« Que sait-on des effets sanitaires des ondes électromagnétiques, en particulier en ce qui concerne les communications sans fil et les lignes à haute tension ? À ce jour, le bilan des données scientifiques ne justifie pas d’envisager une remise en cause des recommandations faites par la Commission internationale de protection contre les rayonnements non ionisants (ICNIRP). [...] [Mais] l’émotion est au cœur du débat et l’ensemble est trop souvent traité de façon pseudo-scientifique pour servir des thèses préétablies. Une méconnaissance du sujet, des raccourcis fâcheux, l’amalgame avec les risques du tabac ou de l’amiante sont fréquents et rendent discutable une bonne part de l’information fournie au public. » (Extraits de l’article d’Anne Perrin, « Ondes électromagnétiques : comment s’y retrouver dans l’information ? »). Dans le dossier que nous avons publié dans le n° 285 de Science et pseudo-sciences (SPS, avril-juin 2009), nous nous sommes efforcés de présenter clairement les informations scientifiques disponibles. Ce dossier sera complété ici en fonction de l’évolution des débats et des recherches.

Ondes et champs électromagnétiques

Mieux comprendre la notion de champ électromagnétique et de propagation des ondes

par Alain Azoulay - SPS n° 285, avril 2009

La préoccupation relative à l’exposition des personnes à différentes sources d’émissions électromagnétiques a mis en exergue le besoin de mieux comprendre les phénomènes associés et en particulier, la notion de champ électromagnétique et de propagation des ondes.

Nous allons le voir : les conducteurs parcourus par des courants variant en fonction du temps rayonnent un champ électromagnétique. Ce rayonnement peut être intentionnel (on s’en sert pour établir des communications sans fil), ou non intentionnel (il est la conséquence du transport d’énergie électrique).

On s’intéressera ici essentiellement aux définitions ainsi qu’aux phénomènes physiques de l’électromagnétisme (en excluant les considérations relatives au magnétisme naturel et en se limitant aux phénomènes à très basse fréquence et radioélectriques).

Si l’on revient à des notions de base, il est possible de définir un champ électrique et un champ magnétique à partir de la présence ou de la circulation de charges électriques ou de courant sur des conducteurs.

Le champ électrique

Au plan statique la présence d’une charge électrique dans l’espace ou sur un corps isolant immobile (domaine de l’électrostatique) induit un champ électrique tout autour de cette charge. Ce champ électrique est mis en évidence par la force qu’il induit si une charge se trouve au voisinage. On a alors une force électrique d’attraction ou de répulsion selon les signes respectifs des deux charges, positif ou négatif : deux charges de même signe se repoussent, deux charges de signe opposé s’attirent. Le champ électrique induit par une charge en un point donné s’exprime en fonction de la charge électrique et de la distance du point à la charge. Son amplitude est proportionnelle à la charge et inversement proportionnelle au carré de la distance (voir encadré).

Le champ magnétique

Que se passe-t-il au plan dynamique, c’est-à-dire si, au lieu d’une charge statique, on considère la circulation d’un courant (charges électriques en mouvement) ? Que se passe-t-il au voisinage de ce courant, par exemple sur une autre charge électrique ponctuelle ?

La « décroissance en 1/r² »

Les personnes travaillant à l’installation ou à la réparation des antennes relais ont pour consigne de ne pas rester face à l’antenne plus de quelques dizaines de secondes d’affilée si l’antenne est branchée. Cette consigne est motivée par des arguments de sécurité pour l’ouvrier.

En apprenant cela, beaucoup de personnes en déduisent qu’il y a donc un danger reconnu des antennes relais, et que le principe de précaution devrait donc conduire à les interdire. Cette conclusion repose pourtant sur une erreur d’estimation : il est effectivement dangereux de se tenir à 1 cm ou 10 cm de l’antenne relais… mais pas à 10 m. La puissance des ondes que l’on reçoit en provenance des antennes décroît en effet en raison du carré de la distance, si bien qu’en passant de 10 cm à 10 m, par exemple, on diminue cette puissance d’un facteur 10000 (100²).

Comme l’intuition a peu de prise sur ces nombres, une image est sans doute préférable : imaginez donc un feu de cheminée. Si vous placez votre main à 1 cm des flammes pendant une minute, le risque est énorme. À 10 cm, vous risquez encore une brûlure importante. Mais à 2 mètres du foyer il n’existe plus aucun risque. Et à 10 mètres, il vous sera impossible de détecter la présence des flammes.

La réduction rapide de la puissance avec la distance à l’émetteur permet ainsi de comprendre comment il peut être très dangereux à quelques centimètres, et pas du tout à quelques mètres.

D’autre part, exactement comme pour le feu, les effets de l’énergie que l’on reçoit ne s’accumulent pas : ainsi, passer 10 000 minutes (environ une semaine) à un mètre du feu n’est pas du tout équivalent – bien que la quantité d’énergie totale soit la même – que de passer 1 minute à un centimètre du feu. De la même manière, on ne peut pas considérer a priori que la durée pendant laquelle nous recevons les ondes des antennes relais compense la distance.

C’est peut-être pourquoi les études soupçonnant un effet nocif des téléphones portables ne citent que l’utilisation du portable lui-même, qui émet des ondes très faibles, mais à proximité immédiate de l’oreille.

Nicolas Gauvrit

Une particule électrique en mouvement produit autour d’elle un champ magnétique. Une autre force va alors venir s’ajouter à la force décrite précédemment, force qui va dépendre de la vitesse des charges en mouvement et appelée force magnétique.

Les ondes électromagnétiques

Le champ électrique et le champ magnétique constituent un ensemble appelé champ électromagnétique (ou onde électromagnétique) dont les vecteurs sont liés par les équations de Maxwell au plan microscopique.

La résolution de ces équations en fonction des structures rayonnantes, des répartitions de courant sur les structures et de la connaissance de l’environnement permet d’établir les conditions de propagation des ondes en tout point de l’espace.

Si le courant circulant sur le conducteur varie en fonction du temps et est sinusoïdal, l’amplitude des champs électrique et magnétique induits variera de la même façon à la même fréquence. La résolution des équations de Maxwell montre que le champ électromagnétique se propage en ondes sphériques (comme les ronds dans l’eau) autour de la structure conductrice avec une vitesse finie, la vitesse de la lumière lorsque le circuit est dans l’air. On va ainsi définir la longueur d’onde d’un champ électromagnétique.

Différents types d’ondes électromagnétiques

Les conducteurs parcourus par des courants variant en fonction du temps rayonnent donc un champ électromagnétique, intentionnellement ou non intentionnellement.
- Dans le premier cas, ces conducteurs sont des antennes qui émettent de l’énergie électromagnétique afin d’établir des communications sans fil avec des récepteurs radioélectriques. Les antennes ont diverses formes suivant les fréquences utilisées et les applications associées (radiodiffusion, télévision, communications avec les mobiles, faisceaux hertziens, stations de réception par satellite, réseaux locaux radio comme Wifi ou Wimax, antennes de radioamateurs, téléphones domestiques sans fil etc.).
- Dans le second cas, ce sont des conducteurs parcourus par des courants alimentant des circuits électriques ou électroniques. Pratiquement, tout conducteur ou appareil électrique ou électronique actuel est une source de rayonnement électromagnétique non intentionnel dès lors que circule un courant variable dans le temps.

On fait beaucoup de cas des lignes à très haute tension qui produisent des champs électromagnétiques à 50 Hz. Mais ce sont loin d’être les seules sources de champ électromagnétique non intentionnel, car il suffit de prendre des appareils électroménagers ou électroniques, ou un moteur de voiture, pour se rendre compte que ceux-ci peuvent produire des champs électromagnétiques, non seulement à 50 Hz mais parfois dans d’autres bandes de fréquences. Toutefois, les niveaux de champs rayonnés sont extrêmement variables suivant les types ou les marques d’appareils, en général assez faibles en regard des questions d’exposition des personnes, mais dans certains cas suffisants pour brouiller des récepteurs radioélectriques (fours à micro-ondes, lampes à basse consommation, aspirateurs etc.).

Quoi qu’il en soit, il faut bien distinguer les fréquences mises en jeu, et c’est parfois une question particulièrement délicate lorsqu’il y a à la fois de très basses fréquences (50 Hz et ses harmoniques) et des fréquences plus élevées, dans le spectre radioélectrique, qu’on ne peut distinguer qu’avec des appareils spécialisés comme l’analyseur de spectre ou de signaux.

Propriétés des champs électromagnétiques

De façon générale, les propriétés du champ électromagnétique diffèrent beaucoup en fonction de la distance à la source de rayonnement, de la longueur d’onde, des caractéristiques de la structure rayonnante et de l’environnement.

On distingue trois zones autour d’une source d’émission ou d’une structure rayonnante :
- La zone de champ très proche réactif (située à une fraction de la longueur d’onde de la source, généralement entourant immédiatement la source ou la structure rayonnante) appelée zone d’évanescence ou de Rayleigh. L’onde électromagnétique n’est pas formée dans cette région. Il n’y a pas de relation simple entre les deux champs électrique et magnétique. Le seul cas de proximité en zone de champ très proche pour les personnes est le téléphone portable où l’antenne se trouve à très faible distance de la tête ou du corps. C’est un cas où la mesure du débit d’absorption spécifique est plus pertinente que la seule mesure du champ électromagnétique extérieur.
- La zone de transition, ou région de Fresnel, qui assure la transition entre la zone de Rayleigh et la zone suivante, appelée zone de champ lointain. Dans cet espace, situé un peu plus loin autour de la structure rayonnante, le phénomène de propagation commence à apparaître mais on dit que l’onde n’est pas encore formée.
- Enfin, la zone de champ lointain, ou région de Fraunhofer, où les propriétés du champ électromagnétique sont bien établies et où apparaissent les phénomènes classiques de propagation des ondes électromagnétiques. Cette région se situe généralement à plusieurs longueurs d’onde du périmètre de la structure avec un champ électromagnétique dont l’amplitude des vecteurs champ électrique et magnétique diminue lorsque la distance à l’antenne augmente, et s’annule à l’infini.

Rayonnements ionisants et rayonnements non ionisants

La longueur d’onde et la fréquence déterminent une autre caractéristique importante des champs électromagnétiques, à savoir que les ondes électromagnétiques sont transportées par des « particules » (ou « grains d’énergie ») appelées quanta. Les quanta associés aux ondes de haute fréquence (ou de courte longueur d’onde) véhiculent davantage d’énergie que ceux qui sont associés aux ondes de basse fréquence (ou de grande longueur d’onde). Pour certains rayonnements électromagnétiques, le quantum d’énergie est tellement élevé que ces ondes sont capables de briser les liaisons intra et intermoléculaires. Parmi les rayonnements qui composent le spectre électromagnétique, les rayons gamma émis par les substances radioactives, les rayons cosmiques et les rayons X possèdent cette propriété et sont appelés « rayonnements ionisants ». Les rayonnements qui ne sont pas suffisamment énergétiques pour rompre les liaisons intramoléculaires sont dits « non ionisants ». Les champs électromagnétiques d’origine humaine qui résultent, pour une part importante, de l’activité industrielle (électricité, hyperfréquences et radiofréquences) engendrent des rayonnements qui correspondent à la région du spectre électromagnétique où la fréquence est relativement basse, c’est-à-dire du côté des grandes longueurs d’onde et les quanta d’énergie qu’ils transportent sont incapables de provoquer la rupture des liaisons chimiques.

Source : site de l’OMS. http://www.who.int/peh-emf/about/Wh...

La réglementation des ondes électromagnétiques

Lorsqu’il y a émission intentionnelle de signaux à fréquence radioélectrique, cette émission ne peut se faire que dans un cadre réglementaire bien défini et dépend très fortement du service radioélectrique concerné. Au plan international, c’est l’Union Internationale des Télécommunications (U.I.T.) qui assure la réglementation mondiale à travers un document fondamental appelé Règlement des Radiocommunications applicable comme référence au plan international.

Au préalable et par convention, l’U.I.T. a défini le spectre radioélectrique comme l’ensemble des fréquences utilisables entre 9 kHz et 3000 GHz et les ondes hertziennes comme des ondes électromagnétiques utilisant ces fréquences et se propageant dans l’espace.

Le spectre radioélectrique est un sous-ensemble du spectre électromagnétique qui couvre toutes les fréquences jusqu’aux fréquences des rayons gamma en passant par le rayonnement infrarouge, le rayonnement visible, et les rayons X. Dans le spectre radioélectrique, des bandes de fréquences sont affectées à des services, soit au plan mondial (par exemple, dans l’aéronautique, pour les radiocommunications ou la radio navigation), soit au plan régional (Europe, Amérique du Nord ou du Sud, Asie, Afrique, Océanie), parfois spécifiquement au plan national.

On distingue un assez grand nombre de services radioélectriques comme par exemple, le service de radiodiffusion qui comprend la radiodiffusion sonore et télévisuelle, le service mobile qui se décline en services mobiles aéronautique, terrestre, maritime, par satellite etc., le service fixe qui correspond à des liaisons de radiocommunications entre points fixes (exemple : faisceaux hertziens), le service de radiolocalisation, le service de radionavigation, le service de radioastronomie, le service de recherche spatiale, le service de radioamateur etc.

En France, ces services sont liés à des « affectataires » du spectre radioélectrique qui ont en charge de gérer les affectations de bandes de fréquences sous leur responsabilité, comme l’Autorité de Régulation des Communications Électroniques et de la Poste (ARCEP) qui a, entre autres, la responsabilité des principales bandes de fréquences dédiées aux opérateurs de réseaux de téléphonie cellulaire (GSM, UMTS, Wimax, Wifi etc.), le Conseil Supérieur de l’Audiovisuel (CSA) qui gère les bandes de fréquences pour l’audiovisuel (Radiodiffusion et TV), le Ministère de la Défense pour toutes les bandes de fréquences utilisées par les armées, le Ministère de l’Intérieur pour les bandes de fréquences des réseaux de la police et des réseaux des pompiers, etc.

La majorité des utilisations classiques des radiocommunications se situent entre 150 kHz et 100 GHz, avec une très forte concentration entre 150 kHz et quelques dizaines de GHz. L’Agence Nationale des Fréquences1 (ANFR) publie le « Tableau National de répartition des bandes de fréquences » qui présente la répartition des fréquences par service radioélectrique de fréquence et les affectataires en charge des bandes de fréquences.

On trouve donc un nombre très important de sites d’émission/réception radioélectrique relevant des différents services. Aujourd’hui, les sites de radiotéléphonie mobile (GSM, UMTS) et de réseaux locaux radioélectriques (WiFi, Wimax) soulèvent des interrogations dans le public alors que les niveaux d’exposition de la population induits par ces sites sont généralement plus faibles que ceux induits par la proximité des terminaux mobiles ou ceux d’autres services radioélectriques. En réalité, c’est un calcul de densité surfacique de puissance ou du champ électromagnétique en zone de Fraunhofer qui devrait permettre l’évaluation de l’exposition par service radioélectrique ou par source d’émission radiofréquence. L’ANFR par son protocole mis en place en 2001, basé sur des mesures de champ et encore amélioré depuis, tend à faire réaliser des évaluations aussi précises que possible de l’exposition du public à des sources d’émission radioélectriques fixes malgré les difficultés multiples liées à la fois aux techniques de mesure de champ électromagnétique et à la variété des signaux complexes rayonnés par les nouvelles technologies radioélectriques.

Ces mesures sont extrapolées afin de prévoir les maxima possibles en termes d’exposition du public. L’existence d’une norme européenne (NF EN 50492. – Norme de base pour la mesure du champ électromagnétique sur site, en relation avec l’exposition du corps humain à proximité des stations de base) homologuée par l’Union Technique de l’Électricité (UTE) depuis le 17 janvier 2009, applicable fin 2009, issue de compromis au plan européen, n’enlève rien à la qualité du protocole ANFR actuel qui permet une détermination de l’exposition par service ou même par site d’émission (GSM, UMTS) avec une extrapolation au maximum de trafic.

Champs électromagnétiques pulsés

Les émissions radioélectriques intentionnelles servent soit à transmettre de l’information (radiocommunications), soit à la radiodétection (radar par exemple). Elles s’appuient en général sur une fréquence fondamentale ou fréquence centrale autorisée réglementairement (appelée porteuse radioélectrique).

Historiquement, la radiodétection classique consiste à effectuer une émission tout ou rien, c’est-à-dire qu’on émet pendant un temps très bref de quelques microsecondes cette porteuse, puis qu’on arrête cette émission pendant un temps assez long de plusieurs millisecondes pour écouter des signaux en retour sur la même fréquence, permettant d’identifier la présence et la distance d’un objet réfléchissant, avant de recommencer à émettre. Il y a donc création de champs radioélectriques pulsés issus des antennes radars de radiodétection classique.

Pour les radiocommunications, l’information fait partie du signal radiofréquence par la technique de modulation associée à la technique d’accès, c’est-à-dire à la façon dont l’utilisateur va avoir accès à la ressource radioélectrique. Les techniques fondamentales de modulation sont la modulation d’amplitude, la modulation de fréquence et la modulation de phase. La combinaison de ces modulations est utilisée pour les communications numériques où l’on définit des états de phase et/ou d’amplitude. Les techniques d’accès ont pour but d’optimiser l’utilisation des fréquences radioélectriques compte tenu des aspects réglementaires contraignants en terme d’utilisation du spectre radioélectrique.

Une des techniques d’accès classique est celle relative au GSM appelée TDMA en anglais ou AMRT en français (Accès Multiple par Répartition dans le Temps), ce qui signifie que la fréquence d’émission est utilisée en temps partagé entre les utilisateurs d’une même cellule. Le téléphone n’émet donc que pendant une certaine laps de temps (577 microsecondes) et ne réémet en général au plus tôt que 4,6 millisecondes plus tard ce même intervalle de temps, la voix étant numérisée. On a donc dans ce cas une émission non permanente et répétitive pendant la durée de la communication.

Champs électromagnétiques directionnels

On parle d’antennes directionnelles ou directives par opposition à des antennes omnidirectionnelles ou isotropes. Une antenne isotrope est une antenne rayonnant le champ électromagnétique de la même façon dans toutes les directions de l’espace (rayonnement à symétrie sphérique). Bien que servant de référence à de nombreux calculs, une antenne isotrope parfaite n’a malheureusement pas de réalité physique.

Par contre, une antenne omnidirectionnelle a une réalité physique et rayonne de façon identique dans un plan perpendiculaire à son axe. Son rayonnement est donc à symétrie cylindrique ou axiale. Une antenne de téléphone portable est souvent omnidirectionnelle.

Enfin, on dit qu’une antenne est directive lorsqu’elle rayonne de façon privilégiée dans une direction ou un secteur de l’espace. Les antennes de stations de base GSM ou UMTS sont souvent directives dans le plan horizontal (antennes trisectorielles) et systématiquement directives et légèrement inclinées (on dit souvent « tiltées ») dans le plan vertical de façon à ne pas générer de champ important sous les antennes à faible distance mais de pouvoir porter correctement dans la cellule qu’elles desservent.

Les différentes classes de rayonnement

Sont regroupées sous le terme rayonnements non ionisants (RNI) toutes les ondes dont l’énergie n’est pas suffisante pour rompre les liaisons moléculaires par un phénomène d’ionisation à l’origine notamment d’effets mutagènes et cancérigènes. Notons que les rayons UV sont classés dans ce groupe mais se trouvent à la limite ionisant/non ionisant.

On parle communément en fréquence (Hz, kilohertz, mégahertz, gigahertz...) jusqu’aux micro-ondes les plus élevées (environ 300 GHz) puis ensuite en longueur d’onde (km, mètre, cm, mm). La longueur d’onde et la fréquence sont inversement proportionnelles.

Préfixes utilisés : k = kilo = 103, M = méga = 106, G = giga = 109, T = téra = 1012, P = péta = 1015, E = exa = 1018, m = milli = 10-3, µ = micro = 10-6, n = nano = 10-9, p = pico = 10-12.

Les rayonnements électromagnétiques dont la longueur d’onde est comprise entre 400 et 750 nm sont perceptibles par l’œil humain. Si l’intensité énergétique est suffisante, les différentes longueurs d’onde sont perçues comme des couleurs différentes, du rouge (600-750 nm) au violet (400-450 nm).

Mis en ligne le 24 mai 2009
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