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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Die Rolle der Ionosphäre bei der Funkkommunikation über große Entfernungen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Radioempfang Eine Funkübertragung über große Entfernungen ist nur aufgrund der Existenz reflektierender Schichten im oberen Teil der Erdatmosphäre möglich. Diese Schichten entstehen, weil ultraviolette Strahlen des Sonnenlichts einige der Gasmoleküle in positiv geladene Teilchen – Ionen – und Elektronen zerlegen. Dieser Vorgang wird als Ionisierung bezeichnet, und der ionisierte Bereich der Atmosphäre wird üblicherweise als Ionosphäre bezeichnet. Radiowellen, die in die Ionosphäre eindringen, werden gebrochen und können bei ausreichender Ionisierung zur Erde zurückkehren. Abbildung 1 zeigt drei mögliche Fälle des Bringens Radiowellen in die Ionosphäre, je nach Ionisationsgrad. Im Fall „a“ ist die Ionisation schwach und die Wellen durchqueren die Schicht und biegen ihren Weg nur leicht ab.
Im Fall „b“ reicht die Ionisation aus, dass die Wellen reflektiert werden und zur Erde zurückkehren, und im Fall „c“ schließlich ist die Ionisation so stark, dass die Wellen vollständig absorbiert werden.
In Abb. Abbildung 2 zeigt den Weg zweier Radiowellen mit einer Länge von 20 und 10 Metern und einem bestimmten Ionisationsgrad. Wellen mit einer Länge von 20 Metern (durchgezogene Linien) werden von der Ionosphäre reflektiert und kehren zur Erde zurück. (Wellen mit einer Länge von 10 Metern (gestrichelte Linien) werden von der Schicht nur leicht gebogen und gelangen in den interplanetaren Raum. Alle Wellen, die länger als 20 Meter sind, werden ebenfalls reflektiert reflektiert, und Wellen, die kürzer als 10 Meter sind, dringen durch die Ionosphäre. Je niedriger die übertragene Frequenz, desto größer die Reflexionswahrscheinlichkeit und je stärker die Ionisierung in der Schicht, desto höher wird die Frequenz immer noch von ihr reflektiert. Zone der Stille Der Winkel, in dem Radiowellen auf die ionisierte Schicht treffen, ist entscheidend. Eine stille Zone entsteht, wenn die Ionisierung nicht ausreicht, um in steilen Winkeln einfallende Wellen zu reflektieren, aber in kleinen Winkeln einfallende Wellen trotzdem reflektiert werden. Wie in Abb. 3 dargestellt, passieren alle von der Antenne in einem Winkel größer als einem bestimmten kritischen Winkel ausgestrahlten Wellen durch die Schicht, und in einem kleineren Winkel ausgesendete Wellen kehren zum Boden zurück.
Vor der Ruhezone sind aufgrund der Oberflächenwelle Signale nur in unmittelbarer Nähe des Senders zu hören. Es wird häufig beobachtet, dass ein am Punkt A auf die Erde einfallender Strahl von der Erdoberfläche reflektiert wird, erneut in die Erdschicht eindringt, erneut reflektiert wird und am Punkt B zur Erde zurückkehrt. Zwei-, Drei- und Mehrfachreflexionen dieser Art kommen sehr häufig vor treten bei der Übertragung mit hohen Frequenzen auf, insbesondere über große Entfernungen. In Abb. 3 zeigt, dass das Signal auch nach einer einzigen Reflexion den Punkt B erreichen kann. Wenn beide am Punkt B ankommenden Signale etwa gleich stark sind, kann es zu sehr starkem Fading aufgrund von Interferenzen kommen. Anhand der Breite der Ruhezone können Sie die Bedingungen für den Durchgang von Wellen unterschiedlicher Reichweite ungefähr beurteilen, indem Sie nur in einer davon zuhören. Nehmen wir an, dass Sender, die nur 20 km entfernt liegen, in einer Reichweite von 200 Metern zu hören sind. Dies deutet darauf hin, dass bei einer solchen Ionisierung wahrscheinlich auch Signale mit einer Wellenlänge von 10 Metern zur Erde zurückkehren. Allerdings wird sich die Ruhezone bei diesen Frequenzen wahrscheinlich auf bis zu 2000 km erstrecken. Wenn es bei Wellen von 20 Metern eine sehr schmale Totzone gibt, gibt es bei Wellen von 40 Metern keine Zone der Stille. Wenn sich die Ruhezone über eine weite Distanz erstreckt, hören wir nur entfernte Sender. Wenn die Ionisierung zunimmt, wird sie schmaler und in der Nähe befindliche Stationen werden sichtbar. Gleichzeitig werden wir aus zwei Gründen beginnen, entfernte Stationen zu verlieren. Erstens werden sie durch laute nahe gelegene Stationen verstopft und zweitens führt eine hohe Ionisierung zur Absorption von Signalen entfernter Stationen, die in ionisierten Gebieten eine weite Strecke zurücklegen. Je breiter die Totzone und je höher die Betriebsfrequenz, desto wahrscheinlicher ist eine Kommunikation über große Entfernungen möglich. Da die Ionisierung in den oberen Schichten der Atmosphäre durch Sonnenstrahlung verursacht wird, unterscheiden sich die Bedingungen für den Durchgang kurzer Wellen tagsüber und nachts stark. Betrachten wir zum Beispiel eine Änderung der Kommunikationsbedingungen an einem normalen Wintertag. In den frühen Morgenstunden vor Sonnenaufgang ist die Ionisierung sehr schwach. In diesem Fall ist die 10-Meter-Reichweite völlig tot und auf 20 Metern sind nur noch wenige sehr weit entfernte Sender zu hören. Bei niedrigeren Frequenzen reicht die Ionisierung jedoch für den Normalbetrieb aus. Auf Wellen von 40 Metern herrschen also gute Bedingungen für die Fernkommunikation, Wellen von 160 Metern passieren auch gut. Wenn die Sonne aufgeht, beginnt die Ionisierung schnell zuzunehmen und erreicht am Nachmittag ihr Maximum. Wenn sich der Mittag nähert (die tote Zone wird auf allen Bändern schmaler und etwa zwei Stunden nach Sonnenaufgang reicht die Ionisierung aus, um Wellen im 10-Meter-Bereich zu reflektieren. Gegen Mittag wird der 20-Meter-Bereich mit relativ nahen und langen Stationen gefüllt sein -Distanzkommunikation ist zu diesem Zeitpunkt auf 10 Metern möglich. Nach Sonnenuntergang nimmt die Ionisierung ab, da die umgekehrte Reduktion neutraler Atome und Moleküle beginnt. Die Ruhezone wird für jeden Bereich schrittweise erweitert. Zuerst wird der Empfang von Wellen von 10 Metern gestoppt, dann von 20 Metern. MAGNETISCHE Stürme An manchen Tagen kann man beim Radioempfang beobachten, dass die Anzahl der Amateursender in der Reichweite im Vergleich zu normalen Tagen stark abnimmt, alle Signale sehr stark verblassen, viele ständig zu hörende Sender verschwinden und neue, meist weit entfernte Sender hinzukommen, die noch nie empfangen wurden bevor erscheinen. Diese Phänomene werden durch magnetische Stürme verursacht, bei denen das normalerweise recht stabile Erdmagnetfeld starke Veränderungen erfährt. Magnetische Stürme gehen immer mit einer Abnahme der Ionisation einher. Dadurch erweitert sich die Ruhezone und die nächtlichen Ausbreitungsbedingungen können den ganzen Tag über anhalten. Während eines magnetischen Sturms verschwinden Stationen auf Hochfrequenzbändern normalerweise viel früher als an normalen Tagen. In 20 Metern Entfernung herrschen gegen Mittag gute Bedingungen für die Fernkommunikation, wohingegen an normalen Tagen in dieser Zeit nur in Entfernungen bis zu 2000 km gearbeitet werden kann. Der magnetische Sturm dauert einen bis mehrere Tage. Störungen in der Ionosphäre, die in dieser Zeit auftreten, führen zu einem erheblichen Schwund, begleitet von vielen Verzerrungen. Die Kommunikation über kurze Distanzen ist meist gestört und für die Arbeit musste auf längere Wellen ausgewichen werden. REFLEXIONSSCHICHTEN UND ANORME IONISATION Die Ionosphäre besteht normalerweise aus mehreren ionisierten Schichten. Von diesen spielen die Schichten E und F die größte Rolle bei der Ausbreitung von Radiowellen. Die Höhe der Schicht E über der Erdoberfläche beträgt etwa 100 km und die der Schicht F 220–240 km. Diese Schichten sind vom Wetter in der Nähe der Erdoberfläche völlig unabhängig. Tagsüber spaltet sich Schicht F in zwei Schichten F1 und F2; der erste liegt etwas tiefer als der zweite. Die F2-Schicht ist stärker ionisiert als die F1- und E-Schichten und spielt eine größere Rolle bei der Übertragung bei Kurzwellen. Signale ausreichend hoher Frequenz, die durch die mäßig ionisierten E- und F1-Schichten dringen, werden von der stärker ionisierten F2-Schicht reflektiert , wie in Abb. 4 dargestellt. Für niedrigere Frequenzen ist die E-Schicht wichtig und die meisten Kommunikationen auf 160 Metern sind auf Reflexionen von dieser Schicht zurückzuführen.
In der E-Schicht gibt es zeitweise Bereiche mit sehr intensiver Ionisierung, die als anomale E-Schicht bezeichnet werden. Eine anomale Ionisierung der E-Schicht kann jederzeit auftreten, die Ursache ist unbekannt. Im Falle einer anomalen Ionisierung kann die E-Schicht dazu führen, dass Wellen in 5 und 10 Metern Entfernung reflektiert werden. Ein weiteres anomales Phänomen, der Delinger-Effekt genannt wird, besteht in einer vollständigen Unterbrechung der Kurzwellenkommunikation auf dem beleuchteten Teil des Globus. Die Ursache des Delinger-Effekts scheinen Sonneneruptionen zu sein, die einen sehr starken Anstieg der Ionisation im unteren Teil der Ionosphäre verursachen. Dadurch werden kurze Radiowellen absorbiert. Derzeit ist manchmal eine Fernkommunikation über Ultrakurzwellen möglich. Der Dellinger-Effekt kann mehrere Minuten oder sogar Stunden anhalten. SAISONALE ÄNDERUNGEN Die Ionisierung der F2-Schicht erreicht ihren größten Wert im Winter, wobei das Tagesmaximum am Nachmittag auftritt. Dies bedeutet, dass die engste Funktotzone am Nachmittag eines Wintertages liegt, zu diesem Zeitpunkt ist eine zuverlässige Kommunikation bei sehr hohen Frequenzen, beispielsweise bei Wellen von 10 Metern, möglich. Im Sommer ist die Ionisierung weniger ausgeprägt als im Winter und das Tagesmaximum der Schicht bewegt sich in Richtung Sonnenuntergang. Bei Wellen von 10 Metern im Sommer ist die Ruhezone daher größer und eine Kommunikation auf diesen Wellen kann oft unmöglich sein. Durch die Vergrößerung der Ruhezone im Sommer bei Wellen von 20 und 40 Metern sind verbesserte Bedingungen für die Fernkommunikation zu erwarten, bei Entfernungen von vielen tausend Kilometern wird das Bild jedoch durch das Verhältnis von beleuchtet und abgedunkelt verkompliziert Orte auf dem Globus. Bei der Übertragung über den Äquator können an einem Ende der Verbindung Sommerbedingungen und am anderen Ende Winterbedingungen vorherrschen. Die besten Bedingungen für die Fernkommunikation herrschen im Frühjahr und Frühherbst. In den Frühlings- und Sommermonaten kommt es deutlich häufiger zu anomalen Reflexionen aus der E-Schicht. Diese Reflexionen können innerhalb weniger Stunden gute Bedingungen für Fernkommunikation auf 5 und 10 Metern bieten. Der Übergang von Winter- zu Sommerbedingungen und umgekehrt erfolgt nicht reibungslos. Die Frühlings- und Herbstmonate sind durch einen instabilen Zustand der Ionosphäre gekennzeichnet. Dies macht sich vor allem bei Amateuren bemerkbar, die regelmäßig im 10-Meter-Band arbeiten. KRITISCHE FREQUENZEN Die kritische Frequenz ist die höchste Frequenz, die von einer bestimmten Schicht noch reflektiert wird, wenn das Signal im rechten Winkel auf die Schicht trifft. Wird ein Signal bei rechtwinkligem Einfall reflektiert, wird es auch in allen anderen Winkeln reflektiert, sodass es bei allen Frequenzen unterhalb der kritischen Frequenz keine Ruhezone gibt. Kritische Frequenzen geben den Grad der Ionisierung von Schichten an und können zur Vorhersage des „Radiowetters“, zur Auswahl der günstigsten Wellen für die Kommunikation, zur Berechnung der Länge der Ruhezone usw. verwendet werden. Messungen kritischer Frequenzen werden an Ionosphärenstationen durchgeführt. In der Sowjetunion gibt es mehrere solcher Stationen, eine davon in der Tichaja-Bucht im Franz-Josef-Land ist die nördlichste Ionosphärenstation der Welt. In den letzten drei bis vier Jahren gab es viel mehr Fernkommunikation auf den 3- und 4-Meter-Bändern als zuvor. Dies ist zum einen auf einen starken Anstieg der Zahl der in diesen Bändern tätigen Funkamateure und zum anderen auf den Effekt des 10-Jahres-Zyklus der Sonnenfleckenaktivität zurückzuführen. Die Ionisierung der Atmosphäre hängt eng mit der Anzahl der Sonnenflecken zusammen; Je mehr Flecken im Laufe des Jahres beobachtet werden, desto höher ist der Ionisierungsgrad. Sonnenflecken sind seit langem ein Objekt der Beobachtung durch Astronomen, und seit 5 werden regelmäßig Aufzeichnungen über ihre Anzahl geführt. Diese Aufzeichnungen zeigen, dass die Anzahl der Sonnenflecken normalerweise alle 11 Jahre ein Maximum erreicht. Das letzte Maximum war in den Jahren 1750 und 11. Durchschnittliche Ionisierung Der Pegel stieg in den letzten fünf Jahren von Jahr zu Jahr an, wodurch immer höhere Frequenzen reflektiert werden konnten. Die Bedingungen für die Kommunikation auf Wellen von 1939 und 1940 Metern waren im Winter 10/5 bereits etwas schlechter als zuvor 1940/41. Anschließend wird die Anzahl der für die Kommunikation auf diesen Bändern verfügbaren Stunden jedes Jahr abnehmen, und die Aktivität auf diesen Bändern wird 1939 oder 40 ein Minimum erreichen. Zu diesem Zeitpunkt werden die Kommunikationsbedingungen auf dem 1944-Meter-Band ähnlich sein die im letzten Jahr auf 1945 Metern beobachteten, und die 20-Meter-Reichweite wird wieder für die Fernkommunikation geeignet sein. LANGE KOMMUNIKATION AUF UKW Die Frequenz ultrakurzer Wellen ist zu hoch, um von der F2-Schicht reflektiert zu werden. Wenn solche Reflexionen beobachtet werden, treten sie während Perioden sehr hoher Ionisierung auf, beispielsweise beim Sonnenfleckenmaximum, und treten bei der Übertragung über große Entfernungen auf, wenn Signale in einem sehr stumpfen Winkel in die Schicht eintreten. Zahlreiche 5-Band-Kopplungen, die in den vergangenen Jahren in den Sommermonaten in den USA beobachtet wurden, werden auf eine anomale Ionisierung der E-Schicht zurückgeführt. Die meisten dieser Verbindungen fanden abends statt. Ionosphärenmessungen zeigen, dass sich im Sommer häufig morgens vor Sonnenaufgang und abends eine anomale E-Schicht bildet, deren Fläche manchmal nur wenige Quadratkilometer beträgt. Dadurch ist die UKW-Kommunikation nur zwischen einer sehr begrenzten Anzahl von Punkten möglich. Wenn es jedoch viele solcher Standorte gleichzeitig in verschiedenen Gebieten gibt, können die UKW-Kommunikationsbedingungen recht gut sein. Autor: B. Chitrov
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