Extremely Low Frequency

{{#invoke:Vorlage:lang|flat}} (kurz ELF, {{#invoke:Vorlage:lang|full|CODE=en|SCRIPTING=Latn|SERVICE=englisch}} für extrem niedrige Frequenz) ist laut ITU 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.

Die ITU definiert zusätzlich noch folgende Frequenzbereiche:

Super Low Frequency (SLF): 30–300 Hz (Wellenlänge 1000–10.000 km)
Ultra Low Frequency (ULF): 300–3000 Hz (Wellenlänge 100–1000 km)
Very Low Frequency (VLF) oder Längstwellen: 3 kHz–30 kHz (Wellenlänge 10–100 km).

Ungeachtet der ITU-Einteilung wird auch zum Teil der gesamte Funkwellen-Bereich von 3 Hz bis 3 kHz als ELF bezeichnet.<ref>https://web.archive.org/web/20100527095828/http://lws-trt.gsfc.nasa.gov/trt_liemohn05eos.pdf Michael W. Liemohn, Ann Arbor, Anthony A. Chan: Unraveling the Causes of Radiation Belt Enhancements, Eos, Jahrgang 88, No. 42, 16. Oktober 2007, Seite 426</ref>

Der gesamte Bereich zwischen 3 Hz und 30 kHz wird u. a. auch in der Literatur der ionosphärischen Radiowellen-Ausbreitung als {{#invoke:Vorlage:lang|flat}} bzw. Niederfrequenz bezeichnet.<ref>K. Davies: Ionospheric Radio. Peregrinus Ltd, London 1990. (englisch)</ref><ref>K. Rawer: Wave Propagation in the Ionosphere. Kluwer Publ., Dordrecht 1993. (englisch)</ref>

Dieser Artikel beschäftigt sich mit den Bereichen ELF und SLF, d. h. mit 3 bis 300 Hz.

Wellenlänge

Je geringer die Frequenz <math>f</math> einer elektromagnetischen Welle, umso größer die zugehörige Wellenlänge <math>\lambda</math>, die sich aus Frequenz und der (näherungsweise konstant angenommenen) Ausbreitungsgeschwindigkeit <math>c</math> (Lichtgeschwindigkeit) errechnet:

<math>\lambda = \frac{c}{f}</math>

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.

Ein Viertelwellenstrahler oder eine abgestimmte Dipolantenne hätte bei ELF-Wellen einige Hundert Kilometer Länge. Solche Sendeantennen könnten nur äußerst schwer realisiert werden. Deshalb wird in diesem Frequenzbereich mit einem Bodendipol gesendet.

Natürliche Quellen

Neben technisch erzeugten Signalen existieren auch natürlich vorkommende ELF-Wellen. Auf der Erde entstehen charakteristische Frequenzen von etwa 7 bis 8 Hz als sogenannte Schumann-Resonanzen, die durch globale atmosphärische Störungen wie Blitzentladungen (Sferics) angeregt werden.

Messungen der Huygens-Sonde auf dem Saturnmond Titan im Jahr 2005 deuten darauf hin, dass vergleichbare natürliche ELF-Phänomene auch außerhalb der Erde existieren. Mit dem Permittivitäts-, Wellen- und Altimetrie-Analysator (PWA) wurde während des Abstiegs eine ausgeprägte extrem niederfrequente Eigenmode bei etwa 36 Hz registriert. Die Auswertung der Daten spricht gegen instrumentelle Artefakte oder atmosphärische Blitze als Ursache und legt eine Schumann-ähnliche Resonanz in der Titan-Ionosphäre nahe.<ref name=":0" />

Im Unterschied zur Erde wird diese Resonanz auf Titan vermutlich nicht durch Blitzaktivität, sondern durch die Wechselwirkung der Ionosphäre mit dem mitrotierenden Plasma der Saturn-Magnetosphäre angeregt. Aufgrund der geringen elektrischen Leitfähigkeit der Titan-Oberfläche können ELF-Wellen zudem in den Untergrund eindringen und möglicherweise an Grenzschichten zu einem vermuteten unterirdischen Ozean reflektiert werden.<ref name=":1" />

Anwendung

ELF-Wellen werden im Besonderen für die U-Boot-Kommunikation eingesetzt, da diese elektromagnetischen Wellen aufgrund ihrer niedrigen Frequenz eine sehr große Bodenwellen-Reichweite besitzen und im schlecht leitenden Meerwasser auch nach größerer Eindringtiefe noch nachweisbar sind.<ref name=":0">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>

Allerdings sind mit derart niedrigen Frequenzen nur sehr geringe Datenübertragungsraten möglich. Diese soll in den 1970er Jahren beim Seafarer-System der US-Navy bei rund 10 Bit je Minute gelegen haben, was jedoch ausreicht, um zahlreiche in Form sehr kurzer Zeichengruppen kodierte Befehle zu übermitteln.

Nachweislich existieren bzw. existierten derzeit nur drei ELF-Sender:

für das im Jahr 2004 stillgelegte amerikanische System Sanguine mit der Sendefrequenz 76 Hz die Sendeanlagen
- am Clam Lake, Wisconsin<ref name=":1">{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:Titan’s mysterious radio wave|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Titan’s mysterious radio wave}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Cassini-Huygens/Titan_s_mysterious_radio_wave%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Titan’s mysterious radio wave}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Cassini-Huygens/Titan_s_mysterious_radio_wave}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Titan’s mysterious radio wave}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:{{#if: 2026-02-04 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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- am Escanaba River State Forest, Michigan
der Sender des russischen Systems ZEVS (Sendefrequenz 82 Hz) in der Nähe von Murmansk.

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.

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{{#if: Typisches ELF-Spektrum.|

vergrößern und Informationen zum Bild anzeigen

[[Hilfe:Cache|Fehler beim Thumbnail-Erstellen]]:

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}}Typisches ELF-Spektrum.

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Datei:ELF 50Hz.jpg: Bitte eine Gesamtbreite ohne Einheit angeben.

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Empfangsantennen

Datei:VLF-Antenne1.jpg

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, so 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. Daher werden Vorverstärker hoher Eingangsimpedanz benötigt.<ref>Meinke und Friedrich-Wilhelm Gundlach: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik. Springer, 1992, ISBN 3-540-54715-0, S. N37.</ref> Waagerechte Dipolantennen mit einer Höhe über dem (leitfähigen) Erdboden, die notwendigerweise im Vergleich zur Wellenlänge gering ist, besitzen eine hohe Dämpfung.

Empfänger

Zum Empfang von Extremely Low Frequency kann neben analog arbeitenden Empfängern auch ein Personal Computer oder ein Mikrocontroller mit integrierter Soundkarte bzw. Analog-Digital-Umsetzer eingesetzt werden. Die Signale werden mit einer Spule empfangen. Eine Software kann z. B. eine FFT-Analyse ausführen und ein Spektrogramm darstellen.

Störquellen

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

Stromversorgung 16…17 Hz (Bahnstrom), 50 Hz, 60 Hz
Schumann-Resonanz 7…8 Hz
Schwankungen des Erdmagnetfeldes
Sonnenwinde
Atmosphärische Störungen.

Wechselwirkungen mit dem menschlichen Organismus

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<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> oder Aktivitätssteigerung<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref><ref name="Schienle211-24">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> auf oder es war kein Effekt auf das EEG feststellbar. Die EEG-Veränderungen waren bei diesen Experimenten stets symptomlos.<ref name="Schienle211-24" /><ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>

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	0,4 … 3,5 Hz	4 … 7 Hz	8 … 13 Hz	12 … 30 Hz	25 … 100 Hz
Bereich elektro- magnetischer Wellen	Sub-ELF	ELF			SLF

Siehe auch

BEXUS #BEXUS 30

Einzelnachweise

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Strahlung

|

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