Крайне низкая частота ( ELF ) — это обозначение ITU [1] для электромагнитного излучения ( радиоволн ) с частотами от 3 до 30 Гц и соответствующими длинами волн от 100 000 до 10 000 километров соответственно. [2] [3] В науке об атмосфере обычно дается альтернативное определение: от 3 Гц до 3 кГц. [4] [5] В соответствующей науке о магнитосфере считается, что низкочастотные электромагнитные колебания (пульсации, возникающие ниже ~ 3 Гц) лежат в диапазоне УНЧ , который, таким образом, также определяется иначе, чем радиодиапазоны ITU .
Радиоволны ELF генерируются молниями и естественными возмущениями магнитного поля Земли , поэтому они являются предметом исследований ученых-атмосферников. Из-за сложности создания антенн , способных излучать такие длинные волны, ELF использовался лишь в очень немногих системах связи, созданных человеком. Волны ELF могут проникать в морскую воду , что делает их полезными для связи с подводными лодками , а некоторые страны построили военные передатчики ELF для передачи сигналов на свои затопленные подводные лодки, состоящие из огромных заземленных проволочных антенн ( земных диполей ) на расстояние 15–60 км (9–37 км). mi) долгое время приводился в движение передатчиками, производящими мегаватты мощности. США, Россия, Индия и Китай — единственные известные страны, построившие эти средства связи ELF. [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] Объекты в США использовались в период с 1985 по 2004 год, но сейчас выведены из эксплуатации. [9]
ELF — это субрадиочастота . [14] В некоторых рецензируемых медицинских журнальных статьях ELF упоминается в контексте «крайне низкочастотных (ELF) магнитных полей (MF)» с частотами 50 Гц [15] и 50–80 Гц. [16] Правительственные учреждения США, такие как НАСА, описывают ELF как неионизирующее излучение с частотами от 0 до 300 Гц. [14] Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) использовала ELF для обозначения концепции «крайне низкочастотных (ELF) электрических и магнитных полей (ЭМП)». [17] ВОЗ также заявила, что на частотах от 0 до 300 Гц «длины волн в воздухе очень длинные (6000 км (3700 миль) при 50 Гц и 5000 км (3100 миль) при 60 Гц), и на практике В ситуациях электрические и магнитные поля действуют независимо друг от друга и измеряются отдельно». [17]
Из-за своей чрезвычайно большой длины волны ELF могут дифрагировать вокруг больших препятствий, не блокируются горными хребтами или горизонтом и могут перемещаться по кривизне Земли . Волны СНЧ и ОНЧ распространяются на большие расстояния по волноводному механизму Земля–ионосфера. [5] [18] Земля окружена слоем заряженных частиц ( ионов и электронов ) в атмосфере на высоте около 60 км (37 миль) в нижней части ионосферы , называемым слоем D , который отражает ELF. волны. Пространство между проводящей поверхностью Земли и проводящим D-слоем действует как волновод с параллельными пластинами , который удерживает СНЧ-волны, позволяя им распространяться на большие расстояния, не уходя в космос. В отличие от волн ОНЧ, высота слоя намного меньше одной длины волны на частотах СНЧ, поэтому единственная мода, которая может распространяться на частотах СНЧ, — это мода ТЕМ в вертикальной поляризации , с вертикальным электрическим полем и горизонтальным магнитным полем . Волны ELF имеют чрезвычайно низкое затухание - 1–2 дБ на 1000 км (620 миль), [18] [19] что дает одному передатчику возможность общаться по всему миру.
СНЧ-волны также могут распространяться на значительные расстояния через среды с «потерями», такие как земля и морская вода, которые поглощают или отражают высокочастотные радиоволны.
Затухание волн СНЧ настолько мало, что они могут несколько раз полностью обогнуть Землю, прежде чем затухнуть до незначительной амплитуды, и, таким образом, волны, излучаемые источником в противоположных направлениях, движущихся вокруг Земли по большому кругу, мешают друг другу. [20] На определенных частотах эти противоположно направленные волны совпадают по фазе и суммируются (усиливаются), вызывая стоячие волны . Другими словами, замкнутая сферическая полость Земля-ионосфера действует как огромный резонатор полости , усиливая СНЧ-излучение на своих резонансных частотах . Они называются резонансами Шумана в честь немецкого физика Винфрида Отто Шумана , который предсказал их в 1952 году, [21] [22] [23] [24] и был обнаружен в 1950-х годах. Моделируя полость Земля-ионосфера с идеально проводящими стенками, Шуман рассчитал, что резонансы должны возникать на частотах [20]
Реальные частоты немного отличаются от этих из-за свойств проводимости ионосферы. Фундаментальный резонанс Шумана составляет примерно 7,83 Гц, частота, при которой длина волны равна длине окружности Земли, а высшие гармоники возникают на частотах 14,1, 20,3, 26,4, 32,4 Гц и т. д. Удары молний возбуждают эти резонансы, вызывая на Земле… полость ионосферы «звенит» как колокол, что приводит к пику спектра шума на этих частотах, поэтому резонансы Шумана можно использовать для мониторинга глобальной грозовой активности.
Интерес к резонансам Шумана возобновился в 1993 году, когда Э. Р. Уильямс показал корреляцию между резонансной частотой и температурой тропического воздуха, предположив, что резонанс можно использовать для мониторинга глобального потепления . [25] [20]
Поскольку радиоволны ELF могут глубоко проникать в морскую воду, вплоть до глубины подводных лодок, некоторые страны построили военно-морские передатчики ELF для связи со своими подводными лодками , находясь под водой. В 2018 году сообщалось, что Китай построил крупнейший в мире объект ELF размером примерно с Нью-Йорк , чтобы поддерживать связь со своими подводными силами, не требуя от них всплытия. [26] В 1982 году ВМС США построили первую подводную систему связи ELF — два спаренных передатчика ELF в Клэм-Лейк, штат Висконсин , и в республике, штат Мичиган . [27] Они были закрыты в 2004 году. ВМФ России эксплуатирует СНЧ-передатчик под названием ЗЕВС («Зевс») в Мурманске на Кольском полуострове . [28] ВМС Индии имеют средство связи ELF на военно-морской базе INS Каттабомман для связи со своими подводными лодками классов «Арихант» и «Акула» . [13] [29]
Из-за своей электропроводности морская вода защищает подводные лодки от большинства высокочастотных радиоволн, делая невозможной радиосвязь с затопленными подводными лодками на обычных частотах. Однако сигналы в диапазоне частот ELF могут проникать гораздо глубже. Два фактора ограничивают полезность каналов связи ELF: низкая скорость передачи данных (несколько символов в минуту) и, в меньшей степени, односторонний характер из-за нецелесообразности установки на подводной лодке антенны необходимого размера ( антенна должна быть исключительного размера для обеспечения успешной связи). Обычно сигналы ELF использовались, чтобы приказать подводной лодке подняться на небольшую глубину, где она могла бы получить какую-либо другую форму связи.
Одной из трудностей, возникающих при вещании в диапазоне частот ELF, является размер антенны , поскольку длина антенны должна составлять, по крайней мере, существенную долю длины волн. Например, сигнал частотой 3 Гц имеет длину волны, равную расстоянию, которое электромагнитные волны проходят через данную среду за одну треть секунды. Когда показатель преломления среды больше единицы, СНЧ-волны распространяются медленнее скорости света в вакууме. При использовании в военных целях длина волны составляет 299 792 км (186 282 миль) в секунду, разделенную на 50–85 Гц, что соответствует длине примерно 3 500–6 000 км (2 200–3 700 миль). Это сопоставимо с диаметром Земли около 12 742 км (7 918 миль). Из-за этого огромного требования к размеру для передачи на международном уровне с использованием частот ELF сама Земля составляет значительную часть антенны, и необходимы чрезвычайно длинные провода в землю. Различные средства, такие как электрическое удлинение , используются для создания практичных радиостанций меньших размеров.
Соединенные Штаты содержали два объекта: в Национальном лесу Чеквамегон-Николет , штат Висконсин , и в государственном лесу реки Эсканаба , штат Мичиган (первоначально называвшийся «Проект Сангвин» , затем перед строительством его сократили и переименовали в «Проект ELF»), пока они не были демонтированы, начиная с конец сентября 2004 года. На обоих объектах в качестве проводов использовались длинные линии электропередачи , так называемые наземные диполи . Эти выводы состояли из нескольких нитей длиной от 22,5 до 45 километров (от 14,0 до 28,0 миль). Из-за неэффективности этого метода для работы системы требовалось значительное количество электроэнергии .
Передатчики в диапазоне 22 Гц также используются при техническом обслуживании трубопроводов или очистке скребков . Сигнал генерируется в виде переменного магнитного поля, а передатчик монтируется на «скребке» — очистительном устройстве, вставленном в трубу, или на его части. Свинья проталкивается через трубопровод, в основном металлический. Сигнал ELF может быть обнаружен через металл, что позволяет определить его местоположение приемниками, расположенными снаружи трубы. [30] Он используется для проверки того, прошла ли свинья определенное место, или для обнаружения застрявшей свиньи.
Некоторые радиолюбители записывают сигналы ELF , используя антенны размером от 18-дюймовых активных антенн до нескольких тысяч футов в длину, используя заборы, дорожные ограждения и даже выведенные из эксплуатации железнодорожные пути. Затем они воспроизводят их на более высоких скоростях, чтобы было легче наблюдать естественные низкочастотные колебания электромагнитного поля Земли . Увеличение скорости воспроизведения увеличивает высоту тона , переводя тон в диапазон звуковых частот . [ нужна цитата ]
С 2000-х годов очень низкие частоты успешно используются в море для геофизической разведки нефти. [31]
На Земле присутствуют естественные СНЧ-волны, резонирующие в области между ионосферой и поверхностью, наблюдаемые в ударах молний , которые заставляют электроны в атмосфере колебаться. [32] Хотя сигналы, генерируемые грозовыми разрядами, были преимущественно ОНЧ-компонентами, было обнаружено, что наблюдаемая СНЧ-компонента (медленный хвост) следовала за ОНЧ-компонентом почти во всех случаях. [33] Также основная мода полости Земля-ионосфера имеет длину волны, равную длине окружности Земли, что дает резонансную частоту 7,8 Гц. Эта частота и более высокие резонансные моды 14, 20, 26 и 32 Гц проявляются в виде пиков в спектре СНЧ и называются резонансом Шумана .
СНЧ-волны также были предварительно обнаружены на спутнике Сатурна Титане . Считается, что поверхность Титана плохо отражает волны СНЧ, поэтому вместо этого волны могут отражаться от границы жидкость-лед подземного океана воды и аммиака, существование которого предсказывается некоторыми теоретическими моделями. Ионосфера Титана также более сложна, чем земная: основная ионосфера находится на высоте 1200 км (750 миль), но с дополнительным слоем заряженных частиц на высоте 63 км (39 миль). Это разделяет атмосферу Титана на две отдельные резонирующие камеры. Источник естественных СНЧ-волн на Титане неясен, поскольку, судя по всему, здесь нет обширной грозовой активности. [32]
Магнитары могут излучать огромную мощность СНЧ-излучения, в 100 000 раз превышающую мощность Солнца в видимом свете . Пульсар в Крабовидной туманности излучает мощность такого порядка с частотой 30 Гц. [34] Излучение этой частоты ниже плазменной частоты межзвездной среды , поэтому эта среда для него непрозрачна и ее невозможно наблюдать с Земли.
В электромагнитной терапии , электромагнитном излучении и медицинских исследованиях частоты электромагнитного спектра от 0 до 100 Гц считаются крайне низкочастотными полями. [35] Распространенным источником воздействия на население полей ELF являются электрические и магнитные поля частотой 50 Гц/60 Гц от высоковольтных линий электропередачи и вторичных распределительных линий, например, тех, которые снабжают электроэнергией жилые кварталы. [17] [36] [35]
С конца 1970-х годов возникли различные теории заговора вокруг воздействия электрических и магнитных полей (ЭМП) СНЧ. [36] Внешние магнитные поля ELF индуцируют электрические поля и токи в организме, которые при очень высокой напряженности поля вызывают стимуляцию нервов и мышц и изменения возбудимости нервных клеток в центральной нервной системе. [ нужна цитата ]
Утверждается, что ELF на воспринимаемых человеком уровнях кВ/м вызывает раздражающее ощущение покалывания в областях тела, контактирующих с одеждой, особенно в руках, из-за индукции ELF поверхностного заряда. Из добровольцев 7% описали искровые разряды как болезненные, когда испытуемый был хорошо изолирован и коснулся заземленного предмета в поле напряжением 5 кВ/м, тогда как 50% описали аналогичный искровой разряд как болезненный в поле 10 кВ/м. [37]
Существует высокая неопределенность в отношении корреляции между долгосрочным воздействием полей снч низкого уровня и рядом последствий для здоровья, включая лейкемию у детей. В октябре 2005 года ВОЗ созвала целевую группу научных экспертов для оценки любых рисков для здоровья, которые могут возникнуть в результате «воздействия электрических и магнитных полей снч в диапазоне частот от > 0 до 100 000 Гц (100 кГц) в отношении детской лейкемии». [36] Долговременное воздействие низкого уровня оценивается как среднее воздействие жилого магнитного поля промышленной частоты выше 0,3–0,4 мкТл , и, по оценкам, только от 1% до 4% детей живут в таких условиях. [36] Впоследствии, в 2010 году, объединенный анализ эпидемиологических данных подтвердил гипотезу о том, что воздействие магнитных полей промышленной частоты связано с детской лейкемией. [38]
Ни одно другое исследование не выявило никаких доказательств в поддержку гипотезы о том, что воздействие СНЧ является фактором, способствующим развитию лейкемии у детей. [39] [40]
Опровергнутое исследование 2014 года оценило случаи детской лейкемии, связанные с воздействием магнитных полей СНЧ в Европейском Союзе (ЕС27), предполагая, что корреляции, наблюдаемые в эпидемиологических исследованиях, были причинно-следственными. В нем сообщается, что около 50–60 случаев детского лейкоза могут быть связаны с магнитными полями ELF ежегодно, что соответствует от ~ 1,5% до ~ 2,0% всех случаев детского лейкоза, происходящих в 27 странах ЕС каждый год. [41] В настоящее время, [ когда? ] однако ICNIRP и IEEE считают научные данные, связанные с возможными последствиями для здоровья от долгосрочного воздействия полей снч низкой интенсивности, недостаточными, чтобы оправдать снижение этих количественных пределов воздействия. Подводя итог, можно сказать, что если все исследования оценить вместе, доказательств того, что ЭМП могут способствовать повышению риска развития рака, не существует. [42] [43] Эпидемиологические исследования предполагают возможную связь между длительным профессиональным воздействием ELF и болезнью Альцгеймера . [44] [45]
Были некоторые опасения по поводу возможного экологического воздействия сигналов ELF. В 1984 году федеральный судья остановил строительство [ чего? ] требующие дополнительных исследований в области окружающей среды и здоровья. Это решение было отменено федеральным апелляционным судом на том основании, что ВМС США утверждали, что потратили более 25 миллионов долларов на изучение воздействия электромагнитных полей, причем результаты показали, что они аналогичны эффекту, производимому стандартными линиями распределения электроэнергии. Решение не было принято [ нужны дальнейшие разъяснения ] всеми [ кем? ] и в то время, когда использовался ELF, некоторые политики Висконсина, такие как сенаторы-демократы Херб Коль , Расс Фейнголд и конгрессмен Дэйв Оби, призывали к его закрытию.
