Extremely Low Frequency

Extremely Low Frequency (kurz ELF, 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. Es schließen sich gemäß ITU die
Super Low Frequency (SLF) mit 30–300 Hz und die
Ultra Low Frequency (ULF) mit 300–3000 Hz an.
Teilweise wird dieser gesamte Funkwellen-Bereich von 3 Hz bis 3 kHz ungeachtet der ITU-Einteilung als ELF bezeichnet.[1] Daran schließen sich die
Längstwellen (Very Low Frequency, VLF) mit 3–30 kHz an.

Der gesamte Bereich zwischen 3 Hz und 30 kHz wird u. a. auch in der Literatur der ionosphärischen Radiowellen-Ausbreitung als Low Frequency bzw. Niederfrequenz bezeichnet.[2][3]

Dieser Artikel beschäftigt sich mit den Bereichen ELF und SLF.

Quellen, Ausbreitung, Anwendung

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.[4]

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 derzeit nur drei ELF-Sender: Die Sendeanlagen am Clam Lake,[5] Wisconsin und Escanaba River State Forest, Michigan für das stillgelegte 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).

Typisches ELF-Spektrum.

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.

Empfangsantennen
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.[6] Waagerechte Dipolantennen mit notwendigerweise im Vergleich zur Wellenlänge geringer Höhe über dem (leitfähigen) Erdboden 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 beziehungsweise Analog-Digital-Umsetzer eingesetzt werden. Die Signale werden mit einer Spule empfangen. Eine Software kann zum Beispiel 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.

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[7] oder Aktivitätssteigerung[8][9] auf oder es war kein Effekt auf das EEG feststellbar. Die EEG-Veränderungen waren bei diesen Experimenten stets symptomlos.[9][10]

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

Einzelnachweise
  1. 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
  2. K. Davies: Ionospheric Radio. Peregrinus Ltd, London 1990. (englisch)
  3. K. Rawer: Wave Propagation in the Ionosphere. Kluwer Publ., Dordrecht 1993. (englisch)
  4. vom Militär so bezeichnet, obwohl eigentlich Super Low Frequency (SLF)
  5. Extremely Low Frequency Transmitter Site Clam Lake, Wisconsin. (PDF; 910 kB) United States Navy fact file. Federation of American Scientists, abgerufen am 9. Juli 2016 (englisch).
  6. Meinke und Friedrich-Wilhelm Gundlach: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik. Springer, 1992, ISBN 3-540-54715-0, S. N37.
  7. 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, 1996, S. 177–188, doi:10.1016/0167-8760(95)00052-6.
  8. 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. 21–36, doi:10.3109/00207459709000623.
  9. 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.
  10. 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.
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