Die immer intensivere

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1 DI Gernot Schmid Austrian Research Centers GmbH Niederfrequente und hochfrequente elektromagnetische Felder in Innenräumen Quellen, Messung und typische Werte Die immer intensivere Nutzung elektrischer und elektronischer Geräte im Alltag führt naturgemäß auch zur Zunahme der Exposition von Personen gegenüber niederfrequenten (NF) elektrischen und magnetischen und hochfrequenten (HF) elektromagnetischen Feldern (EMF). Da eine zu starke Exposition gegenüber EMFs zu gesundheitlich nachteiligen Effekten führen kann, kommt der Identifi zierung von relevanten EMF- Quellen und der zuverlässigen und physikalisch korrekten Erfassung der von ihnen erzeugten Immissionen große Bedeutung zu. Die Vielzahl unterschiedlicher Geräte und Anwendungen bzw. Technologien führt zu ebenso unterschiedlichen Immissionen, nicht nur hinsichtlich der Intensität der Immissionsgröße, sondern auch hinsichtlich weiterer, für biologische Auswirkungen möglicherweise relevanter physikalischer Eigenschaften (Frequenz, Polarisation und Zeitverlauf). Abbildung 1 zeigt zunächst überblicksartig und schematisch die wichtigsten EMF-Quellen des gegenwärtigen Alltags und die Zuordnung ihrer Immissionen hinsichtlich der Lage im elektromagnetischen Frequenzspektrum. Abbildung 1 Der Begriff elektromagnetische Strahlung bzw. elektromagnetische Felder (EMF) wird hier auf den Frequenzbereich unterhalb der optischen Strahlung eingeschränkt. Obwohl der Übergang zwischen Hochfrequenz und Optik in der Realität natürlich kontinuierlich ist, wird als formale Grenze meist eine Frequenz von 300 GHz angesehen. Im Hinblick auf den Schutz der Allgemeinbevölkerung vor zu hoher Exposition durch EMFs ist gegenwärtig jedoch nur der Frequenzbereich unterhalb von ca. 10 GHz relevant, da oberhalb von 10 GHz derzeit praktisch keine technischen Anwendungen existieren, die in für die Allgemeinbevölkerung zugänglichen Bereichen zu nennenswerten Immissionen führen. Quellen niederfrequenter elektrischer (E-) und magnetischer (H-) Felder Unter Niederfrequenz wird im europäischen Raum üblicherweise der Frequenzbereich bis 30 khz verstanden. Wie zwischen Hochfrequenz und Optik ist naturgemäß auch der Übergang zwischen Niederfrequenz und Hochfrequenz fl ießend. Aus physikalischer (messtechnischer) Sicht ist eine Unterscheidung dieser beiden Bereiche insofern sinnvoll, als im niederfrequenten Fall in der Praxis üblicherweise von einer vollständigen Entkopplung von elektrischer und magnetischer Feldkomponente ausgegangen werden kann. Auch wenn, streng physikalisch genommen, der Grad dieser Entkopplung im Allgemeinen neben der Frequenz von einer Reihe weiterer Systemparameter abhängt 1, kann für praktisch übliche Anwendungen im Niederfrequenzbereich (insbesondere bei 50 Hz und darunter) die vollständige Entkopplung von elektrischer und magnetischer Feldkomponente vorausgesetzt werden. Als Quellen niederfrequenter elektrischer Felder wirken demnach alle Objekte, zwischen denen eine elektrische Potenzialdifferenz (=elektrische Spannung) be steht, wobei das elektrische Feld dabei nicht nur auf den Raumbereich zwischen den genannten Objekten beschränkt bleibt, sondern teilweise als so genanntes elektrisches Streufeld auch außerhalb dieses Raumbereichs noch bemerkbar ist. Beispiele dafür sind alle elektrischen Felder, wie sie in unmittelbarer Nähe aller Elektrogeräte, in der Nähe von Steckdosen und entlang von Anschlusskabeln und 1 Unter System ist hier die Gesamtheit aller für die Feldausbreitung relevanten Strukturen zu verstehen (z.b. Leitungslängen, Materialeigenschaften, usw.) Elektromagnetische Felder in Innenräumen 7

2 DI Gernot Schmid Niederfrequente und hochfrequente elektromagnetische Felder in Innenräumen Installationsleitungen nachweisbar sind. Für das Auftreten elektrischer Felder ist allein das Vorhandensein einer Potentialdifferenz entscheidend, d.h., auch wenn ein Gerät nicht eingeschaltet, sondern nur an einer (unter Spannung stehenden) Steckdose angesteckt ist, tritt in der Nähe des Gerätes, zumindest entlang der Zuleitung, ein elektrisches Feld auf. Als Quellen elektrischer Felder in typischer Haushaltsumgebung müssen daher die gesamte Hausinstallation und alle an sie angeschlossenen Elektrogeräte angesehen werden. Entscheidend für die Frage der Exposition durch niederfrequente elektrische Felder ist jedoch, 1. dass die Intensität der von typischen Haushaltsgeräten/Leitungen verursachten elektrischen Felder vergleichsweise gering ist 2. dass die Intensität der elektrischen Felder stark mit der Entfernung zu den Geräten/Leitungen abnimmt 3. dass niederfrequente elektrische Felder sehr leicht abschirmbar sind, sie durchdringen z.b. Mauern praktisch nicht bzw. nur sehr stark abgeschwächt 4. dass niederfrequente elektrische Felder nur sehr stark abgeschwächt in den menschlichen Körper eindringen, da sie bereits an der Hautoberfl äche durch Ladungsumverteilung großteils kompensiert werden. Allein die ersten drei genannten Punkte führen dazu, dass die im Rahmen von Immissionsmessungen erhobenen elektrischen Feldstärken in Innenräumen üblicherweise weit unterhalb der gegenwärtig anerkannten Grenzwerte liegen. Elektrische Feldstärken nahe den Grenzwerten treten praktisch nur in unmittelbarer Nähe von Hochspannungsanlagen (in Kraftwerken, Umspannwerken, direkt unter Hochspannungstrassen) auf. Als Quellen niederfrequenter magnetischer Felder sind alle elektrischen Ströme anzusehen. Sobald elektrischer Strom fl ießt (d.h. ein Gerät eingeschaltet ist) entsteht auch ein magnetisches Feld in der Umgebung der Strom führenden Leiter. Grundsätzlich ist die Intensität des erzeugten Magnetfeldes direkt mit der Stärke des elektrischen Stromes verknüpft. D.h. für eine gegebene Situation (z.b. ein Geräteanschlusskabel) ist das erzeugte Magnetfeld umso stärker, je größer die elektrische Stromstärke ist. Allerdings kommt es nicht nur auf die Größe des fl ießenden Stromes an, sondern auch auf die räumliche Lage aller Strom führenden Leiter zueinander und der Flussrichtung der in diesen Leitern fl ießenden elektrischen Ströme. Magnetische Felder entlang von Kabeln und Leitungen, bei denen Hin- und Rückleiter parallel und eng benachbart geführt sind (wie bei praktisch allen Geräteanschlusskabeln) sind vergleichsweise gering, da die vom hinfl ießenden Strom und vom zurückfl ießenden Strom erzeugten Magnetfelder gleich stark, aber entgegengesetzt gerichtet sind. Durch die enge und parallele Lage von Hin- und Rückleiter kommt es dadurch zu einem Kompensationseffekt der beiden Magnetfeldkomponenten, so dass das resultierende magnetische Streufeld außen entlang der Leitung sehr gering ist. Abbildung 2 verdeutlicht diese kompensatorische Wirkung und zeigt beispielhaft die magnetische Flussdichte in der Nähe von Zuleitungen zu Niedervolt- Halogenleuchten und klassischen 230 V-Beleuchtungskörpern. Aufgrund der geringeren Spannung und der dadurch bei gleicher Leistung erforderlichen fünffachen Stromstärke sowie des wesentlich größeren Abstandes zwischen Hin- und Rückleiter ergeben sich nahe der Niedervolt-Halogeninstallation viel größere magnetische Flussdichten als in der Nähe der 230 V Installation. Stärkere magnetische Streufelder ergeben sich in der Nähe von Spulen und Wicklungen, wie sie beispielsweise in Elektromotoren (z.b. Bohrmaschine, Waschmaschine, Mixer, Fön, usw.), Netztrafos und Netzgeräten und Abbildung 2: Abhängigkeit der magnetischen Flussdichte von der Entfernung zu Zweidrahtleitungen quer zum Leitungsverlauf, 4 cm unterhalb der Leitungen. Links: Abhängigkeit vom Abstand der Strom führenden Einzelleiter für eine konstante Stromstärke von 0,26 Ampere; rechts: Vergleich der Flussdichteverläufe für Zuleitungen zu einer Niedervolt-Halogenbeleuchtung und einer 230 V-Glühbirne. Die Niedervolt-Installation führt zu deutlich höheren magnetischen Flussdichten, da einerseits bei gleicher Leistung aufgrund der geringeren Spannung der fünffache Strom erforderlich ist und andererseits der Abstand zwischen Hin- und Rückleiter viel größer ist als bei einem üblichen Kabel (Mantelleitung). 8 Elektromagnetische Felder in Innenräumen

3 Niederfrequente und hochfrequente elektromagnetische Felder in Innenräumen DI Gernot Schmid teilweise auch bei elektrischen Heizgeräten (z.b. E-Herd, elektrische Fußbodenheizungen, usw.) eingesetzt werden. Die sich schlussendlich in der Umgebung solcher Geräte einstellenden Magnetfelder hängen gemäß dem oben Erwähnten in komplexer Weise von der Stärke des fl ießenden Stromes (und damit von der Leistung des Gerätes) und von der Anordnung der Strom führenden Leiter im Gerät ab. Aus der Abhängigkeit der Magnetfeldintensität von der Größe des Stromes folgt auch die Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand eines Gerätes. Ein Elektromotor (z.b. in einer Bohrmaschine) im Leerlauf wird wesentlich weniger Magnetfeld in seiner Umgebung erzeugen als unter Last (z.b. Bohren in Beton). Grundsätzlich gilt auch hier, wie im Fall des elektrischen Feldes, dass das erzeugte Magnetfeld mit zunehmender Entfernung zur Quelle stark abnimmt. Anders als niederfrequente elektrische Felder lassen sich niederfrequente magnetische Felder allerdings nur sehr schwer abschirmen. Eine effektive Schirmung ist im Allgemeinen nur mit großem technischen Aufwand (Kompensationsspulen) bzw. unter Einsatz teurer Schirmmaterialien (Mu-Metall, Permalloy) zu erreichen. Weiters durchdringen niederfrequente magnetische Felder übliche Baumaterialien und auch den menschlichen Körper nahezu ungehindert und induzieren im gut elektrisch leitfähigen Gewebe elektrische Ströme, die begrenzt werden müssen, um gesundheitlich nachteilige Effekte zu vermeiden. Aus diesem Grund existieren, wie auch für elektrische Felder, Grenzwerte für niederfrequente Magnetfelder, bei deren Einhaltung eine gesundheitliche Gefährdung von Personen vermieden werden soll. Gemessen an praktisch anzutreffenden Intensitäten von elektrischen und magnetischen Immissionen stellen die Magnetfelder demnach die wesentlich relevantere Immissionsgröße dar. Die Quellen für relevante niederfrequente Magnetfeldimmissionen im Wohnbereich sind, wie oben bereits angedeutet, mannigfaltig und es kann keine pauschale Aussage darüber gemacht werden, welche Quellen die höchsten Immissionsbeiträge im Wohnbereich liefern. Dies ist stark von der jeweiligen Situation abhängig. Häufi g werden offensichtliche Quellen (Hochspannungsleitungen, Transformatoren, Haustechnikanlagen, Bahnstromleitungen, usw.) außerhalb der eigenen Wohnung als Hauptverursacher der Magnetfeldimmissionen in der Wohnung gesehen. Obwohl dies für einen (wahrscheinlich eher geringen) Anteil aller Wohnbereiche, die sich in unmittelbarer Nähe zu den genannten Quellen befi nden, tatsächlich zutreffen kann, sind für den weitaus überwiegenden Teil aller Wohnbereiche die Hauptverursacher niederfrequenter magnetischer Felder innerhalb der Wohnung zu suchen. Wenngleich das Ausmaß der durch Haushaltsgeräte, Hausinstallation, elektrischer Heizungsanlagen, usw. verursachten Magnetfeldimmissionen im Wohnbereich typischerweise relativ (zu den Grenzwerten) gering ist. Näheres dazu siehe unten. Quellen hochfrequenter elektromagnetischer Felder Anders als im Fall der Niederfrequenz kann bei hochfrequenten elektromagnetischen Feldern keine Entkopplung von elektrischer und magnetischer Feldkomponente vorausgesetzt werden, sondern es besteht vielmehr eine enge Verknüpfung zwischen diesen Größen. In unmittelbarer Nähe der Quellen hochfrequenter elektromagnetischer Felder, im so genannten Nahfeld, ist diese Verkopplung außerordentlich kompliziert und im Hinblick auf personenschutzbezogene Immissionen messtechnisch nur schwer zugänglich. In einiger Entfernung zu den Quellen, im so genannten Fernfeld sind die Verhältnisse üblicherweise etwas einfacher und es besteht eine einfache Beziehung zwischen elektrischer und magnetischer Feldkomponente, was es ermöglicht, aus der Messung der elektrischen Feldkomponente gleichzeitig auch auf die Größe der magnetischen Feldkomponente zurückzuschließen (und umgekehrt). Der Übergang zwischen Nahfeld und Fernfeld ist naturgemäß fl ießend und abhängig von den Quelleneigenschaften (Antenneneigenschaften). Für Anwendungen (Geräte) mit Sendeantennen, die kleiner oder gleich wie die Wellenlänge der ausgesendeten Strahlung sind, können Fernfeldbedingungen ab einer Distanz zu den Geräten von ca. 2 bis 3 Wellenlängen angenommen werden. Dies trifft für praktisch alle im Haushalt oder Büro eingesetzten Geräte der modernen Drahtloskommunikation zu (GSM, UMTS, WLAN, DECT, Bluetooth, usw.). Die Wellenlänge errechnet sich allgemein aus dem Quotienten aus der Vakuumlichtgeschwindigkeit (ca. 3*108 m/s) und der Frequenz der elektromagnetischen Welle. Für die wichtigsten Frequenzen der genannten Technologien von ca. 900 MHz, 1800 MHz und 2,45 GHz ergeben sich demnach Wellenlängen von ca. 33 cm, 17 cm und 12 cm. D.h., dass beispielsweise bei Betrachtung einer Basisstation eines DECT-Schnurlostelefons (ca MHz) ab einer Distanz von ca. 50 cm von Fernfeldbedingungen ausgegangen werden kann. Bei stationären Sendeanlagen (z.b. Mobilfunk-Basisstationen, Rundfunksender, usw.) mit Antennen, die wesentlich größer als die Wellenlänge sind, beginnt auch die Fernfeldzone erst in größerer Distanz zu den Antennen. Allerdings besteht für die Allgemeinbevölkerung keine Möglichkeit solchen Antennen beliebig nahe zu kommen, sodass im Fall der Erfassung von Immissionen durch stationäre Sendeanlagen im Wohn- bzw. Bürobereich ebenfalls Fernfeldbedingungen angenommen werden können. Konkret als Quellen hochfrequenter Immissionen in Innenräumen sind alle Funkanwendungen zu sehen, wobei man zwischen externen stationären Sendeanlagen (Rundfunk- und TV-Sender, Mobilfunk-Basisstationen, usw.) und Quellen im Inneren (Mobiltelefone, Funkgeräte, Funk-Fernsteuerungen, WLAN- und Bluetooth-Geräte, DECT-Schurlostelefon und zugehörige Basisstation, usw.) unterscheiden kann. Die genannten stationären Elektromagnetische Felder in Innenräumen 9

4 DI Gernot Schmid Niederfrequente und hochfrequente elektromagnetische Felder in Innenräumen Sendeanlagen senden naturgemäß mit wesentlich höherer Leistung als die angeführten, in Innenräumen betriebenen Benutzer-Endgeräte, allerdings ist die Entfernung zu den Antennen der stationären Sendeanlagen üblicherweise um mehrere Größenordnungen größer als jene zu den HF-Quellen im Innenraum, sodass auch hier keine pauschale Antwort auf die Frage gegeben werden kann, welche Feldquelle den höchsten Immissionsbeitrag liefert. Zudem stellen sich im Hinblick auf die Immissions- bzw. Expositionsbewertung im HF-Bereich weitere Probleme dar, die eine Beurteilung einer speziellen Immissions- bzw. Expositionssituation zu einer relativ komplexen Angelegenheit machen können: 1. Die räumliche Verteilung der Immissionsgröße (z.b. elektrische oder magnetische Feldstärke bzw. Strahlungsleistungsdichte) wird zufolge von Refl exionen, Mehrwegeausbreitung und Interferenz stark inhomogen sein. Es stellt sich im Allgemeinen eine komplizierte, dreidimensionale Verteilung von Intensitätsmaxima und Minima ein, wobei Unterschiede zwischen benachbarten Maxima und Minima mehrere Zehnerpotenzen betragen können (Abbildung 3). Die Distanz von einem Maxima zum nächsten kann dabei nur etwa eine halbe Wellenlänge betragen. D.h., bei Funkanwendungen im Frequenzbereich von ca. 1 GHz und höher sind starke Schwankungen der Immissionsgröße innerhalb sehr kleiner Raumbereiche möglich. 2. Die in Punkt 1 genannte inhomogene räumliche Feldverteilung kann nicht als zeitlich konstant angenommen werden, selbst wenn sich die Sendeantenne nicht bewegt. Grund dafür sind die Veränderungen im Feldraum. Vor allem bewegte metallische Objekte (z.b. Autos usw.) und bewegte, stark verlustbehaftete Objekte (z.b. Personen oder im Wind wogende Bäume) im Ausbreitungsweg der elektromagnetischen Wellen sind Gründe für diese zeitlichen Fluktuationen der räumlichen Feldverteilung. 3. Zusätzlich zu den zeitlichen Fluktuationen der räumlichen Feldverteilung zufolge zeitlich veränderlicher Ausbreitungsbedingungen sind die von Geräten bzw. Anlagen der modernen digitalen Mobilfunktechnologien (GSM, UMTS, DECT, WLAN, Bluetooth, WiMAX) abgestrahlten Signale zeitlich nicht kontinuierlich. D.h., die Abstrahlung von Sendeleistung erfolgt aufgrund der jeweils eingesetzten Übertragungsverfahren bzw. aufgrund von automatischen Sendeleistungsregelmechanismen mit variabler Amplitude bzw. in gepulster Form. 4. Weiters ist bei der Beurteilung der Exposition durch hochfrequente Strahlungsquellen zu unterscheiden, ob sich die exponierte Person in einiger Entfernung zur Quelle befi ndet, oder ob die Strahlungsquelle unmittelbar am Körper betrieben wird. Im letzteren Fall kommt es zu starken Wechselwirkungen zwischen dem exponierten Körper und der Quelle, so dass die Abstrahleigenschaften der Quelle stark beeinfl usst werden. Beispielsweise unterscheiden sich die Abstrahleigenschaften eines am Ohr des Benutzers betriebenen Mobiltelefons ganz entscheidend von den Abstrahleigenschaften bei Betrieb frei in Luft. Aus diesem Grund kann die Beurteilung der Exposition des Mobiltelefonbenutzers nicht durch einfache Messung der elektrischen bzw. magnetischen Feldstärke in unmittelbarer Nähe des Mobiltelefons erfolgen, sondern es müssen dafür aufwändige Messungen der spezifi schen Absorptionsrate (SAR) in einer Körpernachbildung durchgeführt werden. Aus den genannten Tatsachen ist ableitbar, dass für die Erfassung der Exposition bzw. von elektromagnetischen Immissionen, besonders im Hochfrequenzbereich, große Sorgfalt und Expertise notwendig ist, um auf physikalisch richtige und zuverlässige Messergebnisse zu kommen und diese ebenso richtig und sinnvoll zu interpretieren. Insbesondere muss klar zwischen temporären Spitzenwerten, Zeitmittelwerten, räumlichen Mittelwerten und lokalen Maxima der Immissionsgrößen unterschieden werden. Messung elektrischer magnetischer und elektromagnetischer Felder Eine aussagekräftige und physikalisch korrekte Immissionserfassung stellt im Allgemeinen große Ansprüche, sowohl im Hinblick auf den messgerätetechnischen Aufwand als auch auf die Fachkenntnisse des Messpersonals. Besonders bei der Messung von Immissionen der modernen digitalen Drahtloskommunikation (GSM, UMTS, Bluetooth, WLAN, DECT, Abbildung 3: Auf Basis von Computersimulationen berechnete HF-Feldverteilung (900 MHz) in Wohnräumen (Grundrissdarstellung) zufolge einer Befeldung mit einer ebenen Welle von links unten. Es ergibt sich eine stark inhomogene räumliche Verteilung der elektrischen Feldstärke in den Innenräumen. 10 Elektromagnetische Felder in Innenräumen

5 Niederfrequente und hochfrequente elektromagnetische Felder in Innenräumen DI Gernot Schmid WiMAX, ) sind zudem noch Detailkenntnisse über die jeweils eingesetzten Funktechnologien bzw. Übertragungsverfahren notwendig, um die Immissionsgrößen korrekt zu erfassen und die Messergebnisse richtig interpretieren zu können (temporäre Spitzenwerte, Zeitmittelwerte, räumliche Mittelwerte, lokale Maxima ). Aus dem bisher Gesagten lässt sich zunächst das in Abbildung 4 dargestellte Schema ableiten, anhand dessen gezeigt wird, welche Immissionsgrößen in der Praxis im Allgemeinen erfasst werden müssen, um eine vollständige Aussage über eine Expositionssituation machen zu können. Vorausgeschickt werden muss in diesem Zusammenhang, dass Messungen der ungestörten elektrischen Feldstärke E bzw. der magnetischen Feldstärke H immer nur eine Beurteilung einer Expositionssituation anhand der so genannten abgeleiteten Grenzwerte bzw. Referenzwerte erlaubt. Ungestört bedeutet, dass die jeweilige Feldgröße (E oder H) am Ort der exponierten Person (z.b., Schlafplatz, Arbeitsplatz, ) gemessen wird, ohne dass sich die Person zum Zeitpunkt der Messung dort befi ndet. Die in Sicherheitsnormen angeführten abgeleiteten Grenzwerte bzw. Referenzwerte dienen zum Vergleich mit eben diesen ungestörten Feldstärken und wurden unter Annahme ungünstiger Verhältnisse (maximaler Feldeinkopplung in den Körper) aus den so genannten Basisgrenzwerten abgeleitet. Die Basisgrenzwerte beziehen sich auf die (nach heutigem Kenntnisstand) relevanten, d.h. biologisch wirksamen Größen. Dies sind im Niederfrequenzbereich die elektrische Stromdichte (J) im Gewebe und im Hochfrequenzbereich die Leistungsaufnahme im Gewebe, gemessen in Form der spezifi schen Absorptionsrate (SAR). Der Grund, warum man abgeleitete Grenzwerte bzw. Referenzwerte defi niert, liegt darin, dass Feldstärkemessungen in Luft wesentlich praktikabler sind als Stromdichtmessungen bzw. SAR-Messungen in Körpernachbildungen. Aufgrund der konservativen Annahmen bei der Ableitung der abgeleiteten Grenzwerte bzw. der Referenzwerte von den Basisgrenzwerten, kann davon ausgegangen werden, dass bei Einhaltung der abgeleiteten Grenzwerte gleichzeitig auch die Basisgrenzwerte eingehalten werden. Umgekehrt kann jedoch aus einer Überschreitung der abgeleiteten Grenzwerte nicht auf die Überschreitung der (eigentlich ausschließlich biologisch relevanten) Basisgrenzwerte geschlossen werden. D.h., in der Praxis wird man für eine betrachtete Expositionssituation zunächst (wenn physikalisch sinnvoll, vgl. Abbildung 4) versuchen, den Nachweis der Grenzwerteinhaltung auf Basis von Feldstärkemessungen zu erbringen. Ergibt eine solche Messung jedoch eine Überschreitung der abgeleiteten Grenzwerte bzw. der Referenzwerte, so besteht die Möglichkeit den Nachweis der Grenzwerteinhaltung auf der Grundlage der Beurteilung anhand der Basisgrößen (Stromdichte bzw. SAR) zu erbringen. Erst wenn auch eine derartige Beurteilung zum Ergebnis einer Basisgrenzwertüberschreitung führt, gilt die Expositionssituation als unzulässig. Hinsichtlich der messtechnischen Methodik bzw. hinsichtlich der eingesetzten Messtechnik können grundsätzlich zwei unterschiedliche Verfahren unterschieden werden, nämlich die Breitbandmessung und die frequenzselektive Messung. Breitbandmessung Breitbandmessungen werden mit so genannten Feldsonden durchgeführt. Der Aufbau solcher Feldsonden ist relativ einfach und damit entsprechend kostengünstig (untere Preisgrenze von professionellen Geräten ca bis 3.000,- ). Bei Breitband-Feldsonden wird die Immissionsgröße (elektrische oder magnetische Feldstärke) bereits im Sondenkopf in ein zur Feldstärke oder zum Quadrat der Feldstärke proportionales Gleichspannungs- bzw. Gleichstromsignal umgewandelt, welches in weiterer Folge als Maß für die Immissionsgröße entsprechend skaliert zur Anzeige gebracht wird. Die wesentliche Eigenschaft der Breitbandmessung ist daher, dass das Messergebnis keine Rückschlüsse auf die spektrale Zusammensetzung der erfassten Immissionsgröße erlaubt. Das Messergebnis stellt damit gewissermaßen die spektrale Summe aller Immissionen im Nutzfrequenzbereich der Sonde dar. Übliche Bandbreiten solcher Sonden betragen beispielsweise 5 Hz 30 khz (300 khz) oder 100 khz 1GHz. Die Erfassung lediglich der spektralen Immissionssumme bringt das Problem mit sich, dass die Bewertung im Hinblick auf die im Allge- Abbildung 4: Für eine vollständige Expositionsbeurteilung im Allgemeinen zu erfassende Immissionsgrößen (E elektrische Feldstärke, H magnetische Feldstärke). Elektromagnetische Felder in Innenräumen 11

6 DI Gernot Schmid Niederfrequente und hochfrequente elektromagnetische Felder in Innenräumen Abbildung 5: Schematische Darstellung der zwei häufi gsten Bauformen von Breitband-Feldsonden (links) und Foto einer typischen Breitbandfeldsonde für den HF- Bereich (rechts) meinen frequenzabhängigen Grenzwerte in der Praxis nur dann zuverlässig erfolgen kann, wenn vorausgesetzt werden kann, dass die gemessene Immission hinsichtlich der Frequenz a priori bekannt ist und keine weiteren relevanten spektralen Anteile im Nutzfrequenzbereich der Feldsonde liegen. Dieser Fall ist in der Praxis häufi g bei Immissionsmessungen im Niederfrequenzbereich in Haushaltsumgebung gegeben, da hier zumeist die Dominanz der 50 Hz Felder vorausgesetzt werden kann. Im Hochfrequenzbereich sind Breitbandfeldsonden im Allgemeinen für Immissionsmessungen zumeist nur für Übersichtsmessungen einsetzbar, es sei denn, es kann wieder die Dominanz des interessierenden Spektralanteiles vorausgesetzt werden. Frequenzselektive Messung Im Vergleich zu Breitbandmessungen sind frequenzselektive Messungen sowohl im Hinblick auf den Komplexitätsgrad der Gerätetechnik als auch in Bezug auf die Handhabbarkeit und Gerätekosten wesentlich aufwändiger (untere Preisgrenze für Messantenne inklusive eines einfachen Spektrumanalysator ca ,- bis ,- ). Abbildung 6 zeigt das Grundprinzip der frequenzselektiven Immissionserfassung und Fotos einer Präzisionsmessantenne für den Frequenzbereich von 80 MHz bis 3 GHz sowie eines Spektrumanalysators für den Frequenzbereich von 9 khz bis 13 GHz. Der Vorteil frequenzselektiver Messmethoden ist, dass die Information über die spektrale Zusammensetzung der Immissionsgröße vollständig erhalten bleibt. D.h., es kann anhand des Messergebnisses eindeutig festgestellt werden, in welchen Frequenzbereichen mehr und in welchen Frequenzbereichen weniger Immissionsanteile vorliegen. Da die Grenzwerte im Allgemeinen frequenzabhängig defi niert sind, ist dies in vielen Fällen eine grundlegende Voraussetzung für eine adäquate Beurteilung von Expositionssituationen. Neben den hohen Gerätekosten ist der wesentliche praktische Nachteil der frequenzselektiven Verfahren die Notwendigkeit gut geschulten Messpersonals. Die Bedienung eines Spektrumanalysators und die korrekte Konfi guration der zur Verfügung stehenden Geräteparameter setzen grundlegende Fachkenntnisse der Signaltheorie voraus und sind daher Laien üblicherweise nicht zugänglich. Die falsche Wahl von Messparametern wie Auflösebandbreite, Videobandbreite, Detektor-Typ, Sweeptime (um nur die wichtigsten zu nennen) kann, abhängig vom Charakter der Immissionsgrößen, zu nahezu beliebig großen Messfehlern führen. Weiters ist auch die Interpretation des Messergebnisses stark abhängig von der Darstellungsart (z.b. MaxHold oder Average ) des gemessenen Spektrums. Abbildung 6: Schematische Darstellung einer frequenzselektiven Messung elektromagnetischer Felder (links) und Fotos einer Präzisionsmessantenne (Mitte) und eines Spektrumanalysators (rechts). Präzisions Messantenne Messkabel 12 Elektromagnetische Felder in Innenräumen

7 Niederfrequente und hochfrequente elektromagnetische Felder in Innenräumen DI Gernot Schmid Die folgenden Abbildungen zeigen zur Illustration Ergebnisse frequenzselektiver Messungen im Frequenzbereich von 80 MHz bis 1 GHz (Abbildung 7) und nur im GSM900-Frequenzbereich (Abbildung 8). Von gängigen Quellen verursachte typische Immissionswerte Im Folgenden werden typische Immissionswerte in der Umgebung häufi g anzutreffender Quellen elektromagnetischer Felder zusammengefasst, wobei vor allem Quellen betrachtet werden, die zu messbaren Immissionen in Innenräumen (Wohn- oder Bürobereich) führen können. Quellen wie sie beispielsweise in industrieller Umgebung anzutreffen sind (z.b. Elektroschweißgeräte, Hochspannungsschaltanlagen und Großtransformatoren in Kraft- und Umspannwerken, Induktionsschmelzanlagen, klinisch genutzte elektromedizinische Anwendungen wie Diathermie, Magnetfeldtherapie, usw.) werden nicht behandelt. Die angegebenen Daten stammen teilweise aus der einschlägigen wissenschaftlichen Literatur und zum Teil aus eigenen Arbeiten. Die Daten sollen lediglich dazu dienen, ein Gefühl für die Größenordnungen der zu erwartenden Immissionswerte zu vermitteln. Die Ableitung einer verbindlichen verallgemeinerten Aussage ist daraus nicht möglich. Für konkrete Expositionssituationen ist immer eine Immissionserhebung vor Ort erforderlich um detaillierte und verbindliche Aussagen machen zu können. Magnetfeldimmissionen werden im Folgenden immer in Form der magnetischen Flussdichte B (gemessen in Tesla bzw. Mikrotesla) angegeben. Der Zusammenhang zwischen magnetischer Flussdichte B (in Mikrotesla μt) und magnetischer Feldstärke H (in Ampere pro Meter A/m) ist dabei stets durch B [μt] = 1,25 7 * H [A/m] gegeben. Wenn nicht explizit anders angemerkt, stellen die angegebenen Werte jeweils Effektivwerte dar Distanz zu Antennen ca. 40 m, Höhenunterschied ca. 12 m Mobiltelefon in ca. 1 m Abstand zur Messantenne GSM-Mobiltelefon (unmittelbar bei Messantenne) Ersatzleistungsflussdichte S[mW/m2] GSM-Basisstationen UKW-Rundfunksender Paging UHF-Fernsehsender VHF-Fernsehsender Frequenz [MHz] Abbildung 7: Beispiel für ein Messergebnis einer Spektralanalyse im Frequenzbereich von 80 MHz bis 1 GHz. Gemessen im MaxHold, d.h. die Immissionswerte entsprechen Spitzenwerten der Immission während der Messzeit. Distanz zu Antennen ca. 50 m, Höhenunterschied ca. 22 m Mobiltelefon in ca. 1 m Abstand zur Messantenne 100, , GSM-Mobiltelefon Ersatzleistungsflussdichte S [mw/m2] 1, , , , , , D-Netz Basisstation 0, Frequenz [MHz] GSM Basisstationen Abbildung 8: Beispiel für ein Messergebnis einer Spektralanalyse im Frequenzbereich des GSM900 Mobilfunksystems (hier von 890 MHz bis 980 MHz). Elektromagnetische Felder in Innenräumen 13

8 DI Gernot Schmid Niederfrequente und hochfrequente elektromagnetische Felder in Innenräumen Tabelle 1: Größenordnungen von Magnetfeldimmissionen in Innenräumen, verursacht durch äußere Quellen Frequ. Distanz zur magnetische Flussdichte B Quelle Ref. [Hz] Quelle [μt] Bahnstromleitung 15 kv / 100A ( 1kA Anfahrtsstrom) 16 2/3 30 m 0,3 5 μt [1] Niederspannungsfreileitung 400 V / 70A, 95A, 75A (mit Ausgleichsstrom über Erde) 50 direkt unter Trasse 0,5 2 μt [1] Mittelspannungsfreileitung 20 kv / 3 x 100 A 50 5 / 10 / 20 m 0,5-1 / 0,2-0,5 / 0,1-0,2 μt [1] Hochspannungsfreileitung 380 kv / 1300 A / 20 / 50 m 20 / 15 / 2-5 μt [2] Hochspannungsfreileitung 220 kv / 740 A / 20 / 50 m 10 / 5 / 1-2 μt [2] Hochspannungsfreileitung110 kv / 380 A / 20 / 50 m 3 / 1,5 / 0,5-1 μt [2] Niederspannungs-Hauszuleitung bzw. Verteilkabel 400 V / 90 A mit typischer Schieflast 50 0,5 / 1 / 3 m 2 / 0,5-1 / 0,05-0,1 μt [3] Tabelle 2: Größenordnungen von Magnetfeldimmissionen in Innenräumen, verursacht durch typische Haushalts-Quellen Quelle f [Hz] Distanz zur Quelle magnetische Flussdichte B [μt] elektrische Feldstärke E [V/m] Steckdose (ohne angeschl. Verbr.) / 50 / 100 cm - 50 / 5 / 1 V/m [1] Radiowecker / 50 / 100 cm 1-2 / 0,03-0,1/ 0,01-0,02 μt / / 1-2 V/m [1] elektrische Fußbodenheizung (je nach Leistung und Verlegeart) 50 Boden 1m über Boden typ. bis zu 100 μt typ. bis zu 5 μt Ref. - [1] Kaffeemaschine / 50 / 100 cm 1-2 / 0,1-0,2 / 0,02-0,05 μt - [4] Bügeleisen / 50 / 100 cm 3-4 / 0,05-0,1 / <0,01 μt - [4] Lüfter / 50 / 100 cm 8-10 / 0,1-0,2 / 0,01-0,02 μt - [4] Geschirrspüler / 50 / 100 cm 0,5-1 / 0,01-0,03/ <0,01 μt - [4] Backofen / 50 / 100 cm 8-10 / 2-3 / 0,1-0,2 μt - [4] Brotschneidemaschine / 50 / 100 cm / 2-3 / 0,1-0,2 μt - [4] Induktionsherd (stark abhängig vomtyp und von der Art der verwendeten Töpfe) Fernsehgerät bis 150 khz bis 3 khz khz 10 / 30 cm 25 / 100 / 250 cm 1-5 / 0,1-2 μt (Referenzwert bei 6,25 μt) 0,52 / 0,14 / 0,10 μt (Referenzwert bei 6,25 μt) 0,08 / 0,01 / 0,005 μt - [5] - [6] Waschmaschine / 50 cm 1-1,5 / 0,3-0,5 μt - [7] Mikrowellenherd / 50 / 100 cm / 2-3 / 0,5-1 μt - [7] Elektrorasierer 50 5 / 10 / 20 cm / / μt - [7] E_Herd / 50 / 100 cm / 0,5-3/ 0,05-0,2 μt - [1] Haarfön / 50 cm / 0,1-0,2 μt / 1-5 V/m [1] Niederfrequente Immissionen in Innenräumen Tabelle 1 gibt Größenordnungen von Magnetfeldimmissionen in Innenräumen an, wie sie durch äußere Quellen erwartet werden können. Niederfrequente elektrische Feldstärken in Innenräumen zufolge von äußeren Quellen können üblicherweise vernachlässigt werden, da niederfrequente elektrische Felder üblicherweise bereits durch die Gebäudeaußenhaut ausreichend abgeschirmt werden. Die Referenzwerte für die Allgemeinbevölkerung nach EU-Ratsempfehlung 1999/519/EG für Frequenzen von 16 2/3 Hz und 50 Hz liegen bei 300 μt und 100 μt. Die entsprechenden Referenzwerte für das elektrische Feld betragen V/m (16 2/3 Hz) und 5000 V/m (50 Hz). Tabelle 2 fasst typische niederfrequente Immissionswerte von Geräten im Haushalt zusammen. Hochfrequente Immissionen in Innenräumen Hochfrequente elektromagnetische Immissionen in Innenräumen, die von außerhalb liegenden Sendeanlagen (Rundfunk, TV, Mobilfunk-Basisstationen) verursacht werden, sind üblicherweise relativ gering und betragen zumeist deutlich weniger als 1% des Grenzwertes nach EU-Ratsempfehlung 1999/519/EG. Beispielsweise ergab eine umfangreiche Messkampagne in der Stadt Salzburg, bei der die Mobilfunkimmissionen in Wohn- bzw. Büroräumen in der Umgebung von 13 GSM-Senderstandorten erfasst wurden, Immissionswerte (Summenimmission aller Netzbetreiber, 14 Elektromagnetische Felder in Innenräumen

9 Niederfrequente und hochfrequente elektromagnetische Felder in Innenräumen DI Gernot Schmid Frequ. Distanz zur magnetische Flussdichte B Quelle Ref. [Hz] Quelle [μt] Bahnstromleitung 15 kv / 100A ( 1kA Anfahrtsstrom) 16 2/3 30 m 0,3 5 μt [1] Niederspannungsfreileitung 400 V / 70A, 95A, 75A (mit Ausgleichsstrom über Erde) 50 direkt unter Trasse 0,5 2 μt [1] Mittelspannungsfreileitung 20 kv / 3 x 100 A 50 5 / 10 / 20 m 0,5-1 / 0,2-0,5 / 0,1-0,2 μt [1] Hochspannungsfreileitung 380 kv / 1300 A / 20 / 50 m 20 / 15 / 2-5 μt [2] Hochspannungsfreileitung 220 kv / 740 A / 20 / 50 m 10 / 5 / 1-2 μt [2] Hochspannungsfreileitung110 kv / 380 A / 20 / 50 m 3 / 1,5 / 0,5-1 μt [2] Niederspannungs-Hauszuleitung bzw. Verteilkabel 400 V / 90 A mit typischer Schieflast 50 0,5 / 1 / 3 m 2 / 0,5-1 / 0,05-0,1 μt [3] Tabelle 3: Größenordnungen von elektromagnetischen Immissionen in Innenräumen, verursacht durch diverse Funkanwendungen hochgerechnet auf maximale Anlagenauslastung) bis zu ca. 40 mw/m2 (entspricht 0,4% des Referenzwertes nach EU-Ratsempfehlung 1999/519/EG). In den meisten Fällen lagen die Immissionen jedoch im Bereich zwischen 1 mw/m2 und 10 mw/m2 (entsprechend 0.01% bis 0.1% des Referenzwertes). Die angegebene Immissionsgröße S (Strahlungsleistungsdichte oder Leistungsflussdichte, gemessen in Milliwatt pro Quadratmeter mw/m2) kann dabei unter Annahme von Fernfeldbedingungen aus der elektrischen Feldstärke E (in V/m) bzw. der magnetischen Feldstärke H (in A/m) gemäß S = E2/0,377 bzw. S = H2* berechnet werden. Die Immissionen von Rundfunk- und TV-Sendern in Innenräumen sind stark abhängig von der Lage (Distanz) des Immissionsortes zum nächstgelegenen Senderstandort und dessen Sendeleistung. D.h., in der Praxis können die Immissionen von Rundfunk- und TV-Sendern sowohl deutlich oberhalb der Immissionen von Mobilfunk-Basisstationen als auch deutlich unterhalb liegen, wobei hier der Begriff deutlich durchaus mehrere Zehnerpotenzen betragen kann. Immissionen in Wohn- und Bürobereichen, verursacht durch öffentliche WLAN-Access Points (Hot Spots), wurden in [8] erhoben und erwiesen sich aufgrund der beschränkten Sendeleistung (max. 100 mw EIRP für WLANs nach IEEE b,g) als außerordentlich gering. Die in Wohngebieten in Deutschland erfassten WLAN-Immissionswerte (verursacht durch öffentliche Access Points) lagen bei typischerweise 1 μw/m2. Tabelle 3 fasst typische Immissionswerte zusammen, wie sie von diversen in Wohn- und Bürobereich eingesetzten Funkanwendungen verursacht werden. Die angegebenen Werte stammen aus Messungen, zumeist durchgeführt unter idealen Ausbreitungsbedingungen (in echoarmen Räumen) und zeigen daher eine monotone Abnahme der Immissionswerte mit größer werdender Entfernung zu den Quellen. In der Praxis wird dies im Allgemeinen nicht der Fall sein, da es aufgrund von Refl exionen, Mehrwegeausbreitung und Interferenz zu lokalen Feldmaxima und minima kommen wird (vgl. Abbildung 3). Die angegebenen Werte sind demnach wieder nur dazu gedacht ein Gefühl über die möglichen Größenordnungen der zu erwartenden Immissionen zu vermitteln. Weiters werden die Immissionsgrößen nur in Abständen größer als 30 cm von den Quellen angegeben. In geringerer Entfernung ergeben sich naturgemäß deutlich größere Werte der Feldstärke bzw. Flussdichte. Diese Werte sind allerdings physikalisch nicht mehr sinnvoll zur Expositionsbeurteilung heranziehbar, da es, wie bereits weiter oben erwähnt, in solchen Fällen zu massiven Rückwirkungen des exponierten Köpers bzw. Körperteils auf die Antenne kommt und daher die Messung ungestörter Immissionsgrößen kein adäquates Maß für die tatsächliche Exposition mehr darstellt. In solchen Expositionssituationen ist daher eine Expositionsbeurteilung nur mehr anhand von SAR-Messungen sinnvoll. Elektromagnetische Felder in Innenräumen 15

10 DI Gernot Schmid Niederfrequente und hochfrequente elektromagnetische Felder in Innenräumen Literaturverzeichnis [1] Elektromagnetische Felder und Wellen (EMF), Interaktive Lernsoftware CD-ROM, Technische Universität Graz, [2] Elektromagnetische und magnetische Felder Fragen und Antworten, herausgegeben vom Verband der Elektrizitätsunternehmen Österreichs (VEÖ), Wien, August 2005 [3] Seibersdorf research GmbH (2003): Gutachten EE-EMV-S 207/03 [4] Schmautzer E, Abart A, Sakulin M (1999): Electromagnetic fi elds in the domestic area, DUEE 99 Domestic Use of Electrical Energy, Workshop Proceedings Cape Town, South Africa [5] Boutry C, Lott U, Romann A, Kuster N (2006): B-fi eld exposure from induction cooking appliances, 2006 Annual Meeting of the Bioelectromagnetics Society, Cancun, Mexico, Abstract Book pp [6] Kaune WT et al (2000): Children s exposure to magnetic fi elds produced by US television sets for viewing programs and playing video games. Bioelectromagnetics 21: [7] Garrido C et al (2003): Low frequency magnetic fi elds from electrical appliances and power lines, IEEE Transaction on Power delivery 2003:18(4) [8] Preiner P, Schmid G, Lager D, Georg R (2006): Bestimmung der realen Feldverteilung von hochfrequenten elektromagnetischen Feldern in der Umgebung von Wireless LAN-Einrichtungen (WLAN) in innerstädtischen Gebieten. Abschlussbericht, November 2006, emf-forschungsprogramm.de/forschung/dosimetrie/ [9] Schmid G, Lager D, Preiner P (2005): Bestimmung der Exposition bei Verwendung kabelloser Übermittlungsverfahren in Haushalt und Büro. Abschlussbericht Juli 2005, Projekt im Rahmen des Deutschen Mobilfunk Forschungsprogramms, de/forschung/dosimetrie/dosimetrie_abges/dosi_030_ab.pdf [10] Kramer A, Kuehn S, Lott U, Kuster N (2005): Assessment of human exposure by electromagnetic radiation from wireless devices in home and offi ce environment. Platform Presentation at the BioEM 2005, June 20-24, 2005, Dublin, Ireland, Abstract Book pp Elektromagnetische Felder in Innenräumen