Ionosphäre: Aufbau, Veränderungen und Einfluss auf Funkwellen

Die Ionosphäre ist der elektrisch geladene Bereich der oberen Erdatmosphäre. Sonnenstrahlung löst dort Elektronen aus Atomen und Molekülen, sodass freie Elektronen und positive Ionen entstehen. Diese Teilchen verändern die Ausbreitung von Funkwellen: Bestimmte Frequenzen werden gebrochen und kehren zur Erde zurück, andere werden absorbiert oder durchdringen die Ionosphäre ins Weltall. Genau das macht weltweite Kurzwellenverbindungen möglich - und erklärt zugleich Schwund, tote Zonen und Funkbedingungen, die sich stündlich ändern. Kein anderes Thema im Amateurfunk entscheidet so unmittelbar darüber, ob eine Verbindung zustande kommt.

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Was ist die Ionosphäre?

Kurz gesagt: Die Ionosphäre ist keine Schicht aus eigenem Material, sondern ein Zustand der oberen Atmosphäre: der Höhenbereich, in dem genug freie Elektronen vorhanden sind, um Funkwellen messbar zu beeinflussen. Ihre zentrale Kenngröße ist die Elektronendichte.

Nach einer festen Ober- und Untergrenze zu suchen, führt in die Irre. Die Angaben schwanken je nach Quelle und Messgröße erheblich:

Diese Streuung ist kein Fehler, sondern die Sache selbst: Die Ionisation nimmt nach oben kontinuierlich ab und geht ohne Kante in die Plasmasphäre und die Magnetosphäre über. Als Konvention wird der Übergang oft bei 1000 km angesetzt, wo die Konzentration von Sauerstoff- und Wasserstoffionen etwa gleich ist. Auch das ist eine Festlegung und keine feste Höhe: Das Verhältnis verschiebt sich mit Sonnenaktivität, Tageszeit und geografischer Lage.

Wie entsteht die Ionosphäre?

Ionisation

Energiereiche Strahlung der Sonne schlägt Elektronen aus neutralen Atomen und Molekülen. Zurück bleiben ein freies Elektron und ein positives Ion. Entscheidend ist, dass verschiedene Wellenlängen in verschiedenen Höhen wirken:

• Lyman-Alpha bei 121,6 nm und harte Röntgenstrahlung dringen am tiefsten ein und ionisieren im Bereich der D-Region.
• Weiche Röntgenstrahlung und UV im Bereich weniger bis einiger zehn Nanometer wirken in der E-Region.
• Extremes UV wird bereits weiter oben absorbiert und speist die F-Region.

Dahinter steckt ein Gleichgewicht, das schon 1931 als Chapman-Theorie beschrieben wurde: Ganz oben ist die Strahlung am stärksten, es gibt aber kaum Teilchen zum Ionisieren. Weiter unten wächst die Teilchendichte, dafür ist die Strahlung schon geschwächt. Das Maximum liegt dazwischen.

Rekombination

Freie Elektronen finden ihre Ionen wieder - und wie schnell, hängt an der Luftdichte. Je dichter die Luft, desto häufiger treffen sich die Partner.

Deshalb verhalten sich die Regionen nach Sonnenuntergang so unterschiedlich: Die dichte D-Region löst sich in der Größenordnung von Minuten weitgehend auf, die E-Region verliert im Lauf etwa einer Stunde stark an Dichte, und die F2-Region bleibt über Nacht bestehen. Die genauen Zeiten hängen von Jahreszeit, Breite und Höhe ab.

Die geringe Dichte in der F2-Region ist dabei nur ein Teil der Erklärung. Dass sie nachts überlebt, liegt außerdem an Diffusion entlang des Erdmagnetfelds, an thermosphärischen Winden und am Plasmaaustausch mit den Bereichen darüber - reine Rekombinationsrechnung greift zu kurz.

Die Regionen der Ionosphäre

Die klassische Einteilung in D, E, F1 und F2 stammt aus der Frühzeit der Ionosphärenforschung. Sie ist nützlich, darf aber nicht als Stapel fester Schichten missverstanden werden. Auch die Höhenangaben unterscheiden sich je nach Quelle um mehrere zehn Kilometer.

Warum die D-Region dämpft statt zu reflektieren

Das ist der am häufigsten missverstandene Punkt. Eine Funkwelle regt die freien Elektronen zum Mitschwingen an. Was danach passiert, entscheidet die Stoßhäufigkeit:

Genau genommen ist das eine Vereinfachung: Die Brechung entsteht nicht dadurch, dass einzelne Elektronen Energie zurückstrahlen, sondern aus der gemeinsamen Antwort des gesamten Elektronenplasmas, die sich im Brechungsindex ausdrückt. Für das Verständnis reicht das Bild, für die Rechnung nicht.

In vereinfachten Modellen nimmt die Dämpfung in der D-Region näherungsweise mit dem Quadrat der Frequenz ab: Verdoppelst du die Frequenz, sinkt die Dämpfung etwa auf ein Viertel. Die tatsächliche Absorption hängt zusätzlich an Stoßfrequenz, Elektronendichte, Erdmagnetfeld und der Länge des Weges durch die Region. Deshalb ist 80 m mittags für große Entfernungen kaum brauchbar, während 20 m gleichzeitig um die halbe Welt geht - für kurze Strecken über steile Abstrahlung funktioniert 80 m tagsüber durchaus.

Elektronendichte in Zahlen

Die Größenordnungen machen anschaulich, warum die F2-Region den Weitverkehr trägt:

Sporadic E

Ein Sonderfall, der jeden Sommer für Aufregung sorgt. Sporadic E besteht aus dünnen, lokal stark ionisierten Wolken in Höhe der E-Region. Sie können Frequenzen zurückführen, die dort niemand erwarten würde - auf 10 m, 6 m und gelegentlich sogar 2 m entstehen dadurch Verbindungen über mehrere hundert bis über tausend Kilometer.

Wie beeinflusst die Ionosphäre Funkwellen?

Im Funkalltag heißt es, die Ionosphäre "reflektiere" Kurzwellen. Als Bild ist das brauchbar, physikalisch aber verkürzt.

Tatsächlich läuft die Welle in ein Medium mit stetig zunehmender Elektronendichte. Der Brechungsindex sinkt dabei kontinuierlich, und die Welle wird Stück für Stück von der Senkrechten weggekrümmt - bis sie unter günstigen Bedingungen so weit umgebogen ist, dass sie zur Erde zurückkehrt. Es gibt keinen Spiegelpunkt, sondern einen ausgedehnten Bogen. Der "virtuelle Spiegel" ist ein Rechenmodell, kein Ort.

Ob eine Welle zurückkommt, hängt vom Verhältnis ihrer Frequenz zur örtlichen Plasmafrequenz ab:

Kritische Frequenz, MUF und LUF

Hier liegt das fachliche Zentrum. Drei Begriffe, die oft durcheinandergehen.

Die kritische Frequenz

Die kritische Frequenz ist die höchste Frequenz, die bei senkrechtem Einfall von einer Region noch zurückgeführt wird. Für die F2-Region heißt sie foF2. Sie hängt allein von der maximalen Elektronendichte ab:

$f_\mathrm{c} \approx 9 \cdot \sqrt{N_\mathrm{e}}$

MUF - die höchste nutzbare Frequenz

Schräg eingestrahlt kommt deutlich mehr zurück als senkrecht. Die MUF ist die höchste Frequenz, die auf einem konkreten Funkweg noch nutzbar ist. Näherungsweise gilt die Sekantenregel:

$\displaystyle MUF = \frac{f_\mathrm{c}}{\cos \theta}$

Dabei ist $\theta$ der Einfallswinkel gegen die Senkrechte. Je flacher die Welle eintritt, desto größer der Faktor. Für lange, flach eingestrahlte Wege kann die MUF ein Mehrfaches der kritischen Frequenz erreichen - bei sehr flachem Einfall liegt der Faktor in der Größenordnung von drei. Eine allgemeine Regel ist das nicht: Der Faktor hängt an Weglänge, Einfallswinkel und Höhenprofil. Und die Näherung setzt eine ebene, gleichmäßige Schicht voraus, während bei großen Entfernungen die Erdkrümmung hineinmuss und die reale Ionosphäre nirgends gleichmäßig ist.

LUF - die niedrigste nutzbare Frequenz

Die LUF ist das Gegenstück, aber sie ist keine geometrische Größe. Sie beschreibt, ab wann unten so viel Absorption dazukommt, dass das Signal im Rauschen verschwindet. Damit hängt sie an ganz anderen Dingen:

• Absorption in der D-Region und damit an Tageszeit und Sonnenstand
• Sendeleistung und Antennengewinn
• Störpegel am Empfangsort
• Betriebsart und dem Signal-Rausch-Abstand, den sie braucht

Zwischen LUF und MUF liegt das nutzbare Frequenzfenster. Ist es geschlossen - weil die Absorption bis über die MUF reicht - hilft auf diesem Weg keine Frequenz mehr.

FOT - die optimale Arbeitsfrequenz

In der Praxis arbeitet man mit Sicherheitsabstand unter der MUF. Verbreitet ist die Konvention FOT etwa 0,85 mal MUF, je nach Verfahren werden auch 80 bis 90 Prozent angesetzt. Das ist keine Naturkonstante, sondern eine statistische Faustregel aus der Ausbreitungsvorhersage: Sie soll eine Frequenz treffen, die deutlich häufiger trägt als der Median. Welche Zuverlässigkeit dahintersteht, hängt am jeweiligen Vorhersageverfahren.

Sprungdistanz, tote Zone und Mehrfachsprünge

Zwei Begriffe werden hier gern vermischt. Die Sprungweite ist die Entfernung, die ein einzelner Sprung überbrückt. Die Sprungdistanz im klassischen Sinn ist enger gefasst: die kürzeste Entfernung vom Sender, in der eine bestimmte Frequenz über die Raumwelle wieder ankommt - steiler abgestrahlt durchdringt sie die Ionosphäre nämlich.

Beides hängt ab von Frequenz, dem Abstrahlwinkel der Antenne, der Höhe der wirksamen Region und dem Elektronendichteprofil - nicht von der Sendeleistung.

Zwischen dem Ende der Bodenwelle und dem ersten Auftreffpunkt der Raumwelle liegt die tote Zone. Dort ist die Station schlicht nicht zu hören, obwohl sie tausend Kilometer weiter gut ankommt.

Diese Zahlen sind Rechenwerte, keine Naturkonstanten: Sie folgen aus Erdkrümmung und Schichthöhe und hängen davon ab, welchen flachsten noch nutzbaren Abstrahlwinkel man ansetzt. Je nach Annahme kommt man auch auf deutlich andere Werte. Für größere Entfernungen braucht es Mehrfachsprünge - und jeder Bodenkontakt dazwischen kostet Energie, besonders über Land.

Treffen mehrere Wege gleichzeitig ein, überlagern sie sich. Daraus entsteht Fading: als Nahschwund durch Überlagerung von Boden- und Raumwelle, oder als selektiver Schwund, bei dem einzelne Frequenzanteile innerhalb desselben Signals unterschiedlich stark ausgelöscht werden. Deshalb klingt eine SSB-Station bei Mehrwegeempfang manchmal verzerrt statt nur leise.

Tagesgang, Jahreszeit und Sonnenzyklus

Die Ionosphäre ist nie zweimal gleich. Drei Rhythmen überlagern sich.

Alles davon sind Tendenzen, keine Garantien. Und der Funkweg zählt als Ganzes: Bei einer Verbindung nach Australien ist es unterwegs irgendwo Nacht, egal wie hell es bei dir ist.

Die Winteranomalie

Ein schönes Beispiel dafür, dass mehr Einstrahlung nicht automatisch mehr Elektronen bedeutet: In vielen mittleren Breiten liegt die Elektronendichte der F2-Region tagsüber im Winter höher als im Sommer - obwohl die Sonne im Sommer viel stärker einstrahlt. Verantwortlich ist nicht die Produktion, sondern die Verlustseite: Die Zusammensetzung der neutralen Atmosphäre verändert sich mit der jahreszeitlichen Zirkulation und treibt im Sommer die Verlustrate hoch. Ausgeprägt ist der Effekt nicht überall und nicht zu jeder Zeit gleich.

Der Sonnenzyklus

Über etwa elf Jahre schwankt die Sonnenaktivität. Im Maximum steigt im Mittel die Ionisation der F2-Region, die MUF liegt höher, und die oberen Bänder öffnen sich regelmäßig für weltweite Verbindungen mit kleiner Leistung. Mehr dazu im Beitrag über den Sonnenzyklus - und wie es aktuell aussieht, zeigt das Funkwetter.

Wenn die Sonne stört

Vier Ereignistypen wirken auf ganz unterschiedliche Weise - und mit ganz unterschiedlicher Vorwarnzeit.

Der Kurzwellenausfall nach einem Flare heißt im deutschen Sprachraum Mögel-Dellinger-Effekt, international meist Radio Blackout oder Sudden Ionospheric Disturbance. Der unmittelbare Röntgeneffekt in der D-Region wirkt auf der sonnenbeschienenen Seite - die Nachtseite ist davon direkt nicht betroffen. Die NOAA skaliert diese Blackouts nach dem Röntgenfluss von R1 bis R5, beschreibt dabei aber erwartbare Auswirkungen, keine garantierten Werte:

Ein geomagnetischer Sturm wirkt langsamer und komplizierter. Ob ein koronaler Massenauswurf überhaupt etwas anrichtet, hängt an Geschwindigkeit, Dichte, Dauer und vor allem an der Richtung des mitgeführten Magnetfelds: Erst ein länger anhaltender südwärts gerichteter Anteil koppelt wirksam Energie ein. Danach kann die F2-Elektronendichte anormal steigen (positiver Ionosphärensturm) oder einbrechen (negativer Ionosphärensturm) - hohe Breiten reagieren meist früh und kräftig, je nach Sturmphase verändern sich aber auch mittlere und niedrige Breiten deutlich.

Welche Kennzahlen helfen wirklich?

Wie wird die Ionosphäre gemessen?

Ionosonde und Ionogramm

Eine Ionosonde arbeitet wie ein Echolot nach oben: Sie fährt einen Frequenzbereich durch, sendet senkrecht nach oben und misst, welche Frequenz nach welcher Laufzeit zurückkommt. Das Ergebnis ist ein Ionogramm, aus dem sich foF2, foE, die Sporadic-E-Grenzfrequenz foEs, virtuelle Höhen und der Faktor M(3000)F2 bestimmen lassen. Echte Höhenprofile entstehen daraus erst durch Modellrechnung.

TEC

Der Total Electron Content zählt die Elektronen entlang eines Weges durch die Ionosphäre, bezogen auf einen Quadratmeter Querschnitt. Gemessen wird er in TECU, wobei ein TECU 10¹⁶ Elektronen je Quadratmeter entspricht. Je nach Ort, Tageszeit und Sonnenaktivität reicht die Spanne von wenigen TECU nachts über mehrere Dutzend tagsüber bis über hundert in äquatorialen Regionen und bei hoher Aktivität.

Für Kurzwelle allein reicht TEC nicht: Dort entscheidet die vertikale Verteilung der Elektronen über die MUF, nicht ihre aufsummierte Zahl. Wichtig wird er bei allem, was durch die Ionosphäre läuft: Satellitennavigation, Satellitenfunk, Laufzeitfehler, Drehung der Polarisationsebene und Szintillation.

Prognosen richtig lesen

Es gibt drei Informationsarten, und sie beantworten drei verschiedene Fragen.

Die verbreiteten Vorhersagen rechnen mit Monatsmedianen. Die ITU-R P.533 stützt sich auf monatliche Medianwerte wie foF2 und M(3000)F2, rechnet daraus aber ein ganzes Modell aus Ausbreitungsmoden, Feldstärken, Rauschen und Zuverlässigkeit - ein reiner MUF-Rechner ist sie nicht. Das IRI, ein gemeinsames Referenzmodell von COSPAR und URSI (aktuell IRI-2020), liefert ebenfalls klimatologische Mittelwerte und keine Tagesvorhersage.

Quellen: Aufbau, Ionisation und Rekombination nach Wikipedia: Ionosphäre und dem NOAA Space Environment Center; Höhenangaben zusätzlich nach NASA und ARRL; Absorptionsverhalten der D-Region und maximale Sprungweiten nach ARRL/QST, Radio Waves and the Ionosphere; kritische Frequenz und Sekantenregel nach Wikipedia: Maximum usable frequency; Skala der Radio Blackouts nach NOAA Space Weather Scales; Ionogramm und virtuelle Höhe nach NOAA NCEI; Prüfungsfragen aus dem offiziellen Fragenkatalog der Bundesnetzagentur. Alle Höhen, Elektronendichten und Sprungweiten sind Größenordnungen - die Ionosphäre ist eine veränderliche Region ohne feste Grenzen.