Die Ionosphäre ist ein Teil der Erdatmosphäre und umfasst hierbei speziell die Meso- und Thermosphäre. Sie erstreckt sich daher von der Stratopause, der unteren Grenze der Mesosphäre, bis zur unteren Grenze der Exosphäre in circa 500 km Höhe.
Die mittlere freie Weglänge einzelner Gasteilchen beträgt in der Ionosphäre mehrere Kilometer, so dass ein Energieaustausch zwischen den Teilchen auf Grund seltenen Kontakts kaum stattfindet. Diese Gasmoleküle der extrem dünnen Atmosphärenschicht werden von der eintreffenden energiereichen kosmischen Strahlung ionisiert, also in Ionen und freie Elektronen gespalten. Dadurch geht das Gas in den Plasmazustand über. Aufgrund der geringen Dichte der Ionosphäre können diese Teilchen lange existieren, ehe sie wieder rekombinieren. Es herrschen hierbei starke elektrische und magnetische Felder, mit denen elektrisch geladene Teilchen des Sonnenwindes wechselwirken, wodurch es unter anderem zu Polarlichtern kommt. Es können auch elektrische Ströme fließen, die die Ausbreitung von Funkwellen erheblich beeinflussen. Dies führt dazu, dass je nach Höhe, Tageszeit und auch Sonnenaktivität elektromagnetische Strahlung im Bereich der Radiowellen in der Ionosphäre reflektiert bzw. absorbiert werden und sich auf diese Weise charakteristische Auswirkungen der Ionosphäreschichtung auf die Funk- und Kommunikationstechnik zeigen. Es liegt hierin begründet, dass Radioprogramme und Funkamateure oft Reichweiten aufweisen, die auf direktem Wege, bedingt durch die Erdkrümmung, unmöglich wären. Die hierfür verantwortlichen Ionosphärenschichten werden als D, E, F1 und F2 Schicht bezeichnet.
Aufbau, Reflexionsverhalten und Tagesgang
Das Reflexionsverhalten von Kurzwellen an der Unterseite der Ionosphäre ist von der Tages- und Jahreszeit, das Reflexionsverhalten am Erdboden von der Bodenbeschaffenheit, vom Wassergehalt, vom Grundwasserspiegel und von der geologischen Struktur abhängig. Hauptursache für das Reflexionsverhalten an der Ionosphäre ist dabei die von der Sonne einfallende elektromagnetisch geladene und ungeladene Teilchenstrahlung, welche eine ionisierende Wirkung auf hohe Schichten der Erdatmosphäre hat (solarer Flux).
Das Reflexionsverhalten von anderen Radiowellen ist so gering ausgeprägt, dass das Fading durch Interferenz praktisch ausgeschlossen wird. In der Theorie besteht zwar Reflexion an der Ionosphäre, diese ist aber zu gering um ins Gewicht zu fallen.
Die Ionendichte ist in verschiedenen Höhen über den Erdboden nicht konstant. Vielmehr gibt es Schichten, in denen die Dichte - und damit die Anzahl freier Elektronen - stärker ansteigt als in den dazwischen liegenden Zonen. Solche Zonen nennt man Ionosphärenschichten. 1902 sagten Arthur Edwin Kennelly und Oliver Heaviside unabhängig voneinander als erste eine solche Schicht voraus. Sie heißt heute E-Schicht oder Kennelly-Heaviside-Schicht. Edward Victor Appleton entdeckte in großer Höhe eine wesentlich stärker ionisierte Schicht, die heute F-Schicht genannt wird und für die Reflexion von Kurzwellensignalen von elementarer Bedeutung ist. Die Höhe der Schicht und die Intensität der Ionisierung hängt sowohl von der Jahreszeit als auch von der Tageszeit ab.
Nachts, wenn keine Sonneneinstrahlung vorhanden ist und damit die Ionisationsquelle entfällt, lösen sich verschiedene Schichten durch Rekombination von Ionen und Elektronen zu ungeladenen Atomen auf. Die D-Schicht rekombiniert nach Sonnenuntergang sehr schnell, da sie am nähesten über der Erdoberfläche liegt und die Luftdichte noch nicht so gering ist. Die E-Schicht verschwindet einige Stunden nach Sonnenuntergang. Die am Tage gebildeten F1- und F2-Schichten verschmelzen zur F-Schicht, deren Ionisation in den Nachtstunden zwar abnimmt, jedoch nicht vollständig verschwindet.
Kurzwellensignale müssen tagsüber die D- und E-Schicht passieren, bevor sie an der F2-Schicht reflektiert werden können. Sie erfahren dort eine Streuung und eine Absorption ihrer Energie. Das heißt sie werden gedämpft und ihre Signalstärke wird schwächer. Nachts, wenn sich die unteren Ionosphärenschichten aufgelöst haben, tritt diese Dämpfung nicht ein.
Die Reflexion elektromagnetischer Wellen an der F2-Schicht, kann mit den Brechungsgesetzen von Snellius erklärt werden. Nach diesen Gesetzen wird eine elektromagnetische Welle beim Eintritt in ein optisch dichteres Medium zum Einfallslot hingebrochen. Das Lot ist dabei die Senkrechte auf die Ionosphärenschicht, die als optisches dichteres Medium fungiert. Die einfallende Strahlung wird in mehreren kleinen Winkeln gebrochen, bis Totalreflexion auftritt. Der Brechungsindex der elektromagnetischen Strahlung ist von ihrer Frequenz abhängig. Je niedriger die Frequenz ist, desto stärker ist die Brechung. Für Kurzwellenempfang bedeutet dies, dass niedrigere Frequenzen besser reflektiert werden als hohe Frequenzen. Tagsüber, bei einer stärkeren Ionisation der F2-Schicht, werden auch höhere Frequenzen gut reflektiert.
Bei höheren Frequenzen ab ca. 50 MHz ist die Brechung so gering, dass Funkstrahlung nicht mehr zur Erde zurückgebrochen wird. Die Reichweite dieser Frequenzen geht daher nur bis zum Horizont.
In einer Höhe von 90 bis 120 km tritt sporadisch die Es-Schicht (sporadicE) auf. Diese tritt zu willkürlichen Zeiten - in Mitteleuropa meist tagsüber in den Sommermonaten - auf und entsteht, wenn unterschiedliche physikalische Prozesse zusammentreffen. Es wird vermutet, dass Spuren ionisierender Gase von in der Atmosphäre verbrennenden Meteoriten, zur Entstehung dieser Schicht beitragen. Wird die Iononisation der Es-Schicht sehr stark, so können Kurzwellen nicht mehr zur F2-Schicht gelangen und an ihr reflektiert werden. Dies kann temporär zum völligen Zusammenbruch des Kurzwellenempfangs führen. Dieser als Mögel-Dellinger-Effekt bezeichnete Zustand wird auch tote Viertelstunde genannt. Im UKW-Bereich können Überreichweiten auftreten, da UKW-Signale an der Es-Schicht reflektiert werden.
| Schicht | Höhe | Bemerkung |
|---|---|---|
| D | ca. 60 - 80 km | tagsüber vorhanden, Ionisation entsprechend dem Sonnenstand |
| E | ca. 100 - 130 km | tagsüber vorhanden, Ionisation entsprechend dem Sonnenstand |
| Es | ca. 100 km | sporadisch im Sommer auftretend |
| F1 | ca. 200 km | tagsüber vorhanden, geht nachts mit F2-Schicht zusammen |
| F2 | ca. 250 - 400 km | Tag und Nacht vorhanden |
Prinzipiell bedeutet hohe Energieeinstrahlung auch eine bessere Reflexion. Zusätzlich werden höhere Frequenzen (größer als beispielsweise 10 MHz) besser reflektiert, wenn die Einstrahlung ansteigt. Dabei stellt sich eine maximale Grenzfrequenz ein, die kontinuierlich gemessen werden kann (MUF, Maximum Usable Frequency). Analog gibt es eine minimale Grenzfrequenz unterhalb derer Kurzwellen nicht mehr an der Ionosphäre reflektiert werden. Diese wird als Lowest Usable Frequency (LUF) bezeichnet. Zu bestimmten Zeiten kann in einer Weltregion die LUF über der MUF liegen, sodass kein Kurzwellenempfang zwischen zwei Orten innerhalb dieser Region möglich ist. So ist beispielsweise zur Mittagszeit in Mitteleuropa kein Empfang von südamerikanischen Sendern möglich.
Der Ort maximaler Ionisation wandert täglich durch die Erdrotation von Ost nach West über den Globus. Durch die Neigung der Erdachse kommt es dabei zusätzlich zu einer jahreszeitlichen Verschiebung. Bei Dämmerung und in den Nachtstunden klingt die Ionisation langsam wieder ab, wobei die MUF absinkt. Des Weiteren hat die Sonnenfleckenaktivität, die in einem 11-Jahreszyklus variiert, einen Einfluss auf die Ionisation. Ähnlich wie in der Meteorologie gibt es für Ausbreitungsbedingungen einen Funk-Wetterbericht sowie Ausbreitungsvorhersagen, die nach Frequenz, Tageszeit, Jahreszeit und geografischem Zielgebiet aufgeschlüsselt werden.
Das Reflexionsverhalten ist vom Winkel der eintreffenden Strahlung des Senders abhängig. Sendeantennen werden auch unter Berücksichtigung dieses Aspektes entworfen und gebaut. Der niedrigste Abstrahlwinkel einer Kurzwellenantenne beträgt etwa 5 Grad. Die F2-Schicht wird in einer Entfernung von etwa 1.500 bis 2.000 Kilometern vom Sender getroffen. Nach der Reflexion kann das Signal folglich in einer Entfernung von 3.000 bis 4.000 Kilometern vom Sender am Erdboden empfangen werden. Ist die Entfernung zwischen Sender und Empfänger größer, so sind mehrere Ionosphären-Reflexionen erforderlich, um diese Distanz zurückzulegen.
Siehe auch: Troposphäre - Stratosphäre
Erforschung
Der Physiker Merle Antony Tuve entwickelte die Methode um mit Radiowellen die Ionosphäre zu erforschen.
