Extremely Low Frequency

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Der Niederfrequenzbereich bezeichnet elektromagnetische Felder oder Wellen mit extrem niedrigen Frequenzen von < 3 kHz und Wellenlängen von > 100 km. Gemäß IEEE wird dieser Bereich weiter unterteilt in Extremely Low Frequency (kurz ELF, (3 - 30 Hz)), Super Low Frequency (SLF) (30- 300 Hz) und Ultra Low Frequency (ULF) (0.3 - 3 kHz) (siehe Frequenzband). Daran schließen sich die Längstwellen (Very-Low-Frequency (VLF)) im Frequenzbereich von 3 bis 30 kHz an. In der Literatur der ionosphärischen Radiowellen-Ausbreitung wird gewöhnlich der gesamte Niederfrequenzbereich als Extremely Low Frequency bezeichnet [1] [2]. Dieser Artikel beschäftigt sich mit dem Bereich ELF und SLF.

Anwendung[Bearbeiten]

Im Besonderen werden ELF-Wellen für die U-Boot-Kommunikation eingesetzt, da diese elektromagnetischen Wellen aufgrund ihrer niedrigen Frequenz eine sehr große Bodenwellenreichweite besitzen und im schlecht leitenden Meerwasser auch nach größerer Eindringtiefe noch nachweisbar sind.[3]

Allerdings sind mit derart niedrigen Frequenzen nur sehr geringe Datenübertragungsraten möglich. Diese soll in den 1970er Jahren beim Seafarer-System der US-Navy bei ca. 10 Bit pro Minute gelegen haben, was jedoch ausreicht, um zahlreiche in Form sehr kurzer Zeichengruppen kodierte Befehle zu übermitteln. Nachweislich existieren derzeit nur drei ELF-Sender: Die Sendeanlagen am Clam Lake,[4] Wisconsin und Escabana River State Forest, Michigan für das amerikanische System Sanguine (Sendefrequenz: 76 Hz) und der Sender des russischen Systems ZEVS (Sendefrequenz: 82 Hz) in der Nähe von Murmansk.

Je geringer die Frequenz einer elektromagnetischen Welle ist, umso größer ist die zugehörige Wellenlänge, die sich aus Frequenz und der Ausbreitungsgeschwindigkeit errechnet. Während die Wellenlängen im Bereich der Funkfrequenzen von etwa einem Millimeter (Radar) bis einigen hundert Metern (Mittelwelle) reichen, liegen sie bei ELF-Wellen im Bereich von mehreren tausend Kilometern Länge.

Da Frequenzen unter 9 kHz wie der ELF-Bereich nicht unter die Richtlinien der ITU fallen, darf man in zahlreichen Ländern (allerdings nicht in Deutschland) im ELF-Bereich einen Sender ohne Lizenz betreiben, sofern er keine Oberwellen mit Frequenzen über 10 kHz erzeugt. Allerdings dürfte ein solcher Sender mit den für Amateure in der Praxis realisierbaren Antennen nur eine Reichweite von höchstens einigen Kilometern haben.

Es gibt auch natürlich vorkommende ELF-Wellen: Frequenzen von ca. 7 bis 8 Hz entstehen als sogenannte Schumann-Resonanz durch natürliche atmosphärische Störungen (Spherics).

Die Frequenzen von üblichen Wechselstromnetzen und für die Eisenbahnstromversorgung liegen ebenfalls in diesem Frequenzbereich. Üblich sind hier 16,70 Hz (einige Eisenbahnnetze, Variation von 16 1/3 bis 17,0 Hz), 50 Hz und 60 Hz.

Typisches ELF-Spektrum.

Um große Reichweite zu erzielen, soll die Länge der Sendeantenne ein Vielfaches von λ/4 (ein Viertel der Wellenlänge) betragen. Bei ELF-Wellen entspricht das einigen Hundert Kilometern Drahtlänge. Solche Sendeantennen können in der Praxis nur äußerst schwer (zum Beispiel in Form einer mehreren hundert Kilometer langen Alexanderson-Antenne) realisiert werden. Deshalb wird in diesem Frequenzbereich mit dem Bodendipol gesendet.

Empfangsantennen[Bearbeiten]

Luftspule als Empfangsantenne für VLF

Für den Empfang sehr tiefer Frequenzen verwendet man vorzugsweise magnetische (induktive) Antennen, da diese relativ unempfindlich gegen Funkenstörungen benachbarter elektrischer Geräte sind. Außerdem kann der Abstand zum Erdboden gering sein, weil dieser unmagnetisch ist.

Wie im Bild gezeigt, können das für höhere Frequenzen oberhalb 1000 Hz Luftspulen mit vielen Hundert Windungen sein. Für sehr tiefe Frequenzen um 100 Hz füllt man die Spulen mit langen Stangen aus Weicheisen (Baustahl), um die Empfangsspannung zu erhöhen (siehe Ferritstabantenne). Magnetische Antennen besitzen eine ausgeprägte Richtwirkung.

Will man eine feste Frequenz empfangen, kann die Empfindlichkeit durch Parallelschaltung eines Kondensators geeigneter Größe erheblich gesteigert werden. Die Bandbreite dieses Schwingkreises beträgt nur wenige Prozent der Mittenfrequenz.

Drahtantennen, die vorzugsweise auf elektrische Felder reagieren, sind aus verschiedenen Gründen schlecht geeignet, können aber durch Resonanztransformatoren wirkungsvoll an die Empfangselektronik angepasst werden:

  • Sie sind meist erheblich kürzer als 1/4 der Wellenlänge. Es werden daher extrem hochohmige Vorverstärker benötigt.[5] Optimal ist die Länge λ/4, wenn eine Fußpunktimpedanz von 50 Ohm gewünscht ist.
  • Durch die (im Vergleich zur Wellenlänge) geringe Höhe über dem leitfähigen Erdboden wirkt dieser bei ungünstigem Aufbau wie ein elektrischer Kurzschluss.

Empfänger[Bearbeiten]

Zum Empfang von Extremely Low Frequency wird neben speziell für diesen Frequenzbereich ausgelegten Radioempfängern zunehmend der PC mit integrierter Soundkarte eingesetzt. Signale, die über die Soundkarte mit einer Spule, die für Extremely Low Frequency über mehrere zehntausend Windungen verfügen sollte, oder einen Bodendipol empfangen werden, werden durch eine Software zur FFT-Analyse (Schnelle Fourier-Transformation) analysiert und in Form von Spektrogrammen dargestellt.

Störquellen[Bearbeiten]

Die Störquellendichte nimmt zu niedrigen Frequenzen hin deutlich zu. Zum einen bedeutet die große Reichweite, dass auch Störquellen weit entfernt liegen können, um den Empfang beeinträchtigen zu können. Zum anderen liegen diese Frequenzen in der Nähe von Gleichfeldern, deren Schwankungen Seitenbänder im ELF-Bereich erzeugen.

Wechselwirkungen mit dem menschlichen Organismus[Bearbeiten]

Das Frequenzspektrum menschlicher Gehirnströme, sichtbar gemacht im EEG, liegt ebenfalls im Bereich von 0 bis 50 Hz. Prinzipiell sind Wechselwirkungen zwischen starken elektromagnetischen Feldern und EEG-Mustern bei einigen an der Justus-Liebig-Universität Gießen durchgeführten Experimenten nachgewiesen worden. Dabei trat Dämpfung,[6] Aktivitätssteigerung[7][8] auf, oder es war kein Effekt auf das EEG feststellbar. Die EEG-Veränderungen waren bei diesen Experimenten stets symptomlos.[8][9]

Vergleich Frequenzband ELF zur Frequenz des menschlichen Gehirns in Relation zum Bewusstseinszustand (gemessen mit EEG):
EEG-Frequenzband Delta Theta Alpha Beta Gamma
typische Hirnaktivität Tiefschlaf
und Koma
Traumschlaf, Hypnose
und Trance
entspannter Wachzustand
und Meditation
normaler
Wachzustand
motorische und
kognitive Prozesse
Frequenzbereich/Hz 0,4 … 3,5 4 … 7 8 … 13 12 … 30 25 … 100
Bereich elektromagnetischer Wellen Sub-ELF ELF SLF

Siehe auch[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. K. Davies: Ionospheric Radio. Peregrinus Ltd, London 1990.
  2. K. Rawer: Wave Propagation in the Ionosphere. Kluwer Publ., Dordrecht 1993.
  3. vom Militär so bezeichnet, obwohl eigentlich SLF
  4. “Extremely Low Frequency Transmitter Site Clam Lake, Wisconsin”, United States Navy
  5. Meinke und Friedrich-Wilhelm Gundlach: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik. Springer, 1992, ISBN 3-540-54715-0, S. N37.
  6.  Anne Schienle, Rudolf Stark, Rainer Kulzer, René Klöpper, Dieter Vaitl: Atmospheric electromagnetism: Individual differences in brain electrical response to simulated sferics. In: International Journal of Psychophysiology. 21, Nr. 2–3, S. 177–188, doi:10.1016/0167-8760(95)00052-6.
  7.  Anne Schienle, Rudolf Stark, Bertram Walter, Dieter Vaitl, Rainer Kulzer: Effects of Low-Frequency Magnetic Fields on Electrocortical Activity in Humans: A Sferics Simulation Study. In: The International Journal of Neuroscience. 90, Nr. 1–2, 1997, S. 21–36DOI=10.3109/00207459709000623.
  8. a b  A Schienle, R Stark, D Vaitl: Electrocortical responses of headache patients to the simulation of 10 kHz sferics. In: The International Journal of Neuroscience. 97, Nr. 3–4, 1999, S. 211–224.
  9.  A Schienle, R Stark, D Vaitl: Sferics provoke changes in EEG power. In: The International Journal of Neuroscience. 107, Nr. 1-2, 2001, S. 87–102.