ELF

ELF (от англ. Extremely Low Frequency — сверхнизкая частота) — диапазон электромагнитных волн (радиоволн) с частотами от 3 до 30 Гц (по некоторым классификациям — до 300 Гц). Соответствует длинам волн от 100 000 до 10 000 километров. В технике и науке термин «ELF» также используется для обозначения систем связи, работающих в этом диапазоне, и соответствующих генераторов и антенн.

Физические свойства и распространение

Электромагнитные волны сверхнизкой частоты обладают рядом уникальных свойств, отличающих их от более высокочастотных диапазонов. Основная особенность — чрезвычайно малая скорость затухания при распространении в проводящих средах, таких как морская вода и земная кора.

В атмосфере Земли волны ELF распространяются в волноводе «Земля — ионосфера», образованном проводящей поверхностью планеты и нижним слоем ионосферы (слой D, на высоте около 60–90 км). Для длин волн порядка десятков тысяч километров этот волновод является резонатором, в котором возникают так называемые резонансы Шумана — стоячие электромагнитные волны, возбуждаемые грозовой активностью. Основная частота резонанса Шумана составляет примерно 7,83 Гц.

Глубина проникновения волн ELF в морскую воду составляет от 100 до 400 метров (для сравнения, волны сверхдлинноволнового диапазона (VLF) проникают лишь на 10–20 метров). В земную кору волны проникают на глубину до нескольких километров, что делает их пригодными для геофизических исследований и подземной связи.

Применение

Военная связь с подводными лодками

Наиболее известное и практически единственное гражданское применение диапазона ELF — связь с атомными подводными лодками (ПЛАРБ), находящимися в подводном положении на рабочей глубине. Обычные радиоволны (КВ, УКВ) в воде практически полностью поглощаются, а связь на сверхдлинных волнах (VLF) возможна только на перископной глубине (до 20 м), что демаскирует лодку.

Системы ELF-связи позволяют передавать односторонние сигналы (обычно простые команды, например, «всплыть для приема сообщения» или «начать патрулирование») на подводные лодки, находящиеся в любой точке Мирового океана, на глубине до 200–300 метров. Скорость передачи данных крайне мала — от нескольких бит в минуту до нескольких десятков бит в минуту. Для передачи даже короткого текстового сообщения могут потребоваться десятки минут.

Крупнейшие известные системы ELF-связи:

• ЗЕВС (Россия) — советская/российская система связи сверхнизкой частоты. Разрабатывалась с 1970-х годов. Включает в себя две гигантские антенны, расположенные на Кольском полуострове (вблизи города Заозерск) и в Красноярском крае (вблизи города Железногорск). Антенны представляют собой линии электропередачи длиной в десятки километров, заземлённые через специальные электроды. Мощность передатчиков оценивается в мегаватты. Система работает на частоте 82 Гц.
• Project ELF (США) — американская система, действовавшая до 2004 года. Состояла из двух передающих центров в штатах Висконсин и Мичиган. Антенны представляли собой воздушные линии длиной около 22 км и 36 км. Рабочая частота — 76 Гц. Система была выведена из эксплуатации в 2004 году в связи с развитием спутниковой связи и буксируемых антенн VLF.

Геофизика и наука

В геофизике ELF-волны используются для зондирования земной коры с целью поиска полезных ископаемых (нефти, газа, рудных месторождений). Метод основан на измерении электрического сопротивления горных пород на разных глубинах. Искусственные ELF-сигналы, генерируемые мощными передатчиками, проникают на глубину до нескольких километров, позволяя выявлять геологические структуры.

В научных исследованиях ELF-диапазон применяется для изучения ионосферы, магнитосферы Земли и резонансов Шумана. Регистрация естественных ELF-излучений (атмосфериков, свистовых атмосфериков) даёт информацию о грозовой активности, состоянии ионосферы и космической погоде.

Медицина и биология (псевдонаучные и спорные применения)

Существует ряд неподтверждённых и спорных гипотез о биологическом воздействии ELF-излучений на живые организмы. Некоторые сторонники альтернативной медицины утверждают, что резонансы Шумана синхронизируют работу мозга (так называемый «эффект Шумана»), и что искусственные ELF-поля могут использоваться для лечения бессонницы, депрессии и других расстройств. Научные исследования не подтверждают эти заявления. Влияние слабых ELF-полей на организм человека остаётся предметом дискуссий, а методы лечения на их основе не признаются официальной медициной.

Критика и опасения

Применение мощных ELF-передатчиков вызывает обеспокоенность экологов и части населения. Высказываются опасения, что сверхмощные электромагнитные поля, создаваемые антеннами систем связи (например, «ЗЕВС»), могут оказывать негативное влияние на здоровье людей и животных, а также нарушать миграцию птиц и морских обитателей. Научные исследования по этому вопросу не дают однозначных результатов, однако в ряде стран (в частности, в США) строительство и эксплуатация ELF-систем сопровождались судебными исками и протестами.

Интересные факты

• Длина волны сигнала системы «ЗЕВС» (82 Гц) составляет около 3660 км, что сопоставимо с расстоянием от Москвы до Новосибирска.
• Из-за огромной длины волны и низкой частоты, антенны ELF-передатчиков не могут быть выполнены в виде традиционных мачт. Они представляют собой длинные провода, подвешенные на опорах ЛЭП, или проложенные в земле кабели, образующие гигантские петли.
• Существуют гипотезы о том, что некоторые животные (например, киты и слоны) используют инфразвуковые и ELF-сигналы для коммуникации на больших расстояниях.

Источники

• ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения.
• Регламент радиосвязи Международного союза электросвязи (МСЭ).
• К. Дэвис. Радиоволны в ионосфере. — М.: Мир, 1973.
• В.В. Мигулин, В.И. Крылов. Сверхнизкочастотная связь с подводными лодками. — Зарубежное военное обозрение, № 7, 1995.
• Я.Л. Альперт. Распространение электромагнитных волн в ионосфере. — М.: Наука, 1960.
• Материалы открытых источников (пресс-релизы ВМФ России, публикации в научных журналах «Geophysical Research Letters», «Radio Science»).