Ionosphärische Ausbreitung

Zwischen 60 und 400 km Höhe ionisiert die Sonne die dünne Luft zu leitfähigen Schichten. Sie spiegeln Kurzwellen um die Erde – abhängig von Tageszeit, Jahreszeit und Sonnenaktivität. Dieses Kapitel erklärt die Schichten, die Kenngrößen MUF, LUF und foF2 sowie die tote Zone.

Quellen: ITU-R P.1239, Davies: Ionospheric Radio

Lernziele

  • die Schichten D, E, F1 und F2 nach Höhe, Entstehung und Tag-Nacht-Verhalten unterscheiden
  • die kritische Frequenz foF2 aus der Elektronendichte ableiten
  • MUF und LUF definieren und die MUF für eine Strecke aus foF2 abschätzen
  • die tote Zone (Skip Zone) erklären und ihre Abhängigkeit von Frequenz und Abstrahlwinkel beschreiben
  • den Einfluss des Sonnenfleckenzyklus und plötzlicher Störungen (Mögel-Dellinger-Effekt) einordnen

Schichten und Reflexion im Diagramm #

Das interaktive Diagramm zeigt die Schichten, den Strahlverlauf und die Kenngrößen für Tag und Nacht.

Ionosphärische Ausbreitung

MUF, LUF und Sprungdistanz

Kurzwellenbereich 1 bis 30 MHz

65 im Minimum, über 200 im Maximum des Sonnenzyklus

Alle Schichten vorhanden, D-Schicht dämpft niedrige Frequenzen

Kritische Frequenz foF2

5,5MHz

senkrechter Einfall

MUF (3000 km)

18,0MHz

Sekantengesetz MUF = foF2 · sec φ

LUF (Schätzung)

9,0MHz

schematisch, abhängig von D-Schicht und Sendeleistung

Ausbreitung

möglich

Frequenz liegt zwischen LUF und MUF

  • D-Schicht (60–90 km)
  • E-Schicht (90–150 km)
  • F1-Schicht (150–250 km)
  • F2-Schicht (250–400 km)
Kennzahlen der Ionosphäre
Frequenz14,0 MHz
Kritische Frequenz foF25,5 MHz
MUF18,0 MHz
LUF9,0 MHz
Reflexionshöhe300 km
Schematische Darstellung; foF2 aus dem solaren Fluss interpoliert

Ionosphärische Schichten #

Vier Schichten mit unterschiedlicher Höhe, Ionisation und Wirkung auf die Funkwellen (Daten: IONOSPHERIC_LAYERS).

  • D-Schicht

    60–90 km · Maximum bei 75 km

    Die unterste Schicht entsteht durch Röntgenstrahlung der Sonne und verschwindet nach Sonnenuntergang wegen der hohen Luftdichte sehr schnell.

    Tag / Nacht
    ja / nein
    • Tag: absorbiert niedrige HF-Frequenzen stark
    • Nacht: löst sich vollständig auf
    • Hauptursache der Tagesdämpfung bei MF und HF

  • E-Schicht

    90–150 km · Maximum bei 110 km

    Reflektiert Mittelwelle und untere Kurzwelle; verschwindet einige Stunden nach Sonnenuntergang. Die sporadische E-Schicht (Es) ermöglicht VHF-Überreichweiten.

    Tag / Nacht
    ja / nein
    • Reflektiert Frequenzen bis etwa 10 MHz
    • Sporadic E: dünne, stark ionisierte Wolken
    • Metallionen aus Meteoren als Ursache

  • F1-Schicht

    150–250 km · Maximum bei 200 km

    Nur tagsüber als eigene Schicht vorhanden, am ausgeprägtesten im Sommer mittlerer Breiten. Verschmilzt nachts mit der F2-Schicht zur F-Region.

    Tag / Nacht
    ja / nein
    • Tagsüber eigenständige Reflexionsschicht
    • Beeinflusst mittlere HF-Frequenzen
    • Nachts: Teil der einheitlichen F-Region

  • F2-Schicht

    250–400 km · Maximum bei 300 km

    Die wichtigste Schicht für HF-Weitverkehr. Tag und Nacht vorhanden; die Ionisation nimmt nachts ab, verschwindet aber nicht.

    Tag / Nacht
    ja / ja
    • Bestimmt die MUF
    • Höhe und Dichte variieren mit dem Sonnenzyklus
    • Ermöglicht weltweite Kurzwellenverbindungen

Die vier Schichten sind kein fester Aufbau, sondern das Ergebnis der Sonneneinstrahlung — und sie bilden sich jede Nacht neu zurück. Das folgende Widget fährt einen ganzen Tag ab: Mit der Sonne wächst die Elektronendichte, die D-Schicht entsteht und schluckt die unteren Bänder, F1 und F2 trennen sich; nach Sonnenuntergang bleibt allein die F2-Schicht mit etwa halber Dichte übrig.

Ionosphäre im Tagesgang

Ionosphärische Schichten zur eingestellten Ortszeit
SchichtHöheElektronendichteKritische Frequenz
D-Schicht60–90 km1,00e+9 e⁻/m³0,28 MHz
E-Schicht90–150 km1,10e+11 e⁻/m³2,98 MHz
F1-Schicht150–250 km2,50e+11 e⁻/m³4,50 MHz
F2-Schicht250–400 km1,00e+12 e⁻/m³9,00 MHz
Ortszeit12:00 Uhr (Tag)
MUF über 2.000 km25,34 MHz
12:00 Uhr
2.000 km
foF2 (kritische Frequenz)

9,00MHz

senkrechter Einfall

MUF über 2.000 km

25,34MHz

Sekantengesetz, h = 300 km

D-Schicht-Absorption

100%

untere Bänder am Tag gedämpft

Höhenprofil schematisch (Summe glockenförmiger Schichten, kein Chapman-Profil); Dichtewerte sind Richtwerte mittlerer Breiten bei mittlerer Sonnenaktivität nach Davies, Ionospheric Radio, und ITU-R P.1239.

Kenngrößen: foF2, MUF, LUF #

Drei Frequenzen beschreiben, was die Ionosphäre gerade kann.

foF2
Höchste bei senkrechtem Einfall reflektierte Frequenzin Hz
N_e,max
Maximale Elektronendichtein e⁻/m³
Kritische Frequenz der F2-Schicht; typisch 4–14 MHz. Beispiel: N_e = 10¹² e⁻/m³ → 9 MHz
Sekantengesetz: Bei schrägem Einfall wird auch eine höhere Frequenz zurückgebogen. Für 3.000 km ist sec φ ≈ 3,28, also foF2 = 5 MHz → MUF ≈ 16,4 MHz
foF2
Kritische Frequenz der F2-Schicht, weltweit von Ionosonden gemessen. Sie steigt mit der Sonnenaktivität.
MUF
Maximum Usable Frequency – die höchste Frequenz, die für eine bestimmte Strecke noch reflektiert wird. Der klassische Faktor M(3000)F2 liegt bei 2,5–3,5.
LUF
Lowest Usable Frequency – darunter reicht das Signal wegen der D-Schicht-Absorption nicht mehr. Mehr Sendeleistung senkt die LUF; nachts liegt sie deutlich tiefer.
FOT
Frequency of Optimum Traffic – etwa 85 % der MUF, ein Sicherheitsabstand gegen Schwankungen.

Sprungdistanz und tote Zone #

Zwischen dem Ende der Bodenwelle und dem ersten Auftreffpunkt der Raumwelle herrscht Funkstille.

Liegt die Betriebsfrequenz über foF2, kehrt nur ein hinreichend flach abgestrahlter Strahl zur Erde zurück. Die kürzeste Entfernung, in der das gelingt, ist die Sprungdistanz. Beispiel: 14 MHz bei foF2 = 5 MHz und 300 km Reflexionshöhe → 1.978 km. Typische tote Zonen reichen von 100 bis 2.500 km; höhere Frequenzen und flachere Winkel vergrößern sie.

Ausbreitungs-Sandkasten

Aktuelle Werte des Ausbreitungs-Sandkastens
Frequenz7,10 MHz – Raumwelle
Radiohorizont Sender / Empfänger22,6 km / 13,0 km
Maximale Sichtverbindung35,6 km
Bodenwelle (Faustregel)20 km
Sprungdistanz0 km
MUF (3000 km)29,4 MHz
7,10 MHz
30 m
10 m
Dominierender Modus: Raumwelle
Radiohorizont (Sender + Empfänger)

35,6km

22,6 + 13,0 km

Sprungdistanz

0km

Tote Zone

—

MUF für 3000 km

29,4MHz

Radiohorizont d = √(2·k·R·h) mit k = 4/3; Sprungdistanz und MUF nach dem Sekantengesetz (Spiegelmodell, h = 250 km, foF2 = 8,4 MHz). Bodenwellenreichweite nur als Faustregel; Höhen stark überhöht.

Verständnisfrage: Ein Sender auf 21 MHz wird in 3000 km Entfernung laut gehört, in 300 km Entfernung aber gar nicht. Warum?

Die Bodenwelle reicht bei 21 MHz nur wenige Dutzend Kilometer, und für 300 km müsste der Strahl so steil abgestrahlt werden, dass die Frequenz über der dortigen MUF liegt – er durchdringt die Ionosphäre. Erst bei flacherem Einfall (größere Entfernung) reicht das Sekantengesetz aus, um ihn zurückzubiegen: 300 km liegt in der toten Zone.

Sonnenaktivität und Funkausbreitung #

Die Ionisation wird primär durch solare UV- und Röntgenstrahlung erzeugt; der etwa 11-jährige Sonnenfleckenzyklus prägt die Kurzwelle.

  • Sonnenfleckenminimum

    Solarer Flux SFI 65–80

    • Niedrigere MUF (typisch 8–12 MHz)
    • Bessere Ausbreitung auf den niedrigen Bändern
    • 40-m- und 80-m-Band optimal
    • Obere HF-Bänder oft geschlossen

  • Sonnenfleckenmaximum

    Solarer Flux SFI 150–300

    • Höhere MUF (typisch 15–35 MHz)
    • Bessere Ausbreitung auf den hohen Bändern
    • 10-m- und 15-m-Band optimal
    • Gelegentlich Öffnungen im 6-m-Band

Quellen

  • ITU-R P.1239 – Referenz-Ionosphärenparameter (foF2, M(3000)F2).
  • K. Davies, Ionospheric Radio, IET 1990 – Sekantengesetz, Sprungdistanz im Spiegelmodell.
  • NASA GSFC / NOAA SWPC – Sonnenaktivität und ionosphärische Störungen.

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