TẦN SỐ CỰC THẤP ELF (Extremely low frequency)

Sóng ELF và VLF có thể xuyên qua lớp nước 40-50 m, là độ sâu an toàn mà tàu ngầm hoạt động. Đây chính là một trong những công cụ gọi tàu ngầm nổi lên nhận lệnh, hay thực hiện một lệnh quy ước nào đó mà không cần nổi lên. Tuy nhiên trạm phát cho loại sóng này thì chỉ có 4 nước từng triển khai được. Bãi anten của nó trải dài vài chục đến cả trăm km, với nguồn nuôi cỡ megawatt…

Tần số cực thấp:
– Dải tần số: 3 đến 30Hz
– Dải bước sóng: tương ứng là 100.000 đến 10.000 km.

Tần số cực thấp ELF (Extremely low frequency) là ký hiệu ITU cho bức xạ điện từ (sóng vô tuyến) có tần số từ 3 đến 30 Hz và bước sóng tương ứng từ 100.000 đến 10.000 km. Trong khoa học khí quyển, một định nghĩa thay thế thường được đưa ra, từ 3 Hz đến 3 kHz. Trong khoa học từ quyển liên quan, dao động điện từ tần số thấp hơn (xung xảy ra dưới các bộ xử lí tín hiệu số ~3 Hz) được coi là nằm trong phạm vi ULF, do đó cũng được định nghĩa khác với các dải vô tuyến của Liên minh Viễn thông Quốc tế ITU (International Telecommunication Union).

Sóng vô tuyến ELF được tạo ra bởi sét và nhiễu loạn tự nhiên trong từ trường của Trái đất, vì vậy chúng là đối tượng nghiên cứu của các nhà khoa học khí quyển. Do khó chế tạo ăng-ten có thể phát ra sóng dài như vậy nên tần số ELF chỉ được sử dụng trong một số rất ít hệ thống liên lạc do con người tạo ra. Sóng ELF có thể xuyên qua nước biển, khiến chúng trở nên hữu ích trong việc liên lạc với tàu ngầm, và một số quốc gia đã chế tạo máy phát ELF quân sự để truyền tín hiệu đến tàu ngầm đang lặn dưới nước của họ, bao gồm các ăng-ten dây nối đất khổng lồ (lưỡng cực mặt đất)  dài 15-60 km được điều khiển bởi các máy phát sản xuất điện cỡ megawatt. Hoa Kỳ, Nga, Ấn Độ và Trung Quốc là những quốc gia duy nhất được biết là đã xây dựng các cơ sở liên lạc ELF này. Các cơ sở của Hoa Kỳ đã được sử dụng từ năm 1985 đến 2004 nhưng hiện đã ngừng hoạt động.

Định nghĩa thay thế

ELF là một tần số subradio. Một số bài báo trên tạp chí chuyên ngành y tế đề cập đến ELF trong ngữ cảnh “từ trường tần số cực thấp (ELF) (MF)” với tần số 50 Hz và 50-80 Hz. Các cơ quan Chính phủ Hoa Kỳ, chẳng hạn như NASA, mô tả ELF là bức xạ không ion hóa có tần số từ 0 đến 300 Hz. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã sử dụng ELF để chỉ khái niệm “điện trường và từ trường tần số cực thấp (ELF) (EMF)”. WHO cũng tuyên bố rằng ở các tần số từ 0 đến 300 Hz, “các bước sóng trong không khí là rất dài (6.000 km ở tần số 50 Hz và 5.000 km ở tần số 60 Hz), và trong các tình huống thực tế, điện trường và từ trường hoạt động độc lập với nhau và được đo riêng biệt”.

Lan truyền

Do bước sóng cực dài, sóng ELF có thể nhiễu xạ xung quanh các chướng ngại vật lớn, không bị chặn bởi các dãy núi hoặc đường chân trời và có thể di chuyển xung quanh độ cong của Trái đất. Sóng ELF và VLF lan truyền khoảng cách xa bằng cơ chế ống dẫn sóng tầng điện ly của Trái đất. Trái đất được bao quanh bởi một lớp hạt tích điện (ion và electron) trong khí quyển ở độ cao khoảng 60 km ở dưới cùng của tầng điện ly, được gọi là lớp D phản ánh sóng ELF. Không gian giữa bề mặt Trái đất dẫn điện và lớp dẫn điện D hoạt động như một ống dẫn sóng dạng tấm song song giam giữ sóng ELF, cho phép chúng truyền đi những khoảng cách xa mà không thoát ra ngoài không gian. Trái ngược với sóng VLF, chiều cao của lớp nhỏ hơn nhiều so với một bước sóng ở tần số ELF, vì vậy chế độ duy nhất có thể lan truyền ở tần số ELF là chế độ TEM trong phân cực dọc, với điện trường dọc và từ trường nằm ngang. Sóng ELF có độ suy giảm cực thấp 1-2 dB trên 1.000 km, mang lại cho một máy phát duy nhất khả năng giao tiếp trên toàn thế giới.

Sóng ELF cũng có thể di chuyển những khoảng cách đáng kể qua các phương tiện “hao tổn” như đất và nước biển, chúng sẽ hấp thụ hoặc phản xạ sóng vô tuyến tần số cao hơn.

Cộng hưởng Schumann

Độ suy giảm của sóng ELF thấp đến mức chúng có thể di chuyển hoàn toàn quanh Trái đất vài lần trước khi phân rã thành biên độ không đáng kể, và do đó, các sóng phát ra từ một nguồn theo các hướng ngược nhau quay quanh Trái đất trên một đường tròn lớn sẽ giao thoa với nhau. Tại các tần số nhất định, các sóng ngược chiều này cùng pha và cộng lại (tăng cường), gây ra sóng dừng. Nói cách khác, khoang tầng điện ly Trái đất hình cầu kín hoạt động như một bộ cộng hưởng khoang khổng lồ, tăng cường bức xạ ELF ở tần số cộng hưởng của nó. Chúng được gọi là cộng hưởng Schumann theo tên nhà vật lý người Đức Winfried Otto Schumann, người đã dự đoán chúng vào năm 1952 và được phát hiện vào những năm 1950. Lập mô hình khoang tầng điện ly của Trái đất với các bức tường dẫn điện hoàn hảo, Schumann đã tính toán các cộng hưởng sẽ xảy ra ở tần số:

f_n = 7,49(n(n+1)^1/2 Hz

Các tần số thực tế khác một chút so với tần số này do đặc tính dẫn điện của tầng điện ly. Cộng hưởng Schumann cơ bản ở khoảng 7,83 Hz, tần số mà tại đó bước sóng bằng với chu vi của Trái đất và các sóng hài cao hơn xảy ra ở 14,1; 20,3; 26,4 và 32,4 Hz… Sét đánh kích thích các cộng hưởng này, khiến Trái đất- khoang tầng điện ly để “rung” như tiếng chuông, dẫn đến đỉnh phổ tiếng ồn ở các tần số này, vì vậy cộng hưởng Schumann có thể được sử dụng để theo dõi hoạt động giông bão toàn cầu.

Sự quan tâm đến cộng hưởng Schumann đã được đổi mới vào năm 1993 khi ER Williams chỉ ra mối tương quan giữa tần số cộng hưởng và nhiệt độ không khí nhiệt đới, cho thấy cộng hưởng có thể được sử dụng để theo dõi sự nóng lên toàn cầu.

Thông tin liên lạc tàu ngầm

Vì sóng vô tuyến ELF có thể xâm nhập sâu vào nước biển, đến độ sâu hoạt động của tàu ngầm, một số quốc gia đã chế tạo máy phát ELF hải quân để liên lạc với tàu ngầm của họ khi chìm dưới nước. Trung Quốc gần đây đã xây dựng cơ sở ELF lớn nhất thế giới có diện tích tương đương thành phố New York để liên lạc với lực lượng tàu ngầm của mình mà không yêu cầu họ phải nổi lên. Hải quân Hoa Kỳ vào năm 1982 đã xây dựng cơ sở liên lạc tàu ngầm ELF đầu tiên, 2 máy phát ELF được ghép nối tại Clam Lake, Wisconsin và Republic, Michigan. Chúng đã ngừng hoạt động vào năm 2004. Hải quân Nga vận hành một máy phát ELF có tên là ZEVS (Zeus) tại Murmansk trên Bán đảo Kola. Hải quân Ấn Độ có một cơ sở liên lạc ELF tại căn cứ hải quân INS Kattabomman để liên lạc với các tàu ngầm lớp Arihant và lớp Akula của họ.

Giải trình

Do tính dẫn điện của nó, nước biển che chắn tàu ngầm khỏi hầu hết các sóng vô tuyến tần số cao hơn, khiến cho việc liên lạc vô tuyến với các tàu ngầm đang lặn ở tần số thông thường là không thể. Tuy nhiên, các tín hiệu trong dải tần số ELF có thể thâm nhập sâu hơn nhiều. Hai yếu tố hạn chế tính hữu ích của các kênh liên lạc ELF: tốc độ truyền dữ liệu thấp, vài ký tự mỗi phút và ở mức độ thấp hơn là tính chất một chiều do việc lắp đặt ăng-ten có kích thước yêu cầu trên tàu ngầm là không thực tế (ăng-ten cần phải có kích thước đặc biệt để đạt được giao tiếp thành công). Nói chung, các tín hiệu ELF đã được sử dụng để ra lệnh cho một chiếc tàu ngầm nổi lên ở độ sâu nông, nơi nó có thể nhận được một số hình thức liên lạc khác.

Những khó khăn trong giao tiếp của ELF

Một trong những khó khăn đặt ra khi phát sóng trong dải tần số ELF là kích thước ăng-ten, vì chiều dài của ăng-ten ít nhất phải bằng một phần đáng kể chiều dài của sóng. Nói một cách đơn giản, tín hiệu 3 Hz (chu kỳ mỗi giây) sẽ có bước sóng bằng khoảng cách sóng EM truyền qua một môi trường nhất định trong một phần ba giây. Khi chiết suất của môi trường lớn hơn 1, sóng ELF lan truyền chậm hơn tốc độ ánh sáng trong chân không. Khi được sử dụng trong các ứng dụng quân sự, bước sóng là 299.792 km trên giây chia cho 50-85 Hz, tương đương với khoảng 3.500 đến 6.000 km dài. Con số này có thể so sánh với đường kính của Trái đất vào khoảng 12.742 km. Do yêu cầu về kích thước khổng lồ này, để truyền tải quốc tế bằng cách sử dụng tần số ELF, chính Trái đất tạo thành một phần quan trọng của ăng-ten và cần có các dây dẫn cực dài xuống đất. Nhiều phương tiện khác nhau, chẳng hạn như kéo dài điện, được sử dụng để xây dựng các đài phát thanh thực tế với kích thước nhỏ hơn.

Hoa Kỳ duy trì hai địa điểm, trong Rừng Quốc gia Chequamegon-Nicolet, Wisconsin và trong Rừng Tiểu bang Sông Escanaba, Michigan (ban đầu được đặt tên là Dự án Sanguine, sau đó được thu nhỏ và đặt tên lại là Dự án ELF trước khi xây dựng), cho đến khi chúng bị dỡ bỏ, bắt đầu từ cuối năm Tháng 9/2004. Cả hai địa điểm đều sử dụng đường dây điện dài, được gọi là lưỡng cực nối đất, làm dây dẫn. Các dây dẫn này có nhiều sợi dài từ 22,5 đến 45 km. Do phương pháp này không hiệu quả nên cần một lượng điện năng đáng kể để vận hành hệ thống.

Tác động sinh thái

Đã có một số lo ngại về tác động sinh thái có thể có của tín hiệu ELF. Năm 1984, một thẩm phán liên bang đã tạm dừng việc xây dựng đòi hỏi nhiều nghiên cứu về môi trường và sức khỏe hơn. Phán quyết này đã bị tòa phúc thẩm liên bang bác bỏ trên cơ sở Hải quân Hoa Kỳ tuyên bố đã chi hơn 25 triệu USD để nghiên cứu tác động của trường điện từ, với kết quả chỉ ra rằng chúng tương tự như tác động do phân phối điện tiêu chuẩn tạo ra dòng. Bản án đã không được chấp nhận bởi tất cả mọi người và trong thời gian ELF được sử dụng, một số chính trị gia Wisconsin như Thượng nghị sĩ Đảng Dân chủ Herb Kohl, Russ Feingold và Nghị sĩ Dave Obey đã kêu gọi đóng cửa nó.

Sử dụng khác

Máy phát trong phạm vi 22 Hz cũng được sử dụng trong bảo trì đường ống, hoặc pigging. Tín hiệu được tạo ra dưới dạng từ trường xen kẽ và bộ phát được gắn vào hoặc một phần của “con lợn”, thiết bị làm sạch được lắp vào đường ống. Con lợn được đẩy qua một đường ống chủ yếu bằng kim loại. Tín hiệu ELF có thể được phát hiện thông qua kim loại cho phép phát hiện vị trí của nó bằng các máy thu đặt bên ngoài đường ống. Nó được sử dụng để kiểm tra xem một con lợn đã đi qua một vị trí nhất định hay để xác định vị trí một con lợn đã bị mắc kẹt.

Một số người có sở thích vô tuyến ghi lại tín hiệu ELF bằng cách sử dụng ăng-ten có kích thước từ ăng-ten hoạt động 18 inch cho đến chiều dài vài nghìn feet, tận dụng lợi thế của hàng rào, đường ray bảo vệ đường cao tốc và thậm chí cả đường ray đã ngừng hoạt động. Sau đó, họ phát lại chúng ở tốc độ cao hơn để quan sát dễ dàng hơn các dao động tần số thấp tự nhiên trong trường điện từ của Trái đất. Việc tăng tốc độ phát lại sẽ làm tăng cao độ, đưa âm sắc vào dải tần số âm thanh.

Nguồn tự nhiên

Sóng ELF xuất hiện tự nhiên có mặt trên Trái đất, cộng hưởng trong khu vực giữa tầng điện ly và bề mặt nhìn thấy trong các tia sét làm cho các electron trong khí quyển dao động. Mặc dù các tín hiệu VLF chủ yếu được tạo ra từ các tia sét, nhưng người ta nhận thấy rằng một thành phần ELF có thể quan sát được -đuôi chậm – đi theo thành phần VLF trong hầu hết các trường hợp. Ngoài ra, chế độ cơ bản của khoang tầng điện ly Trái đất có bước sóng bằng chu vi của Trái đất, tạo ra tần số cộng hưởng là 7,8 Hz. Tần số này và các chế độ cộng hưởng cao hơn 14, 20, 26 và 32 Hz xuất hiện dưới dạng các cực đại trong phổ ELF và được gọi là cộng hưởng Schumann.

Sóng ELF cũng đã được xác định tạm thời trên vệ tinh Titan của Sao Thổ. Bề mặt của Titan được cho là phản xạ kém sóng ELF, do đó, sóng có thể phản xạ khỏi ranh giới băng lỏng của một đại dương nước và amoniac dưới bề mặt, sự tồn tại của chúng được dự đoán bởi một số mô hình lý thuyết. Tầng điện ly của Titan cũng phức tạp hơn của Trái đất, với tầng điện ly chính ở độ cao 1.200 km nhưng có thêm một lớp hạt tích điện ở độ cao 63 km. Điều này chia bầu khí quyển của Titan thành hai buồng cộng hưởng riêng biệt. Nguồn gốc của sóng ELF tự nhiên trên Titan không rõ ràng vì dường như không có hoạt động sét rộng rãi.

Công suất bức xạ ELF khổng lồ gấp 100.000 lần công suất phát ra của Mặt trời trong vùng ánh sáng khả kiến ​​có thể được bức xạ bởi các sao nam châm. Sao xung trong tinh vân Con cua phát ra năng lượng bậc này ở tần số 30 Hz. Bức xạ của tần số này thấp hơn tần số plasma của môi trường giữa các vì sao, do đó môi trường này mờ đục đối với nó và không thể quan sát được từ Trái đất.

Phơi bày

Trong trị liệu điện từ và bức xạ điện từ và nghiên cứu sức khỏe, tần số phổ điện từ trong khoảng từ 0 đến 100 hertz được coi là trường tần số cực thấp. Nguồn tiếp xúc phổ biến của công chúng với các trường ELF là điện trường và từ trường 50 Hz / 60 Hz từ các đường dây truyền tải điện cao áp và đường dây phân phối thứ cấp, chẳng hạn như các đường dây cung cấp điện cho các khu dân cư.

Ảnh hưởng sức khỏe có thể

Kể từ cuối những năm 1970, các câu hỏi đã được đặt ra là liệu việc tiếp xúc với điện trường và từ trường ELF (EMF) trong phạm vi tần số này có gây ra hậu quả bất lợi cho sức khỏe hay không. Từ trường ELF bên ngoài tạo ra điện trường và dòng điện trong cơ thể, ở cường độ trường rất cao, gây kích thích thần kinh và cơ và thay đổi tính dễ bị kích thích của tế bào thần kinh trong hệ thống thần kinh trung ương. Ảnh hưởng sức khỏe liên quan đến phơi nhiễm ngắn hạn, mức độ cao đã được thiết lập và tạo cơ sở cho hai hướng dẫn giới hạn phơi nhiễm quốc tế (ICNIRP, 1998; IEEE, 2002) chẳng hạn như 0,2-0,4 mA ở 50~60 Hz.

Một nghiên cứu của Reilly vào năm 1999 cho thấy rằng ngưỡng để các đối tượng tình nguyện là con người nhận thức trực tiếp về việc tiếp xúc với ELF RF bắt đầu vào khoảng 2~5 kV/m ở 60 Hz, với 10% tình nguyện viên phát hiện ra việc tiếp xúc với ELF ở mức này. Tỷ lệ phát hiện tăng lên 50% số người tình nguyện khi mức ELF tăng từ 7 lên 20 kV/m. Trong số tất cả các đối tượng thử nghiệm, 5% coi nhận thức về ELF ở các ngưỡng này là khó chịu.

ELF ở mức kV/m mà con người có thể cảm nhận được được cho là tạo ra cảm giác ngứa ran khó chịu ở những vùng cơ thể tiếp xúc với quần áo, đặc biệt là cánh tay, do ELF tạo ra điện tích bề mặt. Trong số các tình nguyện viên, 7% mô tả sự phóng tia lửa điện gây đau đớn khi đối tượng được cách nhiệt tốt và chạm vào vật thể nối đất trong trường 5 kV/m, trong khi 50% mô tả sự phóng tia lửa điện tương tự gây đau đớn trong trường 10 kV/m.

Bệnh bạch cầu

Có sự không chắc chắn cao về mối tương quan giữa việc tiếp xúc lâu dài, ở mức độ thấp với các trường ELF và một số ảnh hưởng sức khỏe, bao gồm cả bệnh bạch cầu ở trẻ em. Vào tháng 10/2005, WHO đã triệu tập một nhóm chuyên gia gồm các chuyên gia khoa học để đánh giá bất kỳ rủi ro nào đối với sức khỏe có thể tồn tại do “tiếp xúc với điện trường và từ trường ELF trong dải tần số >0 đến 100.000 Hz (100 kHz) liên quan đến bệnh bạch cầu ở trẻ em”. Phơi nhiễm lâu dài, ở mức độ thấp được đánh giá là phơi nhiễm trung bình với từ trường tần số công suất dân dụng trên 0,3~0,4 µT và ước tính chỉ có từ 1% đến 4% trẻ em sống trong điều kiện như vậy. Sau đó, vào năm 2010, một phân tích tổng hợp các bằng chứng dịch tễ học đã ủng hộ giả thuyết rằng việc tiếp xúc với từ trường tần số năng lượng có liên quan đến bệnh bạch cầu ở trẻ em.

Không có nghiên cứu nào khác tìm thấy bất kỳ bằng chứng nào ủng hộ giả thuyết rằng việc tiếp xúc với ELF là một yếu tố góp phần gây ra bệnh bạch cầu ở trẻ em.

Một nghiên cứu năm 2014 đã ước tính các trường hợp mắc bệnh bạch cầu ở trẻ em do tiếp xúc với từ trường ELF ở Liên minh Châu Âu (EU27), giả định rằng các mối tương quan được thấy trong các nghiên cứu dịch tễ học là nguyên nhân. Nó báo cáo rằng khoảng 50~60 trường hợp mắc bệnh bạch cầu ở trẻ em có thể là do từ trường ELF hàng năm, tương ứng với khoảng ~ 1,5% đến ~ 2,0% trong tất cả các trường hợp mắc bệnh bạch cầu ở trẻ em xảy ra ở EU27 mỗi năm. Hiện tại, tuy nhiên, ICNIRP và IEEE xem xét bằng chứng khoa học liên quan đến các ảnh hưởng sức khỏe có thể xảy ra do tiếp xúc lâu dài, ở mức độ thấp với các trường ELF là không đủ để biện minh cho việc hạ thấp các giới hạn phơi nhiễm định lượng này. Tóm lại, khi tất cả các nghiên cứu được đánh giá cùng nhau, bằng chứng cho thấy EMF có thể góp phần làm tăng nguy cơ ung thư là không tồn tại. Các nghiên cứu dịch tễ học cho thấy có thể có mối liên hệ giữa phơi nhiễm nghề nghiệp lâu dài với ELF và bệnh Alzheimer.

Băng tần vô tuyến điện:
– ITU: 1 (ELF); 2 (SLF); 3 (ULF); 4 (VLF); 5 (LF); 6 (MF); 7 (HF); 8 (VHF); 9 (UHF); 10 (SHF); 11 (EHF); 12 (THF).
– EU / NATO / US ECM: A; B; C; D; E; F; G; H; I; J; K; L; M; N.
– IEEE: HF; VHF; UHF; L; S; C; X; K_u; K; K_a; V; W; mm.
– TV và đài radio khác: I; II; III; IV; V; VI; VII; v; t; e./.