Experimentierfeld für Kurzwellenhörer - Die Sonnenfinsternis

M.Tillmann 05/99

Nach 112 Jahren ist es wieder soweit: In Deutschland wird eine totale Sonnenfinsternis stattfinden. Der Mondschatten wird sich am 11.Aug. 1999 wärend der Mittagszeit über den südlichen Teil des Landes bewegen. Für den Kurzwellenhörer entsteht dadurch eine besonders interessante Möglichkeit, die Auswirkung der Sonne, oder sollte man sagen, die plötzliche ?Nichtauswirkung?, experimentell zu erfahren. Dies um so mehr, da wir uns außerdem in einer Zeit hoher Sonnenflecken befinden.
 
 

 
Abb. 1: Verlauf des Mondschattens

Der erfahrene Kurzwellenhörer kennt das Phänomen, welches sich durch die aufgehende bzw. untergehende Sonne zeigt. Da die Sonne durch ihre Strahlung die Ionosphäre der Erde beeinflusst, ergeben sich die typischen, tageszeitlich Änderungen der Ausbreitungsbedingungen. Kurz: Die Sonnenstrahlung sorgt für eine Ionisierung der oberen Atmosphärenschichten, die schließlich dafür sorgen, dass elektromagnetische Wellen daran reflektieren können. Was den Tagesverlauf betrifft, zeigt sich eine relativ schnelle Zunahme der Ionisierung mit dem Aufgang der Sonne und eine zögerliche Abnahme nach Sonnenuntergang. Ursache ist die verzögerte, chemische Rekombination des Gases.
Mit der Sonneneinstrahlung entstehen Atmosphärenschichten mit verschiedem Reflexionsverhalten, die mit dem Grad der Ionisierung immer niedrigerere Höhen erreichen. Bevor ich jetzt auf die verschiedenen Schichten eingehe, muss ich doch auf die umfangreiche Literatur verweisen, die es zu diesem Thema gibt, um nicht den Rahmen des Artikels zu sprengen. Nur folgender Hinweis noch: Niedrigere Reflexionsschichten lassen verständlicherweise keine so weiten Sprünge der Funkwellen zu als die hohen.
Ein weiterer Effekt ist unter dem Begriff ?Dämmerungszone? bekannt. Sie ermöglicht kurzzeitig besonders hohe Reichweiten. Der Effekt entsteht dadurch, dass die Sonnenstrahlung, vor allem in der Morgendämmerung, die Ionosphäre einseitig, nämlich von der Tagseite her, beeinflusst und dadurch eine Art Schieflage der sonst parallel zum Horizont liegenden Ionosphärenschicht erreicht (ähnlich einem Teig, den man unter gewissem Druck mit einem Nudelholz ausrollt). Nach dem Gesetz der Optik vom Ausfallswinkel, der dem Einfallswinkel entspricht, erfahren die Wellen an einer schiefen Fläche eine Ablenkung, die den Winkel verändert. Gegenüber einer horizontalen Fläche können somit die Wellen steiler oder flacher abgelenkt werden, was die Reichweite verkürzt oder eben erhöht.
 
 

 
Abb. 2: Ionosphäre in der Dämmerungszone

Zur Vereinfachnung stelle ich hier nicht die verschiedenen, einzelnen Schichten dar.
Was macht nun eine Sonnenfinsternis, abgesehen von unzähligen anderen Erscheinungen, für den Kurzwellenhörer interessant?
Sie ?simuliert? einen Sonnentag innerhalb weniger Minuten, wenn auch in umgekehrter Reihenfolge. Der Unterschied dürfte in der Tiefe der täglichen Variationen liegen, d.h., die Rekombinationszeit, für die normalerweise eine Nacht zur Verfügung steht, dauert hier nur wenige Minuten. Bei der o.g. Finsternis etwa zwei Minuten. Daraus leite ich eine wesentlich geringere Auswirkung als die der Nacht ab.
Genau hier setzt die Fragestellung an: Wenn dem so ist, wie groß wird die Auswirkung sein? Wie läßt sich der Nachweis führen, wie lassen sich die Ergebnisse qantifizieren? Theoretisch bekommt man dadurch auch eine Vorstellung von der Wirkung der Sonne auf die Ionosphäre ansich. Besonders interessant, wenn nicht sogar erst aussagekräftig könnte sich der Vergleich von Ergebnissen verschiedener Orte zeigen.

Hiermit möchte ich den einen oder anderen Kurzwellenhörer motivieren, das Ausbreitungsverhalten in dieser Zeit zu erkunden. Vor 112 Jahen war ich leider verhindert, dieses Experiment durchzuführen. In der Fachliteratur sind mir bisher keine Ergebnisse von Sonnenfinsternissen aufgefallen und so stehe ich auch relativ unwissend da, was konkete Ergebnisse angeht. Vielleicht mag sich hier, in dem VFO-MAGAZIN, ein Forum zu diesem Thema bilden, was mich sehr freuen würde. Und das nicht nur betreffend der Ergebnisse, sondern schon vorab, um vielleicht die Möglichkeiten zur Ausführung des Vorhabens zu diskutieren. Aus dem Wissen Vieler könnte jeder Interessierte profitieren.

Um dies nun experimentell anzugehen, muss überlegt werden, wie man die Ausbreitungsänderung ermittelt.
Ich habe mir nun Maßnahmen überlegt, mit denen ein Kurzwellenhörer an diese Aufgabe herangehen kann. Dazu ist im einfachsten Falle nur ein Kurzwellenempfänger erforderlich, ein PC könnte allerdings die Möglichkeiten deutlich erweitern. Ferner kann sich ein Tonbandgerät als sehr hilfreich erweisen.

Beobachtung des VLF-Bandes

Nachts ist das Rauschen am lautesten, verbunden mit geringer Signalstärke. Wärend der Dämmerung nimmt das Rauschen ab, die Signalstärke steigt an um dann am Tage seine Maximalwerte zu erreichen. Nach Einbruch der Nacht geht dann das Signal wieder zurück, wobei das Rauschen ansteigt. Wärend der Dämmerungszeiten tritt für kurze Zeit ein besonders deutliches Absinken der Rauschstärke ein, was auf den besagten Effekt der Dämmerungszone zurückzuführen ist.
Die AGC sollte abgeschaltet sein. Grundsätzlich gelten die o.g. Eigenschaften für den Bereich des VLF- sowie LF-Bandes, am ausgeprägtesten sind sie jedoch im Bereich um 30kHz. Sollte der Empfänger nicht soweit herrunterreichen, sollte aber die tiefstmögliche Frequenz eingestellt werden.
Praktikabel ist hier die Beobachtung der NF-Rauschstärke. Sie lässt sich mittels Soundkarte und geeigneter Audio-Software auf dem PC aufzeichen. Diese Software bietet meist Kurvenverläufe oder Spektren zur Darstellung an. So ist die Rauschleistung innerhalb der kurzen Zeit der Finsternis leicht abzulesen. Als Zwischenspeicher, wenn man nicht in der nähe des PC´s beobachtet, kann ein Tonband dienen. Beide Varianten sind zudem geeignet, die Aufzeichnung zu automatisieren, um gleichzeitig auch mal nach draußen schauen zu können, wenn dieses Jahrhundertereingnis stattfindet.
Eine direkte Beobachtung ist mit einem Spannungsintegrator möglich, der an die NF-Buchse des Empfängers angeschlossen wird und über ein Meßinstrument über die Rauschleistung Auskunft  gibt.
 
 

 
 Abb. 3: Schaltung des NF-Integrators

  Der Ausgang kann weiter zu einem Schreiber oder PC geschaltet werden.

Über die Wahl des Kondensators lassen sich die Integrationszeiten einstellen, das ist etwagleichbedeutend mit der Bildung von Mittelwerten nach der Gauß´schen Verteilungskurve. Die Integration sollte aber 15 Sekunden nicht wesentlich überschreiten, sonst überbrückt der Kondensator den erhofften Effekt. Für den Kondensator sollten Versuche zwischen 22 und 220µF Erfolg bringen.
 

Beobachtung des Kurzwellenbandes

Auch auf den Kurzwellenbändern wird die Ausbreitung durch den Tagesverlauf beeinflusst, jedoch wesentlich sensibler,d.h. mit deutlich mehr Schwankungen, als im Langwellenbereich. Bei einer so kurzen Unterbrechung der Sonneneinstrahlung wie bei einer Sonnenfinsternis ist  ebenfalls mit einer Verformung der Ionosphäre zu rechnen, die die Phase und Polarisation der Wellen so beeinflusst, dass es z.B. zu Auslöschungen kommt, bekannt als Fading mit all seinen Erscheinungsformen.
Die erfolgsversprechensten Frequenzen sind nahe der MUF (max. usable Frequency) zu erwarten, in der Praxis entspricht das etwa dem 75m- und 80m-Band, meist jedoch unter 5Mhz. Es sind die Frequenzen, die maßgeblich durch die tieferen D- und E-Schichten  beeinflusst werden. Beobachtet sollte das Auftauchen oder Verschwinden von Sendestationen zu der betreffenden Zeit werden. Hilfreich bei der Beurteilung ist die genaue Kenntnis einiger Stationen bezüglich Signalstärke und Empfangsqualität zur Mittagszeit. Vorteilhaft wäre auch die Beobachtung von Standardfrequenz-Sendern oder wenigsten die Absprache von Frequenzen mit Hobby-Kollegen zwecks späterem Vergleich.
Markant müsste ein Signalanstieg kurz vor der Totalität sein. Auf jeden Fall wird sich eine Änderung in der Ausbreitung nur innerhalb von Minuten abspielen, was die Zuordnung zur Sonnenfinsternis vereinfachen wird.
Die Aufzeichnungsmöglichkeiten, wie für das VLF-Band erläutert, können hier mit gleichem Erfolgeingesetzt werden, wobei die Tonaufzeichnung wegen Senderidentifizierung Priorität hat. Schwankungen in der Rauschstärke sind aufgrund des labilen Verhaltens auf dem Kurzwellenband gegenüber der VLF schwieriger lesbar, möglicherweise aber doch  eindeutig.

Auf höheren Kurzwellenbändern nimmt die Wirkung auf die Ionosphäre durch die Sonnenfinsternis ab. Hier ist für Weitverbindungen die F- und F2-Schicht verantwortlich. Aufgrund der trägeren Rekombination des Gases erfolgt dessen Abbau nicht einmal wärend einer Nacht vollständig, weshalb sich eine zweiminütige ?Sonnenunterbrechung? nicht wesentlich auf die Ausbreitungsbedingung über die hohen F-Schichten auswirken wird. Dennoch wäre interessant, inwie weit die Veränderungen der D-und E-Schichten die Ausbreitung hoher Frequenzen beeinflusst.
Wie sich die Finsternis auf die Mittelwelle auswirkt, kann ich nicht richtig einschätzen. Instinktiv ist zu erwarten, dass das Verhalten ähnlich dem des 80m-Bandes ist. Die Abhängigkeit von den erdnahen Schichten wird einem ja beim Tagesgang bestätigt.

Zu einer aussagekräftigen Beobachtung gehören folgende Angaben:
 

- Ort:	Der genaue Ort, am Besten mit geogr. Angaben, ist wichtig, da sich daraus auch nachträglich der Bedeckungsgrad und die Dauer der Bedeckung ableiten lässt.
- Zeit:	Die Zeitangabe ermöglicht ein korrektes Nachvollziehen z.B. eines Kurvenverlaufes, wie er mit dem PC aufgezeichnet wurde. Erst richtig synchronisiert gibt die Kurve Auskunft über die tatsächliche Auswirkung der Sonne. Die PC-Uhr sowie alle anderen Uhren sollten vorher verglichen werden. Um Ergebnisse mit Hobby-Kollegen zu vergleichen, bietet sich die heute wohl allgemein vorhandene DCF-Uhr an.
- S-Meter:	Das S-Meter oder der Integrator sollten schon länger vorher beobachtet werden, um die Werte wärend der Finsternis richtig relativieren zu können.
- Frequenz::	Dies ist natürlich die entscheidende Information zur Beurteilung der  Ausbreitungsbedingung, da jedes Band seine eigene Ausbreitungseigenart hat.

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Literatur:

Sonne, Erde, Ionosphäre und Kurzwellenausbreitung, H. Schütz, DARC
 - Titelbezogen sehr ausführlich, fundiert und noch verständlich

Geheimnisse des HF-Schaltungsentwurfs Teil 2, Joseph J. Carr, Elektor-Verlag
- sehr praxisorientiert auch zu diesem Thema, sehr gewinnbringend für das Hobby

Ionosphäre und Wellenausbreitung, Gerd Klawitter, Siebel-Verlag
- leicht verständliches Einsteigerbuch

Langwellen-und Längstwellenfunk, Gerd Klawitter/Klaus Herold, Siebel-Verlag
 - Überblick über Ausbreitung, Anwendung, Frequenzliste

Planung und Berechnung von Kurzwellenverbindungen, Gerhard Braun, Siemens
 - sehr umfassend, wird dem Titel vollständig gerecht

Zeitzeichen- und Normalfrequenzempfang, Arnoldt, Franzis-Verlag
- unter anderem Ausbreitung im Lang-und Längstwellenbereich

Einführung in die Geophysil II, Walter Kertz, Spektrum Akademischer Verlag
 - Physik der oberen Atmosphäre, sehr fundiert, erfordert z.T. Kenntnis komplexer Mathematik

Außerdem ist die Ausbreitung von Funkwellen Thema der meisten Amateurfunk- und Physikliteratur