Burgerwetenschap: windmolens en slaap
Iedereen kan het geluid van nabije windmolens live op zijn beeldscherm weergeven met gratis programma's. Met SpectrumLab kun je urenlang het geluidsspectrum in Hertz registreren, bijvoorbeeld terwijl je zelf slaapt. En met Room EQ Wizard kun je de geluidsdruk in decibellen van moment tot moment registreren, zo lang als je wilt. Het enige wat je nodig hebt zijn twee computers en twee geschikte microfoons, bij voorkeur gekalibreerde meetmicrofoons (bijvoorbeeld de UMIK-1) maar om mee te beginnen is elke USB microfoon geschikt. Beide programma's - SpectrumLab en Room EQ Wizard - zijn in een handomdraai te downloaden, installeren en activeren.
Iedereen kan ook het verloop van zijn slaap in kaart brengen. Niet zo nauwkeurig als artsen dat kunnen met hun EEG en PSG, maar wel in grote lijnen en - dit is een belangrijk voordeel - 365 nachten per jaar, thuis, en gratis. Naast de gratis opties, zoals de Sleep Cycle app voor mobiele telefoons, kan er ook gebruik worden gemaakt van een smartwatch (bijvoorbeeld de Fitbit Charge 6) of bijvoorbeeld de Oura ring.
Met deze in principe gratis middelen kun je deze dingen meten: 1) het geluidsspectrum waaronder het laagfrequente en infrasone geluid in je omgeving, 2) de geluidsdruk in Z-weging, en 3) het verloop van je slaap waaronder een benadering van de duur van je slaapfasen.
Met een extra computer zou je eventueel ook nog 4) de geluidsdruk in A-weging kunnen meten.
In de ochtend kun je dan deze meetgegevens naast elkaar leggen en/of combineren in een Excel bestand.
Zo kun je bijvoorbeeld opzoeken wat rond vijf over half drie de geluidsdruk in A-weging was (waarschijnlijk circa 40 dB), wat de geluidsddruk in Z-weging was (mogelijk 65 dB), welke frequenties verantwoordelijk waren voor het gemeten verschil (hier bijvoorbeeld 25 dB), wat de amplitude modulatie was, en hoe rond dit tijdstip de slaap was (normaal of gefragmenteerd?). Omgekeerd kun je eerst naar de slaap kijken, en bij eigenaardigheden (bijvoorbeeld een vroegtijdig ontwaken) opzoeken wat het volume en het karakter van het geluid toen was.
Als burgerwetenschapper is je doel niet een vooringenomen conclusie te bewijzen. Je doel is gegevens te verzamelen, te ordenen, te analyzeren, en je inzichten met andere onderzoekers te delen.
Je kunt dit onderzoek wel doen in het licht van een onderzoeksvraag en een (voorlopige) hypothese. Zo is de voor de hand liggende onderzoeksvraag hier: heeft het geluid van windmolens invloed op de kwaliteit en duur van de slaapfasen? De hypothese zou dan betrekking hebben op de mogelijke mechanismen van de waargenomen invloed, bijvoorbeeld het feit dat infrasoon geluid onder de 5 Hz zich in hetzelfde vaarwater begeeft als de deltagolven (0,5 - 4 Hz) van de diepe slaap.
Hypothese
De N3-slaapfase wordt gekenmerkt door laagfrequente hersenactiviteit (deltagolven van 0,5–4,5 Hz) en is daardoor potentieel gevoeliger dan andere slaapfases voor externe laagfrequente geluidstrillingen. Windturbines produceren zowel hoorbare als niet-hoorbare laagfrequente drukschommelingen, waaronder bladpassage-harmonischen en amplitude-modulatie rond vergelijkbare frequentiebanden.
Deze externe ritmes zouden — theoretisch — de intrinsieke langzame oscillaties van de N3 kunnen verstoren door fase-koppeling (entrainment) of door ritmische onderbreking van de diepe slaapdynamiek.
Verstoring van N3 leidt niet noodzakelijk tot volledig ontwaken: vaak gaat N3 onopgemerkt over in lichtere slaapfasen. Daarom is het onvoldoende om uitsluitend mensen te onderzoeken die aangeven last te hebben van windturbines. Ook mensen die volgens eigen zeggen “diep slapen”, evenals kinderen en dieren, kunnen met N3-verstoring te maken hebben zonder het bewust te merken.
Wanneer de eN3 (app-gemeten diepe slaap) herhaaldelijk verstoord raakt op momenten waarop specifieke laagfrequente geluidspatronen optreden, maakt dat verstoring van de daadwerkelijke N3 aannemelijk. Aanhoudende N3-verstoring impliceert potentiële ontregeling van het glymfatische systeem — verantwoordelijk voor nachtelijke hersenreiniging — wat mogelijk het risico verhoogt op neurologische aandoeningen, waaronder vormen van dementie en Alzheimer.
Aanvullende hypothese
Op basis van kleinschalig experimenteel slaaponderzoek - dat nu een maand gaande is - zijn we de afgelopen dagen tot de volgende voorlopige grenswaarden gekomen:
Tot ~56 dB(Z): diepe slaap goed mogelijk.
Rond 57 dB(Z): diepe slaap mogelijk, vooral direct na het in slaap vallen, maar kwetsbaar.
Rond 58-59 dB(Z): diepe slaap gefragmenteerd.
Vanaf ~60 dB(Z): diepe slaap vrijwel onmogelijk.
Deze grenswaarden hebben betrekking op een huis nabij Windpark Rhede, waar een aantal oude, zeer luidruchtige windmolens staan. Of de grenswaarden ook op andere (modernere) windparken betrekking hebben, dient nog te worden onderzocht. De hierboven genoemde 58 dB(Z) kwam overeen met circa 42 dB(A), dus een verschil van circa 16 dB.
Indien de grenswaarden correct zijn en ook voor andere windparken relevant, dan zou nieuwe wetgeving moeten worden geïmplementeerd die burgers 's nachts beschermt tegen geluidsniveaus hoger dan 56 dB(Z). Dit betekent dat windmolens van 19:00 uur (kinderbedtijd) tot 07:00 uur moeten worden stilgezet of afgeremd zodat het geluidsniveau bij de dichtstbijzijnde woningen te allen tijde onder de 57 dB blijft.
Let op: de bovenstaande waarden hebben betrekking op de nacht, wanneer het buiten stil is. Overdag is er veel meer middenfrequent geluid en kan het dus prima mogelijk zijn om tijdens een middagdutje bij 59 dBZ ongestoorde diepe slaap te beleven. Onze ervaring is dat bijvoorbeeld het geluid van vrachtwagens op circa 800 meter afstand wel zichtbaar is in SpectrumLab (tussen de 40 en 65 Hz), maar geen invloed heeft op het verloop van de diepe slaap. Het is namelijk wel laagfrequent geluid maar geen infrasoon geluid.
Deze aanvullende hypothese bevindt zich nog in een zeer vroeg stadium van ontwikkeling. De grenswaarden blijken niet elke nacht aan de slaap te correleren, en zullen zodoende beslist niet het hele verhaal zijn: niet alleen de algemene infrasone geluidsdruk speelt een rol maar ook bepaalde gebeurtenissen binnen dat infrasone spectrum. De genoemde waarden zijn slechts een benadering, en een vertrekpunt voor verder onderzoek.
Zeer waarschijnlijk is amplitude modulatie (AM) belangrijker dan de geluidsdruk in het algemeen. Wanneer de geluidsdruk in Z-weging fluctueert tussen de 64 en 68 dB, terwijl de geluidsdruk in A-weging 39 dB blijft, dan is de amplitude modulatie van het laagfrequente geluid 4 dB. Fluctueert het tussen de 60 en 70 dB, dan is de AM 10 dB.
Prof. ir. Frits van den Berg stuurde ons begin december een artikel toe waarin hij de zogenaamde G-weging omschrijft. Bij G-weging worden juist de hogere frequenties weggefilterd, waardoor de verschillen grotendeels wegvallen tussen dag en nacht, en platteland en stad. G-weging zou wel eens een zeer belangrijke rol kunnen gaan spelen in dit project. Nadeel van G-weging: maar weinig geluidsmeters hebben de functie beschikbaar. Veruit de meeste meters hebben enkel A-, C- en Z-weging.
Room EQ Wizard, decibellen in Z-weging, nabij windpark
Amplitude modulatie
Waarom zijn - wat de verstoring van de diepe slaap betreft - de fluctuaties in de geluidsdruk waarschijnlijk belangrijker in dan de infrasone geluidsdruk in het algemeen?
Stel je voor dat je een boek probeert te lezen en naast je iemand zit te bidden door herhaaldelijk hetzelfde gebed te herhalen, prevelend op dezelfde toon en met hetzelfde volume. Het is in het begin even wennen, maar al gauw is je aandacht weer volledig op je boek gevestigd. Het gebed is haast als een kabbelend beekje geworden. Het is voorspelbaar en je brein begint het te negeren.
Stel je nu voor dat je een boek probeert te lezen en iemand in de treincoupé waarin je zit een telefoongesprek begint te voeren. Soms is hij stil, omdat hij naar de persoon aan de andere kant van de lijn luistert, en soms begint hij plotseling hardop te praten. Naarmate het gesprek vordert, veranderen ook de toon en het volume van het gesprek. Soms wordt er hard gelachen, soms gefluisterd. Door de onvoorspelbaarheid van het geluid, en het dynamische bereik ervan, kan het brein er niet aan wennen. Telkens opnieuw trekt het gesprek de aandacht. Dit is geen kabbelend beekje maar knalvuurwerk.
Maar stel nu dat het een rustig gesprek is en de spreker relatief voorspelbaar zwijgt en spreekt. Hier kan het brein weer wat beter mee overweg. Het is niet zo stabiel als het gemurmer van de biddende persoon, maar ook niet zo chaotisch als de druk pratende treinreiziger.
Een enkele windmolen produceert een relatief voorspelbaar geluid: een voorspelbaar ritme.
Probleem is echter dat er meestal tientallen windmolens op een locatie staan. Dan heb je dus als het ware tientallen mensen die een relatief rustig, voorspelbaar telefoongesprek aan het voeren zijn. Omdat elk telefoongesprek een ander verloop heeft, ontstaat er wanneer we de tientallen telefoongesprekken combineren opnieuw een grillig, onvoorspelbaar patroon: soms praten de meeste mensen en neemt het geluid dus toe, en soms luisteren de meeste mensen en wordt het wat stiller, soms zijn er vooral veel mannen te horen en soms vooral veel vrouwen.
In veel windparken staan meerdere typen windmolens, die naar gelang hun afmetingen en andere eigenschappen elk wat anders op de wind reageren, en naar gelang hun mechanische elementen een ander spectrum aan geluid produceren.
Vroeger waren roeiboten uitgerust met een trommel, zodat de roeiers door middel van een ritme in hun bewegingen gesynchroniseerd konden worden. Tijdens de diepe slaap produceert het brein deltagolven: een traag "ritme". Stel je voor dat iets in het brein ritmisch op de trommel van een roeiboot slaat. En stel je nu voor dat er een andere boot naast de roeiboot komt varen: een feestboot met grote luidsprekers. De trommelaar probeert te blijven slaan in het trage ritme van de deltagolven, maar de trance-muziek van de feestboot maakt het moeilijk om het eigen ritme aan te houden. Dan komt er nog een boot naast de roeiboot varen. Dit is een boot vol hippies met djembés, en ze zijn een heel langzaam ritme aan het spelen, ongeveer net zo snel als het ritme van de deltagolven, maar soms net wat sneller en soms net wat langzamer. Door deze hippieboot is het voor de trommelaar nog veel moeilijker geworden om het ritme van de deltagolven strak aan te houden. Dan komt er een boot vol rastafari's naast de roeiboot varen, met over het Jamaicaanse sound system een reggae-nummer met een trage beat op vrijwel dezelfde snelheid als die van de deltagolven. De trommelaar kan het nu niet meer helpen en begint onbewust de snelheid van het reggae-nummer over te nemen. Er heeft entrainment plaatsgevonden, hersengolfsynchronisatie. Wikipedia: "Hersengolfsynchronisatie, ook wel neurale synchronisatie genoemd, verwijst naar de observatie dat hersengolven (grootschalige elektrische trillingen in de hersenen) zich van nature synchroniseren met het ritme van periodieke externe stimuli, zoals flikkerend licht, spraak, muziek of tactiele stimuli."
De ritmes die onze inwendige trommelaar produceert (de zogenaamde neurale oscillaties, onze hersengolven), worden door wikipedia als volgt omschreven: "Neuronale oscillatie (ook hersengolven genoemd) is de ritmische activiteit van de cellen in het centraal zenuwstelsel. Zenuwweefsel kan op verschillende manieren golvende (oscillerende) activiteit genereren. Binnen individuele zenuwcellen kunnen de golven ontstaan als trilling van een membraanpotentiaal of als ritmische patronen van actiepotentialen, die weer leiden tot golvende activiteit in de postsynaptische cel."
Dus om nu alles te combineren:
Ons lichaam gaat tijdens de slaap enkele keren door een cyclus van lichte slaap (N1 & N2), diepe slaap (N3) en droomslaap (REM), en tijdens elk van die fasen genereert het zenuwstelsel bepaalde golven, bepaalde ritmes, waarbij de deltagolven vooral belangrijk zijn als fundament van de diepe slaap, de N3. Windmolens produceren drukgolven in een vergelijkbaar ritme als het ritme van de deltagolven, en die drukgolven zijn bovendien zeer grillig door de verschillende pieken en dalen die gevormd worden door de combinatie van verschillende typen windmolens, reagerend op verschillende windrichtingen en windsnelheden, in aantallen van tientallen tot honderden in de nabije omgeving (infrasoon geluid verspreidt zich over tientallen kilometers in alle richtingen, niet simpelweg met de wind mee).
De hypothese is dat het windmolengeluid, en vooral de amplitude modulatie ervan (een constant maar grillig stijgen en dalen van de geluidsdruk), door hersengolfsynchronisatie een verstorende invloed heeft op de neuronale oscillatie: de hersenen beginnen mee te trommelen met het grillige geluid van de windmolens, maar dit grillige ritme ondersteunt de diepe slaap niet (zoals het grillige telefoongesprek in de treincoupé het lezen onmogelijk maakte), waardoor de slaper terugvalt naar de fases van lichte slaap en droomslaap, met soms zelfs een micro-arousal of volledig ontwaken.
Als bewezen kan worden dat windmolengeluid inderdaad de diepe slaap verstoort, en over een nacht genomen de totale hoeveelheid diepe slaap onderdrukt - meerdere nachten of zelfs alle nachten van de week - dan zou daarmee indirect bewezen worden dat het draaien van de windmolens 's nachts (!) schadelijk is voor de gezondheid, aangezien de diepe slaap van essentieel belang is voor talloze herstelprocessen, in onder andere de hersenen en het bewegingsapparaat (spieren, pezen, gewrichten). Ten behoeve van de volksgezondheid zouden de windmolens dan 's nachts op de rem moeten worden gezet, bijvoorbeeld van 19:00 uur (kinderbedtijd) tot 07:00 uur.
*****
Maak jouw eigen website met JouwWeb