Frecuencia extremadamente baja ( ELF ) es la designación de la UIT [1] para la radiación electromagnética ( ondas de radio ) con frecuencias de 3 a 30 Hz y longitudes de onda correspondientes de 100.000 a 10.000 kilómetros, respectivamente. [2] [3] En la ciencia atmosférica , se suele dar una definición alternativa, de 3 Hz a 3 kHz. [4] [5] En la ciencia relacionada con la magnetosfera , se considera que las oscilaciones electromagnéticas de frecuencia más baja (pulsaciones que ocurren por debajo de ~3 Hz) se encuentran en el rango ULF , que, por lo tanto, también se define de forma diferente a las bandas de radio de la UIT .
Las ondas de radio ELF son generadas por rayos y perturbaciones naturales en el campo magnético de la Tierra , por lo que son un tema de investigación por parte de los científicos atmosféricos. Debido a la dificultad de construir antenas que puedan radiar ondas tan largas, las ELF se han utilizado solo en muy pocos sistemas de comunicación creados por el hombre. Las ondas ELF pueden penetrar el agua de mar , lo que las hace útiles en la comunicación con submarinos , y algunas naciones han construido transmisores ELF militares para transmitir señales a sus submarinos sumergidos, que consisten en enormes antenas de cable conectadas a tierra ( dipolos de tierra ) de 15 a 60 km (9 a 37 mi) de largo impulsadas por transmisores que producen megavatios de energía. Estados Unidos, Rusia, India y China son los únicos países conocidos que han construido estas instalaciones de comunicación ELF. [6] [7] [ 8] [9] [10] [11] [12] [13] Las instalaciones estadounidenses se utilizaron entre 1985 y 2004, pero ahora están fuera de servicio. [9]
ELF es una subfrecuencia de radio . [14] Algunos artículos de revistas médicas revisadas por pares se refieren a ELF en el contexto de "campos magnéticos (MF) de frecuencia extremadamente baja (ELF)" con frecuencias de 50 Hz [15] y 50-80 Hz. [16] Las agencias gubernamentales de los Estados Unidos, como la NASA, describen a ELF como radiación no ionizante con frecuencias entre 0 y 300 Hz. [14] La Organización Mundial de la Salud (OMS) ha utilizado ELF para referirse al concepto de "campos eléctricos y magnéticos (EMF) de frecuencia extremadamente baja (ELF)". [17] La OMS también afirmó que a frecuencias entre 0 y 300 Hz, "las longitudes de onda en el aire son muy largas (6000 km (3700 mi) a 50 Hz y 5000 km (3100 mi) a 60 Hz) y, en situaciones prácticas, los campos eléctricos y magnéticos actúan independientemente uno del otro y se miden por separado". [17]
Debido a su longitud de onda extremadamente larga, las ondas ELF pueden difractarse alrededor de grandes obstáculos, no son bloqueadas por cadenas montañosas o el horizonte y pueden viajar alrededor de la curvatura de la Tierra . Las ondas ELF y VLF se propagan largas distancias mediante un mecanismo de guía de ondas Tierra-ionosfera. [5] [18] La Tierra está rodeada por una capa de partículas cargadas ( iones y electrones ) en la atmósfera a una altitud de unos 60 km (37 mi) en la parte inferior de la ionosfera , llamada capa D , que refleja las ondas ELF. El espacio entre la superficie conductora de la Tierra y la capa conductora D actúa como una guía de ondas de placas paralelas que confina las ondas ELF, lo que les permite propagarse largas distancias sin escapar al espacio. A diferencia de las ondas VLF, la altura de la capa es mucho menor que una longitud de onda en frecuencias ELF, por lo que el único modo que puede propagarse en frecuencias ELF es el modo TEM en polarización vertical , con el campo eléctrico vertical y el campo magnético horizontal. Las ondas ELF tienen una atenuación extremadamente baja de 1 a 2 dB por cada 1000 km (620 mi), [18] [19] lo que le da a un solo transmisor el potencial de comunicarse en todo el mundo.
Las ondas ELF también pueden viajar distancias considerables a través de medios con "pérdidas", como la tierra y el agua de mar, que absorberían o reflejarían ondas de radio de mayor frecuencia.
La atenuación de las ondas ELF es tan baja que pueden viajar completamente alrededor de la Tierra varias veces antes de decaer a una amplitud insignificante, y por lo tanto las ondas radiadas desde una fuente en direcciones opuestas que circunnavegan la Tierra en una trayectoria de gran círculo interfieren entre sí. [20] A ciertas frecuencias, estas ondas dirigidas de manera opuesta están en fase y se suman (refuerzan), causando ondas estacionarias . En otras palabras, la cavidad esférica cerrada Tierra-ionosfera actúa como un enorme resonador de cavidad , mejorando la radiación ELF en sus frecuencias resonantes . Estas se denominan resonancias de Schumann en honor al físico alemán Winfried Otto Schumann , quien las predijo en 1952, [21] [22] [23] [24] y se detectaron en la década de 1950. Modelando la cavidad Tierra-ionosfera con paredes perfectamente conductoras, Schumann calculó que las resonancias deberían ocurrir a frecuencias de [20]
Las frecuencias reales difieren ligeramente de esto debido a las propiedades de conducción de la ionosfera. La resonancia Schumann fundamental está en aproximadamente 7,83 Hz, la frecuencia en la que la longitud de onda es igual a la circunferencia de la Tierra, y los armónicos más altos ocurren a 14,1, 20,3, 26,4 y 32,4 Hz, etc. Los rayos excitan estas resonancias, haciendo que la cavidad Tierra-ionosfera "suene" como una campana, lo que da como resultado un pico en el espectro de ruido en estas frecuencias, por lo que las resonancias Schumann se pueden utilizar para monitorear la actividad de tormentas eléctricas globales.
El interés en las resonancias de Schumann se renovó en 1993 cuando ER Williams mostró una correlación entre la frecuencia de resonancia y las temperaturas del aire tropical, sugiriendo que la resonancia podría usarse para monitorear el calentamiento global . [25] [20]
Dado que las ondas de radio ELF pueden penetrar profundamente en el agua de mar, hasta las profundidades operativas de los submarinos, algunas naciones han construido transmisores ELF navales para comunicarse con sus submarinos mientras están sumergidos. En 2018 se informó que China había construido la instalación ELF más grande del mundo, aproximadamente del tamaño de la ciudad de Nueva York , para comunicarse con sus fuerzas submarinas sin requerir que salgan a la superficie. [26] La Armada de los Estados Unidos construyó en 1982 la primera instalación de comunicaciones submarinas ELF, dos transmisores ELF acoplados en Clam Lake, Wisconsin , y Republic, Michigan . [27] Se cerraron en 2004. La Armada rusa opera un transmisor ELF llamado ZEVS (Zeus) en Murmansk en la península de Kola . [28] La Armada india tiene una instalación de comunicación ELF en la base naval INS Kattabomman para comunicarse con sus submarinos de clase Arihant y clase Akula . [13] [29]
Debido a su conductividad eléctrica , el agua de mar protege a los submarinos de la mayoría de las ondas de radio de alta frecuencia, lo que hace imposible la comunicación por radio con submarinos sumergidos en frecuencias ordinarias. Sin embargo, las señales en el rango de frecuencia ELF pueden penetrar mucho más profundamente. Dos factores limitan la utilidad de los canales de comunicación ELF: la baja velocidad de transmisión de datos de unos pocos caracteres por minuto y, en menor medida, la naturaleza unidireccional debido a la impracticabilidad de instalar una antena del tamaño requerido en un submarino (la antena debe ser de un tamaño excepcional para lograr una comunicación exitosa). Generalmente, las señales ELF se han utilizado para ordenar a un submarino que suba a una profundidad poco profunda donde podría recibir alguna otra forma de comunicación.
Una de las dificultades que se plantean al transmitir en el rango de frecuencia ELF es el tamaño de la antena , porque la longitud de la antena debe ser al menos una fracción sustancial de la longitud de las ondas. Por ejemplo, una señal de 3 Hz tiene una longitud de onda igual a la distancia que recorren las ondas electromagnéticas a través de un medio dado en un tercio de segundo. Cuando el índice de refracción del medio es mayor que uno, las ondas ELF se propagan más lentamente que la velocidad de la luz en el vacío. Tal como se usa en aplicaciones militares, la longitud de onda es de 299.792 km (186.282 mi) por segundo dividido por 50–85 Hz, lo que equivale a alrededor de 3.500–6.000 km (2.200–3.700 mi) de longitud. Esto es comparable al diámetro de la Tierra de alrededor de 12.742 km (7.918 mi). Debido a este enorme requisito de tamaño, para transmitir internacionalmente utilizando frecuencias ELF, la Tierra misma forma una parte significativa de la antena, y se necesitan cables extremadamente largos en el suelo. Para construir estaciones de radio prácticas con tamaños más pequeños se utilizan diversos medios, como el alargamiento eléctrico .
Estados Unidos mantuvo dos sitios: en el Bosque Nacional Chequamegon-Nicolet , Wisconsin , y en el Bosque Estatal del Río Escanaba , Michigan (originalmente llamado Proyecto Sanguine , luego reducido y renombrado Proyecto ELF antes de la construcción), hasta que fueron desmantelados, a partir de fines de septiembre de 2004. Ambos sitios usaban líneas eléctricas largas , llamadas dipolos de tierra , como conductores. Estos conductores estaban en múltiples hilos que variaban de 22,5 a 45 kilómetros (14,0 a 28,0 millas) de largo. Debido a la ineficiencia de este método, se requirieron cantidades considerables de energía eléctrica para operar el sistema.
Los transmisores en el rango de 22 Hz también se utilizan en el mantenimiento de tuberías o en el raspado de tuberías . La señal se genera como un campo magnético alterno y el transmisor se monta en el "rascador", el dispositivo de limpieza insertado en la tubería, o en parte de él. El raspador se empuja a través de una tubería mayoritariamente metálica. La señal ELF se puede detectar a través del metal, lo que permite que su ubicación sea detectada por receptores ubicados fuera de la tubería. [30] Se utiliza para verificar si un raspador ha pasado por una ubicación determinada o para localizar un raspador atascado.
Algunos aficionados a la radio graban señales ELF utilizando antenas que van desde antenas activas de 18 pulgadas hasta varios miles de pies de longitud aprovechando vallas, barandillas de protección de carreteras e incluso vías de tren fuera de servicio. Luego las reproducen a velocidades más altas para observar más fácilmente las fluctuaciones naturales de baja frecuencia en el campo electromagnético de la Tierra . Al aumentar la velocidad de reproducción, aumenta el tono , lo que lleva el tono al rango de frecuencia de audio . [ cita requerida ]
Desde la década de 2000, se han utilizado con éxito frecuencias muy bajas en el mar para la prospección geofísica de petróleo. [31]
Las ondas ELF naturales están presentes en la Tierra, resonando en la región entre la ionosfera y la superficie, como se ve en los rayos que hacen oscilar los electrones en la atmósfera. [32] Aunque las señales generadas por las descargas de rayos fueron predominantemente VLF, se encontró que un componente ELF observable (cola lenta) siguió al componente VLF en casi todos los casos. [33] Además, el modo fundamental de la cavidad Tierra-ionosfera tiene una longitud de onda igual a la circunferencia de la Tierra, lo que da una frecuencia de resonancia de 7,8 Hz. Esta frecuencia, y los modos de resonancia más altos de 14, 20, 26 y 32 Hz, aparecen como picos en el espectro ELF y se denominan resonancia Schumann .
También se han identificado tentativamente ondas ELF en la luna Titán de Saturno . Se cree que la superficie de Titán es un reflector deficiente de las ondas ELF, por lo que las ondas podrían estar reflejándose en el límite líquido-hielo de un océano subterráneo de agua y amoníaco, cuya existencia predicen algunos modelos teóricos. La ionosfera de Titán también es más compleja que la de la Tierra, con la ionosfera principal a una altitud de 1200 km (750 mi) pero con una capa adicional de partículas cargadas a 63 km (39 mi). Esto divide la atmósfera de Titán en dos cámaras de resonancia separadas. La fuente de las ondas ELF naturales en Titán no está clara, ya que no parece haber una gran actividad de relámpagos. [32]
Los magnetares pueden emitir potencias de radiación ELF enormes, de 100.000 veces la emisión del Sol en luz visible . El púlsar de la Nebulosa del Cangrejo irradia potencias de este orden a 30 Hz. [34] La radiación de esta frecuencia está por debajo de la frecuencia del plasma del medio interestelar , por lo que este medio es opaco a ella y no puede observarse desde la Tierra.
En la terapia electromagnética y en la investigación sobre radiación electromagnética y salud , las frecuencias del espectro electromagnético entre 0 y 100 hercios se consideran campos de frecuencia extremadamente baja. [35] Una fuente común de exposición del público a los campos ELF son los campos eléctricos y magnéticos de 50 Hz/60 Hz de las líneas de transmisión de energía eléctrica de alto voltaje y las líneas de distribución secundaria, como las que suministran electricidad a los barrios residenciales. [17] [36] [35]
Desde finales de la década de 1970, han surgido varias teorías conspirativas en torno a la exposición a campos eléctricos y magnéticos (CEM) de ELF. [36] Los campos magnéticos externos de ELF inducen campos y corrientes eléctricas en el cuerpo que, a intensidades de campo muy altas, provocan estimulación nerviosa y muscular y cambios en la excitabilidad de las células nerviosas en el sistema nervioso central. [ cita requerida ]
Se dijo que la ELF a niveles de kV/m perceptibles para los humanos creaba una molesta sensación de hormigueo en las áreas del cuerpo en contacto con la ropa, particularmente los brazos, debido a la inducción de una carga superficial por la ELF. De los voluntarios, el 7% describió las descargas de chispas como dolorosas cuando el sujeto estaba bien aislado y tocaba un objeto conectado a tierra dentro de un campo de 5 kV/m, mientras que el 50% describió una descarga de chispa similar como dolorosa en un campo de 10 kV/m. [37]
Existe una gran incertidumbre en cuanto a las correlaciones entre la exposición prolongada y de bajo nivel a los campos ELF y una serie de efectos sobre la salud, incluida la leucemia en niños. En octubre de 2005, la OMS convocó a un grupo de trabajo de expertos científicos para evaluar los riesgos para la salud que pudieran existir por la "exposición a campos eléctricos y magnéticos ELF en el rango de frecuencia >0 a 100.000 Hz (100 kHz) en relación con la leucemia infantil". [36] La exposición prolongada y de bajo nivel se evalúa como la exposición promedio a un campo magnético de frecuencia industrial residencial por encima de 0,3–0,4 μT , y se estima que solo entre el 1% y el 4% de los niños viven en esas condiciones. [36] Posteriormente, en 2010, un análisis conjunto de la evidencia epidemiológica respaldó la hipótesis de que la exposición a campos magnéticos de frecuencia industrial está relacionada con la leucemia infantil. [38]
Ningún otro estudio ha encontrado evidencia que respalde la hipótesis de que la exposición a ELF es un factor que contribuye a la leucemia en niños. [39] [40]
Un estudio de 2014 estimó los casos de leucemia infantil atribuibles a la exposición a campos magnéticos de ELF en la Unión Europea (UE27), asumiendo que las correlaciones observadas en los estudios epidemiológicos eran causales. Informó que alrededor de 50 a 60 casos de leucemia infantil podrían ser atribuibles a campos magnéticos de ELF anualmente, lo que corresponde a entre ~1,5% y ~2,0% de todos los casos incidentes de leucemia infantil que ocurren en la UE27 cada año. [41] En la actualidad, [ ¿cuándo? ] sin embargo, ICNIRP e IEEE consideran que la evidencia científica relacionada con los posibles efectos sobre la salud de la exposición prolongada y de bajo nivel a campos ELF es insuficiente para justificar la reducción de estos límites de exposición cuantitativos. En resumen, cuando se evalúan todos los estudios en conjunto, la evidencia que sugiere que los CEM pueden contribuir a un mayor riesgo de cáncer es inexistente. [42] [43] Los estudios epidemiológicos sugieren una posible asociación entre la exposición ocupacional prolongada a ELF y la enfermedad de Alzheimer . [44] [45]
Ha habido algunas preocupaciones sobre el posible impacto ecológico de las señales ELF. En 1984, un juez federal detuvo la construcción, [ ¿de qué? ] exigiendo más estudios ambientales y de salud. Esta sentencia fue revocada por un tribunal federal de apelaciones sobre la base de que la Marina de los EE. UU. afirmó haber gastado más de 25 millones de dólares en estudiar los efectos de los campos electromagnéticos, con resultados que indicaban que eran similares al efecto producido por las líneas de distribución de energía estándar. La sentencia no fue aceptada [ se necesita más explicación ] por todos [¿ quiénes? ] y, durante el tiempo en que se utilizó ELF, algunos políticos de Wisconsin como los senadores demócratas Herb Kohl , Russ Feingold y el congresista Dave Obey pidieron su cierre.
Los campos electromagnéticos (CEM) de frecuencia extremadamente baja (ELF), que suelen oscilar entre 0,3 Hz y 300 Hz, tienen diversos impactos ecológicos tanto en la flora como en la fauna. [46]
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