Dank der ionosphärischen Ausbreitung von Radiowellen können Funkamateure auf die Ausbreitung von HF-Radiosignalen in der Ionosphäre vertrauen, um mit anderen Funkern weit über den Horizont hinaus zu kommunizieren.
Die ionisierten Schichten der Ionosphäre ermöglichen die Ausbreitung von HF-Radiowellen weit über Sichtweite hinaus. Diese Schichten kann man sich wie unsere „Sieben-Meilen-Stiefel“ vorstellen, die unseren HF-Funksignalen durch Sprünge und Reflexionen die Fähigkeit verleihen, große Entfernungen zurückzulegen!
Wir erklären gleich, warum die „F“-Schicht die nützlichste ionisierte Schicht für DX (Fernverbindungen) ist. Das Beste daran ist, dass Sonnenfleckenzyklen die Funkwellen-Ausbreitung verbessern, weil sie unsere Ionosphäre revitalisieren. Die gute Nachricht: Der 25. Sonnenzyklus hat begonnen! Funkamateure weltweit freuen sich auf die steigende Aktivität.
This 11 year sunspot cycle graph illustrates the highs and lows of ionospheric propagation of radio waves.
Ionosphärische Ausbreitung von Radiowellen in Aktion
Die vereinfachte Zeichnung oben zeigt, wie die Radiowelle „C“ von der ionisierten „F“-Schicht zurück zur Erdoberfläche gebrochen wird, dort in großer Entfernung von ihrem Ursprung reflektiert und als „C1“ wieder nach oben zur „F“-Schicht gelangt. Die Schicht wird erneut durchbrochen, und die Welle wird als „C2“ wieder zur Erde reflektiert – und so weiter.
Die Funksignale „A“ und „B“, die mit zu steilem Winkel auf die ionisierte „F“-Schicht treffen, durchdringen diese einfach und gehen im Weltall verloren.
Die HF-Signale verlieren nach jeder Brechung durch die „F“-Schicht und jeder Reflexion an der Erdoberfläche allmählich Energie, bis sie nicht mehr nachweisbar sind. Doch bis dahin haben sie bereits Tausende von Kilometern zurückgelegt und wurden von unzähligen Funkamateuren und Kurzwellenhörern empfangen!
Das ist die Magie der Ausbreitung von HF-Funksignalen in der Ionosphäre.
Sonnenfleckenzyklus 25
Scott W. McIntosh, stellvertretender Direktor des National Center for Atmospheric Research in Boulder, und Kollegen kommen in einem kürzlich am 13. Oktober 2020 veröffentlichten Forschungsbericht zu dem Schluss, dass der „Sonnenfleckenzyklus 25 einer der stärksten jemals beobachteten Sonnenfleckenzyklen sein könnte“.
Die Ionisierung der oberen Schichten der Erdatmosphäre erfolgt, wenn ultraviolette Strahlung der Sonne auf die dort dünn verteilten Wasserstoff- und Heliummoleküle trifft. Diese Kollisionen lösen Elektronen von den Gas-Molekülen ab.
Dabei entstehen positive Wasserstoff- und Helium-Ionen, und negativ geladene freie Elektronen werden vom Atomkern getrennt. Diese sammeln sich als ionisierte Schichten über der Erde.
Ionisierte Schichten bilden sich jedoch nur, wenn die Sonne „aktiv“ ist – das ist sie etwa 9 bis 10 Jahre während eines circa elfjährigen Zyklus. Dieser wird allgemein als 11-jähriger Sonnenfleckenzyklus bezeichnet.
Den Verlauf der letzten Sonnenfleckenzyklen kannst du in der zuvor gezeigten Grafik sehen. Weitere Informationen zum 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus findest du hier.
Eine schematische Darstellung der Ionosphärenschichten, die für die ionosphärische Ausbreitung von Radiowellen verantwortlich sind.
Die ionisierten Schichten und ihre jeweilige Rolle bei der Ausbreitung von HF-Radiowellen
Ionisierte Schicht „D“
Tagsüber behindert die ionisierte D-Schicht größtenteils die ionosphärische Ausbreitung von Radiowellen. Sie ist die der Erdoberfläche am nächsten gelegene ionisierte Schicht und befindet sich in einer Höhe von etwa 60 bis 100 km.
Unter dem Einfluss intensiver UV-Strahlung der Sonne bildet sich diese Schicht tagsüber und wirkt als Barriere, die verhindert, dass Funksignale in den 40-Meter-, 80-Meter- und 160-Meter-Bändern weite Strecken zurücklegen und inmitten des atmosphärischen Rauschens gehört werden können.
Frequenzen ab 10 MHz hingegen durchdringen die D-Schicht und erreichen die darüber liegenden ionisierten Schichten, wodurch sie über den Horizont hinaus gelangen können.
Bei Sonnenuntergang löst sich die D-Schicht auf. Dann können auch Signale im 160-Meter- bis 40-Meter-Bereich ungehindert die F-Schicht erreichen und wie höherfrequente Signale Fernverbindungen (DX) zu entfernten Radiostationen ermöglichen.
Ionisierte Schicht „Ε“
Die „E“-Schicht liegt in einer Höhe zwischen 90 km und 150 km (56–93 Meilen) über der Erde, wobei der nützlichste Bereich sich zwischen 95 km und 120 km (59–75 Meilen) befindet.
Theoretisch könnte die E-Schicht tagsüber Signale im Bereich von 5 bis 20 MHz brechen und deren Ausbreitung unterstützen.
In der Praxis jedoch absorbiert die darunterliegende D-Schicht einen Großteil der Energie dieser Signale. Nur Signale im Bereich von 7 bis 14 MHz, die nahezu senkrecht ausgesendet werden, können die D-Schicht mit ausreichend verbleibender Energie durchdringen, um die E-Schicht zu erreichen und dort gebrochen zu werden. Solche Signale können unter günstigen Bedingungen Entfernungen von bis zu 1200 km (750 Meilen) überbrücken.
Genau hier kommen NVIS-Antennen (Near Vertical Incidence Skywave) ins Spiel.
Diese Antennen sind so konzipiert, dass sie Funkwellen nahezu senkrecht in den Himmel abstrahlen. Dadurch können die Signale die D-Schicht durchdringen, in der E- oder F-Schicht gebrochen werden und dann senkrecht zurück zur Erde fallen – ideal für kurze bis mittlere Entfernungen (bis ca. 400–600 km), besonders in gebirgigen oder bewaldeten Regionen ohne Sichtverbindung.
NVIS ist besonders nützlich für:
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Katastrophenschutz und Notfunk
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Militärische Kommunikation
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Kommunikation in schwer zugänglichen Regionen
Mit anderen Worten: Wenn die „Fernverbindung“ (DX) nicht funktioniert, sorgt NVIS zuverlässig für regionale Funkabdeckung.
Die Zeiten kurz vor Sonnenaufgang und direkt nach Sonnenuntergang sind am besten geeignet, um die „E“-Schicht für die Funkausbreitung zu nutzen.
In der Nacht verschwindet die E-Schicht fast vollständig, da sie ohne Sonneneinstrahlung nicht mehr ausreichend ionisiert wird.
Trotzdem bleibt sie in gewissem Maße nützlich für die Ausbreitung von Signalen im 160-Meter-Band, insbesondere bei stabilen atmosphärischen Bedingungen.
Die „Sporadische E“-Schicht
Die „Sporadic E“-Schicht (auch Es-Schicht genannt) ist ein ungewöhnliches, aber faszinierendes Phänomen innerhalb der E-Schicht der Ionosphäre. Sie tritt unregelmäßig und meist in den Sommermonaten auf und ist gekennzeichnet durch stark ionisierte, dichte Wolken aus ionisierten Partikeln, die Frequenzen im Bereich von 25 bis 150 MHz reflektieren können – also auch UKW-Signale, die normalerweise nicht für Fernverbindungen geeignet sind.
Funkverbindungen über die sporadische E-Schicht können über mehrere Hundert bis über 2000 Kilometer hinweg erfolgen. Sie ist besonders bekannt für plötzliche, überraschende Öffnungen auf den VHF-Bändern (wie 6 m oder 2 m), die oft nur kurz andauern – von wenigen Minuten bis zu mehreren Stunden.
Merkmale der sporadischen E-Schicht:
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Meist zwischen 90 und 130 km Höhe
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Tritt häufig im Frühsommer auf (Mai bis August)
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Beeinflusst Flugfunk, Amateurfunk, Seefunk und Broadcast-Signale
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Unvorhersehbar – aber mithilfe von Beobachtungen und Erfahrung nutzbar
Funkamateure halten während dieser Zeiten gerne Ausschau nach unerwarteten DX-Verbindungen auf VHF, da solche Gelegenheiten selten, aber spektakulär sind.
Manchmal bilden sich plötzlich dichte ionisierte Wolken in der E-Schicht, die ebenso plötzlich wieder verschwinden – meist nach Minuten, selten nach einigen Stunden.
Diese sporadische E-Ausbreitung (Es) ist besonders nützlich auf Frequenzen über 28 MHz, also im VHF-Bereich. Unterhalb dieser Frequenzen ist ihr Nutzen seltener.
Auf einer anderen Seite dieser Website erklären wir genauer, wie sporadische E-Schichten die Reichweite von VHF-Signalen über den Horizont hinaus verlängern können.
Sowohl die reguläre E-Schicht als auch die sporadische Es-Schicht tragen entscheidend zur Aktivität im 50-MHz-Band bei und ermöglichen Funkverbindungen über weite Entfernungen, die sonst auf UKW nicht möglich wären.
Ionisierte Schicht „F1“
Die F1-Schicht befindet sich tagsüber über der E-Schicht in einer Höhe von etwa 150 bis 220 Kilometern über der Erdoberfläche. Sie bildet zusammen mit der darüberliegenden F2-Schicht die sogenannte F-Schicht der Ionosphäre.
Während der Tagesstunden ist die F-Schicht in F1 und F2 unterteilt, wobei die F1-Schicht eine mäßige Ionisierung aufweist und in erster Linie niedrigere HF-Frequenzen (etwa 10–15 MHz) reflektieren kann.
Besondere Merkmale der F1-Schicht:
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Aktiv nur tagsüber – in der Nacht verschmilzt sie mit der F2-Schicht oder verschwindet ganz
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Refraktion (Brechung) schwächer als bei der F2-Schicht
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Unterstützt regionale bis mittlere Distanzen (bis zu einigen tausend Kilometern)
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Besonders nützlich bei mittleren Sonnenaktivitätsphasen
Die F1-Schicht ist zwar nicht so leistungsstark wie die F2-Schicht, spielt aber eine wichtige unterstützende Rolle in der Tagesausbreitung von HF-Signalen – insbesondere bei ruhiger Sonnenaktivität oder geringerer Frequenznutzung.
Während der Tagesstunden im Sommer kann die F1-Schicht gelegentlich zur Ausbreitung von HF-Funksignalen im 30-Meter- und 20-Meter-Band beitragen.
Ihre Bedeutung für die HF-Ausbreitung insgesamt ist jedoch eher gering.
Im Vergleich zur darüberliegenden F2-Schicht, die für weltweite DX-Verbindungen entscheidend ist, spielt die F1-Schicht nur eine untergeordnete Rolle und wirkt sich meist nur auf mittelgroße Entfernungen aus.
Ionized Layer 'F2'
Während der Tagesstunden im Sommer kann die F1-Schicht gelegentlich zur Ausbreitung von HF-Funksignalen im 30-Meter- und 20-Meter-Band beitragen.
Ihre Bedeutung für die HF-Ausbreitung insgesamt ist jedoch eher gering.
Im Vergleich zur darüberliegenden F2-Schicht, die für weltweite DX-Verbindungen entscheidend ist, spielt die F1-Schicht nur eine untergeordnete Rolle und wirkt sich meist nur auf mittelgroße Entfernungen aus.
Die F2-Schicht bildet sich tagsüber in einer Höhe von etwa 200 km bis 400 km (125–250 Meilen) über der Erdoberfläche.
Im Sommer befindet sich die F2-Schicht in einer höheren Lage als im Winter.
Die F2-Schicht spielt eine entscheidende Rolle bei der ionosphärischen Ausbreitung von Radiowellen im HF-Bereich.
Die F2-Schicht ist normalerweise das ganze Jahr über vorhanden.
Nachts verschmelzen die F1- und F2-Schichten zu einer einzigen F-Schicht, die etwas niedriger liegt als die tagsüber vorhandene F2-Schicht.
Die ionisierte F2-Schicht ist während des Großteils eines Sonnenzyklus vorhanden.
Allerdings kann die F2-Schicht während eines tiefen Sonnenzyklus-Minimums manchmal für mehrere Tage komplett verschwinden!
Am Höhepunkt eines Sonnenfleckenzyklus erreicht die F2-Schicht ihre höchste Ionisationsdichte. Dann kann sie Funkwellen im Frequenzbereich von 7 MHz bis 30 MHz zur Erde zurückreflektieren und diese Signale über Entfernungen von bis zu 4000 km tragen.
Die Signale können von der Erde abprallen, erneut zur F2-Schicht steigen und diesen Vorgang mehrfach durchlaufen – manchmal sogar so weit, dass sie einmal um die Erde reisen und von der Rückseite ihres Ausgangspunkts wieder empfangen werden!
Während der etwa neun besten Jahre eines Sonnenzyklus können selbst QRP-Operatoren (mit nur 5 Watt Sendeleistung oder weniger) und einfachen Dipolantennen genauso oft und weit entfernte DX-Verbindungen herstellen wie QRO-Operatoren, die 200 bis 300 Mal mehr Leistung mit komplexen Richtantennen einsetzen!
In diesen großartigen Zeiten hat jeder Funkamateur unter der Sonne gleiche Chancen auf erfolgreiche DX-Kontakte.
Die ionosphärische Ausbreitung von Radiowellen ist ein komplexes Thema.
Die Informationen, die ich Ihnen in diesem Artikel präsentiert habe, sind nur eine sehr kurze Zusammenfassung dessen, was man über die ionosphärische Ausbreitung von HF-Funksignalen sagen könnte. Wir haben dabei nur an der Oberfläche gekratzt!
Zahlreiche wissenschaftliche Veröffentlichungen haben seit der Entdeckung der Ionosphäre und später ihrer Bedeutung für die Ausbreitung von HF-Signalen viele Aspekte dieses Themas behandelt.
Die Forschung wird fortgesetzt, wobei sowohl Wissenschaftler als auch Funkamateure aktiv beteiligt sind.
Für weitere Informationen über das Verhalten unserer Sonne besuchen Sie bitte das Solar and Heliospheric Observatory (SOHO).