极低频

频率为3Hz至30Hz的无线电波

极低频（Extremely low frequency）是指频率3Hz至30Hz、波长10000公里至100000公里的无线电波。而多数给美军及俄罗斯军方用作军事装备武器和潜艇沟通。

产品介绍

极低频在大气科学中，通常给出从3Hz到30Hz的替代定义。在相关的磁层科学中，较低频率的电磁振荡（在〜3Hz以下发生的脉动）被认为是位于超低频(ULF)范围，因此也被定义为与ITU无线电频段不同。

ELF无线电波是由地球磁场中的闪电和自然干扰产生的，所以它们是大气科学家研究的课题。由于建造可以辐射如此长的波的天线的困难，ELF频率仅在极少数人造通信系统中使用。ELF波可以穿透海水，这使得它们可以与潜艇进行通信。美国，俄罗斯和印度是唯一已知建造ELF通信设施的国家。美国的设施在1985年到2004年之间使用，但现在已经退役。

替代定义

ELF是一种无线电频率。一些医学同行评审的期刊文章是指在频率为50Hz和50-80Hz的“极低频（ELF）磁场（MF）”的情况下的ELF。美国国家航空和宇宙航行局等美国政府机构将ELF描述为频率在0到300Hz之间的非电离辐射。所述的世界卫生组织（WHO）已使用ELF指的“极低频率（ELF）电磁场（EMF）”的概念世界卫生组织还指出，在0到300赫兹之间的频率，“空气中的波长非常长（50赫兹6000千米，60赫兹5000千米），在实际情况下，电场和磁场独立于一个另一个是分开衡量的。“

传播

地球大气中的ELF电磁波的典型谱，显示了由舒曼共振引起的峰值。舒曼共振是球形地球-电离层空腔的共振频率。击打导致腔体像钟形一样，从而在噪声频谱中引起峰值。50赫兹的功率峰值是由全球电网的辐射引起的。低频噪声的上升是由于地球磁层的缓慢过程引起的无线电噪声。

由于它们的波长极长，极低频波可以在大的障碍物周围衍射，并且不被山脉或地平线阻挡，并且可以绕着地球的曲线行进。ELF和VLF波通过地球-电离层波导机制长距离传播。地球在大气层底部约60公里处被大气中的一层带电粒子（离子）所包围电离层，称为反映极低频波的D层。导电的地球表面和导电的D层之间的空间充当平行板波导限制ELF波，允许他们长距离传播而不会逃入太空。在对比VLF波，该层的高度比在ELF频率之一波长小得多，这样就可以在ELF频率传播的唯一模式是TEM模式在垂直极化，与电场垂直和磁场水平。ELF波的衰减极低，每千米1〜2dB使得单个发射器具有在全世界进行通信的潜力。

ELF波也可以通过像“地球”和“海水”这样的“损耗”介质传播相当长的距离，这会吸收或反射更高频率的无线电波。

舒曼共振

ELF波的衰减非常低，以至于它们可以在衰减到可以忽略的幅度之前完全绕地球传播几次，并且因此在大圆路径上环绕地球的从源以相反方向辐射的波互相干扰。在某些频率这些方向相反的波是同相的，并添加（加强），引起驻波。换句话说，闭合的球形地球-电离层空腔充当巨大的空腔谐振器，以其谐振频率增强ELF辐射。这些被德国物理学家称为舒曼共振奥托·舒曼（WinfriedOttoSchumann）于1952年预言他们，并在20世纪50年代被发现。Schumann计算出的共振频率应该是：

由于电离层的传导特性，实际频率与此略有不同。基本舒曼共振频率约为7.83Hz，波长等于地球周围的频率，高频谐波出现在14.1，20.3，26.4和32.4Hz等。雷击激发了这些共振，导致地球-电离层空腔像钟形一样，导致这些频率处的噪声频谱出现峰值，所以舒曼共振可以用来监测全球雷暴活动。

1993年，ERWilliams对共振频率和热带气温之间的相关性进行了更新，表明共振可以用来监测全球变暖。

潜艇通讯

在美国海军利用非常低的频率（的ELFs）为无线电频带和无线电通信。该潜艇集成天线系统（SIAS）是一家以研发努力与水下潜艇进行通信。所述的苏联/俄罗斯海军还利用的ELFs海底通信系统，ZEVS。所述的印度海军具有位于操作ELF通信设施INSKattabomman军港与其进行通信ARIHANT类和阿库拉类潜艇。

说明

由于海水的导电性，海水可以屏蔽来自大多数高频无线电波的潜艇，因此无法与普通频率的潜水艇进行无线电通信。ELF频率范围的信号可以穿透得更深。有两个因素限制了ELF通信信道的有用性：由于在潜艇上安装所需尺寸天线的不切实际性，每分钟几个字符的低数据传输速率和较小程度的单向性为了实现成功的通信，天线需要具有特殊的尺寸）。一般来说，ELF信号被用来命令潜艇上升到一个浅的深度，在那里它可以接收一些其他形式的通信。

ELF通信

在ELF频率范围内广播时遇到的困难之一是天线的尺寸，因为天线的长度必须至少是波长的大部分。简而言之，3赫兹（每秒周期）信号的波长等于电磁波在三分之一秒内通过给定介质的距离。考虑到折射率，ELF波在真空中的传播速度稍慢于光速。在军事应用中，波长为每秒299,792公里（186,282英里）除以50-85赫兹，相当于大约3,500至6,000公里（2,200至3,700英里）长。这与地球相当直径12,742公里（7,918英里）。由于这个巨大的尺寸要求，使用ELF频率在国际上传输，地球本身就构成了天线的重要部分，并且需要极长的导线才能进入地面。电子延长等各种手段被用来构建小型实用无线电台。

美国保持两个网站，在确夸美光，尼国家森林公园，威斯康星州，并在埃斯卡诺巴河国家森林，密歇根州（原计划多血质，然后缩小并更名为项目ELF在施工前），直到他们被拆除，9月下旬开始这两个站点都使用长电力线，即所谓的地面偶极子作为导线。这些线索长度从22.5到45公里（14.0到28.0英里）不等。由于这种方法效率低下，需要大量的电力来运行系统。

生态影响

对ELF信号可能对生态造成的影响有一些担忧。1984年，联邦法官停止施工，需要更多的环境和健康研究。美国联邦上诉法院驳回了这一判决，理由是美国海军宣称花了2500多万美元研究电磁场的影响，结果表明它们与标准配电线所产生的效果相似。这个判决并没有被大家接受，而且在ELF被使用的时候，一些威斯康星州的政治家，如参议员赫尔·科尔，拉斯·费因戈尔德和议员戴维·奥贝呼吁关闭。过去，人们对电磁辐射和健康问题也有类似的担忧。

其他用途

在22赫兹范围内的变送器也在管道检测仪中被发现，也被称为“PIG”。信号是作为交变磁场产生的，变送器安装在PIG上或者是PIG的一部分。PIG被推动通过一个管道，主要由金属制成。ELF信号可以通过外部的金属来检测。需要检查一个PIG是否通过了某个位置，并找到一个卡住的PIG。

基于无线电于咸水的传送特性，除了极低频和超低频外，通常无线电波不容易在海中传送。虽然它可以在水中容易地传送，但是ELF每分钟可以传送的讯号相对地较小，所以只是给美军用作指示潜水艇进入/离开海底。另外要有效传送极低频信号需要大型的天线，所以极低频的使用不太普遍。

天然来源

天然ELF波存在于地球上，在电离层和地表之间的区域发生共振。它们是由雷击引发，使大气中的电子发生振荡。分别主要由雷电放电产生虽然甚低频信号，我们发现可观察到的ELF组分（慢尾），随后在几乎所有情况下，VLF组件。地球-电离层空腔的基本模式具有波长等于地球，这给7.8赫兹的共振频率的圆周上。这个频率以及14，20，26和32Hz的较高谐振模式在ELF频谱中表现为峰值，并被称为舒曼共振。

在土星的月亮“泰坦”号上，ELF波也被初步识别出来。土卫六的表面被认为是极低频反射层，所以海浪可能反射出海面下的海水和氨的液态冰边界，其存在是由一些理论模型预测的。泰坦的电离层也比地球更复杂，主要电离层在1,200公里（750英里）的高度，但在63公里（39英里）处还有一层额外的带电粒子。这使泰坦的气氛分裂成两个独立的共鸣室。泰坦上的自然ELF波源尚不清楚，因为似乎没有广泛的闪电活动。

可见光中太阳输出100,000倍的巨大的ELF辐射功率输出可能被磁化器辐射。蟹状星云中的脉冲星以30赫兹的频率辐射出这个阶的幂。该频率的辐射是低于等离子体频率的的星际介质，因此该介质是不透明的，以它，并且它不能被从地球上观察。

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