Крайне низкая частота ( ELF ) — это обозначение МСЭ [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 атмосферной науке обычно дается альтернативное определение: от 3 Гц до 3 кГц. [4] [5] В смежной науке о магнитосфере считается, что низкочастотные электромагнитные колебания (пульсации, происходящие ниже ~3 Гц) лежат в диапазоне УНЧ , который, таким образом, также определяется иначе, чем радиодиапазоны МСЭ .
Радиоволны ELF генерируются молниями и естественными возмущениями в магнитном поле Земли , поэтому они являются предметом исследований ученых, изучающих атмосферу. Из-за сложности создания антенн , которые могут излучать такие длинные волны, ELF использовались только в очень немногих системах связи, созданных человеком. Волны ELF могут проникать в морскую воду , что делает их полезными для связи с подводными лодками , и несколько стран построили военные передатчики ELF для передачи сигналов на свои подводные лодки, состоящие из огромных заземленных проволочных антенн ( земляных диполей ) длиной 15–60 км (9–37 миль), приводимых в действие передатчиками, вырабатывающими мегаватты мощности. Соединенные Штаты, Россия, Индия и Китай являются единственными странами, которые, как известно, построили эти средства связи ELF. [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] Американские средства использовались в период с 1985 по 2004 год, но в настоящее время выведены из эксплуатации. [9]
ELF — это субрадиочастота . [14] Некоторые медицинские рецензируемые журнальные статьи ссылаются на ELF в контексте «крайне низкочастотных (ELF) магнитных полей (MF)» с частотами 50 Гц [15] и 50–80 Гц. [16] Правительственные агентства США, такие как NASA, 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 (EMF)». [17] ВОЗ также заявила, что на частотах от 0 до 300 Гц «длины волн в воздухе очень большие (6000 км (3700 миль) при 50 Гц и 5000 км (3100 миль) при 60 Гц), и в практических ситуациях электрические и магнитные поля действуют независимо друг от друга и измеряются отдельно». [17]
Из-за своей чрезвычайно большой длины волны, ELF-волны могут дифрагировать вокруг больших препятствий, не блокируются горными хребтами или горизонтом и могут перемещаться вокруг кривизны Земли . ELF- и VLF- волны распространяются на большие расстояния с помощью волноводного механизма 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 слоем D действует как волновод с параллельными пластинами , который ограничивает ELF-волны, позволяя им распространяться на большие расстояния, не выходя в космос. В отличие от VLF-волн, высота слоя намного меньше одной длины волны на частотах ELF, поэтому единственная мода, которая может распространяться на частотах ELF, — это мода TEM в вертикальной поляризации , с вертикальным электрическим полем и горизонтальным магнитным полем . Волны ELF имеют чрезвычайно низкое затухание, составляющее 1–2 дБ на 1000 км (620 миль), [18] [19], что дает возможность одному передатчику осуществлять связь по всему миру.
Волны СНЧ также могут распространяться на значительные расстояния через среды с «потерями», такие как земля и морская вода, которые поглощают или отражают радиоволны более высокой частоты.
Затухание ELF-волн настолько мало, что они могут полностью обойти Землю несколько раз, прежде чем затухнуть до незначительной амплитуды, и, таким образом, волны, излучаемые источником в противоположных направлениях, огибая Землю по большой окружности , интерферируют друг с другом. [20] На определенных частотах эти противоположно направленные волны находятся в фазе и складываются (усиливаясь), вызывая стоячие волны . Другими словами, замкнутая сферическая полость Земля-ионосфера действует как огромный резонатор полости , усиливая излучение ELF 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]
Фактические частоты немного отличаются от этих из-за свойств проводимости ионосферы. Основной резонанс Шумана находится примерно на 7,83 Гц, частоте, на которой длина волны равна окружности Земли, а более высокие гармоники возникают на 14,1, 20,3, 26,4 и 32,4 Гц и т. д. Удары молнии возбуждают эти резонансы, заставляя полость Земля-ионосфера «звенеть», как колокол, что приводит к пику в спектре 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 продемонстрировал корреляцию между резонансной частотой и температурой тропического воздуха, предположив, что резонанс можно использовать для мониторинга глобального потепления . [25] [20]
Поскольку радиоволны ELF могут проникать глубоко в морскую воду, на глубину работы подводных лодок, несколько стран 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 общаться со своими подводными лодками, не требуя от них всплытия. [26] В 1982 году ВМС США построили первый объект подводной связи ELF, два сопряженных передатчика ELF в Клэм-Лейк, штат Висконсин , и Репаблик, штат Мичиган . [27] Они были закрыты в 2004 году. Российский флот эксплуатирует передатчик ELF под названием ZEVS (Zeus) в Мурманске на Кольском полуострове . [28] У ВМС Индии есть объект связи ELF на военно-морской базе INS Kattabomman для связи со своими подводными лодками классов Arihant и Akula . [13] [29]
Из-за своей электропроводности морская вода экранирует подводные лодки от большинства высокочастотных радиоволн, делая радиосвязь с подводными лодками , находящимися под водой, на обычных частотах невозможной. Однако сигналы в диапазоне частот ELF могут проникать гораздо глубже. Два фактора ограничивают полезность каналов связи ELF: низкая скорость передачи данных в несколько символов в минуту и, в меньшей степени, односторонний характер из-за непрактичности установки антенны требуемого размера на подводной лодке (антенна должна быть исключительного размера для достижения успешной связи). Как правило, сигналы ELF использовались для того, чтобы приказать подводной лодке подняться на небольшую глубину, где она могла бы принять 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 часть 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, волны ELF распространяются медленнее скорости света в вакууме. При использовании в военных целях длина волны составляет 299 792 км (186 282 мили) в секунду, деленную на 50–85 Гц, что составляет около 3 500–6 000 км (2 200–3 700 миль). Это сопоставимо с диаметром Земли , составляющим около 12 742 км (7 918 миль). Из-за этого огромного требования к размеру для международной передачи с использованием частот ELF сама Земля образует значительную часть антенны, и необходимы чрезвычайно длинные провода в землю. Для создания практичных радиостанций меньших размеров используются различные методы, такие как электрическое удлинение .
Соединенные Штаты содержали два участка: в Национальном лесу Чекуамегон-Николет , штат Висконсин , и в Государственном лесу реки Эсканаба , штат Мичиган (первоначально называвшийся Project Sanguine , затем сокращенный и переименованный в Project ELF перед строительством), пока они не были демонтированы, начиная с конца сентября 2004 года. Оба участка использовали длинные линии электропередач , так называемые наземные диполи , в качестве проводов. Эти провода были в нескольких жилах 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 обслуживании трубопроводов или очистке скребками . Сигнал генерируется как переменное магнитное поле, а передатчик монтируется на или на часть «свиньи», чистящего устройства, вставленного в трубу. Свинью проталкивают через в основном металлический трубопровод. Сигнал ELF может быть обнаружен через металл, что позволяет определить его местоположение с помощью приемников, расположенных 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 ограждения, дорожные ограждения и даже выведенные из эксплуатации железнодорожные пути. Затем они воспроизводят их на более высоких скоростях, чтобы легче наблюдать естественные низкочастотные колебания в электромагнитном поле Земли . Увеличение скорости воспроизведения увеличивает высоту тона , перенося тон в диапазон звуковых частот . [ необходима цитата ]
Начиная с 2000-х годов очень низкие частоты успешно использовались в море для геофизической разведки нефти. [31]
На Земле присутствуют естественные волны ELF, резонирующие в области между ионосферой и поверхностью, наблюдаемые при ударах молнии , которые заставляют электроны в атмосфере колебаться. [32] Хотя сигналы, генерируемые разрядами молнии, были преимущественно ОНЧ, было обнаружено, что наблюдаемая компонента ELF (медленный хвост) следовала за компонентом VLF почти во всех случаях. [33] Кроме того, основная мода полости Земля-ионосфера имеет длину волны, равную окружности Земли, что дает резонансную частоту 7,8 Гц. Эта частота и более высокие резонансные моды 14, 20, 26 и 32 Гц появляются как пики в спектре ELF и называются резонансом Шумана .
ELF-волны также были предварительно идентифицированы на спутнике Сатурна Титане . Поверхность Титана, как полагают, плохо отражает ELF-волны, поэтому волны могут отражаться от границы жидкость-лед подповерхностного океана воды и аммиака, существование которого предсказывается некоторыми теоретическими моделями. Ионосфера Титана также более сложная, чем земная, с основной ионосферой 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 ELF-волн на Титане неясен, поскольку, по-видимому, там не наблюдается обширной грозовой активности. [32]
Огромные мощности излучения ELF, в 100 000 раз превышающие мощность излучения Солнца в видимом свете, могут излучаться магнетарами . Пульсар в Крабовидной туманности излучает мощности такого порядка на частоте 30 Гц. [34] Излучение этой частоты ниже плазменной частоты межзвездной среды , поэтому эта среда непрозрачна для него, и его нельзя наблюдать с Земли.
В электромагнитной терапии и электромагнитном излучении и медицинских исследованиях частоты электромагнитного спектра от 0 до 100 герц 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 электропередач 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 СНЧ индуцируют электрические поля и токи в организме, которые при очень высокой напряженности поля вызывают стимуляцию нервов и мышц, а также изменения возбудимости нервных клеток в центральной нервной системе. [ необходима ссылка ]
Было сказано, что ELF на воспринимаемых человеком уровнях кВ/м вызывает раздражающее покалывание в областях тела, контактирующих с одеждой, особенно на руках, из-за индукции поверхностного заряда ELF. Из добровольцев 7% описали искровые разряды как болезненные, когда субъект был хорошо изолирован и касался заземленного объекта в поле 5 кВ/м, тогда как 50% описали подобный искровой разряд как болезненный в поле 10 кВ/м. [37]
Существует высокая неопределенность относительно корреляций между долгосрочным, низкоуровневым воздействием полей ELF 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 существовать от «воздействия электрических и магнитных полей ELF в диапазоне частот от >0 до 100 000 Гц (100 кГц) в отношении детской лейкемии». [36] Долгосрочное, низкоуровневое воздействие оценивается как среднее воздействие бытового магнитного поля промышленной частоты выше 0,3–0,4 мкТл , и предполагается, что 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 нашло никаких доказательств в поддержку гипотезы о том, что воздействие ELF является фактором, способствующим лейкемии у детей. [39] [40]
Исследование 2014 года оценило случаи детской лейкемии, связанные с воздействием магнитных полей ELF в Европейском союзе (ЕС27), предполагая, что корреляции, наблюдаемые в эпидемиологических исследованиях, были причинно-следственными. В нем сообщалось, что около 50–60 случаев детской лейкемии могут быть связаны с воздействием магнитных полей ELF ежегодно, что соответствует от ~1,5% до ~2,0% всех случаев детской лейкемии, происходящих в ЕС27 каждый год. [41] Однако в настоящее время [ когда? ] ICNIRP и IEEE считают научные доказательства, связанные с возможными последствиями для здоровья от долгосрочного, низкоуровневого воздействия полей ELF, недостаточными для оправдания снижения этих количественных пределов воздействия. Подводя итог, можно сказать, что при оценке всех исследований вместе, доказательства, предполагающие, что ЭМП могут способствовать повышению риска рака, отсутствуют. [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? ], требуя дополнительных экологических и медицинских исследований. Это решение было отменено федеральным апелляционным судом на том основании, что ВМС США заявили, что потратили более 25 миллионов долларов на изучение эффектов электромагнитных полей, и результаты показали, что они были аналогичны эффекту, производимому стандартными линиями распределения электроэнергии. Однако в то время, когда использовался ELF, некоторые политики Висконсина, такие как сенаторы-демократы Херб Коль , Расс Файнгольд и конгрессмен Дэйв Оби , продолжали призывать к его закрытию.
Крайне низкочастотные (КНЧ) электромагнитные поля (ЭМП), обычно в диапазоне от 0,3 Гц до 300 Гц, оказывают различное экологическое воздействие как на флору, так и на фауну. [46]