Extremely Low Frequency

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Extremely Low Frequency (kurz ELF, dt.: extrem niedrige Frequenz) ist der Teil des elektromagnetischen Spektrums, der elektromagnetische Wellen mit Frequenzen von 3–30 Hz und dementsprechend Wellenlängen von 10.000 bis 100.000 km umfasst.

Zusammen mit:

  • Ultra Low Frequency (ULF, 300–3000 Hz)
  • Super Low Frequency (SLF, 30–300 Hz)

bildet er gemäß IEEE ein Frequenzband, das in der Literatur der ionosphärischen Radiowellen-Ausbreitung gewöhnlich als Low Frequency bzw. Niederfrequenz bezeichnet wird.[1][2] An dieses Frequenzband schließen sich die Längstwellen an (Very Low Frequency, VLF, 3 kHz-30 kHz).

Nach anderen Definitionen umfasst Niederfrequenz die beiden o.g. Bänder zwischen 3 Hz und 30 kHz.

Dieser Artikel beschäftigt sich mit den Bereichen ELF und SLF.

Anwendung[Bearbeiten | Quelltext 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 Escanaba 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.

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 | Quelltext bearbeiten]

Luftspule als Empfangsantenne für VLF

Für den Empfang sehr tiefer Frequenzen verwendet man vorzugsweise magnetische (induktive) Antennen, da diese relativ unempfindlich gegenüber Funkstörungen 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 hunderten Windungen sein. Für sehr tiefe Frequenzen unter 100 Hz versieht man die Spulen mit einem Weicheisenkern, um die Empfangsspannung zu erhöhen (siehe Ferritstabantenne). Magnetische Antennen besitzen eine Richtwirkung.

Will man nur eine Frequenz empfangen, kann die Empfindlichkeit durch Parallelschaltung eines Kondensators geeigneter Größe erheblich gesteigert werden. Die Bandbreite des so gebildeten Schwingkreises kann sehr gering sein (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 das Optimum 1/4 der Wellenlänge und dementsprechend hochohmig. Es werden daher Vorverstärker hoher Eingangsimpedanz benötigt.[5] Waagerechte Dipolantennen mit notwendigerweise im Vergleich zur Wellenlänge geringer Höhe über dem (leitfähigen) Erdboden besitzen eine hohe Dämpfung.

Empfänger[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zum Empfang von Extremely Low Frequency kann neben analog arbeitenden Empfängern auch ein Personal Computer oder ein Mikrocontroller mit integrierter Soundkarte beziehungsweise Analog-Digital-Umsetzer eingesetzt werden. Die Signale werden mit einer Spule mit mehreren zehntausend Windungen oder einem Bodendipol empfangen. Eine Software kann zum Beispiel eine FFT-Analyse ausführen und ein Spektrogramm darstellen.

Störquellen[Bearbeiten | Quelltext 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 | Quelltext 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

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext 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 Super Low Frequency (SLF)
  4. Extremely Low Frequency Transmitter Site Clam Lake, Wisconsin. United States Navy fact file. Federation of American Scientists; abgerufen am 9. Juli 2016 (pdf; 910 kB, englisch).
  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. Band 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. Band 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. Band 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. Band 107, Nr. 1-2, 2001, S. 87–102.