Aufbau der Erdatmosphäre (links) und Lage der Ionosphäre (rechts)Ionosphärenschichten: Elektronendichte und Ionen-ZusammensetzungDetailansicht von Atmosphäre und Ionosphäre mit der Verteilung von Temperatur, Druck, Dichte und Elektronenkonzentration
Die Ionosphäre der Erde beeinflusst den Funkverkehr, indem sie Kurzwellen reflektiert und damit weltweite Verbindungen ermöglicht. Außerdem dämpft sie die Ausbreitung von Radiowellen mit großer Wellenlänge. Sie beginnt oberhalb der Mesosphäre in einer Höhe von ungefähr 80 km, erreicht ihre größte Elektronendichte in einer Höhe um die 300 km und geht letztlich in den interplanetaren Raum über. Als Grenze zwischen Ionosphäre und Plasmasphäre kann die sogenannte Übergangshöhe betrachtet werden, bei der die Konzentration von ionisierten, atomaren Sauerstoff (O+) und Protonen (Wasserstoff-Ionen H+) gleich ist. Sie wird gewöhnlich auf eine Höhe von 1000 km festgelegt. Dort erhöht sich die Skalenhöhe, mit der die Teilchendichte exponentiell abnimmt. Die Ionosphäre liegt somit größtenteils innerhalb der mit Blick auf Neutralteilchen definierten Thermosphäre.
Entstehung der IonosphäreBearbeiten
Der tangentiale Blick auf das Polarlicht veranschaulicht die Höhenabhängigkeit des Energieeintrags in die Atmosphäre durch Korpuskularstrahlung.
Die Ionosphäre entsteht durch Absorption ionisierender solarer Strahlung, vor allem durch energiereiche elektromagnetische Wellen (Ultraviolett- und Röntgenstrahlung), aber auch durch Teilchenstrahlung (Korpuskularstrahlung; hauptsächlich Elektronen und Protonen). Jedoch leisten die kosmische Hintergrundstrahlung und Meteoritenströme, die pausenlos in der Erdatmosphäre verglühen, ebenfalls einen gewissen Beitrag zur Ionisation. Durch die solare Strahlung werden Valenzelektronen von den Atomen gelöst: Es entstehen positive Ionen und freie Elektronen und somit ein elektrisch leitender Bereich der Atmosphäre. Ein (zumindest teilweise) ionisiertes Gas wird auch als Plasma bezeichnet.
Der Elektronengehalt (TEC) der Ionosphäre am 12. Februar 2007 um 09:00 UT = 10:00 MEZ
Auf ihrem Weg nach unten wird die solare Ultraviolett- und Röntgenstrahlung mehr und mehr absorbiert. In großen Höhen (Exosphäre) ist die Strahlung am energiereichsten, trifft jedoch nur auf wenige ionisierbare Gasmoleküle. Je dichter die Atmosphäre nach unten wird, desto größer ist zunächst die örtliche Ionisation. Durch die Absorption sinkt jedoch die Strahlungsintensität. Auch verringert sich durch die Zunahme der atmosphärischen Dichte die mittlere freie Weglänge der Gasteilchen, was zu einer beschleunigten Wiedervereinigung von Elektronen und positiven Ionen führt (Rekombination). Das Gleichgewicht zwischen Ionisation und Rekombination bestimmt die örtliche Elektronendichte. Das beschreibt in einfachster Form Sydney Chapmans Theorie. Weil aber die molekulare Zusammensetzung von der Höhe abhängt und sowohl die zur Ionisation erforderliche Energie als auch die möglichen Rekombinationsprozesse von der Art des Neutralgases, bilden sich zwischen Exosphäre und unterer Ionosphäre bei Tag meist drei Maxima der Ionisation (D-, E- und F-Region) aus.
Die Höhe dieser Schichten hängt von der Dichte-Verteilung der (überwiegenden) Neutralen ab, aber auch vom höhenabhängigen Auftreten der verschiedenen Atom- und Molekülarten. Die Intensität der solaren Strahlung beeinflusst nur die lokale Dichte der Elektronen, nicht die Höhe der Maxima der Elektronendichte.
Der Grad der Ionisation hängt primär von der solaren Strahlungs-Intensität ab, aber auch von den Rekombinations- und Anlagerungsprozessen. Folglich gibt es eine diurnale (tägliche), eine saisonale (jahreszeitliche) und eine geographische (örtliche) Abhängigkeit. In der F-Region sind die Verhältnisse komplizierter, weshalb man mit empirischen Ionisations-Karten arbeitet. Eine wichtige Rolle spielt auch die Sonnenaktivität im elfjährigen Sonnenfleckenzyklus, gelegentlich auch Ereignisse wie Sonnenstürme.
Die IonosphärenschichtenBearbeiten
Aufbau der Ionosphäre in Abhängigkeit von der Jahres- und Tageszeit.
Innerhalb der Ionosphäre existieren drei lokale Ionisationsmaxima, weswegen sie in drei Bereiche unterteilt wird: die D-, die E- und die F-Schicht.
Aufbau der Ionosphärenschichten
Schicht
Höhe (ca.)
Bemerkung
D
070…090 km
tagsüber vorhanden, Ionisation entsprechend dem Sonnenstand
E
110…130 km
tagsüber vorhanden, Ionisation entsprechend dem Sonnenstand
Es
000…110 km
dünn, oft lückenhaft, sporadisch, vor allem im Sommer
F1
000…200 km
tagsüber vorhanden, geht nachts mit F2-Schicht zusammen
F2
250…400 km
Tag und Nacht vorhanden
Ionisationsmaxima werden der Energieabsorption durch bestimmte Gasteilchenarten zugeordnet. Über einer Höhe von 100 km ist die Durchmischung der Luft zu einer Gleichverteilung der Gase nicht mehr ausreichend, es stellt sich eine heterogene Verteilung ein. Dieser Bereich wird als Heterosphäre bezeichnet. Die Absorption der Strahlung, die ein bestimmtes Gas ionisiert, geschieht bevorzugt dort, wo dieses hoch konzentriert vorliegt.
Elektronendichte innerhalb der Ionosphäre auf der Tagseite der Erde mit den Ionisationsmaxima der D-, E- und F-Schicht
Die D-SchichtBearbeiten
Die D-Schicht ist die der Erde am nächsten gelegene Schicht und existiert nur am Tage in einem Höhenbereich zwischen 70 und 90 km. Ionisation findet durch Strahlung der Lyman--Serie bei 121,6 nm statt, die von Stickstoffmonoxid (NO) absorbiert wird. In Zeiten mit ausreichend hoher Sonnenfleckenzahl ionisieren zusätzlich harte Röntgenstrahlen (Wellenlänge < 1 nm) die Luftmoleküle (N2, O2). In der Nacht verbleibt durch die kosmische Strahlung eine geringe Restionisation.
Wegen der dort herrschenden hohen Luftdichte ist einerseits die Rekombination groß, weswegen sich die Schicht bei Sonnenuntergang binnen weniger Minuten nahezu auflöst, andererseits ist die Kollisionsfrequenz zwischen Elektronen und anderen Teilchen während des Tages sehr hoch (ca. 10 Millionen Kollisionen pro Sekunde). Dies bedeutet für Radiowellen eine starke Dämpfung, die mit wachsender Wellenlänge zunimmt. Im Fernverkehr verhindert dies tagsüber eine Nutzung der Raumwelle auf Funkfrequenzen kleiner als etwa 10 MHz (ionosphärischer Wellenleiter). UKW-Signale können an der D-Schicht gestreut werden (Ionoscatter).
Die E-SchichtBearbeiten
Die E-Schicht ist die mittlere Ionosphärenschicht, die sich in einer Höhe zwischen 90 und 130 km ausbildet. Ionisation findet auf Grund weicher Röntgenstrahlung (Wellenlänge 1–10 nm) und ultravioletter Strahlung (zwischen 80 und 102,7 nm) an atomarem Sauerstoff (O) sowie Stickstoff- und Sauerstoffmolekülen (N2, O2) statt. Sie weist eine mittlere Elektronenkonzentration von etwa 100.000 je cm³ auf, sodass nur 0,1 % der vorhandenen Atome ionisiert sind.
Die E-Schicht bildet sich auf der Tagseite der Erde aus, erreicht ihr Ionisationsmaximum in der Mittagszeit und verschwindet nach Sonnenuntergang innerhalb einer Stunde fast vollständig. Im Sonnenfleckenmaximum liegt die Schicht höher als im Minimum. Innerhalb der E-Schicht kommt es häufig, aber nicht regelmäßig, zu starken lokalen Ionisationen in einer nur wenige Kilometer dicken Schicht, die als sporadische E-Schicht bezeichnet wird.
Für Kurzwellen ist Spiegelung an der E-Schicht höchstens im Nahverkehr interessant, da ihre kritische Frequenz nur zwischen 2 und 4 MHz liegt.
Die E-Schicht wird auch als Kennelly-Heaviside-Schicht oder kurz als Heaviside-Schicht bezeichnet. Die Bezeichnung geht zurück auf Arthur Edwin Kennelly beziehungsweise Oliver Heaviside, die unabhängig voneinander und nahezu gleichzeitig im Jahr 1902 ihre Existenz vorhersagten. Nachgewiesen wurde die E-Schicht als erste der Ionosphärenschichten im Jahr 1924 von Edward Victor Appleton, der sie 1927 erstmals als E(lektrische)-Schicht bezeichnete. Die später entdeckten, weiteren Schichten wurde gemäß ihrer relativen Höhenlage dann als D- und F-Schicht bezeichnet. (Siehe auch Geschichtliches).
Die F-SchichtBearbeiten
Die F-Schicht liegt mit 200 bis 400 km am höchsten und ist die am stärksten ionisierte Schicht. Sie wird durch extreme ultraviolette Strahlung (EUV, Wellenlänge 14 bis 80 nm) ionisiert, die auf atomaren Sauerstoff oder Stickstoff-Moleküle trifft. Sie ist eine breite Region mit maximaler Ionisation von bis zu einer Million freier Elektronen je cm³.
Vergleich der Häufigkeit der beiden Elektronenstoßarten: elastische Coulomb-Stöße und inelastische Neutralen-Stöße
In der F-Schicht finden Elektronenstöße größtenteils elastisch (berührungslos) mit positiven Ionen statt, was als Coulomb-Stoß bezeichnet wird. Dahingegen überwiegen in den dichteren D- und E-Schichten unelastische Stöße von Elektronen mit dem Neutralgas. [Damit stellt die Ionosphäre der Erde eine Ausnahme dar – in den meisten astrophysikalischen Plasmen überwiegen die Coulomb-Stöße.]
Die F-Schicht besteht auch nachts weiter, da die freien Elektronen wegen der großen mittleren freien Weglänge nur sehr langsam rekombinieren. Am Tage zeigt sich im Profil der F-Schicht häufig eine Verformung, die sogenannte F1-Schicht, der Gipfel des Profils liegt aber in der F2-Schicht. Die F1-Schicht ist der Ort größter Ionenproduktion, die ohne Sonneneinstrahlung stark zurückgeht. Die stärkste Ionenkonzentration dagegen findet sich jedoch in der F2-Schicht aufgrund der dort schwächeren Rekombination. Die F1-Schicht, die nur bei Tag erscheint, befindet sich in einem photochemischen Gleichgewicht, in dem die Verluste durch schnell verlaufende Rekombination geschehen. Dahingegen ist der vorwiegende Verlustprozess in der F2-Schicht mit der Umwandlung von O+-Ionen in NO+- und O2+-Ionen verknüpft. Dieser Verlustprozess verläuft langsamer. Im Sommer liegt der Gipfel der F2-Schicht höher als im Winter. Für Kurzwellen ist sie die wichtigste Schicht, weil Funkverkehr über 3500 km nur durch wiederholte Reflexion an dieser Schicht zustande kommt.
Die F-Schicht wird auch als Appleton-Schicht bezeichnet. Die Bezeichnung geht zurück auf Edward Victor Appleton, der 1924 die Existenz der Kennelly-Heaviside-Schicht nachweisen konnte (siehe auch Geschichtliches).
Nutzung der IonosphäreBearbeiten
Bodenwelle und eine an der Ionosphäre reflektierte Raumwelle (mit Multi-Hop)
FunkwellenBearbeiten
Höhere Schichten der Ionosphäre werden durch die Sonnenstrahlung teilweise ionisiert und enthalten deshalb freie Elektronen, die durch das elektrische Feld von Funkwellen der Frequenz zu Schwingungen angeregt werden können. Die schwingenden Elektronen senden ihrerseits Wellen aus, die in der Umgebung der Plasmafrequenz (2 bis 7 MHz) stark phasenverschoben sind und sich mit der ursprünglichen Welle überlagern. Da die Ionosphäre vom Magnetfeld der Erde durchsetzt ist, können die freien Elektronen von den Funkwellen zusätzlich zu Kreisbewegungen um die Feldlinien angeregt werden. Diese Zyklotronfrequenz beträgt über Mitteleuropa etwa 1,3 MHz. Dabei kann die Drehrichtung der zirkular polarisierten Funkwelle mit der Elektronenbewegung übereinstimmen oder nicht, weshalb die Ionosphäre zirkular doppelbrechend ist. Linear polarisierte Wellen müssen deshalb als Überlagerung zweier zirkularer Wellen mit entgegengesetztem Umlaufsinn interpretiert werden, für die unterschiedliche Brechungsindex gelten. Verläuft die Ausbreitungsrichtung parallel zu den Magnetfeldlinien, gelten für f > 1 MHz folgende Näherungen:
Der Unterschied beider Formeln ist im UKW-Bereich vernachlässigbar und verschwindet, falls der Wellenvektor mit der Richtung des Magnetfeldes einen rechten Winkel einschließt, denn dann ist (Anisotropie). Die beiden zirkular polarisierten Funkwellen bewegen sich mit unterschiedlicher Phasengeschwindigkeit (eine größere Phasengeschwindigkeit entspricht einem kleineren Brechungsindex) durch das Material und können unterschiedlich gedämpft werden. Beim Empfang überlagern sich beide Anteile zu einer elliptisch polarisierten Welle, deren Hauptrichtung meist gedreht ist (Faraday-Effekt).
Vertikales Ausbreitungsverhalten zweier Funksignale unterschiedlicher Frequenz. Die niedrigere des rechten Signals wird in der E-Schicht reflektiert, die höhere des linken durchdringt die E-Schicht, bleibt aber niedriger als die kritische Frequenz der F-Schicht, weshalb sie in dieser Schicht reflektiert wird.Flach abgestrahlte Wellen treffen in einiger Entfernung wieder auf den Erdboden
Für ist der Brechungsindex rein imaginär. Deshalb werden alle tieferen Frequenzen vollständig reflektiert. Wie bei der Überschreitung der Grenzfrequenz eines Hohlleiters können – bei ausreichender Schichtdicke – die Wellen die Ionosphäre nicht durchdringen, werden aber auch nicht absorbiert. Lang- und Mittelwellensignale kehren also immer zum Erdboden zurück, ebenso Funkfrequenzen unterhalb der Plasmafrequenz der F2-Schicht, die meist über 7 MHz liegt. Funksignale oberhalb dieser kritischen Frequenz können die Ionosphäre bei senkrechtem Einfall durchdringen. Für eine schräg auffallende Welle ist die entsprechende Grenzfrequenz, die Maximum Usable Frequency (MUF) höher als die kritische, umso mehr, je flacher der Einfall erfolgt. Sie kann aus der kritischen Frequenz näherungsweise wie folgt bestimmt werden:
mit = Abstrahlwinkel der Welle relativ zum Horizont, = Entfernung zwischen Sende- und Empfangsort, = virtuelle Höhe der Reflexion.
Flach abgestrahlte Wellen treffen nach der Totalreflexion an einer Ionosphärenschicht in einiger Entfernung wieder auf den Erdboden. Falls die Bodenwelle geringere Reichweite hat, entsteht um den Sender herum eine tote Zone, in der kein Empfang möglich ist, wohl aber in größerer Entfernung. Der Begriff „Reichweite“ verliert hier seinen Sinn.
Die minimal nutzbare Frequenz (englisch: lowest usable frequency, LUF) ist die untere Grenzfrequenz im Kurzwellenbereich, die für die Übertragung eines Signals zwischen zwei Punkten zu einem gegebenen Zeitpunkt genutzt werden kann. Sie ist abhängig von der Elektronendichte und der Häufigkeit der Zusammenstöße in den dämpfenden unteren Ionosphärenschichten und ist allgemein mittags am höchsten. Diese Überlegungen gelten nicht für den UKW-Bereich, dessen Frequenzen oberhalb der Plasmafrequenz liegen.
Elektrische und mechanische EnergiegewinnungBearbeiten
Energiewandlung mit einem Propulsive Tether System.
Das Propulsive Small Expendable Deployer System (ProSEDS) ist ein kabelbasiertes System zur Gewinnung elektrischer Energie und Ausübung von elektrodynamischen Kräften auf Raumfahrzeuge, das nach dem Funktionsprinzip eines Space Tethers arbeitet. Sein Start wurde mehrfach verschoben und ist derzeit ungewiss. Ein Vorgängersystem (Tethered Satellite Systems (TSS)) wurde 1996 während der Space-Shuttle-Mission STS-75 erfolgreich getestet.
ErdbebenvorhersageBearbeiten
Es wird vermutet, dass es während und auch vor Erdbeben zu Auswirkungen in der Ionosphäre kommt. Als mögliche Ursachen werden chemische, akustische und elektromagnetische Mechanismen diskutiert. Z. B. wird die Freisetzung von Ladungsträgern aus oxidischen Mineralien durch tektonischen Spannungen angeführt, aber auch Effekte wie die Anregung von atmosphärischen Schwerewellen durch Ausgasungen (Abb. 12 in). Auch wenn die Ionosphäre seit längerem vom Boden aus und mit Satelliten überwacht wird, ist eine Kopplung derzeit nicht als nachhaltig nachgewiesen anzusehen.
Satelliten, die dieses Phänomen näher untersuchen, sind Demeter (Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions) der französischen Weltraumorganisation CNES aus dem Jahr 2004 und der 2006 gestartete russische Kompas 2.
Kenngrößen der IonosphäreBearbeiten
KenngrößenBearbeiten
Die nachfolgend vorgestellten Größen lassen sich in lokale physikalische Größen und Kenngrößen der Schichten unterscheiden. [Letztere sind der Messung von außen direkt zugänglich und für Anwendungen meist ausreichend.] Die praktische Anwendung der Definitionen ist im URSI Handbook erläutert.
Für Anwendungen im Zusammenhang mit elektromagnetischen Wellen ist die Plasmafrequenz eine zentrale Größe. Sie gibt an, bis herab zu welchen Frequenzen die Wellen sich im Plasma ausbreiten. Die Plasmafrequenz hängt hauptsächlich von der Teilchendichte der Elektronen ab, da diese dem Wechselfeld leichter folgen als die trägen Ionen. Unter Vernachlässigung der Ionen beträgt die Plasmafrequenz
Darin sind die Ladung und die Masse eines Elektrons. Und ist die elektrische Feldkonstante. Setzt man diese Konstanten ein, so ergibt sich
Abhängig von der Dichte der freien Elektronen steigt die Plasmafrequenz von etwa 1,5 MHz in 100 km Höhe auf etwa 7 MHz in etwa 800 km Höhe.
Eine ähnliche Größe ist die vom Magnetfeld abhängige Gyrationsfrequenz. Abgesehen von Sonnenstürmen ist das Magnetfeld das irdische und die Gyrofrequenz nahe bei 1 MHz.
Schumann-ResonanzenBearbeiten
Der Raum zwischen der Erde und der Ionosphäre kann als Hohlraumresonator fungieren. Schumann-Resonanzen heißen diejenigen Frequenzen, bei denen die Wellenlänge einer elektromagnetischen Schwingung in dem Hohlleiter zwischen Erdoberfläche und Ionosphäre ein ganzzahliger Teil des Erdumfangs ist. Bei der Anregung mit elektromagnetischen Schwingungen solcher Frequenzen entstehen stehende Wellen, die so genannten Schumannwellen. Die Energie für die niederfrequente Anregung stammt aus der weltweiten Gewittertätigkeit. Die Grundwelle der Schumann-Resonanz liegt bei 7,8 Hz, dazu kommen noch verschiedene Oberwellen zwischen 14 und 45 Hz. Aufgrund atmosphärischer Turbulenzen treten Schwankungsbreiten dieser Werte auf.
Eine Ionosonde ist eine Radar-Anlage zur aktiven Untersuchung der Ionosphäre. Ionosonden überwachen die Höhe und die kritische Frequenz der Ionosphärenschichten. Dazu senden sie Kurzwellen-Radarpulse verschiedener Frequenzen gegen die Ionosphäre und messen hauptsächlich die Laufzeit des empfangenen Echos, aus der die Höhe der Reflexion bestimmt werden kann.
Mit zunehmender Frequenz wird das Signal weniger stark zurückgestreut und dringt somit tiefer in die Ionosphäre ein, bevor es reflektiert wird. Durch das tiefere Eindringen verändert sich die gemessene, sogenannte virtuelle, Höhe der reflektierenden Schicht. Beim Überschreiten der kritischen Frequenz ist die Ionosphäre nicht mehr in der Lage, das Signal zu reflektieren. Es kann jeweils nur die Hälfte der Ionosphäre bis zur maximalen Elektronendichte sondiert werden. Die Messanlagen befinden sich in der Regel am Erdboden zur Untersuchung der Unterseite („bottomside“) oder auf Satelliten für die Oberseite („topside“).
Mit den Sonden können Aufzeichnungen der Signallaufzeit beziehungsweise daraus berechneten Reflexionshöhe über der Frequenz erstellt werden, die sogenannten Ionogramme.
HAARP-Empfangsanlagen, oben die der beiden Riometer
Ein Relative Ionospheric Opacity Meter oder kurz Riometer ist ein Gerät zur passiven Beobachtung der ionosphärischen Absorptionsfähigkeit.
Es misst die Empfangsstärke der kosmischen Hintergrundstrahlung im Bereich der Radiowellen, die von Sternen oder Galaxien beständig ausgestrahlt wird und nach Durchquerung der Ionosphäre die Erde erreicht (Radiofenster). Obwohl die Stärke mit der Erdrotation variiert, ist sie dennoch je nach Himmelsregion für irdische Maßstäbe ausreichend konstant und somit vorhersagbar. Es wird insbesondere die Absorption in Höhen bis zu 110 km gemessen, da der Großteil der Absorption in den unteren Lagen der Ionosphäre wie der D-Schicht stattfindet.
RaketensondenBearbeiten
Raketensonden (englischSounding Rockets) sind mit Messinstrumenten bestückte Forschungsraketen, die bevorzugt zur Erstellung von Profilen der Ionenverteilung in der Ionosphäre eingesetzt werden. Sie sind kostengünstig und erlauben Messungen in Höhen, die oberhalb der Maximalhöhe von Ballons (≈ 40 km) und unterhalb der Minimalhöhe von Satelliten (~ 120 km) liegen. Außerdem erreichen sie eine mit anderen Messverfahren nicht mögliche räumliche Auflösung im Zentimeterbereich.
SatellitenBearbeiten
Einer der ersten Satelliten im Auftrag der Ionosphärenforschung: Alouette 1
Satelliten werden zu zwei Zwecken der Ionosphärenmessung eingesetzt. Zum einen komplettieren satellitengestützte Ionogramme (Topside-Aufnahmen) die Messdaten der Bodenstationen (Bottomside-Aufnahmen), zum anderen werden die Messgrößen nicht wie bei Bodenstationen von der Atmosphäre beeinflusst. Beispielsweise wird der solare Röntgen-Flux von GOES gemessen. Der solare Flux bei 10,7 cm Wellenlänge hingegen wird von der Atmosphäre nicht verändert und täglich von Bodenstationen gemessen.
Die Messverfahren der Satelliten lassen sich in passive (nur Empfangssensoren) und aktive (Signalaussendung und -empfang) unterscheiden. Bei den aktiven Verfahren befinden sich Sender und Empfänger meist wie bei einem Radar räumlich nah beieinander (im gleichen Satelliten), jedoch muss dem nicht zwangsläufig so sein. Beispiele hierfür sind das Radio-Okkultationsverfahren oder die GPS-gestützte Ionosphärentomographie, bei der Zweifrequenzmessungen genutzt werden, um den entlang des Signalweges integrierten Elektronengehalt (TEC, Total electron content) zu bestimmen.
Einer der ersten Satelliten, der zur Untersuchung der Ionosphäre eingesetzt wurde, war neben dem 1958 gestarteten Explorer 1 der USA der im Jahr 1962 gestartete kanadische Satellit Alouette 1 (frz. Lerche). Nach seiner zehnjährigen Mission wurde er planmäßig abgeschaltet. Er befindet sich auch heute noch im Orbit (Stand: Januar 2006) und seine verantwortlichen Ingenieure sehen sogar eine geringe Chance, dass er reaktiviert werden könnte. Ihm folgten weitere Ionosphären-Satelliten des Programms International Satellites for Ionospheric Studies (ISIS). Das Meßprogramm der beiden deutsch-amerikanischen Aeros-Satelliten entstand in Zusammenhang mit dem internationalen Projekt International Reference Ionosphere und hat wichtige Beiträge dazu geleistet.
Einer der jüngsten Satelliten zur Ionosphärenforschung ist Demeter (Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions) aus dem Jahr 2004, den die französische CNES unter anderem zur Untersuchung der Möglichkeiten für Erdbebenvorhersagen entsendet hat.
Inkohärentes Scatter-RadarBearbeiten
Die Standorte aller operativen Scatter-Radarstationen
Hiermit wird eine Technik bezeichnet, die erdgestützt Radarwellen gegen die Ionosphäre sendet. Dadurch werden dort Valenzelektronen losgelöst, deren Echo ausgewertet wird. Aus dem Echo lassen sich Informationen zur Elektronendichte, Ionen- und Elektronentemperatur, Ionenzusammensetzung und Plasmageschwindigkeit ableiten.
Das Wort inkohärent bedeutet hier phasenungleich und bezieht sich auf die Tatsache, dass das zu untersuchende Medium im Verhältnis zu den Beobachtungsmöglichkeiten des Radars als instabil zu betrachten ist, d. h. das Medium verändert sich so schnell, dass diese Veränderungen nicht im Detail mit dem Radar beobachtet werden können.
Die genaue Kenntnis über die Parameter der Ionosphäre, insbesondere der Elektronendichte, ist für zahlreiche Anwendungen wie den Funkverkehr, die Bahnverfolgung von Satelliten und die weltallseitige Erdbeobachtung unabdingbar. Aus diesem Grund wurden Modelle entwickelt, die zur Beschreibung und Analyse der Ionosphäre verwendet werden.
Das mit Blick auf seine Entwicklungszeit und Anzahl an ableitbaren Größen ausgereifteste Modell ist die International Reference Ionosphere (IRI). Die IRI ist ein gemeinsames Projekt des Committee of Space Research (COSPAR) und der International Union of Radio Science (URSI), das auf jährlichen Workshops weiterentwickelt wird. Dieses Modell ist seit 1999 Welt-Standard für die terrestrische Ionosphäre.
Weitere Modelle konzentrieren sich auf bestimmte Ionosphärenparameter wie Elektronendichte, maximale Elektronendichte in der F2-Schicht, Elektronentemperatur und -drift und Stärke des elektrischen Feldes (siehe auch Weblinks). Neben weltweiten werden auch regionale Modelle verwendet, um geographische Details genauer zu beschreiben.
IonosphärenanomalienBearbeiten
Veranschaulichung einiger Prozesse, die den Zustand der Ionosphäre beeinflussen.
Ein Modell der Ionosphäre geht auf Grund seines vereinfachenden Charakters von einer strukturell homogenen Ionosphäre aus. In der Wirklichkeit ist diese aber chaotisch und weist nicht reguläre Ionisationsstrukturen auf. Ionosphärenanomalien sind Abweichungen vom erwarteten allgemeinen Verhalten der Ionosphäre. Diese Regelwidrigkeiten sind beständig beobachtbar und grenzen die Anomalien von den spontan auftretenden, kurzfristigen Ionosphärenstörungen ab.
Einige der bekannten Anomalien werden nun vorgestellt.
Äquatoriale Besonderheit: Sonnenerzeugte, elektrische Ringströme auf der Tagseite der Ionosphäre (äquatorialer Elektrojet)
Die erdmagnetische AnomalieBearbeiten
Der Fontäneneffekt verdrängt Elektronen.
Das Maximum der Elektronendichte liegt nicht über dem Äquator. Vielmehr bildet sich dort ein Streifen mit erniedrigter Ionisation. Der sogenannte Fontäneneffekt über dem wahren magnetischen Äquator entsteht dort, weil durch ein Zusammenwirken elektrischer und magnetischer Felder (ExB-Drift) die freien Elektronen der F-Schicht in größere Höhen gedrückt werden, von wo sie dann entlang der nord-südlich verlaufenden magnetischen Feldlinien des Erdmagnetfeldes nach Norden bzw. Süden verschoben werden. Dadurch wird beiderseits des magnetischen Äquators die Elektronendichte erhöht. Die erdmagnetische Anomalie wird auch als äquatoriale Anomalie bezeichnet.
Das ursächliche elektrische Feld entsteht durch thermosphärischeGezeitenwinde, die am Tage westwärts gerichtet sind und die vergleichsweise großen Ionen durch Stoßreibung mitreißen, Elektronen allerdings nur wenig. Da Feldlinien im elektrischen Feld in die Richtung der Kraft zeigen, die auf eine positive Probeladung wirkt, ist dieses ostwärts gerichtet (ionosphärische Dynamoschicht). Im magnetischen Feld verlaufen die Feldlinien im Außenbereich jedes Magneten vom magnetischen Nord- zum Südpol, d. h. beim Erdmagnetfeld nordwärts. Gemäß der Drei-Finger-Regel wirkt die Lorentzkraft auf die freien Elektronen der Ionosphäre am Äquator aufwärts.
Die D-Schicht-WinteranomalieBearbeiten
Die D-Schicht-Winteranomalie wurde im Jahr 1937 von Edward Victor Appleton entdeckt und beschreibt das Phänomen, dass oberhalb von 35° geographischer Breite (Berlin ≈ 52,5°) an vielen Wintertagen die Absorptionsfähigkeit der D-Schicht wesentlich höher ist als es der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung begründen würde, oft sogar höher noch als an Sommertagen um die Mittagszeit. Die Anomalie erreicht dabei typischerweise eine Ausdehnung von mehreren tausend Kilometern, weswegen als Ursache eine meteorologische Komponente vermutet wird. Die genauen Ursachen sind jedoch bis heute nicht mit Sicherheit erschlossen.
Des Weiteren ist die Tag-zu-Tag-Varianz der Absorptionsfähigkeit im Winter wesentlich höher als im Sommer und scheint sich mit zunehmender geographischer Breite zu verstärken, jedoch wird dieser Trend zu den Polen hin von anderen Ionisationseinflüssen überlagert. Obwohl nicht von solaren Sondereffekten beeinflusst, kann die Absorption innerhalb von zwei Tagen um den Faktor 5 steigen, im Mittel sind etwa 80 % Dämpfungszunahme wahrscheinlich.
IonosphärenstörungenBearbeiten
Polarlicht über Alaska
Als Ionosphärenstörungen bezeichnet man alle spontan auftretenden Unregelmäßigkeiten im Aufbau der Ionosphäre. Die Ursache einer Ionosphärenstörung ist meist direkt oder indirekt in der solaren Strahlungsaktivität zu finden, jedoch können auch Meteoriten ihre Ionisation beeinflussen. Zu den direkten Faktoren zählen eine erhöhte solare Ultraviolett-, Röntgen- und/oder Teilchenstrahlung (Korpuskularstrahlung) aufgrund einer gestört gesteigerten Sonnenaktivität, zu den indirekten zählen atmosphärisch-elektromagnetische Vorgänge, die auch bei einer ungestörten Sonne auftreten können.
Ionosphärenstörungen sind nur von kurzzeitiger Natur und können von einigen Minuten bis zu mehreren Tagen andauern. Die bekannteste und wohl auch ästhetisch wertvollste Ausprägung einer Ionosphärenstörung ist die Aurora, das Polarlicht, die durch energiereiche Sonnenwindpartikel ausgelöst wird. Dagegen ist die von ihr ausgelöste Beeinträchtigung des globalen Kurzwellenfunkverkehrs unerwünscht.
Ionosphärenstörungen sollten nicht mit Ionosphärenanomalien verwechselt werden. Letztere erfolgen nicht spontan, sondern unterliegen einer Regelmäßigkeit und beschreiben Abweichungen vom erwarteten allgemeinen Verhalten der Ionosphäre.
Ionosphärenstörungen durch StrahlungsausbrücheBearbeiten
Koronaler Massenauswurf aus einem Flare (Sonne)Die Ausbreitungsbedingungen bei einem Flare (rote Strahlen) verglichen mit denen einer normalen, ruhigen Ionosphäre (blauer Strahl): Die Elektronendichte ist in allen Schichten erhöht. Dies führt zu erhöhter Dämpfung in der D-Schicht (mattes Rot) bis hin zum totalen Signalverlust oder ungewöhnlicher Brechung an der E-Schicht.
Die Ionosphäre entsteht durch von der Sonne ausgesandte Strahlungen verschiedener Art, geladene Teilchen (auch Korpuskeln genannt) oder Lichtwellen, und wirken sich direkt auf ihren Zustand aus. Eine sehr intensive Störung kurzer Dauer tritt als Folge einer Eruption auf der Sonnenoberfläche auf, die als Flare bezeichnet wird (englisch: flare = helles, flackerndes Licht). Auf der Sonne betrifft der Lichtausbruch nur eine sehr kleine Fläche in den häufig besonders strahlungsaktiven Randgebieten von Sonnenflecken (sogenannte Fackelgebiete). Hierbei kommt es oft auch zum Auswurf von geladenen Teilchen, was als koronaler Massenauswurf bezeichnet wird.
Ausbrüche von geladenen Teilchen reisen als Plasma-Wolke von der Sonne zur Erde, wo sie durch das Magnetfeld der Erde in die polnahen Gebiete geleitet werden (magnetosphärisches elektrisches Konvektionsfeld). Dort verändern sie die Ionosphäre ganz erheblich, oft für Tage, was im Funkverkehr zu vielen Ausfällen führt. Während die elektromagnetische Strahlung den Weg zur Erde in etwa acht Minuten zurücklegt, benötigt die Teilchenstrahlung bis zu 40 Stunden. Die von ihr verursachte Ionosphärenstörung tritt zeitlich versetzt zu Störungen auf, die auf elektromagnetische Strahlung zurückzuführen sind. Für den Funkbetrieb sind längerfristige Störungen gravierender.
Sudden Ionospheric Disturbances (SIDs) haben ihren Ursprung in einer erhöhten Röntgen- und Ultraviolettstrahlung der Sonne. Diese wird von der Ionosphäre absorbiert und führt dort vor allem in der D-Schicht zu einem starken Anstieg der Ionisation. SIDs sind am häufigsten im Sonnenfleckenmaximum zu beobachten und treten nur an der Tagseite der Erde auf.
Durch die hohe Plasmadichte nimmt die Fähigkeit der D-Schicht zu, Kurzwellen zu absorbieren bis hin zu deren vollständiger Auslöschung, was als Mögel-Dellinger-Effekt bezeichnet wird. Gleichzeitig ist eine Verbesserung der Ausbreitung von Längstwellen (engl. Very Low Frequency, VLF) zu beobachten, da die D-Schicht Längstwellen als Reflektor dienen kann. Eine erhöhte Ionisation verbessert diese Reflexionseigenschaft. Die plötzliche Zunahme der Signalstärke von Längstwellensendern wird als Indikator für SIDs eingesetzt.
Eintritt von Sonnenwindpartikeln über die polaren TrichterPolar-Cap-Absorption: Änderung der Ausbreitungswege in den Polargebieten
Verbunden mit solaren Flares werden hochenergetische Protonen (≈ 10 MeV) ausgeworfen, die dann entlang der magnetischen Feldlinien der Erde nahe den magnetischen Polen in die Atmosphäre eindringen und die Elektronendichte in der unteren Ionosphäre (D-Schicht, E-Schicht) stark erhöhen.
Durch die zusätzlichen Ladungsträger werden Kurzwellen so stark bedämpft, dass es zu einem vollständigen Ausfall von Funkverbindungen kommen kann, deren Ausbreitungsweg über die Polkappen verläuft. Funkwellen mit niedrigerer Frequenz, die normalerweise an der unteren Ionosphäre reflektiert würden, werden nun bereits in einer sehr viel niedrigeren Höhe reflektiert, so dass sich deren Ausbreitungswege signifikant ändern. Dieses Phänomen wird als Polar-Cap-Absorption (PCA) bezeichnet.
PCA-Effekte sind meist nur von kurzlebiger Natur. Während der Rothammel als durchschnittliche Dauer von PCA-Effekten 2–3 Tage nennt, spricht Kenneth Davies nur von bis zu 5–6 Stunden.
Weitere IonosphärenstörungenBearbeiten
Ausbreitungswege während eines Spread-F-Ereignisses. Die ungleichmäßige Verteilung der freien Elektronen in der F-Schicht streut Kurzwellen bzw. verursacht ungewöhnliche Ausbreitungswege.
Wie bereits angesprochen sind nicht alle Störungen der Ionosphäre auf solare Strahlungsausbrüche zurückzuführen. Ein solches Beispiel ist das so genannte äquatoriale Spread-F (englisch: Equatorial Spread-F), eine Ungleichverteilung der Elektronendichte der F-Schicht im Äquatorialbereich. Die Ursache hierfür sind elektrische Ströme in der Ionosphäre infolge von Rotationsdifferenzen zwischen freien Elektronen und Ionen, da Letztere einer mechanischen Reibung unterworfen sind, Erstere jedoch nicht. Diese nicht sonneninduzierten Ereignisse werden in zwei Typen unterschieden und zwar hinsichtlich der räumlichen Struktur der Störungen. Nach sind dies transiente Phänomene (Transient Phenomena) und wandernde ionosphärische Störungen (Travelling Ionic Disturbances, TIDs).
Wie ihr Name andeutet sind die transienten Phänomene nur von kurzlebiger, flüchtiger Natur. Des Weiteren traten sie lokal in wolkenförmiger Ausprägung auf und bewegen sich horizontal, also höhengleich, durch die Ionosphäre. Zu diesem Typ zählen beispielsweise sporadische E-Ereignisse und Equatorial Spread-F.
Im Gegensatz hierzu sind TIDs wellenartige Schwankungen der Elektronendichte mit einer Frontbreite bis zu mehreren hundert Kilometern. Sie können von wenigen Minuten bis hin zu mehreren Stunden dauern und äußern sich in starken Schwankungen der Reflexionshöhe und der MUF. Auf die Kurzwellenausbreitung wirken sich diese TID-Effekte nicht ernsthaft aus. Die größten TIDs beginnen im Bereich der Polarlichter und breiten sich zum Äquator hin aus.
Leuchterscheinung in der Ionosphäre: Elves
Gewitter können kleinere TID-Fronten verursachen, die ungefähr 200 km wandern, bevor sie sich zerstreuen. Gewitter sind ebenfalls die Ursache für eine als Elves bezeichnete Leuchterscheinung in der Ionosphäre, die jedoch nur weniger als eine tausendstel Sekunde andauert und somit keine TID ist. Ein weiteres Gewitter-Phänomen sind die als Whistler bezeichneten niederfrequenten elektromagnetischen Signale, die u. a. die Ionosphäre durchwandern.
Ausbreitungswege während eines sporadischen E-Ereignisses (blau) und ohne (rot)
Die sporadische E-Schicht (engl. Sporadic-E) liegt im Bereich der E-Schicht und tritt nur sporadisch auf. Sie ist stark ionisiert und kann alle höhergelegenen Schichten abdecken. Ihre Struktur ist oft wolkenartig, kann aber auch in weitem Bereich homogen sein. Sie kann zu unerwartet hohen Reichweiten führen.
Normalerweise durchdringen Funksignale oberhalb der normalen Grenzfrequenz der E-Schicht diese. Während eines sporadischen E-Ereignisses werden die Signale aber dort reflektiert, was Weitbereichsverbindungen verschlechtert, aber für besseren Empfang innerhalb der Erstsprungzone bzw. Toten Zone führt.
Es existieren mehrere Theorien über die Entstehung der ES-Schicht, jedoch ist sie bis heute nicht völlig aufgeklärt.
IonosphärenstürmeBearbeiten
Tagesschwankungen von Temperatur und Wind auf 100 km Höhe im September 2005.
Im Verlauf von Ionosphärenstürmen kann es sowohl zu einer anormalen Zu- als auch Abnahme der Elektronendichte kommen. Der Erstere Fall wird als positiver Ionosphärensturm, der Letztere als negativer Ionosphärensturm bezeichnet.
Ionosphärenstürme können solare oder terrestrische Ursachen haben. Beispielsweise kann eine erhöhte Teilchenstrahlung der Sonne die Elektronendichte verringern: Das von einem Flare ausgeworfene solare Plasma bestehend aus Protonen und Elektronen beeinflusst das Erdmagnetfeld und dringt in die Atmosphäre ein. Dies hat ein Absinken der kritischen Frequenz der F2-Schicht bis auf deren halben Normalwert und ein Ansteigen der D-Schicht-Absorption zur Folge. Dadurch engt sich der für den Kurzwellenfunk nutzbare Frequenzbereich von beiden Seiten her ein. Intensive Ionosphärenstürme können vollständige Blackouts für Weitverbindungen verursachen. Dies wird als so genannter Short-wave Fade (out) bezeichnet.
Ionosphärenstürme können auch atmosphärische Ursachen haben: Heute geht man davon aus, dass Zunahmen der Elektronendichte häufig auf thermosphärische Winde zurückzuführen sind, während Abnahmen im Wesentlichen durch Änderungen in der Neutralgaszusammensetzung hervorgerufen werden, z. B. durch Abnahme von elementarem Sauerstoff und damit verringerter Ionenproduktionsrate. Blasen mit einer verminderten Plasmadichte werden als Ursache für die transäquatoriale Ausbreitung (trans equitorial propagation, kurz TEP) gesehen.
Wissenschaftliche ForschungBearbeiten
Das Arecibo-Observatorium war ursprünglich zur Erforschung der Ionosphäre konzipiert worden.EISCAT Svalbard Radar
GeschichtlichesBearbeiten
1899: Nikola Tesla forscht nach Möglichkeiten, um Energie drahtlos über große Entfernungen zu übertragen. In seinen Experimenten sendet er extrem niedrige Frequenzen zur Ionosphäre, hinauf bis zur Kennelly-Heaviside-Schicht (Grotz 1997). Tesla kann aus Berechnungen basierend auf den Messergebnissen eine Resonanzfrequenz dieser Schicht voraussagen, die nur 15 % vom heute angenommenen Wert abweicht (Corum, 1986). In den 1950er Jahren bestätigten Forscher, dass die Resonanzfrequenz bei 6,8 Hz liegt.
Guglielmo Marconi, um 1907 1901: Am 12. Dezember empfängt Guglielmo Marconi das erste transatlantische Radiosignal in St. John’s (Neufundland). Er verwendet eine 400 Fuß lange, durch einen Drachen gespannte Empfangsantenne. Die Sendestation auf der Halbinsel The Lizard in Poldhu, Cornwall, verwendet einen Funkeninduktor zur Erzeugung der Sendefrequenz von ungefähr 500 kHz mit einer Leistung, die 100-mal stärker als die aller zuvor erzeugten Signale ist. Die empfangene Nachricht besteht aus drei Punkten im Morsecode, einem S. Um Neufundland zu erreichen, musste das Signal zweimal von der Ionosphäre reflektiert werden.
Oliver Heaviside 1902: Oliver Heaviside sagt die Existenz der Kennelly-Heaviside-Schicht voraus, die seinen Namen trägt. Sein Vorschlag beinhaltete Ideen, wie Radiosignale entlang der Erdkrümmung übertragen werden könnten. Im gleichen Jahr beschrieb Arthur Edwin Kennelly einige der radio-elektrischen Eigenschaften der Ionosphäre.
1912: Der Kongress der Vereinigten Staaten von Amerika verabschiedet den Radio Act, der den Funkbetrieb der Funkamateure auf Frequenzen oberhalb von 1,5 MHz beschränkt (Wellenlänge kürzer als 200 m). Diese Frequenzen wurden von der Regierung als nutzlos angesehen. Diese Entscheidung führte im Jahre 1923 zur Entdeckung der ionosphärischen HF-Radiowellenausbreitung (Léon Deloy).
1926: Der britische Physiker Robert Watson-Watt prägt den Begriff „Ionosphäre“.
1926: Der amerikanische Physiker Merle Antony Tuve entwickelt eine Radar-Methode mit variabler Frequenz zur Erforschung der Ionosphäre.
1926 A. Hoyt Taylor und Edward Olson Hulburt entwickeln eine Theorie der Elektronendichteverteilung in der Ionosphäre, die auf dem beobachteten Sprungabstand kurzwelliger Radiowellen aufsetzt und liefern damit auch eine Theorie zur Ausbreitung von kurzwelligen Radiowellen in der Erdatmosphäre.
1932: Sydney Chapman leitet eine Verteilungsfunktion der Ionisation in der Ionosphäre unter der Annahme monochromatischer ionisierender Strahlung der Sonne ab.
1932: Lloyd Viel Berkner misst als erster die Höhe und Dichte der Ionosphäre, was das erste komplette Modell der Kurzwellenausbreitung ermöglichte. Er entdeckt hierbei die F1-Schicht.
1942: Vitaly Ginzburg untersucht die Radiowellenausbreitung in der Ionosphäre und entwickelt eine Theorie über die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im Plasma der Ionosphäre. Im Jahr 2003 erhält er den Nobelpreis für seine Pionierleistungen im Bereich der Supraleiter.
1946: Am 10. Januar gelingt John Hibbett DeWitt zusammen mit seiner Forschungsgruppe im Rahmen des Project Diana der Nachweis, dass Funkwellen die Ionosphäre durchdringen können. Er nutzt hierzu den Mond als Reflektor und stellt somit die erste Erde-Mond-Erde-Verbindung her.
1958: Im August und September 1958 führt die US Navy während der Operation Argus drei geheime Atombombentests in der Ionosphäre durch, um den Effekt des elektromagnetischen Impulses (EMP) auf Radio und Radar zu untersuchen.
1962: Der kanadische Satellit Alouette 1 wird gestartet, um die Ionosphäre zu erforschen. Nach seinem erfolgreichen Einsatz folgen im Jahr 1965 Alouette 2 und zwei Satelliten des ISIS-Programms (International Satellites for Ionospheric Studies) im Jahr 1969 und 1971, alle im Einsatz der Ionosphärenforschung.
1992: Die als Elves bezeichnete Leuchterscheinung wird mit Hilfe von Aufnahmen von Bord des Space Shuttles aus erstmals nachgewiesen.
1999 Das von den Unionen URSI und COSPAR unterstützte Modell „International Reference Ionosphere“ (IRI) wird „internationaler Standard“
TriviaBearbeiten
Die unter anderem nach Oliver Heaviside benannte Kennelly-Heaviside-Schicht wurde von T. S. Eliot in seinem Gedicht „The Journey To The Heaviside Layer“ aufgegriffen, das im Musical Cats vertont wurde.
LiteraturBearbeiten
Stefan Heise: Rekonstruktion dreidimensionaler Elektronendichteverteilungen basierend auf CHAMP-GPS-Messungen., Promotion 2002, (Kapitel 2: Die Ionosphäre und Plasmasphäre der Erde)
Michael C. Kelley: The Earth’s Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynamics. Elsevier, 2009, ISBN 978-0-12-088425-4. (Vorschau).
Gerd W. Prölss: Physik des erdnahen Weltraums. 2. Auflage. Springer-Verlag, 2004, ISBN 3-540-40088-5. (Vorschau)
Siegfried J. Bauer: Die Abhängigkeit der Nachrichtenübertragung, Ortung und Navigation von der Ionosphäre. Verl. d. Österr. Akad. d. Wiss., Wien 2002, ISBN 3-7001-3140-2.
Leonid S. Alperovich, Evgeny N. Fedorov: Hydromagnetic waves in the magnetosphere and the ionosphere. Springer, Dordrecht 2007, ISBN 978-1-4020-6636-8.
Karl Rawer: Wave Propagation in the Ionosphere. Kluwer, Dordrecht 1993, ISBN 0-7923-0775-5.
R.W. Schunk (Hrsg.): Solar-Terrestrial Energy Program Handbook of Ionospheric Models. Utah State University, 1996, OCLC36598271.
WeblinksBearbeiten
Die folgenden Weblinks sind englischsprachig.
Commons: Ionosphäre – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
↑ Karl Rothammel: Rothammels Antennenbuch. Neu bearbeitet und erweitert von Alois Krischke. 12. aktualisierte und erweiterte Auflage. DARC-Verl., Baunatal 2001, ISBN 3-88692-033-X, 2. Die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen (Online).
↑ S.J. Bauer: Physics and Chemistry in Space 6 – Physics of Planetary Ionospheres – Chapter IX: Observed Properties of Planetary Ionospheres. Springer-Verlag (1973)
Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik, Abteilung Radar/Raketen: (Memento vom 9. Dezember 2008 im Internet Archive)
C. Stolle, S. Schlüter, N. Jakowski, Ch. Jacobi, S. Heise, A. Raabe: (Memento vom 7. Januar 2007 im Internet Archive) (PDF-Datei; 371 kB). Abgerufen am 5. März 2010.
↑ (Memento des Originals vom 24. Oktober 2010 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/ccmc.gsfc.nasa.gov
↑ Gerd W. Prölss: Physik des erdnahen Weltraums (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche)
D. Bilitza: Solar-Terrestrial Mpdels and Application Software. National Space Science Data Center/WDC-A 1990.
↑ Tadanori Ondoh, Katsuhide Marubashi: Science of Space Environment (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche)
E. V. Appleton: The Bakerian Lecture. Regularities and Irregularities in the Ionosphere. I. In: Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. Band162, Nr.911, 1937, S.451–479.
W. J. G. Beynon, E. R. Williams, F. Arnold, D. Krankowsky, W. C. Bain, P. H. G. Dickinson: D-region rocket measurements in winter anomaly absorption conditions. In: Nature. Band261, Nr.5556, 1976, S.118–119, doi:10.1038/261118a0.
↑ R. W. Knecht: The Distribution of Electrons in the Lower and Middle Ionosphere. In: Progress in Radio Science, 1960–1963. Volume 3: The ionosphere. Review papers presented at commission III on ionospheric radio during the XIVth general assembly of URSI. 1965, S. 14–45.
A. Hoyt Taylor, E. O. Hulburt: The Propagation of Radio Waves Over the Earth. In: Physical Review. 27. Jahrgang, Nr.2, Februar 1926, S.189–215, doi:10.1103/PhysRev.27.189 (englisch).
(Memento des Originals vom 24. Oktober 2010 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/ccmc.gsfc.nasa.gov
Dieser Artikel behandelt den Teil der Atmosphare Zur Bucht in der Antarktis siehe Baie de l Ionosphere Die Ionosphare ist jener Teil der Atmosphare eines Himmelskorpers der grosse Mengen von Ionen und freien Elektronen enthalt Fur die Planeten des Sonnensystems macht die Ionosphare den Grossteil der Hochatmosphare aus Die Ionisation der Gasmolekule erfolgt durch energiereiche Anteile der Sonnenstrahlung harte Ultraviolett und Rontgenstrahlung Die Reichweite der Strahlung bestimmt den Ubergang zur Neutrosphare Aufbau der Erdatmosphare links und Lage der Ionosphare rechts Ionospharenschichten Elektronen dichte und Ionen ZusammensetzungDetailansicht von Atmosphare und Ionosphare mit der Verteilung von Temperatur Druck Dichte und ElektronenkonzentrationDie Ionosphare der Erde beeinflusst den Funkverkehr indem sie Kurzwellen reflektiert und damit weltweite Verbindungen ermoglicht Ausserdem dampft sie die Ausbreitung von Radiowellen mit grosser Wellenlange Sie beginnt oberhalb der Mesosphare in einer Hohe von ungefahr 80 km erreicht ihre grosste Elektronendichte in einer Hohe um die 300 km und geht letztlich in den interplanetaren Raum uber 1 Als Grenze zwischen Ionosphare und Plasmasphare kann die sogenannte Ubergangshohe betrachtet werden bei der die Konzentration von ionisierten atomaren Sauerstoff O und Protonen Wasserstoff Ionen H gleich ist Sie wird gewohnlich auf eine Hohe von 1000 km festgelegt 2 Dort erhoht sich die Skalenhohe mit der die Teilchendichte exponentiell abnimmt Die Ionosphare liegt somit grosstenteils innerhalb der mit Blick auf Neutralteilchen definierten Thermosphare Inhaltsverzeichnis 1 Entstehung der Ionosphare 2 Die Ionospharenschichten 2 1 Die D Schicht 2 2 Die E Schicht 2 3 Die F Schicht 3 Nutzung der Ionosphare 3 1 Funkwellen 3 2 Elektrische und mechanische Energiegewinnung 3 3 Erdbebenvorhersage 4 Kenngrossen der Ionosphare 4 1 Kenngrossen 4 1 1 Plasmafrequenz 4 1 2 Schumann Resonanzen 4 2 Messung 4 2 1 Ionosonden 4 2 2 Riometer 4 2 3 Raketensonden 4 2 4 Satelliten 4 2 5 Inkoharentes Scatter Radar 4 3 Modelle 5 Ionospharenanomalien 5 1 Die erdmagnetische Anomalie 5 2 Die D Schicht Winteranomalie 6 Ionospharenstorungen 6 1 Ionospharenstorungen durch Strahlungsausbruche 6 1 1 Elektromagnetische Strahlung Sudden Ionospheric Disturbance SID 6 1 2 Teilchenstrahlung Polar Cap Absorption PCA 6 2 Weitere Ionospharenstorungen 6 2 1 Die sporadische E Schicht ES 6 2 2 Ionospharensturme 7 Wissenschaftliche Forschung 8 Geschichtliches 9 Trivia 10 Literatur 11 Weblinks 12 EinzelnachweiseEntstehung der Ionosphare Bearbeiten nbsp Der tangentiale Blick auf das Polarlicht veranschaulicht die Hohenabhangigkeit des Energieeintrags in die Atmosphare durch Korpuskularstrahlung Die Ionosphare entsteht durch Absorption ionisierender solarer Strahlung vor allem durch energiereiche elektromagnetische Wellen Ultraviolett und Rontgenstrahlung aber auch durch Teilchenstrahlung Korpuskularstrahlung hauptsachlich Elektronen und Protonen Jedoch leisten die kosmische Hintergrundstrahlung und Meteoritenstrome die pausenlos in der Erdatmosphare vergluhen ebenfalls einen gewissen Beitrag zur Ionisation Durch die solare Strahlung werden Valenzelektronen von den Atomen gelost Es entstehen positive Ionen und freie Elektronen und somit ein elektrisch leitender Bereich der Atmosphare Ein zumindest teilweise ionisiertes Gas wird auch als Plasma bezeichnet nbsp Der Elektronengehalt TEC der Ionosphare am 12 Februar 2007 um 09 00 UT 10 00 MEZAuf ihrem Weg nach unten wird die solare Ultraviolett und Rontgenstrahlung mehr und mehr absorbiert In grossen Hohen Exosphare ist die Strahlung am energiereichsten trifft jedoch nur auf wenige ionisierbare Gasmolekule Je dichter die Atmosphare nach unten wird desto grosser ist zunachst die ortliche Ionisation Durch die Absorption sinkt jedoch die Strahlungsintensitat Auch verringert sich durch die Zunahme der atmospharischen Dichte die mittlere freie Weglange der Gasteilchen was zu einer beschleunigten Wiedervereinigung von Elektronen und positiven Ionen fuhrt Rekombination Das Gleichgewicht zwischen Ionisation und Rekombination bestimmt die ortliche Elektronendichte Das beschreibt in einfachster Form Sydney Chapmans Theorie Weil aber die molekulare Zusammensetzung von der Hohe abhangt und sowohl die zur Ionisation erforderliche Energie als auch die moglichen Rekombinationsprozesse von der Art des Neutralgases bilden sich zwischen Exosphare und unterer Ionosphare bei Tag meist drei Maxima der Ionisation D E und F Region aus Die Hohe dieser Schichten hangt von der Dichte Verteilung der uberwiegenden Neutralen ab aber auch vom hohenabhangigen Auftreten der verschiedenen Atom und Molekularten Die Intensitat der solaren Strahlung beeinflusst nur die lokale Dichte der Elektronen nicht die Hohe der Maxima der Elektronendichte Der Grad der Ionisation hangt primar von der solaren Strahlungs Intensitat ab aber auch von den Rekombinations und Anlagerungsprozessen Folglich gibt es eine diurnale tagliche eine saisonale jahreszeitliche und eine geographische ortliche Abhangigkeit In der F Region sind die Verhaltnisse komplizierter weshalb man mit empirischen Ionisations Karten arbeitet Eine wichtige Rolle spielt auch die Sonnenaktivitat im elfjahrigen Sonnenfleckenzyklus gelegentlich auch Ereignisse wie Sonnensturme Die Ionospharenschichten Bearbeiten nbsp Aufbau der Ionosphare in Abhangigkeit von der Jahres und Tageszeit Innerhalb der Ionosphare existieren drei lokale Ionisationsmaxima weswegen sie in drei Bereiche unterteilt wird die D die E und die F Schicht Aufbau der Ionospharenschichten 3 Schicht Hohe ca BemerkungD 0 70 0 90 km tagsuber vorhanden Ionisation entsprechend dem SonnenstandE 110 130 km tagsuber vorhanden Ionisation entsprechend dem SonnenstandEs 000 110 km dunn oft luckenhaft sporadisch vor allem im SommerF1 000 200 km tagsuber vorhanden geht nachts mit F2 Schicht zusammenF2 250 400 km Tag und Nacht vorhandenIonisationsmaxima werden der Energieabsorption durch bestimmte Gasteilchenarten zugeordnet Uber einer Hohe von 100 km ist die Durchmischung der Luft zu einer Gleichverteilung der Gase nicht mehr ausreichend es stellt sich eine heterogene Verteilung ein Dieser Bereich wird als Heterosphare bezeichnet Die Absorption der Strahlung die ein bestimmtes Gas ionisiert geschieht bevorzugt dort wo dieses hoch konzentriert vorliegt einige ionospharische Elementarreaktionen 4 Ionisationh n O 2 O 2 e displaystyle h nu mathrm O 2 Rightarrow mathrm O 2 e nbsp h n O O e displaystyle h nu mathrm O Rightarrow mathrm O e nbsp h n N 2 N 2 e displaystyle h nu mathrm N 2 Rightarrow mathrm N 2 e nbsp N 2 O N O N displaystyle mathrm N 2 mathrm O Rightarrow mathrm NO mathrm N nbsp e O O 2 e displaystyle e mathrm O Rightarrow mathrm O 2 e nbsp LadungsaustauschH O H O displaystyle mathrm H mathrm O Rightarrow mathrm H mathrm O nbsp O 2 O O 2 O displaystyle mathrm O 2 mathrm O Rightarrow mathrm O 2 mathrm O nbsp RekombinationO 2 e 2 O displaystyle mathrm O 2 e Rightarrow 2 mathrm O nbsp N O e N O displaystyle mathrm NO e Rightarrow mathrm N mathrm O nbsp O e O h n displaystyle mathrm O e Rightarrow mathrm O h nu nbsp nbsp Elektronendichte innerhalb der Ionosphare auf der Tagseite der Erde mit den Ionisationsmaxima der D E und F SchichtDie D Schicht Bearbeiten Die D Schicht ist die der Erde am nachsten gelegene Schicht und existiert nur am Tage in einem Hohenbereich zwischen 70 und 90 km Ionisation findet durch Strahlung der Lyman a displaystyle alpha nbsp Serie bei 121 6 nm statt die von Stickstoffmonoxid NO absorbiert wird In Zeiten mit ausreichend hoher Sonnenfleckenzahl ionisieren zusatzlich harte Rontgenstrahlen Wellenlange lt 1 nm die Luftmolekule N2 O2 In der Nacht verbleibt durch die kosmische Strahlung eine geringe Restionisation Wegen der dort herrschenden hohen Luftdichte ist einerseits die Rekombination gross weswegen sich die Schicht bei Sonnenuntergang binnen weniger Minuten nahezu auflost andererseits ist die Kollisionsfrequenz zwischen Elektronen und anderen Teilchen wahrend des Tages sehr hoch ca 10 Millionen Kollisionen pro Sekunde Dies bedeutet fur Radiowellen eine starke Dampfung die mit wachsender Wellenlange zunimmt Im Fernverkehr verhindert dies tagsuber eine Nutzung der Raumwelle auf Funkfrequenzen kleiner als etwa 10 MHz ionospharischer Wellenleiter UKW Signale konnen an der D Schicht gestreut werden Ionoscatter Die E Schicht Bearbeiten Die E Schicht ist die mittlere Ionospharenschicht die sich in einer Hohe zwischen 90 und 130 km ausbildet Ionisation findet auf Grund weicher Rontgenstrahlung Wellenlange 1 10 nm und ultravioletter Strahlung zwischen 80 und 102 7 nm 2 an atomarem Sauerstoff O sowie Stickstoff und Sauerstoffmolekulen N2 O2 statt Sie weist eine mittlere Elektronenkonzentration von etwa 100 000 je cm auf sodass nur 0 1 der vorhandenen Atome ionisiert sind 3 Die E Schicht bildet sich auf der Tagseite der Erde aus erreicht ihr Ionisationsmaximum in der Mittagszeit und verschwindet nach Sonnenuntergang innerhalb einer Stunde fast vollstandig Im Sonnenfleckenmaximum liegt die Schicht hoher als im Minimum Innerhalb der E Schicht kommt es haufig aber nicht regelmassig zu starken lokalen Ionisationen in einer nur wenige Kilometer dicken Schicht die als sporadische E Schicht bezeichnet wird Fur Kurzwellen ist Spiegelung an der E Schicht hochstens im Nahverkehr interessant da ihre kritische Frequenz nur zwischen 2 und 4 MHz liegt 3 Die E Schicht wird auch als Kennelly Heaviside Schicht oder kurz als Heaviside Schicht bezeichnet Die Bezeichnung geht zuruck auf Arthur Edwin Kennelly beziehungsweise Oliver Heaviside die unabhangig voneinander und nahezu gleichzeitig im Jahr 1902 ihre Existenz vorhersagten Nachgewiesen wurde die E Schicht als erste der Ionospharenschichten im Jahr 1924 von Edward Victor Appleton der sie 1927 erstmals als E lektrische Schicht bezeichnete Die spater entdeckten weiteren Schichten wurde gemass ihrer relativen Hohenlage dann als D und F Schicht bezeichnet 5 Siehe auch Geschichtliches Die F Schicht Bearbeiten Die F Schicht liegt mit 200 bis 400 km am hochsten und ist die am starksten ionisierte Schicht Sie wird durch extreme ultraviolette Strahlung EUV Wellenlange 14 bis 80 nm ionisiert die auf atomaren Sauerstoff oder Stickstoff Molekule trifft 2 Sie ist eine breite Region mit maximaler Ionisation von bis zu einer Million freier Elektronen je cm 3 nbsp Vergleich der Haufigkeit der beiden Elektronenstossarten elastische Coulomb Stosse und inelastische Neutralen StosseIn der F Schicht finden Elektronenstosse grosstenteils elastisch beruhrungslos mit positiven Ionen statt was als Coulomb Stoss bezeichnet wird Dahingegen uberwiegen in den dichteren D und E Schichten unelastische Stosse von Elektronen mit dem Neutralgas Damit stellt die Ionosphare der Erde eine Ausnahme dar in den meisten astrophysikalischen Plasmen uberwiegen die Coulomb Stosse Die F Schicht besteht auch nachts weiter da die freien Elektronen wegen der grossen mittleren freien Weglange nur sehr langsam rekombinieren Am Tage zeigt sich im Profil der F Schicht haufig eine Verformung die sogenannte F1 Schicht der Gipfel des Profils liegt aber in der F2 Schicht Die F1 Schicht ist der Ort grosster Ionenproduktion die ohne Sonneneinstrahlung stark zuruckgeht Die starkste Ionenkonzentration dagegen findet sich jedoch in der F2 Schicht aufgrund der dort schwacheren Rekombination 6 Die F1 Schicht die nur bei Tag erscheint befindet sich in einem photochemischen Gleichgewicht in dem die Verluste durch schnell verlaufende Rekombination geschehen Dahingegen ist der vorwiegende Verlustprozess in der F2 Schicht mit der Umwandlung von O Ionen in NO und O2 Ionen verknupft Dieser Verlustprozess verlauft langsamer 7 Im Sommer liegt der Gipfel der F2 Schicht hoher als im Winter Fur Kurzwellen ist sie die wichtigste Schicht weil Funkverkehr uber 3500 km nur durch wiederholte Reflexion an dieser Schicht zustande kommt Die F Schicht wird auch als Appleton Schicht bezeichnet Die Bezeichnung geht zuruck auf Edward Victor Appleton der 1924 die Existenz der Kennelly Heaviside Schicht nachweisen konnte siehe auch Geschichtliches Nutzung der Ionosphare Bearbeiten nbsp Bodenwelle und eine an der Ionosphare reflektierte Raumwelle mit Multi Hop Funkwellen Bearbeiten Hohere Schichten der Ionosphare werden durch die Sonnenstrahlung teilweise ionisiert und enthalten deshalb freie Elektronen die durch das elektrische Feld von Funkwellen der Frequenz f displaystyle f nbsp zu Schwingungen angeregt werden konnen Die schwingenden Elektronen senden ihrerseits Wellen aus die in der Umgebung der Plasmafrequenz f P displaystyle f text P nbsp 2 bis 7 MHz stark phasenverschoben sind und sich mit der ursprunglichen Welle uberlagern Da die Ionosphare vom Magnetfeld der Erde durchsetzt ist konnen die freien Elektronen von den Funkwellen zusatzlich zu Kreisbewegungen um die Feldlinien angeregt werden Diese Zyklotronfrequenz f B displaystyle f text B nbsp betragt uber Mitteleuropa etwa 1 3 MHz Dabei kann die Drehrichtung der zirkular polarisierten Funkwelle mit der Elektronenbewegung ubereinstimmen oder nicht weshalb die Ionosphare zirkular doppelbrechend ist Linear polarisierte Wellen mussen deshalb als Uberlagerung zweier zirkularer Wellen mit entgegengesetztem Umlaufsinn interpretiert werden fur die unterschiedliche Brechungsindex n displaystyle n nbsp gelten Verlauft die Ausbreitungsrichtung parallel zu den Magnetfeldlinien gelten fur f gt 1 MHz folgende Naherungen 8 9 n links 1 f P 2 f f f B displaystyle n text links sqrt 1 frac f text P 2 f f f text B nbsp n rechts 1 f P 2 f f f B displaystyle n text rechts sqrt 1 frac f text P 2 f f f text B nbsp Der Unterschied beider Formeln ist im UKW Bereich vernachlassigbar und verschwindet falls der Wellenvektor mit der Richtung des Magnetfeldes einen rechten Winkel einschliesst denn dann ist f B 0 displaystyle f text B 0 nbsp Anisotropie Die beiden zirkular polarisierten Funkwellen bewegen sich mit unterschiedlicher Phasengeschwindigkeit eine grossere Phasengeschwindigkeit entspricht einem kleineren Brechungsindex durch das Material und konnen unterschiedlich gedampft werden Beim Empfang uberlagern sich beide Anteile zu einer elliptisch polarisierten Welle deren Hauptrichtung meist gedreht ist Faraday Effekt 10 11 nbsp Vertikales Ausbreitungsverhalten zweier Funksignale unterschiedlicher Frequenz Die niedrigere des rechten Signals wird in der E Schicht reflektiert die hohere des linken durchdringt die E Schicht bleibt aber niedriger als die kritische Frequenz der F Schicht weshalb sie in dieser Schicht reflektiert wird nbsp Flach abgestrahlte Wellen treffen in einiger Entfernung wieder auf den ErdbodenFur f lt f P displaystyle f lt f text P nbsp ist der Brechungsindex rein imaginar Deshalb werden alle tieferen Frequenzen vollstandig reflektiert Wie bei der Uberschreitung der Grenzfrequenz eines Hohlleiters konnen bei ausreichender Schichtdicke die Wellen die Ionosphare nicht durchdringen werden aber auch nicht absorbiert Lang und Mittelwellensignale kehren also immer zum Erdboden zuruck ebenso Funkfrequenzen unterhalb der Plasmafrequenz der F2 Schicht die meist uber 7 MHz liegt Funksignale oberhalb dieser kritischen Frequenz konnen die Ionosphare bei senkrechtem Einfall durchdringen Fur eine schrag auffallende Welle ist die entsprechende Grenzfrequenz die Maximum Usable Frequency MUF hoher als die kritische umso mehr je flacher der Einfall erfolgt Sie kann aus der kritischen Frequenz naherungsweise wie folgt bestimmt werden 12 13 f muf f kritisch sin a f kritisch 1 d 2 h virt 2 displaystyle f text muf approx frac f text kritisch sin alpha f text kritisch sqrt 1 left frac d 2h text virt right 2 nbsp mit a displaystyle alpha nbsp Abstrahlwinkel der Welle relativ zum Horizont d displaystyle d nbsp Entfernung zwischen Sende und Empfangsort h virt displaystyle h text virt nbsp virtuelle Hohe der Reflexion Flach abgestrahlte Wellen treffen nach der Totalreflexion an einer Ionospharenschicht in einiger Entfernung wieder auf den Erdboden Falls die Bodenwelle geringere Reichweite hat entsteht um den Sender herum eine tote Zone in der kein Empfang moglich ist wohl aber in grosserer Entfernung Der Begriff Reichweite verliert hier seinen Sinn Die minimal nutzbare Frequenz englisch lowest usable frequency LUF ist die untere Grenzfrequenz im Kurzwellenbereich die fur die Ubertragung eines Signals zwischen zwei Punkten zu einem gegebenen Zeitpunkt genutzt werden kann Sie ist abhangig von der Elektronendichte und der Haufigkeit der Zusammenstosse in den dampfenden unteren Ionospharenschichten und ist allgemein mittags am hochsten Diese Uberlegungen gelten nicht fur den UKW Bereich dessen Frequenzen oberhalb der Plasmafrequenz liegen Elektrische und mechanische Energiegewinnung Bearbeiten nbsp Energiewandlung mit einem Propulsive Tether System Das Propulsive Small Expendable Deployer System ProSEDS ist ein kabelbasiertes System zur Gewinnung elektrischer Energie und Ausubung von elektrodynamischen Kraften auf Raumfahrzeuge das nach dem Funktionsprinzip eines Space Tethers arbeitet 14 Sein Start wurde mehrfach verschoben und ist derzeit ungewiss Ein Vorgangersystem Tethered Satellite Systems TSS wurde 1996 wahrend der Space Shuttle Mission STS 75 erfolgreich getestet Erdbebenvorhersage Bearbeiten Es wird vermutet dass es wahrend und auch vor Erdbeben zu Auswirkungen in der Ionosphare kommt Als mogliche Ursachen werden chemische akustische und elektromagnetische Mechanismen diskutiert Z B wird die Freisetzung von Ladungstragern aus oxidischen Mineralien durch tektonischen Spannungen angefuhrt 15 aber auch Effekte wie die Anregung von atmospharischen Schwerewellen durch Ausgasungen Abb 12 in 16 Auch wenn die Ionosphare seit langerem vom Boden aus 17 und mit Satelliten 16 18 uberwacht wird ist eine Kopplung derzeit nicht als nachhaltig nachgewiesen anzusehen Satelliten die dieses Phanomen naher untersuchen sind Demeter Detection of Electro Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions der franzosischen Weltraumorganisation CNES aus dem Jahr 2004 18 19 und der 2006 gestartete russische Kompas 2 Kenngrossen der Ionosphare BearbeitenKenngrossen Bearbeiten Die nachfolgend vorgestellten Grossen lassen sich in lokale physikalische Grossen und Kenngrossen der Schichten unterscheiden Letztere sind der Messung von aussen direkt zuganglich und fur Anwendungen meist ausreichend Die praktische Anwendung der Definitionen ist im URSI Handbook 20 erlautert Plasmafrequenz Bearbeiten Hauptartikel Plasmafrequenz Fur Anwendungen im Zusammenhang mit elektromagnetischen Wellen ist die Plasmafrequenz eine zentrale Grosse Sie gibt an bis herab zu welchen Frequenzen die Wellen sich im Plasma ausbreiten Die Plasmafrequenz hangt hauptsachlich von der Teilchendichte n e displaystyle n e nbsp der Elektronen ab da diese dem Wechselfeld leichter folgen als die tragen Ionen Unter Vernachlassigung der Ionen betragt die Plasmafrequenz f p 1 2 p e 2 n e m e e 0 displaystyle f mathrm p frac 1 2 pi sqrt frac e 2 n mathrm e m e varepsilon 0 nbsp Darin sind e displaystyle e nbsp die Ladung und m e displaystyle m text e nbsp die Masse eines Elektrons Und e 0 displaystyle varepsilon 0 nbsp ist die elektrische Feldkonstante Setzt man diese Konstanten ein so ergibt sich f p 8 978 H z n e m 3 displaystyle f mathrm p 8 978 mathrm Hz cdot sqrt n mathrm e mathrm m 3 nbsp Abhangig von der Dichte der freien Elektronen steigt die Plasmafrequenz von etwa 1 5 MHz in 100 km Hohe auf etwa 7 MHz in etwa 800 km Hohe 21 Eine ahnliche Grosse ist die vom Magnetfeld abhangige Gyrationsfrequenz Abgesehen von Sonnensturmen ist das Magnetfeld das irdische und die Gyrofrequenz nahe bei 1 MHz Schumann Resonanzen Bearbeiten Der Raum zwischen der Erde und der Ionosphare kann als Hohlraumresonator fungieren Schumann Resonanzen heissen diejenigen Frequenzen bei denen die Wellenlange einer elektromagnetischen Schwingung in dem Hohlleiter zwischen Erdoberflache und Ionosphare ein ganzzahliger Teil des Erdumfangs ist Bei der Anregung mit elektromagnetischen Schwingungen solcher Frequenzen entstehen stehende Wellen die so genannten Schumannwellen Die Energie fur die niederfrequente Anregung stammt aus der weltweiten Gewittertatigkeit Die Grundwelle der Schumann Resonanz liegt bei 7 8 Hz dazu kommen noch verschiedene Oberwellen zwischen 14 und 45 Hz Aufgrund atmospharischer Turbulenzen treten Schwankungsbreiten dieser Werte auf Messung Bearbeiten Ionosonden Bearbeiten nbsp Die Antennenanlage der HAARP Ionosonde Hauptartikel Ionosonde Eine Ionosonde ist eine Radar Anlage zur aktiven Untersuchung der Ionosphare Ionosonden uberwachen die Hohe und die kritische Frequenz der Ionospharenschichten Dazu senden sie Kurzwellen Radarpulse verschiedener Frequenzen gegen die Ionosphare und messen hauptsachlich die Laufzeit des empfangenen Echos aus der die Hohe der Reflexion bestimmt werden kann 22 Mit zunehmender Frequenz wird das Signal weniger stark zuruckgestreut und dringt somit tiefer in die Ionosphare ein bevor es reflektiert wird Durch das tiefere Eindringen verandert sich die gemessene sogenannte virtuelle Hohe der reflektierenden Schicht Beim Uberschreiten der kritischen Frequenz ist die Ionosphare nicht mehr in der Lage das Signal zu reflektieren Es kann jeweils nur die Halfte der Ionosphare bis zur maximalen Elektronendichte sondiert werden Die Messanlagen befinden sich in der Regel am Erdboden zur Untersuchung der Unterseite bottomside oder auf Satelliten fur die Oberseite topside Mit den Sonden konnen Aufzeichnungen der Signallaufzeit beziehungsweise daraus berechneten Reflexionshohe uber der Frequenz erstellt werden die sogenannten Ionogramme Riometer Bearbeiten Hauptartikel Riometer nbsp HAARP Empfangsanlagen oben die der beiden RiometerEin Relative Ionospheric Opacity Meter oder kurz Riometer ist ein Gerat zur passiven Beobachtung der ionospharischen Absorptionsfahigkeit Es misst die Empfangsstarke der kosmischen Hintergrundstrahlung im Bereich der Radiowellen die von Sternen oder Galaxien bestandig ausgestrahlt wird und nach Durchquerung der Ionosphare die Erde erreicht Radiofenster Obwohl die Starke mit der Erdrotation variiert ist sie dennoch je nach Himmelsregion fur irdische Massstabe ausreichend konstant und somit vorhersagbar Es wird insbesondere die Absorption in Hohen bis zu 110 km gemessen da der Grossteil der Absorption in den unteren Lagen der Ionosphare wie der D Schicht stattfindet Raketensonden Bearbeiten Raketensonden englisch Sounding Rockets sind mit Messinstrumenten bestuckte Forschungsraketen die bevorzugt zur Erstellung von Profilen der Ionenverteilung in der Ionosphare eingesetzt werden Sie sind kostengunstig und erlauben Messungen in Hohen die oberhalb der Maximalhohe von Ballons 40 km und unterhalb der Minimalhohe von Satelliten 120 km liegen Ausserdem erreichen sie eine mit anderen Messverfahren nicht mogliche raumliche Auflosung im Zentimeterbereich 23 Satelliten Bearbeiten nbsp Einer der ersten Satelliten im Auftrag der Ionospharenforschung Alouette 1Satelliten werden zu zwei Zwecken der Ionospharenmessung eingesetzt Zum einen komplettieren satellitengestutzte Ionogramme Topside Aufnahmen die Messdaten der Bodenstationen Bottomside Aufnahmen zum anderen werden die Messgrossen nicht wie bei Bodenstationen von der Atmosphare beeinflusst Beispielsweise wird der solare Rontgen Flux von GOES gemessen Der solare Flux bei 10 7 cm Wellenlange hingegen wird von der Atmosphare nicht verandert und taglich von Bodenstationen gemessen Die Messverfahren der Satelliten lassen sich in passive nur Empfangssensoren und aktive Signalaussendung und empfang unterscheiden Bei den aktiven Verfahren befinden sich Sender und Empfanger meist wie bei einem Radar raumlich nah beieinander im gleichen Satelliten jedoch muss dem nicht zwangslaufig so sein Beispiele hierfur sind das Radio Okkultationsverfahren oder die GPS gestutzte Ionospharentomographie bei der Zweifrequenzmessungen genutzt werden um den entlang des Signalweges integrierten Elektronengehalt TEC Total electron content zu bestimmen 24 Einer der ersten Satelliten der zur Untersuchung der Ionosphare eingesetzt wurde war neben dem 1958 gestarteten Explorer 1 der USA der im Jahr 1962 gestartete kanadische Satellit Alouette 1 frz Lerche Nach seiner zehnjahrigen Mission wurde er planmassig abgeschaltet Er befindet sich auch heute noch im Orbit Stand Januar 2006 und seine verantwortlichen Ingenieure sehen sogar eine geringe Chance dass er reaktiviert werden konnte Ihm folgten weitere Ionospharen Satelliten des Programms International Satellites for Ionospheric Studies ISIS Das Messprogramm der beiden deutsch amerikanischen Aeros Satelliten entstand in Zusammenhang mit dem internationalen Projekt International Reference Ionosphere 25 und hat wichtige Beitrage dazu geleistet Einer der jungsten Satelliten zur Ionospharenforschung ist Demeter Detection of Electro Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions aus dem Jahr 2004 den die franzosische CNES unter anderem zur Untersuchung der Moglichkeiten fur Erdbebenvorhersagen entsendet hat Inkoharentes Scatter Radar Bearbeiten nbsp Die Standorte aller operativen Scatter RadarstationenHiermit wird eine Technik bezeichnet die erdgestutzt Radarwellen gegen die Ionosphare sendet Dadurch werden dort Valenzelektronen losgelost deren Echo ausgewertet wird Aus dem Echo lassen sich Informationen zur Elektronendichte Ionen und Elektronentemperatur Ionenzusammensetzung und Plasmageschwindigkeit ableiten Das Wort inkoharent bedeutet hier phasenungleich 26 und bezieht sich auf die Tatsache dass das zu untersuchende Medium im Verhaltnis zu den Beobachtungsmoglichkeiten des Radars als instabil zu betrachten ist d h das Medium verandert sich so schnell dass diese Veranderungen nicht im Detail mit dem Radar beobachtet werden konnen 2 Derzeit existieren weltweit neun solcher Einrichtungen 27 Modelle Bearbeiten Die genaue Kenntnis uber die Parameter der Ionosphare insbesondere der Elektronendichte ist fur zahlreiche Anwendungen wie den Funkverkehr die Bahnverfolgung von Satelliten und die weltallseitige Erdbeobachtung unabdingbar Aus diesem Grund wurden Modelle entwickelt die zur Beschreibung und Analyse der Ionosphare verwendet werden Das mit Blick auf seine Entwicklungszeit und Anzahl an ableitbaren Grossen ausgereifteste Modell ist die International Reference Ionosphere IRI 25 Die IRI ist ein gemeinsames Projekt des Committee of Space Research COSPAR und der International Union of Radio Science URSI das auf jahrlichen Workshops weiterentwickelt wird 28 Dieses Modell ist seit 1999 Welt Standard fur die terrestrische Ionosphare Weitere Modelle 29 konzentrieren sich auf bestimmte Ionospharenparameter wie Elektronendichte maximale Elektronendichte in der F2 Schicht Elektronentemperatur und drift und Starke des elektrischen Feldes siehe auch Weblinks Neben weltweiten werden auch regionale Modelle verwendet um geographische Details genauer zu beschreiben Ionospharenanomalien Bearbeiten nbsp Veranschaulichung einiger Prozesse die den Zustand der Ionosphare beeinflussen Ein Modell der Ionosphare geht auf Grund seines vereinfachenden Charakters von einer strukturell homogenen Ionosphare aus In der Wirklichkeit ist diese aber chaotisch und weist nicht regulare Ionisationsstrukturen auf Ionospharenanomalien sind Abweichungen vom erwarteten allgemeinen Verhalten der Ionosphare Diese Regelwidrigkeiten sind bestandig beobachtbar und grenzen die Anomalien von den spontan auftretenden kurzfristigen Ionospharenstorungen ab Einige der bekannten Anomalien werden nun vorgestellt 3 nbsp Aquatoriale Besonderheit Sonnenerzeugte elektrische Ringstrome auf der Tagseite der Ionosphare aquatorialer Elektrojet Tagesanomalie Das Maximum der Elektronendichte stimmt nicht mit dem Zeitpunkt des hochsten Sonnenstandes uberein sondern liegt in den fruhen Nachmittagsstunden Nachtanomalie Die Ionisation kann wahrend der Nachtstunden trotz mangelnder Sonneneinstrahlung noch weiter ansteigen Polaranomalie Uber den Gebieten der Polarnacht ist eine F Schicht trotz des langzeitigen Fehlens der Sonneneinstrahlung zu finden Jahreszeitliche Anomalie Die Elektronendichte ist im Winter hoher als im Sommer Des Weiteren korreliert das sommerliche Ionisationsmaximum nicht mit dem hochsten Sonnenstand sondern ist an den Aquinoktien Tagundnachtgleichen festzustellen Verantwortlich hierfur sind atmospharische Vorgange die im Sommer zu einer Absenkung der Elektronendichte fuhren Insbesondere scheint das Verhaltnis O O2 und O N2 relevant zu sein das den Aufbau und Verlust von Ionen in der F2 Schicht steuert Ein sommerlicher Uberschuss an O2 durch die globale atmospharische Zirkulation wird als Ursache fur eine Absenkung der Elektronendichte in dieser Jahreszeit gesehen 7 Die erdmagnetische Anomalie Bearbeiten nbsp Der Fontaneneffekt verdrangt Elektronen Das Maximum der Elektronendichte liegt nicht uber dem Aquator Vielmehr bildet sich dort ein Streifen mit erniedrigter Ionisation Der sogenannte Fontaneneffekt uber dem wahren magnetischen Aquator entsteht dort weil durch ein Zusammenwirken elektrischer und magnetischer Felder ExB Drift 30 die freien Elektronen der F Schicht in grossere Hohen gedruckt werden von wo sie dann entlang der nord sudlich verlaufenden magnetischen Feldlinien des Erdmagnetfeldes nach Norden bzw Suden verschoben werden Dadurch wird beiderseits des magnetischen Aquators die Elektronendichte erhoht Die erdmagnetische Anomalie wird auch als aquatoriale Anomalie bezeichnet Das ursachliche elektrische Feld entsteht durch thermospharische Gezeitenwinde die am Tage westwarts gerichtet sind und die vergleichsweise grossen Ionen durch Stossreibung mitreissen Elektronen allerdings nur wenig Da Feldlinien im elektrischen Feld in die Richtung der Kraft zeigen die auf eine positive Probeladung wirkt ist dieses ostwarts gerichtet ionospharische Dynamoschicht Im magnetischen Feld verlaufen die Feldlinien im Aussenbereich jedes Magneten vom magnetischen Nord zum Sudpol d h beim Erdmagnetfeld nordwarts Gemass der Drei Finger Regel wirkt die Lorentzkraft auf die freien Elektronen der Ionosphare am Aquator aufwarts Die D Schicht Winteranomalie Bearbeiten Die D Schicht Winteranomalie wurde im Jahr 1937 von Edward Victor Appleton entdeckt 31 und beschreibt das Phanomen dass oberhalb von 35 geographischer Breite Berlin 52 5 an vielen Wintertagen die Absorptionsfahigkeit der D Schicht wesentlich hoher ist als es der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung begrunden wurde oft sogar hoher noch als an Sommertagen um die Mittagszeit 32 Die Anomalie erreicht dabei typischerweise eine Ausdehnung von mehreren tausend Kilometern weswegen als Ursache eine meteorologische Komponente vermutet wird 33 Die genauen Ursachen sind jedoch bis heute nicht mit Sicherheit erschlossen Des Weiteren ist die Tag zu Tag Varianz der Absorptionsfahigkeit im Winter wesentlich hoher als im Sommer und scheint sich mit zunehmender geographischer Breite zu verstarken jedoch wird dieser Trend zu den Polen hin von anderen Ionisationseinflussen uberlagert Obwohl nicht von solaren Sondereffekten beeinflusst kann die Absorption innerhalb von zwei Tagen um den Faktor 5 steigen im Mittel sind etwa 80 Dampfungszunahme wahrscheinlich 33 Ionospharenstorungen Bearbeiten nbsp Polarlicht uber AlaskaAls Ionospharenstorungen bezeichnet man alle spontan auftretenden Unregelmassigkeiten im Aufbau der Ionosphare Die Ursache einer Ionospharenstorung ist meist direkt oder indirekt in der solaren Strahlungsaktivitat zu finden jedoch konnen auch Meteoriten ihre Ionisation beeinflussen Zu den direkten Faktoren zahlen eine erhohte solare Ultraviolett Rontgen und oder Teilchenstrahlung Korpuskularstrahlung aufgrund einer gestort gesteigerten Sonnenaktivitat zu den indirekten zahlen atmospharisch elektromagnetische Vorgange die auch bei einer ungestorten Sonne auftreten konnen Ionospharenstorungen sind nur von kurzzeitiger Natur und konnen von einigen Minuten bis zu mehreren Tagen andauern Die bekannteste und wohl auch asthetisch wertvollste Auspragung einer Ionospharenstorung ist die Aurora das Polarlicht die durch energiereiche Sonnenwindpartikel ausgelost wird Dagegen ist die von ihr ausgeloste Beeintrachtigung des globalen Kurzwellenfunkverkehrs unerwunscht Ionospharenstorungen sollten nicht mit Ionospharenanomalien verwechselt werden Letztere erfolgen nicht spontan sondern unterliegen einer Regelmassigkeit und beschreiben Abweichungen vom erwarteten allgemeinen Verhalten der Ionosphare Ionospharenstorungen durch Strahlungsausbruche Bearbeiten nbsp Koronaler Massenauswurf aus einem Flare Sonne nbsp Die Ausbreitungsbedingungen bei einem Flare rote Strahlen verglichen mit denen einer normalen ruhigen Ionosphare blauer Strahl Die Elektronendichte ist in allen Schichten erhoht Dies fuhrt zu erhohter Dampfung in der D Schicht mattes Rot bis hin zum totalen Signalverlust oder ungewohnlicher Brechung an der E Schicht Die Ionosphare entsteht durch von der Sonne ausgesandte Strahlungen verschiedener Art geladene Teilchen auch Korpuskeln genannt oder Lichtwellen und wirken sich direkt auf ihren Zustand aus Eine sehr intensive Storung kurzer Dauer tritt als Folge einer Eruption auf der Sonnenoberflache auf die als Flare bezeichnet wird englisch flare helles flackerndes Licht Auf der Sonne betrifft der Lichtausbruch nur eine sehr kleine Flache in den haufig besonders strahlungsaktiven Randgebieten von Sonnenflecken sogenannte Fackelgebiete Hierbei kommt es oft auch zum Auswurf von geladenen Teilchen was als koronaler Massenauswurf bezeichnet wird Ausbruche von geladenen Teilchen reisen als Plasma Wolke von der Sonne zur Erde wo sie durch das Magnetfeld der Erde in die polnahen Gebiete geleitet werden magnetospharisches elektrisches Konvektionsfeld Dort verandern sie die Ionosphare ganz erheblich oft fur Tage was im Funkverkehr zu vielen Ausfallen fuhrt Wahrend die elektromagnetische Strahlung den Weg zur Erde in etwa acht Minuten zurucklegt benotigt die Teilchenstrahlung bis zu 40 Stunden Die von ihr verursachte Ionospharenstorung tritt zeitlich versetzt zu Storungen auf die auf elektromagnetische Strahlung zuruckzufuhren sind Fur den Funkbetrieb sind langerfristige Storungen gravierender Auspragungen der Ionospharenstorungen 34 Ereignis Ankunftszeit nach Flare typische Dauer Strahlungsart AuswirkungenSudden Ionospheric Disturbance SID 8 3 Minuten Reise mit Licht geschwindigkeit 10 bis 60 Minuten Ultraviolett und Rontgenstrahlung Zunahme der D Schicht Absorption auf der TagseitePolar Cap Absorption PCA 15 Minuten bis mehrere Stunden 1 bis 2 Tage manchmal mehrere Tage hochenergetische Protonen und Alpha Teilchen Zunahme der D Schicht Absorption insbesondere in den PolargebietenIonospharensturm 20 bis 40 Stunden 2 bis 5 Tage schwachenergetische Protonen und Elektronen Zunahme der D Schicht Absorption Abfall der F2 MUF Auroras Sporadic EElektromagnetische Strahlung Sudden Ionospheric Disturbance SID Bearbeiten Sudden Ionospheric Disturbances SIDs haben ihren Ursprung in einer erhohten Rontgen und Ultraviolettstrahlung der Sonne Diese wird von der Ionosphare absorbiert und fuhrt dort vor allem in der D Schicht zu einem starken Anstieg der Ionisation SIDs sind am haufigsten im Sonnenfleckenmaximum zu beobachten und treten nur an der Tagseite der Erde auf Durch die hohe Plasmadichte nimmt die Fahigkeit der D Schicht zu Kurzwellen zu absorbieren bis hin zu deren vollstandiger Ausloschung was als Mogel Dellinger Effekt bezeichnet wird Gleichzeitig ist eine Verbesserung der Ausbreitung von Langstwellen engl Very Low Frequency VLF zu beobachten da die D Schicht Langstwellen als Reflektor dienen kann 35 Eine erhohte Ionisation verbessert diese Reflexionseigenschaft Die plotzliche Zunahme der Signalstarke von Langstwellensendern wird als Indikator fur SIDs eingesetzt 36 Teilchenstrahlung Polar Cap Absorption PCA Bearbeiten nbsp Eintritt von Sonnenwindpartikeln uber die polaren Trichter nbsp Polar Cap Absorption Anderung der Ausbreitungswege in den PolargebietenVerbunden mit solaren Flares werden hochenergetische Protonen 10 MeV 37 ausgeworfen die dann entlang der magnetischen Feldlinien der Erde nahe den magnetischen Polen in die Atmosphare eindringen und die Elektronendichte in der unteren Ionosphare D Schicht E Schicht stark erhohen Durch die zusatzlichen Ladungstrager werden Kurzwellen so stark bedampft dass es zu einem vollstandigen Ausfall von Funkverbindungen kommen kann deren Ausbreitungsweg uber die Polkappen verlauft Funkwellen mit niedrigerer Frequenz die normalerweise an der unteren Ionosphare reflektiert wurden werden nun bereits in einer sehr viel niedrigeren Hohe reflektiert so dass sich deren Ausbreitungswege signifikant andern Dieses Phanomen wird als Polar Cap Absorption PCA bezeichnet PCA Effekte sind meist nur von kurzlebiger Natur Wahrend der Rothammel als durchschnittliche Dauer von PCA Effekten 2 3 Tage nennt spricht Kenneth Davies 38 nur von bis zu 5 6 Stunden Weitere Ionospharenstorungen Bearbeiten nbsp Ausbreitungswege wahrend eines Spread F Ereignisses Die ungleichmassige Verteilung der freien Elektronen in der F Schicht streut Kurzwellen bzw verursacht ungewohnliche Ausbreitungswege Wie bereits angesprochen sind nicht alle Storungen der Ionosphare auf solare Strahlungsausbruche zuruckzufuhren Ein solches Beispiel ist das so genannte aquatoriale Spread F englisch Equatorial Spread F eine Ungleichverteilung der Elektronendichte der F Schicht im Aquatorialbereich Die Ursache hierfur sind elektrische Strome in der Ionosphare infolge von Rotationsdifferenzen zwischen freien Elektronen und Ionen da Letztere einer mechanischen Reibung unterworfen sind Erstere jedoch nicht 30 Diese nicht sonneninduzierten Ereignisse werden in zwei Typen unterschieden und zwar hinsichtlich der raumlichen Struktur der Storungen Nach 34 sind dies transiente Phanomene Transient Phenomena und wandernde ionospharische Storungen Travelling Ionic Disturbances TIDs Wie ihr Name andeutet sind die transienten Phanomene nur von kurzlebiger fluchtiger Natur Des Weiteren traten sie lokal in wolkenformiger Auspragung auf und bewegen sich horizontal also hohengleich durch die Ionosphare Zu diesem Typ zahlen beispielsweise sporadische E Ereignisse und Equatorial Spread F 39 Im Gegensatz hierzu sind TIDs wellenartige Schwankungen der Elektronendichte mit einer Frontbreite bis zu mehreren hundert Kilometern Sie konnen von wenigen Minuten bis hin zu mehreren Stunden dauern und aussern sich in starken Schwankungen der Reflexionshohe und der MUF Auf die Kurzwellenausbreitung wirken sich diese TID Effekte nicht ernsthaft aus Die grossten TIDs beginnen im Bereich der Polarlichter und breiten sich zum Aquator hin aus nbsp Leuchterscheinung in der Ionosphare ElvesGewitter konnen kleinere TID Fronten verursachen die ungefahr 200 km wandern bevor sie sich zerstreuen 34 Gewitter sind ebenfalls die Ursache fur eine als Elves bezeichnete Leuchterscheinung in der Ionosphare die jedoch nur weniger als eine tausendstel Sekunde andauert und somit keine TID ist 40 Ein weiteres Gewitter Phanomen sind die als Whistler bezeichneten niederfrequenten elektromagnetischen Signale die u a die Ionosphare durchwandern Die sporadische E Schicht ES Bearbeiten Hauptartikel Sporadic E nbsp Ausbreitungswege wahrend eines sporadischen E Ereignisses blau und ohne rot Die sporadische E Schicht engl Sporadic E liegt im Bereich der E Schicht und tritt nur sporadisch auf Sie ist stark ionisiert und kann alle hohergelegenen Schichten abdecken Ihre Struktur ist oft wolkenartig kann aber auch in weitem Bereich homogen sein Sie kann zu unerwartet hohen Reichweiten fuhren Normalerweise durchdringen Funksignale oberhalb der normalen Grenzfrequenz der E Schicht diese Wahrend eines sporadischen E Ereignisses werden die Signale aber dort reflektiert was Weitbereichsverbindungen verschlechtert aber fur besseren Empfang innerhalb der Erstsprungzone bzw Toten Zone fuhrt Es existieren mehrere Theorien uber die Entstehung der ES Schicht jedoch ist sie bis heute nicht vollig aufgeklart Ionospharensturme Bearbeiten nbsp Tagesschwankungen von Temperatur und Wind auf 100 km Hohe im September 2005 Im Verlauf von Ionospharensturmen kann es sowohl zu einer anormalen Zu als auch Abnahme der Elektronendichte kommen Der Erstere Fall wird als positiver Ionospharensturm der Letztere als negativer Ionospharensturm bezeichnet Ionospharensturme konnen solare oder terrestrische Ursachen haben Beispielsweise kann eine erhohte Teilchenstrahlung der Sonne die Elektronendichte verringern Das von einem Flare ausgeworfene solare Plasma bestehend aus Protonen und Elektronen beeinflusst das Erdmagnetfeld und dringt in die Atmosphare ein Dies hat ein Absinken der kritischen Frequenz der F2 Schicht bis auf deren halben Normalwert und ein Ansteigen der D Schicht Absorption zur Folge Dadurch engt sich der fur den Kurzwellenfunk nutzbare Frequenzbereich von beiden Seiten her ein Intensive Ionospharensturme konnen vollstandige Blackouts fur Weitverbindungen verursachen Dies wird als so genannter Short wave Fade out bezeichnet Ionospharensturme konnen auch atmospharische Ursachen haben Heute geht man davon aus dass Zunahmen der Elektronendichte haufig auf thermospharische Winde zuruckzufuhren sind wahrend Abnahmen im Wesentlichen durch Anderungen in der Neutralgaszusammensetzung hervorgerufen werden z B durch Abnahme von elementarem Sauerstoff und damit verringerter Ionenproduktionsrate 26 Blasen mit einer verminderten Plasmadichte werden als Ursache fur die transaquatoriale Ausbreitung trans equitorial propagation kurz TEP gesehen 39 Wissenschaftliche Forschung Bearbeiten nbsp Das Arecibo Observatorium war ursprunglich zur Erforschung der Ionosphare konzipiert worden Arecibo Observatorium Das durch einige Kinofilme GoldenEye Contact bekannte Arecibo Observatorium in Puerto Rico war ursprunglich zur Erforschung der Ionosphare konzipiert worden Es war das weltweit zweitgrosste Radioteleskop und diente vorwiegend astronomischen Zwecken Seine Nutzung stand allen Astronomen offen uber die Antrage entschied ein unabhangiges Gremium HAARP Das High Frequency Active Auroral Research Program HAARP ist ein US amerikanisches Forschungsprojekt bei dem die Ionosphare durch ein Netzwerk von Sendeanlagen mit intensiven Kurzwellen bestrahlt wird Sura Eine ahnliche Forschungsanlage wie HAARP ist die russische Sura Forschungseinrichtung nbsp EISCAT Svalbard RadarEISCAT Der European Incoherent Scatter EISCAT ist ein Forschungsradar das die Ionosphare mit Mikrowellenstrahlung nach dem Funktionsprinzip des inkoharenten Scatter Radars untersucht SHARE Das Southern Hemisphere Auroral Radar Experiment SHARE ist ein Forschungsprojekt in der Antarktis bei dem die elektrischen Felder der Iono und Magnetosphare beobachtet werden MARSIS Das Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionospheric Sounding MARSIS ist eines von sieben Instrumenten an Bord der 2003 gestarteten Mars Sonde Mars Express der ESA das zur Erforschung der Ionosphare des Mars eingesetzt wird MARSIS sendet hierzu Radiowellen im Bereich von 1 3 bis 5 5 MHz aus und erstellt aus den reflektierten Echos Ionogramme 41 Die Messungen haben ergeben dass die Mars Ionosphare zusatzlich zu den beiden bekannten Ionospharenschichten bei 110 und 135 km Hohe eine dritte Schicht im Bereich zwischen 65 und 110 km aufweist Diese Schicht ist sporadisch und ortlich begrenzt 42 Geschichtliches Bearbeiten1899 Nikola Tesla forscht nach Moglichkeiten um Energie drahtlos uber grosse Entfernungen zu ubertragen In seinen Experimenten sendet er extrem niedrige Frequenzen zur Ionosphare hinauf bis zur Kennelly Heaviside Schicht Grotz 1997 Tesla kann aus Berechnungen basierend auf den Messergebnissen eine Resonanzfrequenz dieser Schicht voraussagen die nur 15 vom heute angenommenen Wert abweicht Corum 1986 In den 1950er Jahren bestatigten Forscher dass die Resonanzfrequenz bei 6 8 Hz liegt nbsp Guglielmo Marconi um 1907 1901 Am 12 Dezember empfangt Guglielmo Marconi das erste transatlantische Radiosignal in St John s Neufundland Er verwendet eine 400 Fuss lange durch einen Drachen gespannte Empfangsantenne Die Sendestation auf der Halbinsel The Lizard in Poldhu Cornwall verwendet einen Funkeninduktor zur Erzeugung der Sendefrequenz von ungefahr 500 kHz mit einer Leistung die 100 mal starker als die aller zuvor erzeugten Signale ist Die empfangene Nachricht besteht aus drei Punkten im Morsecode einem S Um Neufundland zu erreichen musste das Signal zweimal von der Ionosphare reflektiert werden nbsp Oliver Heaviside 1902 Oliver Heaviside sagt die Existenz der Kennelly Heaviside Schicht voraus die seinen Namen tragt Sein Vorschlag beinhaltete Ideen wie Radiosignale entlang der Erdkrummung ubertragen werden konnten Im gleichen Jahr beschrieb Arthur Edwin Kennelly einige der radio elektrischen Eigenschaften der Ionosphare 1909 Guglielmo Marconi erhalt zusammen mit Karl Ferdinand Braun den Physiknobelpreis 1912 Der Kongress der Vereinigten Staaten von Amerika verabschiedet den Radio Act der den Funkbetrieb der Funkamateure auf Frequenzen oberhalb von 1 5 MHz beschrankt Wellenlange kurzer als 200 m 43 Diese Frequenzen wurden von der Regierung als nutzlos angesehen Diese Entscheidung fuhrte im Jahre 1923 zur Entdeckung der ionospharischen HF Radiowellenausbreitung Leon Deloy 1924 Edward Victor Appleton weist die Existenz der Heaviside Schicht nach und erhalt hierfur im Jahre 1947 den Nobelpreis 1926 Der britische Physiker Robert Watson Watt pragt den Begriff Ionosphare 44 1926 Der amerikanische Physiker Merle Antony Tuve entwickelt eine Radar Methode mit variabler Frequenz zur Erforschung der Ionosphare 45 1926 A Hoyt Taylor und Edward Olson Hulburt entwickeln eine Theorie der Elektronendichteverteilung in der Ionosphare die auf dem beobachteten Sprungabstand kurzwelliger Radiowellen aufsetzt und liefern damit auch eine Theorie zur Ausbreitung von kurzwelligen Radiowellen in der Erdatmosphare 46 1932 Sydney Chapman leitet eine Verteilungsfunktion der Ionisation in der Ionosphare unter der Annahme monochromatischer ionisierender Strahlung der Sonne ab 1932 Lloyd Viel Berkner misst als erster die Hohe und Dichte der Ionosphare was das erste komplette Modell der Kurzwellenausbreitung ermoglichte 47 Er entdeckt hierbei die F1 Schicht 48 1936 Maurice V Wilkes promoviert uber die Ausbreitung der Langstwellen in der Ionosphare 49 1942 Vitaly Ginzburg untersucht die Radiowellenausbreitung in der Ionosphare und entwickelt eine Theorie uber die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im Plasma der Ionosphare 50 Im Jahr 2003 erhalt er den Nobelpreis fur seine Pionierleistungen im Bereich der Supraleiter 1946 Am 10 Januar gelingt John Hibbett DeWitt zusammen mit seiner Forschungsgruppe im Rahmen des Project Diana der Nachweis dass Funkwellen die Ionosphare durchdringen konnen Er nutzt hierzu den Mond als Reflektor und stellt somit die erste Erde Mond Erde Verbindung her 1946 Am 23 November weist Arthur Covington wahrend einer partiellen Sonnenfinsternis nach dass sich die Sonnenfleckenaktivitat uber den solaren Radioflux bestimmen lasst 1955 Die Schumann Resonanzen werden von dem Physiker W O Schumann an der TU Munchen nachgewiesen 1958 Im August und September 1958 fuhrt die US Navy wahrend der Operation Argus drei geheime Atombombentests in der Ionosphare durch um den Effekt des elektromagnetischen Impulses EMP auf Radio und Radar zu untersuchen 1962 Der kanadische Satellit Alouette 1 wird gestartet um die Ionosphare zu erforschen Nach seinem erfolgreichen Einsatz folgen im Jahr 1965 Alouette 2 und zwei Satelliten des ISIS Programms International Satellites for Ionospheric Studies im Jahr 1969 und 1971 alle im Einsatz der Ionospharenforschung 1970 Hannes Alfven erhalt den Physik Nobelpreis fur seine grundlegenden Leistungen und Entdeckungen in der Magnetohydrodynamik mit fruchtbaren Anwendungen in verschiedenen Teilen der Plasmaphysik 1992 Die als Elves bezeichnete Leuchterscheinung wird mit Hilfe von Aufnahmen von Bord des Space Shuttles aus erstmals nachgewiesen 40 1999 Das von den Unionen URSI und COSPAR unterstutzte Modell International Reference Ionosphere IRI 51 wird internationaler Standard Trivia BearbeitenDie unter anderem nach Oliver Heaviside benannte Kennelly Heaviside Schicht wurde von T S Eliot in seinem Gedicht The Journey To The Heaviside Layer aufgegriffen das im Musical Cats vertont wurde Literatur BearbeitenStefan Heise Rekonstruktion dreidimensionaler Elektronendichteverteilungen basierend auf CHAMP GPS Messungen Promotion 2002 Kapitel 2 Die Ionosphare und Plasmasphare der Erde Michael C Kelley The Earth s Ionosphere Plasma Physics and Electrodynamics Elsevier 2009 ISBN 978 0 12 088425 4 Vorschau Gerd W Prolss Physik des erdnahen Weltraums 2 Auflage Springer Verlag 2004 ISBN 3 540 40088 5 Vorschau Siegfried J Bauer Die Abhangigkeit der Nachrichtenubertragung Ortung und Navigation von der Ionosphare Verl d Osterr Akad d Wiss Wien 2002 ISBN 3 7001 3140 2 Leonid S Alperovich Evgeny N Fedorov Hydromagnetic waves in the magnetosphere and the ionosphere Springer Dordrecht 2007 ISBN 978 1 4020 6636 8 Karl Rawer Wave Propagation in the Ionosphere Kluwer Dordrecht 1993 ISBN 0 7923 0775 5 R W Schunk Hrsg Solar Terrestrial Energy Program Handbook of Ionospheric Models Utah State University 1996 OCLC 36598271 Weblinks BearbeitenDie folgenden Weblinks sind englischsprachig Weiterfuhrendes Grundlagen der ionospharischen Wellenausbreitung Navy Postgraduate School HF and Lower Frequency Radiation Memento vom 20 Mai 2007 im Internet Archive Einfuhrung ins Weltall Wetter Space Weather A Research Perspective Einfuhrung zur Ionosphare Space Environment Center Dave Anderson and Tim Fuller Rowell The Ionosphere 1999 Memento vom 7 November 2014 im Internet Archive PDF Datei 128 kB Aktuelle Daten Aktuelles Weltall Wetter Space Weather Enthusiasts Dashboard NOAA NWS Space Weather Prediction Center Aktuelle Ionospharendaten SEC s Radio User s Page Memento vom 8 Dezember 2014 im Internet Archive Aktuelle 2D Karte der Elektronendichte TEC NASA Ionospheric and Atmospheric Remote Sensing Aktuelle 3D Ansicht der Elektronendichte TEC via Google Earth NASA 4D Ionosphere Aktuelle TEC Karten global Europa des DLR SWACI Space Weather Application Center Ionosphere Ionospharen Modelle Ubersicht uber Ionospharen Modelle NASA Space Physics Data Facility Ionospheric Models index International Reference IonosphereIonospharen Kenngrossen Ubersicht aller Ionospharen Parameter Space Physics Interactive Data Resource Ionospheric Vertical Incidence Parameters Memento vom 19 Juni 2008 im Internet Archive Ionospharen Messung Tutorial zum inkoharenten Scatter Radar National Astronomy and Ionosphere Center How does the Arecibo 430 MHz radar make measurements in the ionosphere Liste von Ionosonden UMass Lowell Center for Atmospheric Research Digisonde Station List Super Dual Auroral Radar Network European Incoherent Scatter radar system Millstone Hill incoherent scatter radar Aktuelle Diagramme der Ionospharensonde in Juliusruh Memento vom 15 Juni 2014 im Internet Archive Multimedia nbsp Commons Ionosphare Sammlung von Bildern Videos und AudiodateienEinzelnachweise Bearbeiten American Meteorological Society Glossary of Meteorology Memento vom 2 Februar 2007 im Internet Archive a b c d Stefan Heise Die Ionosphare und Plasmasphare der Erde urn nbn de kobv 188 2002002731 Kapitel 2 a b c d e Karl Rothammel Rothammels Antennenbuch Neu bearbeitet und erweitert von Alois Krischke 12 aktualisierte und erweiterte Auflage DARC Verl Baunatal 2001 ISBN 3 88692 033 X 2 Die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen Online W Suttrop Astrophysikalische Plasmen I PDF Datei 557 kB S 7 Max Planck Institut fur Aeronomie Forschungs Info 8 98 S 2 Memento vom 23 Mai 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