elf[極低頻]

極低頻（Extremely low frequency）是指頻率由3Hz至30Hz，波長10000公里至100000公里的無線電波。而多數給美軍及俄羅斯軍方用作和潛艇溝通。

概述

極低頻（ExtremelyLowFrequency，ELF）是ITU指定為頻率由3Hz至30Hz，波長10,000公里至100,000公里的無線電波。

在大氣科學中，通常給出從3Hz到3kHz的替代定義。在相關的磁層科學中，較低頻率的電磁振盪（在〜3Hz以下發生的脈動）被認為是位於超低頻(ULF)範圍，因此也被定義為與ITU無線電頻段不同。

ELF無線電波是由地球磁場中的閃電和自然干擾產生的，所以它們是大氣科學家研究的課題。由於建造可以輻射如此長的波的天線的困難，ELF頻率僅在極少數人造通信系統中使用。ELF波可以穿透海水，這使得它們可以與潛艇進行通信。美國，俄羅斯和印度是唯一已知建造ELF通信設施的國家。美國的設施在1985年到2004年之間使用，但現在已經退役。

替代定義

ELF是一種無線電頻率。一些醫學同行評審的期刊文章是指在頻率為50Hz和50-80Hz的“極低頻（ELF）磁場（MF）”的情況下的ELF。美國國家航空和宇宙航行局等美國政府機構將ELF描述為頻率在0到300Hz之間的非電離輻射。所述的世界衛生組織（WHO）已使用ELF指的“極低頻率（ELF）電磁場（EMF）”的概念世界衛生組織還指出，在0到300赫茲之間的頻率，“空氣中的波長非常長（50赫茲6000千米，60赫茲5000千米），在實際情況下，電場和磁場獨立於一個另一個是分開衡量的。“

傳播

地球大氣中的ELF電磁波的典型譜，顯示了由舒曼共振引起的峰值。舒曼共振是球形地球-電離層空腔的共振頻率。擊打導致腔體像鐘形一樣“振鈴”，從而在噪聲頻譜中引起峰值。50赫茲的功率峰值是由全球電網的輻射引起的。低頻噪聲的上升是由於地球磁層的緩慢過程引起的無線電噪聲。

由於它們的波長極長，極低頻波可以在大的障礙物周圍衍射，並且不被山脈或地平線阻擋，並且可以繞著地球的曲線行進。ELF和VLF波通過地球-電離層波導機制長距離傳播。地球在大氣層底部約60公里處被大氣中的一層帶電粒子（離子）所包圍電離層，稱為反映極低頻波的D層。導電的地球表面和導電的D層之間的空間充當平行板波導限制ELF波，允許他們長距離傳播而不會逃入太空。在對比VLF波，該層的高度比在ELF頻率之一波長小得多，這樣就可以在ELF頻率傳播的唯一模式是TEM模式在垂直極化，與電場垂直和磁場水平。ELF波的衰減極低，每千米1〜2dB使得單個發射器具有在全世界進行通信的潛力。

ELF波也可以通過像“地球”和“海水”這樣的“損耗”介質傳播相當長的距離，這會吸收或反射更高頻率的無線電波。

舒曼共振

ELF波的衰減非常低，以至於它們可以在衰減到可以忽略的幅度之前完全繞地球傳播幾次，並且因此在大圓路徑上環繞地球的從源以相反方向輻射的波互相干擾。在某些頻率這些方向相反的波是同相的，並添加（加強），引起駐波。換句話說，閉合的球形地球-電離層空腔充當巨大的空腔諧振器，以其諧振頻率增強ELF輻射。這些被德國物理學家稱為舒曼共振奧托·舒曼（WinfriedOttoSchumann）於1952年預言他們，並在20世紀50年代被發現。Schumann計算出的共振頻率應該是：

elf[極低頻]

由於電離層的傳導特性，實際頻率與此略有不同。基本舒曼共振頻率約為7.83Hz，波長等於地球周圍的頻率，高頻諧波出現在14.1，20.3，26.4和32.4Hz等。雷擊激發了這些共振，導致地球-電離層空腔像鐘形一樣“響”，導致這些頻率處的噪聲頻譜出現峰值，所以舒曼共振可以用來監測全球雷暴活動。

1993年，ERWilliams對共振頻率和熱帶氣溫之間的相關性進行了更新，表明共振可以用來監測全球變暖。

潛艇通訊

在美國海軍利用非常低的頻率（的ELFs）為無線電頻帶和無線電通信。該潛艇集成天線系統（SIAS）是一家以研發努力與水下潛艇進行通信。所述的蘇聯/俄羅斯海軍還利用的ELFs海底通信系統，ZEVS。所述的印度海軍具有位於操作ELF通信設施INSKattabomman軍港與其進行通信ARIHANT類和阿庫拉類潛艇。

說明

由於海水的導電性，海水可以禁止來自大多數高頻無線電波的潛艇，因此無法與普通頻率的潛水艇進行無線電通信。ELF頻率範圍的信號可以穿透得更深。有兩個因素限制了ELF通信信道的有用性：由於在潛艇上安裝所需尺寸天線的不切實際性，每分鐘幾個字元的低數據傳輸速率和較小程度的單向性為了實現成功的通信，天線需要具有特殊的尺寸）。一般來說，ELF信號被用來命令潛艇上升到一個淺的深度，在那裡它可以接收一些其他形式的通信。

ELF通信

在ELF頻率範圍內廣播時遇到的困難之一是天線的尺寸，因為天線的長度必須至少是波長的大部分。簡而言之，3赫茲（每秒周期）信號的波長等於電磁波在三分之一秒內通過給定介質的距離。考慮到折射率，ELF波在真空中的傳播速度稍慢於光速。在軍事套用中，波長為每秒299,792公里（186,282英里）除以50-85赫茲，相當於大約3,500至6,000公里（2,200至3,700英里）長。這與地球相當直徑12,742公里（7,918英里）。由於這個巨大的尺寸要求，使用ELF頻率在國際上傳輸，地球本身就構成了天線的重要部分，並且需要極長的導線才能進入地面。電子延長等各種手段被用來構建小型實用無線電台。

美國保持兩個網站，在確夸美光，尼國家森林公園，威斯康星州，並在埃斯卡諾巴河國家森林，密西根州（原計畫多血質，然後縮小並更名為項目ELF在施工前），直到他們被拆除，9月下旬開始這兩個站點都使用長電力線，即所謂的地面偶極子作為導線。這些線索長度從22.5到45公里（14.0到28.0英里）不等。由於這種方法效率低下，需要大量的電力來運行系統。

生態影響

對ELF信號可能對生態造成的影響有一些擔憂。1984年，聯邦法官停止施工，需要更多的環境和健康研究。美國聯邦抗訴法院駁回了這一判決，理由是美國海軍宣稱花了2500多萬美元研究電磁場的影響，結果表明它們與標準配電線所產生的效果相似。這個判決並沒有被大家接受，而且在ELF被使用的時候，一些威斯康星州的政治家，如參議員赫爾·科爾，拉斯·費因戈爾德和議員戴維·奧貝呼籲關閉。過去，人們對電磁輻射和健康問題也有類似的擔憂。

其他用途

在22赫茲範圍內的變送器也在管道檢測儀中被發現，也被稱為“PIG”。信號是作為交變磁場產生的，變送器安裝在PIG上或者是PIG的一部分。PIG被推動通過一個管道，主要由金屬製成。ELF信號可以通過外部的金屬來檢測。需要檢查一個PIG是否通過了某個位置，並找到一個卡住的PIG。

一些無線電監測業餘愛好者使用天線的尺寸從十八英寸有源天線到幾千英尺長，利用圍欄，高速公路護欄，甚至退役的鐵路軌道來記錄ELF信號，並以更高的速度回放以更容易觀察地球電磁場中自然的低頻波動。增加播放速度會增加音調，以便將其帶入可聽的音頻範圍。

基於無線電於鹹水的傳送特性，除了極低頻和超低頻外，通常無線電波不容易在海中傳送。雖然它可以在水中容易地傳送，但是ELF每分鐘可以傳送的訊號相對地較小，所以只是給美軍用作指示潛水艇進入/離開海底。另外要有效傳送極低頻信號需要大型的天線，所以極低頻的使用不太普遍。

天然來源

天然ELF波存在於地球上，在電離層和地表之間的區域發生共振。它們是由雷擊引發，使大氣中的電子發生振盪。分別主要由雷電放電產生雖然甚低頻信號，我們發現可觀察到的ELF組分（慢尾），隨後在幾乎所有情況下，VLF組件。地球-電離層空腔的基本模式具有波長等於地球，這給7.8赫茲的共振頻率的圓周上。這個頻率以及14，20，26和32Hz的較高諧振模式在ELF頻譜中表現為峰值，並被稱為舒曼共振。

在土星的月亮“泰坦”號上，ELF波也被初步識別出來。土衛六的表面被認為是極低頻反射層，所以海浪可能反射出海面下的海水和氨的液態冰邊界，其存在是由一些理論模型預測的。泰坦的電離層也比地球更複雜，主要電離層在1,200公里（750英里）的高度，但在63公里（39英里）處還有一層額外的帶電粒子。這使泰坦的氣氛分裂成兩個獨立的共鳴室。泰坦上的自然ELF波源尚不清楚，因為似乎沒有廣泛的閃電活動。

可見光中太陽輸出100,000倍的巨大的ELF輻射功率輸出可能被磁化器輻射。蟹狀星雲中的脈衝星以30赫茲的頻率輻射出這個階的冪。該頻率的輻射是低於電漿頻率的的星際介質，因此該介質是不透明的，以它，並且它不能被從地球上觀察。