Frecuencia extremadamente baja

Frecuencia extremadamente baja (ELF) es la designación de la UIT para la radiación electromagnética (ondas de radio) con frecuencias de 3 a 30 Hz y longitudes de onda correspondientes de 100 000 a 10 000 kilómetros., respectivamente. En ciencias atmosféricas, se suele dar una definición alternativa, de 3 Hz a 3 kHz. En la ciencia relacionada con la magnetosfera, se considera que las oscilaciones electromagnéticas de baja frecuencia (pulsaciones que ocurren por debajo de ~3 Hz) se encuentran en el rango ULF, que por lo tanto también se define de manera diferente a las bandas de radio de la UIT.

Las ondas de radio ELF son generadas por rayos y perturbaciones naturales en el campo magnético de la Tierra, por lo que son objeto de investigación por parte de científicos atmosféricos. Debido a la dificultad de construir antenas que puedan irradiar ondas tan largas, las frecuencias ELF se han utilizado sólo en muy pocos sistemas de comunicación creados por el hombre. Las ondas ELF pueden penetrar el agua de mar, lo que las hace útiles para comunicarse con los submarinos, y algunas naciones han construido transmisores militares ELF para transmitir señales a sus submarinos sumergidos, que consisten en enormes antenas de cable conectadas a tierra (dipolos terrestres) de 15 a 60 km (9-37 mi) impulsado durante mucho tiempo por transmisores que producen megavatios de potencia. Estados Unidos, Rusia, India y China son los únicos países que se sabe que han construido estas instalaciones de comunicación ELF. Las instalaciones estadounidenses se utilizaron entre 1985 y 2004, pero ahora están fuera de servicio.

Definiciones alternativas

ELF es una subradiofrecuencia. Algunos artículos de revistas médicas revisados por pares se refieren a ELF en el contexto de "campos magnéticos (MF) de frecuencia extremadamente baja (ELF)" con frecuencias de 50 Hz y 50-80 Hz. Estados Unidos Las agencias gubernamentales, como la NASA, describen las ELF como radiación no ionizante con frecuencias entre 0 y 300 Hz. La Organización Mundial de la Salud (OMS) ha utilizado ELF para referirse al concepto de "campos eléctricos y magnéticos (EMF) de frecuencia extremadamente baja (ELF)" La OMS también afirmó que en frecuencias entre 0 y 300 Hz, "las longitudes de onda en el aire son muy largas (6.000 km (3.700 mi) a 50 Hz y 5.000 km (3.100 mi) a 60 Hz) y, en la práctica, En estas situaciones, los campos eléctrico y magnético actúan independientemente uno del otro y se miden por separado."

Propagación

Debido a su longitud de onda extremadamente larga, las ondas ELF pueden difractarse alrededor de grandes obstáculos, no están bloqueadas por cadenas montañosas ni por el horizonte y pueden viajar alrededor de la curvatura de la Tierra. Las ondas ELF y VLF se propagan a largas distancias mediante un mecanismo de guía de ondas Tierra-ionosfera. La Tierra está rodeada por una capa de partículas cargadas (iones y electrones) en la atmósfera a una altitud de unos 60 km (37 millas) en el fondo de la ionosfera, llamada capa D, que refleja las ondas ELF. El espacio entre la superficie conductora de la Tierra y la capa conductora D actúa como una guía de ondas de placas paralelas que confina las ondas ELF, permitiéndoles propagarse largas distancias sin escapar al espacio. A diferencia de las ondas VLF, la altura de la capa es mucho menor que una longitud de onda en frecuencias ELF, por lo que el único modo que puede propagarse en frecuencias ELF es el modo TEM en polarización vertical, con el campo eléctrico vertical y el campo magnético horizontal. Las ondas ELF tienen una atenuación extremadamente baja de 1 a 2 dB por 1000 km (620 millas), lo que brinda a un solo transmisor el potencial de comunicarse en todo el mundo.

ELF waves can also travel considerable distances through n#34;lossy" media like earth and seawater, which would absorb or reflect higher frequency radio waves.

Resonancias Schumann

La atenuación de las ondas ELF es tan baja que pueden viajar completamente alrededor de la Tierra varias veces antes de decaer a una amplitud insignificante y, por lo tanto, las ondas irradiadas desde una fuente en direcciones opuestas que circunnavegan la Tierra en una trayectoria de gran círculo interfieren entre sí. En ciertas frecuencias, estas ondas de direcciones opuestas están en fase y se suman (refuerzan), provocando ondas estacionarias. En otras palabras, la cavidad esférica cerrada de la ionosfera terrestre actúa como una enorme cavidad resonadora, mejorando la radiación ELF en sus frecuencias de resonancia. Se denominan resonancias Schumann en honor al físico alemán Winfried Otto Schumann, quien las predijo en 1952 y fueron detectadas en la década de 1950. Al modelar la cavidad Tierra-ionosfera con paredes perfectamente conductoras, Schumann calculó que las resonancias deberían ocurrir en frecuencias de

fn=7.49[n()n+1)]1/2Hz{displaystyle f_{n}=7.49[n(n+1)]

Las frecuencias reales difieren ligeramente debido a las propiedades de conducción de la ionosfera. La resonancia Schumann fundamental está en aproximadamente 7,83 Hz, la frecuencia a la que la longitud de onda es igual a la circunferencia de la Tierra, y los armónicos más altos ocurren en 14,1, 20,3, 26,4 y 32,4 Hz, etc. Los rayos excitan estas resonancias, causando que la Tierra- cavidad de la ionosfera para "anillo" como una campana, lo que da como resultado un pico en el espectro de ruido en estas frecuencias, por lo que las resonancias Schumann pueden usarse para monitorear la actividad global de las tormentas.

El interés en las resonancias Schumann se renovó en 1993 cuando E. R. Williams mostró una correlación entre la frecuencia de resonancia y las temperaturas del aire tropical, sugiriendo que la resonancia podría usarse para monitorear el calentamiento global.

Comunicaciones submarinas

Dado que las ondas de radio ELF pueden penetrar profundamente el agua de mar, hasta las profundidades operativas de los submarinos, algunas naciones han construido transmisores ELF navales para comunicarse con sus submarinos mientras están sumergidos. En 2018 se informó que China había construido la instalación ELF más grande del mundo, aproximadamente del tamaño de la ciudad de Nueva York, para comunicarse con sus fuerzas submarinas sin necesidad de que salieran a la superficie. En 1982, la Armada de los Estados Unidos construyó la primera instalación de comunicaciones submarinas ELF, dos transmisores ELF acoplados en Clam Lake, Wisconsin y Republic, Michigan. Fueron cerrados en 2004. La Armada rusa opera un transmisor ELF llamado ZEVS (Zeus) en Murmansk, en la península de Kola. La Armada de la India tiene una instalación de comunicación ELF en la base naval INS Kattabomman para comunicarse con sus submarinos clase Arihant y clase Akula.

Explicación

Debido a su conductividad eléctrica, el agua de mar protege a los submarinos de la mayoría de las ondas de radio de alta frecuencia, lo que hace imposible la comunicación por radio con submarinos sumergidos en frecuencias ordinarias. Las señales en el rango de frecuencia ELF, sin embargo, pueden penetrar mucho más profundamente. Dos factores limitan la utilidad de los canales de comunicación ELF: la baja velocidad de transmisión de datos de unos pocos caracteres por minuto y, en menor medida, el carácter unidireccional debido a la impracticabilidad de instalar una antena del tamaño requerido en un submarino (la La antena debe ser de un tamaño excepcional para lograr una comunicación exitosa). Generalmente, las señales ELF se han utilizado para ordenar a un submarino que se eleve a una profundidad poco profunda donde podría recibir alguna otra forma de comunicación.

Dificultades de comunicación ELF

Una de las dificultades que surgen al transmitir en el rango de frecuencia ELF es el tamaño de la antena, porque la longitud de la antena debe ser al menos una fracción sustancial de la longitud de las ondas. En pocas palabras, una señal de 3 Hz (ciclo por segundo) tendría una longitud de onda igual a la distancia que recorren las ondas EM a través de un medio determinado en un tercio de segundo. Cuando el índice de refracción del medio es mayor que uno, las ondas ELF se propagan más lentamente que la velocidad de la luz en el vacío. Tal como se utiliza en aplicaciones militares, la longitud de onda es de 299 792 km (186 282 mi) por segundo dividida por 50 a 85 Hz, lo que equivale a alrededor de 3500 a 6000 km (2200 a 3700 mi) de largo. Esto es comparable al diámetro de la Tierra de alrededor de 12.742 km (7.918 mi). Debido a este enorme requisito de tamaño, para transmitir internacionalmente utilizando frecuencias ELF, la propia Tierra forma una parte importante de la antena y se necesitan cables extremadamente largos hasta el suelo. Se utilizan diversos medios, como el alargamiento eléctrico, para construir estaciones de radio prácticas con tamaños más pequeños.

Estados Unidos mantuvo dos sitios, en el Bosque Nacional Chequamegon-Nicolet, Wisconsin, y en el Bosque Estatal del Río Escanaba, Michigan (originalmente llamado Proyecto Sanguine, luego reducido y rebautizado como Proyecto ELF antes de su construcción), hasta que fueron desmantelados. a partir de finales de septiembre de 2004. Ambos sitios utilizaron largas líneas eléctricas, los llamados dipolos de tierra, como conductores. Estos cables estaban en múltiples hilos de 22,5 a 45 kilómetros (14,0 a 28,0 millas) de largo. Debido a la ineficiencia de este método, se requirieron cantidades considerables de energía eléctrica para operar el sistema.

Impacto ecológico

Ha habido algunas preocupaciones sobre el posible impacto ecológico de las señales ELF. En 1984, un juez federal detuvo la construcción requiriendo más estudios ambientales y de salud. Esta sentencia fue anulada por un tribunal federal de apelaciones sobre la base de que la Marina de los EE. UU. afirmó haber gastado más de 25 millones de dólares en estudiar los efectos de los campos electromagnéticos, y los resultados indicaron que eran similares al efecto producido por las líneas de distribución de energía estándar. La sentencia no fue aceptada por todos y, durante el tiempo que ELF estuvo en uso, algunos políticos de Wisconsin como los senadores demócratas Herb Kohl, Russ Feingold y el congresista Dave Obey pidieron su cierre.

Otros usos

Los transmisores en el rango de 22 Hz también se utilizan en el mantenimiento de tuberías o en el pigging. La señal se genera como un campo magnético alterno y el transmisor se monta en el "pig", el dispositivo de limpieza insertado en la tubería, o en parte de él. El cerdo es empujado a través de una tubería mayoritariamente metálica. La señal ELF se puede detectar a través del metal, lo que permite que receptores ubicados fuera de la tubería detecten su ubicación. Se utiliza para comprobar si un cerdo ha pasado por un lugar determinado o para localizar un cerdo que se ha quedado atascado.

Algunos aficionados a la radio graban señales ELF utilizando antenas que varían en tamaño, desde antenas activas de dieciocho pulgadas hasta varios miles de pies de largo, aprovechando vallas, barandillas de carreteras e incluso vías de ferrocarril fuera de servicio. Luego los reproducen a velocidades más altas para observar más fácilmente las fluctuaciones naturales de baja frecuencia en el campo electromagnético de la Tierra. Al aumentar la velocidad de reproducción, aumenta el tono, llevando el tono al rango de frecuencia de audio.

Fuentes naturales

Las ondas ELF naturales están presentes en la Tierra y resuenan en la región entre la ionosfera y la superficie y se ven en los rayos que hacen oscilar los electrones en la atmósfera. Aunque las señales generadas por las descargas de rayos eran predominantemente VLF, se descubrió que un componente ELF observable (cola lenta) seguía al componente VLF en casi todos los casos. Además, el modo fundamental de la cavidad Tierra-ionosfera tiene una longitud de onda igual a la circunferencia de la Tierra, lo que da una frecuencia de resonancia de 7,8 Hz. Esta frecuencia y los modos de resonancia más altos de 14, 20, 26 y 32 Hz aparecen como picos en el espectro ELF y se denominan resonancia Schumann.

Las ondas ELF también se han identificado provisionalmente en Titán, la luna de Saturno. Se cree que la superficie de Titán es un pobre reflector de las ondas ELF, por lo que las ondas pueden estar reflejándose en el límite de hielo líquido de un océano subterráneo de agua y amoníaco, cuya existencia es predicha por algunos modelos teóricos. La ionosfera de Titán también es más compleja que la de la Tierra, con la ionosfera principal a una altitud de 1.200 km (750 millas), pero con una capa adicional de partículas cargadas a 63 km (39 millas). Esto divide la atmósfera de Titán en dos cámaras de resonancia separadas. La fuente de las ondas ELF naturales en Titán no está clara ya que no parece haber una gran actividad de rayos.

Los magnetares pueden irradiar enormes potencias de radiación ELF de 100.000 veces la producción del Sol en luz visible. El púlsar de la nebulosa del Cangrejo irradia potencias de este orden a 30 Hz. La radiación de esta frecuencia está por debajo de la frecuencia del plasma del medio interestelar, por lo que este medio es opaco y no puede observarse desde la Tierra.

Exposición

En la terapia electromagnética, la radiación electromagnética y la investigación de la salud, las frecuencias del espectro electromagnético entre 0 y 100 hercios se consideran campos de frecuencia extremadamente baja. Una fuente común de exposición del público a los campos ELF son los campos eléctricos y magnéticos de 50 Hz/60 Hz procedentes de líneas de transmisión de energía eléctrica de alto voltaje y líneas de distribución secundarias, como las que suministran electricidad a barrios residenciales.

Posibles efectos sobre la salud

Desde finales de la década de 1970, se han planteado dudas sobre si la exposición a campos eléctricos y magnéticos (EMF) ELF dentro de este rango de frecuencias produce consecuencias adversas para la salud. Los campos magnéticos ELF externos inducen campos eléctricos y corrientes en el cuerpo que, con intensidades de campo muy altas, provocan estimulación nerviosa y muscular y cambios en la excitabilidad de las células nerviosas en el sistema nervioso central. Los efectos sobre la salud relacionados con la exposición a altos niveles a corto plazo se han establecido y forman la base de dos pautas internacionales de límites de exposición (ICNIRP, 1998; IEEE, 2002), como 0,2-0,4 mA a 50~60 Hz.

Un estudio realizado por Reilly en 1999 demostró que el umbral para la percepción directa de la exposición a RF ELF por parte de voluntarios humanos comenzaba en alrededor de 2~5 kV/m a 60 Hz, y el 10 % de los voluntarios detectaba la exposición a ELF a este nivel.. El porcentaje de detección aumentó al 50 % de los voluntarios cuando el nivel de ELF se elevó de 7 a 20 kV/m. De todos los sujetos de prueba, el 5% consideró molesta la percepción de ELF en estos umbrales.

Se decía que ELF a niveles kV/m perceptibles por el ser humano creaba una molesta sensación de hormigueo en las áreas del cuerpo en contacto con la ropa, particularmente los brazos, debido a la inducción de una carga superficial por parte del ELF. De los voluntarios, el 7 % describió las descargas de chispas como dolorosas cuando el sujeto estaba bien aislado y tocó un objeto conectado a tierra dentro de un campo de 5 kV/m, mientras que el 50 % describió una descarga de chispas similar como dolorosa en un campo de 10 kV/m.

Leucemia

Existe una gran incertidumbre con respecto a las correlaciones entre la exposición prolongada y de bajo nivel a campos ELF y una serie de efectos sobre la salud, incluida la leucemia en niños. En octubre de 2005, la OMS convocó a un grupo de trabajo de expertos científicos para evaluar los riesgos para la salud que pudieran existir por la "exposición a campos eléctricos y magnéticos ELF en el rango de frecuencia >0 a 100.000 Hz (100 kHz) con respecto a leucemia infantil." La exposición a largo plazo y de bajo nivel se evalúa como la exposición promedio a un campo magnético residencial de frecuencia industrial superior a 0,3 ~ 0,4 µT, y se estima que solo entre el 1% y el 4% de los niños viven en tales condiciones. Posteriormente, en 2010, un análisis conjunto de evidencia epidemiológica apoyó la hipótesis de que la exposición a campos magnéticos de frecuencia industrial está relacionada con la leucemia infantil.

Ningún otro estudio ha encontrado evidencia que respalde la hipótesis de que la exposición a ELF es un factor que contribuye a la leucemia en niños.

Un estudio de 2014 estimó los casos de leucemia infantil atribuibles a la exposición a campos magnéticos ELF en la Unión Europea (UE27), asumiendo que las correlaciones observadas en los estudios epidemiológicos eran causales. Informó que alrededor de 50 a 60 casos de leucemia infantil podrían ser atribuibles a campos magnéticos ELF anualmente, lo que corresponde a entre ~1,5% y ~2,0% de todos los casos incidentes de leucemia infantil que ocurren en la UE27 cada año. Sin embargo, en la actualidad, la ICNIRP y el IEEE consideran que la evidencia científica relacionada con los posibles efectos para la salud derivados de una exposición prolongada y de bajo nivel a campos ELF es insuficiente para justificar la reducción de estos límites de exposición cuantitativa. En resumen, cuando todos los estudios se evalúan en conjunto, la evidencia que sugiere que los campos electromagnéticos pueden contribuir a un mayor riesgo de cáncer es inexistente. Los estudios epidemiológicos sugieren una posible asociación entre la exposición ocupacional a largo plazo a ELF y la enfermedad de Alzheimer.

Patentes

• Tanner, R. L., U.S. Patent 3,215,937, "Antena de alta frecuencia", 1965
• Hansell, Clarence W., U.S. Patent 2,389,432, "Sistema de comunicación por pulsos a través de la Tierra"
• Altshuler, U.S. Patent 4,051,479, antena de dipole vertical ELF suspendida de aeronaves