Ausbreitung der Kurzwelle - Grundlagen

Walter Justen 02/2006

Eine wichtige Voraussetzung für erfolgreichen Fernempfang auf Kurzwelle sind Kenntnisse über die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. Wann sind entfernte Stationen bestimmter Kontinenten zu hören ? Welche Frequenzen sind zu welcher Tageszeit am geeignetsten für einen Empfangsversuch ? Grundlegende Informationen zur Beantwortung dieser und ähnlicher Fragen sollen hier gegeben werden.

Über den Boden und durch den Raum

Elektromagnetische Wellen breiten sich über verschiedene Wege aus. Als Bodenwelle bezeichnet man die Ausbreitung der Wellen entlang der Erdoberfläche, beeinflusst von Erdkrümmung, Beschaffenheit des Erdbodens und seiner Leitfähigkeit sowie der Struktur der Erdoberfläche (Berge, Bewuchs, Bebauung). Die Behinderung der Ausbreitung steigt mit der Höhe der Frequenz. Beste Verbindungen kommen zustande wenn Sender und Empfänger sich über Direktwelle erreichen, quasi in Sichtkontakt stehen ohne große Hindernisse. Frequenzen über 30 MHz unterliegen optischen Grenzen und bei normalen Ausbreitungsbedingungen sind diese alleine auf die Ausbreitung über Direktwelle angewiesen. Der Standort spielt daher besonders hier eine große Rolle. Gute Ausbreitung über Bodenwelle erfolgt auf niedrigeren Frequenzen wie im Lang und Mittelwellen Bereich. Für die Kurzwelle spielt die Bodenwelle nur eine bedingte Rolle, für Fernverbindungen auf Kurzwellen keine.

Fernverbindungen auf Kurzwelle ermöglicht die Ausbreitung durch die Raumwelle. Im Gegensatz zur Bodenwelle werden diese Wellen in den Raum, also in die Atmosphäre die den Erdball umgibt abgestrahlt. Über der Troposphäre, in der sich das Wetter unseres Planeten abspielt und der Stratosphäre umhüllt die Ionosphäre mit ihren verschiedenen Schichten die Erde. An diesen Schichten werden die Raumwellen reflektiert beziehungsweise langsam gebrochen und Richtung Erde zurück geleitet

Wie und wann eine Raumwelle gebrochen wird hängt von der Elektronendichte, der eingesetzten Frequenz und dem Strahlungswinkel ab. Dabei muss bei hoher Frequenz auch die Elektronendichte stärker sein damit es zu einer Brechung kommt Auch wird die Raumwelle leichter in Richtung Erde gebogen je kleiner der Abstrahlwinkel der Antenne ist. Kommt die Raumwelle auf die Erdoberfläche zurück ist eine Reflektion an dieser ebenso möglich wie eine erneute Reflektion in der Ionosphäre. Durch diese Mehrfachsprünge zwischen Erde und Ionosphäre kann eine Ausbreitung um den kompletten Erdball möglich werden.

Der Bereich in dem eine Bodenwelle den Empfänger nicht mehr und die Raumwelle ihn noch nicht erreicht, wird tote Zone genannt. In dieser ist ein Empfang nicht möglich.

Die Ionosphäre und die Sonne

Um Aussagen über Ausbreitungsbedingungen treffen zu können ist ein genauerer Blick in die Ionosphäre nötig. Dort sind eine große Anzahl elektronischer Teilchen vorhanden die durch die Ionisation neutraler Luftmolekühle entstehen. Verantwortlich für diese Aufspaltung sind unter anderem Sonnenwinde (kosmische Strahlung) und hauptsächlich die Röntgen- und ultraviolette Strahlung der Sonne. Direkten Einfluss auf die Sonnenaktivität und somit auch auf die Ionisation nimmt die Zahl der Sonnenflecken. Diese unterliegt einem Elfjahreszyklus der jeweils ein Maximum und ein Minimum an Sonnenaktivität verursacht. Tageszeiten und Tag-Nacht Zyklen nehmen ebenso Einfluss auf Stärke und Länge der Sonneneinstrahlung wie die Jahreszeiten.

Die Ionosphäre ist kein einheitliches Gebilde sondern besteht aus verschiedenen Schichten in verschiedenen Höhen. Für die Entfernung die zurück gelegt werden kann ist es wichtig welche Schichten vorhanden sind und wie eine elektromagnetische Welle diese durchläuft beziehungsweise durchlaufen kann. Je nach Schicht und Elektronendichte werden die Welle unterschiedlich stark gedämpft und verlieren Energie.

Überblick der für die Kurzwelle interessanten Schichten und ihre Besonderheiten:

D-Schicht: Sie ist die dichteste Schicht. Elektromagnetische Wellen werden hier nicht reflektiert sondern nur gedämpft und je nach Frequenz sogar völlig absorbiert. Je niedriger die Frequenz desto stärker die Dämpfung. Auf Wellen mit hoher Frequenz nimmt sie kaum Einfluss. Nach Sonnenuntergang bildet sich die D-Schicht zurück, niedrige Frequenzen werden dann weniger gedämpft und die Überbrückung von größeren Entfernungen auf diesen Frequenzen wird möglich.

E-Schicht: Verhält sich ähnlich der D-Schicht. jedoch ist hier bereits, je nach Frequenz der Wellen und Elektronendichte der Schicht eine Reflektion möglich.

F-Schicht (F1 und F2 Schicht): Beide Schichten sind ebenfalls tagsüber am stärksten ausgeprägt. Hier werden elektromagnetische Wellen reflektiert. Nachts geht die F1 Schicht mit der F2 Schicht zusammen. Auch hier gilt dann das sie auf elektromagnetische Wellen mit hoher Frequenz weniger Einfluss nimmt. Dies hat zur Folge das diese Frequenzen Nachts wenn die Elektronendichte nicht so stark ist auch nicht reflektiert werden. Nun werden jedoch Wellen niedriger Frequenz, die es Nachts durch die D-Schicht geschafft haben reflektiert. Dies hat zur Folge das diese Wellen nun größere Entfernungen zurück legen können.

Frequenzen und Reflektionen

Mit diesen Informationen kann grob gesagt werden was sich auch in der Kurzwellen Praxis bestätigt. Tagsüber werden Funksignale vermehrt auf den hohen Frequenzen aufgenommen und die niedrigen Frequenzen sind eher ruhig. Geht es Richtung Abend werden die hohen Frequenzen ruhiger und verstummen später meist. Jedoch erwachen dann die niedrigen Frequenzen wie zum Beispiel die Tropenbänder.

Dies bedeutet das es für eine bestimmte Zeit immer eine bestimmte ideale Frequenz beziehungsweise einen idealen Frequenzbereich für eine bestmögliche Ausbreitung gibt. Ist eine Frequenz gerade noch niedrig genug das sie von der F-Schicht reflektiert wird spricht man von der MUF (maximum usable frequency), ist sie hoch genug um die D-Schicht beziehungsweise E-Schicht zu durchlaufen und die F-Schicht zu erreichen haben wir die LUF (lowest usable frequency). Eben dieser Frequenzbereich zwischen MUF und LUF bezeichnet das Spektrum das zu einer bestimmten Zeit genutzt werden kann um eine bestimmte Entfernung zu überbrücken.

Für eine einfache Berechnung dieser Frequenzen, die die hier vorgestellten Bedingungen einberechnen stehen Computerprogramme zur Verfügung. In der Fachpresse und im Internet werden regelmäßig Diagramme mit "Funkwetter Prognossen" veröffentlicht. Diese Diagramme enthalten neben der MUF meist noch jeweils den Signal/Störabstand als Bedingung für die nutzbaren Frequenzen. Wichtig ist darüber hinaus noch die Empfangsstrecke die berechnet wurde, sowie verwendete Antennen und Sendeleistung.

Folgenden Beispieldiagrammen liegt zu Grunde das sowohl Sender als auch Empfänger mit einer ungerichteten Isotrop Antenne arbeiten und der Sender 500 Watt Leitung abstrahlt. Für den Monat wird eine Sonnenfleckenzahl von 21 zu Grunde gelegt. Empfangsort ist Köln, Signal Bandbreite 2,4 kHz. Gekennzeichnet ist jeweils der Signal/Störabstand +/- 5dB.