HIT - Referat Wellenausbreitung

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1 Christian Steinbrecher 5HNA Seite 1/1

2 1 AUFBAU DER ERDATMOSPHÄRE Die Troposphäre Die Stratosphäre Die Ionosphäre Allgemein Die Schichten der Ionosphäre Die D-Schicht Die E-Schicht (sporadische E-Schicht oder E S -Schicht) Die F-Schicht BODENWELLE UND RAUMWELLE Die Ausbreitung der Bodenwelle Die Ausbreitung der Raumwelle Allgemein Schematische Darstellungen der Zusammenhänge Frequenz/Ausbreitungsverhältnisse und Tageszeit/Ausbreitungsverhältnisse Kritische Frequenz und MUF Die Dämpfung der Raumwelle SCHWUNDERSCHEINUNGEN (ENGL.: FADING) Ursachen für Schwund Nah- und Fernschwund Schwundminderung DIE SONNENTÄTIGKEIT Allgemein Die solare Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen Der Sonnenwind Die Sonnenflecken ANHANG A: TABELLE - DIE EINTEILUNG DER RADIOWELLEN QUELLENANGABE Christian Steinbrecher 5HNA Seite 2/2

3 1 Aufbau der Erdatmosphäre Eine bedeutende Rolle bei der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen spielt die Erdatmosphäre. Diese Gashülle der Erde reicht bis in eine Höhe von 2000km bis 3000km und besteht hauptsächlich aus Stickstoff, Sauerstoff und Wasserdampf. Die Unterteilung der Atmosphäre erfolgt in drei Hauptregionen: Troposphäre, Stratosphäre und Ionosphäre. 1.1 Die Troposphäre Die Troposphäre erstreckt sich vom Erdboden bis zu einer Höhe von ca. 11km. Man nennt sie auch Wettersphäre, da sich in ihr in erster Linie die wetterbestimmenden meteorologischen Vorgänge abspielen. Christian Steinbrecher 5HNA Seite 3/3

4 Die Temperatur der Troposphäre fällt im allgemeinen mit zunehmender Höhe, und zwar um 6K bis 8K je 1000m. Sie erreicht an ihrer Obergrenze, in der sogenannten Tropopause, ein Minimum von durchschnittlich 50 C. Die Höhe der Tropopause ist Schwankungen unterworfen. Sie liegt in unseren Breiten im März mit durchschnittlich 9,7km am tiefsten, im Juli mit 11,1km am höchsten. Der Zustand der Troposphäre ist für die Ausbreitung der Meterwellen (UKW 30 bis 300MHz 10 bis 1m) von besonderer Bedeutung. 1.2 Die Stratosphäre In einer Höhe von 11 bis 80km erstreckt sich die Stratosphäre. Sie ist ein Bereich ohne gewöhnliche Wettererscheinungen und wird durch das völlige Fehlen von Wasserdampf gekennzeichnet. In ihr bleibt die Lufttemperatur bis in eine Höhe von etwa 20km nahezu konstant (konstante Temperaturzone). Oberhalb 20km Höhe steigt die Temperatur stetig an und erreicht in 50km Höhe annähernd +50 C. Dieser Bereich des Temperaturanstieges wird auch Ozongebiet genannt, da die Luft dort einen relativ hohen Ozongehalt aufweist. Die Ozonschicht ist für den Bestand auf der Erde von Bedeutung, denn sie absorbiert einen großen Teil der von der Sonne ausgehenden UV-Strahlung, die bakterien- und zellschädigend wirkt. Oberhalb 50km nimmt die Temperatur mit steigender Höhe wieder ab, um schließlich bei 80km Höhe am Übergang zur Ionosphäre - erneut anzusteigen. Christian Steinbrecher 5HNA Seite 4/4

5 1.3 Die Ionosphäre Allgemein Oberhalb einer Höhe von etwa 80km erstreckt sich die Ionosphäre. Sie reicht bis in eine Höhe von annähernd 800km und geht dabei allmählich in den interstellaren Raum über. Das Übergangsgebiet zum interstellaren Raum nennt man Exosphäre. In der Ionosphäre sind eine große Zahl elektrisch geladener Teilchen Ionen und Elektronen vorhanden. Sie entstehen als Folge der Aufspaltung (Ionisation) neutraler Luftmoleküle. Die Ionisation wird in erster Linie durch die Ultraviolett- und Röngtenstrahlung der Sonne verursacht. Auch die kosmische Strahlung und Meteorströme, die pausenlos in der Erdatmosphäre verglühen (ca. 10 Milliarden Meteorteilchen in 24Stunden), sind an der Ionisation beteiligt. Die Strahlung in der Hochatmosphäre ist energiereicher und kann ein Elektron aus dem Atomverband der vorhandenen Gase herauslösen. Der eines Elektrons beraubte Atomkern bildet mit seinen übrigen Elektronen ein positiv geladenes Ion. Das freie Elektron gelangt entweder an ein neutrales Atom oder Molekül und bildet mit diesem ein negatives Ion, oder es vereinigt sich mit einem positiven Ion, wobei wieder ein neutrales Atom entsteht. Dieser Vorgang der Rückbildung nennt man Rekombination. Die Anzahl der freien Elektronen je Volumeneinheit ist von der Intensität der Einstrahlung abhängig. Durch die Anwesenheit elektrisch geladener Teilchen, der Ionen, wird die hohe Atmosphäre zu einem elektrischen Leiter, der elektromagnetische Wellen bestimmter Frequenz reflektiert. Genau betrachtet ist es kein echter Reflektionsvorgang, denn die Wellen werden in der Ionosphäre nicht abrupt, sondern allmählich, entsprechend der sich stetig verändernden Ionisierung und damit verbundenen Änderungen der Dielektrizitätskonstante, umgelenkt. Man muß deshalb genauer von Refraktion sprechen. Christian Steinbrecher 5HNA Seite 5/5

6 1.3.2 Die Schichten der Ionosphäre Die D-Schicht Bei einer Höhe von etwa 70 km bis 90km bildet sich am Tag die sogenannte D-Schicht aus. Sie liegt in einem relativ dichten Abschnitt der Atmosphäre. Die Elektronendichte in der D-Schicht ist sehr gering, deshalb sind an ihr nur Reflexionen sehr langer Wellen möglich (LW 30 bis 300kHz 10 bis 1km). Die Kurzwellen durchdringen die D-Schicht, wobei sie teilweise stark gedämpft werden und im Extremfall sogar völlig absorbiert werden. Die Absorption ist frequenzabhängig und nimmt mit zunehmender Frequenz quadratisch ab. Deshalb ist die D-Schicht im Normalfall für die Raumwellenausbreitung der 10-, 15- und 20m- Wellen kaum ein Hindernis; für die 40m- Welle ist die Dämpfung beträchtlich, und am stärksten werden die 80- und 160m- Wellen beeinträchtigt. Da sich die D-Schicht nur unter Sonneneinstrahlung aufbauen kann und der Vorgang der Rekombination sehr schnell verläuft, löst sie sich bei Sonnenuntergang beinahe schlagartig in wenigen Minuten auf. Die relativ geringe Tagesreichweiten bei Kurzwelle (80m-, 40m- Band) sind auf die D-Schicht-Dämpfung zurückzuführen. Zur Fernausbreitung der Kurzwellen über Reflexion kann die D-Schicht nichts beitragen, sie ist ausschließlich als eine dämpfende Schicht zu betrachten, die die Raumwellenausbreitung behindert. Christian Steinbrecher 5HNA Seite 6/6

7 Die E-Schicht (sporadische E-Schicht oder E S -Schicht) Bei der E-Schicht liegt das Maximum der Elektronenkonzentration in etwa 110km bis 130km Höhe. Sie bildet sich über der Tagseite der Erde aus; kurz nach Sonnenaufgang steigt die Ionisation schnell an, erreicht um die Mittagszeit ein Maximum und fällt dann langsam wieder ab bis zum Sonnenuntergang. Nach Sonnenuntergang führt die starke Rekombination dazu, daß sich die E-Schicht schon nach einer Stunde fast völlig aufgelöst hat. Die sporadische E-Schicht (E S -Schicht) ist eine häufige, aber keineswegs regelmäßig auftretende Erscheinung in der Ionosphäre. Ihre Struktur ist nicht schichtförmig zusammenhängend, sondern mehr wolkenartig. Die E S -Schicht ist als Ionosphärenstörung aufzufassen. Bei außergewöhnlich starker Ionisation, die allerdings selten ist, können auch 2m-Wellen (VHF 30 bis 300MHz 10 bis 1m) reflektiert werden. Die häufiger auftretenden Überreichweiten im VHF-Fernsehbereich sind teilweise eine Folge von E S -Reflexionen Die F-Schicht Über der E-Schicht befindet sich die F-Schicht die sich im Sommer während der Tagesstunden in die Schichten F 1 und F 2 aufspaltet. Geeignete Ionisation besteht bei der F 1 -Schicht in etwa 200km Höhe und bei der F 2 -Schicht in einer Höhe von etwa 200km bis 400km. Die Ionisation steigt von Schicht zu Schicht an und erreicht in der F 2 -Schicht bei etwa 400km ein Maximum. Oberhalb dieser Schicht wird die Ionisation immer geringer und verschwindet schließlich ganz. Das Entstehen der F 2 -Schicht kann nur sehr unvollkommen erklärt werden. Sie bildet ein breites Maximum der Elektronendichte mit rund 1 Million freier Elektronen pro cm³ und ist von allen Schichten am stärksten ionisiert. Über Reflexionen an der F 2 -Schicht kommen die meisten KW-Verbindungen zustande. Auf Grund der trägen Rekombination ist diese Schicht auch über die Nachtstunden in mehr oder weniger abgeschwächter Form vorhanden. Kurz vor Sonnenaufgang besteht ein Minimum der Elektronendichte nach Sonnenaufgang steigt die Ionisation an und erreicht innerhalb von 1 bis 2 Stunden durchschnittlichen Tagespegel. Im Sommer liegt die F 2 -Schicht tagsüber bei etwa 400km Höhe im Winter und während der Nachtstunden sinkt sie auf 250km bis 300km Höhe ab. Die F 1 -Schicht bildet sich nur tagsüber in einer Höhe von etwa 200km bis 280km aus (im Sommer häufiger als im Winter). Von der Untergrenze der F 2 -Schicht ist sie durch ein etwa 50km breites Gebiet geringer Elektronenkonzentration getrennt. Diese Schicht enthält maximal freie Elektronen pro cm³. Die F 1 -Schicht ist für die KW-Ausbreitung unerwünscht, da sie die Ausbreitung über die F 2 -Schicht durch Absorption behindert. Die F 1 -Schicht kann nur im Zusammenhang mit der F 2 -Schicht entstehen beide Schichten gehören deshalb zusammen und bilden einen Komplex, die F-Schicht. Christian Steinbrecher 5HNA Seite 7/7

8 2 Bodenwelle und Raumwelle Wenn Sender und Empfänger auf der Erde stehen, können sich Funkwellen auf verschiedenen Wegen ausbreiten: - in der Troposphäre entlang der Erdoberfläche als Oberflächen- oder Bodenwelle - über Reflexionen in der Ionosphäre als Raumwelle 2.1 Die Ausbreitung der Bodenwelle Die Bodenwelle folgt der Erdkrümmung und ist dabei dem absorbierenden Einfluß des Erdbodens, über den sie läuft, ausgesetzt. Die Absorption vergrößert sich mit steigender Frequenz. Ähnlich wie sich der hochfrequente Wechselstrom in metallischen Leitern auf Grund des Skineffektes um so mehr auf die äußersten Oberflächenschichten des Leiters konzentriert, je höher die Frequenz ist, so dringen auch die hochfrequenten Wechselfelder einer Strahlung um so weniger tief in die Erde ein, je höher die Frequenz ist. Die größte Eindringtiefe haben deshalb die langen Wellen (Eindringtiefe in der Größenordnung von ein paar Metern). Sehr niedrige Frequenzen (z.b. Längstwellen 3 bis 30kHz 100 bis 10km) haben eben deshalb z.b. eine große Bodenwellenreichweite. Die Oberflächenwelle wird von der elektrischen Leitfähigkeit des Erdbodens und von der Struktur der Erdoberfläche (Bebauung, Bewuchs, etc.) beeinflußt, ihre Reichweite hängt von der Strahlungsleistung ab. Bei Kurzwellen ist die Reichweite der Bodenwellenstrahlung gering. Im 80m-Band kann man mit einer Bodenwellenreichweite von etwa 100km rechnen bei gleicher Sendeleistung fällt sie im 10m-Band dagegen ab auf ca. 15km. Wenn besonderer Wert auf die Bodenwellenreichweite gelegt wird, müssen die Antennen vertikal polarisiert werden. Größere Entfernungen können im VHF-Bereich durch Beugung, Brechung und Streuung in der Troposphäre überbrückt werden. Christian Steinbrecher 5HNA Seite 8/8

9 2.2 Die Ausbreitung der Raumwelle Allgemein Die Überbrückung größter irdischer Distanzen wird im KW-Bereich durch die Raumwelle ermöglicht. Dabei werden die Wellen an der Ionosphäre reflektiert (besser gesagt gebeugt). Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Wellenfront in der Ionosphäre (Phasengeschw.) v i ist etwas größer als die in der Troposphäre und hängt von der Elektronendichte N [ e - /cm³] und m / s der Frequenz f ab. Aus der Beziehung vi = geht hervor, daß eine N 1 ki f ² Vergrößerung der Elektronendichte N bei gegebener Frequenz die Phasengeschwindigkeit erhöht. Tritt nun die Wellenfront schräg in die Ionosphäre ein, dann überholen die höherliegenden, schnelleren Teile der Front die darunterliegenden. Als Folge dieser unterschiedlichen Phasengeschwindigkeit wird die Wellenfront abgelenkt und kann bei ausreichend starker Elektronendichte N zur Erde hin reflektiert werden. Strenggenommen handelt es sich hierbei nicht um eine reine Reflexion allein, sondern zusätzlich noch um eine allmähliche Brechung in einem Medium mit stetig veränderlichem Brechungsindex. Nun ist bekannt, daß ein gewöhnlicher Lichtstrahl in einem optisch dichteren Stoff an der Grenze zu einem optisch dünneren Stoff bei bestimmter Einfallsrichtung, das heißt bei einem bestimmten Grenzwinkel, nicht mehr in das dünnere Medium eintreten kann, sondern eine Totalreflexion erfährt. Das gleiche gilt auch für die elektromagnetischen Wellen. Auch sie erfahren, wenn sie in die Ionosphäre eindringen, eine allmähliche Bahnkrümmung und, wenn dabei der Eintrittswinkel immer flacher wird, bei einem bestimmten Grenzwinkel eine Totalreflexion. Die Stelle, an der die Totalreflexion innerhalb der Ionisationsschicht stattfindet, hängt von der Frequenz der Welle, dem Ionisationsgrad der Atmosphäre und der Richtung des Strahles ab. Dieses Bild zeigt die Wege, die die einzelnen von der Antenne abgestrahlten Strahlenbündel in der Ionosphäre zurücklegen. Die unter einem flachen Winkel abgestrahlte Raumwelle 1 dringt nur eben in die Ionisationsschicht ein und wird so reflektiert, daß sie erst in sehr großer Christian Steinbrecher 5HNA Seite 9/9

10 Entfernung wieder auf den Erdboden trifft. Mit zunehmender Steilheit der Abstrahlung rücken die Punkte, an denen die Strahlen wieder zur Erde zurückkehren, zunächst auf den Sender zu (2,3,4 und 5). Die Entfernung zwischen dem Auftreffpunkt der Welle 5 und dem Sender wird Sprungentfernung genannt. Alle Strahlen, die noch steiler nach oben gerichtet sind (6,7 und 8), dringen tief in die Ionosphäre ein. Sie legen dort einen verhältnismäßig langen Weg zurück, ehe sie wieder zur Erde zurückgebrochen werden. Die Strahlen 6 bis 8 bilden die sogenannte Fernstahlung, im Gegensatz zur Nahstrahlung der in Strahlen 1 bis 5. Wegen der längeren Verweildauer in den oberen Schichtgebieten wird die Fernstrahlung stärker als die Nahstrahlung gedämpft. Strahl 8 bildet eine sogenannte Gleitwelle. Er gleitet eine lange Strecke an der Schicht maximaler Ionisation entlang, ehe er durch eine Inhomogenität wieder zur Erde zurückgebrochen wird. Sehr steile Strahlenbündel (9,10) erfahren in der Ionosphäre nur eine kleine Ablenkung. Da sie bis zum Punkt der maximalen Ionisation nicht den Grenzwinkel der totalen Reflexion erreicht haben, werden sie nicht wieder zur Erde zurückgeworfen, sondern entweichen in den freien Raum. Sie können höchstens noch an einer höhergelegenen Schicht umgelenkt werden. Der Strahl, der erstmalig die Schicht nach oben hin durchdringt (z.b. 9) heißt Grenzstrahl und sein Abstrahlwinkel Grenzwinkel. Es zeigt sich, daß die Strahlen umso steiler aufsteigen dürfen, je tiefer die Frequenz ist. Der von der Ionisationsschicht zurückgeworfene Strahl kann an der Erde noch einmal reflektiert werden und wieder in der Raum abwandern. Derartige Mehrfach- oder Zickzackreflexionen werden zur Überbrückung sehr großer Entfernungen ausgenutzt. Außer von der Einfallsrichtung hängt der Weg in der Ionosphäre noch stark von der Frequenz ab. Mit wachsender Frequenz benötigt der Strahl immer größere Ionendichten, um abgelenkt zu werden. Je kleiner die Wellenlänge ist, umso tiefer dringt ein Strahl bei sonst gleichem Abstrahlwinkel in die Ionosphäre ein. So kommt es, daß die kurzen Wellen vielfach nicht an der unteren E-Schicht, sondern erst an den F-Schichten reflektiert werden, dies vorallem nachts und im Winter, wenn der Ionisationsgrad der E-Schicht gering ist. Die Mittel- und Langwellen werden an der E-Schicht reflektiert. Ganz kurze Wellen werden überhaupt nicht mehr zurückgeworfen. Für sie ist auch die Ionisation der F 2 -Schicht noch zu gering. Sie entweichen nach gewisser Ablenkung in den freien Weltraum. Christian Steinbrecher 5HNA Seite 10/10

11 2.2.2 Schematische Darstellungen der Zusammenhänge Frequenz/Ausbreitungsverhältnisse und Tageszeit/Ausbreitungsverhältnisse Christian Steinbrecher 5HNA Seite 11/11

12 Schematische Darstellung der im Laufe eines Tages zur Überbrückung verschiedener Entfernungen günstigen Frequenzbereiche Kritische Frequenz und MUF Kritische Frequenz f c nennt man die höchste Frequenz, bei der die senkrecht in die Ionosphäre eintretende Strahlung von der gegebenen Schicht noch reflektiert wird. Mit Hilfe von Echolotuntersuchungen ermittelt man f c, wobei sich aus der Laufzeit des Meßsignals gleichzeitig die Höhe der reflektierenden Schicht errechnen läßt. Das Ergebnis ist die virtuelle Höhe (scheinbare Höhe). Tatsächlich liegt die Unterkante der Reflexionsschicht etwas tiefer als die virtuelle Höhe, weil bei der Laufzeitmessung die unterschiedlichen Fortpflanzungsgeschwindigkeiten der elektromagnetischen Welle innerhalb der ionisierten Schicht nicht berücksichtigt ist. Die kritische Frequenz gilt für einen Abstrahlwinkel von 90, dabei wird der Strahl wieder zu seinem Ausgangsort zurückgeworfen. Erst wenn dieser Winkel kleiner wird, gibt es eine Sprungdistanz bzw. tote Zone, und gleichzeitig erhöht sich in Abhängigkeit vom Winkel die Frequenz, die noch reflektiert wird. Man nennt sie obere Grenzfrequenz oder MUF (maximal usable frequency) Christian Steinbrecher 5HNA Seite 12/12

13 2.2.4 Die Dämpfung der Raumwelle In der Ionosphäre werden die freien Elektronen und Ionen von den einfallenden elektromagnetischen Wellen zum Mitschwingen angeregt und kollidieren dabei mit benachbarten Gasmolekülen. Bei diesem Zusammenstoß verwandelt sich ein Teil der aufgenommen Schwingungsenergie in Wärme. Das bedeutet für die Welle eine Dämpfung, die mit dem Quadrat der Wellenlänge ansteigt. Die Dämpfung oder Absorption der Wellen steigt mit der Trägerdichte, denn je mehr freie Elektronen, Ionen und Gasmoleküle sich je Raumeinheit befinden, desto häufiger können die energieumwandelnden Kollisionen stattfinden. Daraus geht außerdem hervor, daß die Absorption umso größer sein muß, je größer der Weg ist, den die elektromagnetische Welle in der Ionosphärenschicht zurücklegt. Ein indirektes Maß für die Dämpfung ist die LUF (lowest usable frequency). Man bezeichnet sie auch als Dämpfungsfrequenz. Sie gibt die niedrigste Frequenz im KW-Bereich an, die für eine Verbindung über Raumwellenausbreitung noch brauchbar ist. Der nutzbare Frequenzbereich wird somit von der MUF nach oben und von der LUF nach unten begrenzt. 3 Schwunderscheinungen (engl.: fading) 3.1 Ursachen für Schwund Unter Schwund versteht man die ausbreitungsbedingten zeitlichen Schwankungen der Empfangsfeldstärke bei festen Sende- und Empfangspunkten (Anders ausgedrückt: Unter Schwund werden die jedem Rundfunkhörer bekannten Lautstärkenschwankungen des Empfangs verstanden). Für den Schwund gibt es unterschiedliche Ursachen. Im Kurzwellenbereich tritt häufig ein Mehrwegschwund (multipath fading) auf, der durch Interferenzen mehrerer Wellen entsteht, die auf verschiedenen, sich ändernden Wegen vom Sender zum Empfänger gelangen. Die dabei auftretenden Laufzeitunterschiede verursachen Phasenverschiebungen, die je nach Phasenlage die Empfangslautstärke steigen oder sinken lassen. Man bezeichnet den Mehrwegschwund deshalb auch oft als Interferenzfading. Ein Mehrwegschwund, von dem das gesamte Übertragungsband ungleichmäßig betroffen ist und der bei verschiedenen Frequenzen unterschiedlich abläuft, wird Selektivschwund (selective fading) genannt. Beim Selektivschwund treten starke Verzerrungen auf, wenn die Trägerfrequenz so weit geschwächt wird, daß eine einwandfreie Demodulation nicht mehr möglich ist (Trägerschwund). Beim Einseitenbandverfahren treten diese Verzerrungen jedoch nicht auf (Trägerzusatz im Gerät). Der Absorptionsschwund (apsorption fading) entsteht durch die zeitliche Änderung der Absorption im Ausbreitungsmedium, beispielsweise durch Dämpfung in der D-Schicht. Man nennt ihn deshalb auch oft Dämpfungsschwund. Andere Schwunderscheinungen sind z.b. der Polarisationsschwund (polarization fading) und der Beugungsschwund (diffraction fading). Der Polarisationsschwund tritt vorallem im KW-Bereich oft auf, da hier die Wellen in der Ionosphäre praktisch immer Polaritätsänderungen erleiden. Vom Beugungsschwund sind vorallem Verbindungen im VHF- und UHF Bereich betroffen. Er wird durch Schwankungen der Beugungsfeldstärke verursacht, die durch zeitliche Änderungen der Brechwertgradienten in der bodennahen Atmosphäre entstehen. Christian Steinbrecher 5HNA Seite 13/13

14 3.2 Nah- und Fernschwund Man unterscheidet den Nahschwund vom Fernschwund. Der Nahschwund entsteht in der Überlappungszone von Boden- und Raumwelle. Er ist total, wenn beide Wellen gleich stark sind und einen Phasenunterschied von 180 haben. Der Nahschwund beeinträchtigt in starkem Maße den Empfangsbereich eines Senders, denn er erzeugt gerade am Rande des Gebietes, das der Sender auf Grund seiner Bodenwelle noch gut versorgen könnte, Verwirrung. Fernschwund tritt ein, wenn sich zwei Raumwellen mit ungünstiger Phasenlage überlagern. 3.3 Schwundminderung Geringe bis mittlere Schwunderscheinungen werden von der automatischen Verstärkungsregelung (AVR) moderner Empfänger meist unbemerkt ausgeglichen. Sehr tiefe Schwundeinbrüche erfordern aufwendige Gegenmaßnahmen, die sich im allgemeinen nur die kommerzielle Technik leisten kann. Sie werden mit dem englischen Sammelbegriff diversity (Verschiedenheiten) gekennzeichnet. Man versteht darunter das Vermindern der Schwunderscheinungen durch Ausnutzung mehrerer Übertragungsmöglichkeiten. Einige Beispiele: Streustrahlübertragung hier ermöglichen scharfgebündelte Sende- und Empfangsantennen, deren Hauptkeulen jeweils um kleine Winkel gegeneinander versetzt sind, die Verbindung über verschiedene Streuvolumina. Nach dem Prinzip dieser Versetzung arbeitet auch das MUSA-System (multiple unit steerable antenna). Es ist eine Mehrfachantennenanordnung mit steuerbarer Richtcharakteristik. Ausgehend von der Erscheinung, daß interferierende Wellenzüge die Antenne meistens unter unterschiedlichen wechselnden Einfallswinkeln erreichen, wird diese mit einer in der Vertikalen schwenkbaren Richtcharakteristik ausgestattet, die sich auf den Einfallswinkel der jeweils stärksten ankommenden Wellenzüge einstellt. Der Nahschwund kann dadurch ausgeschaltet werden, daß man senderseitig schwundmindernde Antennen, also Antennen, die keine Steilstrahlung aufweisen, verwendet. Christian Steinbrecher 5HNA Seite 14/14

15 4 Die Sonnentätigkeit 4.1 Allgemein Was sich den Augen als Sonne darbietet, ist in Wirklichkeit deren Photosphäre, eine etwa 300km dicke Schicht, welche das Sonneninnere von der Sonnenatmosphäre trennt. Oberhalb der Photosphäre befindet sich eine durchsichtige Region, die Chromosphäre, welche bis in eine Höhe von etwa 10000km reicht. Sie ist vom Photosphärenlicht völlig überstrahlt und wird nur bei totalen Sonnenfinsternissen oder mit besonderen Beobachtungsgeräten als schmaler, leuchtendrosafarbener Saum sichtbar. Oberhalb der Chromosphäre breitet sich die Korona als äußerste Schicht der Sonnenatmosphäre aus. Ihre Ausdehnung beträgt mehrere Sonnendurchmesser, und die letzten Forschungen haben ergeben, daß sich die Umlaufbahn der Erde noch in der äußeren Sonnenkorona befindet. Da auch die Korona von der Photosphäre überstrahlt wird, kann man sie nur zu Zeiten einer totalen Sonnenfinsternis als leuchtender Lichthof (Halo) rund um die Sonnenscheibe beobachten. Ausgelöst durch Kernprozesse, wird die Sonnenenergie im unsichtbaren Sonneninneren freigesetzt, nach außen transportiert und von der Sonnenatmosphäre ausgestrahlt. Die Gesamtstrahlung der Sonne setzt sich aus elektromagnetischen Wellen und aus einer Teilchenstrahlung (Korpuskularstrahlung) zusammen. Dabei beträgt der Verlust an Sonnenmasse je Sekunde 5,3 Millionen Tonnen, davon 4,3 * 10 6 t als Korpuskularstrahlung. Der Energievorrat der Sonne ist jedoch unendlich groß, denn bei gleichbleibender Leuchtkraft verliert sie erst in 10 Milliarden Jahren weniger als 0,1% ihrer Masse. 4.2 Die solare Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen Der größte Teil der Sonnenenergie kommt aus der Photosphäre als Strahlung sichtbaren Lichtes mit Wellenlängen zwischen 400 und 800nm, wobei die maximale Intensität bei 470nm liegt. Die Emission elektromagnetischer Wellen reicht über das ganze Spektrum von der Gammastrahlung über die Röntgen-, UV-, Licht- und Infrarotstrahlung bis zu den Radiowellen. Zum Aufbau und Zustand der Ionosphäre tragen jedoch nur die solaren Röngten- und UV-Strahlen entscheidend bei. Die Röngtenstrahlung hat ihren Ursprung in der Korona, sie ionisiert hauptsächlich die Erdatmosphäre in Höhen zwischen etwa 50 und 150km (D- und E-Schicht). Die UV-Strahlung kommt aus der Chromosphäre. Sie bewirkt vor allem die Ausbildung der F-Schicht; zu einem kleinen Teil wird von ihr auch das in der D-Schicht schwach vorkommende Stickstoffoxid (NO) ionisiert. Beim Eindringen in die Erdatmosphäre wirkt die UV- und Röngtenstrahlung auf die dort vorhandenen Atome und Moleküle ionisierend, gleichzeitig wird die Strahlung nach und nach absorbiert. Je tiefer die Strahlung in die Erdatmosphäre vorstößt, desto dichter wird diese und desto größer wird die Abschwächung, bis schließlich keine nennenswerte ionisierende Strahlung mehr nachweisbar ist. Schichten werden innerhalb der Ionosphäre gebildet, weil bestimmte Wellenlängen innerhalb des UV- und Röngtenstrahlungsbereiches durch einige Atom- oder Molekülarten (z.b. O, O 2, N 2, NO,...) absorbiert werden, wobei dieser Vorgang in unterschiedlichen Höhen stattfindet. 4.3 Der Sonnenwind Von geringerem Einfluß auf die Ionosphäre ist die Korpuskularstrahlung. Heute bezeichnet man diese Teilchenstrahlung zutreffender als Sonnenwind, da es sich um einen ständigen Materiestrom aus der Sonnenkorona handelt, der nach magnetogasdynamischen Gesetzen verläuft. Erstmalig festgestellt und gemessen wurde der Sonnenwind von Raumfahrzeugen. Geschwindigkeit und Turbulenz sind von der Sonnentätigkeit abhängig. Der normale ständige Sonnenwind, der von einer ruhigen Sonne ausgeht, beeinträchtigt die Ausbreitung von Kurzwellen kaum, da er in der Ionosphäre keine besonderen Ereignisse auslöst. Erst wenn die Sonne durch bestimmte Aktivitätszentren (Eruptionen) zusätzliche Materieströme aussendet, treten Ausbreitungsstörungen auf. Christian Steinbrecher 5HNA Seite 15/15

16 4.4 Die Sonnenflecken Die bisher behandelten Erscheinungen der Sonnentätigkeit gingen von einer ruhigen Sonne aus, die durchaus nicht den Normalzustand darstellt, sondern bestenfalls im Sonnenfleckenminimum kurzzeitig auftritt. Meistens muß mit einer gesteigerten Sonnenaktivität gerechnet werden, die unmittelbar mit dem Erscheinen von Sonnenflecken im Zusammenhang steht. Man deutet die Flecken als die sichtbaren Zeichen außerordentlich starker Magnetfelder, wobei benachbarte Flecken oft von unterschiedlicher Polarität sind. Gebunden an einen Sonnenfleck bilden sich an dessen äußerer Begrenzung sogenannte Fackelgebiete aus, die man im Licht bestimmter Spektrallinien beobachten kann. Innerhalb der Fackelgebiete in der Chromosphäre ereignen sich häufige Eruptionen (Ausbrüche), die ein plötzliches Aufflackern und gleichzeitiges Vergrößern der Fackelflächen verursachen. Solche Eruptionen nennt man Flares (engl.: flare = helles, flackerndes Licht). Das Entstehen dieser Flares führt man ebenfalls auf intensive Magnetfelder zurück. Als Folge der Sonneneruptionen entstehen alle Formen elektromagnetischer Strahlung; bei größeren Ausbrüchen findet auch eine erhöhte Korpuskularstrahlung statt. Christian Steinbrecher 5HNA Seite 16/16

17 5 Anhang A: Tabelle - Die Einteilung der Radiowellen Christian Steinbrecher 5HNA Seite 17/17

18 6 Quellenangabe! Antennenbuch Karl Rothammel / Franckh-Kosmos! Elektronische Nachrichtentechnik I! HIT 5.Klasse Christian Steinbrecher 5HNA Seite 18/18