Ionosphäre II

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 EA-2.8.1 zu erkennen ist, erweckt die durch Refraktion – also Brechung – verursachte Richtungsänderung der Funkwellen den Eindruck, sie würden reflektiert.

EH101: Wie kommt die Fernausbreitung einer Funkwelle auf den Kurzwellenbändern zustande? Sie kommt zustande durch die Refraktion (Brechung) an ...

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.

Der folgende Alt-Text wurde noch nicht geprüft: 1) Kurzbeschreibung: Schematische Grafik zur Funkwellenausbreitung mit Bodenwelle, einer gebogenen roten Bahn durch Schichten aus gestrichelten Bögen und einer „Tote Zone“ zwischen zwei Antennensymbolen.

2) Detailbeschreibung: Unten verläuft eine schwarze, leicht gekrümmte Linie als Boden; an beiden Enden stehen kleine, offene Dreiecks‑Antennensymbole. Links startet ein dicker, roter Strahl, steigt bogenförmig auf, erreicht einen abgerundeten Scheitel und fällt rechts zur zweiten Antenne ab. Entlang des oberen Teils dieses roten Bogens steht in Rot „Refraktion“. Oberhalb des Scheitelpunkts ist ein graues, gestricheltes V eingezeichnet; darüber der Text „Scheinbare Reflexion“. Parallel über dem Boden ziehen mehrere graue, gestrichelte, nach unten gekrümmte Linien durch das Bild; links sind sie mit „D“, „E“, „F1“, „F2“ beschriftet, rechts mit den Höhen „50 km“, „90 km“, „130 km“, „200 km“, „400 km“; näher am Boden steht zusätzlich „10 km“ neben einer weiteren gestrichelten Linie. Auf der Bodenlinie verläuft von der linken Antenne aus ein roter Pfeil mit der Beschriftung „Bodenwelle“ nach rechts. In der Mitte über dem Boden steht der Text „Tote Zone“. — Abbildung EA-2.8.1: Refraktion an Schichten der Ionosphäre

EH219: Welches Frequenzband kann im Sonnenfleckenmaximum tagsüber auch mit kleiner Leistung für weltweite Funkverbindungen verwendet werden?

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 EA-2.8.1 und EA-2.8.2 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.

EH102: In welcher Höhe befinden sich für die Kurzwellen-Fernausbreitung (DX) wichtige ionosphärische Regionen? Sie befinden sich in ungefähr ...

Der folgende Alt-Text wurde noch nicht geprüft: 1) Kurzfassung: Ein Diagramm mit drei nebeneinander angeordneten Sektoren („Sommertag“, „Wintertag“, „Nacht“) zeigt farbige, gebogene Schichten über einer blauen Erdoberfläche und eine Höhen-Skala von 100 km bis 400 km.

2) Detaillierte Beschreibung: Am unteren Rand verläuft eine blaue, bogenförmige Linie als Erdoberfläche. Drei schwarze, nach außen gespreizte Linien teilen die Grafik in die beschrifteten Abschnitte „Sommertag“, „Wintertag“ und „Nacht“. Links stehen die Höhenangaben „100 km“, „200 km“, „300 km“ und „400 km“. In jedem Abschnitt liegen bogenförmige, farbige Bänder übereinander, parallel zur Erdoberfläche, teils von grauen gestrichelten Linien begleitet. Im Abschnitt „Sommertag“ folgen von unten nach oben: ein graues Band mit dem Buchstaben „D“, darüber ein gelbes Band mit „E“, darüber zwei rötlich-orange Bänder mit den Aufschriften „F1“ (tiefer) und „F2“ (höher). Im Abschnitt „Wintertag“ stehen von unten nach oben: ein graues Band mit „D“, darüber ein gelbes Band mit „E“, darüber ein rötlich-oranges Band mit „F“. Im Abschnitt „Nacht“ ist unten ein graues Band mit dem Buchstaben „D“ blass angedeutet; weiter oben liegt ein rötlich-oranges Band mit „F“. In allen drei Abschnitten sind zusätzlich mehrere graue, gestrichelte Bögen ohne weitere Beschriftung eingezeichnet. — Abbildung EA-2.8.2: Regionen in Abhängigkeit von der Jahres- und Tageszeit

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.

EH210: Warum sind Signale im 160- und 80 m-Band tagsüber nur schwach und nicht für den weltweiten Funkverkehr geeignet? Sie sind ungeeignet wegen der Tagesdämpfung in der ...

EH105: Welchen Einfluss hat die D-Region auf die Fernausbreitung?

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.

1) Kurzbeschreibung: Halbkreisförmige Grafik mit Sender links und Empfänger rechts; eine gelbe und eine rosafarbene Schicht über der blau markierten Erde; ellipsenförmige Figur mit der Beschriftung „Sporadic-E“ in der gelben Schicht; zwei gestrichelt eingezeichnete Linien, die durch die Schichten hindurch nach außen führen, und eine durchgehende Linie, die vom Sender zu der ellipsenförmigen Figur und weiter zum Empfänger führt.

2) Ausführliche Beschreibung: Die halbkreisförmige Grafik zeigt die Lage der Ionosphäre mit zwei konzentrisch angeordneten, bogenförmigen Schichten über der Erde, die unten blau eingezeichnet ist, sowie den Verlauf von VHF-Signalen. Auf der Erde steht links und rechts jeweils ein kleines schwarzes Antennensymbol, beschriftet mit „Sender“ (links) und „Empfänger“ (rechts). Vom Sender führen zwei gestrichelt eingezeichnete, rote Linien in verschiedenen Winkeln zunächst durch eine schmale gelbe Schicht und dann eine breite rosafarbene Schicht hindurch und endet am oberen Bildrand. Eine durchgehende rote Linie führt vom Sender hinauf zu einer ellipsenförmigen Figur in der gelben Schicht und hinunter zum Empfänger. Die ellipsenförmige Figur ist mit „Sporadic-E“ beschriftet. — Abbildung EA-2.8.3: Refraktion (Brechung) von Funkwellen an stark ionisierten Bereichen der E-Schicht

EH106: Welche ionosphärische Region sorgt während der Sommermonate für gelegentliche gute Ausbreitung vom oberen Kurzwellenbereich bis in den UKW-Bereich?

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.

EH103: Welche ionosphärische Region ermöglicht im wesentlichen Weitverkehrsverbindungen im Kurzwellenbereich?

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

EH104: Welche ionosphärische Region ermöglicht DX-Verbindungen im 80 m-Band in der Nacht?

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 EA-2.8.4).

1) Kurzbeschreibung: Diagramm mit einer horizontalen Achse „Jahre“ und einer vertikalen Achse „Sonnenflecken im Mittel pro Monat“; Skalenmarkierungen auf der horizontalen Achse bei „1750“ (Nullpunkt), „1800“, „1850“, „1900“, „1950“ und „2000“, auf der vertikalen Achse bei „0“ (oberhalb des Nullpunktes), „50“, „100“, „150“, „200“, „250“ und „300“; durchgehende, wellenförmige blaue Linie mit spitzen Maxima und tiefen Minima im Abstand von etwa 1 Jahr; Höhe der Maxima variiert stark.

2) Ausführliche Beschreibung: Ein Koordinatensystem hat eine horizontale Achse mit der Beschriftung „Jahre“ und eine vertikale Achse mit der Beschriftung „Sonnenflecken im Mittel pro Monat“. Es gibt Skalenmarkierungen bei „1750“ (Nullpunkt), „1800“, „1850“, „1900“, „1950“ und „2000“ auf der horizontalen Achse und bei „0“ (oberhalb des Nullpunktes), „50“, „100“, „150“, „200“, „250“ und „300“ auf der vertikalen Achse. Eine durchgehende, wellenförmige blaue Linie mit spitzen Maxima und tiefen Minima im Abstand von etwa 1 Jahr verläuft von links nach rechts. Die Höhe der Maxima variiert untereinander sehr stark. — Abbildung EA-2.8.4: Die Anzahl der Sonnenflecken, die über den elfjährigen Sonnenzyklus schwankt

EH107: Die Sonnenaktivität ist einem regelmäßigen Zyklus unterworfen. Welchen Zeitraum hat dieser Zyklus ungefähr?

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.

EH205: Welche Aussage ist für das Sonnenfleckenmaximum richtig?

Weiter zum nächsten Abschnitt: Ionosphäre III