HYPERFREQUENCES ELECTROMAGNETIQUES ET CERVEAU

LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES NON IONISANTES 

Généralités sur les champs électromagnétiques 

Tout transport ou utilisation de l’énergie électrique produit un champ électrique et un champ magnétique. Le champ électrique est lié à la présence de charges électriques tandis que le champ magnétique résulte du déplacement de ces charges. Un champ électromagnétique est l’association de ces deux composantes. Les champs sont orthogonaux, en phase, se propagent dans l’espace et varient dans le temps. L’impédance des champs est constante et vaut 377 Ohms (en champ lointain). Le spectre électromagnétique peut être divisé en deux entités principales: – Les radiations ionisantes, dont l’énergie est suffisante pour arracher des électrons à la matière ; c’est le cas des rayons X ou des rayons γ. – Les radiations non ionisantes, dont l’énergie est insuffisante pour avoir une ionisation directe ; c’est le cas des champs hyperfréquences. Figure 1 : Représentation d’une onde électromagnétique (Oscillation couplée du champ électrique E et du champ magnétique B: modèle du dipôle vibrant. Les plans de propagation des deux composantes sont orthogonaux) Les champs HF ou microondes sont des radiations électromagnétiques non ionisantes. Leur fréquence est comprise entre 300 MHz et 300 GHz. Ces hyperfréquences peuvent être divisées en trois bandes: – les ultra-hautes fréquences (UHF): 300 MHz à 3 GHz – les super-hautes fréquences (SHF): 3 GHz à 30 GHz – les très hautes fréquences (EHF): 30 GHz à 300 GHz 

Bases et applications des champs électromagnétiques 

Les OEM sont caractérisées par plusieurs paramètres physiques dont les principaux sont: leur fréquence ou leur longueur d’onde, leur intensité et leur puissance.

 Rappel des unités et constantes physiques

 Pour évaluer, caractériser et apprécier les champs électromagnétiques, plusieurs unités internationales et constantes physiques ont été déterminées. Tableau 1 : Tableau des grandeurs et unités du système international Quantité Symbole Unité Abréviation Intensité de champ électrique E Volt par mètre V/m Conductivité électrique σ Siemens par mètre S/m Fréquence f ou ν Hertz S -1 ou Hz Intensité de champ magnétique H Ampère par mètre A/m Densité de flux magnétiques B Tesla (8.105 A/m) T Perméabilité μ Henry par mètre H/m Permittivité ε Farad par mètre F/m Densité de puissance S Watt par mètre W/m2 Débit d’absorption spécifique DAS Watt par kilogramme W/kg Longueur d’onde λ Mètre M Tableau 2 : Constantes physiques usuelles Constante physique Symbole Valeur Vitesse de la lumière c 2,997.10.8 m/s Permittivité dans le vide ε0 8,854.10-12 F/m Perméabilité dans le vide μ0 4π.10-7 H/m Impédance dans le vide Z0 120 π ou 377 Ω Constante de Planck h 6,62.10-34 J.s

 Fréquence et longueur d’onde 

La fréquence d’une onde électromagnétique est le nombre d’oscillations du champ par seconde. Elle s’exprime en Hertz (Hz) ou cycles par seconde et s’étend de zéro à l’infini. La fréquence (ν) et la longueur d’onde (λ) sont liées par la formule : λ = c/ν (c étant la vitesse de propagation de l’onde dans le vide, approximativement 3.108 m/s). Les fréquences concernées par les microondes se trouvant dans la bande 300 MHz – 300 GHz, leurs longueurs d’onde varient respectivement de 1 millimètre à 1 micromètre. 6 | P a g e Les propriétés physiques ainsi que le domaine d’application des ondes électromagnétiques dépendent également de leurs fréquences. Ainsi, à chaque fréquence est associé un photon d’énergie E = h.ν (h étant la constante de Planck, h = 6,62.10-34 J.s). Tableau 3 : Classification des fréquences du spectre électromagnétique Fréquence / longueur d’onde Gamme Exemple d’applications 0 Hz Champs statiques Electricité statique 50 Hz Très basses fréquences Ligne électrique et courant domestique 20 KHz Fréquences intermédiaires Ecran vidéo, plaque culinaire à induction 88-107 KHz Radiofréquences Radiodiffusion FM 300 MHz- 300 GHz Hyperfréquences ou microondes  .

 Intensité et puissance 

Pour les fréquences HF, l’intensité d’un champ électromagnétique peut être appréhendée soit à partir du champ électrique, soit à partir du champ magnétique. Le champ électrique s’exprime en V/m et le champ magnétique en A/m ou en Tesla (1 A/m = 1,27 μT). La puissance globale d’un champ électromagnétique s’exprime en Watt (W). De ces valeurs de champ, il est possible de déterminer la densité surfacique de puissance (la DSP). La DSP correspond à la puissance traversant une surface de 1 m² et s’exprime en W/m². Elle est égale au produit du champ électrique E et du champ magnétique H et est donnée pour une onde plane par la formule suivante: DSP = E x H = E² / 377 = 377 x H². Il est important de noter que lors d’une émission impulsionnelle, la puissance maximale, dite puissance crête, diffère de la puissance moyenne résultant de la modulation. Dans une émission type radar avec des impulsions d’une durée de 1 μs toutes les 1 ms, la puissance moyenne est mille fois plus faible que la puissance crête. 1.2. Interactions des champs hyperfréquences avec les systèmes biologiques De façon générale, les rayons X et γ possèdent suffisamment d’énergie pour rompre les liaisons moléculaires. Les rayonnements ultraviolets, visibles et infrarouges peuvent eux, modifier les niveaux d’énergie au sein d’une molécule. Cependant, les rayonnements microondes ne possèdent pas suffisamment d’énergie pour rompre les liaisons moléculaires. Ces champs HF peuvent déplacer des charges électriques ou orienter des molécules polarisées. Les systèmes biologiques riches en ions et molécules polaires sont donc susceptibles d’être fortement perturbés par ces interactions. Le système nerveux, en raison du rôle capital de ses protéines membranaires neuro-gliales polarisées, paraît ainsi particulièrement vulnérable. 

Pénétration des ondes HF dans un système biologique 

Lorsqu’un tissu biologique est soumis à un champ HF, seule une partie du champ est absorbée par le système, l’autre étant réfléchie ou transmise. C’est cette partie absorbée qu’il est important de quantifier et qui a priori peut être à l’origine d’effets biologiques. Plusieurs paramètres conditionnent ces interactions. Le rayonnement qui pénètre dans le tissu est absorbé plus ou moins rapidement en fonction des constantes diélectriques (permittivité) de la matière traversée ainsi que de la longueur d’onde du rayonnement. Plus la longueur d’onde est grande, plus l’onde pénètre; plus le tissu a une conductivité électrique importante plus l’onde est réfléchie et moins elle se propage dans le système. 8 | P a g e Cependant, l’absorption dépend également des dimensions et de l’orientation du grand axe du système par rapport au champ électrique. L’énergie électromagnétique est ainsi préférentiellement absorbée pour certaines fréquences, les fréquences de résonance. Pour ces fréquences, la longueur d’onde du champ HF et la longueur du système sont égales ou multiples. Cette particularité est responsable de la sensibilité préférentielle de certains organes pour certaines fréquences. Ainsi, dans l’organisme, rétine et cristallin seront plus sensibles à un champ de 9 GHz, les organes creux tel que l’estomac ou l’intestin grêle à un champ de 3 GHz. Figure 3 : Pénétration des OEM en fonction de leur fréquence (Adaptée d’après R. Santini) Quand le champ HF a pénétré dans l’organisme, l’hétérogénéité et la structure des tissus rendent le comportement de l’onde complexe. Il est alors possible d’observer des points chauds suite à la focalisation ou à la réflexion du champ. 

Effets biologiques

 Les interactions des champs HF avec les systèmes biologiques peuvent induire des effets potentiellement délétères pour l’organisme. Il est possible de différencier trois grandes catégories d’effets biologiques: les effets thermiques, les effets non thermiques et les effets indirects. La prévalence d’un type d’effet par rapport aux autres dépend de la puissance, mais également de la fréquence du champ électromagnétique.

Les effets thermiques

 Les effets thermiques résultent directement de la dissipation de l’énergie électromagnétique sous forme de chaleur au cours de son absorption à l’intérieur de la matière. Ces effets thermiques sont directement liés à la quantité d’énergie dissipée dans l’organisme, ils apparaissent pour des densités de puissance importantes, supérieures ou égales à 500 W/m². L’échauffement résultant peut être général et provoquer une hyperthermie. Mais le plus souvent, il est localisé à certains organes, induisant alors des lésions spécifiques sur ceux-ci. Les anomalies causées par l’augmentation de la température peuvent être: la coagulation des protéines (pouvant conduire à des altérations de fonction membranaire, des perturbations d’activités cellulaires, etc.), une hypoactivité ou une hyperactivité cellulaire (par exemple neuronale, pouvant favoriser une excitotoxicité). De plus, les rayonnements HF, de par leur capacité de pénétration, peuvent induire une thermogenèse profonde. Cette particularité peut entraîner un retard dans la perception des brûlures. 

Les effets non thermiques 

Les effets non thermiques sont des effets observés alors que la quantité d’énergie absorbée est trop faible pour induire une élévation de la température dans les tissus exposés. Il faut préciser cependant que dans les cas où la température ne s’élève pas en raison de la mise en jeu de la thermorégulation, les effets observés ne sont pas considérés comme des effets non thermiques. En pratique, on considère comme effets non thermiques ou spécifiques, les effets observés à des puissances inférieures à 500 W/m². Ils deviennent manifestes généralement suite à des expositions chroniques. Contrairement aux effets thermiques, ces effets sont sources de nombreuses controverses. De plus, leurs mécanismes sont encore méconnus et semblent pluriels. Les hypothèses explicatives évoquent des micro-échauffements locaux, des changements de conformation moléculaire, des perturbations enzymatiques et des modifications de répartition ionique. Il existe un grand nombre d’effets non thermiques décrits tels que des perturbations oncogènes, des troubles endocriniens, ou encore des modifications immunologiques et neurobiologiques. Ces effets peuvent être potentialisateurs de ceux d’autres agents agressifs. A ce jour, les effets non thermiques demeurent un réel problème de santé publique de par l’omniprésence des champs de microondes de faible puissance. Mais, leurs conséquences nuisibles restent très controversées.