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周波数範囲 | 3～30Hz |
|---|---|
波長範囲 | それぞれ100,000～10,000 km |
極低周波（ELF）は、ITUの指定[1]で、周波数が3～30Hz 、波長がそれぞれ10万～1万キロメートルの電磁放射（電波）を指します。[ 2 ] [ 3 ]大気科学では、通常、3Hz～3kHzという別の定義が与えられます。[4] [5]関連する磁気圏科学では、より低周波の電磁振動（約3Hz未満で発生する脈動）はULF範囲にあると考えられており、これもITUの無線帯域とは定義が異なります。
ELF 電波は雷や地球の磁場の自然擾乱によって発生するため、大気科学者の研究対象となっている。このような長波を放射できるアンテナを製作するのは難しいため、ELF はごく少数の人工通信システムにしか使用されていない。ELF 波は海水を透過できるため、潜水艦との通信に役立ち、いくつかの国では潜水艦に信号を送信するための軍用 ELF 送信機を製作している。これは、メガワットの電力を生成する送信機によって駆動される、長さ 15～60 km (9～37 マイル) の巨大な接地線アンテナ (地上ダイポール)で構成される。これらの ELF 通信施設を建設したことが知られている国は、米国、ロシア、インド、中国のみである。[6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13]米国の施設は 1985 年から 2004 年まで使用されたが、現在は廃止されている。[9]
代替定義
ELF はサブラジオ周波数です。[14]一部の医学査読済みジャーナル記事では、50 Hz [15]および 50～80 Hz の周波数の「極低周波 (ELF) 磁場 (MF)」の文脈で ELF に言及しています。[16] NASA などの米国政府機関は、ELF を 0 ～ 300 Hz の周波数の非電離放射線と説明しています。[14]世界保健機関(WHO) は、ELF を「極低周波 (ELF) 電界および磁界 (EMF)」の概念を指すために使用しています。[17] WHO はまた、0 ～ 300 Hz の周波数では「空気中の波長が非常に長く (50 Hz で 6,000 km (3,700 マイル)、60 Hz で 5,000 km (3,100 マイル))、実際の状況では電界と磁界は互いに独立して動作し、別々に測定される」と述べています。[17]
伝搬
ELF 波は波長が極めて長いため、大きな障害物を回り込んで回折し、山脈や地平線に遮られることなく、地球の曲率を迂回して進むことができます。ELF 波とVLF波は、地球 - 電離層導波機構によって長距離を伝搬します。[5] [18] 地球は、電離層の最下部の高度約 60 km (37 マイル) で大気中の荷電粒子(イオンと電子) の層に囲まれており、これをD 層と呼び、ELF 波を反射します。導電性の地球表面と導電性の D 層の間の空間は、ELF 波を閉じ込める平行板導波管として機能し、宇宙に逃げることなく長距離を伝搬できるようにします。VLF 波とは対照的に、層の高さは ELF 周波数では 1 波長よりもはるかに小さいため、ELF 周波数で伝搬できる唯一のモードは、電界が垂直で磁界が水平である垂直偏波のTEM モードです。 ELF波は1,000km（620マイル）あたり1～2dBという極めて低い減衰率を持っているため[18] [19] 、単一の送信機で世界中で通信できる可能性があります。
ELF 波は、高周波の電波を吸収または反射する土や海水などの「損失のある」媒体を介してかなりの距離を伝わることもあります。
シューマン共振
ELF 波の減衰は非常に小さいため、地球を数回完全に周回してから無視できる振幅に減衰するため、大円軌道で地球を周回する反対方向に放射された波は互いに干渉します。 [20]特定の周波数では、これらの反対方向の波は同位相で加算 (強化) され、定在波を引き起こします。言い換えると、閉じた球状の地球電離層空洞は巨大な空洞共振器として機能し、その共振周波数で ELF 放射を増強します。これらは、ドイツの物理学者ヴィンフリート・オットー・シューマンにちなんでシューマン共鳴と呼ばれています。シューマンは 1952 年にこれを予測し、[21] [22] [23] [24] 1950 年代に検出されました。シューマンは、地球電離層空洞を完全導電性の壁でモデル化し、共鳴が次の周波数で発生すると計算しました。[20]
実際の周波数は、電離層の伝導特性により、これと若干異なります。基本的なシューマン共振は、波長が地球の円周に等しい周波数である約 7.83 Hz にあり、高調波は 14.1、20.3、26.4、32.4 Hz などで発生します。落雷によりこれらの共振が励起され、地球と電離層の間の空洞がベルのように「鳴り」、これらの周波数でノイズ スペクトルのピークが発生します。そのため、シューマン共振を使用して、地球規模の雷雨活動を監視できます。
シューマン共振への関心は、1993年にERウィリアムズが共振周波数と熱帯気温の相関関係を示し、この共振が地球温暖化の監視に利用できる可能性があることを示したことで再燃した。[25] [20]
潜水艦通信
ELF電波は海水を深く浸透し、潜水艦の作戦深度まで届くため、いくつかの国では潜水中の潜水艦と通信するための海軍ELF送信機を建造している。2018年には、中国が潜水艦部隊と浮上せずに通信するために、ニューヨーク市とほぼ同じ大きさの世界最大のELF施設を建設したと報じられた。 [26]アメリカ海軍は1982年に最初のELF潜水艦通信施設、ウィスコンシン州クラムレイクとミシガン州リパブリックに2つの結合されたELF送信機を建造した。[27]これらは2004年に閉鎖された。ロシア海軍はコラ半島のムルマンスクでZEVS（ゼウス）と呼ばれるELF送信機を運用している。[28]インド海軍はINSカッタボンマン海軍基地にELF通信施設を持ち、アリハント級およびアクラ級潜水艦と通信している。[13] [29]
説明
海水は電気伝導性があるため、ほとんどの高周波電波を潜水艦から遮断し、通常の周波数で水中の潜水艦と無線通信することは不可能です。ただし、ELF 周波数範囲の信号は、はるかに深いところまで浸透します。ELF 通信チャネルの有用性を制限する要因が 2 つあります。1 つは、1 分間に数文字という低いデータ伝送速度であり、もう 1 つは、必要なサイズのアンテナを潜水艦に設置することが非現実的であるため一方向であるという点です (通信を成功させるには、アンテナが非常に大きい必要があります)。一般に、ELF 信号は、潜水艦に浅い深さまで浮上して他の形式の通信を受信できるように命令するために使用されています。
ELF通信の難しさ
ELF 周波数範囲で放送する場合の難しさの 1 つはアンテナのサイズです。アンテナの長さは、少なくとも波の長さのかなりの部分でなければならないためです。たとえば、3 Hz信号の波長は、電磁波が特定の媒体を 1/3 秒で移動する距離に等しくなります。媒体の屈折率が 1 より大きい場合、ELF 波は真空中の光速よりも遅く伝わります。軍事用途で使用される場合、波長は 299,792 km (186,282 マイル)/秒を 50～85 Hz で割った値で、長さは約 3,500～6,000 km (2,200～3,700 マイル) になります。これは、地球の直径約 12,742 km (7,918 マイル) に相当します。この巨大なサイズ要件のため、ELF 周波数を使用して国際的に送信する場合、地球自体がアンテナの重要な部分を形成し、非常に長いリード線を地面に引き込む必要があります。より小型で実用的な無線局を建設するために、 電気的延長などのさまざまな手段が使用されています。
米国は、2004年9月下旬から解体されるまで、ウィスコンシン州チェワメゴン・ニコレット国有林とミシガン州エスカナバ川州立森林公園（当初はプロジェクト・サンギュインと呼ばれていたが、建設前に規模を縮小してプロジェクトELFに改名された）の2か所のサイトを維持していた。両サイトとも、リードとして長い電力線、いわゆるグラウンド・ダイポールを使用していた。これらのリードは、長さ22.5～45キロメートル（14.0～28.0マイル）に及ぶ複数のストランドで構成されていた。この方法は非効率であるため、システムを稼働させるには 相当な量の電力が必要であった。
その他の用途
22 Hz 帯の送信機は、パイプラインのメンテナンス、またはピギングにも使用されます。信号は交流磁場として生成され、送信機はパイプに挿入される清掃装置「ピグ」またはその一部に取り付けられます。ピグは主に金属製のパイプラインに押し込まれます。ELF 信号は金属を通して検出できるため、パイプの外側にある受信機でその位置を検出できます。[30]これは、ピグが特定の場所を通過したかどうかを確認したり、ピグが動けなくなった場所を特定したりするために使用されます。
ラジオ愛好家の中には、フェンス、高速道路のガードレール、さらには廃止された鉄道線路を利用して、18 インチのアクティブ アンテナから数千フィートの長さのアンテナまでさまざまなサイズのアンテナを使用して ELF 信号を録音する人もいます。その後、地球の電磁場における自然な低周波の変動をより簡単に観察できるように、より高速で再生します。再生速度を上げるとピッチが上がり、音が可聴周波数範囲になります。[引用が必要]
2000年代以降、超低周波は海上での石油物理探査に効果的に利用されてきました。[31]
天然資源
地球上には自然に発生するELF波が存在し、電離層と地表の間の領域で共鳴しており、これは大気中の電子を振動させる落雷に見られる。[ 32]落雷放電から生成される信号は主にVLFであったが、ほとんどの場合、観測可能なELF成分（スローテイル）がVLF成分に続くことがわかった。[33]また、地球-電離層空洞の基本モードは、地球の円周に等しい波長を持ち、7.8 Hzの共振周波数を与える。この周波数、および14、20、26、32 Hzのより高い共振モードは、ELFスペクトルのピークとして現れ、シューマン共振と呼ばれている。
ELF 波は、土星の衛星タイタンでも暫定的に確認されている。タイタンの表面は ELF 波の反射率が低いと考えられているため、波は地下の水とアンモニアの海の液体と氷の境界から反射している可能性がある。この海の存在は、いくつかの理論モデルによって予測されている。タイタンの電離層も地球のものより複雑で、主な電離層は高度 1,200 km (750 マイル) にあるが、63 km (39 マイル) のところに荷電粒子の層がある。これにより、タイタンの大気は 2 つの共鳴室に分かれている。タイタンでの自然の ELF 波の発生源は不明で、大規模な雷活動は見られない。[32]
マグネターは太陽の可視光線出力の10万倍という巨大なELF放射パワーを放射している可能性がある。かに星雲のパルサーは30Hzでこのオーダーのパワーを放射している。[34]この周波数の放射は星間物質のプラズマ周波数より低いため、この物質は放射パワーに対して不透明であり、地球からは観測できない。
暴露
電磁療法や電磁放射線と健康に関する研究では、0～100ヘルツの電磁スペクトル周波数は極低周波場とみなされている。[35]一般人がELF場にさらされる一般的な原因は、住宅街に電力を供給するような高圧送電線や二次配電線から発生する50Hz/60Hzの電界と磁界である。 [17] [36] [35]
陰謀説
1970年代後半から、ELF電磁場（EMF）への曝露をめぐってさまざまな陰謀説が浮上してきた。[36]外部ELF磁場は体内に電界と電流を誘導し、非常に高い電界強度では神経と筋肉の刺激や中枢神経系の神経細胞の興奮性の変化を引き起こす。[要出典]
人間が知覚できるkV/mレベルのELFは、ELFによる表面電荷の誘導により、衣服と接触する身体部位、特に腕に不快なチクチク感を引き起こすと言われている。被験者のうち7%は、被験者が十分に絶縁されており、5kV/mの電界内で接地された物体に触れた場合、火花放電が痛みを伴うと回答したが、50%は10kV/mの電界内で同様の火花放電が痛みを伴うと回答した。[37]
白血病
長期の低レベル ELF 電磁場への曝露と、小児白血病を含む多くの健康影響との相関関係については、不確実性が高い。2005 年 10 月、WHO は「小児白血病に関して、周波数範囲 0 から 100,000 Hz (100 kHz) を超える ELF 電磁場への曝露」から生じる可能性のある健康リスクを評価するために、科学専門家のタスク グループを招集した。[36]長期の低レベル曝露は、0.3～0.4 μTを超える住宅地の電力周波数磁界への平均曝露として評価され、そのような状況で生活している子供は 1% から 4% に過ぎないと推定されている。[36]その後、2010 年に、疫学的証拠のプール分析により、電力周波数磁界への曝露が小児白血病に関連しているという仮説が裏付けられた。[38]
他の研究では、ELF曝露が小児白血病の原因となるという仮説を裏付ける証拠は見つかっていない。[39] [40]
2014年の研究では、疫学研究で見られる相関関係が因果関係にあると仮定して、欧州連合（EU27）におけるELF磁場への曝露に起因する小児白血病の症例数を推定しました。この研究では、年間約50～60件の小児白血病がELF磁場に起因する可能性があると報告されており、これはEU27で毎年発生する小児白血病の全症例の約1.5%～約2.0%に相当します。[41]ただし、現時点では[いつ? ] 、 ICNIRPとIEEEは、長期の低レベルELF場への曝露による健康影響の可能性に関する科学的証拠は、これらの定量的曝露限度の引き下げを正当化するのに不十分であると考えています。要約すると、すべての研究を総合的に評価すると、EMFががんのリスク増加に寄与する可能性を示唆する証拠は存在しません。[42] [43]疫学的研究では、長期にわたるELFへの職業的曝露とアルツハイマー病との間に関連がある可能性が示唆されている。[44] [45]
生態学的影響
ELF 信号の生態系への影響については懸念が寄せられている。1984 年に連邦判事が建設を差し止め、[何の？ ]環境と健康に関するさらなる調査を要求した。この判決は、米海軍が電磁場の影響を調査するために 2,500 万ドル以上を費やし、その結果、標準的な電力配電線によって生じる影響と同様であることが判明したと主張したことを根拠に、連邦控訴裁判所によって却下された。この判決はすべての人[誰？ ]に受け入れられたわけではなく[さらに説明が必要]、ELF が使用されていた当時、民主党上院議員のハーブ・コール、ラス・ファインゴールド、下院議員のデイブ・オベイなどウィスコンシン州の政治家の中には、その閉鎖を求める者もいた。
極低周波（ELF）電磁場（EMF）は、通常0.3Hzから300Hzの範囲にあり、動植物にさまざまな生態学的影響を及ぼします。[46]
特許
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参照
参考文献
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一般情報
外部リンク
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