ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO (Part 3 of 10)

ONDAS DE RÁDIO

FREQUÊNCIA EXTREMAMENTE BAIXA

Frequência Extremamente Baixa (Extremely Low Frequency - ELF) é a designação ITU para radiação eletromagnética (ondas de rádio) com frequências de 3 a 30 Hz e comprimentos de onda correspondentes de 100.000 a 10.000 quilômetros, respectivamente. Na ciência atmosférica, uma definição alternativa é geralmente dada, de 3 Hz a 3 kHz. Na ciência da magnetosfera relacionada, as oscilações eletromagnéticas de frequência mais baixa (pulsações que ocorrem abaixo de ~ 3 Hz) são consideradas como estando na faixa ULF, que, portanto, também é definida de forma diferente das bandas de rádio ITU.

RADIO SPECTRUM.

As ondas de rádio ELF são geradas por raios e distúrbios naturais no campo magnético da Terra, portanto, são objeto de pesquisa por cientistas atmosféricos. Devido à dificuldade de construir antenas que podem irradiar ondas tão longas, as frequências ELF têm sido usadas em apenas alguns sistemas de comunicação feitos por humanos. As ondas ELF podem penetrar na água do mar, o que as torna úteis na comunicação com submarinos, e algumas nações construíram transmissores ELF militares para transmitir sinais aos seus submarinos submersos, consistindo em enormes antenas aterradas (dipolos terrestres) de 15 a 60 km de comprimento acionadas por transmissores produzindo megawatts de energia. Os Estados Unidos, Rússia, Índia e China são as únicas nações conhecidas por terem construído essas instalações de comunicação ELF. As instalações dos EUA foram usadas entre 1985 e 2004, mas agora estão desativadas.

Outras Definições

ELF é uma frequência de sub-rádio. Alguns artigos de periódicos médicos revisados por pares referem-se a ELF no contexto de "campos magnéticos de frequência extremamente baixa (ELF) (MF)" com frequências de 50 Hz e 50-80 Hz. As agências governamentais dos Estados Unidos, como a NASA, descrevem ELF como radiação não ionizante com frequências entre 0 e 300 Hz.  A Organização Mundial da Saúde (OMS) usou ELF para se referir ao conceito de "campos elétricos e magnéticos (EMF) de frequência extremamente baixa (ELF)". A OMS também afirmou que em frequências entre 0 e 300 Hz, "os comprimentos de onda no ar são muito longos (6.000 km a 50 Hz e 5.000 km a 60 Hz) e, em situações práticas, os campos elétrico e magnético agem independentemente um do outro e são medidos separadamente."

Propagação

Devido ao seu comprimento de onda extremamente longo, as ondas ELF podem difratar ao redor de grandes obstáculos, não são bloqueadas por cadeias de montanhas ou pelo horizonte e podem viajar ao redor da curva da Terra. As ondas ELF e VLF se propagam por longas distâncias por um mecanismo de guia de ondas da ionosfera da Terra. A Terra é cercada por uma camada de partículas carregadas (íons e elétrons) na atmosfera a uma altitude de cerca de 60 km na parte inferior da ionosfera, chamada de camada D que reflete as ondas ELF. O espaço entre a superfície da Terra condutora e a camada D condutora atua como um guia de ondas de placa paralela que confina as ondas ELF, permitindo que se propaguem por longas distâncias sem escapar para o espaço. Em contraste com as ondas VLF, a altura da camada é muito menor do que um comprimento de onda nas frequências ELF, então o único modo que pode se propagar nas frequências ELF é o modo TEM na polarização vertical, com o campo elétrico vertical e o campo magnético horizontal. As ondas ELF têm atenuação extremamente baixa de 1–2 dB por 1000 km, dando a um único transmissor o potencial para se comunicar em todo o mundo.

As ondas ELF também podem viajar distâncias consideráveis ​​através de meios com "perdas", como a terra e a água do mar, que absorvem ou refletem as ondas de rádio de alta frequência.

Ressonâncias Schumann

A atenuação das ondas ELF é tão baixa que elas podem viajar completamente ao redor da Terra várias vezes antes de decair para uma amplitude desprezível, e assim as ondas irradiadas de uma fonte em direções opostas circunavegando a Terra em um grande círculo podem interferir umas nas outras. Em certas frequências, essas ondas de direção oposta estão em fase e se somam (reforçam), causando ondas estacionárias. Em outras palavras, a cavidade esférica da ionosfera terrestre fechada atua como um enorme ressonador de cavidade, aumentando a radiação ELF em suas frequências ressonantes. Essas são chamadas de ressonâncias de Schumann em homenagem ao físico alemão Winfried Otto Schumann que as previu em 1952, e foram detectadas na década de 1950. Modelando a cavidade da ionosfera Terra com paredes perfeitamente condutoras, Schumann calculou que as ressonâncias deveriam ocorrer em frequências de

Espectro típico de ondas eletromagnéticas ELF na atmosfera da Terra, mostrando picos causados pelas ressonâncias de Schumann. As ressonâncias Schumann são as frequências ressonantes da cavidade esférica da ionosfera da Terra. Os relâmpagos fazem com que a cavidade "toque" como um sino, causando picos no espectro de ruído. O pico agudo de energia em 50 Hz é causado pela radiação das redes de energia elétrica globais. O aumento do ruído em baixas frequências (lado esquerdo) é o ruído de rádio causado por processos lentos na magnetosfera terrestre.

As frequências reais diferem ligeiramente deste devido às propriedades de condução da ionosfera. A ressonância Schumann fundamental está em aproximadamente 7,83 Hz, a frequência na qual o comprimento de onda é igual à circunferência da Terra, e harmônicos mais elevados ocorrem em 14,1, 20,3, 26,4 e 32,4 Hz, etc. Quedas de raios excitam essas ressonâncias, causando cavidade da ionosfera para "tocar" como um sino, resultando em um pico no espectro de ruído nessas frequências, então as ressonâncias Schumann podem ser usadas para monitorar a atividade global de tempestades.

Mais sobre a Ressonância Schumann será tratado em postagem futura específica sobre Ressonância Schumann.

Comunicações submarinas

Como as ondas de rádio ELF podem penetrar profundamente na água do mar, até as profundezas operacionais de submarinos, algumas nações construíram transmissores ELF navais para se comunicarem com seus submarinos submersos. A China construiu recentemente a maior instalação ELF do mundo, aproximadamente do tamanho da cidade de Nova York, a fim de se comunicar com suas forças submarinas sem exigir que elas subam à superfície. A Marinha dos Estados Unidos em 1982 construiu a primeira instalação de comunicações submarinas ELF, dois transmissores ELF acoplados em Clam Lake, Wisconsin e Republic, Michigan. Eles foram fechados em 2004. A Marinha Russa opera um transmissor ELF chamado ZEVS (Zeus) em Murmansk na Península de Kola. A Marinha indiana tem uma facilidade de comunicação ELF na base naval INS Kattabomman para se comunicar com seus submarinos classe Arihant e classe Akula.

Uma antena dipolo terrestre usada para transmitir ondas ELF, semelhante às antenas U.S. Navy Clam Lake, mostrando como funciona. Ela funciona como uma enorme antena de loop, com a corrente alternada I do transmissor P passando por uma linha de transmissão aérea, depois nas profundezas da terra de uma conexão de aterramento G para a outra, depois por outra linha de transmissão de volta ao transmissor. Isso cria um campo magnético alternado H que irradia ondas ELF. A corrente alternada é mostrada fluindo em uma direção apenas através do loop para maior clareza.

Explicação

Por causa de sua condutividade elétrica, a água do mar protege os submarinos da maioria das ondas de rádio de frequência mais alta, tornando impossível a comunicação de rádio com submarinos submersos em frequências comuns. Os sinais na faixa de frequência ELF, no entanto, podem penetrar muito mais fundo. Dois fatores limitam a utilidade dos canais de comunicação ELF: a baixa taxa de transmissão de dados de alguns caracteres por minuto e, em menor medida, a natureza unilateral devido à impraticabilidade de instalar uma antena do tamanho necessário em um submarino (o a antena deve ter um tamanho excepcional para alcançar uma comunicação bem-sucedida). Geralmente, os sinais ELF têm sido usados ​​para ordenar que um submarino suba até uma profundidade rasa onde poderia receber alguma outra forma de comunicação.

Dificuldades de comunicação ELF

Uma das dificuldades apresentadas durante a transmissão na faixa de frequência ELF é o tamanho da antena, porque o comprimento da antena deve ser pelo menos uma fração substancial do comprimento das ondas. Simplificando, um sinal de 3 Hz (ciclo por segundo) teria um comprimento de onda igual à distância que as ondas EM viajam através de um determinado meio em um terço de segundo. Quando o índice de refração do meio é maior que um, as ondas ELF se propagam mais lentamente do que a velocidade da luz no vácuo. Conforme usado em aplicações militares, o comprimento de onda é de 299.792 km (186.282 mi) por segundo dividido por 50-85 Hz, o que equivale a cerca de 3.500 a 6.000 km (2.200 a 3.700 mi) de comprimento. Isso é comparável ao diâmetro da Terra de cerca de 12.742 km (7.918 mi). Devido a esse grande requisito de tamanho, para transmitir internacionalmente usando frequências ELF, a própria Terra forma uma parte significativa da antena e cabos extremamente longos são necessários no solo. Vários meios, como alongamento elétrico, são usados ​​para construir estações de rádio práticas com tamanhos menores.

Os Estados Unidos mantiveram dois locais, na Floresta Nacional Chequamegon-Nicolet, Wisconsin e na Floresta Estadual do Rio Escanaba, em Michigan (originalmente chamado de Projeto Sanguine, depois reduzido e rebatizado de Projeto ELF antes da construção), até que foram desmontados, começando no final Setembro de 2004. Ambos os sites usaram longas linhas de energia, os chamados dipolos de terra, como condutores. Essas ligações estavam em vários fios, variando de 22,5 a 45 quilômetros (14,0 a 28,0 mi) de comprimento. Devido à ineficiência desse método, uma quantidade considerável de energia elétrica foi necessária para operar o sistema.

Impacto ecológico

Tem havido algumas preocupações sobre o possível impacto ecológico dos sinais ELF. Em 1984, um juiz federal suspendeu a construção, exigindo mais estudos ambientais e de saúde. Essa decisão foi anulada por um tribunal federal de apelações com base no fato de que a Marinha dos EUA alegou ter gasto mais de $ 25 milhões estudando os efeitos dos campos eletromagnéticos, com resultados indicando que eles eram semelhantes ao efeito produzido por linhas de distribuição de energia padrão. O julgamento não foi aceito por todos e, durante o tempo em que o ELF estava em uso, alguns políticos de Wisconsin, como os senadores democratas Herb Kohl, Russ Feingold e o congressista Dave Obey, pediram seu encerramento. No passado, foram levantadas preocupações semelhantes sobre radiação eletromagnética e saúde.

Outros usos

Os transmissores na faixa de 22 Hz também são usados ​​na manutenção de dutos ou pigging. O sinal é gerado como um campo magnético alternado e o transmissor é montado no ou em parte do "pig", o dispositivo de limpeza inserido no tubo. O porco é empurrado por uma tubulação feita principalmente de metal. O sinal ELF pode ser detectado através do metal, permitindo que sua localização seja detectada por receptores localizados fora do tubo. É necessário verificar se um porco passou por determinado local e localizar um porco que ficou preso.

Alguns entusiastas do monitoramento de rádio gravam sinais ELF usando antenas que variam em tamanho de antenas ativas de 18 polegadas até vários milhares de pés de comprimento, aproveitando-se de cercas, grades de proteção em rodovias e até mesmo trilhos de ferrovia desativados, e reproduzem-nos em velocidades mais altas para observar mais facilmente flutuações naturais de baixa frequência no campo eletromagnético da Terra. Aumentar a velocidade de reprodução aumenta o tom, de forma que possa ser colocado na faixa de frequência de áudio para audibilidade.

Fontes naturais

Ondas ELF de ocorrência natural estão presentes na Terra, ressonando na região entre a ionosfera e a superfície vista em quedas de raios que fazem os elétrons na atmosfera oscilarem. Embora os sinais de VLF tenham sido gerados predominantemente a partir de descargas atmosféricas, descobriu-se que um componente ELF observável - cauda lenta - seguia o componente VLF em quase todos os casos. Além disso, o modo fundamental da cavidade da ionosfera Terra tem o comprimento de onda igual à circunferência da Terra, o que dá uma frequência de ressonância de 7,8 Hz. Esta frequência e os modos de ressonância mais elevados de 14, 20, 26 e 32 Hz aparecem como picos no espectro ELF e são chamados de ressonância de Schumann.

Ondas ELF também foram identificadas provisoriamente na lua de Saturno, Titã. A superfície de Titã é considerada um refletor pobre de ondas ELF, então as ondas podem estar refletindo na fronteira de gelo líquido de um oceano subterrâneo de água e amônia, cuja existência é prevista por alguns modelos teóricos. A ionosfera de Titã também é mais complexa que a da Terra, com a ionosfera principal a uma altitude de 1.200 km (750 milhas), mas com uma camada adicional de partículas carregadas a 63 km (39 milhas). Isso divide a atmosfera de Titã em duas câmaras ressonantes separadas. A fonte das ondas ELF naturais em Titã não é clara, pois não parece haver uma atividade extensa de raios.

Enormes saídas de energia de radiação ELF de 100.000 vezes a saída do Sol na luz visível podem ser irradiadas por magnetares. O pulsar na nebulosa do Caranguejo irradia potências desta ordem a 30 Hz. A radiação desta frequência está abaixo da frequência do plasma do meio interestelar, portanto, este meio é opaco para ele e não pode ser observado da Terra.

Exposição

Na terapia eletromagnética, radiação eletromagnética e pesquisa em saúde, as frequências do espectro eletromagnético entre 0 e 100 hertz são consideradas campos de frequência extremamente baixa. Uma fonte comum de exposição do público a campos ELF são os campos elétricos e magnéticos de 50 Hz / 60 Hz de linhas de transmissão de energia elétrica de alta tensão e linhas de distribuição secundária, como aquelas que fornecem eletricidade a bairros residenciais.

Possíveis efeitos para a saúde

Desde o final da década de 1970, foram levantadas questões sobre se a exposição a campos elétricos e magnéticos ELF (EMF) dentro desta faixa de frequências produz consequências adversas à saúde. Os campos magnéticos ELF externos induzem campos elétricos e correntes no corpo que, em intensidades de campo muito altas, causam estimulação nervosa e muscular e mudanças na excitabilidade das células nervosas no sistema nervoso central. Os efeitos na saúde relacionados à exposição de curto prazo e alto nível foram estabelecidos e formam a base de duas diretrizes internacionais de limite de exposição (ICNIRP, 1998; IEEE, 2002), como 0,2-0,4 mA a 50/60 Hz. Um estudo de Reilly em 1999 mostrou que o limite para a percepção direta da exposição a ELF RF por voluntários humanos começou em cerca de 2 a 5 kV / m a 60 Hz, com 10% dos voluntários detectando a exposição ELF neste nível. A porcentagem de detecção aumentou para 50% dos voluntários quando o nível ELF foi aumentado de 7 para 20 kV / m. 5% de todos os assuntos de teste consideraram a percepção de ELF nesses limiares irritante. [37] Foi dito que ELF em níveis de kV / m perceptíveis por humanos criava uma sensação de formigamento incômoda nas áreas do corpo em contato com a roupa, particularmente nos braços, devido à indução de uma carga superficial pelo ELF. 7% dos voluntários descreveram as descargas de faíscas como dolorosas quando o sujeito estava bem isolado e tocou um objeto aterrado dentro de um campo de 5 kV / m. 50% dos voluntários descreveram uma descarga de faísca semelhante como dolorosa em um campo de 10 kV / m.

Leucemia

Há grande incerteza em relação às correlações entre a exposição de longo prazo e de baixo nível a campos ELF e uma série de efeitos na saúde, incluindo leucemia em crianças. Em outubro de 2005, a OMS reuniu um grupo de trabalho de especialistas científicos para avaliar quaisquer riscos à saúde que possam existir devido à "exposição a campos elétricos e magnéticos ELF na faixa de frequência> 0 a 100.000 Hz (100 kHz) em relação à leucemia infantil". A exposição de longo prazo de baixo nível é avaliada como a exposição média ao campo magnético de freqüência energética residencial acima de 0,3 a 0,4 µT, e estima-se que apenas entre 1% e 4% das crianças vivam em tais condições. Posteriormente, em 2010, uma análise conjunta de evidências epidemiológicas apoiou a hipótese de que a exposição a campos magnéticos de frequência de energia está relacionada à leucemia infantil. Nenhum outro estudo encontrou qualquer evidência para apoiar a hipótese de que a exposição a ELF é um fator que contribui para a leucemia em crianças.

Um estudo de 2014 estimou os casos de leucemia infantil atribuíveis à exposição a campos magnéticos ELF na União Europeia (UE27), assumindo que as correlações observadas em estudos epidemiológicos eram causais. Ele relatou que cerca de 50–60 casos de leucemia infantil podem ser atribuídos a campos magnéticos ELF anualmente, correspondendo a cerca de 1,5% a 2,0% de todos os casos incidentes de leucemia infantil ocorrendo na UE27 a cada ano. Entretanto, o ICNIRP e o IEEE consideram as evidências científicas relacionadas aos possíveis efeitos à saúde da exposição de longo prazo a campos ELF insuficientes para justificar a redução desses limites quantitativos de exposição. Em resumo, quando todos os estudos são avaliados juntos, as evidências que sugerem que os CEMs podem contribuir para um aumento do risco de câncer não existem. Estudos epidemiológicos sugerem uma possível associação entre a exposição ocupacional de longo prazo a ELF e a doença de Alzheimer.

FREQUÊNCIA SUPER BAIXA

Frequência Super Baixa (SLF) é a designação ITU para ondas eletromagnéticas (ondas de rádio) na faixa de frequência entre 30 hertz e 300 hertz. Eles têm comprimentos de onda correspondentes de 10.000 a 1.000 quilômetros. Esta faixa de frequência inclui as frequências de redes de energia CA (50 hertz e 60 hertz). Outra designação conflitante que inclui essa faixa de frequência é Frequência Extremamente Baixa (ELF), que em alguns contextos se refere a todas as frequências até 300 hertz.

Devido à extrema dificuldade de construir transmissores que podem gerar ondas tão longas, frequências nesta faixa têm sido usadas em muito poucos sistemas de comunicação artificiais. No entanto, as ondas SLF podem penetrar na água do mar a uma profundidade de centenas de metros. Portanto, nas últimas décadas, os militares dos EUA, Rússia e Índia construíram enormes transmissores de rádio usando frequências SLF para se comunicar com seus submarinos. O serviço naval dos EUA é denominado Seafarer e opera a 76 hertz. Tornou-se operacional em 1989, mas foi descontinuado em 2004 devido aos avanços nos sistemas de comunicação VLF. O serviço russo é chamado ZEVS e opera a 82 hertz. A Marinha indiana tem uma facilidade de comunicação operacional ELF na base naval INS Kattabomman para se comunicar com seus submarinos classe Arihant e classe Akula.

Os requisitos para receptores em frequências SLF são menos rigorosos do que para transmissores, porque a intensidade do sinal (definida pelo ruído atmosférico) está muito acima do nível de ruído do receptor, portanto, antenas pequenas e ineficientes podem ser usadas. Os rádios amadores receberam sinais nesta faixa usando receptores simples construídos em torno de computadores pessoais, com antenas de bobina ou loop conectadas à placa de som do PC. Os sinais são analisados ​​por um algoritmo de transformação rápida de Fourier em software e convertidos em som audível.

FREQUÊNCIA ULTRA BAIXA

Freqüência Ultra Baixa (ULF) é a designação ITU para a faixa de freqüência das ondas eletromagnéticas entre 300 hertz e 3 kilohertz, correspondendo a comprimentos de onda entre 1000 a 100 km. Na ciência e sismologia da magnetosfera, definições alternativas são geralmente fornecidas, incluindo faixas de 1 mHz a 100 Hz, 1 mHz a 1 Hz, e 10 mHz a 10 Hz. Freqüências acima de 3 Hz em ciências atmosféricas são geralmente atribuídas à faixa ELF.

Muitos tipos de ondas na banda de frequência ULF podem ser observados na magnetosfera e no solo. Essas ondas representam processos físicos importantes no ambiente de plasma próximo à Terra. A velocidade das ondas ULF é frequentemente associada à velocidade de Alfvén que depende do campo magnético ambiente e da densidade de massa do plasma.

Esta banda é usada para comunicações em minas, pois pode penetrar na terra.

Terremotos

Algumas estações de monitoramento relataram que os terremotos às vezes são precedidos por um pico na atividade ULF. Um exemplo notável disso ocorreu antes do terremoto Loma Prieta de 1989 na Califórnia, embora um estudo subsequente indique que isso foi pouco mais do que um mau funcionamento do sensor. Em 9 de dezembro de 2010, geocientistas anunciaram que o satélite DEMETER observou um aumento dramático nas ondas de rádio ULF sobre o Haiti no mês anterior ao terremoto de magnitude 7,0 Mw em 2010. Os pesquisadores estão tentando aprender mais sobre essa correlação para descobrir se esse método pode ser usado como parte de um sistema de alerta precoce para terremotos.

Comunicações no modo Terra

ULF tem sido usado pelos militares para comunicações seguras através do solo. As publicações AGARD da OTAN dos anos 1960 detalhavam muitos desses sistemas, embora seja possível que os artigos publicados não tenham falado muito sobre o que realmente foi desenvolvido secretamente para fins de defesa. As comunicações através do solo usando campos de condução são conhecidas como comunicações "Modo Terra" e foram usadas pela primeira vez na Primeira Guerra Mundial. Rádio amadores e entusiastas da eletrônica usaram este modo para comunicações de alcance limitado usando amplificadores de potência de áudio conectados a pares de eletrodos amplamente espaçados martelados em o solo. Na extremidade receptora, o sinal é detectado como uma corrente elétrica fraca entre um outro par de eletrodos. Usando métodos de recepção de sinal fraco com filtragem DSP baseada em PC com larguras de banda extremamente estreitas, é possível receber sinais em uma faixa de alguns quilômetros com uma potência de transmissão de 10-100 W e espaçamento de eletrodo de cerca de 10-50 m.

*  *  *  *  *