Ausbreitung kurzer Funkwellen (KW)

Im Kapitel Funktheorie haben wir gelernt, das sich Funkwellen wie Wellen im Wasser verhalten. Ebenso kamen akustische (Töne) und optische Wellen (das Licht) zur Sprache, welche prinzipiell auch nur Funkwellen mit extrem niedrigen bzw hohen Frequenzen sind. Nun wollen wir hier untersuchen, auf welchen Wegen sich Funkwellen im Frequenzbereich von 0-30 MHz ausbreiten.

Bodenwellen

Bodenwellen werden gradlinig vom Sender abgestrahlt d.h. sie breiten sich entlang der Erdoberfläche aus. Dabei werden die Wellen von der Erdoberfläche selbst beeinflusst. Trotzdem sind Berge unüberwindbare Hindernisse für Bodenwellen - und über Täler gleiten diese Wellen einfach hinüber. Der Einfluss von Berg und Tal nennt man Dämpfung. Diese hat direkte Auswirkungen auf die Feldstärke einer Funkwelle beim Empfänger.
Bodenwellen reichen über den sichtbaren Horizont hinaus und können (theoretisch) zwischen 20 (bei 28 MHz) und 150 km (bei 3,5 MHz) überbrücken. Außerdem sind Bodenwellen unabhängig von Tages- und Jahreszeiten und ermöglichen so zu jedem Zeitpunkt eine qualitativ sehr gute Verbindung zum Funkpartner auf kurzen Distanzen.
Übrigens: Im Bereich der Längstwellen (unterhalb 1 MHz) sind die Bodenwellen schon extrem weitreichend und können sogar unterhalb der Wasseroberfläche der Weltmeere empfangen werden. Man nutzt dies im militärischen Bereich für die Kommunikation mit getauchten U-Booten.

Raumwellen

Diese sind für den Funkbetrieb auf Kurzwelle wesentlich interessanter. Man versteht darunter diejenigen Wellen, welche von einer Sendeantenne schräg in den Himmel abgestrahlt werden.

Wie wir alle in der Schule gelernt haben, wird die Erde von der Atmosphäre umgeben. Diese besteht aus mehreren unterschiedlich dicken Luftschichten, und wird auch Ionosphäre genannt.
Wichtig für Funkwellen sind die D-Schicht (60-100 km Höhe), die E-Schicht (100-150 km Höhe) und die F-Schichten (zwischen 170 und 400 km Höhe). Vor allem letztgenannte sorgen dafür, das von unten schräg einfallende kurze Funkwellen reflektiert und zur Erde zurückgestrahlt werden. Dieser Effekt ist vergleichbar mit einem Spiegel, welcher das Licht einer Taschenlampe auf eine gegenüberliegende Wand zurückwirft. Man denke in diesem Zusammenhang vielleicht auch daran, wie beim Billard-Spiel die Kugeln über die Bande abprallen bei einem Stoß mit dem Queue.

Zusätzliche Sprünge

Funkwellen zwischen 10 und 30 MHz werden nun von diesen Schichten (speziell den F-Schichten) reflektiert und wieder zur Erde zurück "geworfen". Vielfach werden die Wellen von der Erdoberfläche selbst wieder in den Raum gestrahlt, so dass mehrere Sprünge entstehen. Die Funkwellen springen hin und her wie die Kugeln in einem Flipperautomaten.
Kommen ausreichend viele Sprünge zusammen (durch günstige Atmosphärenbedingungen und eine ausreichend starke Sendeleistung), kann die Funkwelle einmal um die ganze Welt laufen. Der Effekt: Der Funker hört sich selbst mit einer deutlichen Zeitverzögerung in seinem Lautsprecher.

Aufladung der Atmosphäre

Die Fähigkeit der Luftschichten zur Reflexion von Funkwellen entstehen durch eine ständige Aufladung mittels Sonneneinstrahlung. Man nennt diesen Effekt Ionisation (daher auch Ionosphäre. Da sich die Erde selbst um ihre eigene Achse dreht und zudem noch in einer großen Ellipse um die Sonne fliegt entstehen die uns sehr bekannten Tages- und Jahreszeiten. Hierdurch werden die Luftschichten mal mehr und mal weniger stark durch die Strahlen der Sonnen aufgeladen. Die Stärke der Sonnenstrahlen selbst fällt und steigt zudem noch einem 11 Jahre dauernden Rhythmus, welcher am besten anhand der Zahl beobachtbarer Sonnenflecken beobachtet werden kann.

Das Funkwetter

Die oben angeführten Bedingungen führen nun dazu, daß eine Verbindung zu weit entfernten Stationen nicht zu jeder Tageszeit auf jeder Frequenz möglich ist. Speziell die Frequenzen zwischen 20 und 30 MHz (z.B. 10 Meter Amateurfunkband und 11-Meter CB-Funkband) sind sehr stark von den Vorgängen auf der Sonnenoberfläche abhängig und somit stets nur in Jahren großer Sonnenaktivitäten für Fernfunkverkehr zu gebrauchen. Daher werden die Aktivitäten und Aufladefähigkeiten der Ionosphäre genauestens beobachtet und in Funkwetterberichten interessierten Funkern zur Verfügung gestellt.

Aufgrund von Sonnenbeobachtungen können so unter anderem die Grenzfrequenzen LUF (Lowest Usable Frequency) und MUF (Maximum Usable Frequency) bestimmt werden. Zwischen LUF und MUF befindet sich der Frequenzbereich, welcher am besten geeignet ist, eine Fernverbindung herzustellen. In Jahren maximaler Sonnenaktivität steigt die MUF auf 35 MHz und ermöglicht Funkverkehr rund um die Welt auch für aktive CB-Funk mit kleiner Sendeleistung und natürlich auf allen Amateurfunkbändern. In Jahren geringer Sonnenaktivität liegt die MUF meist um 15 MHz herum. Frequenzen oberhalb de MUF sind für den Zuhörer praktisch "tot" und nur für lokale Funkgespräche (per Bodenwelle) nutzbar.

Bereiche ohne Empfang

Charakteristisch für Funkgespräche über Raumwellen ist das Auftreten einer oder mehrere Toter Zonen. Darunter versteht man den Bereich, in welchem Bodenwellen nicht mehr - und Raumwellen noch nicht empfangbar sind. Weitere Tote Zonen entstehen zwischen den Auftreffpunkten der Raumwellen. In einer solchen Toten Zone kann das Signal der sendenden Funkstation nicht empfangen werden, selbst wenn diese (wie im 10-Meterband oft zu beobachten) nur wenige Kilometer vom Empfänger entfernt ist.

Wie man tote Zonen überbrückt

Auf den Frequenzbereichen zwischen 15 und 30 MHz umfasst die tote Zone üblicherweise die komplette Bundesrepublik Deutschland und die angrenzenden europäischen Länder. Kurzwellenfunk auf den Frequenzen unterhalb 15 MHz ist tagsüber aufgrund ionosphärischen Bedingungen dann nicht brauchbar (Stichwort: Tagesdämpfung). Im Falle von Katastrophen und Notfällen wollen Notfunker auf Kurzwelle aber eine stabile Verbindung von München nach Berlin einrichten - und zwar 24 Stunden am Tag, ohne Unterbrechung. Hier kommt eine besondere Abstrahltechnik für Funkwellen namens NVIS = Near Vertical Incident Scatter" zum Einsatz.
Auf gut Deutsch bedeutet das: Mittels spezieller Antennen werden die Funkwellen nicht flach über den Horizont gesendet, sondern steil nach oben in die Ionosphäre geleitet, von wo diese wiederum steil nach unten reflektiert werden. Man kann es leicht erraten und anhand der Grafik erkennen: Wenn die Funkwellen steil nach unten kommen, lösen sich Tote Zonen mehr oder weniger in Wohlgefallen auf und schrumpfen auf wenige Kilometer zusammen. Hier sind dann auch Tagsüber Distanzen bis zu 400 Kilometer auf Frequenzen über 15 MHz erreichbar.

Kurzer Sprung

Ein besonderer Effekt der Raumwellenausbreitung betrifft den Frequenzbereich zwischen 25 und 60 MHz (oft auch auf noch höheren Frequenzen), und ist daher auch für den UKW-Funk. Dieser Effekt wird Short Skip (in etwa: "Kurzer Sprung") genannt. Hierbei werden die Funkwellen nicht erst an den F-Schichten der Ionosphäre, sondern bereits an nur sporadisch auftretenden E-Schichten reflektiert. Funkamateure sprechen daher auch von Sporadic-E-Bedingungen. Das Resultat sind Sprünge der Funkwellen im Bereich bis 1.000 km Entfernung um den Sender herum. Praktisch sieht das in etwa so aus: Normalerweise erreicht man im 10-Meterband der Funkamateure zur Zeiten großer Sonnenaktivitäten viele Länder jenseits des Atlantiks. Unter Short Skip Bedingungen werden plötzlich Funkverbindungen im europäischen Raum (z.B. von Nord-Deutschland ans Schwarze Meer oder von Italien nach England) ermöglicht, welche normalerweise wegen zu kurzer Bodenwellen nicht möglich wären.