Wellenausbreitung

Funkwellen mit unterschiedlichen Frequenzen verhalten sich unterschiedlich, was die Ausbreitung über unseren Planeten betrifft. In den folgenden Abschnitten werden wir eine Reihe verschiedener Begriffe und Phänomene kennenlernen, die sich alle mit der Ausbreitung von Funkwellen beschäftigen und uns Weitverbindungen erlauben. Je nach verwendetem Frequenzbereich können unterschiedliche Aspekte von Bedeutung sein:

Der Funkhorizont, der etwas weiter geht als der sichtbare Horizont (VHF, UHF und höher) (Bodenwelle)
Überreichweiten durch Wetterereignisse in der Troposphäre (VHF, UHF und höher)
Besondere Überreichweiten durch Sporadic-E (VHF, UHF)
Die Raumwelle durch Brechung an der Ionosphäre (Kurzwelle)

Funkhorizont

Die Funkwellen im VHF- und UHF-Bereich verhalten sich ähnlich wie das Licht. Das Licht reicht maximal bis zum geografischen (sichtbaren) Horizont. Funkwellen schaffen ca. 15 % mehr Reichweite, da sie ein wenig der Erdkrümmung folgen. Wir sprechen dann vom Funkhorizont.

Für eine zuverlässige Funkverbindung im VHF- und UHF-Bereich und besonders auch auf noch höheren Frequenzen ist meistens eine Sichtverbindung erforderlich. Hohe Gebäude oder Berge können die Funkverbindung beeinträchtigen. Je höher die Antenne ist, umso größer ist die Reichweite. Weit entfernte Stationen erreicht man von einem höheren Berg besser als aus einem Tal oder dem Stadtzentrum.

Troposphärische Inversionsbildung

Im VHF-Bereich führt manchmal ein besonderer Effekt zu sogenannten Überreichweiten. Es können dann erheblich größere Reichweiten erzielt werden. Die Ursache dafür findet in der Troposphäre statt. Das ist die unterste Schicht der Atmosphäre der Erde. Sie reicht bis in rund 15 km Höhe und wird auch als Wetterschicht bezeichnet, da sich hier der Großteil des Wetters abspielt.

Am Übergang zwischen warmen und kalten Luftschichten bilden sich die sogenannten troposphärischen Inversionsschichten. An diesen werden die Funkwellen zur Erde hin reflektiert.

Die auftretenden Überreichweiten ermöglichen Funkverbindungen mit Stationen in rund 800 bis 1000 km Entfernung. Im VHF-Bereich ist dies ein häufiger Ausbreitungsweg für Weitverbindungen. Troposphärische Inversionsbildung tritt hauptsächlich im Frühjahr und Herbst auf.

Sporadic-E

Noch größere Reichweiten von 1000 bis 2000 km werden in den Sommermonaten durch Sporadic-E-Bedingungen ermöglicht. Dabei treten meist scharf begrenzte und kleinräumige (eben „sporadische“), aber dafür außerordentlich stark ionisierte Bereiche in etwa 100 bis 110 km Höhe auf. Diese Bereiche brechen Funkwellen zur Erde zurück (Refraktion). Wann und wo Sporadic-E genau auftritt, lässt sich nicht vorhersagen.

Ionosphäre

Im oberen Teil der Erdatmosphäre befindet sich die Ionosphäre. Sie hat großen Einfluss auf die Funkwellenausbreitung im Kurzwellenbereich.

Durch die Strahlung der Sonne werden in der Ionosphäre elektrisch geladene Teilchen erzeugt. An diesen elektrisch geladenen Teilchen werden elektromagnetische Wellen gebrochen (refraktiert) und dadurch zur Erde zurückgelenkt. So können im Kurzwellenbereich große Reichweiten erzielt und weltweite Funkverbindungen möglich werden.

An der Ionosphäre gebrochene Funkwellen werden als Raumwelle bezeichnet – im Gegensatz zur Bodenwelle, die der Erdkrümmung folgt, aber meist nicht so weit reicht wie die Raumwelle.

Tote Zone

Je flacher eine Funkwelle in die Ionosphäre einstrahlt, desto höher darf ihre Frequenz sein, um noch erfolgreich zur Erde zurückgebrochen werden zu können. Wenn die Frequenz hoch genug ist, so dass sie zwar bei flacher Einstrahlung noch gebrochen wird, nicht aber bei steilerer Einstrahlung, dann bildet sich um den Sender ein ringförmiges Gebiet, das nicht mehr von der Bodenwelle erreicht wird und noch nicht von der Raumwelle des Senders. Dieses Gebiet nennt man tote Zone. Sie führt zu dem zunächst paradox erscheinenden Zustand, dass nahe am Sender gar nichts von diesem zu empfangen ist, in größerem Abstand dann aber schon.

Troposphärische Inversionsbildung

Am Übergang zwischen warmen und kalten Luftschichten bilden sich die sogenannten troposphärischen Inversionsschichten. An diesen werden die Funkwellen zur Erde hin reflektiert.

Greyline

Die Greyline ist der Bereich der Tag-/Nachtgrenze, also alle Gebiete, die sich zu einer bestimmten Zeit kurz vor oder nach Sonnenauf- und -untergang befinden.

Sie stellt einen Ring dar, der um die gesamte Erdkugel führt und in dem besondere Ausbreitungsbedingungen für Kurzwellen herrschen. Denn hier ist die dämpfende Wirkung der D-Region geschwächt oder noch nicht (bei Sonnenaufgang) bzw. nicht mehr (bei Sonnenuntergang) vorhanden, während die brechende Wirkung der E- und F-Regionen noch bzw. schon wirksam ist.

Damit sind – besonders in der Zeit um die Tag- und Nacht-Gleichen herum – DX-Verbindungen vor allem auf den unteren Kurzwellenbändern und dem 160-Meter-Band möglich, die von Europa aus bis Australien, Neuseeland und in den Pazifik führen können.

Mögel-Dellinger-Effekt

Je aktiver die Sonne ist, desto häufiger ereignen sich Flares auf ihrer Oberfläche, das sind starke Strahlungsausbrüche. Sie erzeugen unter anderem hohe Strahlungsmengen im extremen Ultraviolett und Röntgenbereich. Grundsätzlich eine feine Sache, denn das sind die Wellenlängen, die in der irdischen Ionosphäre die Elektronen freisetzen und damit Kurzwellenausbreitung möglich machen.

Aber auch hier kommt es auf die richtige Dosis an und die ist in diese Fall definitiv zu hoch: Ionisiert wird dadurch in erster Linie die D-Region, deren dämpfende Wirkung dadurch massiv ansteigt.

Kräftige Flares sorgen somit dafür, dass die D-Region die Raumwelle wesentlich stärker und bei deutlich höheren Frequenzen dämpft. Der Kurzwellen Funkverkehr auf der sonnenbeschienenen Seite der Erde wird dadurch stark behindert oder fällt komplett aus. Dieses Ereignis nennt man den Mögel-Dellinger-Effekt nach den Physikern Hans Mögel und John Dellinger, die es in den 1930er Jahren erstmals beschrieben haben. Im englischen Sprachraum spricht man meist vom Shortwave Fade-Out oder einer Sudden Ionospheric Disturbance (SID).

Der Effekt tritt überfallartig binnen weniger Sekunden ein und baut sich danach langsam wieder ab, beginnend mit den hohen Frequenzen. Je nach Stärke und Dauer des auslösenden Flares kann es wenige Minuten bis weit über eine Stunde dauern, bis die Signale anderer Stationen wieder ganz langsam aus dem Rauschen auftauchen.

Fading

Wenn sich zwei (oder mehr) Signale gleicher Frequenz überlagern, dann addieren sich im Empfänger ihre Amplituden. Je nach Phasenlage führt das zu einer Verstärkung oder Abschwächung des resultierenden Summensignals. Sind die Amplituden zweier Signale gleich groß, aber die Phase um 180° verschoben, wird ihr Summensignal sogar zu Null, verschwindet also.

Solche Überlagerungen bezeichnet man als Interferenz. Sie treten beispielsweise auf, wenn man von einem Sender sowohl die Bodenwelle als auch die Raumwelle empfängt oder wenn die Raumwelle auf mehreren Wegen zum Empfänger gelangt (Mehrwegeausbreitung). Wenn sich zudem die Amplitude und/oder Phase dieser Funkwellen verändert, führt dies im Empfänger zu einer ständig schwankenden Feldstärke des Signals. Der Fachbegriff für dieses Phänomen lautet Fading (Schwund, QSB). Das Schwanken von Amplitude und/oder Phase wird auf der Kurzwelle durch die Brechung an der Ionosphäre verursacht, auf VHF und darüber häufig durch Reflexion des Signals an beweglichen Objekten.

Sprungdistanz

Ein Sprung (oder englisch Hop) ist der Weg der Raumwelle eines Funksignals von der Sendeantenne bis zur Rückkehr zur Erdoberfläche, wobei dazwischen eine Brechung an der Ionosphäre stattgefunden hat. Die dabei überbrückte Distanz lässt sich rein geometrisch bestimmen und hängt davon ab, in welcher Höhe sich die brechende Region befindet und in welchem Winkel (zur Erdoberfläche) das Signal von der Sendeantenne abgestrahlt wird. Je flacher dieser Winkel und je höher die brechende Region, desto größer ist die Sprungdistanz. Bei der E-Region kann mit höchstens 2000 km gerechnet werden, bei der F2-Region mit bis zu 4000 km.

MUF und LUF

Um eine Funkverbindung in einer bestimmten Sendart zwischen zwei Orten über die Raumwelle herzustellen, muss man dafür eine Frequenz finden, die von der Ionosphäre erfolgreich zur Erde zurückgebrochen werden kann. Im Normalfall trifft das auf einen ganzen Frequenzbereich zu und man wählt dann meist das höchste Amateurfunkband, das sich in diesem Frequenzbereich befindet.

Dieser Frequenbereich wird nach oben hin begrenzt durch die MUF (maximal usable frequency), also der höchsten Frequenz, die die Ionosphäre gerade noch für die Distanz zwischen Sender und Empfänger zurückbrechen kann. Sie hängt ab von der Dichte an freien Elektronen in der brechenden Region und dem Winkel, in dem die Funkwelle in die Ionosphäre einstrahlt: Je höher die Elektronendichte und je flacher der Winkel, desto höher ist die Frequenz. Wenn man also die Frequenz kontinuierlich erhöht, wird irgendwann das Signal zu schwach werden und dann ganz verschwinden; dann ist die MUF erreicht.

Man kann sich das auch geometrisch vorstellen: Wenn ein Signal steil in die Ionosphäre einstrahlt, dann ist die notwendige Richtungsänderung, um es zur Erde zurückzubrechen, viel größer als bei flacher Einstrahlung. Wie stark die Ionosphäre die Richtung ändern kann, ist wiederum nur von der Elektronendichte und der Frequenz abhängig. Und bei flacher Einstrahlung bekommt unser Signal eben viel leichter die Kurve.

Nach unten hin stellt die LUF (lowest usable frequency) die Begrenzung dar. Sie wird in erster Linie von der Ionisation in der D-Region bestimmt. Die D-Region dämpft ja unser Funksignal und pro Sprung muss dieses Signal auch noch zwei Mal durch diese D-Region hindurch. Gleichzeitig ist diese Dämpfung umso höher, je niedriger die Frequenz ist (der Zusammenhang ist quadratisch: halbiert man die Frequenz, vervierfacht sich die Dämpfung). Daher wird man, wenn man die Frequenz fortwährend verringert, ebenfalls irgendwann an den Punkt gelangen, wo das zurückgebrochene Signal nicht mehr nutzbar ist; das ist die LUF.

Es kann insbesondere bei sehr geringer Sonnenaktivität oder starken Magnetstürmen der besondere Fall eintreten, dass für einen Signalweg die LUF über der MUF liegt. Dann ist zwischen diesen Orten kein Funkverkehr über die Raumwelle möglich.

Langer & kurzer Weg

Funkwellen breiten sich geradlinig aus. Um zwei Orte auf der Erdoberfläche zu verbinden, gibt es daher immer genau zwei Wege (es sei denn, die beiden Orte befinden sich genau gegenüber). Daraus ergibt sich die Richtung, in die eine Richtantenne gedreht werden muss.

Einer der beiden Wege ist kürzer als der andere, deswegen sprechen wir vom kurzen und vom langen Weg (manchmal auch „direkter Weg“ und „indirekter Weg“). Normalerweise läuft die Verbindung über den kurzen Weg, da mehr Wegstrecke auch immer mehr Dämpfung bedeutet und man daher auf dem kurzen Weg mit einer besseren Signalstärke rechnen kann.

Es ist aber – abhängig von den Ausbreitungsbedingungen, der Tageszeit und der genutzten Frequenz – durchaus auch möglich, das Zielgebiet auf dem langen Weg zu erreichen. Von Berlin nach Sidney in Australien sind es beispielsweise auf dem kurzen Weg, der über Ostasien verläuft, etwas über 16.000 km in Richtung 315°. Um die Verbindung auf dem langen Weg herzustellen, dreht man die Antenne in Richtung 75° und muss dann knapp 24.000 km überbrücken. Der Signalweg verläuft dann über Südamerika und den Südpazifik.