Zakres ekstremalnie niskich częstotliwości (Extremely Low Frequency – ELF – obecnie: 3 do 3000 Hz), był ostatnim obszarem widma fal radiowych, w którym podjęto badania nad łącznością radiową. Już od zarania powstania radiokomunikacji panował pogląd, że fale o częstotliwościach leżących poniżej 10 kHz są nie przydatne z powodu konieczności budowania anten nadawczych o zbyt dużych rozmiarach i małej szerokość użytecznego pasma przenoszenia. Pogląd ten znajduje do dzisiaj odzwierciedlenie w dokumentach ITU (International Telecommunication Union), które nie normują przydziału częstotliwości roboczych poniżej 10 kHz. Obecnie najniższymi przydzielonymi częstotliwościami 10.2 kHz operują stacje systemu nawigacji globalnej OMEGA. Mimo powstania w latach siedemdziesiątych XX w. szeregu systemów łączności pracujących na częstotliwościach rzędu 100 Hz, pracy w tym zakresie nie regulują żadne dokumenty. Nadawcy muszą przestrzegać jedynie norm środowiskowych dla pól w tym zakresie, w większości krajów identycznych jak dla sieci przesyłowych 50 i 60 hertzowych. Jedynym przejawem zainteresowania światowych organizacji radiowych polami poniżej 10 kHz jest sporządzanie raportów dotyczących zakłóceń atmosferycznych, obejmujących zakres 10 Hz – 300 GHz [Raport CCIR 670].

Również w dziedzinie badań poznawczych, zakres ELF przez długi okres nie wzbudzał zainteresowania. Przyczyniła się do tego w dużym stopniu nieudana próba obserwacji Słońca podjęta przez E. Kenelly’ego w 1890 r. [Smith 1960]. W r 1901, po sukcesie pierwszej łączności transatlantyckiej, przeprowadzonej przez G. Marconiego, odkryto przyczynę niepowodzenia – jonosferę zasłaniającą Ziemię. Czy podobnych prób mogło być w tym czasie więcej? Chociaż pierwsze bezsporne obserwacje naturalnego szumu ELF przeprowadzili w 1960 r. Balser i Wagner, istnieją uzasadnione przypuszczenia, że zaawansowane eksperymenty na tym polu prowadził ok. 1900 r. N. Tesla [J. D. Jackson, 1982], zaangażowany w projekt bezprzewodowego przesyłania energii w skali planetarnej na częstotliwości 6 Hz [N. Tesla, 1905]. Również takie próby podjął, po swojej publikacji przewidującej możliwość istnienia rezonansowego pola ELF we wnęce Ziemia – jonosfera, W. O. Schumann [1952]. Niepowodzenie było prawdopodobnie spowodowane silnymi zakłóceniami cywilizacyjnymi składowej elektrycznej pola, którą rejestrował [Schumann, Konig 1954].

Przełom w obserwacjach naturalnych pól ELF nastąpił dopiero w roku 1957, w związku z proklamowaniem Międzynarodowego Roku Geofizycznego. Skonstruowane przy tej okazji czułe magnetometry, umieszczone na powierzchni Ziemi, zarejestrowały w zakresie częstotliwości 0.001 – 3 Hz szereg pól rezonansowych, powstających w magnetosferze [Hargreaves 1995]. Odkrycie to zwróciło uwagę na pracę Schumanna [1952] i skłoniło zespół badaczy z MIT do prowadzenia badań w nie zakłóconej strefie pustyni meksykańskiej [Balser, Wagner 1960]. Ta pierwsza udana obserwacja rezonansu Schumanna była również sukcesem technicznym, zastosowano po raz pierwszy w historii 6 bitowy lampowy przetwornik analogowo-cyfrowy i uzyskiwano widma przy pomocy komputera (IBM 709). Obserwacja Balsera i Wagnera otwiera intensywny okres badań pól zakresie ELF. W ciągu ostatnich 50 lat odkryto szereg ich naturalnych źródeł w magnetosferze, jonosferze i atmosferze. Ich badanie ujawniło niezwykle złożony obraz powiązań aktywności elektromagnetycznej Ziemi i jej bliskiego sąsiedztwa z procesami zachodzącymi na Słońcu i w heliosferze. Wybór przez Kennelly’ego zakresu ELF do badań bliskiego kosmosu był niezwykle trafny. Zabrakło odpowiednio czułej aparatury, której konstrukcja w epoce przed elektronicznej była niemożliwa.

Fale ELF propagują się wzdłuż powierzchni Ziemi w przestrzeni pomiędzy przewodzącą powierzchnią gruntu i oceanów a dolnymi warstwami jonosfery. Ze względu na niskie położenie odbijających warstw jonosfery (na tych częstotliwościach: 55 – 90 km) w porównaniu z długością fal, propagacja w falowodzie Ziemia-jonosfera aż do częstotliwości 1500 Hz jest jednomodowa, podobnie jak w mikrofalowych liniach paskowych. Najniższą częstotliwość propagacji, wynoszącą ok. 8 Hz, ogranicza prędkość rozchodzenia się pól i rozmiar Ziemi; fale o długościach większych od jej obwodu “nie mieszczą” się na planecie. Współczynnik tłumienia fal w zakresie częstotliwości 8 do 50 Hz, jest na tyle mały (ok. 0.3 dB/Mm na 10 Hz), że mogą one obiegać Ziemię wielokrotnie i z tego powodu propagacja ma charakter rezonansowy. Sytuacja ta nie ma odpowiednika w innych zakresach propagacji jonosferycznej (poza sporadycznie obserwowanymi przypadkami jednokrotnego obiegu pola w zakresie HF). Warunki propagacyjne w zakresie ELF są znacznie bardziej stabilne niż w jakimkolwiek innym zakresie, typowe różnice tłumienia tras pomiędzy trasą nocną a dzienną są rzędu 30%, a dobowe wahania trasy dookólnej na ogół nie przekraczają (pomijając sporadyczne przypadki w aktywnej fazie cyklu Słonecznego) 1%. Długotrwałe badania wykazały również niezwykłą stałość średniego dziennego współczynnika tłumienia pola w 11 letnim cyklu słonecznym, którego zmiany są nie większe od 15% [Kulak i inni, 2003a, 2003b].

Małe tłumienie fal w zakresie ELF, brak stref martwych oraz duża głębokość wnikania pod powierzchnię wody zwróciły w latach 70 uwagę badaczy na możliwość ich zastosowania w radiokomunikacji. W szeregu eksperymentów przeprowadzonych Hz przez amerykańską marynarkę wojenną (US Navy Wisconsin Test Facility - WTF) na częstotliwościach 45 i 75 Hz dokonano pomiarów współczynnika propagacji na trasach o długości kilkunastu Mm. W badaniach tych zastosowano po raz pierwszy po stronie nadawczej konstrukcję anten ziemnych [Burrows 1978]. Eksperymenty te dowiodły możliwości budowy sprawnych i niezawodnych łącz radiowych ELF o zasięgu globalnym. Istniejące obecnie systemy zapewniają przy mocy nadawania rzędu 1 MW połączenie z dowolnym odbiorcą na Ziemi zanurzonym w wodzie morskiej do głębokości 300 m.

Zastosowania pól ELF w radiokomunikacji nie zahamowały badań pól naturalnych. W zakresie propagacji rezonansowej ich głównym źródłem są wyładowania atmosferyczne występujące głównie w światowych centrach burzowych. Stosunkowo duża częstość wyładowań, sięgająca 70 na sekundę sprawia, że pole w rezonatorze ma charakter szumu gaussowskiego. Mimo, że jedynie niewielki ułamek energii wyładowań jest wypromieniowywany w zakresie ELF (ok. 10^-6) równoważna temperatura szumowa pola jest bardzo wysoka i sięga 10²² K. Dla porównania, w drugim krańcu widma: w zakresie mikrofalowym kosmiczne promieniowanie tła ma temperaturę ok. 2.7 K. Mechanizm nieustannego pompowania rezonatora Ziemia-jonosfera energią wyładowań daje w efekcie ciągłe istnienie tzw. pola tła (bacground). Dzięki temu obserwacje rezonansu Schumanna pozwalają na tani stały monitoring propagacji pola ELF bez potrzeby budowania beaconowych stacji nadawczych.

Historyczna praca Schumanna zawiera rozwiązanie bezźródłowych równań Maxwella w przestrzeni utworzonej przez dwie idealnie przewodzące powierzchnie sferyczne odpowiadające powierzchni Ziemi i jonosfery. Częstotliwości własne tak utworzonego idealnego rezonatora (10.6, 18,4, 26.0 Hz,...) znacznie odbiegają od obserwowanych częstotliwości rezonansowych (8, 14, 20 Hz,...). Jednym z podstawowych zagadnień propagacji rezonansowej stało się wyjaśnienie tak znacznych obniżeń (rzędu 30%) oraz poprawny opis położeń maksimów i ich szerokości. Przyczyną dużych przesunięć częstotliwości w zakresie ELF są dyspersyjne i dyssypatywne właściwości falowodu Ziemia-jonosfera związane ze skin efektem w niejednorodnej jonosferze. Parametry falowodu rekonstruowano stopniowo w miarę postępu badań przewodnictwa dolnych warstw jonosfery D i E. Badania te utrudnia mały współczynnik jonizacji plazmy jonosferycznej, niskie ciśnienie i wynikająca stąd mała częstość zderzeń. W latach sześćdziesiątych w wyniku badań laboratoryjnych plazmy niskociśnieniowej [Phels i Pack, 1959], badań rakietowych [Kane, 1962] i badań aktywnych w zakresie VLF [Belrose i Burk, 1964] powstał do dziś używany i doskonalony model pionowego profilu przewodnictwa jonosfery [tzw. knee model, Cole, Pierce, 1965, Pechony 2004].

Wczesne modele propagacji oparte są na uogólnieniu bezźródłowych rozwiązań próżniowych Schumanna drogą wprowadzania zespolonego parametru propagacji, uwzględniającego dyspersyjne zależności prędkości fazowej i współczynnika tłumienia falowodu Ziemia-jonosfera [Row 1962, Jones 1964a, 1964b, Galejs 1965, Chapman 1967, Bliokh et al 1977]. Ten sposób modelowania jest nadal stosowany i nosi nazwę modelu empirycznego [Ishak i Jones, 1977, Mushtak i Williams, 2002]. Ważnym krokiem w modelowaniu propagacji pola ELF na powierzchni Ziemi było konsekwentne zastosowanie przybliżenia 2D. Redukcja “pionowego” wymiaru falowodu pozwoliła na przekształcenie polowych równań Maxwella do równań obwodowych Kirchoffa, bez utraty istotnych informacji o mechanizmie propagacji. W przybliżeniu 2D falowód Ziemia-Jonosfera jest dwuwymiarową linią transmisyjną, a równania Kirchoffa przyjmują postać dwuwymiarowych równań falowych telegrafistów (Two Dimensional Telegraph Equation - TDTE ). Uproszczenie opisu umożliwiło Maddenowi i Thompsonowi [1965] uzyskane rozwiązań równań pola ze źródłem. Przeprowadzili oni także po raz pierwszy udane symulacje numeryczne propagacji pola na sferze. Mimo uzyskania przełomowych wyników praca ta pozostała nie zauważona przez ponad 30 lat. Ponowne odkrycie zalet rozwiązań 2D miało miejsce nie dawno [Krillov i inni 1997, 2002, Kulak i inni 2003a, Morente i inni 2003, Pechony 2004]. W modelach tych pionowy rozkład przewodnictwa jonosfery sprowadzony jest do dyspersyjnej zależności parametrów linii transmisyjnej Ziemia-jonosfera. Dzięki dużym możliwościom obliczeniowym w ostatnich latach pojawiają się również próby modelowania propagacji rezonansowej w przestrzeni trójwymiarowej. Stosowane są tu techniki numerycznego rozwiązywania równań Maxwella metodą elementów skończonych (Finite Difference Time Dmain - FDTE) i metodą macierzy linii transmisyjnych (Transmission Line Matrix - TLM) [Johns 1971]. Metoda FDTE pozwala na uwzględnianie profilu gęstości elektronowej jonosfery, poprzez wprowadzenie 3 do kilkunastu warstw [Otsuyama et al. 2003, Simpson and Taflove 2004, Yang and Pasko 2005]. Metoda TLM opracowana przez Johns’a, opierająca się na 3D sieci linii transmisyjnych, w której napięcia i prądy w węzłach sieci odtwarzają zachowania pól E i B w przestrzeni, wcześniej okazała się ona skutecznym narzędziem w symulacji anten i układów mikrofalowych [Christopoulos 1995, 1998, Morente 2002].

Wysoka dokładność pomiarów składowej tła rezonansu Schumanna zapewnia precyzyjną weryfikację modeli propagacji w zakresie ELF. Obecny stan modelowania propagacji rezonansowej w zakresie ELF pola pozwala na wyjaśnienie szeregu właściwości rezonansu Schumanna znanych od dawna z obserwacji, takich jak znaczne wahania dobowe częstotliwości rezonansowych, zależne od położenia obserwatora na powierzchni Ziemi, asymetrię pików rezonansowych, itp. Przyczyniły się do tego w dużym stopniu badania silnie dyssypatywnych rezonatorów ze źródłami i wyjaśnienie roli fal biegnących w stanach nieustalonych pola [Kułak i inni, 2006].