Ekstremalnie niska częstotliwość

Ekstremalnie niska częstotliwość
Zakres częstotliwości
 3 do 30 Hz
Zakres długości fali
 Odpowiednio od 100 000 do 10 000 km
Pasma radiowe
ITU
– (TLF) 1 (ELF) 2 (SLF) 3 (ULF)
4 (VLF) 5 (LF) 6 (MF) 7 (HF)
8 (UKF) 9 (UHF) 10 (SHF) 11 (EKF)
12 (THF)
ECM UE / NATO / USA
IEEE
Inna telewizja i radio
1982 widok z lotu ptaka US Navy Clam Lake, Wisconsin , nadajnik ELF, używany do komunikacji z głęboko zanurzonymi okrętami podwodnymi. Prawa pierwszeństwa dwóch prostopadłych napowietrznych linii przesyłowych o długości 14 mil (23 km), które stanowiły naziemną antenę dipolową emitującą fale ELF, można zobaczyć w lewym dolnym rogu.

Ekstremalnie niska częstotliwość ( ELF ) to oznaczenie ITU dla promieniowania elektromagnetycznego ( fal radiowych ) o częstotliwościach od 3 do 30 Hz i odpowiadających im długościach fal odpowiednio od 100 000 do 10 000 kilometrów. W naukach o atmosferze zwykle podaje się alternatywną definicję, od 3 Hz do 3 kHz. W pokrewnej o magnetosferze uważa się, że oscylacje elektromagnetyczne o niższej częstotliwości (pulsacje występujące poniżej ~ 3 Hz) leżą w zakresie ULF , który w ten sposób jest również definiowany inaczej niż pasma radiowe ITU .

Fale radiowe ELF są generowane przez wyładowania atmosferyczne i naturalne zakłócenia w ziemskim polu magnetycznym , dlatego są przedmiotem badań naukowców zajmujących się atmosferą. Ze względu na trudność w zbudowaniu anten , które mogą emitować tak długie fale, częstotliwości ELF były używane tylko w nielicznych systemach komunikacyjnych stworzonych przez człowieka. Fale ELF mogą przenikać wodę morską , co czyni je przydatnymi w komunikacji z okrętami podwodnymi , a kilka krajów zbudowało wojskowe nadajniki ELF do przesyłania sygnałów do zanurzonych okrętów podwodnych, składające się z ogromnych uziemionych anten drutowych ( dipoli naziemnych ) 15–60 km (9–37 mi) długo napędzane przez nadajniki wytwarzające megawaty mocy. Stany Zjednoczone, Rosja, Indie i Chiny to jedyne znane kraje, które zbudowały te urządzenia komunikacyjne ELF. Obiekty w USA były używane w latach 1985-2004, ale obecnie są wycofane z eksploatacji.

Alternatywne definicje

ELF to częstotliwość subradiowa . Niektóre recenzowane artykuły medyczne odnoszą się do ELF w kontekście „pola magnetycznego (MF) o bardzo niskiej częstotliwości (ELF)” o częstotliwościach 50 Hz i 50–80 Hz. Agencje rządowe Stanów Zjednoczonych, takie jak NASA, opisują ELF jako promieniowanie niejonizujące o częstotliwościach od 0 do 300 Hz. Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) użyła ELF w odniesieniu do koncepcji „pola elektrycznego i magnetycznego (EMF) o bardzo niskiej częstotliwości (ELF)”. WHO stwierdziła również, że przy częstotliwościach od 0 do 300 Hz „długości fal w powietrzu są bardzo długi (6000 km (3700 mil) przy 50 Hz i 5000 km (3100 mil) przy 60 Hz), aw praktycznych sytuacjach pola elektryczne i magnetyczne działają niezależnie od siebie i są mierzone oddzielnie.

Propagacja

Typowe widmo fal elektromagnetycznych ELF w atmosferze ziemskiej, pokazujące szczyty spowodowane rezonansami Schumanna . Rezonanse Schumanna to częstotliwości rezonansowe kulistej jamy Ziemia-jonosfera. Uderzenia pioruna powodują, że wnęka „dzwoni” jak dzwon, powodując szczyty w widmie hałasu. Ostry szczyt mocy przy 50 Hz jest spowodowany promieniowaniem z globalnych sieci elektroenergetycznych . Wzrost szumu o niskich częstotliwościach (po lewej stronie) to szum radiowy spowodowany powolnymi procesami zachodzącymi w ziemskiej magnetosferze .

Ze względu na bardzo dużą długość fali fale ELF mogą uginać się wokół dużych przeszkód, nie są blokowane przez pasma górskie ani horyzont i mogą przemieszczać się wokół krzywizny Ziemi . Fale ELF i VLF rozchodzą się na duże odległości za pomocą mechanizmu falowodu Ziemia-jonosfera. Ziemię otacza warstwa naładowanych cząstek ( jonów i elektronów ) w atmosferze na wysokości około 60 km (37 mil) na dnie jonosfery , zwana warstwą D , która odbija fale ELF. Przestrzeń między przewodzącą powierzchnią Ziemi a przewodzącą warstwą D działa jak falowód z równoległą płytą , który ogranicza fale ELF, umożliwiając im propagację na duże odległości bez ucieczki w przestrzeń kosmiczną. W przeciwieństwie do fal VLF, wysokość warstwy jest znacznie mniejsza niż jedna długość fali przy częstotliwościach ELF, więc jedynym modem, który może propagować się przy częstotliwościach ELF, jest tryb TEM w polaryzacji pionowej , z pionowym polem elektrycznym i poziomym polem magnetycznym . Fale ELF mają wyjątkowo niskie tłumienie 1–2 dB na 1000 km (620 mil), co daje pojedynczemu nadajnikowi możliwość komunikacji na całym świecie.

Fale ELF mogą również przemieszczać się na znaczne odległości przez „stratne” media, takie jak ziemia i woda morska, które pochłaniałyby lub odbijały fale radiowe o wyższej częstotliwości.

Rezonanse Schumanna

Główny artykuł: rezonanse Schumanna

Ziemię kilka razy, zanim zanikną do znikomej amplitudy, a zatem fale wypromieniowane ze źródła w przeciwnych kierunkach, okrążając Ziemię po ortodromie, interferują ze sobą . Przy pewnych częstotliwościach te przeciwnie skierowane fale są w fazie i sumują się (wzmacniają), powodując fale stojące . Innymi słowy, zamknięta sferyczna wnęka Ziemia-Jonosfera działa jak ogromny rezonator wnęki , wzmacniając promieniowanie ELF na jego częstotliwościach rezonansowych . Nazywa się je rezonansami Schumanna na cześć niemieckiego fizyka Winfrieda Otto Schumanna , który przewidział je w 1952 roku i został wykryty w latach pięćdziesiątych. Modelując jamę Ziemia-jonosfera z doskonale przewodzącymi ścianami, Schumann obliczył, że rezonanse powinny występować przy częstotliwościach ok

Rzeczywiste częstotliwości różnią się nieco od tych ze względu na właściwości przewodzące jonosfery. Podstawowy rezonans Schumanna występuje przy około 7,83 Hz, czyli częstotliwości, przy której długość fali jest równa obwodowi Ziemi, a wyższe harmoniczne występują przy 14,1, 20,3, 26,4 i 32,4 Hz itd. Uderzenia pioruna wzbudzają te rezonanse, powodując, że Ziemia- wnęka jonosfery „dzwoni” jak dzwon, co skutkuje pikiem w widmie hałasu na tych częstotliwościach, więc rezonanse Schumanna można wykorzystać do monitorowania globalnej aktywności burzy.

Zainteresowanie rezonansami Schumanna zostało wznowione w 1993 roku, kiedy ER Williams wykazał korelację między częstotliwością rezonansową a temperaturą powietrza tropikalnego, sugerując, że rezonans można wykorzystać do monitorowania globalnego ocieplenia .

Łączność podwodna

Naziemna antena dipolowa używana do transmisji fal ELF, podobna do anten US Navy Clam Lake, pokazująca, jak to działa. Działa jak ogromna antena pętlowa , z prądem przemiennym I z nadajnika P przechodzącym przez napowietrzną linię transmisyjną, następnie głęboko w ziemi z jednego połączenia uziemiającego G do drugiego, a następnie przez inną linię transmisyjną z powrotem do nadajnika. Tworzy to zmienne pole magnetyczne H , które emituje fale ELF. Dla przejrzystości pokazano prąd przemienny płynący tylko w jednym kierunku przez pętlę .

Ponieważ fale radiowe ELF mogą głęboko wnikać w wodę morską, na głębokości operacyjne okrętów podwodnych, kilka krajów zbudowało morskie nadajniki ELF do komunikowania się ze swoimi okrętami podwodnymi podczas zanurzenia. Chiny niedawno zbudowały największy na świecie obiekt ELF mniej więcej wielkości Nowego Jorku , aby komunikować się ze swoimi siłami podwodnymi bez konieczności wynurzania się. Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych w 1982 roku zbudowała pierwszy podwodny obiekt komunikacyjny ELF, dwa połączone nadajniki ELF w Clam Lake w stanie Wisconsin i Republic w stanie Michigan . Zostały zamknięte w 2004 roku. Rosyjska marynarka wojenna obsługuje nadajnik ELF o nazwie ZEVS (Zeus) w Murmańsku na Półwyspie Kolskim . Indyjska marynarka wojenna ma obiekt komunikacyjny ELF w bazie morskiej INS Kattabomman do komunikowania się z okrętami podwodnymi klasy Arihant i Akula .

Wyjaśnienie

Ze względu na swoją przewodność elektryczną woda morska chroni okręty podwodne przed większością fal radiowych o wyższej częstotliwości, uniemożliwiając komunikację radiową z zanurzonymi okrętami podwodnymi na zwykłych częstotliwościach . Sygnały w zakresie częstotliwości ELF mogą jednak przenikać znacznie głębiej. Użyteczność kanałów łączności ELF ograniczają dwa czynniki: niska prędkość transmisji danych rzędu kilku znaków na minutę oraz w mniejszym stopniu jednokierunkowość związana z niepraktycznością instalowania anteny o wymaganej wielkości na łodzi podwodnej (tzw. antena musi mieć wyjątkowy rozmiar, aby osiągnąć pomyślną komunikację). Ogólnie rzecz biorąc, sygnały ELF były używane do nakazania okrętowi podwodnemu wzniesienia się na płytką głębokość, gdzie mógłby odbierać inną formę komunikacji.

Trudności w komunikacji ELF

Jedną z trudności związanych z nadawaniem w zakresie częstotliwości ELF jest rozmiar anteny , ponieważ długość anteny musi stanowić co najmniej znaczną część długości fal. Mówiąc najprościej, sygnał o częstotliwości 3 Hz (cykl na sekundę) miałby długość fali równą odległości, jaką fale EM pokonują w danym ośrodku w ciągu jednej trzeciej sekundy. Kiedy współczynnik załamania światła ośrodka jest większy niż jeden, fale ELF rozchodzą się wolniej niż prędkość światła w próżni. W zastosowaniach wojskowych długość fali wynosi 299 792 km (186 282 mil) na sekundę podzielona przez 50–85 Hz, co odpowiada długości około 3500 do 6000 km (2200 do 3700 mil). Jest to porównywalne ze Ziemi wynoszącą około 12 742 km (7918 mil). Ze względu na te ogromne wymagania dotyczące rozmiaru, aby nadawać na arenie międzynarodowej przy użyciu częstotliwości ELF, sama Ziemia stanowi znaczną część anteny i konieczne są bardzo długie przewody w ziemi. Różne środki, takie jak wydłużanie elektryczne , są wykorzystywane do budowy praktycznych stacji radiowych o mniejszych rozmiarach.

Stany Zjednoczone utrzymywały dwa obiekty, w Chequamegon-Nicolet National Forest w stanie Wisconsin oraz w Escanaba River State Forest w stanie Michigan (pierwotnie nazwany Project Sanguine , następnie zmniejszony i przemianowany na Project ELF przed budową), dopóki nie zostały rozebrane, począwszy od późnego Wrzesień 2004. W obu obiektach jako wyprowadzeń zastosowano długie linie energetyczne , tzw. dipole naziemne. Te przewody były w wielu pasmach o długości od 22,5 do 45 kilometrów (14,0 do 28,0 mil). Ze względu na nieefektywność tej metody do obsługi systemu potrzebne były znaczne ilości energii elektrycznej .

Wpływ ekologiczny

Pojawiły się pewne obawy co do możliwego wpływu sygnałów ELF na środowisko. W 1984 sędzia federalny wstrzymał budowę [ czego? ] wymagające dalszych badań środowiskowych i zdrowotnych. Wyrok ten został uchylony przez federalny sąd apelacyjny na tej podstawie, że Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych wydała ponad 25 milionów dolarów na badanie wpływu pól elektromagnetycznych, a wyniki [ potrzebne źródło ] wskazują, że były one podobne do efektu wytwarzanego przez standardową dystrybucję mocy linie. Wyrok nie został zaakceptowany [ potrzebne dalsze wyjaśnienia ] przez wszystkich [ kto? ] , aw czasie, gdy ELF był używany, niektórzy politycy z Wisconsin, tacy jak demokratyczni senatorowie Herb Kohl , Russ Feingold i kongresman Dave Obey , wzywali do jego zamknięcia.

Inne zastosowania

Przetworniki w zakresie 22 Hz wykorzystywane są również przy konserwacji rurociągów, czy piggingu . Sygnał jest generowany jako zmienne pole magnetyczne, a nadajnik jest montowany do lub do części „świni”, urządzenia czyszczącego wkładanego do rury. Świnia jest przepychana przez głównie metalowy rurociąg. Sygnał ELF może zostać wykryty przez metal, co pozwala na wykrycie jego lokalizacji przez odbiorniki umieszczone na zewnątrz rury. Służy do sprawdzania, czy świnia minęła określone miejsce lub do zlokalizowania świni, która utknęła.

Niektórzy hobbyści radiowi rejestrują sygnały ELF za pomocą anten o różnych rozmiarach, od osiemnastocalowych aktywnych anten do kilku tysięcy stóp długości, wykorzystując ogrodzenia, barierki ochronne na autostradach, a nawet wycofane z eksploatacji tory kolejowe. Następnie odtwarzają je z większą prędkością, aby łatwiej obserwować naturalne fluktuacje niskiej częstotliwości w ziemskim polu elektromagnetycznym . Zwiększenie szybkości odtwarzania zwiększa wysokość tonu , wprowadzając ton do zakresu częstotliwości audio . [ potrzebne źródło ]

Naturalne źródła

Naturalnie występujące fale ELF są obecne na Ziemi, rezonując w obszarze między jonosferą a powierzchnią, co widać w uderzeniach piorunów , które powodują oscylacje elektronów w atmosferze. Chociaż sygnały VLF były głównie generowane przez wyładowania atmosferyczne, stwierdzono, że obserwowalna składowa ELF — powolny ogon — podążała za składową VLF w prawie wszystkich przypadkach. Również podstawowy tryb wnęki Ziemia-jonosfera ma długość fali równą obwodowi Ziemi, co daje częstotliwość rezonansową 7,8 Hz. Ta częstotliwość i wyższe tryby rezonansu 14, 20, 26 i 32 Hz pojawiają się jako piki w widmie ELF i są nazywane rezonansem Schumanna .

Fale ELF zostały również wstępnie zidentyfikowane na księżycu Saturna, Tytanie . Uważa się, że powierzchnia Tytana słabo odbija fale ELF, więc fale mogą zamiast tego odbijać się od granicy ciekłego lodu podpowierzchniowego oceanu wody i amoniaku, którego istnienie przewidują niektóre modele teoretyczne. Jonosfera Tytana jest również bardziej złożona niż ziemska, z główną jonosferą na wysokości 1200 km (750 mil), ale z dodatkową warstwą naładowanych cząstek na wysokości 63 km (39 mil). To dzieli atmosferę Tytana na dwie oddzielne komory rezonansowe. Źródło naturalnych fal ELF na Tytanie jest niejasne, ponieważ wydaje się, że nie ma tam intensywnej aktywności wyładowań atmosferycznych.

Ogromne moce promieniowania ELF, 100 000 razy większe od mocy wyjściowej Słońca w świetle widzialnym, mogą być emitowane przez magnetary . Pulsar w mgławicy Krab emituje moce tego rzędu z częstotliwością 30 Hz. Promieniowanie o tej częstotliwości jest niższe od częstotliwości plazmy ośrodka międzygwiazdowego , więc ośrodek ten jest dla niego nieprzezroczysty i nie można go obserwować z Ziemi.

Narażenie

W terapii elektromagnetycznej oraz badaniach nad promieniowaniem elektromagnetycznym i zdrowiem częstotliwości widma elektromagnetycznego od 0 do 100 herców są uważane za pola o bardzo niskiej częstotliwości. Powszechnym źródłem narażenia ludności na pola ELF są pola elektryczne i magnetyczne o częstotliwości 50 Hz / 60 Hz wytwarzane przez linie przesyłowe wysokiego napięcia i drugorzędne linie dystrybucyjne, takie jak te, które dostarczają energię elektryczną do dzielnic mieszkalnych.

Możliwe skutki zdrowotne

Od późnych lat 70. podnoszono pytania, czy narażenie na pola elektryczne i magnetyczne (EMF) ELF w tym zakresie częstotliwości ma negatywne skutki zdrowotne. Zewnętrzne pola magnetyczne ELF indukują w organizmie pola i prądy elektryczne, które przy bardzo dużych natężeniach pola powodują pobudzenie nerwów i mięśni oraz zmiany pobudliwości komórek nerwowych w ośrodkowym układzie nerwowym. Skutki zdrowotne związane z krótkotrwałym narażeniem na wysokie poziomy zostały ustalone i stanowią podstawę dwóch międzynarodowych wytycznych dotyczących limitów narażenia (ICNIRP, 1998; IEEE, 2002), takich jak 0,2-0,4 mA przy 50~60 Hz.

Badanie przeprowadzone przez Reilly'ego w 1999 roku wykazało, że próg bezpośredniego postrzegania ekspozycji na ELF RF przez ochotników zaczynał się od około 2 ~ 5 kV / m przy 60 Hz, przy czym 10% ochotników wykrywało ekspozycję na ELF na tym poziomie. Procent wykrywalności wzrósł do 50% ochotników, gdy poziom ELF został podniesiony z 7 do 20 kV/m. Spośród wszystkich badanych 5% uznało postrzeganie ELF przy tych progach za irytujące.

Mówi się, że ELF na poziomie kV/m dostrzegalnym przez człowieka wywołuje irytujące uczucie mrowienia w obszarach ciała stykających się z odzieżą, zwłaszcza na ramionach, z powodu indukowania ładunku powierzchniowego przez ELF. Spośród ochotników 7% określiło wyładowania iskrowe jako bolesne, gdy badany był dobrze izolowany i dotknął uziemionego obiektu w polu 5 kV/m, podczas gdy 50% określiło podobne wyładowanie iskrowe jako bolesne w polu 10 kV/m.

Białaczka

Istnieje duża niepewność co do korelacji między długotrwałym narażeniem na niskie poziomy pól ELF a szeregiem skutków zdrowotnych, w tym białaczką u dzieci. W październiku 2005 r. WHO zwołała grupę zadaniową ekspertów naukowych w celu oceny wszelkich zagrożeń dla zdrowia, które mogą wynikać z „narażenia na pola elektryczne i magnetyczne ELF w zakresie częstotliwości> 0 do 100 000 Hz (100 kHz) w odniesieniu do białaczki dziecięcej”. Długotrwała ekspozycja na niskim poziomie jest oceniana jako średnia ekspozycja na pole magnetyczne o częstotliwości sieciowej w miejscu zamieszkania powyżej 0,3 ~ 0,4 µT i szacuje się, że tylko od 1% do 4% dzieci żyje w takich warunkach. Następnie, w 2010 r., zbiorcza analiza dowodów epidemiologicznych potwierdziła hipotezę, że narażenie na pola magnetyczne o częstotliwości sieciowej jest związane z białaczką dziecięcą.

Żadne inne badanie nie znalazło dowodów na poparcie hipotezy, że ekspozycja na ELF jest czynnikiem przyczyniającym się do białaczki u dzieci.

W badaniu z 2014 r. oszacowano liczbę przypadków białaczki dziecięcej, które można przypisać ekspozycji na pola magnetyczne ELF w Unii Europejskiej (UE-27), zakładając, że korelacje zaobserwowane w badaniach epidemiologicznych były przyczynowe. Podano, że rocznie około 50-60 przypadków białaczki dziecięcej można przypisać polom magnetycznym ELF, co odpowiada od ~1,5% do ~2,0% wszystkich przypadków białaczki dziecięcej występujących każdego roku w UE-27. Obecnie [ kiedy? ] jednak ICNIRP i IEEE uważają, że dowody naukowe związane z możliwymi skutkami zdrowotnymi długotrwałego narażenia na niskie poziomy pól ELF są niewystarczające, aby uzasadnić obniżenie tych ilościowych limitów narażenia. Podsumowując, gdy wszystkie badania są oceniane łącznie, nie ma dowodów sugerujących, że pola elektromagnetyczne mogą przyczyniać się do zwiększonego ryzyka zachorowania na raka. Badania epidemiologiczne sugerują możliwy związek między długotrwałym narażeniem zawodowym na ELF a chorobą Alzheimera .

Patenty

Zobacz też

Notatki

Informacje ogólne

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Extremely_low_frequency&oldid=1138010020 ”