsi gamma

TGF (Terrestrial Gamma ray Fashes) “ RedSprites” sono emissioni ottiche nella regionedello spettro corrispondente al rosso, si manife-stano tra i 40 e i 90 km di altitudine e sono asso-ciati a scariche elettriche atmosferiche cheavvengono tra la sommità delle nubi e la iono-sfera. Queste scariche hanno caratteristicheassai diverse dai fulmini in quanto l’aria è estre-mamente rarefatta. Le emissioni gamma sonotransienti la cui durata è dell’ordine del millise-condo. Gli impulsi radio atmosferici sono carat-terizzati da una energia centinaia di volte piùintensa delle radio emissioni dovute alle scari-che elettriche. Hanno origine tra 5 e 20 km dialtitudine al di sopra di grandi temporali. Lospettro di questi fenomeni si estende tra 20 MHze 200 MHz. La loro durata è estremamentebreve, può variare da qualche microsecondofino a 100 microsecondi, perciò sono di difficileosservazione. Le scariche atmosferiche, in parti-colare quelle di grande potenza (>1GW), posso-no produrre condizioni di instabilità nel plasmaionosferico e magnetosferico inducendo tuttauna serie di fenomeni, meglio noti con i loroacronimi:

- AKR (Auroral Kilometric Radiation) 20 kHz– 2 MHz

- NTC (Non Thermal Continuum) 500 Hz 10 kHz- NCR (Non Continuum Radiation) 200 Hz -

100 kHz- TNCR (Trapped Non Continuum Radiation)

500 Hz 20 kHz- EW (Electron Whistlers) 100 Hz – 18 kHz- PW (Proton Whistlers) 0.1 Hz – 20 Hz- VLF HISS 10 Hz - 100 kHz- GM (Geomagnetic Micropulsation) 0.001

Hz - 5 Hz- ICW (Ion Cyclotron Whistlers) 10 Hz – 700 Hz- ICWA (Ion Cyclotron Waves) 5 Hz – 100 Hz- MNB (Magnetic Noise Bursts) 10 Hz – 600 Hz - SR (Schumann Resonance) 6 Hz – 50 Hz- ET (Electron Tweeks) 1-6 kHz- PT (Proton Tweeks) 1-10 Hz- TMR (Terrestrial Miriametric Radiation) 1-

100 kHz

L’intensità dei segnali associati a questemanifestazioni naturali, osservate sulla superfi-cie terrestre, variano da 10 fT fino a 100 nT. Ingran parte vengono stimolate e modulate anchedalla componente particellare della radiazionesolare (il vento solare). Questi segnali si propa-gano all’interno del plasma magnetosferico eionosferico come onde magnetoidrodinamiche,che rimangono confinate come tali in questeregioni in quanto non possono propagarsi nel

vuoto o nell’atmosfera neutra Quando giungonosui bordi della discontinuità, il bordo inferioredella ionosfera o il bordo esterno della magne-tosfera, questi segnali vengono riemessi dallasuperficie di discontinuità sotto forma di ondeelettromagnetiche e quindi possono essereosservate a terra.

La condizione essenziale affinché l’ener-gia possa sfuggire dal plasma magnetosferico eionosferico verso lo spazio interplanetario everso la Terra è che le onde magnetoidrodinami-che nel plasma si propaghino nel modo ordina-rio e straordinario al di sopra delle rispettive fre-quenze di cut-off. Alla frequenza angolare loca-le del plasma ωp per i modi ordinari e alla fre-quenza.

Per i modi straordinari. (ωg è la frequenza giromagnetica dell’elettrone eωp è la frequenza angolare di plasma)

Le emissioni coinvolgono condizioni diinstabilità che generano microturbolenze lequali rimangono confinate nelle regioni di pla-sma. La radiazione che si propaga all’esterno èil risultato di interazioni non lineari nel plasma.

Questi processi di generazione di ondeproducono

diverse componenti, la più importante è la com-ponente fondamentale alla frequenza di plasmaquando la frequenza della perturbazione dovutaalla instabilità locale è molto inferiore a quelladi plasma, ωi<<ωp;

8. Elaborazione dei dati

Il primo tema affrontato riguarda il rile-vamento dei segnali attraverso una finestra tem-porale avente caratteristiche di “stazionarietàlocale”, considerato che il rumore em di fondopresenta un elevato grado di non stazionarietà.La scelta di questa finestra di osservazione con-diziona naturalmente la classe di fenomeniosservabili.

L’Acquisizione dei dati è scissa in duebande: nella banda 0.001 Hz – 100 Hz e nellabanda 1 Hz – 100 kHz. Nella prima banda ven-gono registrati direttamente i dati campionati,nella seconda banda il software di acquisizioneesegue in tempo reale la trasformata di Fourierdelle sei componenti del campo, con risoluzione

di 1 Hz. Con queste trasformate viene costruitoil tensore elettromagnetico T; con i 4 minori her-metiani del tensore vengono costruite 50000matrici spettrali 6x6 ogni 10 minuti.

Il tensore sopra riportato è così composto:nel quadrante a sinistra in alto vi è la compo-nente magnetica, nel quadrante a destra in bassovi è la componente elettrica, gli altri due rappre-sentano il vettore di Poynting.

Per trattare il tema della individuazionedelle bande di frequenza riferibili a sorgenti dis-crete vengono elaborate le matrici in modo daraggrupparle in base a criteri di ortogonalitàmediante il calcolo dei relativi autovalori e auto-vettori. Questo studio è di particolare interessepratico perché permette di stabilire, in baseall’uniformità delle bande selezionate, qual è ilnumero minimo di sorgenti indipendenti checoncorrono alla formazione del rumore misura-to. Il secondo tema riguarda l’applicazione delteorema della divergenza del vettore diPoynting, analizzando la sottoclasse delle matri-ci selezionate in modo da valutare per ciascunabanda i 4 attributi energetici. La divergenza di P,nel dominio del tempo, è data dalla espressione:

Poiché la densità di corrente J si compo-ne della corrente dovuta alle sorgenti e della cor-rente di conduzione. La prima è la correnteimpressa dai generatori, la seconda è la correnteche scorre nel sistema fisico:

l’espressione della divergenza, nel dominiodella frequenza, diviene:

24


++= 2

122 4

21

pgg ωωωω

)()()()()( tHtEtEtHtPrrrrr

×∇−×∇=∇

EJJJJ scsrrrrr

σ+=+=

222EJEEjHjP srrrrrr

σωεωµ −⋅−+−=⋅∇

e i 4 contributi distinti sono:

è la potenza totale complessa che fluisce fuoridella superficie S che circonda la i-esima sorgente;

è la parte reale della potenza che fluisce fuori di S;

è l’energia magnetica media immagazzinata nelvolume V in cui è confinata l’i-esima sorgente;

è l’ energia media associata al campo elettricoimmagazzinata nel volume V.

Inoltre,

è il valore medio dell’energia dissipata in V, e

è la potenza media liberata dalla sorgente pre-sente in V.

Il bilancio energetico complessivo sugge-risce che l’energia totale fornita dai generatoriconfinati all’interno della superficie di integra-zione S deve eguagliare la somma dell’energiairradiata fuori dalla sorgente, di quella dissipataall’interno della sorgente e di quella immagazzi-nata nel volume V limitato da S:

Naturalmente Pd e Ps non sono diretta-mente accessibili alla misura senza interagirefisicamente con la sorgente. Anche le altre gran-dezze non sono esattamente conoscibili attraver-so una misura puntuale in quanto occorrerebbepoter integrare le misure sulla superficie S, natu-ralmente nel campo lontano le cose sono sem-plificate.

Nel caso estremamente semplificato incui la sorgente è costituita da un dipolo elettricopuntiforme, nella zona reattiva in cui r < λ/2π lecomponenti prevalenti sono:

il vettore di Poynting diventa:

P è immaginario, rappresenta un sistema di ondestazionarie. E’ un risultato irrealistico in quantoal di fuori della sfera S di raggio r ≈ λ/2π ilcampo sarebbe nullo, non vi sarebbe irradiazione.

Ciò deriva dalla semplificazione nell’e-spressione del campo dovuto al dipolo, in realtàla descrizione di questi campi è molto più com-plicata, se venissero considerati anche gli altritermini mancanti si avrebbe anche una compo-nente reale del vettore P che terrebbe conto del-l’energia che attraversa la superficie S.

Questo tipo di analisi consente comunquedi valutare approssimativamente i vari contribu-ti energetici e di discriminare i segnali rispetto aiquali l’osservatore si trova nel campo vicino enel campo lontano, nelle relative bande di fre-quenza. Tali bande devono essere sufficiente-mente strette in modo da ridurre l’effetto dovu-to alla sovrapposizione di segnali di originediversa.

Le dimensioni trasversali della cavitàTerra-ionosfera sono, per gran parte dello spet-tro di interesse, più piccole della lunghezzad’onda dei segnali. La condizione di campovicino è quindi prevalente. Nelle regioni “nearfield” il vettore di Poynting istantaneo ha unacomponente immaginaria che rappresenta laporzione di energia dei segnali che si propaganella direzione della sorgente. E’ come se lospazio circostante scambiasse energia con lasorgente. La superficie che effettivamente appa-re emettere i segnali pare essere non quella coin-cidente con la sorgente fisica bensì quella corri-spondente alla sfera di raggio r ≈ λ/2π.All’esterno della quale P diviene reale al cresce-re della distanza.

Naturalmente nello studio del vettore diPoynting si assume che i campi E e H proven-gano da una sola sorgente, nel caso del rumoreelettromagnetico naturale, nella banda di indagi-ne, si è in presenza di una sovrapposizione di

25


∫∫∫=V

d dVEP 221 σ

∫∫∫ •−=V

ss dVJEP )(21 *

)(2 emds WWjPPP −++= ω

θπ

θπ

θπ

φ

θ

senr

deH

senkr

dejZE

krdejZE

jkr

jkr

jkr

r

2

30

30

4

4

cos2

−

−

−

≈

−≈

−≈

jkrr

rr

evr

senvr

sendk

Zj

HvEvEP

−

−

=⊗+≈

rr

rrr

5

2

520

*

2cos2

))(

θθθθ

φθθ

∫∫ ⊗=S

dSHEP )( *

∫∫ ⊗=S

r dSHEP )(Re21 *

∫∫∫=V

m dVHW 221

21 µ

∫∫∫=V

e dVEW 221

21 ε

campi dovuti a innumerevoli sorgenti di naturaed estensione diverse. L’osservazione dei campiin bande di frequenza molto strette non sempregarantisce che E e H misurati provengano dauna sola sorgente.

Il terzo tema riguarda lo studio del tenso-re elettromagnetico T nel dominio del tempo edella frequenza. L’analisi delle due componentidi questo tensore, la parte simmetrica e la parteantisimmetrica, consente di calcolare tutti iparametri relativi alla distribuzione del campoin 3D.

Lo studio della derivata del tensore elet-tromagnetico consente inoltre di separate levariazioni del campo elettromagnetico nelle duecomponenti: la componente che varia parallela-mente al vettore elettrico e al vettore magneticoe le componenti non parallele. I quattro tensorirappresentativi due simmetrici e due antisimme-trici descrivono la morfologia e la dinamica deisegnali nel tempo e nella frequenza. I vantaggidi queste metodologie risiedono nel fatto chenon è necessario operare a banda stretta in quan-to è possibile analizzare contemporaneamente

segnali provenienti da 2 o più sorgenti diverse.L’analisi del campo elettromagnetico ambienta-le conduce ineluttabilmente ad una rappresenta-zione della realtà fisica più o meno distorta inquanto i segnali si propagano all’interno di unacavità risonante caratterizzata sia da modi dirisonanza libera sia da frequenze di cutoff rela-tive ai modi TM e TE. Una parte dell’energiaelettromagnetica osservata appare essere gene-rata dalle due superfici che limitano la cavità: lasuperficie terrestre e la ionosfera. Una ulteriorecomplicazione è data dalla presenza del campogeomagnetico e dalla circostanza che le duesuperfici sono ben lungi dall’essere conduttoriperfetti, inoltre le loro proprietà elettromagneti-che variano spazialmente e temporalmente.

26


Figura 1.13 Esempio di sorgente estesa: modo di risonanza trasversale della cavità Terra-ionosferadove la sorgente è costituita da una vasta area della superficie inferiore della ionosfera.Figure 1.13 Example of large source: transverse resonance frequencies in the Earth-ionosphere cav-ity where the source is a large area of the bottom surface of the ionosphere.

1. Introduzione

Il recente sviluppo di strumentazioneautomatica per la costituzione di reti di monito-raggio ambientale dei campi elettromagneticirappresenta una delle principali novità nel pano-rama dei sistemi per la valutazione, tramitemisure, dei valori che caratterizzano il campoelettromagnetico ambientale.

L’elemento di base che costituisce la reteè la centralina di rilevamento in continuo deivalori del campo elettrico o magnetico che, inprima analisi, è costituita dai seguenti modulifunzionali (figura 2.1):- modulo di misura del campo elettrico (E) o

magnetico (H);- memoria di registrazione dei valori misurati;- modulo di connessine alla rete;- modulo di alimentazione.

Sotto il profilo strumentale, le centralineeffettuano le misurazioni del campo con tecnicadi rilevazione a banda larga. Il loro impiego,

prescindendo dalle specifiche peculiarità che lecaratterizzano come elementi costitutivi di unarete di monitoraggio, presenta le medesime pro-blematiche che sono tipiche delle metodiche daadottare per la corretta esecuzione delle misuredi campo che tengono conto sia delle configura-zioni spaziali che assume il campo elettroma-gnetico, sia delle caratteristiche tecniche dellostrumento di misura.

Saranno quindi esaminati preliminarmen-te tali aspetti, a premessa dell’analisi sulle carat-teristiche funzionali delle centraline, sulle pecu-liarità, e sui loro limiti tecnici.

2. Strumentazioni e metodi di misura

2.1 Le configurazioni spaziali del campoLe tecniche e la tipologia di strumenta-

zione per la misura dei parametri del campoelettromagnetico devono tenere conto delle con-figurazione spaziali e delle proprietà del campo

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Seconda parte

Monitoraggio ambientale dei campi elettromagnetici di origine antropica nelle bande ELF- LF-HF-VHF-UHF (50 Hz, 100 kHz - 3 GHz)

Figura 2.1 Moduli funzionali di una centralina di rilevamento.Figure 2.1 Functional modules of remote electromagnetic data acquisition.

Figura 2.2 Configurazione spaziale del campo elettromagnetico con D<< λ.Figure 2.2 Spatial configuration of the electromagnetic field with D<<λ.

in relazione alle dimensioni delle sorgente(antenna) ed alla lunghezza d’onda.

Un campo elettromagnetico con lunghez-za d’onda λ emesso da una generica antennaavente la massima dimensione lineare “D”metri, presenta le caratteristiche spaziali e pro-prietà fisiche che condizionano significativa-mente le metodiche di misura e la scelta dellastrumentazione (norma CEI 211-7 del 2001“Guida per la misura e per la valutazione deicampi elettromagnetici nell’intervallo di fre-quenza 10kHz-300 GHz con riferimento all’e-sposizione umana).

In sintesi, assumendo come origine il cen-tro geometrico di un’antenna, è possibile indivi-duare le seguenti tre regioni spaziali:- regione di campo reattivo;- regione di campo vicino radiativo;- regione di campo lontano radiativo. La con-

figurazione che il campo assume nello spaziodipende dalla geometria dell’antenna, dalladistanza r dalla sorgente e dalla lunghezzad’onda λ.

Le figure seguenti (2.2 e 2.3) individuanoqueste 3 regioni anche in relazione alla dimen-sione dell’antenna.

2.2 Gli strumenti per la misura dei livelli dicampo

La strumentazione per la misura delcampo elettromagnetico deve poter consentire larilevazione delle seguenti grandezze:• campo elettrico E nella zona di campo vicino

reattivo (elettrodotti) e campo vicino radiati-vo (impianti ad alta frequenza);

• campo magnetico H nella zona di campovicino reattivo (elettrodotti) e campo vicinoradiativo (impianti ad alta frequenza);

• densità di potenza S nella zona d’onda piana(impianti ad alta frequenza) (S W/m2 = E X H= E2 / 377 = 377 H2).

Le prime due misure devono essere indi-pendenti le une dalle altre nel senso che il sen-sore per la misura del campo elettrico deve esse-re insensibile al campo magnetico e viceversa(disaccoppiamento >20 dB).

Le caratteristiche della strumentazionedevono inoltre essere adeguate alla banda nellaquale si intendono effettuare le misure e devonorimanere costanti in tutta la banda misurataoppure devono essere disponibili i fattori di cor-rezione.

L’elemento che caratterizza la banda difunzionamento degli strumenti è la sonda(sensore).

Sotto il profilo operativo, la strumenta-zione per la misura dei parametri del campoelettromagnetico può essere classificata in basealle specificità delle sonde sia per quel cheriguarda la banda di esercizio, sia per quantoattiene alle loro caratteristiche di polarizzazione(isotropia).

Una prima e fondamentale suddivisionedella strumentazione riguarda la banda di eser-cizio in termini di banda larga e banda stretta(figura 2.4).

Il criteri di suddivisione degli strumentiin base alla banda di esercizio, conduce ad indi-viduare le seguenti tipologie di sonde:• sonde a banda stretta che equipaggiano gli

strumenti selettivi ed analizzano il camponelle sue caratteristiche di ampiezza, fre-quenza polarizzazione e modulazione;

• sonde a banda larga che operano su una por-zione di banda estremamente ampia (dal kHzal GHz) ed equipaggiano gli strumenti a

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Figura 2.3 Configurazione spaziale del campo elettromagnetico con D>>λ.Figure 2.3 Spatial configuration of the electromagnetic field with D>>λ.

banda larga. Tali sonde forniscono la solainformazione dell’ampiezza del campo. Larisposta in ampiezza è proporzionale a tutti icontributi dei campi presenti alle diverse fre-quenze nella banda di funzionamento.

Alla prima categoria, appartengono glianalizzatori di spettro che forniscono tutti iparametri del campo: intensità, frequenza, pola-rizzazione e modulazione.

Alla seconda categoria di strumentiappartengono i misuratori portatili che risultanodi semplice impiego e di basso costo e che sonoequipaggiati con sonde isotrope. Essi però forni-scono la sola misura dell’intensità del campo.

Nella trattazione che segue si farà riferi-mento alla sola strumentazione a banda largapoiché le reti di centraline forniscono rilevazio-ni strumentali non selettive.

2.3 Strumentazione e metodi di misura abanda larga

a) Principio di funzionamentoGli strumenti a banda larga.sono equipag-

giabili con sonde che possono essere per le bassefrequenze (da qualche Hz a 100 KHz) o per lealte frequenze (da 100 KHz ad oltre 3 GHz). Inentrambi i casi, la risposta in ampiezza dellesonde è proporzionale a tutti i contributi deicampi presenti alle diverse frequenze nellabanda di funzionamento. Per ogni banda di fre-quenza sono previste sonde (sensori) diverse perla misura del campo elettrico e per la misura delcampo magnetico.

La caratteristica della banda larga consentedi ottenere la misura del valore efficace totale delcampo elettrico Eeff o dell’induzione magneticaBeff come somma quadratica dei singoli contributidel campo Ef o Bf

Le sonde a banda larga sono generalmenteanche isotropiche (2.5) poiché forniscono in usci-ta un segnale che è indipendente dalla polarizza-zione del campo. Tale caratteristica è ottenuta dis-ponendo tre sensori orientati lungo tre direzionimutuamente ortogonali. Con tale geometria ven-gono misurate separatamente le tre componentidel campo, qualunque sia la sua polarizzazione ecomunque sia posizionata la sonda, e quindi som-mate vettorialmente per ottenerne la risultante.

Ad esempio, una sonda isotropica delcampo magnetico per le basse frequenze ècostituita da tre avvolgimenti disposti mutua-mente ortogonali in modo da misurarne separa-tamente le tre componenti.

Le componenti del campo rilevate dallesonde danno luogo a tre tensioni che sono appli-cate a rivelatori quadratici, tipicamente diodi,sui quali le sonde sono chiuse.

La somma quadratica delle tensioni inuscita dai rivelatori è proporzionale alla sommavettoriale delle singole componenti del campo.

Una relazione analoga si ottiene ancheper una sonda isotropica del campo elettrico cheè realizzata disponendo tre dipoli elettrici cortidisposti mutuamente ortogonali in modo damisurare separatamente le tre componenti delcampo elettrico lungo i tre assi individuati dallaterna di dipoli, comunque vengano dispostirispetto alla sorgente.

29


Figura 2.4 Criteri di suddivisione della strumentazione in base alla banda di esercizio.Figure 2.4 Selection criterion of the devices based on the operative frequencies.

E Eeff f= ∑ 2

∑= 2feff BB

EEE zyxE 222 ++=

BBB zyxB 222 ++=

Le caratteristiche congiunte di isotropia edi larga banda delle sonde, si combinano linear-mente per cui il valore efficace del campo elet-trico o magnetico dovuto a contributi di fre-quenza e polarizzazione diverse è dato da:

I vantaggi delle misure e dei misuratori abanda larga sono così sintetizzabili:- isotropia;- dimensione ridotta del sensore;- semplicità d’uso e ridotto costo degli stru-

menti

- velocità di esecuzione della misura;- capacità di misurare in tempo reale il valore

efficace della intensità di campo presente(indipendentemente dalla forma d’onda);

- possibilità di mediare un intervallo di tempocompatibile con i requisiti degli standard diesposizione (per esempio 6 minuti);

- possibilità di applicare un fattore di correzio-ne in funzione della risposta in frequenza e didiverse situazioni di esposizione. Nella figu-ra che segue (2.6) è mostrata l’architetturafunzionale di un misuratore isotropico abanda larga per il campo elettrico.

b) Procedure per misure a banda larga

Le sonde a banda larga misurano il livel-lo r.m.s. (valore quadratico medio) del campoelettrico o del campo magnetico.

Nel caso specifico di segnali di telefoniamobile, ad esempio, i segnali GSM, con tecnicadi accesso TDMA, possono avere una potenzamedia variabile nel tempo, sulla stessa portanteradio, in funzione del numero di canali attivi edella distanza dei terminali mobili collegati. Intale caso, le sonde possono misurare con preci-sione il livello istantaneo dei campi prodotti edottenerne quindi la media su di un periodo diosservazione prefissato (p. es. di 6 minuti). Ilivelli di campo associati alla potenza massimadel centro radio possono invece essere ottenutielaborando i risultati ottenuti in funzione del

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Figura 2.5 Sonde isotropiche per la misura del campo B e E.Figure 2.5 Isotropic probe for E and B measurement.

∑ ∑∑ ++= 2,

2,

2, fzfyfxeff EEEE

∑ ∑∑ ++= 2,

2,

2, fzfyfxeff BBBB

Figura 2.6 Misuratore isotropico a banda larga.Figure 2.6 Wide band isotropic probe.

rapporto tra la potenza massima prevista all’in-gresso delle antenne trasmittenti considerate equella effettivamente presente al momento dellemisure.

Per una valutazione precisa dei livelli dicampo elettromagnetico presenti nei siti dimisura è opportuno osservare le procedure diseguito descritte.

Le sonde richiedono un azzeramento ini-ziale e periodico per compensare le derive ter-miche. Alcuni modelli recenti effettuano questaoperazione in modo automatico ed in presenzadi esposizione, altri richiedono un azzeramentomanuale e in assenza di campo incidente; questaoperazione è determinante per la precisionedella misura dei livelli prossimi al limite di sen-sibilità dell’apparato.

La valutazione dei livelli di campo piùsignificativi deve essere effettuata ricercando, incorrispondenza di ogni punto di misura, il livel-lo massimo del segnale ricevuto mediante spo-stamenti graduali della sonda.

È opportuno osservare che nelle situazio-ni di forte stazionarietà di campo, a minimi spo-stamenti possono corrispondere forti variazionidi livello ricevuto. L’accuratezza dedicata a que-sta fase di misura, quindi, è determinante per laprecisione della stessa.

Le misure sono valide quando la sonda èferma, non sono quindi da considerare i trans-itori che si possono manifestare nel corso deglispostamenti; se la sonda non è in posizione fissae preferibilmente remotizzata dall’operatoresono quindi da escludere le funzioni di memoria(max-hold, average) generalmente disponibili.

Nel corso delle misurazioni la sonda nondeve essere accostata o posizionata ad oggetti,in particolare metallici, per evitare effetti dirisonanza degli elementi riceventi e, quindi,conseguenti letture alterate dei livelli di campopresenti nel punto di misura; al riguardo è buonanorma mantenere una distanza minima di alme-no 10 cm da qualsiasi oggetto.

Per ottimizzare la precisione della sonda,è necessario impostare sul misuratore ad essacollegato il fattore di calibrazione corrisponden-te alla banda di frequenza dei possibili segnaliinterferenti.

Nel caso di sorgenti variabili nel tempo ènecessario utilizzare tempi e metodi di misuraconformi alle vigenti normative in particolaresugli apparati che dispongono delle funzioni“peak” o “average” è possibile ottenere diretta-mente sull’indice del misuratore rispettivamenteil livello massimo o la media dei livelli ricevutiin un tempo di ascolto prefissato. Le misuresono effettuate preferibilmente con sonde di

campo elettrico, sia per la maggiore estensionedelle bande di funzionamento, sia per la mag-giore sensibilità rispetto a quelle di campomagnetico.

Nel caso non sia possibile stabilire concertezza la frequenza dei segnali rilevati, è pos-sibile considerare, come termine di confronto, ilimiti di esposizione più restrittivi nell’ambito ditutte le possibili frequenze interferenti.Ovviamente l’indicazione che ne deriverà puòessere molto conservativa; per un approfondi-mento è necessario ricorrere a misure selettivein frequenza.

c) Accuratezza degli apparati di misura a bandalarga

L’accuratezza degli apparati di misura abanda larga è determinata sostanzialmente daiseguenti fattori:- isotropicità della sonda;- precisione di calibrazione in frequenza della

sonda;- linearità di ampiezza della sonda;- accuratezza del misuratore applicato alla

sonda;- risposta in frequenza non piatta;- risposta in temperatura (0,05 dB/°C).

Per migliorare l’accuratezza della misura,è necessario ottimizzare la precisione di letturadello strumento impostando sul misuratore i fat-tori di calibrazione corrispondenti ai campi difrequenza indicati nelle istruzioni fornite a cor-redo delle sonde.

A questo scopo, quindi, è importantevalutare, prima di effettuare ogni misura, i pos-sibili campi di frequenza dei segnali interferentie impostare, di conseguenza, un fattore di cali-brazione mediato tra quelli corrispondenti aisuddetti campi di frequenza, o quello corrispon-dente all’emittente più significativa.

L’incertezza di misura totale, riferita adogni segnale misurato su ciascun asse conside-rato, è calcolata secondo le modalità indicatedallo Standard ISO TAG4 1992 per un livello diconfidenza del 95%.

3. Le reti per monitoraggio automatico ein continuo

3.1 PremessaI campi elettromagnetici emessi nell’am-

biente esterno da un elettrodotto, da una stazioneradio base, da un ripetitore radio o TV possonoessere caratterizzati per via teorica in modoaccurato ed affidabile, oppure essere valutati con

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misure estemporanee e di limitata durata.Le reti di monitoraggio in continuo dei

livelli di campo elettromagnetico presenti sul ter-ritorio non rappresentano una alternativa ai meto-di previsionali né alle consolidate tecniche stru-mentali, ma costituiscono un’ulteriore risorsa tec-nica che integra e da valore aggiunto al repertoriodei dati ottenibili con gli approcci tradizionali.

Infatti esse consentono di tenere sottoosservazione diverse zone o impianti nello stes-so periodo e per tempi prolungati acquisendouna rilevante quantità di dati con i quali è possi-bile, ove necessario, focalizzare ulteriori e piùapprofonditi interventi con strumentazione sofi-sticata sulle situazioni più critiche per la lorocomplessità e/o per la necessità di risanamenti.

Infine, le reti di monitoraggio costituisconoun supporto pressoché indispensabile se si voglio-no raccogliere grandi quantità di dati in modo pro-lungato nel tempo ed esteso sul territorio.

3.2 Stato dell’arte Il vantaggio principale delle centraline

mobili consiste nella rapida dislocabilità sul ter-ritorio, e quindi in un uso dinamico della stru-mentazione in relazione alle effettive esigenzedi sorveglianza.

Ad oggi, sono state sviluppate diversetipologie di centraline equipaggiabili con senso-ri isotropici a banda larga con campo di fre-quenze che va da qualche centinaio di kHz aqualche GHz (generalmente 3 GHz), per le altefrequenze e da qualche Hz a 100 kHz per lebasse frequenze (figure 2.7 e 2.8) .

Le dimensioni ed il peso contenuti fannosì che questi apparati possano essere facilmentericollocabili; inoltre, il loro funzionamento ègarantito per lunghi periodi in ambiente esternopoiché l’alimentazione dell’apparato è fornitada un pannello solare e batteria tampone.

Più di recente, sono state realizzate cen-traline multibanda che, al momento, rappresen-

tano lo sviluppo più avanzato nello specificosettore.

Nelle centraline multibanda sono inte-grati diversi canali di misura, uno per ognibanda di funzionamento. Ad ogni banda difunzionamento corrisponde un sensore (iso-tropico, a banda larga) ed una catena stru-mentale per la misura e la elaborazione deisegnali che provengono dalle diverse tipolo-gie di sorgenti.

3.3 Principi generali di funzionamento dellecentraline

Per quanto riguarda l’hardware, le cen-traline sono tipicamente costituite dai blocchifunzionali rappresentati nello schema seguente.

Le caratteristiche dei singoli blocchi fun-zionali sono variabili e dipendono dalle scelteprogettuali dei costruttori, tuttavia è possibileindicare le funzioni di base di ciascun blocco(figura 2.9).

Il sensore Ha lo scopo di convertire il valore del

campo elettrico (o del campo magnetico) in unatensione proporzionale al valore efficace delcampo, ottenuto come risultante delle tre compo-nenti spaziali della polarizzazione.

Il sensore comprende:- sistema isotropico di antenne a larga banda

(tipicamente da 100 kHz a 3 GHz), nel casodi sensori ad alta frequenza, o di avvolgi-menti, nel caso di sensori a bassa frequenza(da qualche Hz a 100 kHz);

- reti di filtraggio e amplificatore operazionale;- sensore di temperatura e sistema di compen-

sazione della deriva termica dei diodi.

32


Figura 2.7 Tipica centralina mobile.Figure 2.7 Typical relocatable data acquisition.

Figura 2.8 Tipica centralina mobile multibandaFigure 2.8 Typical relocatable multi-band dataacquisition.

Unità di processo e memorieCostituisce la parte intelligente della cen-

tralina. Svolge le seguenti funzioni di base:- supervisione di tutti i blocchi funzionali;- gestione dei programmi residenti e dei set-

taggi esterni;- gestione dei campionamenti delle grandezze

del campo;- elaborazioni statistiche dei campioni rilevati

dal modulo sensore; - gestione delle interrogazioni remote e locali;- gestione trasmissione dati;- gestione del B.I.T.E (allarmi di mal funzio-

namento).

Modulo di trasmissioneHa lo scopo di realizzare la connessione e

la gestione del collegamento remoto via GSM.

Sistema autonomo di alimentazioneFornisce l’alimentazione alla centralina.

Il sistema è costituito da un pannello fotovoltai-co che ricarica una batteria tampone di capacitàopportunamente dimensionata.

Interfaccia localeConsente il settaggio e lo scarico locali

dei dati tramite PC

3.3 La validazione dei datiCome sarà successivamente trattato, le

centraline inviano su interrogazione remota idati registrati durante ogni ciclo di monitoraggioad un centro raccolta dati (CRD).

Le modalità di interrogazione delle cen-traline ed il formato dei dati varieranno in rela-zione ai programmi residenti ed al settaggio delsistema.

I dati registrati saranno in generale costi-tuiti da files formattati in relazione alla tipologiadelle centraline utilizzate e comunque esportabi-li dalle centraline in modalità remota.

Prescindendo comunque dalle suddettecaratteristiche, che dipendono dalle soluzioniprogettuali adottate dai costruttori e quindi dalfunzionamento delle centraline, i dati che esseforniscono devono comunque essere compatibi-li per il successivo confronto con le prescrizionipreviste dalla normativa del settore.

Sorge quindi l’esigenza di validare i datiforniti dal sistema sia sotto tale profilo, sia sottoil profilo della coerenza con le finalità operativedella rete stessa. A tale fine è necessario stabili-re i criteri di validazione dei dati che devonotenere conto della normativa in vigore, dei limi-ti strumentali delle tecnologie, e delle condizio-ni operative nelle quali le stesse potranno essereimpiegate.

Da ciò consegue una doppia verifica: la

33


Figura 2.9 Tipico schema a blocchi di una centralina.Figure 2.9 Typical block diagram of remote data acquisition.

prima (validazione tecnica) riguardante la signi-ficatività dei dati registrati, nel contesto delleprescrizioni tecniche previste dalle norme; laseconda (validazione operativa) attiene all’ac-certamento che i dati ottenuti, ancorché correttisotto il profilo tecnico, siano anche utilizzabilinel contesto operativo delle rete.

3.3.1 La validazione tecnicaI due D.P.C.M. dell’ 8 luglio 2003 (vds

Appendice 1) nel prescrivere i limiti per la pro-tezione della popolazione dalla esposizione aic.e.m. ad alta e bassa frequenza, stabilisconoche le misurazioni siano eseguite secondo leindicazioni dalla norma CEI 211-7/01, per lemisure dei campi elettromagnetici ad alta fre-quenza, e della norma CEI 211-6/01 per la misu-re a bassa frequenza .

Sotto tale aspetto occorre evidenziare chele centraline adottano il sistema di misura abanda larga e quindi non solo il metodo di misu-ra deve essere conforme alle indicazioni previ-ste dalle citate norme CEI per tale tipologia dimisura, ma i risultati delle misure devono esse-re assunti tenendo conto dei limiti intrinseci didette rilevazioni strumentali.

In particolare si evidenziano i seguentiaspetti:• La gestione dell’incertezza del valore misu-

rato.I dati misurati dallo strumento (e quindi

dalla centralina) devono essere presentati unita-mente all’incertezza del valore della misura(circa 3 dB per la misure alle alte frequenze,valori più contenuti per la basse frequenze).

Tale prescrizione è fondamentale per ilconfronto dei risultati delle misure con i limitiprevisti dalla normativa. Allo scopo di eviden-ziare l’importanza di tale aspetto nel contestodella validazione tecnica dei dati, si consideri laseguente situazione esemplificativa.

Si supponga che una centralina abbiaregistrato una misura dell’intensità di campoelettrico ETOT in un generico punto del territorio.Occorre ora confrontare il risultato ottenuto con,ad esempio, il valore di attenzione di 6 V/m fis-sato dal citato decreto.

Nella figura 2.10 sono riportate quattrosituazioni possibili. Nella misura a, il valoreottenuto è di 5.4 V/m ed è quindi inferiore allimite di norma. Il suo intervallo di incertezza èperò di ampiezza tale da superare almeno inparte i 6 V/m.

Non essendo possibile stabilire con cer-tezza se il valore corretto della misura appartie-ne o meno alla porzione dell’intervallo al disotto del limite, nulla si può dire sulla conformi-tà o meno del livello campo ai limiti della normanel punto spaziale indagato.

In situazioni come questa, la strumenta-zione impiegata si dimostra inadeguata a fornireindicazioni certe. Diviene pertanto necessarioprocedere con strumentazione e metodologie dimisura più accurate (misure a banda stretta).

Nella situazione b lo stesso risultato, 5,4V/m, è ottenuto mediante strumentazione piùaccurata. In questo caso, l’intervallo di fiducia èsufficientemente stretto da poter verificare laconformità del punto di indagine ai limiti dinorma. Ogni valore dell’intervallo risulta infatti

34


Figura 2.10 Esempio in cui l’incertezza incide sull’esito di una misura del campo elettrico.Figure 2.10 Example in which the uncertainty affects the result of electric field measurement.

inferiore al limite di 6 V/m. Situazioni analoghealle precedenti si riscontrano nei casi c e d, incui il valore ottenuto è questa volta di 6,6 V/m,e quindi superiore ai 6 V/m. In c, l’eccessivaincertezza di misura non permette di stabilire la“non-conformità” del sito di indagine. Diversoè invece il caso in d dove l’intero intervallo difiducia risulta superiore al limite di norma (sitonon conforme).

Gli esempi trattati evidenziano la necessi-tà e l’importanza di operare con accuratezzenote e più elevate possibili, soprattutto nei casiin cui le misure ottenute approssimano i limiti dinorma.

D’altra parte per questo motivo, e per altriche saranno esposti successivamente, la rete dimonitoraggio, allo stato dell’arte delle centrali-ne, non può verificare il rispetto dei limiti previ-sti dalla normativa

Nel paragrafo successivo saranno esami-nati i possibili scenari di utilizzazione dei daticentraline, alla luce dei limiti tecnici che esseattualmente presentano.

In tale contesto e dopo quanto esposto, èpossibile anticipare che per l’utilizzazione deidati come segnali di “warning” sarà necessarioche la soglia di allarme, che deve essere settatanelle centraline in relazione al limite di leggeapplicabile nell’area di monitoraggio, tengaconto sia dell’ampiezza dell’intervallo di fidu-cia, sia del suo posizionamento, e quindi delvalore misurato, rispetto al valore del limite chesi applica..

In margine all’argomento, si rappresentache per quanto riguarda il problema degli effettidell’incertezza di misura sulla decisione daassumere in merito al superamento di un valoredi “soglia”, in assenza di più raffinate tecnichedi misura, si potrebbe adottare il cosiddetto cri-terio del rischio condiviso (“shared risk”) tra chiesegue la misura e l’autorità che deve controlla-re. Tale criterio può essere schematicamenteriassunto nel modo seguente. I livelli di intensi-tà di campo misurati con una incertezza conte-nuta entro 3 dB possono essere confrontati diret-tamente con i “valori limite” prescritti dalle nor-mative in materia: il limite è rispettato se il valo-re misurato è inferiore, è superato nel caso con-trario. I livelli di campo ottenuti con strumenti ocatene strumentali aventi incertezza superiore a3 dB sono da ritenersi solo indicativi e possonoessere utilizzati quando differiscono dai “valorilimite” di una quantità superiore alla incertezzadi misura dichiarata. In questo caso, infatti, se alvalore misurato si aggiunge l’incertezza e lasomma è ancora inferiore al “limite” si ha un’al-ta probabilità che il valore “presunto” del campo

sia inferiore a tale limite (e similmente, ma conopposta conclusione, per un valore misurato piùalto della soglia prescritta, al quale va sottrattal’incertezza prima di effettuare il confronto).Negli altri casi non si può prendere una decisio-ne ed è necessario ripetere le misurazioni construmentazione che garantisca una maggioreaccuratezza.

3.3.2 L’isotropia della sondaOccorre puntualizzare un aspetto specifi-

co riguardante l’isotropia della sonda.Per quanto riguarda le sonde ad alta fre-

quenza l’uscita della sonda isotropa, costituisceil segnale proporzionale al valore efficace delcampo elettrico. Questo segnale, a corrente con-tinua, è immesso nella catena strumentale attra-verso la cosiddetta discesa resistiva costituta daun conduttore sul quale però può accoppiarsi ilcampo elettrico esterno dando luogo ad una cor-rente che entra anch’essa nella catena strumen-tale falsando, in eccesso, il valore della misura.

Per evitare questa fonte di errore, lanorma CEI 211-7/01 prevede che prima dellamisura la sonda sia orientata nella direzione diminimo accoppiamento con il campo (cioè nelladirezione di minima lettura). Mentre tale opera-zione è agilmente fattibile nella quasi totalitàdegli strumenti a banda larga, può essere inat-tuabile in quelle centraline il cui sensore è, percostruzione, solidale con la struttura della cen-tralina che, a sua volta, ha un posizionamentoobbligato rispetto al supporto di sostegno.

Per le sonde a bassa frequenza, con speci-fico riferimento a quelle per la misura dell’indu-zione magnetica, gli aspetti dell’anisotropia simanifesta essenzialmente in regioni di campomagnetico ad elevata disomogeneità.

Le sonde magnetiche, costituite da trebobine miniaturizzate mutuamente ortogonali,possono non presentare un punto centrale comu-ne, e comunque la loro estensione spaziale puòessere significativa se confrontata con la dis-omogeneità del campo e ciò introduce un erroresistematico nella misura.

I dati anomaliSi definisce anomala la classe di dati che,

se pur corretti sotto il profilo della esecuzionedella misura, non possono tuttavia essere utiliz-zati per la seguenti circostanze:

• Interferenza del sistema di trasmissione daticon il sensore della centralina

Nel funzionamento in rete le centralinepossono inviare al C.R.D. messaggi di allarme(SMS) legati a particolari eventi critici che tipi-

35


camente riguardano le seguenti categorie dieventi:- superamenti del valore della soglia di allar-

me del campo misurato;- malfunzionamenti della centralina;- alimentazione insufficiente.

In tali circostanze il valore di campo misu-rato potrebbe essere affetto dal contributo delmodem della centralina stessa e non può essereutilizzato. È quindi necessario depurare dall’in-sieme dei dati quelli registrati durante la trasmis-sione degli allarmi (in generale le centraline diultima generazione sono dotate di specifica fun-zione che provvede alla marcatura di tali dati).

• Valori di campo inferiori alla sensibilità delsensore

La sensibilità tipica dei sensori a largabanda è di 0,25-0,5 V/m per il campo elettrico(per le sonde ad alta frequenza) e dell’ordine di10.nT per l’induzione magnetica (per le sonda abassa frequenza). Se il sistema registra dati infe-riori al valore della sensibilità essi non possonoconsiderarsi validi e quindi negli istanti di regi-strazione e nelle statistiche, tali dati vanno sosti-tuiti con quello della sensibilità dichiarata.

• Valori di campo superiori ai valori attesiTale caso può essere originato da diverse

cause fra le quali le più ricorrenti sono:- risposte anomale del sensore dovute a com-

ponenti spettrali fuori della banda di funzio-namento;

- risposte anomale del sensore in presenza disegnali modulati in ampiezza o di segnaliimpulsivi (per le sonde ad alta frequenza);

- alterazione intenzionale o incidentale dei datiprovocata dalla vicinanza della sonda a ter-minali mobili attivi (telefoni cellulari).

Un attento esame dei dati e l’esperienzadegli operatori consentono, il più delle volte, divalutare le anomalie dei valori anche ricorrendoal confronto dei dati disponibili dalla caratteriz-zazione elettromagnetica preventiva dell’areacome indicato nel paragrafo che segue.

3.3.3 La validazione operativaDiversamente da quella tecnica, la valuta-

zione operativa dei dati registrati dalle centralinetende ad accertare la significatività della misurein relazione alle finalità del monitoraggio.

Potrebbe quindi verificarsi che i dati regi-strati delle centraline, pur corretti sotto il profi-lo tecnico, risultino non significativi cioè nonutilizzabili nel contesto del monitoraggio.

Per la validazione operativa si prevedonoattività e prescrizioni nelle fasi antecedente e

seguente al ciclo di monitoraggio.

Fase precedente al monitoraggio• Scelta con criterio areale delle postazioni di

misuraLo scopo è di ricercare la conservatività

spaziale più vasta possibile ai dati che sarannoregistrati.

Per le alte frequenze, la scelta deve possi-bilmente tenere conto della tipologia degliimpianti radioelettrici dislocati sul territorio(impianti per la diffusione radio televisiva,impianti per telefonia mobile o impianti per col-legamenti in ponte radio), delle loro caratteristi-che tecniche e, se noti, dei diagrammi di radia-zione delle antenne.

Per le basse frequenze, occorre considera-re lo sviluppo lineare della campata e la even-tuale compresenza di più linee nella zona inesame. In tale ultimo caso, occorre anche valu-tare le relazioni di fase delle correnti afferentialle diverse linee.

• Individuazione puntuale della localizzazionedella centralina

Il posizionamento sul terreno della cen-tralina deve contemperare sia esigenze tecnicheper soddisfare le prescrizioni CEI 211-7/2001(per le alte frequenze), e CEI 211-6/2001 (per lebasse frequenze) previste per i sensori a bandalarga, sia esigenze di sicurezza fisica e di fun-zionamento del sistema (copertura GSM).

• Misure preventive di caratterizzazione elet-tromagnetica dell’area come da norme CEI211-7/2001 (per le alte frequenze), e CEI211-6/2001 (per le basse frequenze)

La preventiva determinazione dei livellidi campo elettromagnetico o dell’induzionemagnetica presenti nell’area ha il duplice scopodi individuare il punto più critico, sia in terminidi valori di campo, sia in termini di tipologia delluogo, con l’acquisizione di dati preventivi, coni quali verificare la congruenza della successivaserie di dati che saranno registrati nel ciclo dimonitoraggio. In tale fase sarebbe opportunoeffettuare anche l’analisi spettrale del campo perindividuare il fattore di correzione da applicareai successivi dati.

• Durata del monitoraggio (ciclo di registrazio-ne), per ogni posizionamento delle centraline

Per il monitoraggio alle alte frequenza, infase di pianificazione il ciclo di registrazionepotrà essere stabilito in 3 - 5 giorni in relazionealla tipologia degli impianti radioelettrici tribu-tari del campo elettromagnetico totale (tipica-

36


mente 7 giorni per le stazioni radio base e 5giorni per gli impianti per la diffusione del ser-vizio radio e televisivo). Va comunque precisatoche la durata minima del ciclo di monitoraggiodeve essere valutata al termine del ciclo stessoverificando che sia stata raggiunta la stabilitàdei dati.

Per il monitoraggio degli elettrodotti, ilDPCM 8 luglio 2003 prescrive che la verificadel rispetto dei limiti sia effettuata con misura-zioni dell’induzione magnetica nell’arco delle24 ore. La norma però non specifica quanti ciclidi 24 ore debbano essere effettuati, nè fa riferi-mento agli andamenti stagionali del carico elet-trico sulle line dal quale dipendono i valori del-l’induzione magnetica

Fase successiva al monitoraggio• Verifica di plausibilità dei dati misurati e

registrati dalla centralina.• Verifica di congruenza dei risultati delle

misure con i risultati di caratterizzazioneelettromagnetica preventiva.

• Verifica della stabilizzazione dei dati

3.4 Elaborazioni statistiche dei dati

Le statistiche temporaliPrescindendo dalla logica funzionale con

la quale possono essere progettate le centraline,il vincolo che esse devono comunque soddisfa-re nella elaborazione statistica del dato va ricer-cato nella prescrizione della definizione deilimiti indicati dal D.P.C.M. che specifica comegli stessi debbano intendersi come valori effica-

ci mediati su qualsiasi intervallo 6 minuti.Tutti i dati risultanti da medie su 6 minu-

ti, rilevati e registrati durante il monitoraggio incontinuo, costituiscono l’insieme dei dati grezzisul quale viene eseguita la validazione e quindiuna successiva elaborazione statistica.

La prescrizione di una misurazione chefornisca il valore (efficace) del campo elettri-co mediato su qualsiasi intervallo di sei minu-ti richiede l’elaborazione della media mobiledei valori che il campo assume in intervalliampi 6 minuti.

Il problema può essere affrontato e risol-to ricorrendo a strategie differenti. Allo scopo diapprofondire i termini tecnici del problema, sianalizzerà, a titolo esemplificativo, il funziona-mento di una ipotetica centralina con riferimen-to alla funzione per la determinazione del valo-re della media mobile del valore efficace delcampo elettrico.

Prima di procedere nella descrizione delfunzionamento è opportuno richiamare, moltosinteticamente, la struttura della sonda isotropicae introdurre il principio del campionamento cheè alla base del funzionamento della centralina.

Come già illustrato precedentemente, lasonda isotropica è costituita da tre dipoli cortiassiemati in modo da realizzare una terna orto-gonale di assi, ognuno dei quali è chiuso su unsensore alla cui uscita è disponibile una tensio-ne proporzionale al quadrato del valore efficacedella componente del vettore campo elettricoparallela al dipolo.

Nella figura 2.11 sono schematizzati, inlinea di principio, i blocchi che svolgono le fun-

37


Figura 2.11 Schema di principio del processo di campionamento.Figure 2.11 Schematic diagram of sampling process.

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Figura 2.12 Diagramma a blocchi che illustrare la strategia per ottenere la media mobile su un qual-sivoglia numero di minuti.Figure 2.12 Block diagram showing the running mean on not assigned number of minutes.

Figura 2.13 Esemplificazione dei parametri del campionamento.Figure 2.13 Facilities sampling parameters.

Figura 2.14 Diagramma di flusso del processo di campionamento.Figure 2.14 Flow chart of sampling process.

zioni di campionamento dei segnali forniti daisensori di una sonda isotropica, per la successi-va determinazione dei valori mediati nel tempodel campo elettrico. Il funzionamento ipotizzatosi basa sulla scelta di effettuare tutte le opera-zioni separatamente e in modo sincrono su ogniasse della sonda isotropica.

Dallo schema, nel quale sono stati espli-citati solo i blocchi relativi all’asse A, essendogli assi B e C identici a quello A, sono facil-mente deducibili i passaggi che conducono alcalcolo della media temporale del valore delcampo elettrico.a) Il campo elettrico che incide sul dipolo da

origine ad una tensione elettrica che vieneapplicata al sensore che ne fornisce il valoreefficace proporzionale al quadrato delcampo.

b) Il valore istantaneo della tensione in uscitadal sensore varierà nel tempo poiché i segna-li a radio frequenza avranno, in generale, unandamento variabile nel tempo, (si ricordache il sensore opera nella banda da 100 kHza 3 GHz)

c) La logica di campionamento provvede a fis-sare:

- la durata temporale dell’intervallo di cam-pionamento (ad esempio 6 minuti);

- il numero dei campioni nell’intervallo dicampionamento;

d) La media delle ampiezze dei campioni delletensioni è inviata ad un sommatore al qualeconfluiscono le omologhe medie degli altriassi. In uscita dal sommatore, si avrà unatensione proporzionale alla somma quadrati-ca del valore efficace delle tre componentidel campo elettrico.

3.5 Una possibile strategiaPer illustrare la strategia per ottenere la

media mobile su un qualsivoglia numero diminuti, lo schema precedente deve essere ulte-riormente specificato nella parte che riguarda lalogica di campionamento.

Si supponga quindi di voler ottenere ilvalore mediato del campo elettrico su 6 minuticon media mobile di 5 minuti.

La prima operazione che viene eseguitain modo sincrono su ogni asse A,B,C è la deter-minazione del valore istantaneo efficace delquadrato del campo elettrico E2

A,B,C riferito aognuno dei k intervalli nei quali si suddivide iltempo di media N.

Per eseguire questa operazione ogni inter-vallo viene campionato con periodo di campio-namento pari a νν secondi, e quindi in tale inter-vallo sono ricavati n campioni elementari, come

esemplificato in figura 2.12.Il valore istantaneo da attribuire al campo

elettrico E2A,ν,n (per l’asse A) nell’intervallo k-

esimo è dato dalla media aritmetica delle ampiez-ze degli n campioni prelevati nel periodo νν.

I valori che assumono E2A,B,C,ν,n cioè i

valori di E2A,B,C (k) al variare del tempo, costitui-

scono i campioni elementari rappresentativi diogni intervallo k (che nell’esempio adottato hala durata di 1 minuto) all’interno della finestradi media N (che ha la durata di 6 minuti) checontiene k= 6 campionamenti.

Per ogni asse e per ogni intervallo N sipotrebbe ricavare il valore medio del camporelativo dell’intervallo stesso (N6) effettuando ilrapporto tra la somma dei k valori dei campionie k. Tuttavia questo non porterebbe alla deter-minazione della media mobile in quanto ogniintervallo N è statisticamente indipendente daquello che lo precede.

Per determinare il valore mediato delcampo elettrico su 6 minuti con media mobile di5 minuti, ferma restando la suddivisione di N ink=6 intervalli di campionamento, occorre ren-der mobile l’intervallo di N in modo che l’inter-vallo successivo a quello di N1, cioè N2, com-prenda i campioni relativi a k(2), k(3), k(4), k(5)registrati nell’intervallo N1 ed il campione relati-vo a k(1) dell’intervallo N2. Il processo è iteratoper i successivi intervalli N3, N4 ecc. In figura èmostrato il processo descritto (figura 2.15).

A questo punto del processo si dispongo-no per ogni asse, e per ogni 6 minuti, le medietrascinate su 5 valori. Dette quindi:

- la media mobile del valore efficace delquadrato del campo elettrico mediato per 6minuti con media mobile su 5 valori, relativaall’asse A nell’intervallo N;

- la media mobile del valore efficace delquadrato del campo elettrico mediato per 6minuti con media mobile su 5 valori, relativaall’asse B nell’intervallo N;

- la media mobile del valore efficace delquadrato del campo elettrico mediato per 6minuti con media mobile su 5 valori, relativaall’asse C nell’intervallo N;la centralina fornirà la serie di somme quadrati-che di come medie mobili ognisei minuti, che rappresentano i valori del campoelettrico da confrontare con il limite previstodalla normativa o con la soglia di “warning”.

Infine, si evidenzia che nel corso del cal-colo del valore mediato su 6 minuti, sono resi

39


2

,2

,2

, NCNBNA EEEE ++=)

2,NCE

)

2,NBE

)

2,NAE

)

2,NAE

) 2

,NBE)

2,NCE

)

disponibili alcuni dati intermedi al procedimen-to che potrebbero risultare di un qualche inte-resse tecnico, quali i valori massimi su ciascunodegli assi e i valori massimi all’interno di ogniintervallo di misura.

3.6 Le statistiche spazialiPer le caratteristiche proprie dei campi

elettromagnetici, che non sono soggetti a feno-meni di trasporto o di diluizione nell’ambiente,ma a quelli della propagazione descritti dalleequazioni di Maxwell, l’elaborazione di unaqualunque statistica della distribuzione del

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Figura 2.15 Procedimento per il calcolo della media mobile.Figure 2.15 Procedure for running mean evaluation.

Figura 2.16 Punti di misura sulla sezione verticale del corpo umano.Figure 2.16 Measurement points on the vertical section oh the human body.

campo elettromagnetico su un territorio a parti-re da dati puntuali ricavati per via strumentalenon è di per sé di rilevante importanza se non intermini di una valutazione qualitativa dello statoelettromagnetico di un’area. Ad esempio, ilvalore medio spaziale del campo di un sia purerilevante numero di misure eseguite su una por-zione di territorio, non può essere confrontatocon i limiti previsti dalla normativa per poterdedurre lo stato di criticità dell’area perché ciòche invece è significativo confrontare è il valo-re che il campo assume in quel punto ed in quelmomento. D’altra parte anche l’attuale normati-va nel definire i valori dei limiti stabilisce, tral’altro, che tali valori devono essere consideraticome valori mediati su un’area equivalente delcorpo umano. Appare evidente il significato distatistica spaziale della prescrizione che però, inquesto caso, ha lo scopo di riferire il risultatodella misura non genericamente ed astrattamen-te ad un punto ma ad una prestabilita geometriadel recettore umano al quale sono riferiti i limi-ti stessi. Va tuttavia evidenziato che la normaCEI 211-7/2001, nel fissare le modalità di misu-ra a banda larga, si limita a prescrivere rileva-menti strumentali a quote diverse ma sullo stes-so asse di misura.

Il CENELEC ha in corso l’elaborazionedi una guideline, nella quale si raccomanda l’e-secuzione delle medie spaziali secondo ilseguente schema nel quale è rappresentata laproposta di una geometria rappresentativa dellasezione verticale standard del corpo umano(figura 2.16).

Ciò precisato, le statistiche spaziali deivalori misurati dalla rete possono comunqueessere di notevole interesse, se incrociate conaltre classi di dati, per individuare correlazionifra i valori spaziali del campo e variabili territo-riali di cui si conoscono le distribuzioni. Saràpossibile ad esempio valutare il trend di “pres-sione elettromagnetica” su un’area nel corso deltempo, al variare della presenza degli impiantied eventualmente della configurazione urbani-stica. Oppure incrociare dati epidemiologicilocali con i valori locali del campo elettroma-gnetico.

Le statistiche spaziali dei valori di campoche derivano delle registrazioni in continuodelle centraline possono essere quindi funziona-li alla verifica di eventuali correlazioni con altreclassi di fenomeni che avvengono sul territorio.

Un ulteriore aspetto che si vuole eviden-ziare riguarda le rappresentazioni grafiche del-l’intensità del campo (bande colorate, o curveisocampo) riportate su basi cartografiche territo-riali. Anche a tali rappresentazioni non si può

attribuire significato quantitativo in quanto essederivano da un numero necessariamente limita-to di valori misurati e nulla si può affermare suivalori che il campo assume tra due punti per iquali si dispone di dati misurati. Esse fornisco-no solo indicazioni qualitative utilizzabili, adesempio, per valutare il trend di “pressione elet-tromagnetica” su un’area nel corso del tempo, alvariare della presenza degli impianti ed even-tualmente della configurazione urbanistica.

4. Struttura funzionale della rete

4.1 Flusso dei dati e canali di connessioneLa connettività della rete ha lo scopo di

rendere possibile il flusso dei dati tra gli ele-menti hardware della rete di monitoraggio cioètra le centraline ed il centro di raccolta dati(C.R.D.).

A tale scopo, occorre precisare che ilmezzo tecnico preposto a tale funzione devepossedere non soltanto elevata affidabilità ope-rativa ma essere idoneo a funzionare in condi-zioni ambientali anche avverse ed in postazioninon necessariamente equipaggiate con utenzaelettrica.

Per realizzare la funzione di connessionepossono ipotizzarsi i seguenti mezzi di collega-mento (canali):- ponte radio;- rete telefonica fissa;- rete telefonica mobile.

Nel seguito si esaminano sinteticamentegli elementi caratterizzanti i predetti canali.

Ponte radioI ponti radio (figura 2.18) consentono col-

legamenti bidirezionali fra due postazioni fisse,effettuati a mezzo di microonde utilizzandoantenne paraboliche.

Rete telefonica fissaTale possibilità (figura 2.19) presenta

alcuni limiti tecnici ed operativi che ne escludo-no di fatto la realizzabilità. Il primo limiteriguarda la velocità del flusso dati che è forte-mente condizionata dalle caratteristiche dellalinea telefonica. Il secondo limite, più operativoe più vincolante, è ricondotto alla necessità diportare a piè d’opera di ogni centralina una lineatelefonica. Tale vincolo esclude la possibilità diutilizzare la rete telefonica per la connessionedella rete.

Rete telefonica mobileLa copertura territoriale del sistema

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42


Figura 2.17 Schema del flusso dati degli elementi della rete.Figure 2.17 Scheme of data flux of the network elements.

TERRITORIO

CENTRALINE

CENTRO RACCOLTADATI

FLUSSODATI

Figura 2.18 Schema di un ponte radio per la raccolta dati.Figure 2.18 Scheme of radio bridge for collecting data.

Figura 2.19 Schema di collegamento per la raccolta dati tramite rete telefonica.Figure 2.19 Telephone lines connection schematic for collecting data.

mobile GSM e le caratteristiche dello standarddella trasmissione dati del sistema stesso, con-sentono di superare i vincoli ed i limiti propri deisistemi già indicati e quindi la connessione tra glielementi mobili della rete di monitoraggio (cen-traline) ed il centro di raccolta dati può essererealizzato utilizzando la rete del sistema GSMindicato nello schema seguente (figura 2.20).

In conclusione, i mezzi trasmissivi checonsentono la connettività tra gli elementi costi-tuenti la rete, non appaiono condizionare la scel-ta della architettura della rete stessa, potendocomunque coprire ogni topologia di rete.

4.2 Architettura di reteIn estrema sintesi, l’architettura funziona-

le di una rete di monitoraggio comprende uncerto numero di stazioni mobili di rilevamentoin continuo dei valori del campo elettromagneti-co (centraline), distribuite sul territorio, da unCentro di coordinamento e di raccolta dei dati(C.R.D.) che provvede all’esercizio tecnicodelle centraline periferiche, e da un Centro dicoordinamento della rete (C.C.R.) che ha laresponsabilità della gestione tecnico-operativadell’intera rete. Il sistema è completato da unainfrastruttura di telecomunicazione per intercon-nettere i vari elementi della rete.

Di seguito è rappresentato uno schema diconnessione della rete, basato sul collegamentovia GSM, tra le centraline ed il C.R.D. (ad esem-pio l’Agenzia per la Protezione dell’Ambiente-ARPA) e via internet tra il C.R.D. ed il C.C.R(Amministratzione territoriale, ad esempio una

regione o comune, preposta alla diffusione deidati ai soggetti interessati).

Per quanto riguarda l’architettura da con-ferire alla rete, la scelta deve tener conto oltreche di quanto già indicato, dei seguenti requisiti:- flessibilità: la rete deve poter essere adattata

alle esigenze del monitoraggio senza alterarela sua configurazione;

- dinamicità: gli elementi periferici della retedebbono potere essere collocati sul terrenosenza che ciò impedisca il regolare funziona-mento della rete nella sua interezza;

- sopravvivenza: l’eventuale inefficienza diuna parte della rete non deve comprometter-ne il rimanente funzionamento;

- contenuti costi di esercizio: l’impegno dipersonale specialistico deve essere limitato ecommisurato alle reali esigenze di monito-raggio provenienti dal territorio.

I requisiti elencati possono essere agevol-mente soddisfatti adottando un’architettura direte strutturata su tre livelli come indicato nelloschema.

Il primo livello gerarchico della rete è dicompetenza dell’Amministrazione preposta alladiffusione dei dati che istituisce il Centro dicoordinamento della rete (C.C.R.) e svolge leseguenti funzioni:- attuazione delle direttive per la gestione ope-

rativa della rete sul territorio;- coordinamento delle attività per la disloca-

zione delle centraline; - analisi, raccolta e archiviazione dei rapporti

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Figura 2.20 Schema di connessione degli elementi della rete tramite sistema GSM.Figure 2.20 Scheme of GSM connection for collecting data.

di monitoraggio provenienti dal centro rac-colta dati;

- diffusione dei rapporti di monitoraggio;- predisposizione di documentazione informa-

tiva sull’attività di monitoraggio.

Il secondo livello è di competenzadell’Ente tecnico preposto alla gestione tecnico-

logistica della rete che attiva un Centro di rac-colta dati (C.R.D.) e svolge le funzioni necessa-rie al fine di assicurare la funzionalità della rete.

In particolare sono di competenza delC.R.D. le seguenti funzioni:- dispiegamento delle configurazioni della rete

(centraline);- individuazione dei posizionamenti puntuali

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Figura 2.21 Schema di connessione delle rete via GSM.Figure 2.21 Scheme of network connection by means of GSM.

Figura 2.22 Una possibile architettura di rete.Figure 2.22 Possible architectural network.

delle centraline e della durata cicli di moni-toraggio;

- validazione, raccolta ed archiviazione deidati grezzi provenienti dalle centraline;

- elaborazioni statistiche dei dati validati;- compilazione ed invio al CCR del rapporto

dei dati validati ed elaborati;- manutenzione ordinaria del materiale di rete.

Il terzo livello gerarchico è costituito daogni configurazione di centraline schierate sulterritorio. Il terzo livello di rete, variabile inrelazione alle diverse dislocazioni delle centrali-ne, è di competenza del C.C.R. per quantoriguarda la scelta delle aree da monitorare, men-tre sono di competenza del C.R.D. l’individua-zione puntuale dei posizionamenti delle centra-line e della durata dei cicli di monitoraggio.

4.3 Criteri di configurazioneLa rete ha lo scopo di realizzare una gri-

glia dinamica e flessibile di sensori (centraline)di monitoraggio in continuo, finalizzata sia allacaratterizzazione delle condizioni di esposizio-ne al campo elettromagnetico esistenti in puntidel territorio, sia alla individuazione di situa-zioni critiche per le quali fornire segnali diwarning (allarme) per le eventuali esecuzionidi successive misure dei parametri del campoelettromagnetico.

Per soddisfare tale duplice finalità ènecessario fissare dei criteri guida per il posi-zionamento delle centraline sul territorio.

Intanto, per la caratterizzazione elettro-magnetica del territorio, occorre stabilire preli-minarmente le priorità per la individuazionedelle aree da monitorare. In tal senso i criteriguida possono essere i seguenti:- recettori sui quali sono stati già accertati

valori del campo elettrico, per le alte fre-quenze, o di induzione magnetica , per lebasse frequenze, superiori al 50% dei limitiprevisti dalla normativa vigente;

- comprensori scolastici;- strutture per la degenza sanitaria;- recettori in prossimità di siti con molteplici-

tà di impianti per le telecomunicazioni o dielettrodotti;

- luoghi attrezzati per l’intrattenimento pub-blico superiore alle quattro ore;

- siti segnalati dai municipi;- siti per i quali è stata già adottata la riduzio-

ne a conformità (per gli impianti ad alta fre-quenza).

Per quanto riguarda poi la possibilità diutilizzare la rete con funzioni di warning, il posi-zionamento dei sensori, oltre a tenere conto delle

priorità precedentemente elencate, richiederà:- la preventiva attribuzione dei limiti del valo-

re del campo elettromagnetico in relazionealla tipologia dei luoghi, come previsto daigià citati D.P.C.M. 8 luglio 2003;

- la scelta del punto di installazione della cen-tralina, previa misura a banda larga al finedi caratterizzare spazialmente il sito damonitorare;

- la fissazione del valore di soglia da attribui-re al segnale di warning, in relazione al limi-te applicabile alla posizione del sensore.

4.4 Diffusione e utilizzazione dei datiLa diffusione e la successiva utilizzazione

dei dati costituiscono la fase finale del monito-raggio elettromagnetico del territorio.

La rilevante importanza di tale fase è daricondursi alle finalità stesse attribuite alla rete.

In tal senso la misura delle grandezze delcampo elettromagnetico effettuata dalle centra-line non può essere considerato un modo alter-nativo e definitivo per la verifica del rispetto deilimiti previsti dalle normative esposte ed analiz-zate in Appendice

I dati scaturiti dal monitoraggio rappre-sentano, invece, l’elemento oggettivo di cono-scenza che consente:- agli Enti responsabili dell’autorizzazione per

l’installazione di nuovi impianti, di corrobo-rare il processo istruttorio ai fini autorizzati-vi e di pianificare l’uso del territorio anche infunzione dello sviluppo di tali tecnologie;

- agli organi di vigilanza di pianificare i con-trolli sul territorio e di intervenire con misu-re mirate, là dove gli andamenti temporalidei valori di campo elettromagneticomostrassero criticità;

- alla popolazione di acquisire la consapevo-lezza sui reali livelli di campo elettromagne-tico presenti sul territorio ed il loro anda-mento nel tempo;

- ai gestori degli impianti di telecomunicazio-ni e degli elettrodotti di acquisire un datotecnico condiviso sulla possibilità di inseri-re ulteriori impianti sul territorio, compati-bilmente con lo stato elettromagnetico giàesistente.

4.4.1 La diffusione dei dati Il valore mediato su sei minuti è il dato di

base fornito dalla centralina non soltanto perchéè con tale valore che è possibile verificare,almeno con una analisi di primo livello, larispondenza ai limiti previsti dalla normativa,ma anche perché a partire de esso è possibilericavare importanti parametri statistici che sono

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specifici del monitoraggio in continuo.Intanto si fa rilevare che al termine di un

ciclo di monitoraggio di 24 ore, ogni centralinaha elaborato 1440 medie mobili. Tale mole didati non è di grande interesse né appare praticoche la totalità dei dati possa essere inviata alC.C.R. o ai soggetti interessati all’esito delmonitoraggio. È invece necessario che, a partiredall’insieme del valori delle medie, l’informa-zione sugli esiti del monitoraggio che deve esse-re fornita al C.C.R., o ad altre amministrazioni,sia costituita da alcune elaborazioni statistichedelle medie validate. A tale fine, risultano signi-ficative le seguenti elaborazioni da inviare aipredetti soggetti al termine di ogni ciclo dimonitoraggio e per ogni postazione monitorata:- numero dei superamenti dei limiti;- numero dei superamenti della soglia di

warning;- valore massimo dell’insieme dei valori

mediati su 6 minuti del campo elettrico;- valore medio dell’insieme dei valori mediati

su 6 minuti del campo elettrico;- valore minimo dell’insieme dei valori media-

ti su 6 minuti del campo elettrico;- % dei valori < valore medio;- % dei valori misure >= valore medio(nel

caso di centraline equipaggiate con sensoribi-banda i dati devono essere riferiti ad ognibanda di misurazione);

- la media sul ciclo dei valori mediati su seiminuti;

- il 98° ed il 95° percentile dei valori;- periodo di osservazione;- numero totale delle misure;- durata in ore del monitoraggio.

Alcuni di questi parametri potrebberoessere forniti direttamente dal sistema di elabo-razione delle centraline, per gli altri occorreràdisporre di appositi programmi di calcolo.

4.4.2 Vincoli per l’utilizzazione dei datiNel precedente paragrafo si è fatto cenno

alla impossibilità di utilizzare i dati forniti dallacentralina ai fini della verifica del rispetto deilimiti previsti dalla normativa. Si vuole oraapprofondire tale aspetto esaminando i vincolidi natura tecnico-procedurale che condizionanol’utilizzazione dei dati forniti dalla rete.

4.4.3 I dati forniti dalle centraline ad alta fre-quenza

La citata norma CEI 211-7 del 2001,richiamata dal D.P.C.M. 8 luglio 2003 e quindicogente, prescrive, in sintesi, le seguenti moda-lità di misura:1) le misure vanno effettuate ordinariamente in

banda larga;2) il punto deve esser individuato attraverso una

prima serie di misure nell’area in esame alfine di rilevare il punto di massima esposi-zione;

3) i livelli del campo elettrico, magnetico edella densità di potenza devono esseremediati su qualsiasi intervallo temporale disei minuti;

4) i livelli del campo elettrico, magnetico edella densità di potenza devono esseremediati su un’area equivalente alla sezioneverticale del corpo umano;

5) il requisito della media spaziale richiede chevengano effettuate più misure nel punto d’in-dagine; almeno due corrispondenti alla testa

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Figura 2.23 Prescrizioni per il rilevamento spaziale del campo elettrico ad alta frequenza.Figure 2.23 Regulation for spatial detection of the high frequency electric field.

e al tronco, quindi ad una altezza di 1.90 m e1.10 m. Ognuna di queste dovrà essere a suavolta il risultato della media temporale su seiminuti. Se la differenza tra le due misure èmaggiore del 25% del valore più elevato trale due (maggiore quindi dell’incertezza diquella misura) è opportuno effettuarne unaterza a 1.50 m da terra, per poi effettuare unamedia dei tre risultati.

6) tutte le medie sopra riportate devono essereconsiderate come medie aritmetiche sulladensità di potenza ovvero come medie qua-dratiche delle intensità del campo elettrico omagnetico;

7) nel caso in cui venga superato il 50% delvalore dei limiti di legge è consigliabileeffettuare l’analisi in banda stretta ;

8) oltre il 75% dei suddetti limiti tale analisidiventa obbligatoria;

9) nelle misure a banda stretta, a causa delledimensioni non trascurabili delle antenne(tipicamente 1.2 m x 0.4 m per le biconiche,dai 10 ai 40 cm per i dipoli in mezz’onda ecirca 0.4 m x 0.5 m per le log-periodiche) èsufficiente un solo punto di misura a 1,5 m dialtezza;

10)è necessario che siano precisate le condizio-ni di funzionamento degli impianti esistential momento delle rilevazioni. Tali condizionidovrebbero rispecchiare la massima poten-zialità degli impianti stessi o consentire divalutare il valore di campo presente in quel-le condizioni per estrapolazione;

11)al fine di valutare l’adeguatezza degli stru-menti di misura si ritiene utile citare, tra lealtre, le norme tecniche ANSI che richiedonoche gli strumenti utilizzati siano isotropientro 1 dB ed abbiano un fattore di calibra-zione noto con un’incertezza massima di 2dB, e le norme ISO 45000 e ISO 9000, cheraccomandano che gli strumenti utilizzatisiano tarati e riferibili.

Allo scopo di individuare i criteri di uti-lizzazione dei dati forniti dalla rete, si passa adesaminare se e come le caratteristiche tecniche ecostruttive generali delle centraline consentanodi soddisfare le modalità di misura precedente-mente elencate.

Intanto si osserva che tutte le prescrizioniad eccezione della 9) riguardano la misurazionea banda larga e quindi sono direttamente riscon-trabili nelle caratteristiche delle centraline che,per l’appunto, sono equipaggiate con sensori abanda larga.

In particolare:• prescrizioni 1) e 2). Le prime due prescrizio-

ni, che riguardano le caratteristiche dellecentraline e le modalità d’impiego (misura-zioni a banda larga e preventiva caratterizza-zione della zona di misura) sono soddisfattesia tecnicamente che operativamente;

• prescrizione 3). Anche tale prescrizione àsoddisfatta in quanto gli strumenti a bandalarga commercializzati hanno la possibilitàdi integrare i valori di campo elettrico omagnetico su intervalli temporali variabili,compreso l’intervallo di 6 minuti previstodalla vigente normativa;

• prescrizioni 5) e 6. Le configurazioni costrut-tive delle centraline attualmente sul mercato,non consentono di soddisfare il dispositivo ditali prescrizioni. Infatti, non è possibile effet-tuare la media spaziale delle misure in quan-to l’altezza del sensore non può essere varia-ta essendo il sensore stesso montato in modosolidale alla struttura della centralina (vds fig.2.7).Tale limitazione potrebbe essere supera-ta facendo assumere alla installazione dellacentralina le quote previste dalla norma. Ciòperò colliderebbe con l’esigenza di una misu-razione continua nel tempo. D’altra parte,anche ricorrendo alla strategia di effettuarecicli temporali di misurazioni a quote diverse,e quindi dedurre in qualche modo medie tem-porali/spaziali del campo, la modalità sarebbecomunque difforme dalla norma che, di fatto,richiede contestualità delle misure nel domi-nio spaziale;

• prescrizioni 7) e 8). Non applicabili alle cen-traline per la motivazione precedente;

• prescrizione 9). Non applicabile alle centra-line in quanto riferita a strumentazione selet-tiva (a banda stretta);

• prescrizione 10). La prescrizione ha valenzaoperativa e tecnica.. Sotto il profilo operati-vo essa ha lo scopo di correlare i dati misu-rati e registrati dalle centraline con le condi-zioni di funzionamento degli impiantiradioelettrici i cui contributi cadono nellabanda di funzionamento del sensore.Appaiono però evidenti le difficoltà operati-ve per soddisfare il requisito. Infatti, gliimpianti emettitori possono essere numerosie dislocati nelle posizioni le più varie sul ter-ritorio. Ciò comporta una onerosa attività diverifica da parte dell’ente preposto al con-trollo della regolarità radioelettrica degliimpianti che, inoltre, dovrebbe estendere talecontrollo a tutto il periodo di registrazionedei dati. Sotto il profilo tecnico, poi, la cono-scenza degli impianti che occorre sottoporrea controlli radioelettrici può essere ottenutasolo con un’analisi selettiva della banda di

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funzionamento della centralina, da eseguirepreventivamente e nello stesso punto in cuisuccessivamente sarà installata la centralinastessa. Infatti, solo attraverso l’analisi seletti-va è possibile individuare le frequenze delleemissioni degli impianti e, da esse, risalirealla loro dislocazione. Questa complessaprocedura che, tra l’altro, richiede il coordi-namento stretto tra enti diversi, è adottata,con qualche semplificazione, solo nei casi dimisurazioni a banda stretta. D’altra parte,prescindendo dalla necessità di individuarela dislocazione degli impianti per il loro suc-cessivo controllo radioelettrico, la preventivaanalisi selettiva della banda appare quantomai opportuna poiché solo attraverso essa èpossibile determinare il valore del fattore dicorrezione che occorre applicare alla misurain relazione alla curva di calibrazione in fre-quenza della sonda fornita dal costruttore;

• prescrizione 11). La prescrizione si riferisceai parametri di qualità degli strumenti abanda larga che, in generale, costituiscono lostandard costruttivo attualmente adottato.

4.4.4 I dati forniti dalle centraline a bassa fre-quenza

L’analisi della utilizzabilità dei dati misu-rati alle basse frequenze, con specifico riferi-mento alla frequenza di 50 Hz degli elettrodotti,presenta alcuni aspetti comuni a quella prece-dentemente fatta, e peculiarità connesse sia allasostanziale diversità degli elettrodotti rispettoagli impianti per le telecomunicazioni (alta fre-quenza), sia per la conseguente ed ulteriorediversità della norma CEI 211-6 del 2001 (omo-loga a quella citata nel precedente paragrafo per

le alte frequenze), in base alla quale la normati-va prevede debbano essere eseguite le misure diinduzione magnetica relative agli elettrodotti.

Ciò posto, la citata norma CEI 211-6 dell2001, richiamata dal D.P.C.M. 8 luglio 2003 equindi cogente, e lo stesso decreto prescrivono,in sintesi, le seguenti modalità di misura:

1) le misure vanno effettuate ordinariamente inbanda larga;

2) il punto deve esser individuato attraversouna prima serie di misure nell’area inesame al fine di rilevare il punto di massi-ma esposizione;

3) devono essere rilevati 12 valori dell’induzio-ne magnetica nelle 24 ore (vds.Appendice 5)nelle normali condizioni di esercizio dell’e-lettrodotto;

4) l’induzione magnetica deve essere misurataad una altezza di 1.0 m e 1,5 m dal piano dicalpestio assumendo il valore massimo comeindicativo del valore di esposizione;

5) è necessario che siano precisate le condizio-ni di carico delle linee, al momento dellerilevazioni.

Al fine di valutare l’adeguatezza deglistrumenti di misura si ritiene utile citare, tra lealtre, le norme tecniche ANSI che richiedonoche gli strumenti utilizzati siano isotropi entro 1dB ed abbiano un fattore di calibrazione notocon un’incertezza massima di 2 dB, e le normeISO 45000 e ISO 9000, che raccomandano chegli strumenti utilizzati siano tarati e riferibili.

Allo scopo di individuare i criteri di uti-lizzazione dei dati forniti dalla recedei sensoriaa bassa ferquenza, si passa ad esaminare se ecome le caratteristiche tecniche e costruttive

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Figura 2.24 Prescrizioni per il rilevamento spaziale dell’induzione magnetica a bassa frequenza.Figure 2.24 Regulation for spatial detection of the low frequency magnetic field.

generali delle centraline consentano di soddisfa-re le modalità di misura precedentemente elen-cate.

Intanto si osserva che tutte le prescrizioniriguardano la misurazione a banda larga e quin-di sono direttamente riscontrabili nelle caratteri-stiche delle centraline che, per l’appunto, sonoequipaggiate con sensori a banda larga.

In particolare:• prescrizioni 1) e 2). Le prime due prescrizio-

ni, che riguardano le caratteristiche dellecentraline e le modalità d’impiego (misura-zioni a banda larga e preventiva caratterizza-zione della zona di misura) sono soddisfattesia tecnicamente che operativamente;

• prescrizione 3). È pienamente soddisfattadalle centraline in quanto dotate di sistema diregistrazione dei dati;

• prescrizione 4). È soddisfatta purchè il senso-re sia posizionato alla quota corrispondente almassimo valore dell’induzione magnetica;

• prescrizione 5). La prescrizione ha lo scopodi correlare i dati misurati e registrati dallecentraline con le condizioni di carico dellelinee cioè al valore della corrente che deveessere fornito dal gestore dell’elettrodotto.

4.5 Scenari di utilizzazione dei datiA conclusione dell’analisi svolta, si pos-

sono individuare alcuni scenari operativi d’im-piego della rete e quindi il campo di utilizzazio-ne dei dati forniti delle centraline.• Una prima possibilità è strettamente legata

alla principale peculiarità delle centralineche, in quanto progettate per il monitoraggiocontinuo, consente la registrazione tempora-le del campo elettromagnetico. Tale caratteri-stica messa a sistema con i dati relativi al

catasto delle sorgenti di campo, fornisce lecorrelazioni tra la dislocazione degli impian-ti sul territorio e le loro caratteristicheradioelettriche, il trend di sviluppo deglistessi, ed il trend dei valori di esposizione sulterritorio.

• Un’ulteriore possibilità è connessa alla fun-zione di sensore di “warning” da attribuirealle centraline. Per le motivazioni tecnichegià illustrate, i valori misurati dalle centrali-ne non possono essere direttamente utilizzatiper la verifica del rispetto dei limiti previstidalla normativa. Tuttavia è possibile utilizza-re la logica interna e gli automatismi dellastrumentazione per impostare soglie di allar-me che, se superate, consentono l’interventomirato per l’esecuzione di misure più accura-te con le modalità previste dalla normativavigente. Tale criterio di impiego apparequanto mai opportuno in siti complessi ove ivalori di campo si discostano significativa-mente dal valore di fondo, attestandosi suvalori prossimi al limite dalla norma (talecaso comprende anche quello relativo aimpianti le cui emissioni sono state ridotte aconformità).

• Inoltre, le risultanze del monitoraggiopotranno essere utilizzate per la pianificazio-ne delle attività di vigilanza e di controllodegli impianti.

• Infine, le centraline possono essere inoltreutilizzate come primo anello strumentalenella procedura di misura dei valori di campoelettromagnetico in quelle situazioni nellequali i valori di campo elettrico subisconovariazioni significative a breve e medio ter-mine. Con tale criterio, infatti, la preventivaanalisi del sito eseguita con la centralina, pur

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Figura 2.25 Tipico andamento medio del campo elettrico di una giornata dalle ore 00 alle ore 23.Figure 2.25 Typical average trend of the electric field during the day from 00 to 23.

tenendo conto dei limiti tecnici di cui si è giadetto, consente di eseguire le successivemisure tenendo conto non soltanto dellacaratterizzazione spaziale del campo cheviene assicurata dalla validazione dei dati,ma soprattutto dell’andamento temporale deidati consentendo così la programmazione el’esecuzione delle misure durante le finestretemporali più critiche.

Come esemplificazione, nella figura 2.25è stato riportato il grafico dell’andamento tem-porale del valore di campo elettrico mediato, suintervalli di 6 minuti, misurato in un sito conprevalenza di contributi di campo generati dastazioni radio base (alta frequenza). Esso mostracome l’andamento giornaliero tipico del valoremedio su 6 minuti sia caratterizzato da valoriminimi durante le ore notturne e da due massi-mi, il primo nella fascia oraria 10-13 ed il secon-do nella fascia18-22.

Nel grafico successivo (figura 2.26) èmostrato l’andamento tipico del valore dell’in-duzione magnetica registrato in prossimità di unelettrodotto (grafico in rosso). La figura riportaanche il valore registrato della corrente ed ilvalore dell’induzione magnetica determinatocon il calcolo.

Dal confronto delle curve si osserva comel’andamento dell’induzione magnetica sia stret-tamente correlato a quello della corrente e che ilmodello di calcolo adottato, pur con valori ineccesso, fornisce lo stesso andamento dell’indu-zione magnetica misurata.

5. Tecniche per la riduzione dell’esposizione

Si è ampiamente analizzata la circostanzache i valori misurati dalle centraline non posso-no essere assunti direttamente come prova stru-mentale di superamenti dei limiti ma piuttostocome possibili segnali di warning che consento-no di attivare, da parte degli organi di vigilanza,mirate procedure di controllo e da parte delleamministrazioni competenti di adottare i conse-guenti provvedimenti amministrativi ove i con-trolli confermassero i superamenti dei limiti.

Occorrerà pertanto definire i criteri inbase ai quali fissare la soglia di warning al disopra della quale i dati del monitoraggio sianoconsiderati rappresentativi di situazioni critiche.

5.1 Procedure tecniche per le criticità dovuteagli impianti per le telecomunicazioni

Si possono definire situazioni critichequelle per le quali risulta che uno o più valoriregistrati dalle centraline sono superiori al 75%dei limiti imposti dalla normativa per gliimpianti per le telecomunicazioni (da 100 kHz a3GHz).

Le criticità delle situazioni sono deduci-bili dai rapporti sui dati registrati dalle centrali-ne, che il C.R.D. (Centro Raccolta Dati) invia alC.C.R. (Centro Coordinamento Rete) termine diogni ciclo di ogni monitoraggio.

In tali casi:- gli organi preposti al controllo (ARPA) pro-

cedono ad eseguire misurazioni a banda

50


Figura 2.26 Andamento tipico dell’induzione magnetica registrato in prossimità di un elettrodotto.Figure 2.26 Typical trend of the magnetic induction field next to the power line.

larga nel punto di posizionamento della cen-tralina, adottando le modalità previste dallanorma CEI 211-7 del 2001, tenendo contodei periodi delle giornata in cui sono statiregistrati i superamenti, come risulta dallaregistrazione dei dati delle centraline.

- ove le misure a banda larga confermassero isuperamenti della soglia, vengono attivate leprocedure di misura a banda stretta che con-sentono, tra l’altro, di conoscere la frequenzadi ogni singola emissione e quindi il gestoredell’impianto.

- se le verifiche a banda stretta confermasseroil superamento dei limiti di legge, la norma-

tiva prescrive “la riduzione a conformitàdelle emissioni”.

Con la ripetizione della misura con stru-mentazione a banda stretta, eseguita nella mede-sima posizione della precedente misurazione abanda larga e nello stesso periodo di tempo, siottengono, per ogni emissione, le seguenti ulte-riori informazioni:- frequenza;- contributo del campo elettrico;- direzione provenienza della emissione;- polarizzazione del campo.

Le prime due informazioni assumonodecisiva rilevanza amministrativa, poiché dalla

51


Figura 2.27 Schema concettuale della riduzione a conformità.Figure 2.27 Thought scheme of reduction to conformity.

conoscenza della frequenza di emissione è pos-sibile risalire al gestore dell’impianto, mentre laconoscenza del contributo del campo elettricodella emissione consente di verificare, noti icontributi di tutte le emittenti, il superamentoevidenziato dalla misure a banda larga e dallecentraline.

Ciò perché la tecnica di misura a bandastretta è caratterizzata da una maggiore precisio-ne rispetto e quella a banda larga.

Nel caso di superamenti dei limiti, leinformazioni fornite dalle misure selettive con-sentono di procedere alla cosiddetta riduzione aconformità dei valori di immissione del campoelettrico generato dagli impianti, come prescrit-to dall’Allegato C del D.P.C.M. 8-7-2003.

In sintesi tale prescrizione ha lo scopo diridurre i singoli contributi di campo in modo chela loro somma(quadratica) rientri nei limiti pre-visti dalla citata norma.

Lo schema concettuale del procedimentoè di seguito sintetizzato.

La riduzione a conformità dei valori delcampo elettrico di immissione Ei di n sorgenti, rife-riti al punto di misura, ha il seguente presupposto:

C = Si >1

con Ei i valori misurati del campo elettrico diciascuna delle n sorgenti, ed Li i relativi limiti infunzione della frequenza.

In termini generali, il problema si enunciacome segue: Calcolare il fattore di riduzione ache, applicato ai singoli valori misurati di campoelettrico Ei con riferimento ai rispettivi valori deilimiti Li , soddisfi la seguente relazione:

Cr = α2 C = α2 Σi = 0.8

In tale calcolo sono esclusi i contributiminori di 1/100 del limite per essi previsto.

Occorrerà preliminarmente determinarela somma dei valori normalizzati C che, per lecondizioni assunte, è maggiore di 1:

C = Σi

Si possono generalizzare i seguenti casi:

a) Ciascuna delle n sorgenti fornisce un contri-buto EiP inferiore al proprio limite Li (situa-zione particolare ma più frequente).

Il fattore di riduzione α è dato dalla:

α = = (0.8/C)1/2

Quindi i valori ridotti a conformità EiPR siottegono moltiplicando ciascun valore di campoelettrico misurato EiP per α

EiPR = α EiP

b) Situazione più generale:- una o più sorgenti con valori di immissione

EiS superiori al limite previsto;- una o più sorgenti con valori di immissione

EiP inferiori al limite previsto;- una o più sorgenti con valori di immissione

EiF inferiori all’1% del limite previsto.

La prima operazione da eseguire è la ridu-zione delle sorgenti che hanno un valore diimmissione Eis superiore al limite previsto Li.Per tali sorgenti occorre calcolare il fattore diriduzione β

βi = (0.8 LiS2 / Ei

2) 1/2

I valori ridotti si ottengono moltiplicandoper βi i valori di campo elettrico misurati EiS.

EiSR = βi EiS

Con tali valori si procede alla verificadella condizione generale per la riduzione a con-formità

C = Σi >1

Occorre poi verificare quali e quante sor-genti EiF forniscono un contributo inferioreall’1% del loro limite, attraverso la condizione:

EiF2 / Li

2 < 1%

Per tali sorgenti si calcola la sommanormalizzata

CF = ΣiF (LiF2 / Ei

2 )

Si calcola quindi la somma normalizzataCT di tutte le sorgenti che hanno un contributosuperiore all’1%. Avendo già ridotto i valori diquelle sorgenti con contributi superiori al pro-prio limite, il fattore di riduzione a che si appli-ca alle sorgenti che hanno contributi uguali osuperiori all’1% è dato da:

i valori ridotti a conformità si ottengono mol-tiplicando ciascun valore di campo elettricoda ridurre per α.

EiPR = α EiP

52


i

i

LE

2

2

i

i

LE

2

2

i

i

LE

2

2

†

0 82

2. ΣL

Ei

iP

i

i

LE

2

2

Il procedimento va reiterato se la sommanormalizzata dei quadrati dei contributi ridottirisultasse ancora maggiore di 1.

5.2 Procedure tecniche per criticità dovuteagli elettrodotti

La criticità di un elettrodotto, con riferi-mento all’induzione magnetica, è connessa alsuperamento dei limiti previsti dal D.P.C.M. 8luglio 2003, di seguito riportati.

La completa formulazione dei limitisopra indicati necessita di ulteriori specificazio-ni riguardanti le condizioni di esercizio deglielettrodotti durante le misure:- i limiti di esposizione non devono essere

superati in tutte le condizioni di eserciziodegli elettrodotti;

- i valori di attenzione e gli obiettivi di qualitàsono da intendersi come mediana dell’indu-zione magnetica nelle 24 ore e nelle normalicondizioni di esercizio dell’elettrodotto.

Nel caso in cui i dati misurati dalle centra-line abbiano evidenziato superamenti dei limitioccorre ricondurre i valori dell’induzione magne-tica entro i limiti precedentemente indicati.

Diversamente è per gli impianti per letelecomunicazioni, per i quali l’adozione dellariduzione a conformità non comporta necessa-riamente la modifica dei parametri di emissionedell’impianto (potenza in antenna) o il suo spo-stamento, nel caso di un elettrodotto che deter-mini il superamento dei limiti in uno o più puntidel territorio, non è possibile modificarne i para-metri di esercizio, ma è necessario agire suglielementi costituenti l’elettrodotto (linee e tralic-ci). Va altresì specificato che in generale la nor-mativa non impone le soluzioni tecnologicheper far rientrare i valori di esposizione nelle pre-scrizioni, ma si limita ad imporre le prescrizionistesse. Pertanto sono lasciate ai gestori le scelte

tecnologiche idonee per il raggiungimento ditale obiettivo che si configura come una specifi-ca azione di risanamento.

Per ridurre l’intensità dei campi generatida un elettrodotto aereo in determinati punti,senza modificarne i parametri elettrici principa-li (corrente di esercizio e potenza trasportata),sono sostanzialmente possibili le seguenti solu-zioni: 1) modificare il tracciato;2) aumentare l’altezza dei sostegni;3) adottare sostegni “compatti”, che riducano

l’interdistanza tra i vari conduttori di fase;4) ricorrere a linee split-phase;5) interramento.

53


T

F

CC−= 8,0α

Figura 2.28 Profili laterali dell’induzione magnetica. Figure 2.28 Lateral profile of magnetic induction.

La soluzione 1) tende ad allontanare lalinea di punti critici. Il campo magnetico, agrande distanza da un elettrodotto (granderispetto alla mutua distanza tra i conduttori) èinversamente proporzionale al quadrato delladistanza stessa. La soluzione non sempre è disemplice attuazione perché lo spostamento diuna campata comporta la modifica di un trattodell’elettrodotto che comprende più campate.

La soluzione 2) aumenta l’altezza deiconduttori rispetto ai siti sensibili e ciò riduce ilvalore campi Il metodo risulta abbastanza effi-cace per abbattere i valori riscontrabili diretta-mente al di sotto di un elettrodotto o nelle sueimmediate vicinanze (al massimo alcune decinedi metri), mentre è assai meno efficace perridurre i valori a distanze maggiori, vedasi figu-ra 2.28, dove si riportano i profili laterali del-l’induzione magnetica ad 1 metro dal suolo,generata da un elettrodotto semplice terna 380kV/1500 A con il conduttore più basso posto a15 m dal suolo (curva superiore) e a 35 m dalsuolo (curva inferiore).

La soluzione 3) si basa sulla circostanzache il campo magnetico generato da un elettro-dotto dipende in maniera sensibile dalle mutuedistanze tra i vari conduttori che costituiscono lalinea. L’adozione di sostegni “compatti” riducetali distanze con la conseguente riduzione delleintensità del campo in tutti i punti circostantil’elettrodotto, soprattutto ad una certa distanzada esso ( vedasi figura 2.29), dove si riportano iprofili laterali dell’induzione magnetica ad 1metro dal suolo, generata da un elettrodottosemplice terna 380 kV/1500 A con sostegnistandard a traliccio (curva superiore) e da unelettrodotto analogo con sostegni innovativi tipo

Foster and Partners (curva inferiore); inentrambi i casi il conduttore più basso si trovaad una altezza di 25 metri dal suolo.

La soluzione 4) è una delle tecniche piùefficaci per abbattere il campo magnetico. Losplit-phase consiste nel ripartire tra due o piùconduttori la corrente trasportata da un singoloconduttore di fase, in modo da avere correntiminori su ciascun conduttore e contemporanea-mente poter scegliere lo schema di cablaggio inmodo da ottenere la massima cancellazione tra icontributi dei conduttori stessi al campo totale,sfruttando la composizione delle diverse fasi diciascuna corrente. Una forma attuativa di questatecnica può consistere nel convertire a doppiaterna una tratta a semplice terna, a parità di ten-sione e di potenza trasportata (vedasi figura2.30) dove si riportano i profili laterali dell’in-duzione magnetica ad 1 metro dal suolo di unalinea semplice terna da 380 kV/1500 A, (curvasuperiore) e linea a doppia terna di uguale ten-sione e potenza con conduttori aduna altezzaminima di 25 metri dal suolo.

La soluzione 5) prevede la sostituzionedei conduttori aerei con cavi isolati interrati.Lepiù recenti tecnologie per l’isolamento dei caviconsentono di realizzare una maggiore compat-tezza (ovvero minore interdistanza mutua tra ivari conduttori) di un elettrodotto interratorispetto alla configurazione aerea nella quale iconduttori non sono isolati. Ciò determina unarapida attenuazione dell’intensità del campomagnetico con la distanza dalla linea. Infatti,mentre nelle immediate vicinanze di una lineainterrata ci si devono aspettare valori dello stes-so ordine di grandezza di quelli riscontrabilisotto una linea aerea di caratteristiche corri-

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Figura 2.29 Profili laterali dell’induzione magnetica (Foster and Partners).Figure 2.29 Lateral profile of magnetic induction (Foster and Partners).

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spondenti, con l’aumentare della distanza, anchedi pochi metri, dalla linea interrata i valori atte-si decadono assai rapidamente a livelli che, perla linea aerea, richiederebbero distanze di moltedecine di metri (vedasi figura 2.31), dove siriportano i profili laterali ad 1 metro dal suolodell’induzione magnetica generata da una lineaaerea a semplice terna 132 kV/450A con il con-duttore più basso posto ad una altezza di 18metri dal suolo (curva superiore) e da lineainterrata a trifoglio (curva inferiore) posta aduna profondità di 1,5 metri.

Figura 2.30 Profili laterali dell’induzione magnetica (doppia terna).Figure 2.30 Lateral profiles of magnetic induction (double tern).

Figura 2.31 Profili laterali dell’induzione magnetica (linea interrata).Figure 2.31 Lateral profiles of magnetic induction (buried conductor).

Sviluppo tecnologicoUno dei temi sviluppati in seno al proget-

to MEM ha riguardato la tecnologia ed il soft-ware di acquisizione ed elaborazione dei dati.

Gli strumenti progettati sono:1) elettrometro vettoriale 2) magnetometro triassiale nella banda 0.001

Hz – 20 3) magnetometro triassiale nella banda 1 Hz –

100 k4) magnetometro triassiale nella banda DC – 20

Hz

Elettrometro vettorialePer la misura vettoriale del campo elettri-

co atmosferico nella banda 0.001 Hz – 100 kHzè stata realizzata un’antenna triassiale con unasensibilità di circa 1 µV/m (fig.1).

La parte sensibile dello strumento si com-pone di 3 sensori ortogonali costituiti da duesferoidi A e B e da un ellissoide T che funge dastruttura portante dei 3 sensori e contiene l’elet-tronica di condizionamento dei segnali (fig. 2).Nella figura 3 è rappresentato lo schema equi-valente relativo ad un asse.

Se Q è la carica elettrica totale sulla sferaA, e se la carica vista da un osservatore postoalla distanza d dal centro della sfera (d<10r) èinferiore a Q a causa dell’effetto schermantedella superficie conduttrice della sfera sullecariche distribuite nella zona opposta, questacarica è:

pertanto anche la capacità elettrica della sfera èinferiore a quella percepita da un osservatoreposto a grande distanza dalla superficie. Questacapacità diventa:

57


APPENDICE 1Strumentazione sviluppata nell’ambito del progetto MEM e

alcuni rilevanti risultati

Figura 1. Antenna elettrica vettoriale.Figure 1. Vectorial electric antenna.

...3

1

1

4224

4

22

2

122

2

++−

+−

+

=

−

+=′ ∑∞

rrddr

rdr

rdr

QQ nn

n

+

+−+

−+

=

−

+=∂

′∂= ∑∞

...3

14

14

4224

4

22

2

122

2

rrddr

rdr

r

rdrr

VQC nn

n

πε

πε

dove V è il potenziale prodotto dalla distribu-zione di cariche sulla superficie della sfera:

infine la capacità tra le due sfere diventa:

mentre la capacità tra le sfere e il terreno è:

per ragioni costruttive risulta che Cab ≈ Cao sel’altezza da terra dell’antenna h>>d.

La resistenza “vista” dalle due sfere,dovuta alla sia pure piccolissima conducibilitàelettrica dell’aria indotta dai raggi cosmici e daimateriali radioattivi nel sottosuolo, può esserecalcolata mediante la seguente espressione:

dove, ni è il numero di elettroni e ioni, mi è il valo-re medio della massa degli ioni, fi è la frequenzadi collisione tra neutri e ioni, e è la carica elettri-ca dell’elettrone e r è il raggio della sfera.

In prossimità della superficie terrestre,con r = 20 cm, questa resistenza è dell’ordine di1012 Ohm. Per poter misurare la differenza dipotenziale tra le sfere è necessario che la resi-stenza d’ingresso dello strumento sia Rin>>Ratm.

Questa condizione è praticamente irrea-lizzabile senza l’introduzione di condizioni di

58


Figura 2. Schematizzazione dell’antenna elettrica.Figure 2. Schematic of electric antenna.

Figura 3. Schema equivalente dell’antenna elettrica vettoriale.Figure 3. Equivalent scheme of vectorial electric antenna.

∫∫∞∞

====r r4

QEdrVππεε

+

+−+

−+

=

−

+= ∑∞

....442

14

)2(14

4224

4

22

22

122

22

rrddr

rdr

dr

rdr

drC n

n

ab

πε

πε

++

−−−−

−−++−−==== ....

dr2dr

rdr

dr1r4CC 22

3

22

2boao ππεε

−−++

==

∑∑∞∞

1 n22

n222i

ii

)r2d(r1

dr4en

fmRππεε

εε

instabilità nel sistema di misura. Inoltre è neces-sario disporre sistemi di protezione in paralleloalla resistenza intrinseca dell’atmosfera nei con-fronti delle scariche atmosferiche, ciò comportauna resistenza addizionale in parallelo dellostesso ordine di grandezza di quella atmosferica.In questo strumento è stato adottato il compro-messo Rin ≈ Ratm, per cui il valore del campomisurato viene dimezzato.

Magnetometri a induzioneIl sensore per le basse frequenze (fig. 4) è

costituito da un avvolgimento di circa 500000spire frazionato in 8 settori per ridurre la capa-cità distribuita e, quindi, massimizzare la fre-quenza di risonanza.

Un secondo avvolgimento, coassiale alprimo, viene utilizzato per la controreazione delsegnale. In regime sinusoidale il segnale ai capidell’avvolgimento primario è rappresentabilemediante la relazione:

in cui K è la funzione di trasferimento dell’av-volgimento.

Questo segnale viene introdotto nell’av-volgimento di controreazione mediante la rete Ze produce la corrente i.

Il segnale di uscita del sistema così con-troreazionato è:

Se è soddisfatta la relazione:

Su tutta la banda di interesse10-3 < f < 20e il segnale di uscita non dipende più esplicita-mente dalla frequenza ma soltanto dalle funzio-ni di trasferimento K,Z e M:

In realtà questa condizione non è concre-tamente realizzabile su tutta la banda ma soltan-to per una parte di essa. Per ottenere una rispo-sta uniforme su tutta la banda è stata adottatauna soluzione diversa, che consiste nel simulareuna induttanza negativa e una resistenza negati-va mediante una configurazione circuitale GICin parallelo al sensore. Questi componenti nega-tivi simulati sono tali che rendono le componen-ti reali del sensore estremamente piccole.Posizionando opportunamente i poli e gli zeridella funzione di controreazione K e del GIC lafunzione di trasferimento complessiva delmagnetometro nella banda 0.001 Hz – 20 Hzdiventa costante ed effettivamente indipendentedalla frequenza.

Nella regione inferiore della banda (1mHz-100 mHz) si presenta il problema delladeriva legato a diversi fattori; tra questi quelloche domina è la deriva termica degli operazio-nali. Per abbattere il contributo del rumore 1/f èstato adottato un rivelatore sincrono che eseguela cross-correlazione tra il segnale associato allevariazioni del campo magnetico Vsig e unsegnale di riferimento Vrif.

Questo processo non elimina il segnale1/f bensì lo trasla nella banda del segnale diriferimento Vrif; poiché si pone questa frequen-za al di fuori della banda utile (> >20 Hz) ilrumore viene filtrato agevolmente con un filtroellittico a otto poli che lo sopprime di un fattoremaggiore di 100 dB (fig 6). Il rumore del senso-re è di circa 10-4 T/ √ Hz RMS. La dinamica diquesto sensore è di 400 nT.

Il secondo magnetometro (fig. 7) cheopera nella banda 1 Hz – 100 kHz è strutturatoallo stesso modo ad eccezione del cross-correla-tore che non è presente in quanto il rumore 1/f è

59


Figura 4. Magnetometro per le basse frequen-ze:assemblaggio meccanico.Figure 4. Low frequency magnetometer:mechanical assembly.

),t(H)(Kjt

),t(H)(K)t(Vi ωωωωωωωωωω ==∂∂

∂∂⋅⋅==

)(Z1)t(V)t(i oωω

⋅⋅==

)(Z

1)(M)(Gj1

)t(H)(G)(Kj)t(Vo

ωωωωωωωω

ωωωωωω

++==

1)(Z

1)(M)(Gj >>>>ωω

ωωωωωω

)(M

)t(H)(Z)(K)t(Voωωωωωω==

trascurabile. Il rumore complessivo associato aquesto sensore è dell’ordine di 10-15 T/ √ HzRMS e una dinamica di 200 nT.

Il terzo magnetometro è rappresentatonella figura 8 in cui il sensore si trova all’inter-no di un sistema di bobine di Helmholtz realiz-

zato ad hoc per la calibrazione. Il sensore ècostituito da un cubo di fibra di quarzo sulle cuifacce giacciono 6 sensori magnetici costituiti da6 toroidi e 3 bobine di Helmholtz par la capta-zione dei segnali.

Lo strumento è caratterizzato da un rumo-re intrinseco dell’ordine di 10-11 T/ √ Hz RMSnella banda 0 Hz – 20 Hz con una dinamica di50000 nT e una deriva termica di 0.1 nT/°C.

Per la calibrazione dei sensori e è statorealizzato un solenoide con campo magneticonoto mostrato in figura 9. Tale sistema è postonell’osservatorio MEM di L’Aquila (figura 10)dove viene mostrato anche il sistema d’acquisi-zione all’interno della struttura (figura 11).

60


Figura 5. Schema di controreazione impiegato nel magnetometro.Figure 5. Schematic of feedback employed in the magnetometer.

Figura 6. Schema di principio del filtraggio del segnale del magnetometro 0.001 Hz – 20 Hz.Figure 6. Schematic of signal filtering in the magnetometer 0.001 Hz – 20 Hz.

Figura 7. Spaccato del sensore a induzione.Figure 7. Cutaway section of induction sensor.

61


Figura 8. Magnetometro per la banda 0 Hz –20 Hz.Figure 8. Magnetometer operating in the band0 Hz – 20 Hz.

Figura 9. Sistema di calibrazione dei magneto-metri a induzione.Figure 9. Calibration system of induction mag-netometers.

Figura 10. Stazione di misura MEM di L’Aquila, laboratorio di calibrazione e acquisizione dei dati.Figure 10. Measurement station of L’Aquila, acquisition and calibration laboratory.

Figura 11. Interno del laboratorio, sistema di acquisizione ed elaborazione dei dati.Figure 11. Indoor view of acquisition and calibration data system.

Elaborazioni dei dati e presentazione gra-fica risultati

In questo paragrafo vengono presentatialcuni risultati delle elaborazioni eseguite suisegnali acquisiti. In figura 12 viene mostratouno spettrogramma, dove le righe orizzontalicontinue sono dovute a segnali stazionari di ori-gine artificiale; sono evidenti la frequenza a 50Hz, le armoniche superiori e alcune emittentiVLF. Le righe che compaiono soltanto per brevitratti rappresentano emissioni naturali. In figura13 è mostrata la distribuzione dell’energia delcampo elettromagnetico di fondo in funzionedella frequenza e del tempo. Le creste uniformidescrivono le sorgenti artificiali relativamentevicine al punto di misura, le creste irregolarirappresentano sorgenti lontane i cui segnalisono giunti per riflessione ionosferica, questivengono modulati dall’andamento diurno dellaionosfera. In figura 14 è rappresentata unasezione del grafico di fig. 13 nella banda 20kHz. L’energia dei segnali riflette la variazionediurna delle proprietà fisiche della ionosfera. Lacomponente Z non subisce la modulazione diur-na della ionosfera, l’anomalia tra le 8 e le 10 èinterpretabile come un effetto locale dovuto alrumore prodotto nelle vicinanze del punto diosservazione. La figura 15 mostra il vettore diPoynting nel piano verticale, l’intervallo ango-lare di arrivo di gran parte dei segnali è centratointorno a 90°, questi segnali vengono emessi

dalla superficie terrestre e dalla ionosfera. Lafigura 16 rappresenta i diversi modi di propaga-zione. In questo esempio si mostrano i percorsiseguiti dalle onde elettromagnetiche nel tragittosorgente–osservatore. Ciascun segnale è caratte-rizzato dalla propria impedenza d’onda Z: Ziimpedenza superficiale della ionosfera, Zsupimpedenza superficiale della terra, Zt impedenzainterna del sottosuolo, l’impedenza d’onda delsegnale diretto può essere quello della sorgenteZs se l’osservatore è vicino oppure l’impedenzadel vuoto Zo se l’osservatore è lontano.

È possibile anche rappresentare la dire-zione d’arrivo dei segnali elettromagnetici tra-mite i parametri di Stokes, vedere figura 17. Infigura sono rappresentati i segnali nella banda 1Hz - 50 kHz, dove il cerchio di sinistra è posi-zionato nel piano orizzontale, gran parte deisegnali provengono dalla direzione Est-Nord-Est. Il cerchio di destra è posizionato vertical-mente, la parte in giallo rappresenta l’internodella Terra, gran parte dei segnali provengonodalla ionosfera e dalla superficie terrestre, vi èanche un piccolo contributo proveniente dal sot-tosuolo.

In ultimo si mostra, vedere figura 18, laricostruzione della componente Z mediante lefunzioni di risposta impulsiva legate alle funzio-ni A e B sulla base del modello di figura 19.

62


Figura 12. Spettrogramma del rumore elettromagnetico di fondo.Figure 12. Background noise spectrogram.

63


Figura 13. Distribuzione dell’energia del campo elettromagnetico in funzione della frequenza edel tempo. Figure 13. Energy distribution of the electromagnetic field dependent on frequency and time.

Figura 14. Sezione del grafico di fig. 13 nella banda di frequenza di 20 kHz.Figure 14. Section of the graph of fig.13 in the frequency band of 20 kHz.

64


Figura 15. Vettore di Poynting nel piano verticale.Figure 15. Poynting vector in the vertical plane.

Figura 16. Esemplificazione dei percorsi seguiti dalle onde e.m. nel tragitto sorgente – osservatore.Figure 16. Schematic of ray path of the electromagnetic waves from the source to the observer.

65


Figura 17. Istogramma polare della direzione di arrivo dei segnali elettromagnetici.Figure 17. Polar histogram of the electromagnetic signal direction.

Figura 18. Ricostruzione della componente Z mediante le funzioni di risposta impulsiva legate alle funzioni Ae B.Figure 18. Z component reconstruction by means of the impulsive response connected A and B functions.

Figura 19. Schematizzazione della struttura interna della Terra mediante le due funzioni A e B.Figure 19. Schematic representation of the internal structure of the Earth using A and B.

1. Il quadro normativo del settore

Le prescrizioni che disciplinano la prote-zione sanitaria dall’esposizione della popolazio-ne ai campi elettromagnetici e la salvaguardiadell’ambiente dall’impatto delle struttureimpiantistiche, derivano da un complesso dinorme le cui finalità non risultano sempre diret-tamente riconducibili a materie sanitarie, eambientali ma conseguono da combinati dispo-sti di norme afferenti a diversificati corpi nor-mativi. La mancanza di un testo unico sullamateria sulla quale, a partire dal 1998, quandofu emanata la prima norma del settore (D.M.381/98 recante il “Regolamento per la determi-nazione dei tetti massimi a radiofrequenza com-patibili con la salute umana”), si è concentratauna disarmonica produzione legislativa, spessopromossa più che da esigenze tecniche, da istan-ze sociali o da pressioni della pubblica opinione,ha determinato un complesso quadro di normeche costituisce un corpus legis inorganico e, pertaluni importanti aspetti, lacunoso ed ambiguo.

Tale caratteri, unitamente ad una distorta

percezione del rischio da parte di limitati mafortemente determinati settori della popolazio-ne, hanno alimentato una acceso contenziosoamministrativo che si è assommato al conten-zioso costituzionale, Stato-Regioni, in meritoalla natura concorrente delle competenzaregionali in materia.

Il contesto giuridico è stato quindi resopiù complesso ed articolato da una copiosa giu-risprudenza costituzionale ed amministrativache, nel corso degli anni, e in relazione almutare del quadro normativo, ha manifestatouna sostanziale evoluzione dei pronunciamentiche hanno arricchito e, in taluni casi, chiarito ilquadro normativo, dirimendo alcune importan-ti incertezze di base.

Nella tabella che segue è sinteticamenteriportato il quadro normativo e regolamentaredi riferimento nel quale è richiamata anche lanormativa comunitaria, ivi comprese le diretti-ve tecniche di organismi internazionali, dive-nuti cogenti per effetto dei Decreti recente-mente emanati in attuazione della legge quadron. 36/01.

66


APPENDICE 2

1.1 La normativa nazionale

La Legge quadro n. 36/01 sulla “protezionedalle esposizioni a campi elettrici, magneticied elettromagnetici” (G.U. n. 55 del 7/3/2001)

La legge quadro n 36/01 costituisce ilriferimento normativo nazionale principale nellaspecifica materia poiché tutte le norme successi-ve discendono o fanno riferimento a detta legge.

La norma, pur avendo un dispositivo chesi discosta nettamente dalle omologhe leggi chevigono nei paesi dell’U.E. e da quelle in vigorenei paesi industrializzati, copre lo stesso rangedi frequenze previsto dalla normativa interna-zionale

Uno degli elementi più qualificanti dellalegge, è l’adozione del principio di precauzioneper il quale la norma fornisce indicazioni pun-tuali sui criteri con i quali devono essere defini-ti i nuovi limiti a tutela della salute della popo-lazione e dei lavoratori dalla esposizione aic.e.m.

A tal fine, la norma definisce i seguentilimiti enunciandone le finalità:- limite di esposizione: è il valore di campo

elettrico, magnetico ed elettromagnetico,considerato come valore di immissione, defi-nito ai fini della tutela della salute da effettiacuti, che non deve essere superato in alcunacondizione di esposizione della popolazionee dei lavoratori;

- valore di attenzione: è il valore del campoelettrico, magnetico ed elettromagnetico,

considerato come valore di immissione chenon deve essere superato negli ambienti abi-tativi, scolastici, e nei luoghi adibiti a perma-nenze prolungate. Esso costituisce misura dicautela ai fini della protezione da possibilieffetti a lungo termine;

- obiettivi di qualità sono criteri localizzativi,standard urbanistici e incentivazioni per l’u-tilizzo delle migliori tecnologie disponibili,indicati dalle regioni; sono valori di campoelettrico, magnetico ed elettromagnetico,definiti dallo stato ai fini della progressivaminimizzazione dell’esposizione.

Su tali definizioni si possono fare alcuneconsiderazioni. Intanto emerge che l’adozionedel principio di precauzione trova riscontronella definizione del valore di attenzione intesocome misura di cautela al fine della protezioneda possibili effetti a lungo termine. Tale impo-stazione è del tutto assente nellaRaccomandazione del Consiglio d’Europa delluglio 1999.

Inoltre, mentre ai limiti di esposizione edal valore di attenzione è attribuita una finalitàsanitaria, gli obiettivi di qualità non hanno talefinalità ma quella del miglioramento della qua-lità ambientale.

Infine, particolare rilevanza assume laprescrizione contenuta nella definizione degliobiettivi di qualità per la quale è riservata soloallo Stato la competenza di fissarli in termini divalori di campo elettromagnetico.

67


Figura 1. Campo di frequenza trattato dalla normativa. Figure 1. Frequency field considered in the law that setting up a standard.

Si sintetizzano di seguito gli elementisalienti della norma.• ha lo scopo di assicurare la tutela della popo-

lazione e dei lavoratori nei confronti deglieffetti dei campi elettromagnetici a breve e alungo termine assumendo, per quest’ultimi,il principio di precauzione;

• ha come campo di applicazione gli elettro-dotti e gli impianti per uso civile e militareche causano esposizione della popolazione edei lavoratori ai campi elettrici, magnetici edelettromagnetici nell’intervallo di frequenzada 0 Hz a 300 GHz (figura 1);

• introduce i limiti di esposizione e i valori diattenzione per la protezione dagli effetti abreve e a lungo termine, e gli obiettivi diqualità per la progressiva minimizzazionedell’esposizione;

• affida a successivi decreti D.P.C.M. (emana-ti nel 2003) la definizione dei limiti;

• prescrive il completo risanamento degliimpianti radioelettrici entro due anni e deglielettrodotti entro dieci anni, stabilendo per que-st’ultimi i criteri di priorità degli interventi;

• prevede sanzioni amministrative nei confron-ti dei soggetti trasgressori o inadempienti;

• attribuisce specifiche competenze alleRegioni, alle Province e ai Comuni in mate-ria autorizzativa mentre affida le attività dicontrollo alle Agenzie regionali e provincialiper la protezione ambientale;

• istituisce i catasti nazionale e regionali deglielettrodotti e degli impianti emittenti;

• prescrive che i prodotti commerciali chegenerano campi elettromagnetici riportinol’indicazione dei valori di campo emessinelle condizioni di impiego;

• promuove l’educazione ambientale e l’infor-mazione per la popolazione nel settore.

Il D.P.C.M. attuativo della L. 36 del 22 feb-braio 2001 (da 0 Hz a 100 kHz)

Fissa i nuovi limiti di esposizione, i valo-ri di attenzione e degli obiettivi di qualità per laprotezione della popolazione dalle esposizioniai capi elettrici e magnetici generati dagli elet-trodotti (G.U. n. 200/03).

In sintesi la norma:• scaturisce dalla legge quadro n. 36 del

22/2/01 (art. 4, comma 2 lettera a);• abroga il D.P.C.M. del 1992 ed il D.P.C.M.

del 1995;• ha come campo di applicazione gli elettro-

dotti così come definiti all’art. 3 comma 1lettera e) della L. 36/01:“l’elettrodotto è l’in-sieme delle linee aeree, delle sottostazioni edelle cabine di trasformazione”;

• per le altre sorgenti con frequenza da 0 Hz a100 kHz rimanda alla raccomandazione delConsiglio dell’Unione Europea del 12 luglio1999;

• stabilisce che le tecniche di misurazione daadottare siano quelle indicate dalle norme CEI;

• stabilisce che per la determinazione del valo-re d’induzione magnetica utile ai fini dellaverifica del non superamento del valore diattenzione e dell’obiettivo di qualità, il siste-ma agenziale APAT-ARPA dovrà determina-re le procedure di misura e valutazione, perla successiva approvazione del Ministerodell’Ambiente e della Tutela del Territorio;

• definisce le fasce di rispetto da calcolare sullabase della corrente normale di esercizio e conriferimento agli obiettivo di qualità di 3 µT;

• fissa i seguenti limiti:- i limiti di esposizione non devono essere mai

superati;- i valori di attenzione, come misura di caute-

la per la protezione dai possibili effetti alungo termine non possono essere superati:

nelle aree gioco per l’infanzia;in ambienti abitativi;in ambienti scolastici;nei luoghi adibiti a permanenza superiorealle 4 ore.

Il valore di 10 µT è da intendersi comemediana dei valori nell’arco delle 24 ore nellenormali condizioni di esercizio.- gli obiettivi di qualità, ai fini della progressi-

va minimizzazione della esposizione (non hasignificato sanitario), non possono esseresuperati nella progettazione dei nuovi elet-trodotti e nella progettazione di nuovi inse-diamenti in prossimità di linee elettriche incorrispondenza di:

ambienti abitativi;ambienti scolastici;luoghi adibiti a permanenza non inferiorealle quattro ore.

Il valore di 3 µT è da intendersi comemediana dei valori nell’arco delle 24 ore nelle

68


normali condizioni di esercizio dell’elettrodotto.Nella figura 2 che segue è riportata la rappre-

sentazione grafica dei limiti prescritta dal Decretonell’intervallo di frequenza da 0Hz a 100 kHz.

Gli aspetti innovativi• Estende il campo di applicazione della pre-

cedente normativa anche alle sorgenti dicampo elettrico e magnetico, diverse daglielettrodotti, aventi frequenza da 0 Hz a 100kHz.

• Per tali tipologie di sorgenti rimanda all’in-sieme completo di restrizioni stabilite dallaRaccomandazione del Consiglio dell’UnioneEuropea del 1999.

• Assume, quali limiti di esposizione per ilcampo elettrico e per l’induzione magnetica,i limiti indicati dalla raccomandazione delconsiglio dell’unione europea del 1999 (cor-rispondenti ai limiti di cui all’art. 4 dell’a-brogato D.P.C.M. del 1992).

• Per i soli elettrodotti, e per la sola induzionemagnetica, introduce due ulteriori limiti:

il valore di attenzione a tutela dai possi-bili effetti a lungo termine;l’obiettivo di qualità , che non ha signifi-cato sanitario.

Le criticità• Il rimando all’insieme completo di restrizio-

ni stabilite dalla Raccomandazione delConsiglio dell’Unione Europea del 1999 perle sorgenti di campo elettrico e magneticodiverse dagli elettrodotti è tecnicamenteincongruente con la norma che riguarda glielettrodotti in quanto la norma europea com-prende anche il criterio di verifica della con-dizione di esposizione multisorgenti a bassaed alta frequenza, che è inconciliabile conl’Allegato C del decreto per le alte frequenzee con il presente decreto che non prevede l’e-sposizione multisorgente.

• Non sono specificate le alle quali devonoessere riferiti i limiti di esposizione.

• La formulazione del valore di attenzioneconsente di accertare la rispondenza allanorma solo per gli elettrodotti già esistenti.

• Per i futuri elettrodotti manca il riferimentoprogettuale.

• La legge 36/01, art. 4 comma 1 lettera g, pre-scrive che all’interno delle fasce di rispettonon possano insistere i recettori indicati pergli obiettivi di qualità.

Se le fasce di rispetto sono applicabili aifuturi elettrodotti si avrebbe che:

69


Figura 2. Rappresentazione grafica dei limiti di esposizione, dei valori di attenzione e degli obiettividi qualità, per l’induzione magnetica, fissati dal D.P.C.M. 8 luglio 2004 (basse frequenze). Figure 2. Graph representation of exposure limits of warning values and quality objective for mag-netic induction field, as in D.P.C.M. 8 July 2004 (low frequency).

- per i nuovi elettrodotti l’obiettivo di qualitàdi 3 µt sarebbe calcolato sulla base dellamediana dei valori di corrente nelle 24 orenelle normali condizioni di esercizio;

- per la determinazione delle fasce di rispetto,il valore di 3 mt sarebbe calcolato sulla basedella valore della corrente in servizio norma-le come definita della norma CEI 11-60.

Se le fasce di rispetto si riferiscono aglielettrodotti già esistenti si avrebbe che:- i nuovi insediamenti sarebbero interdetti

nella fascia di rispetto calcolata per il valoredi 3 µt sulla base del valore della corrente inservizio normale come definita dalla normaCEI 11-60;

- i risanamenti degli elettrodotti esistentidovrebbero essere eseguiti sulla base dell’o-biettivo di qualità di 3 µt, calcolato con ilvalore della corrente in servizio normalecome definita dalla norma CEI 11-60.

Il D.P.C.M attuativo della L. 36 del 22febbraio 2001( da 100 kHz a 300 GHz) fissa inuovi limiti di esposizione, i valori di attenzio-ne e gli obiettivi di qualità per la protezionedella popolazione dalle esposizioni ai campielettrici, magnetici, ed elettromagnetici generatialle frequenze comprese tra 100 kHz e 300 GHz,

figura 3 (G.U. n.199/03).

In sintesi la norma:• scaturisce dalla legge quadro 36 del 22/2/01

(art. 4, comma 2 lettera a);• abroga il D.M. 381/98;• ha come campo di applicazione le sorgenti

fisse con frequenze comprese tra 100 kHz e300 GHz;

• non si applica:ai lavoratori esposti per ragioni profes-sionali;agli impianti radar ed agli impianti conemissioni pulsate per i quali è previsto unsuccessivo decreto;agli impianti delle forze armate e delleforze di polizia per i quali è previsto unsuccessivo decreto.

• per le sorgenti non riconducibili ai sistemi ditelecomunicazioni si applicano le restrizionidi cui alla raccomandazione del Consigliodell’Unione Europea del 12/7/1999;

• rimanda alle norme CEI per le tecniche dimisurazione e di rilevamento dei livelli diesposizione;

• fissa i seguenti limiti di esposizione che nondevono essere mai superati (valori efficacimediati su un’area equivalente del corpoumano e su qualsiasi intervallo di sei minuti);

70


Figura 3. Rappresentazione grafica dei limiti di esposizione, dei valori di a attenzione e degli obietti-vi di qualità fissati dal D.P.C.M. 8 luglio 2004 (alte frequenze). Figure 3. Graph representation of exposure limits of warning values and quality objective for electricfield, as in D.P.C.M. 8 July 2004 (high frequency).

• fissa i seguenti valori di attenzione per laprotezione dai possibili effetti a lungo termi-ne, che non devono essere superati:

- all’interno di edifici adibiti a permanenzasuperiore alle quattro ore;

- nelle pertinenze esterne quali balconi ter-razze e cortili;

- sono esclusi i lastrici solari.

• fissa gli obiettivi di qualità (valori efficacimediati su un’area equivalente del corpoumano e su qualsiasi intervallo di sei minuti)per la progressiva minimizzazione dell’espo-sizione, intesi come valori di immissione delcampo elettromagnetico che non devonoessere superati all’aperto nelle aree intensa-mente frequentate intese anche come super-fici edificate ovvero attrezzate permanente-mente per il soddisfacimento di bisognisociali, sanitari e ricreativi. Agli obiettivi diqualità sono stati attribuiti gli stessi valori dicui alla tabella precedente.

Gli aspetti innovativi del decreto• Estende il campo di applicazione anche ai siste-

mi non destinati alle telecomunicazioni.• Rimanda all’insieme completo di restrizioni

stabilite dalla Raccomandazione delConsiglio dell’Unione Europea del 1999 perle emissioni generate da impianti diversi daisistemi fissi per le telecomunicazioni.

• Introduce il valore di attenzione come misuradi cautela per i possibili effetti a lungo termine.

• Introduce un ulteriore nuovo limite costituitodagli obiettivi di qualità che non ha signifi-cato sanitario.

• Prevede una normativa particolare per gliimpianti delle forze armate e delle forze dipolizia.

• Prescrive la riduzione a conformità nel caso

che la somma normalizzata dei contributidelle emissioni sia ≥ 1.

Le criticità della norma• Nel caso di esposizioni multiple causate da

impianti per le telecomunicazioni e da altritipi di sorgenti, è tecnicamente incongruenteil criterio di verifica del superamento deilimiti per i contributi dovuti ai sistemi delletelecomunicazioni, di cui all’Allegato C deldecreto, con i criteri previsti dallaRaccomandazione del Consiglio U.E. perquanto riguarda i contributi di campo dovutiad altre tipologie di sorgenti come, ad esem-pio, gli elettrodotti.

• Per i motivi di cui sopra, il decreto non siraccorda con quello sugli elettrodotti che nonprevede la riduzione a conformità.

• Il testo del decreto indica condizioni diverseper la riduzione a conformità rispetto all’al-legato al decreto stesso.

• La formulazione dei luoghi ove verificare gliobiettivi di qualità non è inequivocabilmentedefinita.

• Appare immotivato che:solo gli obiettivi di qualità siano definiticome valore di immissione;non sia prevista la riduzione a conformitàper il superamento degli obiettivi di qualità.

Riferimenti comunitariA premessa della presentazione dei conte-

nuti della Raccomandazione (riguardante lapopolazione) e della successiva Direttiva(riguardante i lavoratori) del Consigliod’Europa è necessario illustrare, sia pure sinteti-camente, il razionale scientifico sul quale esse sibasano che è quello adottato dall’ICNIRP(International Commission on Non InizingRadiation Protection).

71


Il razionale dell’ICNIRPIl razionale scientifico della normativa

per la protezione dalla esposizione umana daicampi elettrici, magnetici ed elettromagnetici(c.e.m.) sono i criteri ed i procedimenti tecnicicon i quali sono stati determinati i limiti diesposizione che, sottoforma di linee guida, pos-sono costituire riferimento per la formazionidegli atti legislativi che regolano la materia.Icardini fondamentali del razionale sono basatisui seguenti assunti: • Distinzione tra:

meccanismi di interazione;effetti biologici; effetti di danno alla salute (effetti sanitari).

• Individuazione delle grandezze di base edelle grandezze derivate.

• Individuazione di limiti di base e dei livelli diriferimento.

1.2 I meccanismi di interazione - effetti bio-logici - effetti di danno alla salute

In generale, i campi elettromagnetici inte-ragiscono con la materia attraverso i cosiddetti“meccanismi di interazione “cioè con una seriedi fenomeni che sono strettamente dipendentidalle proprietà elettriche e magnetiche dellamateria e dalle caratteristiche del campo. Ciò siverifica anche nel corpo umano quando è espo-sto a campi elettromagnetici. In conseguenzadei meccanismi di interazioni, si determinanouna serie di effetti biologici alcuni dei quali pos-sono causare un danno alla salute. Appare quin-di di fondamentale importanza la differenza tral’effetto biologico e l’effetto di danno alla salu-te provocato dalla esposizione umana ai campielettromagnetici.

L’OMS (Organizzazione Mondiale dellaSanità) fornisce una chiara distinzione tra i dueeffetti: “Un effetto biologico si verifica quandol’esposizione alle onde elettromagnetiche provo-ca qualche variazione fisiologica notevole o rile-vabile in un sistema biologico. Un effetto didanno alla salute si verifica quando l’effetto bio-logico è al di fuori dell’intervallo in cui l’organi-smo può normalmente compensarlo, e ciò porta aqualche condizione di danno alla salute”.

Ciò posto, e chiarito che l’effetto biologi-co non si configura necessariamente in un dannoalla salute, rimane da stabilire in quali condizio-ni un campo elettromagnetico può avere effettisulla salute umana.

Grandezze di base e grandezze di riferimento- Limiti dei base e livelli di riferimento

Per affrontare il problema conviene riferir-si alla suddivisione dello spettro in basse frequen-ze (da 0 Hz a 10 kHz) e in alte frequenze (da 10kHz a 300 GHz) poiché i meccanismi di intera-zione e quindi gli effetti biologici, sono stretta-mente dipendenti dalla frequenza del campo elet-tromagnetico e, naturalmente, dalla sua intensità.

Va precisato che tale suddivisione è abba-stanza arbitraria ma in questo contesto ciò non è dirilevante importanza poiché ogni altra possibilesuddivisione non escluderebbe la contemporaneapresenza, con diversa rilevanza, dei meccanismidi interazione tipici delle basse frequenze anchealle alte frequenze, e viceversa. Ciò che è rilevan-te è la preminenza di una classe di meccanismirispetto alle altre e quindi di effetti, in dipendenzadalla frequenza del campo elettromagnetico.

Il passaggio dall’effetto biologico all’effet-to di danno alla salute è individuato dai valori disoglia delle cosiddette grandezze di base che assu-mono il significato di limiti di base che dipendo-no dalla frequenza del campo elettromagnetico erappresentano i veri limiti di esposizione al disopra dei quali tali effetti si manifestano.

Ai valori di soglia dell’effetto di danno allasalute, ridotti di un fattore di sicurezza, si fannocorrispondere i valori del campo elettrico, magne-tico, e di densità di potenza esterni, detti livelli diriferimento che, per come sono stati definiti, assu-mono il significato di limiti di esposizione per laprevenzione dagli effetti immediati.

Il non superamento di tali limiti forniscequindi la certezza che non sia superata la sogliache separa l’effetto biologico dal danno immedia-to alla salute.

Questo è il criterio, cioè il razionale adottatodell’ICNIRP ma anche da altre organizzazioniscientifiche per l’individuazione dei limiti di esposi-zione ai campi elettrici, magnetici ed elettromagne-tici che si può sintetizzare con lo schema seguente.

Le grandezze di base, sono rappresentati-ve dei fenomeni di accoppiamento dei tessutibiologici con il campo elettrico, il campo magne-tico ed il campo elettromagnetico.

Esse però non sono direttamente misura-bili e quindi per la verifica delle stesse, in termi-ni di limiti di base, si introducono le grandezzedi riferimento connesse funzionalmente allegrandezze di base.

Le grandezze di base, che dipendono stret-tamente dalla frequenza del campo come mostra-to nella figura 4 sono:• induzione magnetica B (Tesla);• densità di corrente j (A/m2);• corrente di contatto i (A);

72


• tasso di assorbimento specifico di potenzaSAR (W/ kg);

• tasso di assorbimento specifico di energiaSA (J/kg);

• densità di potenza S (W/m2).I limiti di base sono i valori delle gran-

dezza di base che separano gli effetti biologicida quelli di danno alla salute. I limiti di base, aiquali è applicato un fattore di sicurezza tipica-mente pari 50, non devono essere mai superati:

Le grandezze di riferimento sono i para-metri del campo elettromagnetico che si posso-no agevolmente misurare.

Le grandezze di riferimento sono quelle

che caratterizzano l’esposizione del recettorevale a dire:• induzione magnetico B (Tesla);• intensità del campo elettrico V/m;• intensità del campo magnetico A/m;• densità di potenza S (W/m2).

Si può osservare che alcune grandezze dibase coincidono con le grandezze di riferimento.

I livelli di riferimento sono i valoridelle grandezze di riferimento correlati con ilimiti di base.

I limiti di base sono considerati rispettatiquando non sono superati i relativi livelli di rife-rimento.

73


Figura 4. Rappresentazione delle grandezze di base in funzione della frequenza secondo il razionaledell’I.C.N.I.R.P.Figure 4. Representation of the frequency dependent quantities used to specify basic restriction as inthe I.C.N.I.R.P. rationale.

Il superamento dei livelli di riferimentonon comporta necessariamente il superamentodi limiti di base.

Raccomandazione del Consiglio d’Europa per lapopolazione

Il Consiglio d’Europa ha emanato laRaccomandazione del 12 luglio 1999 relativaalla “limitazione dell’esposizione della popola-zione ai campi elettromagnetici da 0 Hz a 300

GHz”. La raccomandazione fissa i limiti di baseed i livelli di riferimento per la protezione dellepopolazione dagli effetti scientificamente accer-tati della esposizione della popolazione ai campielettromagnetici.

La Raccomandazione che ha recepito lelinee guida dell’ICNIRP del 28/4/1998:• specifica che i limiti di esposizione adottati

“tengono conto delle incertezze connesse conla sensibilità delle condizioni ambientali e

74


Figura 5. Limiti per il campo elettrico e magnetico. Figure 5. Electric and magnetic field limits.

delle differenti età e condizioni di salute fra imembri della popolazione”;

• indica limiti di esposizione superiori a quelliprevisti dal D.P.C.M. del luglio 2003 per icampi e.m. tra 100 kHz e 300 GHz; e dalD.P.C.M. 8 luglio 2003 per gli elettrodotti;

• lascia facoltà agli stati membri di adottarelimiti inferiori.

I limiti per il campo elettrico E e per l’in-duzione magnetica B previsti dallaRaccomandazione sono riportati nei grafici cheseguono (fig.5).

La Direttiva 2004/40/CE del Parlamento euro-peo del 29 aprile 2004 per i lavoratori

Per disciplinare l’esposizione ai campielettromagnetici delle categorie lavorative,ilParlamento europeo ha emanato un’appositaDirettiva, che deve essere recepita dagli ordina-menti legislativi degli Stati membri entro il 30aprile del 2008, che fissa le prescrizioni minimedi sicurezza e di salute relative all’esposizionedei lavoratori ai rischi derivanti dagli ampi elet-tromagnetici.

La norma, che ha assunto il razionaledell’ICNIRP, si riferisce alla protezione daglieffetti scientificamente accertati.

A tale fine la norma fornisce le seguentidefinizione di “limiti di esposizione” e di “valo-ri di azione”:

• valori limite di esposizione: limitazioni all’e-sposizione a campi elettromagnetici chesono direttamente basate su effetti sanitariaccertati e su considerazioni biologiche. ilrispetto di questi limiti assicura che i lavora-tori esposti siano protetti da tutti gli effettinocivi noti.

• valori di azione: il valore dei parametridirettamente misurabili a cui si deve fareriferimento nei casi di superamenti per intra-prendere una o più delle misure specificatenella direttiva.

Con riferimento alle definizioni dellaRaccomandazione U.E. per la protezione dellapopolazione, si osserva che la prima definizioneè l’omologa della definizione dei limiti di base,mentre la seconda corrisponde alla definizionedei limiti di esposizione della citataRaccomandazione.

Nella tabella che segue sono indicati ilimiti di esposizione in funzione della frequenza.

1.3 ConfrontoDal confronto della Raccomandazione

europea con il quadro legislativo nazionale,emerge che:• per la frequenza di 50 Hz, cioè per gli elet-

trodotti, i limiti previsti dallaRaccomandazione coincidono con i limiti diesposizione indicati dal D.P.C.M. 8/7/03

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(100 microtesla per il campo magnetico e 5kV/m per il campo elettrico). Tuttavia, men-tre il citato decreto prescrive per l’induzionemagnetica anche i valori di attenzione (10microtesla) a tutele dei possibili effetti alungo temine, e gli obiettivi di qualità (3microtesla) per la progressiva minimizzazio-ne dell’esposizione, la Raccomandazionenon pone tali restrizioni.

• per le radiofrequenze e le microonde, i limi-ti di esposizione previsti dallaRaccomandazione risultano tutti maggiori diquelli indicati dal D.P.C.M. 8/7/03 .

Per quanto riguarda la protezione deilavoratori dalla esposizione ai C.E.M., mancaancora la specifica norma nazionale che disci-plini il settore.

Nella tabella che segue è riportata unaesemplificazione del confronto tra le normenazionali attualmente in vigore e le normecomunitarie di cui sopra.

Un ulteriore aspetto sul quale la normati-va nazionale si discosta da quella comunitariariguarda le condizioni per le quali si rendenecessaria la riduzione a conformità nei casi diesposizione multi sorgenti.

Come già esposto, la normativa naziona-le prevede tale situazione solo per le emissionida 100 kHz a 300 GHz, e quando si verifichi lacondizione

>1

con Ei i valori misurati di campo elettrico di cia-scuna delle n sorgenti, ed Li i relativi limiti infunzione della frequenza.

Ben più articolata si presenta la normativacomunitaria poiché anziché porre condizioni suisoli valori delle grandezze di riferimento, fissacondizioni sui valori normalizzati delle grandez-ze di base in funzione delle frequenza e quindisui valori delle grandezze di riferimento.

Per esposizioni simultanee a campi di fre-quenza diversa, il razionale della normativaeuropea prevede infatti che si debba consideraresi deve considerare che gli effetti biologici deicampi si sommino in ragione della loro frequen-za e quindi per la valutazione di tale additività icalcoli debbano essere eseguiti separatamenteper ciascun effetto, sulle grandezze di base.

In particolare gli effetti termici e di sti-molazione elettrica sul corpo devono esserevalutati separatamente.

Per gli effetti di stimolazione elettrica deitessuti, significativi da 1 Hz a 10 MHz, le den-sità di corrente indotta devono essere sommatein base alla seguente formula:

76


i

i

i LEC 2

2

∑=

110

1 ,

≤∑=

MHz

Hzi iL

i

jJ

dove:- Ji è la densità di corrente alla frequenza i; - JL, i è il limite di base della densità di corren-

te alla frequenza i.Per gli effetti termici, significativi a parti-

re da 100 kHz, il tasso di assorbimento specifi-co di energia (SAR) e la densità di potenza (S)devono essere sommati in base alla seguenteformula:

dove:- SARi è il tasso di assorbimento specifico di

energia dovuto alla esposizione alla frequenza i;- SARL è il limite di base per il tasso di assor-

bimento specifico di energia;- Si è la densità di potenza alla frequenza i;- SL è il limite di base per la densità di potenza.

Ai fini applicativi per la verifica dei limi-ti di base, i criteri da applicare ai livelli di rife-rimento dell’intensità dei campi devono essere iseguenti.

Per la densità di corrente indotta e glieffetti di stimolazione elettrica, significativi finoa 10 MHz, i livelli dei campi devono soddisfarele due seguenti condizioni:

con:- Ei è l’intensità del campo elettrico alla fre-

quenza i;- EL, i è il livello di riferimento dell’intensità

del campo elettrico;- Hj è l’intensità del campo magnetico alla fre-

quenza j;- HL, j è il livello di riferimento dell’intensità

del campo magnetico;- a è pari a 87 V/m;- b è pari a 5 A/m ( 6.25 µT).

L’impiego di costanti (a, b) al di sopra di1 MHz per il campo elettrico e al di sopra di 150kHz per il campo magnetico è dovuto al fatto

che la sommatoria si basa sulla densità di cor-rente indotta e ogni mescolanza deve essere evi-tata con l’eventuale effetto termico.

Per gli effetti termici, a partire da 100kHz, i livelli di campo devono soddisfare le dueseguenti condizioni:

- Ei è l’intensità del campo elettrico alla fre-quenza i;

- EL, i è il livello di riferimento del campo elet-trico;

- Hj è l’intensità del campo magnetico alla fre-quenza j;

- HL, j è il livello di riferimento del campomagnetico;

- c è pari a 87/f1/2 V/m;- d è pari a 0.73/f A/m.

Per la corrente in un arto e per la corren-te di contatto si devono applicare rispettivamen-te le seguenti norme:

con:- Ik è la componente della corrente sull’arto

alla frequenza k;- IL, k è il livello di riferimento per la corrente

sull’arto, 45 mA;- In è la componente della corrente di contatto

alla frequenza n;- Ic,n è il livello di riferimento per la corrente di

contatto alla frequenza n.

77


1300

10

10

100≤+ ∑∑

>=

GHz

GHzi L

iGHz

kHzi L

i

SS

SARSAR

110

1

1

1 ,

≤+ ∑∑>=

MHz

MHzi

iMHz

Hzi iL

i

aE

EE

110

150

150

1 ,

≤

+

∑

∑

>

=

MHz

kHzj

j

kHz

Hzj jL

j

bH

HH

1300

1 ,2

21

1002

2

≤+ ∑∑>=

GHz

MHzi iL

iMHz

kHzi

i

EE

cE

1300

1 ,2

2

1

1002,

2

≤

+

∑

∑

>

=

GHz

MHzj jL

j

MHz

kHzj jL

j

HH

dH

1110

10 ,

2

≤∑=

MHz

MHzK kL

k

II

1110

1 ,2

2

≤∑>

MHz

Hzn nc

n

II

Introduzione

I campi elettrici, magnetici ed elettroma-gnetici (CEM) interagiscono con le cariche dellamateria e pertanto anche con i tessuti biologici.I tessuti biologici da un punto di vista fisico, sicomportano a seconda della frequenza deicampi e del tipo di tessuto, come conduttori piùo meno cattivi, oppure come dielettrici con per-dite. La dipendenza dalla frequenza e il lorocomportamento, dato che in genere non hannoproprietà magnetiche, è descritto da due gran-dezze fondamentali: la conducibilità elettrica σe la costante dielettrica assoluta ε . Esse si assu-mono come grandezze scalari dipendenti dallafrequenza. La conoscenza di queste grandezze,ottenuta per mezzo di modelli teorici, o attraver-so sperimentazione diretta, consente di affronta-re anche per i tessuti biologici i problemi riguar-danti l’interazione e la propagazione dei campiin questo particolare mezzo. Nei meccanismid’interazione sono rilevanti i fenomeni di ces-sione dell’energia del campo elettromagneticoal tessuto, di spostamento delle cariche elettri-che (o polarizzazione), con conseguente altera-zione dei campi interni e dei potenziali.Riguardo ai meccanismi di cessione d’energia,l’energia del campo è ceduta alle cariche elettri-che (elettroni, ioni, molecole dipolari e multipo-lari) che sono poste in movimento (traslate oruotate). Durante il moto le cariche collidonocon le altre molecole del tessuto trasferendo cosìla loro energia meccanica in calore. Inoltre lecariche elettriche, a seconda della loro massa,reagiscono più o meno rapidamente alle varia-zioni del campo e questo da’ luogo a una serie diinteressanti fenomeni dipendenti dalla frequen-za. A frequenze basse, e per campi elettrici emagnetici quasi statici, sono rilevanti i fenome-ni di polarizzazione all’interno dei tessuti biolo-gici e le correnti indotte che si generano. A que-sto proposito per queste frequenze si può assu-mere che il campo elettrico e magnetico agisca-no indipendentemente. Nei casi in cui ci si troviin presenza di campi magnetici variabili sonoanche importanti le dimensioni del corpo cheinteragisce con i CEM rispetto alla lunghezzad’onda λ e le orientazioni relative.

Caratterizzazione elettrica dei tessuti bio-logici nell’interazione con i CEM

I tessuti biologici costituiti da fluidiextracellulari contenenti strutture cellulari eintracellulari (fig. 1) che si presentano a variescale dimensionali da 10-9 m (per esempio gliioni e piccole molecole dipolari) fino a 10-5

(piccoli gruppi di cellule) e aggregati cellulariaventi dimensioni maggiori di vari ordini gran-dezza sono caratterizzati da numerose superficidi separazione (membrane cellulari, membraneintracellulari, ecc.) che impediscono in variogrado gli spostamenti liberi o indotti dei costi-tuenti e delle cariche Le membrane cellularisono anche considerate le principali strutturedove si esplicano le interazioni tra i campi CEMe i sistemi biologici. Le cellule sono strutturecomplesse e fortemente disomogenee che rac-chiudono varie sottostrutture quali nuclei eorganelli separati anch’essi da membrane inter-ne, macromolecole proteiche, DNA ecc.. A lorovolta le membrane sono costituite principalmen-te da fosfolipidi combinati con proteine, come infigura 2 dove sono riportati anche degli ionipositivi in prossimità delle teste polari idrofile. Ifosfolipidi sono composti che mostrano una pre-ponderanza di gruppi non polari a catena apertacon due lunghe code e un gruppo di testa polaredisposti a doppio strato. È evidente che nellainterazione con i CEM un tale “miscuglio” è dif-

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APPENDICE 3Implicazioni interdisciplinari:

I meccanismi d’interazione del campo elettromagnetico con i tessuti biologici

Figura 1. Rappresentazione schematica diuna cellula con alcune strutture interne.Figure 1. Schematic representation of a cellwith some internal structures.

ficile da trattare come somma di singoli costi-tuenti da un punto di vista quantitativo.

L’approccio macroscopico consiste alloranel considerare i tessuti come miscugli di diffe-renti costituenti assimilabili a mezzi viscosi edensi a contenuto variabile di acqua, dotati dicapacità di termoregolazione (se viventi), neiquali sono in sospensione ioni, molecole eaggregati con distribuzione di carica elettrica.

Questo miscuglio costituito da differentiioni, molecole e aggregati molecolari interagi-sce con il campo elettrico indotto dai campiesterni con due diverse classi di risposta alla sol-lecitazione: con correnti elettriche di conduzio-ne, tanto più intense quanto maggiore è la con-ducibilità σ dei tessuti e con effetti di polarizza-zione che dipendono in modo non semplicedalla costante dielettrica locale ε.

Da un punto di vista elettromagnetico,relativamente alla frequenza considerata, pos-siamo pensare ai tessuti biologici come dielettri-ci capaci di immagazzinare e dissipare energiadei campi elettromagnetici. Pertanto possiamotrattare questo particolare mezzo come un die-lettrico dispersivo e dissipativo. Per esempio unbuon conduttore riflette quasi completamente leonde elettromagnetiche e dissipa energia a causadelle correnti indotte che in esso si producono.Al contrario, un dielettrico è quasi completa-mente trasparente alle onde elettromagnetichema può immagazzinare una parte di energia. Itessuti biologici, in una certa misura, possonofare le due cose. Nella teoria elettromagnetical’unica grandezza fisica che può tener conto diquesti meccanismi è la permettività dielettricarelativa in forma complessa: εrel = εr - jεi . Infattiil primo termine reale εr tiene conto dell’accu-mulo temporaneo dell’energia nel mezzo, ilsecondo termine εi, immaginario, chiamato fat-tore di perdita, è funzione della conducibilità σ.Il termine immaginario è responsabile della dis-sipazione dell’energia elettromagnetica mentre

il rapporto tra i due, che indica se siamo più omeno in presenza di conduttore o di dielettrico,viene indicato in letteratura come tangente diperdita. Pertanto, la determinazione di εr e σ,alle frequenze di interesse, consente di saperetutto, o quasi, riguardo alla interazione dell’on-da con il tessuto biologico. I valori di εr e σ sonoriportati in un intervallo di frequenza da 0 a1THz (1012 Hz) nella figura 3. È interessantenotare che per frequenze basse il tessuto biolo-gico esibisce valori di εr dell’ordine di 106- 107 .Questo vuol dire che un campo elettrico esternoche penetra il tessuto si riduce dello stesso fat-tore. Per esempio un campo esterno di un 10kV/m all’interno del tessuto si abbatte fino a ≈10 mV/m. Questa peculiarità conferita a tutti gliorganismi viventi dalle membrane cellulari rap-presenta una specie di difesa naturale. È proprioin virtù di questa proprietà che, per esempio, gliuccelli si possono posare su una linea ad altatensione senza riportare danni. Le membranecellulari e gli altri organelli sub cellulari, quali imitocondri, nuclei, ecc., fanno si che εr dei tes-suti sia molto più grande dei singoli costituendicellulari presi separatamente. Ad esempio ilvalore di εr dell’acqua, che costituisce in largaparte i tessuti, è circa 80. Pertanto, la stessaintensità di campo, all’interno di un mezzocome l’acqua, produrrebbe un capo interno convalori almeno 10000 volte maggiori rispetto aicampi interni che si stabiliscono nei tessuti. Leproprietà amagnetiche insieme alla isotropia deitessuti biologici, come si è visto, semplificanoun po’ il problema. Le proprietà elettriche deitessuti si possono riassumere con le grandezzeσ(ω), ε(ω) riportate in figura 3. La permettivitàdielettrica εr dei tessuti decresce con la frequen-za secondo l’andamento in figura e, a basse fre-quenze, presenta dei valori notevolmente piùalti, soprattutto se paragonata ai valori dei solidio liquidi omogenei costituenti gli stessi tessuti.Per esempio, un organismo composto di oltrel’80% d’acqua e di altri composti che conside-rati come materiali omogenei hanno dei valorirelativamente bassi di permettività dielettrica(ad esempio per l’acqua si ha εr ≈ 80), comeaggregati cellulari essi esibiscono valori di εr>106 alle basse frequenze. In figura 3 si puònotare (tratto continuo della curva) che εr decre-sce con la frequenza. Sono varie le cause cheintervengono per stabilire questa tendenza gene-rale di dispersione del tessuto. Per campi quasistatici il valore di εr è massimo. Infatti, le cari-che ioniche intorno alle membrane determinanoi valori della permettività dielettrica del mezzoalle basse frequenze. Tale regione di dispersioneè indicata con α e la permettività dielettrica si

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Figura 2. Rappresentazione schematica dellamembrana plasmatica.Figure 2. Schematic representation of a cellmembrane.

abbatte di due ordini di grandezza, al cresceredella frequenza, in relazione alla mobilità degliioni intorno alle membrane. Per frequenze anco-ra più elevate le macromolecole e le carichedelle membrane plasmatiche inclusa la capacitàelettrica intrinseca della stessa, subentrano neiprocessi di interazione dei campi e.m. con i tes-suti. Perciò a partire dalle frequenze intorno alkHz, si instaura un altro meccanismo e lacostante dielettrica si abbatte ancora di un paiod’ordini di grandezza (regione di dispersione β).È la capacità di membrana che gioca un ruolopiuttosto importante intorno a queste frequenzein queste due regioni di dispersione.

Il meccanismo è qui di seguito brevemen-te descritto. I campi elettrici a bassa frequenza

caricano i mini condensatori della membrana efanno accumulare le cariche all’interfaccia diseparazione di cellule e tessuti (spazio intra-extra cellulare). Al crescere della frequenzacomunque il tempo di accumulo di queste cari-che in prossimità delle membrane diminuisce(prima che si siano accumulate i campi elettricisi invertono, cambiando verso alle velocità dellecariche) pertanto la permettività dielettricadecresce e questa tendenza permane nel campodi frequenza 10 kHz–100 MHz. Nel campo difrequenza 100-1000 MHz, (regione di dispersio-ne δ) sono i moti di orientazione delle molecolepolari dell’acqua legate alle proteine o ad altrestrutture cellulari a influenzare il valore di εr.Questa tendenza si mantiene fino al limite della

banda investigata e comunque gli altri cambia-menti della permettività dielettrica si hannoquando i livelli, prima rotazionali e poi vibra-zionali delle varie macromolecole polari e del-l’acqua cominciano ad essere via via interessati,per frequenze maggiori di 20 GHz (regione didispersione γ).

Per quanto riguarda la conduttività σ lasua dipendenza dalla frequenza è descritta dallacurva in figura 4. Vi è una cosiddetta conducibi-lità εdc (conducibilità in corrente continua)dovuta agli ioni presenti nel citoplasma e neifluidi extracellulari. Un secondo tipo di condut-tività è di tipo dispersivo poiché dipendentedalla frequenza. Tale conduttività aumenta conla frequenza. Schematizzando come in un cir-

cuito elettrico, i mini condensatori plasmatici abassa frequenza non si lasciano attraversare daicampi elettrici (impedenza data da 1/ωC), essioperano come un filtro di reiezione a bassa fre-quenza. Pertanto, solo correnti di conduzionerelativamente basse possono fluire.

Per frequenze via via crescenti (>1 kHz) i“condensatori plasmatici” cominciano a risulta-re cortocircuitati lasciando scorrere correnti RFrelativamente intense poiché i fluidi intra-extracellulari partecipano alla conduzione senzaessere impediti dalle membrane plasmatiche.Un semplice schema circuitale, con resistenze ecapacità intra-extra cellulare, che tiene contodelle caratteristiche elettriche del tessuto biolo-gico. In tale schema semplificato si possono già

80


Figura 3. Escursione dei valori εr nel campo di frequenza da 1 Hz a 1 THz. Figure 3. Excursion of the values of εr in the frequency range from 1 Hz to 1 THz.

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Figura 4. Escursione dei valori σ nel campo di frequenza da 1 Hz a 1 THz. Figure 4. Excursion of the values of σ in the frequency range from 1 Hz to 1 THz.

Figura 5. Meccanismi di dispersione e caratteristiche dei tessuti biologici. Figure 5. Dispersive mechanism and characteristics of biological tissue.

dedurre le conducibilità σdc e σRF e altre caratte-ristiche dielettriche dovute soprattutto alla pre-senza della membrana plasmatica

A frequenze sempre più elevate è il com-portamento della molecola polare dell’acqua astabilire le condizioni di conduttività. Il com-portamento in generale è dominato dal fatto checampi elettrici oscillanti a frequenze sempre piùelevate, a causa dell’inerzia delle cariche, per-dono di efficacia nel conferire alle stesse cari-che, sia la mobilità traslazionale, sia la mobilitàrotazionale. La conduttività σ influenza anche lapenetrazione dei campi nei tessuti. Partendodalle frequenze più basse e andando alle fre-quenze più elevate la profondità di penetrazioneδ diminuisce. Pertanto, come abbiamo visto, èsoltanto il valore della conduttività elettrica σ infunzione della frequenza che influenza questagrandezza.

Come abbiamo visto, al variare della fre-quenza variano sia εr che σ e questo porta adistinguere le varie grandezze di base (grandez-ze dosimetriche) dei vari campi di frequenzaimpiegati. Si distinguono per questo i vari campidi frequenza. In maniera sintetica si assume, ingenere, che alle basse frequenze, fino a 10 kHz,prevalgano alcuni meccanismi e che le grandez-ze significative siano la densità di corrente(A/m2) e la corrente di contatto (A). Mentre allealte frequenze i meccanismi predominanti sonoquelli di tipo termico e le grandezze significati-ve sono il SAR (W/kg), e la densità di potenza(W/m2). Per questa ragione, nei fenomeniriguardanti l’interazione dei campi elettroma-gnetici con i tessuti biologici, i due ambiti di fre-quenza sono trattati separatamente.

I meccanismi d’interazione alle basse fre-quenze

L’interazione dei campi elettrici e magne-tici alle basse frequenze si deve ai campi elettri-ci e magnetici che generano correnti nei tessuti.Questi, non avendo in generale proprietàmagnetiche, sono pressoché trasparenti ai campimagnetici. I campi elettrici e magnetici agisco-no indipendentemente se le frequenze sono rela-tivamente basse. Inoltre si è quasi sempre incondizioni di capo cosiddetto “vicino”. Tali con-dizioni si realizzano quando le distanza dellasorgente dei campi è inferiore a qualche lun-ghezza d’onda. Il campo magnetico terrestre, dicirca 40 micro Tesla, un campo di tutto rispetto,non interagisce significativamente con i tessuti.Per un breve periodo di tempo gli organismiviventi possono sopportare, per quel che se ne

sa, fino a diversi Tesla, se il campo di induzionemagnetica è statico. Infatti nella risonanzamagnetica nucleare (NMR) si arriva fino a qual-che Tesla, senza che il paziente sotto esame sene avveda. Per i campi magnetici variabili il dis-corso cambia completamente. Tali campi, noninteragiscono direttamente con i tessuti che,ovviamente, sono trasparenti anche ai campimagnetici variabili nel tempo. I campi magneti-ci variabili, però, generano nello spazio, e quin-di anche nei tessuti, campi elettrici variabili allastessa frequenza. Sono poi questi campi elettricia interagire con le cariche come è stato mostra-to. Un paziente sotto esame NMR non sarebbealtrettanto in sicurezza se mancasse l’alimenta-zione della bobina che produce tale campo. Lavariazione nel tempo del campo magneticogenererebbe un campo elettrico molto intenso. Icampi elettrici esterni all’interno dei tessutisono ridotti di un fattore εr. Riassumendo, l’in-terazione dei campi elettrici e magnetici allebasse frequenze, in particolare alla frequenza di50 Hz, è caratterizzata dai seguenti aspetti fon-damentali:- l’induzione magnetica B interna ai tessuti

viene assunta uguale a quella esterna Bo poi-ché m non varia rispetto al suo valore nelvuoto (µ = µ0 = 4π10-7 H/m);

- il campo magnetico esterno di induzione Bo,alla frequenza f, genera per induzione e.m. uncampo elettrico interno ai tessuti, alla stessafrequenza f , di intensità proporzionale ad f;

- il campo elettrico esterno E0, alla frequenza f,genera un campo elettrico interno ai tessutialla stessa frequenza f ridotto di un fattore εr.

I due campi elettrici interni danno luogo adensità di corrente J esprimibili attraverso leseguenti espressioni: - J = K f Eo [A/m2] (densità di corrente pro-

dotta dal campo elettrico E0 )- J = σ π r fBo [A/m2] (densità di corrente pro-

dotta dall’induzione esterna Bo) essendo K un fattore di forma espresso in [S/Hz]m e r il raggio della “spira” con la quale si con-catena il flusso di induzione Bo.

A titolo di esempio assumendo una condu-cibilità media per tutti i tessuti pari a 0,1 S/m, gliordini di grandezza dei campi elettrici interni Ei edelle corrispondenti densità di corrente Ji indottinella testa e nel tronco di un uomo, dai campiesterni imperturbati Eo = 1 kV/m e Bo = 1µT, allafrequenza di 50 Hz sono riportati in tabella.

Campi elettrici interni e densità di corren-ti indotte generati dai corrispondenti campiesterni sulla testa e sul tronco di un uomo. Perconfronto, le densità di correnti fisiologiche sonodell’ordine dei mA/m2. In figura 6 sono schema-

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ticamente riportate le correnti indotte che si sta-biliscono all’interno del tessuto quando è sotto-posto all’azione di un campo elettrico (a) emagnetico (b). A bassa frequenza prevalgonofenomeni di generazione di correnti indotte daparte dei campi elettrici e magnetici nei tessuti.

In questa breve descrizione, abbiamopoco accennato a tutta una serie di fenomeni diinterazione che non mettono in gioco rilevantidensità di corrente e altri fenomeni cosiddetti“atermici”. Tali fenomeni riguardano intera-zioni con campi elettromagnetici a bassaintensità che però producono effetti biologiciquali cambiamenti di potenziali delle membra-ne cellulari, forzano alcuni flussi ionici, orien-

tano proteine e cellule, solo per citare alcunieffetti.

I meccanismi d’interazione alle alte fre-quenze

Un piatto di patate all’interno del forno amicroonde ci aiuta a capire i principi dell’inte-razione dei campi elettromagnetici alle alte fre-quenze. Il piatto fatto di materiale dielettrico(non conduttore) non assorbe energia e, se nonfosse per il contatto diretto con le patate, rimar-rebbe freddo. In quanto al contenuto del piatto,le cose vanno un po’ diversamente. I campi elet-

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Figura 6. Esempio di meccanismo d’interazione a bassa frequenza. Figure 6. Example of interaction at low frequency.

trici delle microonde interagiscono principal-mente con le molecole polari d’acqua costrin-gendole a seguire le sue vibrazioni (circa 1miliardo di vibrazioni al secondo alla frequenzadi funzionamento del magnetron). Nel seguirequeste oscillazioni le molecole sono anche sot-toposte a un attrito molecolare che in definitivariscalda le patate. Le pareti del forno di ottimomateriale conduttore sono poco scaldate dallemicroonde in quanto la profondità di penetra-zione interessa solo gli strati molto superficialidel conduttore stesso. Se inavvedutamente met-tessimo un pezzo di metallo all’interno del fornoin breve tempo questo si scalderebbe a causadelle correnti a radio frequenza indotte nelmateriale conduttore.

Questo spiega grossolanamente il com-portamento dei dielettrici (piatto), dielettricodissipativo (patate) e conduttore (metallo).

Quando un’onda elettromagnetica incidesu un mezzo biologico, parte di essa viene rifles-sa e parte viene trasmessa attraverso il mezzostesso in relazione agli indici di rifrazione, o perrimanere nell’ambito delle grandezze trattate, inrelazione a εr.

La parte della radiazione che si trasmettesubisce una attenuazione, e quest’ultima è fun-zione del fattore di perdita εi o della conducibi-lità σ che a sua volta dipende dalla frequenza.La profondità di penetrazione δ, cioè la profon-dità alla quale il campo si riduce circa al 37%del suo valore, è data da:

dove ω è la pulsazione angolare dell’onda inci-

dente (ω=2πf) e µ la permeabilità magnetica. Daquest’ultima si evince che all’aumentare dellafrequenza, cioè di ω le onde hanno sempre piùdifficoltà nel penetrare il mezzo.

Per la classe degli effetti di interesse sani-tario è necessario esaminare i meccanismi diinterazione dei campi elettromagnetici alle altefrequenze anche dal punto di vista energetico. Imeccanismi di interazione riguardano l’attiva-zione di stati traslazionali, rotazionali e vibra-zionali (dipendenti dalla frequenza) di dipolipermanenti o di cariche spaziali (polarizzazio-ni/oscillazioni) con il ritorno successivo allostato fondamentale (rilassamento) attraversoscattering o cessione di energia ai vari gradi dilibertà possibili. In tale contesto i meccanismi dipolarizzazione possibili sono i seguenti:- polarizzazione atomica (formazione di dipoli);- polarizzazione molecolare (spostamento

delle posizioni di equilibrio dei singoli atomiper azione del campo sulle cariche che rea-lizzano il legame molecolare);

- polarizzazione per orientamento (dipoli per-manenti);

- polarizzazione di carica spaziale (distorsionedella distribuzione delle cariche elettriche“intrappolate” su interfacce che non possonoscaricarsi).

Nell’intervallo indicato (100 kHz - 10GHz) si instaurano meccanismi di cessione dienergia da parte del campo elettromagnetico aitessuti. La grandezza dosimetrica significativa cherappresenta tali meccanismi è il tasso di assorbi-mento specifico SAR definito dalla derivata

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ωσµδ /2=

Figura 7. Esempio di meccanismo d’interazione ad alta frequenza. Figure 7. Example of interaction at low frequency.

rispetto al tempo dell’energia dw dissipata in unelemento di massa dm di tessuto biologico conte-nuto in un elemento di volume dv di densità ρ.

SAR= [W/kg]

Il SAR può essere riferito a due situazio-ni espositive diverse:- SAR specifico o locale che è il rateo di ener-

gia trasferita ad un elemento ρdv di tessuto; - SAR medio che è la quantità totale di energia

trasferita al corpo nell’unità di tempo divisaper la massa totale M del corpo.

SAR medio = .

Questo fenomeno di cessione energetica,in pratica, dipende anche da altri fattori che sonole condizioni di risonanza e la polarizzazionedel campo elettromagnetico rispetto alle massi-me dimensioni del mezzo in esame. Ad esempioin figura 8 è riportato il SAR alle varie frequen-ze nel caso in cui il campo elettrico sia paralle-

lo alla massima dimensione lineare del corpo. I valori massimi dell’assorbimento di

energia si hanno nelle condizioni di risonanza.In tale contesto è importante anche la polarizza-zione (direzione del campo elettrico rispetto allegeometrie in gioco). Condizione questa data da:λt = d. Essendo, λt la lunghezza d’onda all’inter-no del tessuto e d le dimensioni massime delcorpo. Nelle condizioni di sub-risonanza, cioèquando λt>>d, la cessione di energia attraversoquesto meccanismo è minima. Nelle condizionidi sovrarisonanza λt<<d, il trasferimento dienergia elettromagnetica in calore perde effica-cia rispetto ai valori in caso di risonanza. Perfrequenze oltre i 20 – 30 GHz la grandezza dibase più importante diventa la densità di poten-za W/m2. Come abbiamo visto, per frequenzevia via crescenti, la profondità di penetrazione siriduce al millimetro o meno. In tal caso gli effet-ti sono di natura locale e riguardano essenzial-mente la superficie investita.

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)()(dv

dwdtd

dmdw

dtd

ρ=

Mw

Figura 8. Fenomeni di risonanza nell’interazione dei campi con i tessuti biologici. Figure 8. Resonance phenomena in the interaction between electromagnetic fields and biological tissue.

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