Wie weit können sich extra niederfrequente elektromagnetische Wellen von der Sonne entfernen?

Es gibt zwei Punkte zu beachten. Zum einen, ob die Wellen von der Oberfläche (oder an einer Grenzfläche zwischen Schichten mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften) reflektiert werden, und zum anderen, wie weit sich Wellen in einem teilweise leitfähigen Medium ausbreiten können.

Die Übertragung einer bestimmten Frequenz in ein Medium ist ungefähr proportional zu seiner Impedanz. Die Impedanz wiederum ist proportional zu$\sqrt{f/\sigma}$, Wo$\sigma$ist die Leitfähigkeit des Mediums. Niedrige Frequenzen helfen also nicht unbedingt, wenn die Leitfähigkeit hoch ist. Die Eindringtiefe der Welle in einen guten Leiter ist etwa proportional zu$\sqrt{1/\sigma f}$, so dass niedrige Frequenzen und eine geringe Leitfähigkeit zu einer größeren Durchdringung führen.

Die Leitfähigkeit von "Erde" (typischer Boden) könnte in der Größenordnung von 0,01 S/m liegen. Meerwasser ist leitfähiger - etwa 5 S/m.

Ob sie als gute Leiter fungieren, wird durch das Verhältnis bestimmt$\sigma/2\pi \epsilon_0 f$. Nehmen$f=3-30$Hz sehen wir, dass sowohl der Boden als auch das Meerwasser bei diesen Frequenzen hervorragende Leiter sind.

Unter diesen Umständen ist der Amplitudentransmissionsanteil ungefähr

$$t \simeq \frac{2\eta}{377},$$ wobei 377 Ohm die Vakuumimpedanz ist und$\eta \simeq \sqrt{2\pi f \mu_0/\sigma}$ist die Impedanz des Mediums. Der Transmissionsanteil liegt also bei beiden Materialien weit unter 1 Prozent.

Einmal im Medium verblasst das Signal exponentiell mit einer Eindringtiefe (wo diese Amplitude abfällt$1/e$) ungefähr gegeben durch

$$d = \sqrt {\frac{2}{2\pi f \mu_0 \sigma}}$$ , das sind 1-3 km für Erde und 40-130 m für Meerwasser.

Meine Antwort wäre also, die meisten Wellen werden reflektiert, aber für diejenigen, die eindringen, beträgt die erreichte Tiefe einige Kilometer, wenn nicht im Ozean, und einige hundert Meter im Ozean (und tatsächlich wird ELF für die Kommunikation mit untergetauchten U-Booten verwendet ).

Ein zweiter Teil Ihrer Frage betrifft die Ausbreitung von Wellen durch den Weltraum. Relevant ist hier, ob die Wellenfrequenz über oder unter der Plasmafrequenz liegt

$$\nu_p = \left( \frac{e^2 n_e}{4\pi^2 \epsilon_0 m_e}\right)^{1/2} = 9000 \left(\frac{n_e}{{\rm cm}^{-3}}\right)^{1/2}\ {\rm Hz},$$ Wo$n_e$ist die Elektronenzahldichte und$m_e$ist die Elektronenmasse. Wenn Wellen eine Frequenz unterhalb der Plasmafrequenz haben, werden sie reflektiert.

Der Wert von$n_e$ist von Ort zu Ort sehr unterschiedlich. In der Sonnenkorona sind typische Werte$n_e \sim 10^{5}$Zu$10^{6}$cm$^{-3}$. Dies bedeutet, dass sich die von der Sonne erzeugten ELF-Wellen nicht durch das koronale Plasma ausbreiten. Außerdem liegt die Elektronendichte in der Ionosphäre der Erde typischerweise in der gleichen Größenordnung. ELF-Wellen aus dem Weltraum werden also nicht in die Ionosphäre der Erde eindringen.

Selbst wenn die ELF-Wellen nahe der Spitze der Korona erzeugt werden, werden sie sich nicht durch den Sonnenwind ausbreiten. Die Elektronendichte nimmt mit der Entfernung von der Sonne ab, ist aber immer noch da$n_e \sim 100$cm$^{-3}$auf der Umlaufbahn der Erde, was eine Plasmafrequenz von 90 kHz ergibt.

Ich möchte nur einen Punkt ansprechen, der Ihre Frage wahrscheinlich nicht vollständig beantworten wird. LF-Frequenzen entsprechen sehr großen Wellenlängen, so dass LF-Wellen Wellenlängen aufweisen, die der geometrischen Ausdehnung der vertikalen Brechungsverteilung der Atmosphäre entsprechen. Dadurch kann die wandernde LF-Welle an die Oberfläche koppeln (sie breitet sich nicht direkt in den offenen Raum aus) und nahezu verlustfrei große Entfernungen zurücklegen. Es wird beobachtet, dass sie rund um die Welt reisen. Daher ist bekannt, dass die NF-Wellenausbreitung aus diesem Grund einen geringen Ausbreitungsverlust aufweist.

Sie sprechen jedoch von NF-Wellen, die von der Sonne im offenen Weltraum stammen. Ich glaube, es ist anders, und Sie sollten nicht davon ausgehen, dass der Vorteil der Wellenleiterkopplung der Atmosphäre im Weltraum gültig ist. Ich hoffe das hilft.