Wprowadzenie telefonii komórkowej piątej generacji (5G) budzi emocje. Branża komórkowa zaciera ręce z zachwytu – wiadomo: więcej pieniędzy na kontach. Cieszą się też orędownicy „inteligentnych” miast, domów, samochodów – lepszy transfer danych w 5G pomoże ziścić niektóre smart-marzenia. Tymczasem meteorolodzy ręce… załamują. Dla nich 5G to krok wstecz, być może nawet do lat 80. minionego wieku.
Wyobraź sobie sielski poranek. Budzi cię śpiew skowronków, szum drzew, szmer strumienia. Przeciągasz się na łóżku, delektując dźwiękami, przy których ludzki gatunek ewoluował przez setki tysięcy lat. Nagle idyllę przerywa sąsiad i jego kosiarka. Bo trawę przecież skosić trzeba, a w imię postępu nie wypada tego robić niemal bezgłośną kosą ręczną (ba! kto w ogóle ma takowy „gadżet” w garażu?). Odgłosy natury trafił szlag. Ciebie też, bo kosiarka coraz głośniejsza… Wstajesz lewą nogą i dzień już nie będzie tak cudowny, jak mógłby być.
Sytuacja, którą opisałem, to przykład zagłuszenia sygnału (dźwięki przyrody) przez szum/ zakłócenia (kosiarka). Tak w skrócie przedstawia się problem, z jakim mierzą się metrolodzy na progu ery 5G.
Zacznijmy od szumu. Komunikacja między telefonami komórkowymi odbywa się bezprzewodowo, poprzez łącza radiowe. Sygnał radiowy to nic innego, jak pewien zakres promieniowania elektromagnetycznego. Przez lata telefonia komórkowa (od 1G po 4G włącznie) opierała swój rozwój na częstotliwościach z zakresu od około 0,4 GHz do około 2,6 GHz, sporadycznie wyższych, ale nie przekraczających granicy 6 GHz. 5G przynosi istotną zmianę – dopuszcza wykorzystanie nowego zakresu, powyżej 6 GHz, sięgającego nawet do 100 GHz. Tu pojawia się problem: niektóre z wyższych częstotliwości są od lat wykorzystywane w satelitarnych obserwacjach pogody.
Teraz o sygnale. Najważniejszym gazem cieplarnianym w atmosferze jest para wodna, stanowiąca też ważny element cyklu hydrologicznego. Od poprawnego uwzględnienia pary wodnej w numerycznych modelach pogody zależy, czy właściwie przewidziana zostanie temperatura, opady, zachmurzenie, … Istnieje pewna grupa instrumentów satelitarnych, wyspecjalizowanych w określaniu zawartości pary wodnej w atmosferze. Znajdziemy je na m.in. satelitach serii NOAA i Metop, czyli fundamencie współczesnej meteorologii. Jakość obserwacji pary wodnej zależy w dużym stopniu od wiarygodności pomiarów na częstotliwość 23,8 GHz.
5G po raz pierwszy oddaje zakres ~24 GHz w ręce telefonii komórkowej. Raport Global mobile Suppliers Association stwierdza, że połowie roku 2020 na świecie było już 123 operatorów inwestujących w rozwój sieci 5G opartej o zakres 24,25 GHz – 29,5 GHz. Oznacza to, że w najbliższej przyszłości zaroi się od anten emitujących sygnał bardzo blisko tego, którego od dekad nasłuchują meteorolodzy.
Teoretycznie pasma meteo i 5G nie powinny na siebie nachodzić. Jednak społeczność naukowa obawia się, że sygnał 5G będzie na tyle silny, iż „rozleje się” na sąsiednie częstotliwości (w tym tę ważna dla obserwacji pary wodnej). Gdy naukowcy będą chcieli zarejestrować delikatny śpiew ptaków, usłyszą jedynie głośną kosiarkę sąsiada.
Specjaliści z europejskich i amerykańskich agencji kosmicznych i meteorologicznych spróbowali ustalić, jak duże jest zagrożenie. Skupili się na tym, jak bardzo trzeba „ściszyć” anteny 5G, by ich sygnał nie zagrażał obserwacjom satelitarnym. Oszacowali, że w spornym paśmie akceptowalny poziom mocy anten 5G nie powinien przekraczać około 0.006 mW (miliwatów). Tymczasem rząd Stanów Zjednoczonych dopuszcza wartość… 1700 razy większą. W ocenie NOAA (narodowej agencji meteo USA), jeśli taki stan się utrzyma, utracone zostanie 77% danych satelitarnych na temat pary wodnej. W efekcie trafność prognoz spadnie o 30%, tj. do poziomu jaki ostatni raz odnotowano w latach 80. minionego stulecia.
Eksperci rozpoczęli walkę o ocalenie zakresu 23,8 GHz. Okazją do negocjacji była ogólnoświatowa konferencja w egipskim Szarm el-Szejk, w listopadzie 2019. Naprzeciwko siebie stanęły dwie ważne agendy ONZ. Z jednej strony organizator obrad: Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (International Telecommunication Union, ITU). W przeciwnym narożniku: Światowa Organizacja Meteorologiczna (World Meteorological Organization, WMO).
WMO optowało za proponowanym przez środowisko naukowe limitem 0.003 mW. Zrzeszeni u ITU regulatorzy rządowi proponowali bardziej liberalne podejście: limit 0.060 mW (Europa) czy nawet 10 mW (USA). Starcie wygrała ITU. Przyjęto bowiem wariant pośredni, który mimo wszystko jest porażką dla meteorologii. ITU zdecydowała że do roku 2027 obowiązującym limitem dla stacji bazowych 5G będzie wartość 0,5 mW (160 razy wyższa, niż wnioskowana przez WMO). Po tym okresie wymagania zostaną zaostrzone i limit wyniesie 0,125 mW, jednak powstała wcześniej infrastruktura będzie mogła działać nadal z limitem 0,5 mW.
Szanse na zmianę ustaleń są marne. Naukowcy szukają teraz sposobów w jaki sposób zminimalizować szkody. Sugerowanym przez nich rozwiązaniem jest czasowe przełączanie się sieci komórkowej z 5G na 4G na kilka sekund, w czasie których satelita przelatuje nad dana lokalizacją. Z drugiej strony operatorzy komórkowi podkreślają, że sieci oparte o 24 GHz obejma tylko niewielkie obszary (miasta). To dla tego, że fale o częstotliwości 24 GHz są bardzo krótkie i sygnał jest tłumiony chociażby przez ściany budynków. (Oczywiście emitowany w górę na ściany nie napotka).
Jak na razie historia się tu kończy. Czy raczej ten jej rozdział. Operatorzy sieci komórkowych rozglądają się już bowiem za innymi częstotliwościami powyżej 20 GHz, a rządy zacierają ręce na myśl, o kolejnych miliardach dolarów dochodu z aukcji częstotliwości. Amerykańska Federalna Komisja ds. Komunikacji bierze pod uwagę sprzedaż zakresów 36 GHz-37 GHz (ważny dla satelitarnych obserwacji deszczu i śniegu), 50,2 GHz-50,4 GHz (ważny dla określanie pionowego profilu temperatury), 80 GHz-90 GHz (obserwacje chmur), …