ELF-Wellen

Extreme Low Frequency (kurz ELF) bezeichnet elektromagnetische Felder oder Wellen mit extrem niedrigen Frequenzen bis einigen hundert Hz. Nach einer anderen Einteilung wird hiermit der Frequenzbereich 3 Hz bis 300 Hz gemeint.

Anwendung

Extremely_Low_Frequency (ELF)

deutscher Begriff:

Niederfrequenzbereich

Frequenzbereich:

Sub-ELF: 3 Hz bis 30 Hz

ELF: 30 Hz bis 300 Hz

Wellenlänge:

100.000 km bis 100 km

Im Besonderen werden ELF-Wellen für die U-Boot-Kommunikation (ca. 80 Hz) eingesetzt, da diese elektromagnetischen Wellen aufgrund ihrer niedrigen Frequenz eine sehr große Bodenwellenreichweite besitzen und in hohem Maße in das (elektrisch leitfähige) Meerwasser einzudringen vermögen. Der Grund hierfür liegt in der geringeren Abschirmwirkung elektrisch leitfähiger Stoffe für niederfrequente Felder. Allerdings sind mit derart niedrigen Frequenzen nur sehr geringe Datenübertragungsraten möglich. Diese soll in den 1970er Jahren beim Seafarer-System der US-Navy bei ca. 10 Bit pro 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 in Clam Lake^[1], Wisconsin und Escabana River State Forest, Michigan für das amerikanische System Sanguine (Sendefrequenz: 76 Hz) sowie der Sender des russischen Systems ZEVS (Sendefrequenz: 82 Hz) in der Nähe von Murmansk.

Je geringer die Frequenz einer elektromagnetischen Welle ist, um so 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 Extreme-Low-Frequency-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 Hz … 8 Hz entstehen als sogenannte Schumann-Resonanz durch natürliche Sferics.

Die Frequenzen von üblichen Wechselstromnetzen und für die Eisenbahnstromversorgung liegen ebenfalls in diesem Frequenzbereich. Üblich sind hier 16,70 Hz (einige Eisenbahnnetze, Variation von 16 1/3 bis 17,0 Hz), 50 Hz und 60 Hz.

Um große Reichweite zu erzielen, soll die Länge der Sendeantenne ein Vielfaches von λ/4 (ein Viertel der Wellenlänge) betragen. Bei ELF-Wellen entspricht das einigen Hundert Kilometern Drahtlänge. Solche Sendeantennen können in der Praxis nur äußerst schwer (zum Beispiel in Form einer mehreren hundert Kilometer langen Alexanderson-Antenne) realisiert werden. Deshalb wird in diesen Frequenzbereich mit dem Bodendipol gesendet.

Empfangsantennen

Luftspule als Empfangsantenne für VLF

Für den Empfang sehr tiefer Frequenzen verwendet man vorzugsweise magnetische (induktive) Antennen, da diese relativ unempfindlich gegen Funkenstörungen benachbarter elektrischer Geräte 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 vielen Hundert Windungen sein. Für sehr tiefe Frequenzen um 100 Hz füllt man die Spulen mit langen Stangen aus Weicheisen (Baustahl), um die Empfangsspannung zu erhöhen (siehe Ferritstabantenne). Magnetische Antennen besitzen eine ausgeprägte Richtwirkung.

Will man eine feste Frequenz empfangen, kann die Empfindlichkeit durch Parallelschaltung eines Kondensators geeigneter Größe erheblich gesteigert werden. Die Bandbreite dieses Schwingkreises beträgt nur wenige Prozent der Mittenfrequenz.

Drahtantennen, die vorzugsweise auf elektrische Felder reagieren, sind aus verschiedenen Gründen kaum geeignet:

• Sie sind meist erheblich kürzer als die Wellenlänge. Optimal ist die Länge λ/4.
• Durch die (im Vergleich zur Wellenlänge) geringe Höhe über dem leitfähigen Erdboden wirkt dieser wie ein elektrischer Kurzschluss.

Empfänger

Zum Empfang von Extreme Low Frequency wird neben speziell für diesen Frequenzbereich ausgelegten Radioempfängern zunehmend der PC mit integrierter Soundkarte eingesetzt. Signale, die über die Soundkarte mit einer Spule, die für Extreme Low Frequency über mehrere zehntausend Windungen verfügen sollte, oder einen Bodendipol empfangen werden, werden durch eine Software zur FFT-Analyse (Schnelle Fourier-Transformation) analysiert und in Form von Spektrogrammen dargestellt.

Störquellen

Die Störquellendichte nimmt zu niedrigen Frequenzen deutlich zu. Zum einen bedeutet die große Reichweite, dass auch Störquellen weit entfernt liegen können, um den Empfang beeinträchtigen zu können. Zum anderen liegen diese Frequenzen in der Nähe von Gleichfeldern, deren Schwankungen Seitenbänder im ELF-Bereich erzeugen.

• Stromversorgung 16...17 Hz, 50 Hz, 60 Hz
• Schumann-Resonanz 7 bis 8 Hz
• Schwankungen des Erdmagnetfeldes
• Sonnenwinde
• Atmosphärische Störungen

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 Universität Gießen durchgeführten Experimenten nachgewiesen worden. Dabei trat Dämpfung ^[2], Aktivitätssteigerung ^{[3] [4]} auf, oder es war kein Effekt auf das EEG feststellbar. Die EEG-Veränderungen waren bei diesen Experimenten stets symptomlos ^{[5] [6]}.

Vergleich Frequenzband ELF zur Frequenz des menschlichen Gehirns in Relation zum Bewusstseinszustand: (gemessen mit EEG)
Delta	Theta	Alpha	Beta	Gamma
Tiefschlaf und Koma	Traumschlaf, Hypnose und Trance	entspannter Wachzustand und Meditation	normaler Wachzustand	motorische und kognitive Prozesse
0,4 … 3,5 Hz	4 … 7 Hz	8 … 13 Hz	12 … 30 Hz	25 … 100 Hz
Sub-ELF				ELF

Siehe auch

• U-Boot Kommunikation
• Elektromagnetisches Spektrum
• Schumann-Resonanz

Referenzen

1. ↑ "Extremely Low Frequency Transmitter Site Clam Lake, Wisconsin", United States Navy
2. ↑ Schienle A, Stark R, Kulzer R, Klöpper R, Vaitl D, Int J Psychophysiol. Feb-März 1996;21(2-3):Seiten 177-188
3. ↑ Schienle A, Stark R, Walter B, Vaitl D, Kulzer R., Effects of low-frequency magnetic fields on electrocortical activity in humans: a sferics simulation study , Int J Neurosci. Juni 1997;90(1-2):Seiten 21-36.
4. ↑ Schienle A, Stark R, Vaitl D., Electrocortical responses of headache patients to the simulation of 10 kHz sferics., Int J Neurosci. April 1999;97(3-4):211-24
5. ↑ Schienle A, Stark R, Vaitl D., Electrocortical responses of headache patients to the simulation of 10 kHz sferics., Int J Neurosci. April 1999;97(3-4):211-24
6. ↑ Schienle A, Stark R, Vaitl D , Sferics provoke changes in EEG power., Int J Neurosci. März 2001;107(1-2):Seite 87-102