극저주파

3. 전파 특성

극초저주파(ELF)는 파장이 매우 길어, 산맥이나 지평선에 의해 차단되지 않고 큰 장애물 주위를 회절하며 지구의 곡률을 따라 이동할 수 있다. 극초저주파와 초저주파는 지구-전리층 도파관 메커니즘을 통해 장거리 전파된다.^[5][18] 지구는 고도 약 60km의 대기 중에 전하 입자(이온과 전자) 층으로 둘러싸여 있는데, 이는 전리층의 하부에 위치하며 D층이라고 불린다. 이 D층은 극초저주파를 반사한다. 전도성 지표면과 전도성 D층 사이의 공간은 평행판 도파관 역할을 하여 극초저주파를 가두고, 우주로 빠져나가지 않고 장거리 전파될 수 있도록 한다. 초저주파와는 달리, 이 층의 높이는 극초저주파 주파수에서 파장보다 훨씬 짧기 때문에, 극초저주파에서 전파될 수 있는 유일한 모드는 수직 편파의 TEM 모드이며, 전기장은 수직이고 자기장은 수평이다. 극초저주파는 1000km당 1~2 dB의 매우 낮은 감쇠를 갖는다.^[18][19] 따라서 단일 송신기가 전 세계와 통신할 잠재력을 가지게 된다.

극초저주파는 지구와 해수와 같은 "손실성" 매질을 통해서도 상당한 거리를 이동할 수 있는데, 이러한 매질은 고주파 무선파를 흡수하거나 반사한다.

극초저주파 대역에서 방송할 때 발생하는 어려움 중 하나는 안테나의 크기이다. 안테나의 길이는 파장의 상당 부분 이상이어야 하기 때문이다. 3 Hz 신호의 파장은 전자기파가 특정 매질을 1/3초 동안 이동하는 거리와 같다. 매질의 굴절률이 1보다 클 경우, ELF파는 진공에서의 빛의 속도보다 느리게 전파된다. 군사용으로 사용되는 경우, 파장은 초당 299792km를 50~85 Hz로 나눈 값과 같으며, 약 3500km에서 6000km에 달한다. 이는 지구의 직경인 약 12742km와 비슷하다. 이러한 엄청난 크기 요구 사항으로 인해, 극초저주파를 사용하여 국제적으로 송신하려면 지구 자체가 안테나의 중요한 부분을 형성하며, 지면으로 매우 긴 도선이 필요하다. 전기적 길이 연장과 같은 다양한 방법을 사용하여 실제로 더 작은 크기의 라디오 방송국을 건설한다.

전파의 주파수가 매우 낮아 통신 속도의 상한선도 매우 낮고, 송신 설비의 안테나 길이도 매우 길어 통신 설비의 건설 비용이 고가이다. 따라서 ELF 대역 이상의 주파수 전파가 도달하지 않는 곳과 통신하는 경우에만 이용된다.

극초장파는 지표나 수중을 통과하므로, 일반적인 환경에서 통신에 이용되는 주파수의 전파가 급격히 감쇄하여 이용 불가능해지는 곳과의 통신에 이용된다. 예를 들어, 광산 내외 통신 외에, 해상을 항해하는 잠수함에 대한 단축 코드를 이용한 지령 송신(잠수함 측의 회신은 불가능)에도 이용되고 있다.

3. 1. 슈만 공명

4. 잠수함 통신

해수는 전기 전도도를 가지기 때문에 잠수함은 대부분의 고주파 무선파로부터 차폐되어, 일반적인 주파수로는 잠수함과의 무선 통신이 불가능하다. 그러나 극초저주파(ELF) 신호는 해수를 깊이 투과하여 잠수함의 작전 수심까지 도달할 수 있다.

극초저주파 통신은 낮은 데이터 전송 속도와 대형 안테나 설치의 어려움 때문에 제한적으로 활용된다. 잠수함에 안테나를 설치하는 것이 비현실적이기 때문에, 주로 잠수함에 부상 명령을 내리는 등의 용도로 사용된다.

극초저주파 대역 송신에서 발생하는 어려움 중 하나는 안테나 크기이다. 안테나 길이는 파장의 상당 부분 이상이어야 한다. 군사용 극초저주파 파장은 약 에 달하며, 이는 지구 지름()의 상당 부분을 차지한다. 이러한 크기 요구사항 때문에 극초저주파를 이용한 국제 통신에는 지구 자체가 안테나의 중요한 부분을 형성해야 하며, 매우 긴 도선이 필요하다.

전파 주파수가 매우 낮아 통신 속도 상한선도 매우 낮다. 3글자 송신에 15분이나 걸리는 등 매우 저속이며, 송신 설비 안테나 길이도 90km로 매우 길어 통신 설비 건설 비용이 고가이다. 따라서 극초저주파 대역 이상 주파수 전파가 도달하지 않는 곳과 통신하는 경우에만 이용된다.

극초장파는 지표나 수중을 통과하므로, 광산 내외 통신이나 해상 잠수함에 대한 단축 코드 지령 송신 등에 이용된다.

4. 1. 잠수함 통신 시설

5. 기타 활용

파이프라인 유지보수 또는 피깅(pigging)에 22Hz 범위의 송신기가 사용된다. 신호는 교류 자기장으로 생성되며, 송신기는 파이프에 삽입되는 청소 장치인 "피그(pig)"에 장착된다. 피그는 금속 파이프라인을 통해 이동하는데, ELF 신호는 금속을 통과할 수 있어 파이프 외부 수신기로 위치를 감지할 수 있다.^[30] 이를 통해 피그가 특정 위치를 통과했는지 확인하거나 막힌 피그의 위치를 찾는다.

일부 무선 아마추어들은 18인치 활성 안테나부터 수천 피트 길이의 안테나를 사용하여 ELF 신호를 기록한다. 이들은 울타리, 고속도로 가드레일, 폐쇄된 철로 등을 활용한다. 녹음된 신호는 더 빠른 속도로 재생하여 지구 전자기장의 자연적인 저주파 변동을 관찰한다. 재생 속도를 높이면 음높이가 높아져 소리가 오디오 주파수(audio frequency) 범위로 들어온다.

2000년대 이후 해상 석유 지구물리 탐사에 매우 낮은 주파수가 활용되고 있다.^[31]

6. 자연적 발생

번개는 대기 중 전자를 진동시켜 지구에서 자연적으로 발생하는 극저주파(ELF)를 생성한다.^[32] 번개 방전으로 생성된 신호는 대부분 초장파(VLF)였지만, 거의 모든 경우에 관측 가능한 극저주파 성분(느린 꼬리)이 초장파 성분을 따르는 것으로 밝혀졌다.^[33] 슈만 공명은 지구-전리층 공동의 공진 현상으로, 기본 모드는 파장이 지구 둘레와 같은 7.8 Hz의 공진 주파수를 가진다. 이 주파수와 14, 20, 26, 32 Hz의 더 높은 공진 모드는 극초저주파 스펙트럼에서 피크 형태로 나타난다.

타이탄에서도 극저주파가 잠정적으로 확인되었다. 타이탄 표면은 극저주파 반사가 잘 안되지만, 지하의 물과 암모니아 바다의 액체-얼음 경계면에서 반사될 가능성이 있으며, 이 바다의 존재는 일부 이론에서 예측되었다. 타이탄의 전리층은 지구보다 복잡하여, 주 전리층은 고도 1200km에, 추가 하전 입자층은 고도 63km에 있어 대기가 두 개의 분리된 공진 공간으로 나뉜다. 그러나 타이탄의 자연적인 극초저주파 발생 원인은 광범위한 번개 활동이 없어 명확하지 않다.^[32]

마그네타는 가시광선으로 태양 출력의 10만 배에 달하는 극초저주파를 방출할 수 있다. 게 성운의 펄서는 30 Hz에서 이 정도의 출력을 방출한다.^[34] 그러나 이 주파수 방사는 성간 매질의 플라스마 주파수보다 낮아 지구에서는 관측할 수 없다.

7. 건강 및 환경 영향

1970년대 후반 이후로, 극저주파(ELF) 전자기장(EMF) 노출을 둘러싼 다양한 건강 문제가 제기되었다.^[36] 외부 극저주파 자기장은 신체에 전기장과 전류를 유도하며, 매우 높은 자기장 세기에서는 신경 및 근육 자극과 중추 신경계의 신경 세포 흥분성 변화를 일으킨다.

인간이 인지할 수 있는 kV/m 수준의 극저주파는 표면 전하 유도로 인해, 특히 팔과 같이 옷과 접촉하는 신체 부위에 불쾌한 따끔거림을 유발한다. 자원자 중 7%는 5 kV/m 자기장에서, 50%는 10 kV/m 자기장에서 스파크 방전을 고통스럽다고 설명했다.^[37]

장기간 저수준의 극저주파(ELF) 자기장 노출과 여러 건강 영향, 특히 소아 백혈병과의 상관관계에 대해서는 불확실성이 높다. 2005년 10월, 세계보건기구(WHO)는 소아 백혈병과 관련하여 0~100,000 Hz(100 kHz) 주파수 범위의 극저주파 전자기장 노출로 인한 건강 위험을 평가하기 위해 과학 전문가 태스크포스를 구성했다.^[36] 장기간 저수준 노출은 주거용 전력 주파수 자기장에 대한 평균 노출이 0.3~0.4 μT(마이크로테슬라)를 초과하는 것으로 평가되며, 이러한 조건에서 생활하는 어린이는 1~4%에 불과하다.^[36] 2010년, 역학적 증거의 통합 분석 결과 전력 주파수 자기장 노출이 소아 백혈병과 관련이 있다는 가설을 뒷받침했다.^[38] 그러나 다른 연구에서는 극저주파 노출이 소아 백혈병의 원인이 된다는 가설을 뒷받침하는 증거를 발견하지 못했다.^[39][40]

2014년 연구에서는 유럽연합(EU27)에서 극저주파 자기장 노출로 인한 소아 백혈병 발생 건수를 추산했다. 이 연구에 따르면 매년 약 50~60건의 소아 백혈병이 극저주파 자기장에 기인할 수 있으며, 이는 EU27에서 매년 발생하는 모든 소아 백혈병 발생 건수의 약 1.5~2.0%에 해당한다.^[41] 그러나 현재(2018년 6월 기준), 국제비전리방사선방호위원회(ICNIRP)와 IEEE는 장기간 저수준 극저주파 자기장 노출로 인한 건강 영향과 관련된 과학적 증거가 노출 한계를 낮추기에 충분하지 않다고 판단한다. 모든 연구를 종합적으로 평가할 때 전자기장이 암 위험 증가에 기여할 수 있다는 증거는 없다.^[42][43] 역학 연구에 따르면 장기간의 직업적 극저주파 노출과 알츠하이머병 사이에 연관성이 있을 가능성이 있다.^[44][45]

극저주파(ELF) 신호의 생태계 영향에 대한 우려도 제기되어 왔다. 1984년 연방 판사는 더 많은 환경 및 건강 연구를 요구하며 건설을 중단시켰다. 이 판결은 미 해군이 전자기장의 영향에 대한 연구에 2500만달러 이상을 투자했으며, 그 결과가 표준 송전선에서 발생하는 효과와 유사하다는 주장을 근거로 연방 항소 법원에 의해 뒤집혔다. 그러나 극저주파가 사용되는 동안 허브 콜, 러스 파인골드 상원의원과 데이브 오베이 하원의원 등 위스콘신 주의 일부 정치인들은 계속해서 극저주파 시설의 폐쇄를 요구했다.

극저주파(ELF) 전자기장(EMF)은 일반적으로 0.3Hz~300Hz 범위이며, 식물과 동물 모두에 다양한 생태적 영향을 미친다.^[46]

8. 지진과의 관련성

일부 관측소에서는 지진 발생 전에 극초장파의 스파이크 형태 신호가 관측되었다는 보고가 있다.^[1] 예를 들어, 1989년 캘리포니아주에서 발생한 로마프리에타 지진이 있다.^[1] 이러한 현상을 지진 조기 경보 시스템에 활용할 수 있다는 점에서 지진과 극초장파의 관계가 연구되고 있다.^[1]

참조

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