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Frecuencia extremadamente baja

Vista aérea de 1982 de la instalación transmisora ​​ELF de la Armada de los Estados Unidos en Clam Lake, Wisconsin , utilizada para comunicarse con submarinos sumergidos a gran ...

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Vista aérea de 1982 de la instalación transmisora ​​ELF de la Armada de los Estados Unidos en Clam Lake, Wisconsin , utilizada para comunicarse con submarinos sumergidos a gran profundidad. En la parte inferior izquierda se aprecian los derechos de paso de las dos líneas de transmisión aéreas perpendiculares de 23  km (14 millas  ), que constituían la antena dipolo terrestre y que irradiaban las ondas ELF.

La frecuencia extremadamente baja ( ELF ) es la designación de la UIT [ 1 ] 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. [ 2 ] [ 3 ] En ciencias atmosféricas , se suele dar una definición alternativa, de 3 Hz a 3 kHz. [ 4 ] [ 5 ] En la ciencia relacionada de la magnetosfera , las oscilaciones electromagnéticas de frecuencia más baja (pulsaciones que ocurren por debajo de ~3 kHz) se consideran que están 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 se generan por rayos y perturbaciones naturales en el campo magnético terrestre , por lo que son objeto de investigación por parte de los científicos atmosféricos. Debido a la dificultad de construir antenas capaces de irradiar ondas tan largas, las ondas ELF se han utilizado en muy pocos sistemas de comunicación artificiales. Las ondas ELF pueden penetrar el agua de mar , lo que las hace útiles para la comunicación con submarinos , y algunos países han construido transmisores ELF militares para enviar señales a sus submarinos sumergidos. Estos transmisores consisten en enormes antenas de hilo a tierra ( dipolos terrestres ) de entre 15 y 60 km (9 y 37 millas) de longitud, alimentadas por megavatios de potencia. Estados Unidos, Rusia, India y China son los únicos países que se sabe que han construido estas instalaciones de comunicación ELF. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] Las instalaciones de EE. UU. se utilizaron entre 1985 y 2004, pero ahora están desmanteladas. [ 9 ]  

Definiciones alternativas

ELF es una subrafrecuencia de radio . [ 14 ] Algunos artículos de revistas médicas revisadas por pares se refieren a ELF en el contexto de "campos magnéticos (CM) de frecuencia extremadamente baja (ELF)" con frecuencias de 50  Hz [ 15 ] y 50–80  Hz. [ 16 ] Agencias del gobierno de los Estados Unidos, como la NASA, describen ELF como radiación no ionizante con frecuencias entre 0 y 300  Hz. [ 14 ] La Organización Mundial de la Salud (OMS) ha utilizado ELF para referirse al concepto de "campos eléctricos y magnéticos (CEM) de frecuencia extremadamente baja (ELF)". [ 17 ]

Propagación

Un espectro típico de ondas electromagnéticas ELF en la atmósfera terrestre, que muestra picos causados ​​por las resonancias de Schumann . Las resonancias de Schumann son las frecuencias de resonancia de la cavidad esférica tierra-ionosfera. Los rayos hacen que la cavidad "vibre" como una campana, provocando picos en el espectro de ruido. El pico de potencia pronunciado a 50 Hz es causado por la radiación de las redes eléctricas  globales . El aumento del ruido en bajas frecuencias (lado izquierdo) es ruido de radio causado por procesos lentos en la magnetosfera terrestre .

Debido a su longitud de onda extremadamente larga, las ondas ELF pueden difractarse alrededor de grandes obstáculos, no son bloqueadas por cadenas montañosas ni el horizonte, y pueden viajar alrededor de la curvatura del mundo . Las ondas ELF y VLF se propagan largas distancias a través de un mecanismo de guía de ondas tierra-ionosfera. [ 5 ] [ 18 ] La Tierra está rodeada por una capa de partículas cargadas ( iones y electrones ) en la atmósfera a una altitud de aproximadamente 60 km (37 mi) en la parte inferior 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 electromagnético transversal (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 cada 1000 km (620 millas) , [ 18 ] [ 19 ] lo que le da a un solo transmisor el potencial de comunicarse en todo el mundo.      

Las ondas ELF también pueden viajar distancias considerables a través de medios con pérdidas, como la tierra y el agua de mar, que absorberían o reflejarían las ondas de radio de mayor frecuencia.

resonancias de Schumann

La atenuación de las ondas ELF es tan baja que pueden viajar completamente alrededor del mundo varias veces antes de decaer a una amplitud insignificante, y por lo tanto, las ondas que se irradian desde fuentes en direcciones opuestas que circunnavegan el mundo en una trayectoria de círculo máximo interfieren entre sí. [ 20 ] A ciertas frecuencias, estas ondas de dirección opuesta están en fase y se suman (refuerzan), causando ondas estacionarias . En otras palabras, la cavidad esférica cerrada tierra-ionosfera actúa como un enorme resonador de cavidad , mejorando la radiación ELF en sus frecuencias de resonancia . Estas se llaman resonancias de Schumann , en honor al físico alemán Winfried Otto Schumann , quien las predijo en 1952, [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] y fueron detectadas en la década de 1950. Modelando la cavidad tierra-ionosfera con paredes perfectamente conductoras, Schumann calculó que las resonancias deberían ocurrir en frecuencias de [ 20 ]

Fnorte=7.49norte(norte+1) Hz.{\displaystyle f_{n}=7.49{\sqrt {n(n+1)}}\ {\text{Hz}}.}

Las frecuencias reales difieren ligeramente de esto, debido a las propiedades de conducción de la ionosfera. La resonancia fundamental de Schumann se encuentra aproximadamente en 7,83  Hz, la frecuencia en la que la longitud de onda es igual a la circunferencia de la Tierra, y los armónicos superiores se producen en 14,1, 20,3, 26,4 y 32,4  Hz, etc. Los rayos excitan estas resonancias, lo que provoca que la cavidad tierra-ionosfera "vibre" como una campana, generando un pico en el espectro de ruido en estas frecuencias. Por lo tanto, las resonancias de Schumann pueden utilizarse para monitorizar la actividad global de tormentas eléctricas.

El interés por las resonancias de Schumann se reavivó en 1993 cuando ER Williams demostró una correlación entre la frecuencia de resonancia y las temperaturas del aire tropical, sugiriendo que la resonancia podría utilizarse para monitorear el calentamiento global . [ 25 ] [ 20 ]

Comunicaciones submarinas

Antena dipolo terrestre utilizada para transmitir ondas ELF, similar a las antenas Clam Lake de la Marina de los EE. UU., que muestra su funcionamiento. Funciona como una enorme antena de bucle , donde la corriente alterna I del transmisor P pasa a través de una línea de transmisión aérea, luego se entierra profundamente desde una conexión a tierra G a la otra, y finalmente regresa al transmisor a través de otra línea de transmisión. Esto crea un campo magnético alterno H , que irradia ondas ELF. Para mayor claridad, se muestra la corriente alterna fluyendo en una sola dirección a través del bucle.

Dado que las ondas de radio ELF pueden penetrar profundamente en 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. [ 26 ] La Armada de los Estados Unidos construyó en 1982 la primera instalación de comunicaciones submarinas ELF, dos transmisores ELF acoplados en Clam Lake, Wisconsin , y Republic, Michigan . [ 27 ] Fueron desactivados en 2004. La Armada rusa opera un transmisor ELF llamado ZEVS (Zeus) en Murmansk , en la península de Kola . [ 28 ] La Armada india tiene una instalación de comunicaciones ELF en la base naval INS Kattabomman para comunicarse con sus submarinos de clase Arihant y clase Akula . [ 13 ] [ 29 ]

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 imposibilita la comunicación por radio con submarinos sumergidos en frecuencias ordinarias. Sin embargo, las señales en el rango de frecuencia ELF pueden penetrar a mayor profundidad. Dos factores limitan la utilidad de los canales de comunicación ELF: la baja velocidad de transmisión de datos (unos pocos caracteres por minuto) y, en menor medida, su naturaleza unidireccional debido a la dificultad de instalar una antena del tamaño requerido en un submarino (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 ascienda a poca profundidad, donde podría recibir algún otro tipo de comunicación.

Dificultades de la comunicación ELF

Una de las dificultades que se presentan al transmitir en el rango de frecuencias ELF es el tamaño de la antena , ya que su longitud debe ser al menos una fracción sustancial de la longitud de onda. Por ejemplo, una señal de 3 Hz tiene una longitud de onda igual a la distancia que recorren las ondas electromagnéticas 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. En aplicaciones militares, la longitud de onda es de 299 792 km (186 282 millas) por segundo, dividida entre 50 y 85 Hz, lo que equivale a una longitud de entre 3500 y 6000 km (2200 y 3700 millas) . Esto es comparable al diámetro de la Tierra , de aproximadamente 12 742 km (7918 millas) . Debido a este enorme requisito de tamaño, para transmitir internacionalmente utilizando frecuencias ELF, el propio planeta constituye una parte significativa de la antena, y se requieren cables extremadamente largos que se entierran en el suelo. Se utilizan diversos métodos, como el alargamiento eléctrico , para construir estaciones de radio prácticas de menor tamaño.        

Estados Unidos mantuvo dos emplazamientos: uno en el Bosque Nacional Chequamegon-Nicolet , Wisconsin , y otro en el Bosque Estatal del Río Escanaba , Michigan (originalmente llamado Proyecto Sanguine , luego reducido y renombrado Proyecto ELF antes de su construcción), hasta su desmantelamiento a finales de septiembre de 2004. Ambos emplazamientos utilizaban largas líneas eléctricas , denominadas dipolos terrestres , como conductores. Estos conductores estaban formados por múltiples hilos con longitudes que oscilaban entre los 22,5 y los 45 kilómetros (14,0 y 28,0 millas) . Debido a la ineficiencia de este método, se requería una cantidad considerable de energía eléctrica para el funcionamiento del sistema. 

Otros usos

Los transmisores en el  rango de 22 Hz también se utilizan en el mantenimiento de tuberías, o limpieza con raspadores . La señal se genera como un campo magnético alterno, y el transmisor se monta sobre, o en parte sobre, el "pig", que es el dispositivo de limpieza que se inserta en la tubería. El pig se empuja a través de una tubería mayoritariamente metálica. La señal ELF se puede detectar a través del metal, lo que permite que su ubicación sea detectada por receptores ubicados fuera de la tubería. [ 30 ] Se utiliza para comprobar si un pig ha pasado por una ubicación determinada o para localizar un pig atascado.

Algunos aficionados a la radio graban señales ELF utilizando antenas que varían en tamaño, desde antenas activas de 45 cm hasta antenas de varios miles de metros de longitud, aprovechando vallas, barandillas de carreteras e incluso vías férreas en desuso. Luego, las reproducen a mayor velocidad para observar con mayor facilidad las fluctuaciones naturales de baja frecuencia en el campo electromagnético terrestre . Al aumentar la velocidad de reproducción, aumenta el tono , situándolo en el rango de frecuencias audibles .

Desde la década de 2000, se han utilizado frecuencias muy bajas con éxito en el mar para la prospección geofísica de petróleo. [ 31 ]

Fuentes naturales

Las ondas ELF de origen natural están presentes en la Tierra, resonando en la región entre la ionosfera y la superficie, y se observan en los rayos que hacen oscilar los electrones en la atmósfera. [ 32 ] Aunque las señales generadas por las descargas de rayos eran predominantemente VLF, se encontró que un componente ELF observable (cola lenta) seguía al componente VLF en casi todos los casos. [ 33 ] 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 .

También se han identificado tentativamente ondas ELF en Titán , la luna de Saturno . Se cree que la superficie de Titán es un mal reflector de ondas ELF, por lo que estas podrían reflejarse en el límite líquido-hielo de un océano subterráneo de agua y amoníaco, cuya existencia predicen algunos modelos teóricos. La ionosfera de Titán también es más compleja que la de la Tierra, con la ionosfera principal a una altitud de 1200 km (750 mi) , pero con una capa adicional de partículas cargadas a 63 km (39 mi) . Esto divide la atmósfera de Titán en dos cámaras resonantes separadas. El origen de las ondas ELF naturales en Titán no está claro, ya que no parece haber una actividad eléctrica extensa. [ 32 ]    

Los magnetares pueden emitir enormes potencias de radiación ELF, hasta 100 000 veces superiores a la del Sol en luz visible . El púlsar de la nebulosa del Cangrejo emite potencias de este orden a 30  Hz. [ 34 ] La radiación de esta frecuencia está por debajo de la frecuencia de plasma del medio interestelar , por lo que este medio es opaco para ella y no puede observarse desde la Tierra.

Exposición

En la terapia electromagnética y la investigación sobre radiación electromagnética y salud , las frecuencias del espectro electromagnético entre 0 y 100 Hertz se consideran campos de frecuencia extremadamente baja. [ 35 ] Una fuente común de exposición del público a campos ELF son los campos eléctricos y magnéticos de 50 o 60 Hz provenientes de líneas de transmisión de energía  eléctrica de alta tensión y líneas de distribución secundarias, como las que suministran electricidad a barrios residenciales. [ 17 ] [ 36 ] [ 35 ]

acusaciones de leucemia

Existe una gran incertidumbre respecto a las correlaciones entre la exposición prolongada y de bajo nivel a campos ELF y diversos efectos en la salud, incluida la leucemia infantil. En octubre de 2005, la OMS convocó a un grupo de trabajo de expertos científicos para evaluar los posibles riesgos para la salud derivados de la exposición a campos eléctricos y magnéticos ELF en el rango de frecuencia >0 a 100 000  Hz (100  kHz) en relación con la leucemia infantil. [ 36 ] La exposición prolongada y de bajo nivel se evalúa como la exposición promedio a campos magnéticos residenciales de frecuencia industrial superiores a 0,3–0,4 μT , y se estima que solo entre el 1 % y el 4 % de los niños viven en estas condiciones. [ 36 ] Posteriormente, en 2010, un análisis conjunto de evidencia epidemiológica respaldó la hipótesis de que la exposición a campos magnéticos de frecuencia industrial está relacionada con la leucemia infantil. [ 37 ] 

Ningún otro estudio ha encontrado evidencia que respalde la hipótesis de que la exposición a ELF sea un factor que contribuya a la leucemia en niños. [ 38 ] [ 39 ]

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 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. [ 40 ] Sin embargo , en la actualidad , ICNIRP e IEEE consideran que la evidencia científica relacionada con los posibles efectos en la salud de la exposición prolongada y de bajo nivel a campos ELF es insuficiente para justificar la reducción de estos límites de exposición cuantitativos. En resumen, cuando se evalúan todos los estudios en conjunto, la evidencia que sugiere que los CEM pueden contribuir a un mayor riesgo de cáncer es inexistente. [ 41 ] [ 42 ] Los estudios epidemiológicos sugieren una posible asociación entre la exposición ocupacional prolongada a ELF y la enfermedad de Alzheimer . [ 43 ] [ 44 ]

Impacto ecológico

Ha habido cierta preocupación por el posible impacto ecológico de las señales ELF. En 1984, un juez federal detuvo la construcción del Proyecto ELF, exigiendo más estudios ambientales y de salud. Esta sentencia fue revocada por un tribunal federal de apelaciones, basándose en que la Marina de los EE. UU. afirmó haber gastado más de 25 millones de dólares en el estudio de los efectos de los campos electromagnéticos, cuyos resultados indicaban que eran similares a los producidos por las líneas de distribución eléctrica convencionales. Sin embargo, durante el tiempo que ELF estuvo en funcionamiento, algunos políticos de Wisconsin, como los senadores demócratas Herb Kohl y Russ Feingold , y el congresista Dave Obey , continuaron exigiendo su cierre.

Los campos electromagnéticos (CEM) de frecuencia extremadamente baja (ELF), que suelen oscilar entre 0,3 Hz y 300 Hz, tienen diversos impactos ecológicos tanto en la flora como en la fauna. [ 45 ]

Teorías de la conspiración

Desde finales de la década de 1970, han surgido diversas teorías conspirativas en torno a la exposición a campos electromagnéticos (CEM) de frecuencia extremadamente baja (ELF). [ 36 ] Según una revisión de la Organización Mundial de la Salud (OMS), los campos magnéticos ELF externos inducen campos y corrientes eléctricas en el cuerpo, que, a intensidades de campo muy elevadas, pueden provocar estimulación nerviosa y muscular, así como cambios en la excitabilidad de las células nerviosas en el sistema nervioso central. [ 46 ]

Se dijo que las ondas ELF a niveles de kV/m perceptibles por el ser humano creaban una molesta sensación de hormigueo en las áreas del cuerpo en contacto con la ropa, particularmente en los brazos, debido a la inducción de una carga superficial por las ondas ELF. De los voluntarios del estudio científico de la OMS, el 7% describió las descargas de chispas como dolorosas cuando el sujeto estaba bien aislado y tocaba 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. [ 47 ]

Patentes

  • Tanner, RL, Patente estadounidense 3,215,937 , " Antena de frecuencia extremadamente baja ", 1965
  • Hansell, Clarence W., Patente estadounidense 2,389,432 , " Sistema de comunicación mediante pulsos a través de la Tierra "
  • Altshuler, patente estadounidense 4,051,479 , antena dipolo vertical ELF suspendida de una aeronave

Véase también

Referencias

Notas

  1. ↑ «Rec. ITU-R V.431-7, Nomenclatura de las bandas de frecuencia y longitud de onda que se utilizan en las telecomunicaciones» (PDF) . UIT. Archivado del original (PDF) el 31 de octubre de 2013. Consultado el 20 de febrero de 2013 .
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información general

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  • Campos de frecuencia extremadamente baja (ELF) (EHC 35, 1984)
  • " Ondas de radio por debajo de 22 kHz : señales de la naturaleza y extrañas emisiones a muy baja frecuencia " - un sitio web especializado en señales de baja frecuencia.
  • Jacobsen, Trond, " ZEVS, el transmisor ELF ruso de 82 Hz : un sistema de transmisión de frecuencia extremadamente baja que utiliza ondas largas reales " ALFLAB, Halden, Noruega.
  • Receptor ELF -> VLF de la NASA en directo