Mikroaallot

Kuva maailmankaikkeudesta mikroaaltoalueella

Mikroaallot ovat sähkömagneettisia aaltoja. Ne ovat korkeataajuisia radioaaltoja, joiden taajuus on tuhansia kertoja tiheämpi kuin ääniradiolähetyksiin käytettävien radioaaltojen taajuus.[1] Mikroaaltojen aallonpituus on pidempi kuin infrapunaisella säteilyllä.

Avaruudesta tuleva luontainen taustasäteily muodostuu äärimmäisen heikosta mikroaaltosäteilystä, jonka aallonpituus vaihtelee noin millimetristä noin senttimetriin.[2] Ihmisperäisen mikroaaltosäteilyn määrä on moninkertainen luonnon taustasäteilyyn verrattuna. Langaton viestintäteknologia tuottaa länsimaissa suurimman osan ympäristön mikroaaltosäteilystä. Matkapuhelinverkko lähettää ympäristöön jatkuvakestoista mikroaaltosäteilyä synnyttäen laajan mikroaaltoradiokentän, jonka eri osien voimakkuus vaihtelee sen mukaan, kuinka paljon mikroaaltoihin koodattua informaatiota eli niin sanottua mobiilidataa ilmassa on tarkoitus kuljettaa. Tuotetun mikroaaltokentän voimakkuus kasvaa tyypillisesti väestötiheyden, liikennemäärien ja langattoman internetin käyttöasteen kasvaessa.

Kuluttajaelektroniikassa mikroaaltoalueella toimivat esimerkiksi matkapuhelin- ja WLAN-verkot, sekä lyhyemmän kantaman Bluetooth-yhteys. Näitä verkkoja käyttävät esimerkiksi älypuhelimet, vanhemmat matkapuhelimet, älytelevisiot ja tulostimet. Muita mikroaaltosäteilyä ympäristöönsä lähettäviä laitteita ovat esimerkiksi tutkat, mikroaaltouunit ja avaruudessa ja ilmakehän yläosissa toimivat satelliitit.

Mikroaaltosäteily synnyttää radiokentän lisäksi myös korkeataajuisen sähkö- ja magneettikentän.

Ympäristön mikroaaltosäteilyn määrä on monikertaistunut etenkin 2010-luvulla mobiililaajakaistan käytön lisääntyessä. Mobiilidatan käyttö kaksinkertaistui vuosina 2016–2017 ja oli joulukuussa 2017 jo 20 gigabittiä henkeä kohti, mikä oli enemmän kuin missään muussa maassa.[3] Suomessa käytettiin vuonna 2018 langatonta internettiä enemmän kuin kaikissa muissa Pohjoismaissa yhteensä.[4]

Tutkimuksiin perustuvien ennusteiden mukaan langaton viestiliikenne tulee kasvamaan Suomessa vähintään kahdeksankertaiseksi vuoteen 2024 mennessä. Kasvu johtuu etenkin lisääntyvästä videoiden katselusta mobiililaitteiden kautta.[5]

Myös säteilyn voimakkuus on kasvanut, kun korkeaenergisempiä taajuuksia on otettu käyttöön. Suomen ensimmäinen matkapuhelinjärjestelmä ARP toimi 150 megahertsin taajuisilla mikroaalloilla. NMT-teknologiaan perustuva matkapuhelinverkko käytti aluksi 450:n megahertsin taajuutta. Kun vähäenergiseen 450 megahertsin säteilyyn ei mahtunut enää niin paljon analogista informaatiota, että sillä oltaisiin kyetty vastaamaan häiriöttömästi matkapuheluiden lisääntyneeseen kysyntään, alettiin tuottaa myös korkeaenergisempää 900 megahertsin mikroaaltosäteilyä. Vuonna 2018 Suomen matkapuhelinverkoissa lähetettiin 700:n, 800:n, 900:n, 1 800:n, 2 100:n ja 2 600:n megahertsin taajuista mikroaaltosäteilyä.[6]

Monilla Suomen alueilla alkaa toimia vuonna 2019 entistä tehokkaammilla, niin sanotuilla superkorkeilla eli millimetritaajuuksilla (SHF) toimiva 5G-verkko, jossa lähetetään aluksi 3 500 megahertsin taajuista ja muutaman vuoden päästä todennäköisesti 26–28 gigahertsin taajuista mikroaaltosäteilyä.[7]

Aaltoputkiliitoksia lennonjohdon tutkassa.

Mikroaaltojen tuottamiseen käytetään kiinteitä puolijohdevahvistimia tai onteloresonaattoreita eli putkivahvistimia kuten magnetronia, klystronia, tai kulkuaaltoputkea (TWT). Sekä puolijohdevahvistimissa että putkivahvistimissa elektroneja kiihdytetään sähkökentän avulla resonaattorissa, joka saadaan resonoimaan halutulla resonanssitaajuudella. Resonoivassa komponentissa elektronit kiihtyvät ja hidastuvat (pulssittuvat) luovuttaen samalla energiaa sähkömagneettiselle kentälle.[8][9][10]

Mikroaaltoja siirretään aaltoputkea pitkin.[8] Aaltoputkessa on pienemmät häviöt kuin mikroaaltoja siirrettäessä koaksiaalikaapelia pitkin, ja se kestää suurempien tehojen siirtämistä.[11]

Mikroaaltojen etenemistä ilmakehässä häiritsee niiden sironta ja absorptio, jota aiheuttavat kaasumolekyylit (lähinnä vesihöyry ja happi) sekä sadepisarat. Vaimeneminen on sitä suurempaa, mitä korkeampi taajuus (lyhyempi aallonpituus).[12] Mikroaaltojen sironta sadepisaroista on säätutkan toiminnan ydin,[13] mutta myös tiedonsiirtoon tarkoitettujen mikroaaltolinkkien kokemaa vaimenemista käytetään sateen arviointiin.[14]

Mikroaaltosäteily lähettää energiaa fotoneina eli kvantteina eli sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkasina. Kyseistä tapahtumaa kutsutaan säteilyn värähtelyksi.

Mikroaaltojen pituus vaihtelee yhdestä millimetristä kymmeneen senttimetriin. Mikroaaltosäteilyn taajuus eli värähtelynopeus on kääntäen verrannollinen mikroaaltojen pituuteen, eli lyhyet aallot luovuttavat enemmän energiaa eli fotoneita. Mikroaaltotaajuudet 1–300 gigahertsiä värähtelevät 1–300 miljardia kertaa sekunnissa eli niistä irtoaa 1–300 miljardia fotonia sekunnissa vastaten 30 cm:n–1 mm:n aallonpituuksia.

Mikroaaltojen ja radioaaltojen raja on liukuva, samoin mikroaaltojen ja kaukoinfrapunan. Mikroaallot luokitellaan taajuusalueisiin joita merkitään kirjaimilla[15]. Mikroaaltojen taajuusalueet ovat UHF (0,3–3 GHz), SHF (3–30 GHz) EHF (30–300 GHz) ja (300–3 000 GHz).

Tutkatekniikassa ensimmäiset yritykset mikroaaltotutkiksi tehtiin L- ja S-alueella (L = long, pitkä ja S = short, lyhyt). X-aluetta kehitettiin sotilastarkoituksiin ”salaisena” projektina. Kun X ja S olivat käytössä, niiden väliin otettiin C (engl. compromise, kompromissi). Saksassa kehitettiin erittäin lyhyet K-aallot (saks. kurz, lyhyt). Kirjaimissa on jonkun verran kansallisia eroja. P-alue lienee brittien ”previous” (edellinen; alue jonka tutkakäytöstä luovuttiin varhaisessa vaiheessa).[16]

Nimitys Taajuusalue
L-kaista 1–2 GHz
S-kaista 2–4 GHz
C-kaista 4–8 GHz
X-kaista 8–12 GHz
Ku-kaista 12–18 GHz
K-kaista 18–26,5 GHz
Ka-kaista 26,5–40 GHz
Q-kaista 30–50 GHz
U-kaista 40–60 GHz
V-kaista 50–75 GHz
E-kaista 60–90 GHz
W-kaista 75–110 GHz
F-kaista 90–140 GHz
D-kaista 110–170 GHz

Pohjoismaiset säteilyturvaviranomaisten vuonna 2013 julkaisema kannanotto radiotaajuuksisen säteilyn turvallisuuteen liittyen toteaa, etteivät tieteelliset tutkimukset ole kyenneet näyttämään radiotaajuuksisen säteilyn aiheuttavan terveyshaittoja, jos altistus jää Pohjoismaissa käytetyn EU:n komission suosituksen alle. EU:n komission suositus on muotoiltu kansainvälisen ICNIRP:n esittämien altistusrajasuositusten pohjalta.[17] Myös Maailman terveysjärjestö WHO toteaa, etteivät 0–300 GHz sähkö-magneettisen säteilyn terveysvaikutuksista tehdyt kokoomatutkimukset ole osoittaneet minkäänlaista yhteyttä terveyshaittoihin, kun altistus on jäänyt ICNIRP:in suositusarvojen alle.[18]

Säteilyturvallisuusviranomaisten kannanotto toteaa, etteivät tutkimukset ole onnistuneet osoittamaan laajemmassa skaalassa aivokasvainten ja mobiililaitteiden käytön yhteyttä. Tutkimustietoa on varsin rajallisesti pitkäaikaisesti, yli 13–15 vuotta jatkuneeseen laitteiden käyttöön liittyen. Muita terveysriskejä selvittäneissä tutkimuksissa on löydetty joitakin yksittäisiä linkkejä, mutta menetelmien rajoitteet estävät lopullisten päätelmien tekemisen syy-yhteyksistä.[17]

Kannanotto toteaa mobiililaitteiden tuottamien radioaaltojen pitkäaikaisten vaikutusten olevan edelleen epäselvät etenkin lasten ja nuorten osalta, ja arvioi luotettavien pitkäaikaisten tutkimustulosten saamisen vievän joitakin vuosikymmeniä.[17]

Journal of Chemical Neuroanatomy -tiedejulkaisun ”Controversies on Electromagnetic Fields in Neurobiology of Organisms” -numerossa vuonna 2016 julkaistu tutkimuskatsaus totesi mikroaaltoaltistuksen voivan aiheuttaa erilaisia neuropsyykkisiä vaikutuksia väestössä matalillakin säteilyintensiteeteillä. Vaikutusmenetelmäksi katsaus arveli mikroaaltojen kykyä saada solukalvojen sähköisesti toimivat kalsium-kanavat aktivoitumaan.[19]