Blanc Guillaume & Noûs Camille, Ondes électromagnétiques et santé, in Physique et enjeux de société (Université Paris Cité, 2023). https://doi.org/10.53480/physique-societe.d2f159

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Chapitre 5 : Ondes électromagnétiques et santé

L’objectif de ce chapitre est de comprendre comment les ondes électromagnétiques non ionisantes interagissent avec la matière et avec le corps humain, pour faire le point sur les risques pour la santé.

5.1 Rappels de physique des ondes électromagnétiques

5.1.1 Équations de Maxwell dans le vide en régime variable

Les équations de Maxwell (élaborées entre 1865 et 1884) synthétisent les découvertes expérimentales en électricité et magnétisme depuis le début du XIXe siècle. Elle font également le lien entre les sources du champ électromagnétique (distributions de charges et de courants) et le champ lui-même qui est une combinaison des champs électrique \(\overrightarrow {E}\) et magnétique \(\overrightarrow B\).

\begin{equation} \text {div} \overrightarrow {E} = \frac {\rho }{\varepsilon _0} \end{equation} \begin{equation} \text {div} \overrightarrow B = 0 \end{equation} \begin{equation} \overrightarrow {\text {rot}} \overrightarrow E = -\frac {\partial \overrightarrow B}{\partial t} \end{equation} \begin{equation} \overrightarrow {\text {rot}} \overrightarrow B = \mu _0 \overrightarrow \jmath + \mu _0 \varepsilon _0 \frac {\partial \overrightarrow E}{\partial t} \end{equation}

où :

\(\overrightarrow E\) est le champ électrique ;
\(\overrightarrow B\) est le champ magnétique ;
\(\rho \) est la densité volumique de charge ;
\(\varepsilon _0\) est la permittivité diélectrique du vide ;
\(\mu _0\) est la perméabilité magnétique du vide ;
\(\overrightarrow \jmath \) est la densité de courant électrique.

Les deux premières équations traduisent les propriétés intrinsèques du champ électromagnétique. Les deux suivantes expriment le lien entre les champs électrique \(\overrightarrow E\) et magnétique \(\overrightarrow B\) et leurs sources respectives, les charges électriques \(\rho \) et le courant électrique \(\overrightarrow {\jmath }\).

5.1.2 Équation de propagation d’une onde

L’équation de propagation des ondes ou équation de d’Alembert (à une dimension), pour une grandeur scalaire \(s(x,t)\), s’écrit : \begin{equation} \frac {\partial ^2s}{\partial x^2} - \frac {1}{v^2} \frac {\partial ^2s}{\partial t^2} = 0 \end{equation}

Une solution générale de cette équation peut s’écrire : \begin{equation} s(x,t) = f\left (t-\frac {x}{v} \right ) + g\left (t+\frac {x}{v} \right ) \end{equation} \(f\left (t-\frac {x}{v} \right )\) représente une onde progressive, c’est-à-dire qui se déplace vers les \(x\) croissants. En effet, pour une valeur \(t-\frac {x}{v}\) constante, lorsque \(t\) augmente, il faut que \(x\) augmente également (figure 5.1). Inversement, \(g\left (t+\frac {x}{v} \right )\) représente une onde régressive, se propageant vers les \(x\) décroissants.

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Figure 5.1 – Illustration de la propagation d’une onde progressive. Le profil à \(t=0\) est dessiné en noir. Au bout d’une durée \(t\), le profil (en rouge) s’est translaté dans la direction des \(x\) croissants d’une distance \(vt\).

Une perturbation (dans le temps) – c’est-à-dire une petite variation – du champ électrique \(\overrightarrow E\) engendre une perturbation du champ magnétique \(\overrightarrow B\), qui engendre à son tour une perturbation du champ \(\overrightarrow E\) : une perturbation du champ électromagnétique (\(\overrightarrow E, \overrightarrow B\)) se propage ainsi de proche en proche.

De fait, le champ électrique et le champ magnétique vérifient l’équation de propagation des ondes : \begin{equation}\begin{split} \nabla ^2 \overrightarrow E = \frac {1}{c^2}\frac {\partial ^2 \overrightarrow E}{\partial t^2}\\ \text {et}\ \ \ \nabla ^2 \overrightarrow B = \frac {1}{c^2}\frac {\partial ^2 \overrightarrow B}{\partial t^2} \end{split}\end{equation} où \(c\) est la vitesse de propagation de l’onde : \begin{equation} c = (\mu _0 \varepsilon _0)^{-1/2} \end{equation}

qui n’est autre que la vitesse de la lumière dans le vide : \(c = 299\,792\,458\ \text {m}\cdot \text {s}^{-1}\). Cette relation traduit le lien entre électricité, magnétisme et vitesse de la lumière.

Les équations de Maxwell permettent de montrer que l’on a un couplage entre les deux champs, électrique et magnétique : \begin{equation} \overrightarrow B = \frac 1c \overrightarrow {u} \wedge \overrightarrow {E} \end{equation} et : \begin{equation} \overrightarrow E = -c \overrightarrow {u} \wedge \overrightarrow {B} \end{equation} où \(\overrightarrow u\) est le vecteur unitaire de la direction de propagation de l’onde électromagnétique.

5.1.3 Énergie d’une onde électromagnétique

La puissance rayonnée par un champ électromagnétique à travers une surface fermée \(S\) est donnée par : \begin{equation} \mathcal {P}_{\text {rayonnée}} = \unicode{x222F}_S \overrightarrow {\Pi }\cdot \overrightarrow {dS} \end{equation} où \(\overrightarrow \Pi \) est le vecteur de Poynting dont l’expression est : \begin{equation} \overrightarrow \Pi = \overrightarrow E \wedge \frac {\overrightarrow B}{\mu _0} \label {eq:poynting} \end{equation}

Par ailleurs, la densité volumique d’énergie électromagnétique est donnée par : \begin{equation} w = \frac {\varepsilon _0 E^2}{2} + \frac {B^2}{2 \mu _0} \end{equation}

5.1.4 Spectre électromagnétique

Le tableau 5.1 montre les différents domaines du spectre électromagnétique avec les domaines de fréquences, de longueurs d’onde et d’énergie des photons correspondants.

Voici quelques fréquences pour divers appareils et technologies d’utilisation courante :

Désignation Fréquence Longueur d’onde Énergie Applications
Non ionisant
Fréquences extrêmement basses (ELF) 0–300 Hz 10\(^5\)–10\(^3\) km 12,4 feV – 1,24 peV Réseau électrique 50 Hz, électroménager
Fréquences audio (VF) 0,3–3 kHz 1000–100 km 1,24–12,4 peV Transmission de données vocales, métallurgie, chauffage par induction
Très basses fréquences (VLF) 3–30 kHz 100–10 km 12,4–124 peV Radiocommunications
Basses fréquences (LF) 30–300 kHz 10–1 km 0,124–1,24 neV Radiodiffusion GO, fours à induction, plaques à induction
Fréquences moyennes (MF) 0,3–3 MHz 1 km – 100 m 0,124–12,4 neV Radiodiffusion MO, PO, diathermie médicale
Hautes fréquences (HF) 3–30 MHz 100–10 m 12,4–124 neV CB (citizen band - 27 MHz), soudure, collage
Très hautes fréquences (VHF) 30–300 MHz 10–1 m 0,124–1,24 \(\mu \)eV Télévision, radio FM
Fréquences ultrahautes (UHF) 0,3-3 GHz 1–0,1 m 1,24–12,4 \(\mu \)eV Télévision, radars, téléphonie mobile, fours à micro-ondes (2,4 GHz), hyperthermie médicale
Fréquences superhautes (SHF) 3–30 GHz 100–10 cm 12,4–124 \(\mu \)eV Radars, alarmes anti-intrusion
Fréquences extrêmement hautes (EHF) 30–300 GHz 10–1 cm 0,124–1,24 meV Radars, communications par satellite, scanner corporel
Infrarouge (IR) 0,3–385 THz 1 mm – 780 nm 1,24 meV – 1,6 eV Spectrométrie IR, chauffage
Visible 385–750 THz 780–400 nm 1,6–3,1 eV Vision humaine, photosynthèse
Ionisant
Ultraviolet (UV) 750 THz – 3 PHz 400–100 nm 3,1–12,4 eV Lampes germicides, solarium
Rayon X 3 PHz – 30 EHz 100 nm – 10 pm 12,4 eV – 124 MeV Radiographie, cristallographie
Rayon \(\gamma \) > 30 EHz < 10 pm > 124 MeV Radioactivité, gammagraphie (bâtiment)

Table 5.1 – Les différents domaines du spectre électromagnétique.

5.2 Antennes : l’émission des ondes électromagnétiques

5.2.1 Dipôle oscillant

Considérons une charge électrique ponctuelle \(-q\) fixe à l’origine \(O\) des coordonnées, et une charge \(+q\) qui se déplace sur l’axe \(Oz\) avec un mouvement rectiligne sinusoïdal de pulsation \(\omega \) : \(z(t) = z_0 \cos (\omega t)\). On a ainsi un dipôle électrique oscillant de moment dipolaire \(\overrightarrow {p} = q~ z(t)~ \overrightarrow {e_z}\).

Dans la région de l’espace où \(r \gg \lambda = 2\pi c/\omega \), on montre que les champs \(\overrightarrow E\) et \(\overrightarrow B\) s’écrivent :

\begin{eqnarray} \overrightarrow E(r) = -\frac {\omega ^2 \mu _0}{4 \pi } \frac {qz_0 \sin \theta }{r} \cos \left [\omega \left (t-\frac {r}{c}\right )\right ] \overrightarrow {e_{\theta }}\\ \overrightarrow B(r) = \overrightarrow {e_r} \wedge \frac {\overrightarrow E(r)}{c} \propto \overrightarrow {e_{\varphi }} \label {eqn:EBdipole} \end{eqnarray}

où \((r, \theta , \varphi )\) sont les coordonnées sphériques et \((\overrightarrow {e_r}, \overrightarrow {e_{\theta }}, \overrightarrow {e_{\varphi }})\) est le trièdre de vecteurs unitaires des coordonnées sphériques.

On obtient ainsi une onde électromagnétique qui se propage perpendiculairement au plan (\(\overrightarrow {e_{\theta }}\), \(\overrightarrow {e_{\varphi }}\)), donc dans la direction radiale selon \(\overrightarrow {e_r}\). L’amplitude des deux champs électrique et magnétique décroit comme \(1/r\). Les champs \(\overrightarrow E\) et \(\overrightarrow B\) sont orthogonaux, dans le plan \((\overrightarrow {e_{\theta }}, \overrightarrow {e_{\varphi }})\), perpendiculaires à la direction de propagation. Le champ électromagnétique a localement une structure d’onde plane progressive. Il rayonne de manière anisotrope, avec une forme dans l’espace selon \(\sin \theta \), donc avec une amplitude nulle selon l’axe du dipôle et maximale dans la direction perpendiculaire : il s’agit du « lobe de rayonnement ». Ce modèle du dipôle oscillant rayonnant un champ électromagnétique représente le principe de base de l’émission par une antenne.

5.2.2 Puissance rayonnée par un dipôle oscillant

Avec les expressions des deux champs rayonnés (5.15), le vecteur de Poynting (5.12) s’écrit : \begin{equation} \overrightarrow \Pi = \frac {E^2}{\mu _0 c} \overrightarrow {e_r} \end{equation} La densité surfacique de puissance moyenne rayonnée est donnée par : \begin{equation} \frac {dP}{dS} = \left \langle \left \| \overrightarrow \Pi \right \| \right \rangle _t = \frac {(qz_0)^2}{32 \pi ^2 \varepsilon _0} \frac {\omega ^4}{c^3} \frac {\sin ^2 \theta }{r^2} \end{equation} soit : \begin{equation} \frac {dP}{dS} \propto \frac {1}{\lambda ^4} \frac {\sin ^2 \theta }{r^2} \end{equation}

Donc :

  • la puissance surfacique décroit en \(1/r^2\) ;
  • elle varie en \(\omega ^4\) (i.e. en \(1/\lambda ^4\)), ce qui permet d’expliquer le bleu du ciel (sous l’action du champ électrique du rayonnement solaire, les électrons des atomes de l’atmosphère oscillent comme un dipôle).

5.2.3 Principe de fonctionnement d’une antenne

Un courant sinusoïdal dans un conducteur engendre un déplacement de charges (les électrons) selon le modèle précédent du dipôle. Un conducteur dans lequel circule un tel courant va donc rayonner un champ électromagnétique. On a ainsi un émetteur.

Inversement, un champ électromagnétique qui rencontre un conducteur va induire un déplacement de charges à l’intérieur de celui-ci, et donc un courant. On a donc un récepteur.

Il existe une multitude d’antennes en fonction de la fréquence du signal que l’on souhaite émettre, et de la directivité que l’on souhaite : une antenne isotrope est un objet idéal qui n’existe pas en pratique.

La figure 5.2 montre la distribution angulaire (diagramme de rayonnement) de l’intensité et de la puissance du rayonnement d’un dipôle.

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Figure 5.2 – Diagramme de rayonnement (distribution angulaire) d’un dipôle situé sur l’axe \(Oz\), de moment dipolaire \(\overrightarrow {p}\). L’amplitude est en \(\sin \theta \) et représentée en traits tiretés ; la puissance est en \(\sin ^{2} \theta \) et représentée en trait plein. Il y a une symétrie de révolution autour de l’axe \(Oz\).

5.2.4 Exemple de l’antenne relais de la téléphonie mobile

Les antennes relais de la téléphonie mobile quadrillent désormais le territoire1. Elles ressemblent à celles présentées en figure 5.3.

La figure 5.4 montre le résultat d’une simulation numérique pour la puissance émise et le champ électrique d’une antenne relais de la téléphonie mobile, située sur le toit d’un immeuble. La figure 5.4b montre qu’à l’intérieur des bâtiments la puissance est atténuée d’environ –60 dBm2, soit un facteur \(\sim 10^6\), obtenu essentiellement par la disposition géométrique3. Au niveau du sol, 13 m sous l’antenne, les réflexions multiples sur les façades font que la puissance est quasiment uniforme de l’ordre de –10 dBm, soit une réduction de –53 dBm par rapport à la source (facteur \(\sim 10^5\) soit 0,2 mW !). Compte tenu du caractère directionnel de l’émission d’une antenne (lobe), le bâtiment situé sous l’antenne reçoit un rayonnement négligeable.

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Figure 5.3 – Photos d’une antenne relais de téléphonie mobile sur le toit d’un immeuble. Antenne de l’opérateur Orange à Lorient. (a) Antenne relais de téléphonie mobile sur le toit d’un immeuble. (b) Gros plan. Crédit photos : Guillaume Blanc.

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Figure 5.4 – Simulation de la carte d’émission d’une antenne relais placée sur le toit d’un immeuble. (a) Configuration géométrique de la simulation. (b) Simulation de la carte de puissance reçue. La puissance est exprimée en décibels (dBm), où \(x\ \text {dBm} = 10\ \log \frac {P}{1\ \text {mW}}\). La puissance de l’antenne est de 43 dBm, soit 20 W. On note que 7 dBm = 5 mW. (c) Simulation de la carte du champ électrique. Tiré de Pennec (2001). © ANFR.

Les valeurs limites d’exposition du public dans la réglementation française4 sont de :

  • 36 V/m à 700 MHz (téléphonie mobile 4G)
  • 39 V/m à 800 MHz (téléphonie mobile 4G)
  • 41 V/m à 900 MHz (téléphonie mobile 2G et 3G)
  • 58 V/m à 1800 MHz (téléphonie mobile 2G et 4G)
  • 61 V/m à 2100 MHz (téléphonie mobile 3G)
  • 61 V/m à 2600 MHz (téléphonie mobile 4G)
  • 28 V/m pour un émetteur de radiodiffusion
  • 31 à 41 V/m pour un émetteur de télédiffusion

Le diagramme d’émission de la figure 5.4c montre que, dans ce cas précis, la réglementation est respectée même à proximité immédiate de l’antenne, dans le cas d’une antenne relais.

5.3 Interaction des ondes électromagnétiques avec la matière

5.3.1 Champ proche et champ lointain

À proximité immédiate d’une antenne ou d’une source d’ondes électromagnétiques, la structure du champ est compliquée, c’est pourquoi on se place généralement dans « l’approximation de champ lointain », ce qui permet de faciliter les calculs. C’est-à-dire pour une distance \(d\) : \begin{equation} d \gt \frac {\lambda ^2}{2A} \end{equation} où \(\lambda \) est la longueur d’onde et \(A\) est la taille de l’antenne. Dans la plupart des cas, cette approximation est valable ; sauf dans le cas des téléphones mobiles quand ils sont proches de l’oreille. . . La modélisation étant délicate, on effectue alors des mesures.

5.3.2 Interaction avec les matériaux

Dans les matériaux électriquement isolants, la pénétration des ondes électromagnétiques dépend de la nature du matériau et de la longueur d’onde. Leur atténuation, en fonction de l’épaisseur, est donnée par : \begin{equation}\begin{split} \text {Atténuation}\\ = \mathrm {exp}\left ({-\frac {\pi \times \text {épaisseur} \times f \times \tan (\delta )}{c\sqrt {\varepsilon _r}}}\right )\end{split} \end{equation} où \(\delta \) est l’angle de perte, caractéristique diélectrique des matériaux isolants, \(\varepsilon _r\) est la permittivité diélectrique relative du matériau5, \(c\) est la vitesse de la lumière et \(f\) la fréquence de l’onde incidente. En pratique les ondes électromagnétiques sont très peu absorbées par les matériaux rencontrés dans les bâtiments (pierre, béton. . .). De plus, une partie de l’onde est réfléchie, et une partie est transmise, avec les coefficients de réflexion \(R\) et de transmission \(T\) : \begin{equation} R= \frac {1-\sqrt {\varepsilon _r}}{1+\sqrt {\varepsilon _r}}\ \ \ \text {et} \ \ \ T = 1 - R \end{equation}

Les matériaux électriquement conducteurs sont imperméables aux ondes électromagnétiques (qui ont une très faible pénétration, l’« épaisseur de peau » \(\delta \) ; attention c’est un autre « \(\delta \) » que l’angle de perte des matériaux isolants !) ; on peut ainsi écranter un champ électromagnétique. Dans ces matériaux, l’atténuation \(\mathcal {A}\) des ondes est donnée par : \begin{equation} \mathcal {A} = e^{-\frac {d}{\delta }}\ \ \ \text {avec}\ \ \ \delta = \sqrt {\frac {2}{2\pi f \mu \sigma }} \end{equation} où \(d\) est la distance à partir de l’interface, \(\delta \) l’épaisseur de peau, \(f\) la fréquence, \(\mu \) la perméabilité du matériau6, \(\sigma \) sa conductivité électrique. Les hautes fréquences pénètrent peu à l’intérieur des conducteurs (pour le cuivre, \(\delta \) = 9,38 mm à 50 Hz et \(\delta \) = 2,1 \(\mu \)m à 1 GHz).

Les matériaux étanches aux ondes radio sont ainsi essentiellement les métaux. La cage de Faraday est une enceinte métallique dont les parois atténuent fortement les ondes. Pour les basses fréquences, les parois sont pleines car l’atténuation dépend de l’épaisseur du métal (et de sa conductivité électrique) ainsi que de la fréquence des ondes. Pour les hautes fréquences un grillage suffit, dont la taille de la maille doit être de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde. Par exemple, le four à micro-ondes est entouré d’une cage métallique, qui est grillagée sur la porte, afin de pouvoir « voir » à l’intérieur (\(\lambda \) = 12 cm, grille avec une maille de 1 mm).

5.3.3 Interaction avec la matière vivante

Ordres de grandeurs énergétiques

Les transitions énergétiques entre états quantifiés des atomes et molécules suite à l’absorption d’un photon induisent différents effets selon l’énergie du photon \(E_{\gamma }\).

L’énergie d’ionisation d’un atome ou d’une molécule neutre est l’énergie qu’il faut lui fournir pour arracher l’électron le moins lié (première ionisation), ce qui forme ainsi un ion positif. L’énergie de première ionisation7 la plus élevée est celle de l’hélium, 24,6 eV, la plus basse est celle du césium, 3,9 eV. Celle de l’hydrogène est de 13,6 eV, celle du carbone est de 11,3 eV. L’énergie d’ionisation s’exprime également en joule par mole (1 \(\text {kJ}\cdot \text {mol}^{-1}\) = \(1,04\cdot 10^{-2}\ \text {eV}\)).

Ces énergies correspondent à des longueurs d’onde lumineuses telles que : \(E_{\gamma } = h\nu = \frac {hc}{\lambda }\), où \(h = 6,62 \cdot 10^{-34}\ \text {J}\cdot \text {s}\) est la constante de Planck, \(\nu \) est la fréquence de l’onde lumineuse correspondante et \(\lambda \) sa longueur d’onde, enfin \(c = 299\,792\,458\ \text {m}\cdot \text {s}^{-1}\) est la vitesse de la lumière dans le vide. Donc : \begin{equation} \lambda = \frac {hc}{E_{\gamma }} \end{equation} Pour des énergies de l’ordre de 10 eV (1 eV = \(1,6\cdot 10^{-19}\ \text {J}\)), on obtient : \begin{equation}\begin{split} \lambda = \frac {6,62\cdot 10^{-34}\times 299\,792\,458}{10 \times 1,6 \cdot 10^{-19}}\\ = 1,2\cdot 10^{-7}\ \text {m} = 120\ \text {nm}\end{split} \end{equation}

Il s’agit du domaine électromagnétique des ultraviolets.

L’énergie de la liaison covalente est l’énergie qu’il faut fournir pour briser une liaison chimique entre deux atomes. Une liaison covalente est une liaison chimique dans laquelle deux atomes se partagent une à trois paires d’électrons. La matière vivante est essentiellement formée de carbone (et d’hydrogène), avec des liaisons covalentes simples de type C – C ou C – H. L’énergie de liaison est généralement donnée sous la forme d’enthalpie de liaison, à savoir l’énergie requise pour briser (ou former) la liaison à pression extérieure constante. La liaison C – H nécessite ainsi 413 kJ\(\cdot \)mol\(^{-1}\) (soit 4,3 eV) pour être détruite8 tandis que la liaison C – C a besoin de 348 kJ\(\cdot \)mol\(^{-1}\) (soit 3,6 eV) ; une triple liaison C \(\equiv \) C nécessite 839 kJ\(\cdot \)mol\(^{-1}\) pour être détruite.

Ces énergies correspondent à des longueurs d’onde de 280 à 330 nm, donc au domaine des ultraviolets.

Les liaisons de type hydrogène impliquant des atomes d’hydrogène et des atomes tels que l’oxygène, l’azote ou le fluor sont des liaisons intermoléculaires (comme par exemple dans l’eau) plus fragiles que les liaisons covalentes avec des énergies de liaison entre 0,04 eV et 1,7 eV. Cela correspond à respectivement 30 \(\mu \)m (infrarouge) à 690 nm (visible).

Les liaisons de type Van der Waals sont des interactions électrostatiques entre atomes ou molécules dont l’énergie de liaison est typiquement entre 4 (300 \(\mu \)m) et 40 meV (30 \(\mu \)m), donc dans l’infrarouge lointain et le submillimétrique.

Les énergies plus basses de 1 à 10 meV correspondent au domaine électromagnétique du millimétrique. Elles mettent en jeu les excitations des niveaux quantiques vibrationnels et rotationnels des molécules.

Pour les photons d’énergie plus faible (mais de haute fréquence > 10 MHz – radiofréquences), on constate un effet Joule (effet thermique) dû à l’agitation des charges et des dipôles au passage de l’onde.

Pour les basses fréquences (< 100 kHz), le champ électrique est très fortement atténué en pénétrant dans le corps humain qui fait cage de Faraday (facteur d’atténuation de \(\sim \) 25 000 000) ; le champ magnétique associé génère des courants induits (densité de courant qui s’exprime en \(\text {A}\cdot \text {m}^{-2}\)).

Pour les fréquences intermédiaires [100 kHz, 10 MHz], il y a coexistence des deux effets.

Le débit d’absorption spécifique (DAS)

Pour les ondes de fréquence supérieure à 100 kHz, typiquement, la puissance absorbée par unité de masse du matériau considéré est définie par le DAS : \begin{equation}\begin{split} \text {Débit d'absorption spécifique (DAS)}\\ = \frac {dE_{\gamma }}{dm\times dt} \end{split}\end{equation} ou SAR en anglais, qui s’exprime en \(\text {W}\cdot \text {kg}^{-1}\).

Le DAS peut être calculé numériquement à partir de simulations de propagation des ondes et de modèles numériques de corps humains9. Il peut être également mesuré, à l’aide d’un protocole très strict et normalisé (Hamada et al. 2009), ce que fait par exemple l’Agence Nationale des Fréquences10 sur les téléphones vendus en France11.

Le DAS peut être exprimé en fonction de l’amplitude du champ électrique \(E\) et en fonction de l’élévation de température \(T\) par rapport au temps \(t\) selon : \begin{equation} DAS = \sigma \frac {E^2}{\rho } = c_p \frac {dT}{dt} \end{equation} où \(\sigma \) est la conductivité électrique du matériau (corps humain), \(\rho \) est sa densité, \(c_p\) est sa capacité thermique massique.

Pour mesurer le DAS (Hamada & Watanabe 2016), on utilise un modèle physique du corps humain (que l’on appelle un « fantôme ») ayant les mêmes propriétés de conductivité électrique, densité, capacité thermique (en première approximation de l’eau, le corps humain étant majoritairement composé d’eau). Et on mesure l’élévation de température avec des sondes de températures à réponse rapide, en évitant de perturber le champ électromagnétique.

5.3.4 Selon les domaines de fréquences

Fréquences extrêmement basses (< 300 Hz)

Il s’agit typiquement des ondes électromagnétiques générées par le courant alternatif de 50 Hz (lignes hautes tensions, appareils électroménagers. . .).

On ne constate aucune réaction biologique manifeste pour des champs électriques jusqu’à \(\sim \) 10 kV/m. Et aucune réaction biologique pour des champs magnétiques à 50/60 Hz jusqu’à \(\sim 1\) mT (voir figure 5.5).

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Figure 5.5 – Effets des courants induits dans le corps humain, pour une fréquence de 50 Hz et différentes intensités du champ magnétique. Tiré de http://solidarites-sante.gouv.fr/IMG/pdf/Champs_electromagnetiques_extremement_basse_frequence_DGS_2014.pdf (INRS 2001).

5.3.5 Fréquences intermédiaires [100 kHz, 10 MHz]

Par exemple :

Les technologies employées respectent les normes de limites d’exposition. On constate une absence d’effet aigu sur la santé (avec un recul de plusieurs décennies pour la radio !).

5.3.6 Radiofréquences [10 MHz, 300 GHz]

Par exemple :

  • la radiodiffusion FM/TV (TNT) ;
  • les communications sans fil (téléphonie mobile, wifi, etc.).

À ces fréquences, les ondes électromagnétiques interagissent avec l’eau des tissus biologiques. La polarisation des molécules d’eau fait qu’elles vont « suivre » l’orientation du champ électrique oscillant, les frottements intermoléculaires vont générer une élévation de température. C’est le principe de chauffage du four à micro-ondes (voir section 5.5).

Les modélisations théoriques couplées aux recherches expérimentales sur diverses espèces (autres que l’humain), montrent qu’avec des expositions résultant d’un DAS moyen pour l’ensemble du corps d’environ 6 \(\text {W}\cdot \text {kg}^{-1}\), dans la gamme de fréquences de 100 kHz à 6 GHz, pendant au moins une heure dans des conditions thermiquement neutres (28 \(^\circ \)C, nu, au repos), sont nécessaires pour induire une augmentation de 1 \(^\circ \)C de la température du corps chez les adultes humains. Un DAS plus élevé est nécessaire pour atteindre cette élévation de température chez les enfants en raison de leur dissipation thermique plus efficace. Cependant, étant donné le peu de données de mesure disponibles, la Commission internationale sur la protection des rayonnements non-ionisants (ICNIRP12) a adopté une position conservatrice et utilise 4 \(\text {W}\cdot \text {kg}^{-1}\) en moyenne sur 30 minutes comme niveau d’exposition à ces ondes électromagnétiques correspondant à une élévation de la température du corps de 1\(^\circ \)C (ICNIRP 2020).

Notons que la thermorégulation du corps humain est très efficace. À titre de comparaison, un adulte humain génère une puissance d’environ 1 \(\text {W}\cdot \text {kg}^{-1}\) au repos, près de 2 \(\text {W}\cdot \text {kg}^{-1}\) en position debout et environ 10 à 12 \(\text {W}\cdot \text {kg}^{-1}\) en courant (ICNIRP 2020).

À mesure que la fréquence des ondes augmente, l’exposition du corps et l’échauffement qui en résulte deviennent plus superficiels et, au-dessus d’environ 6 GHz, cet échauffement se produit principalement dans la peau.

La limite légale (voir le tableau 5.2) du DAS est donc : DAS < 2 \(\text {W}\cdot \text {kg}^{-1}\) (pour la tête et le tronc). Actuellement, la majorité des smartphones ont un DAS < 1 \(\text {W}\cdot \text {kg}^{-1}\).

DAS moyen dans le corps DAS tête et tronc Texte législatif
Effet établi 4 \(\text {W}\cdot \text {kg}^{-1}\) 20 \(\text {W}\cdot \text {kg}^{-1}\)
Limite pour les travailleurs 0,4 \(\text {W}\cdot \text {kg}^{-1}\) 10 \(\text {W}\cdot \text {kg}^{-1}\) Directive 2004/40/CE
Limite pour le public 0,08 \(\text {W}\cdot \text {kg}^{-1}\) 2 \(\text {W}\cdot \text {kg}^{-1}\) RE 1999/519/CE

Table 5.2 – Valeurs des limites fondamentales du DAS fixées par l’ICNIRP : valeurs moyennes à respecter sur une durée de 6 min sur une région très localisée de masse 10 g (ICNIRP 2020). Le facteur de protection pour tenir compte des incertitudes scientifiques et des différences physiologiques en termes de thermorégulation est de 10 pour les travailleurs et 50 pour le public (corps entier), moins au fait des expositions et des mesures d’atténuation. Il est respectivement de 2 et 10 pour les régions localisées.

Les normes actuelles ne prennent en compte que les effets thermiques, comme nous venons de le voir. Les effets cancérogènes à long terme en sont exclus. Pour le moment aucune étude épidémiologique sérieuse (voir section 5.6) ne permet d’établir un risque significatif avéré pour la santé humaine dans des conditions normales d’utilisation. Néanmoins, quelques études ayant observé un éventuel excès de risque suite à de fortes et longues expositions, le CIRC13 a décidé de classer les champs électromagnétiques de radiofréquence comme « peut-être cancérogènes pour l’homme » (groupe 2B) (Baan et al. 2011). L’effet cancérogène des champs électromagnétiques émis par les technologies de communications sans fil reste controversé.

Il n’y a pas de problème sanitaire pour les sources en champ lointain (antennes relais, wifi. . .) car le niveau d’exposition est très bas (décroissance de l’énergie avec le carré de la distance). Cependant, le nombre d’utilisateurs de téléphones portables (champ proche) étant important, une augmentation minime du risque pourrait se traduire par un problème de santé publique, donc l’activité de recherche se poursuit, d’autant que le recul dans le temps est faible. Néanmoins aucun mécanisme connu ne vient étayer un possible effet nocif sur la santé, car les intensités et puissances sont trop faibles pour générer un transfert thermique suffisant14.

5.4 Électrosensibilité

L’électrosensibilité est un syndrome défini par l’individu lui-même et non par la\(\cdot\)le médecin. Les personnes en souffrant présentent des symptômes réels que l’on retrouve dans la population générale (maux de tête, troubles du sommeil. . .) mais plus fréquents et pouvant devenir invalidants. Des essais cliniques réalisés en double aveugle, où les patient\(\cdot\)e\(\cdot\)s sont exposé\(\cdot\)e\(\cdot\)s à des champs tantôt réels, tantôt factices, ont démontré que les personnes se jugeant hypersensibles étaient incapables de distinguer une exposition aux champs électromagnétiques réels d’une exposition simulée15 (Rubin et al. 2005). On parle alors d’« effet nocebo » qui est un effet psychologique de personnes ressentant des effets secondaires indésirables en consommant ou en étant exposés à des produits inertes16.

Cette « peur des ondes » a été relayée par la presse à l'occasion d'une affaire survenue en 200917 : certain\(\cdot\)e\(\cdot\)s habitant\(\cdot\)e\(\cdot\)s d'un quartier de Saint-Cloud se seraient mis à avoir des troubles divers et variés après qu'un opérateur de téléphonie a installé des antennes relais dans leur résidence. Il s'est avéré par la suite, que les antennes n'étaient pas encore alimentées. . .

Il se trouve que les médias pourraient avoir une certaine responsabilité dans l’épidémie : une étude (Witthöft & Rubin 2013) intitulée « Les avertissements des médias concernant les effets néfastes sur la santé de la vie moderne s’auto-réalisent-ils ? Une étude expérimentale sur l’intolérance environnementale idiopathique (i.e. symptômes que l’on éprouve pour soi-même) attribuée aux champs électromagnétiques » conclut que :

Les reportages des médias sur les effets néfastes de substances supposées dangereuses peuvent augmenter la probabilité d’éprouver des symptômes à la suite d’une exposition fictive et de développer une sensibilité apparente. Un plus grand engagement entre les journalistes et les scientifiques est nécessaire pour contrer ces effets négatifs.

5.5 Et le four à micro-ondes alors ?

Le four à micro-ondes génère et utilise des ondes de même fréquence que celles des téléphones portables. Or le four à micro-onde sert à cuire des aliments. Donc les téléphones portables pourraient très bien faire cuire notre cerveau ? Pour répondre à cette question voyons d’abord comment fonctionne un four à micro-ondes.

5.5.1 Fonctionnement

Le four à micro-ondes a été inventé de manière inopinée à la sortie de la seconde guerre mondiale quand un ingénieur américain travaillant sur les radars se serait aperçu que les ondes électromagnétiques qu’il manipulait pouvaient chauffer.

À partir de la tension alternative du réseau électrique ménager (220 V, 50 Hz) on obtient une haute tension continue avec d’une part un transformateur pour élever la tension, et d’autre part un circuit redresseur généralement constitué de diodes pour convertir cette tension en courant continu. Celui-ci alimente un magnétron qui va générer des ondes électromagnétiques.

Un magnétron18 à cavité se compose d’une cathode cylindrique portée à un potentiel négatif élevé créé par la haute tension précédemment générée. La cathode est placée au centre d’une chambre métallique circulaire, lobée et sous vide. Les parois de la chambre constituent l’anode du tube. Un champ magnétique parallèle à l’axe de la cavité est généré par un aimant permanent. Les électrons se déplacent initialement radialement vers l’extérieur de la cathode, attirés par le champ électrique des parois de l’anode. Le champ magnétique courbe la trajectoire des électrons qui spiralent vers l’extérieur, conséquence de la force de Lorentz. Des cavités cylindriques sont réparties sur le pourtour de la chambre. Des fentes sont découpées sur la longueur des cavités et s’ouvrent sur l’espace central commun. Lorsque les électrons passent devant ces fentes, ils induisent un champ électromagnétique à haute fréquence dans chaque cavité résonnante selon le principe de l’antenne. Le champ est alors conduit dans un guide d’ondes (un tube métallique) qui dirige l’énergie électromagnétique ainsi extraite vers la chambre de cuisson.

La taille des cavités détermine la fréquence de résonance, et donc la fréquence des micro-ondes émises.

La figure 5.6 montre schématiquement comment fonctionne le four à micro-ondes. Ses caractéristiques sont les suivantes :

PIC

Figure 5.6 – Illustration du fonctionnement du four à micro-ondes. Source : Wikipédia/Vorzinek. CC BY-SA.

Comment sont chauffés les aliments ?

La molécule d’eau est polarisée (figure 5.7a), ce qui lui permet de s’orienter selon un champ électrique auquel elle est soumise (figure 5.7b, c). Une onde électromagnétique étant (entre autres) composée d’un tel champ, oscillant, l’eau va ainsi pouvoir osciller, changer de direction au gré de l’onde (figure 5.7d). Le chauffage a lieu grâce aux « frottements » moléculaires et à la diffusion thermique19.

PIC

Figure 5.7 – Principe du chauffage par des ondes électromagnétiques micro-ondes. (a) Schéma de la molécule de d’eau avec son moment dipolaire \(\overrightarrow p\). (b) En l’absence de champ électrique \(\overrightarrow E\) extérieur, les moments dipolaires des molécules d’eau sont orientés de manière désordonnée. (c) En présence d’un champ électrique \(\overrightarrow E\) extérieur, les moments dipolaires s’alignent. (d) Si le champ \(\overrightarrow E\) extérieur oscille, les moments dipolaires de l’eau oscillent de concert. Crédit : Julia Fraud. CC BY-NC-ND.

Dangereux, le four à micro-ondes ?

L’enceinte du four est métallique, la porte elle-même est dotée d’une grille métallique, qui permet de voir à l’intérieur, mais empêche les ondes de sortir (cage de Faraday).

Selon les normes en vigueur, les fuites de rayonnement ne doivent pas excéder 5 mW/cm\(^2\) à une distance de 5 cm. Le tableau 5.3 donne des mesures du rayonnement de fuite pour un certain nombre de fours d’âges divers. Les trois études présentant ces mesures arrivent à la conclusion que le rayonnement de fuite est le plus important lorsque les joints d’étanchéité de la porte sont usés ou encrassés, ou lorsque la porte ou le système de fermeture sont usés. Le rayonnement de fuite maximal admissible n’a été dépassé que dans un seul cas.

Le tableau 5.4 donne des mesures du DAS du rayonnement de fuite de fours à micro-ondes à différentes distances. À une distance de 30 cm (ce qui correspond à une exposition de tout le corps) comme à une distance de 5 cm (ce qui correspond par exemple à l’exposition de la tête lorsqu’on regarde les aliments dans le four), les valeurs DAS sont nettement inférieures aux valeurs limites recommandées. Ce n’est qu’au contact direct avec le four que les valeurs limites recommandées sont dépassées.

Étude Rayonnement de fuite moyen (mW/cm\(\mathbf {^2}\)) Nombre d’appareils testés Âge des appareils testés (années)
Alhekail 2001 (appareils usagés) 0,41 106 0,1–14
Thansandote 2000 (appareils neufs) 0,08 60 0
Thansandote 2000 (appareils usagés) 0,17 103 1–23
Matthes 1992 (appareils usagés) < 0,062 pour 50 % des appareils; max = 0,086 130 0,5–18

Table 5.3 – Mesure du rayonnement de fuite des fours à micro-ondes selon trois études. Source : OFSP (2016).

Distance (cm) DAS mesuré (W/kg) Limite recommandée
DAS (W/kg) Partie du corps exposée
< 0,1 7,95 4 membres
5 0,256 2 tête, tronc
30 0,0056 0,08 corps entier

Table 5.4 – Débit d’absorption spécifique (DAS) du rayonnement de fuite des fours à micro-ondes selon l’étude de Bangay et al. (2003) en fonction de la distance. Tiré de OFSP (2016).

5.5.2 Conclusion : le téléphone portable est-il un four à micro-ondes ?

D’une part, on constate que les fours à micro-ondes sont inoffensifs tant qu’ils sont en bon état. D’autre part, la fréquence de la téléphonie mobile est dans la même gamme que celle des fours à micro-ondes. Mais la différence principale est que la puissance émise n’est pas du tout la même : elle est supérieure à 500 W pour la cuisson des aliments, contre \(\sim \) 1 W pour un téléphone portable. C’est cette grande différence de puissance, et en particulier la faible puissance des téléphones portables (qui tend de surcroît à diminuer plus la technologie progresse), qui explique que l’on ne peut pas se cuire le cerveau en téléphonant. Néanmoins l’utilisation des téléphones portables étant récente, des études sur d’éventuels effets à long terme sont en cours (étude COSMOS, par exemple).

5.6 Quelques « études » sur l’effet des ondes sur la santé

1.La localisation et les caractéristiques techniques de chaque antenne peuvent être consultées sur le site de l’Agence Nationale des Fréquences : https://www.cartoradio.fr ou sur https://www.antennesmobiles.fr/ pour une présentation différente des mêmes données.

2.dBm est le rapport de puissances en décibels mesurées en mW : \[ x\ \text {dBm} = 10\ \log \frac {P}{1\ \text {mW}} \] Donc 0 dBm correspond à une puissance de 1 mW.

3.La simulation considère des bâtiments aux murs de béton de 75 cm d’épaisseur, présentant une atténuation de 13 dB sous incidence normale à 900 MHz.

4.Voir : http://www.radiofrequences.gouv.fr/fixer-des-limites-d-exposition-a92.html.

5.La permittivité \(\varepsilon \) d’un matériau quantifie sa réponse à un champ électrique. Elle dépend du matériau et des caractéristiques du champ électrique. Elle est exprimée relativement à la permittivité du vide, \(\varepsilon _0\) qui est une constante : \(\varepsilon _0 = 8,854187\cdot 10^{-12} \text {F}\cdot \text {m}^{-1}\) selon : \(\varepsilon = \varepsilon _r \times \varepsilon _0\). \(\varepsilon _r\) est la permittivité relative du matériau, sans unité. Elle vaut 1 pour le vide (par définition), 2,1 pour du téflon, 5 pour du verre et du PVC, 78 pour de l’eau distillée à basses fréquences.

6.La perméabilité magnétique d’un matériau caractérise sa réponse à un champ magnétique. Elle s’exprime comme le produit d’une perméabilité relative \(\mu _r\), sans dimension, dont la valeur dépend du matériau, et de la perméabilité du vide, \(\mu _0\), constante, qui vaut \(4\pi \cdot 10^{-7}\,\text {H}\cdot \text {m}^{-1}\).

7.Voir la table des énergies d’ionisation : https://fr.wikipedia.org/wiki/énergie_d’ionisation#Valeurs_numériques_des_énergies_d’ionisation

8.Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Liaison_chimique

9.Voir par exemple : https://sfrp.asso.fr/wp-content/uploads/2021/05/S3c-Joe_WIART.pdf.

10.ANFR – https://www.anfr.fr/

11.Leur base de données de mesures est en ligne ici : https://data.anfr.fr.

12.L’ICNIRP a pour objectif de protéger les personnes et l’environnement contre les effets néfastes des rayonnements non ionisants. À cette fin, l’ICNIRP élabore et diffuse des conseils fondés sur des données scientifiques pour limiter l’exposition aux rayonnements non ionisants (https://www.icnirp.org/).

13.Le CIRC est le Centre International de Recherche sur le Cancer. C’est une agence de recherche sur le cancer de l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS), basée à Lyon. Ses missions sont de coordonner et de mener des recherches sur les causes du cancer chez l’être humain, sur les mécanismes de la cancérogenèse et d’élaborer des stratégies scientifiques de lutte contre le cancer. Dans ce cadre, il identifie les facteurs environnementaux et professionnels susceptibles d’accroitre le risque de cancer chez l’homme en les classifiant. Des groupes de travail interdisciplinaires composés d’experts scientifiques internationaux examinent les études publiées sur un agent et évaluent le degré d’indication de cancérogénicité qu’il présente. Pour cela, ils s’appuient sur un ensemble de principes, de procédures et de critères scientifiques décrits dans les monographies du CIRC. Le CIRC examine la cancérogénicité éventuelle de produits chimiques, de mélanges complexes de substances, d’expositions professionnelles, d’agents physiques et biologiques et de facteurs comportementaux. On utilise le terme d’agent pour désigner l’ensemble. Le CIRC définit 3 groupes (de 1 à 3) correspondant à des degrés d’indication de cancérogénicité pour l’être humain. Le deuxième est subdivisé en groupe 2A et 2B. Ces groupes sont les suivants :

Source : https://www.cancer-environnement.fr/fiches/publications-du-circ/classification-des-substances-cancerogenes/

14.Notons toutefois que des recherches récentes semblent montrer que les ondes électromagnétiques pourraient avoir un effet physiologique sur certaines cellules du corps humain, par l’intermédiaire d’une protéine sensible au champ magnétique, le cryptochrome. Voir par exemple : Des chercheurs montrent que les champs magnétiques agissent sur les cellules par David Larousserie, Le Monde, 16 octobre 2018, https://www.lemonde.fr/sciences/article/2018/10/16/des-chercheurs-montrent-que-les-champs-magnetiques-ont-des-effets-sur-les-humains_5370290_1650684.html.

15.Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Sensibilité_électromagnétique

16.Même si cet effet dans le cadre de l’explication de l’électrosensibilité est questionné (Dieudonné 2016).

17.Voir http://rue89.nouvelobs.com/2013/06/09/mobiles-wifi-antennes-les-ondes-mont-tuer-243087.

18.Sur le fonctionnement détaillé du magnétron, voir Rohit Choudhury, Magnetron, 2015, diapositives. https://www.slideshare.net/RohitChoudhury1/magnetron-55879835/8.

19.Pour en savoir plus, voir par exemple Wikipédia : Four à micro-onde (https://fr.wikipedia.org/wiki/Four_à_micro-ondes#Action_des_micro-ondes_sur_la_molécule_d’eau)

20.http://interphone.iarc.fr/

21.OMS, Publication de l'étude Interphone sur l’utilisation des téléphones portables et le risque de cancer du cerveau, communiqué de presse. https://www.iarc.who.int/wp-content/uploads/2018/07/pr200_F.pdf

22.http://www.ukcosmos.org/

23.http://www.unice.fr/zetetique/articles/HBJBDBDC_Draper.html

Note de l'éditeur : ce manuel comporte un ensemble d'hyperliens vers des pages de sites internet. Leur validité ainsi que l'accès aux informations correspondantes ont été contrôlés en date du 1er février 2023.