Ionosphäre II (Klasse E)

Mit den Grundlagen zur Ionosphäre, Sonnenfleckenaktivität und der sogenannten „Toten Zone“ haben wir uns bereits in den Prüfungsfragen zur Klasse N beschäftigt. In der Klasse E werden diese Themen nun weiter vertieft und um zusätzliche Aspekte der Wellenausbreitung ergänzt.

Die von der Sonne kommende Strahlung schlägt Elektronen aus den Sauerstoff- und Stickstoff-Atomen und -Molekülen der Hochatmosphäre (Ionisation). Diese freien Elektronen werden von Funkwellen geeigneter Frequenz zum Schwingen angeregt; das führt letztlich dazu, dass diese Wellen in Richtung Erdoberfläche gebrochen werden. Wie in Abbildung 5 zu erkennen ist, erweckt die durch Refraktion – also Brechung – verursachte Richtungsänderung der Funkwellen den Eindruck, sie würden reflektiert.

Dieser Prozess verleiht insbesondere der Kurzwelle ihre einzigartigen Fähigkeiten. Dabei bestimmt die Dichte dieser freien Elektronen, welche Frequenzen noch gebrochen werden können: Je höher die Dichte, desto höher die Frequenz. Daher brauchen wir für die oberen Kurzwellenbänder hohe Ionisation und damit ein hohes Maß an der dafür notwendigen Sonnenstrahlung. Deshalb ist insbesondere während des Sonnenfleckenmaximums das 10-Meter-Band (28,0–29,7 MHz) tagsüber besonders gut nutzbar – und das selbst bei geringer Sendeleistung.

Andererseits wollen diese freien Elektronen sich sofort wieder mit den Atomrümpfen zu neutralen Atomen verbinden (Rekombination) und verlieren dadurch die brechende Wirkung. Nachdem im Sonnenlicht ständig ionoisiert und dann wieder rekombiniert wird, stellt sich in bestimmten Höhen ein Gleichgewicht zwischen diesen beiden Vorgängen ein. Diese Gebiete werden als Regionen bezeichnet (manchmal auch als „Schichten“).

Für den Kurzwellenbereich sind insbesondere drei Regionen der Ionosphäre von Bedeutung: die D-, E- und F-Region, wie in den Abbildungen 5 und 6 dargestellt. Für die Prüfungsfragen der Klasse E ist lediglich ein grundlegendes, qualitatives Verständnis dieser Regionen erforderlich. Dabei sollte man wissen, dass sich die für die Kurzwellen-Fernausbreitung (DX) besonders wichtigen F-Regionen der Ionosphäre in einer Höhe von etwa 130 bis 450 Kilometern befinden. Erst in der Klasse A müssen auch die genauen Höhenlagen der einzelnen Regionen für Tag und Nacht benannt werden können.

D-Region

Die niedrigste der Drei ist die D-Region in etwa 50 bis 90 km Höhe. Hier ist allerdings die Gasdichte noch so hoch, dass die zum Schwingen angeregten Elektronen schnell mit anderen Teilchen kollidieren. Dadurch verliert die Funkwelle Energie. Die D-Region dämpft also diese Wellen, bis hin zur völligen Auslöschung. Dieser Effekt wird mit steigender Frequenz geringer und ist oberhalb etwa 10 MHz nicht mehr bedeutend.

Wenn nach Sonnenuntergang keine Strahlung von der Sonne mehr kommt, rekombinieren die Elektronen unmittelbar und die D-Region löst sich praktisch auf. Deswegen sind die unteren Kurzwellenbänder, z.B. 80 m oder 160 m, (genauso wir die Lang- und Mittelwelle) tagsüber weitgehend leer, denn dann können sich die Funkwellen nur über die Bodenwelle ausbreiten, weil die Raumwelle von der D-Region quasi verschluckt wird.

E-Region

In 90 bis 130 km Höhe schließt sich die E-Region an, welche wir schon in den Prüfungsfragen zur Klasse N kennen gelernt haben. Sie bricht unter normalen Umständen schräg einfallende Funkwellen bis etwa 10 MHz, mit einem Sprung können dabei etwas mehr als 2000 km überbrückt werde. Auch die E-Region löst sich nach Sonnenuntergang binnen weniger Minuten auf.

In dieser Region findet sich in den gemäßigten Breiten vor allem in den Sommermonaten ein besonderes Phänomen, die sporadische E-Schicht (kurz Es). Sie besteht aus meist kleinräumigen, sehr stark ionosierten Bereichen und ist in der Lage, Funkwellen viel höherer Frequenz zu brechen, bis hinauf in das 2-Meter-Band.

F-Region

Darüber findet sich schließlich die F-Region, die sich tagsüber zudem in die F1- und die darüberliegende F2 Region aufspaltet. Letztere kann sich bis in eine Höhe von 450 km ausdehnen und ist für die Kurzwellenausbreitung am bedeutsamsten. Denn zum einen erlaubt es ihre größere Höhe, mit einem Sprung Distanzen von bis zu 4000 km zu überbrücken. Zum anderen sorgt die geringe Gasdichte in diesen Höhen dafür, dass es sehr lange dauert, bis freie Elektronen wieder ein Ion finden, mit dem sie zu einem neutralen Atom bzw. Molekül rekombinieren können. Deswegen gibt es dort immer genügend freie Elektronen, um Kurzwellen zu brechen. Ihre Anzahl und damit Dichte nimmt aber bei zurückgehender Sonneneintrahlung ab und damit auch die gerade noch zurückgebrochene Frequenz. Daher schließen die oberen Bänder als erstes.

Nachdem die E-Region nachts nicht mehr vorhanden ist, verläuft dann der gesamte Langstrecken-Funkverkehr über die F-Region.

Zur Ionisation wird Strahlung im extremen Ultraviolett- sowie im Röntgenbereich benötigt. Die Intensität dieser Strahlung, die von der Sonne erzeugt wird, unterliegt mehreren Zyklen. Der bedeutendste davon — wie wir bereits in den Prüfungsfragen zur Klasse N gelernt haben — ist der etwa elfjährige Sonnenzyklus (vgl. Abbildung 8).

Während des Aktivitätsmaximums erreicht die Sonnenaktivität ein besonders hohes Niveau und führt zu einer ausgeprägten Ionisation der F-Region. Deshalb können dann alle oberen Kurzwellenbänder und teilweise sogar das 6-Meter-Band für DX-Verbindungen genutzt werden, währenddessen im Aktivitätsminimum die Frequenzbänder oberhalb des 20-Meter-Bandes (z.B. 10 m) meist nicht nutzbar sind.