بسامدهای فوق پاىین: امواج الکترومغناطیسی با بسامد بسیار کم

بروزرسانی شده در: 15:39 1404/09/17 مشاهده: 5 دسته بندی: کپسول آموزشی

بسامدهای فوق پایین (ELF): جهانی خاموش در اطراف ما

امواج الکترومغناطیسی با فرکانس بسیار کم که در طبیعت و فناوری پنهان هستند

خلاصه: بسامدهای فوق پایین (ELF) به محدوده‌ای از امواج الکترومغناطیسی اشاره دارد که دارای پایین‌ترین فرکانس‌ها و بلندترین طول‌موج‌ها هستند. این امواج به‌طور طبیعی توسط پدیده‌هایی مانند رعدوبرق¹ و فعالیت مغناطیسی زمین² تولید می‌شوند و در فناوری‌های مهمی مانند ارتباط با زیردریایی‌ها نیز کاربرد دارند. درک این امواج برای شناخت بهتر مغناطیس‌سپهر³ و تأثیرات احتمالی آن بر زندگی ما حائز اهمیت است. این مقاله به زبانی ساده به بررسی منشأ، ویژگی‌ها و کاربردهای این امواج مرموز می‌پردازد.

امواج الکترومغناطیسی چیست و ELF کجا قرار دارد؟

برای درک ELF، ابتدا باید با مفهوم امواج الکترومغناطیسی آشنا شویم. این امواج، ترکیبی از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در حال نوسان هستند که انرژی را بدون نیاز به محیط مادی منتقل می‌کنند. نور مرئی که می‌بینیم، امواج رادیویی که به گیرنده می‌رسد و پرتو‌های ایکس در پزشکی، همه نمونه‌هایی از این امواج هستند. چیزی که این امواج را از هم متمایز می‌کند، فرکانس⁴ یا تعداد نوسان‌های آنها در یک ثانیه است.

فرکانس با واحد هرتز (Hz) اندازه‌گیری می‌شود. طیف الکترومغناطیسی را مانند یک بزرگراه بسیار طولانی از فرکانس‌ها تصور کنید. در یک سر این بزرگراه، امواج گاما با فرکانس‌های بسیار بالا (10^20 هرتز) قرار دارند و در سر دیگر، امواج ELF با فرکانس‌های بسیار پایین.

فرمول کلیدی: بین فرکانس ($f$) و طول‌موج ($\lambda$) رابطه معکوس وجود دارد: $c = f \times \lambda$. در اینجا $c$ سرعت نور (300,000 کیلومتر بر ثانیه) است. بنابراین، هرچه فرکانس کمتر باشد، طول‌موج بلندتر می‌شود. امواج ELF طول‌موجی به بزرگی صدها تا هزاران کیلومتر دارند!

نوع موج	بسامد تقریبی	طول‌موج تقریبی	مثال کاربردی
بسامدهای فوق پایین (ELF)	3 Hz – 300 Hz	100,000 km – 1,000 km	ارتباط با زیردریایی، مطالعه مغناطیس‌سپهر
امواج رادیویی (طول موج بلند)	30 kHz – 300 kHz	10 km – 1 km	رادیوی AM، ناوبری دریایی
موبایل (میلی‌مترو)	1 GHz – 3 GHz	30 cm – 10 cm	تماس تلفنی، داده‌های 4G/5G
نور مرئی	430 THz – 750 THz	700 nm – 400 nm	بینایی، فیبر نوری

منابع طبیعی و مصنوعی تولید ELF

این امواج به دو شکل اصلی در اطراف ما وجود دارند: طبیعی و مصنوعی (ساخته دست بشر).

منابع طبیعی: بزرگ‌ترین و قدرتمندترین فرستنده‌های طبیعی ELF روی کره زمین، رعدوبرق‌ها هستند. هر بار که آذرخش رخ می‌دهد، یک پالس قوی الکترومغناطیسی تولید می‌کند که بخشی از انرژی آن در محدوده ELF است. این امواج می‌توانند چندین بار به دور کره زمین سفر کنند و بین یونوسفر⁵ و سطح زمین به دام بیفتند. این پدیده، یک تشدید طبیعی به نام «حفرهٔ زمین-یونوسفر»⁶ ایجاد می‌کند که دائماً با فرکانس‌هایی حول و حوش 8 Hz و 14 Hz در حال نوسان است. فعالیت مغناطیسی خورشید و بادهای خورشیدی نیز با میدان مغناطیسی زمین برهم‌کنش کرده و امواج ELF تولید می‌کنند.

منابع مصنوعی: انسان‌ها نیز برای مقاصد خاصی اقدام به تولید این امواج می‌کنند. مهم‌ترین آن‌ها، ایستگاه‌های فرستنده بسیار بزرگ و پرتوان برای ارتباط با زیردریایی‌های عمیق است. از آنجا که امواج ELF می‌توانند تا اعماق زیادی در آب دریا (صدها متر) نفوذ کنند، برای ارسال پیام‌های کوتاه اما حیاتی به زیردریایی‌های نظامی ایده‌آل هستند. خطوط انتقال برق فشارقوی (50 یا 60 Hz) نیز به صورت ناخواسته امواجی در محدوده ELF ساطع می‌کنند.

ویژگی‌های منحصر به فرد و رفتار امواج ELF

چند ویژگی کلیدی، ELF را از دیگر امواج متمایز می‌سازد:

۱. نفوذپذیری بالا: این امواج می‌توانند به راحتی از موادی که برای امواج با فرکانس بالا مانند نور یا رادیویی غیرقابل نفوذ هستند، عبور کنند. مثال بارز آن نفوذ به اعماق دریاها و حتی لایه‌های سنگی زیر زمین است. این ویژگی همان چیزی است که ارتباط با زیردریایی‌ها را ممکن می‌سازد.

۲. انتشار در فواصل بسیار دور با اتلاف کم: به دلیل طول‌موج بسیار بلند، پراکندگی و تضعیف این امواج در طی مسافت‌های طولانی بسیار کم است. یک موج ELF می‌تواند چندین بار دور کره زمین را بپیماید بدون آنکه کاملاً محو شود.

۳. پهنای باند بسیار محدود و نرخ داده پایین: نقطه ضعف بزرگ ELF این است که نمی‌توان اطلاعات زیادی را بر روی آن سوار کرد. انتقال حتی یک دستور ساده متنی به یک زیردریایی ممکن است چند دقیقه طول بکشد. بنابراین برای ارتباطات صوتی یا ویدئویی کاملاً نامناسب است.

برای درک بهتر، فرض کنید می‌خواهید یک پیام را در اقیانوس منتقل کنید. استفاده از نور (مثل فلش) سریع است اما فقط در سطح آب دیده می‌شود. استفاده از امواج صوتی (مثل سونار) خوب است اما مسافت آن محدود است. اما اگر بتوانید کل اقیانوس را به آرامی بلرزانید (شبیه به امواج ELF)، این لرزه در همه‌جا احساس می‌شود، اگرچه برای ایجاد آن نیاز به انرژی زیادی دارید و پیام بسیار کند منتقل می‌شود.

کاربردهای ELF: از اکتشاف معدن تا مطالعه زمین‌شناسی سیارات

با وجود سرعت پایین انتقال داده، از این امواج در زمینه‌های علمی و فنی مهمی استفاده می‌شود:

ارتباط نظامی با زیردریایی‌ها: همانطور که گفته شد، اصلی‌ترین کاربرد مصنوعی ELF است. آنتن‌های این سیستم‌ها بسیار بزرگ (گاهی به طول ده‌ها کیلومتر) هستند.
اکتشاف معادن و نفت: از آنجا که امواج ELF می‌توانند به داخل زمین نفوذ کنند، با تحلیل چگونگی تغییر این امواج پس از برخورد با لایه‌های مختلف زمین (مانند سنگ‌های حاوی فلز یا مخازن نفت)، می‌توان به وجود منابع زیرزمینی پی برد.
پایش فعالیت‌های زمین‌ساختی: تغییرات در میدان‌های ELF طبیعی می‌تواند با فعالیت‌های لرزه‌خیزی مرتبط باشد. دانشمندان امیدوارند با مطالعه این سیگنال‌ها بتوانند نشانه‌هایی برای پیش‌بینی زلزله بیابند.
ژئوفیزیک و مطالعه سیارات: با فرستادن امواج ELF به داخل زمین یا تحلیل امواج طبیعی، می‌توان درباره ترکیب لایه‌های داخلی زمین و ساختار مغناطیس‌سپهر آن تحقیق کرد. این تکنیک برای مطالعه سایر سیارات نیز به کار می‌رود.

مثال عملی: تصور کنید یک زیردریایی در عمق 200 متری آب و زیر یخ‌های قطبی در حال گشت‌زنی است. هیچ سیگنال رادیویی معمولی به آن نمی‌رسد. در این حالت، یک ایستگاه زمینی غول‌پیکر یک پیام کدشده ELF ارسال می‌کند. این موج به اعماق آب و یخ نفوذ می‌کند و آنتن ویژه‌ای که روی بدنه زیردریایی کشیده شده، آن را دریافت کرده و به فرمانی مانند «به سطح بیا» ترجمه می‌کند. این فرآیند ممکن است 15 دقیقه طول بکشد، اما در شرایط اضطراری حیاتی است.

آیا امواج ELF برای سلامت انسان مضر هستند؟

این موضوع سال‌هاست که مورد بحث و پژوهش است. امواج ELF غیر یون‌ساز⁷ هستند، یعنی انرژی کافی برای جدا کردن الکترون از اتم‌ها (مانند پرتوهای ایکس) و آسیب مستقیم به DNA را ندارند. با این حال، برخی مطالعات اپیدمیولوژیک ارتباط ضعیفی را بین زندگی طولانیمدت در مجاورت میدان‌های مغناطیسی قوی ELF (مثل نزدیکی خطوط فشارقوی) و افزایش احتمالی برخی بیماری‌ها نشان داده‌اند. سازوکار دقیق آن به طور کامل شناخته شده نیست، اما فرضیه‌هایی درباره تأثیر بر جریان‌های یونی در بدن مطرح است. امروزه نهادهای بین‌المللی مانند سازمان جهانی بهداشت، حداقل مواجهه را برای میدان‌های ELF تعیین کرده‌اند. برای عموم مردم، مواجهه با سطوح ELF ناشی از وسایل برقی خانه بسیار پایین‌تر از این حد مجاز است.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

سوال ۱: آیا امواج ELF همان امواجی هستند که در شبکه‌های وای‌فای و تلفن همراه استفاده می‌شوند؟

پاسخ: خیر. این یک اشتباه رایج است. امواج مورد استفاده در وای‌فای و تلفن همراه در محدوده فرکانس‌های رادیویی بسیار بالا (مگاهرتز و گیگاهرتز) قرار دارند. طول‌موج آن‌ها از چند سانتی‌متر تا چند ده سانتی‌متر است، در حالی که طول‌موج ELF به هزاران کیلومتر می‌رسد. این دو، دو سر کاملاً متفاوت از طیف الکترومغناطیسی هستند.

سوال ۲: آیا می‌توانیم امواج ELF را ببینیم یا احساس کنیم؟

پاسخ: ما مستقیماً این امواج را با حواس پنجگانه خود درک نمی‌کنیم. چشم‌های ما فقط به بخش کوچکی از طیف (نور مرئی) حساس است و پوست یا گوش‌های ما نیز آن را تشخیص نمی‌دهند. برای تشخیص ELF نیاز به دستگاه‌های مخصوص اندازه‌گیری مانند مغناطیس‌سنج⁸ های بسیار حساس داریم. تنها اثر غیرمستقیم آن‌ها ممکن است تداخل با وسایل الکترونیکی حساس باشد.

سوال ۳: چرا برای مطالعه لایه‌های داخلی زمین از ELF استفاده می‌کنیم؟

پاسخ: زیرا امواج با فرکانس بالا (مانند نور) اصلاً نمی‌توانند از سنگ عبور کنند و خیلی سریع جذب می‌شوند. امواج لرزه‌ای (صوتی) هم خوب عمل می‌کنند، اما امواج ELF می‌توانند به عمق بیشتری نفوذ کرده و اطلاعات متفاوتی (مثلاً درباره رسانایی الکتریکی لایه‌ها که به ترکیب شیمیایی و وجود آب مرتبط است) در اختیار ما بگذارند. استفاده همزمان از چند روش، تصویر کامل‌تری از درون زمین به ما می‌دهد.

جمع‌بندی: بسامدهای فوق پایین (ELF) بخشی شگفت‌انگیز و کم‌تر شناخته شده از دنیای امواج الکترومغناطیسی هستند. اگرچه ما آن‌ها را مستقیماً حس نمی‌کنیم، اما در پس‌زمینه سیاره ما حضور دارند: از رعدوبرق‌های مهیب تا نوسانات آرام میدان مغناطیسی زمین. انسان با درک ویژگی‌های خاص این امواج، به خصوص قدرت نفوذ استثنایی آن‌ها، توانسته است از آن برای حل چالش‌های دشواری مانند ارتباط با اعماق اقیانوس‌ها و اکتشاف زیرپوسته زمین استفاده کند. مطالعه ELF پلی است بین فیزیک، زمین‌شناسی و مهندسی که به ما کمک می‌کند هم محیط اطراف خود را بهتر بشناسیم و هم فناوری‌های مورد نیاز در شرایط خاص را توسعه دهیم.

پاورقی

¹رعدوبرق (Lightning): تخلیه ناگهانی الکتریسیته ساکن در اتمسفر. منبع طبیعی عمده ELF.

²زمین (Earth): به میدان مغناطیسی ذاتی کره زمین و فعل‌وانفعالات آن در مغناطیس‌سپهر اشاره دارد.

³مغناطیس‌سپهر (Magnetosphere): ناحیه‌ای در اطراف یک سیاره که توسط میدان مغناطیسی آن کنترل می‌شود و زمین را از بادهای خورشیدی محافظت می‌کند.

⁴فرکانس (Frequency): تعداد دفعات تکرار یک رویداد تناوبی در واحد زمان (معمولاً یک ثانیه). واحد آن هرتز (Hz) است.

⁵یونوسفر (Ionosphere): لایه‌ای از اتمسفر زمین که به دلیل تابش خورشید، حاوی ذرات باردار (یون) است و می‌تواند امواج رادیویی را بازتاب دهد.

⁶حفره زمین-یونوسفر (Earth-Ionosphere Cavity): فضای خالی بین سطح زمین و لایه پایینی یونوسفر که مانند یک موج‌بر غول‌پیکر برای امواج ELF عمل می‌کند.

⁷غیر یون‌ساز (Non-ionizing): به تابش‌هایی گفته می‌شود که انرژی کافی برای یونیزه کردن اتم‌ها و مولکول‌ها را ندارند. امواج رادیویی، مایکروویو و نور مرئی نیز در این دسته هستند.

⁸مغناطیس‌سنج (Magnetometer): دستگاهی برای اندازه‌گیری قدرت و/یا جهت میدان مغناطیسی.

ELF: Extremely Low Frequency – بسامد فوق پایین.

امواج الکترومغناطیسی فرکانس پایین رعدوبرق ارتباط زیردریایی مغناطیس‌سپهر

بسامدهای فوق پاىین Extremely low frequency فیزیک دوازدهم پایه دوازدهم

اطلاع از تغییرات در بسته‌های گاما

کاربر عزیز سلام!