Die Sonne und der Funkamateur

Präsentation zum Thema: "Die Sonne und der Funkamateur"—  Präsentation transkript:

1 Die Sonne und der Funkamateur
oder Was haben Funkwellen mit der Sonne zu tun? Günter Hein, DJ6RU

2 Worum es heute gehen wird
Das Geschehen auf der Sonne Sonnenaktivität Kennzeichen der Aktivität Sonneneruptionen (Flares) Maßzahlen

3 Worum es heute gehen wird
Funkwellen im Kurzwellenbereich Ausbreitung Frequenzabhängigkeit Beugung und Reflexion

4 Worum es heute gehen wird
Sonneneinfluss und die Kurzwelle Ionisation und reflektierende Schichten Auswirkungen auf der Erde Störungen des Erdmagnetfdeldes Aurora Grayline DX Zusammenfassung

5 Wer weiß es Was bezeichnet man als ein Maunder-Minimum
Das Maunder-Minimum bezeichnet das nahezu völlige Verschwinden der Sonnenaktivität in den Jahren 1645 – 1715. Es fiel mit den kältesten Jahren der „Kleinen Eiszeit“ zusammen, während der in Europa und Nordamerika viele sehr kalte Winter auftraten.

6 Sonnenaktivität Die Sonne unterliegt andauernden sichtbaren und unsichtbaren Veränderungen, besonders an ihrer Oberfläche Die Energie der Sonne stammt aus der Fusion von Isotopen des Wasserstoffs zum Helium-Atom (He)

7 Sonnenaktivität Es entsteht ein Helium-Plasma ̶ ein elektrisch geladenes He-Gas ̶ mit extrem hoher Temperatur von mehreren Tausend Grad Die Fusion benötigt extreme Temperaturen, die nur im Innersten der Sonne ausreichend zur Verfügung stehen..

8 Sonnenaktivität Das Plasma wird auf diese Weise an die Sonnenoberfläche getrieben. Magnetfelder anderer Plasmen können den Weg behindern! Mit dem strömenden Helium-Plasma ist immer ein Magnetfeld verbunden, das auf jedes neu entstehende Plasma einwirkt.

9 Sonnenaktivität Eine hohe Anzahl von Flecken bedeutet eine große Aktivität in der Plasmaerzeugung. Die Zahl der Flecken ist daher ein Aktivitätsmaß! Erreicht ein Plasma die Oberfläche nicht, so ist dort die Temperatur geringer als in der Umgebung. Im Licht erscheint ein Fleck!

10 Sonnenflecken NASA-Animation
Die Größe eines Flecks kann bis zu km erreichen. Das sind mehr als 6 Erddurchmesser

11 Wer weiß es Mit welchen zwei Methoden, kann die Aktivität der Sonne gekennzeichnet werden? 1. Mit der Sonnenflecken-Relativzahl R nach Rudolf Wolf Man bestimmt die Zahl der Sonnenflecken und berechnet die Sonnenflecken-Relativzahl R mit folgender Formel R = k(10·G + E) k ≈ 1; G = Zahl von Fleckengruppen; E = Einzelfleck, jeder Fleck ist zugleich eine Gruppe Beispiel 2 Flecken: R = 1(10·2 + 2) = 22

12 Wer weiß es Mit welchen zwei Methoden, kann die Aktivität der Sonne gekennzeichnet werden? 2. Mit dem solaren Radiofluss Er geht als Radiostrahlung von der Korona der Sonne aus. Ursache der Strahlung sind Schwingungen des Sonnenplasmas (Plasmaoszillationen).

13 Sonnenfleckenzyklen 200 Jahre 18 Zyklen Schwabezyklus
Zykluslänge 11,1 Jahre

14 Sonneneruption Eine Sonneneruption wird auch als Flare (Aufflackern, Gasfackel) bezeichnet. Ein Flare wird durch komplizierte abrupte Veränderungen der Magnetfelder der Sonne hervorgerufen

15 Sonneneruption Bei diesem Ereignis wird Sonnenmasse in den Weltraum hinausgeschleudert. Es handelt sich um einen koronalen Massenauswurf (CME = coronar mass ejection)

16 Sonneneruption Dem Masseauswurf folgt die sofortige Aussendung von hochenergetischer Strahlung im UV und Röntgenlicht. Sie breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus und erreicht nach etwa 8 Minuten die Erde Die Teilchenstrahlung benötigt dagegen etwa 2 – 4 Tage für die etwa km

17 Sonneneruption Die Stärke eines Flare wird in fünf Klassen unterteilt
A 1 – 9,9 schwach B 1 – 9, mal stärker als A C 1 – 9, mal stärker als B M 1 – 9, mal stärker als C X 1 – 9,9 extrem mal stärker als M

18 Sonneneruption Daneben gibt es noch drei Kategorien, die die Auswirkungen auf der Erde benennen. R: Radiostörungen durch intensive Röntgenstrahlung S: Strahlungseffekte (ausgelöst durch die hochenergetischen Teilchen) G: geomagnetische Effekte (ausgelöst durch die Plasmawolke)

19 Sonneneruption

20 Ionisation der Atmosphäre
UV- und Teilchenstrahlung von der Sonne ionisiert die obere Atmosphäre Ionisation befreit die Elektronen der Gasatome der oberen Luftschichten aus ihrer Bindung Die Schichten der oberen Atmosphäre werden dadurch elektrisch leitend Die Leitfähigkeit hängt von der Natur der Strahlung und der Höhe ab

21 Ionisation der Atmosphäre
Die Stärke der einfallenden UV- und Teilchenstrahlung erzeugt verschieden stark ionisierte Schichten die oberste Schicht ist die F-Schicht, zumeist in F2 und F1-Schicht unterteilt Darunter folgt die E-Schicht Die unterste Schicht ist die D-Schicht, die bis etwa 70 km hinunter reicht

22 Ionisation der Atmosphäre

23 Zusammenhänge Quelle: Leipniz-Institut für Atmosphärenphysik, Kühlungsborn

24 Nachtleuchten in der Ionosphäre
Ein Video der NASA, das die ZEIT veröffentlicht hat

25 Magnetosphäre und Sonnenwind
Geladene Teilchen werden durch das Erdmagnetfeld um die Erde herumgelenkt. Partikelstrom von der Sonne An den Polen findet nur geringe Ablenkung statt! Ursache der Ablenkung ist die Lorentzkraft Magnetfeldlinien

26 Magnetosphäre und Sonnenwind
Das Bild ist nicht maßstabsgerecht

27 Einwirkung auf das Erdmagnetfeld
Ein Flare oder ein koronaler Massenauswurf (CME) verursacht neben der UV- und Röntgenstrahlung stets einen sogenannten Solarwind bis hin zu einem Solarsturm. Das ist eine Hochgeschwindigkeitsströmung geladener Teilchen (Partikelströmung) bestehend aus Protonen und Elektronen. Ein geoeffektiver Sturm beeinflusst das Erdmagnetfeld mit Auswirkungen auf den Funkverkehr!

28 Einwirkung auf das Erdmagnetfeld
Bz By Bx N Zeitliche Schwankungen des Erdmagnetfelds hervorgerufen durch einen magnetischen Sturm am 31. März 2001 in Nigeria

29 Einwirkung auf das Erdmagnetfeld
Magnetogramm des Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam im Zeitraum – Vorhersage bis zum 1. November: Die Sonnenaktivität bleibt sehr gering mit solaren Flusswerten zwischen 72 und 76 Einheiten. Es existiert eine Sturmwarnung, denn das große koronale Loch CH769 ist bereits geoeffektiv, und der Sonnenwind weht mit über 700 km/Sekunde. Bis zum 27. Oktober müssen wir mit starken geomagnetischen Störungen rechnen, vielleicht auch mit Aurorabedingungen in höheren Breiten. Rückblick vom 25. bis 31. Oktober: Die optimistische Vorhersage für den WWDX SSB Contest erwies sich als Flop, denn das geomagnetische Feld beruhigte sich erst am 31. Oktober (4. November!!).

30 Einwirkung auf das Erdmagnetfeld
Mit der Strömung geladener Teilchen ist immer ein Magnetfeld verbunden. Dieses beeinflusst das Erdmagnetfeld! Das veränderte Erdmagnetfeld verändert die Ionosphäre und damit auch die Ausbreitung von Funkwellen!! M. Faraday J. C. Maxwell

31 Einwirkung auf das Erdmagnetfeld
Ein geomagnetischer Sturm kann die Magnetopause – die Grenze des Erdmagnetfeldes im Weltraum – sehr nahe an die Erdoberfläche drücken. Die Variation des Erdmagnetfeldes wirkt sich auf die Schichthöhen und Schichtstärken der für den Funkverkehr maßgeblichen Schichten aus. Dies hat stark veränderliche Ausbreitungsbedingungen mit Fading-Erscheinungen oder auch Signalauslöschung zur Folge.

32 Worum es heute geht Die Sonne und ihr Einfluss auf die Erde
Sonnenaktivität Kennzeichen der Aktivität Sonneneruptionen (Flares) Maßzahlen Auswirkungen auf der Erde Funkwellen im Kurzwellenbereich Ausbreitung Frequenzabhängigkeit Beugung und Reflexion

33 Wer weiß es Die kurze Welle Warum ist sie kurz?
Die Kurzwelle (KW) ist nicht wirklich eine kurze Welle! Der Name ist ein historischer aus der Zeit als man für die Übertragung von Nachrichten nur die Lang- und Mittelwelle mit Wellenlängen λ größer als 150 m kannte. Bei einer Frequenz f von 3 MHz – 30 MHz beträgt die Wellenlänge λ der KW λ = c/f => 100 m bis 10 m Es waren Funkamateure, die die Bedeutung der KW für Fernübertragungen erkannten

34 Funkwellen im Kurzwellenbereich
Die Ausbreitung von Wellen auf der Erde kann auf zweierlei Weise geschehen. durch eine am Boden entlanglaufende Welle, die sogenannte Bodenwelle durch eine nach oben in den Raum abgestrahlte Welle, die sogenannte Raumwelle Welche Wellenart vorherrscht ist von der Antennenkonstruktion abhängig. Im KW-Bereich wird Ausbreitung über die Raumwelle angestrebt!

35 Funkwellen im Kurzwellenbereich
Ionospäre tote Zone

36 Funkwellen im Kurzwellenbereich
hohe Aktivität Sommer Winter F-Schicht E-Schicht D-Schicht auch die D-Schicht verstärkt sich

37 Funkwellen im Kurzwellenbereich
Ausbreitung Für die KW-Ausbreitung ist die F-Schicht die entscheidende Schicht Die F-Schicht „reflektiert“ die einfallende KW-Strahlung. (Das ist keine Spiegel-Reflexion, sondern ein Umbiegen der Welle!) Die F-Schichthöhe wirkt sich auf die Reichweite der KW- Strahlung aus

38 Funkwellen im Kurzwellenbereich
Frequenzabhängigkeit Die Konzentration ne der freien Elektronen der F-Schicht beeinflusst die Grenzfrequenz fP der durch die Schicht umgelenkten (reflektierten) Strahlung. Diese Grenzfrequenz, die Plasmafrequenz fP, steigt mit ansteigender Konzentration ne. Ansteigende Sonnenaktivität erhöht ne. →

39 Funkwellen im Kurzwellenbereich
Reflexion, die aber ein Umbiegen ist Radiowellen mit Frequenzen oberhalb der durch ne bestimmten Plasmafrequenz fP werden nicht mehr reflektiert Eine steigende Plasmafrequenz fP aktiviert daher in Zeiten hoher Sonnenaktivität die höherfrequenten Bänder wie 15, 10 und ggf. das 6 m-Band. Frequenzen im 2 m-Band werden nicht reflektiert!

40 Funkwellen im Kurzwellenbereich
Maximum usable frequency MUF Die bei senkrechtem Auftreffen auf die F-Schicht noch reflektierte Frequenz entspricht der Plasmafrequenz fp. Sie wird auch kritische Frequenz genannt. Mit ihr kann eine maximal nutzbare Frequenz, die MUF (maximum usable frequency) angegeben werden.

41 Funkwellen im Kurzwellenbereich
Maximum usable frequency MUF Die MUF hängt vom Abstrahlwinkel α in Bezug auf den Horizont der Antenne ab. → a = 900 ist die senkrechte Abstrahlung

42 Funkwellen im Kurzwellenbereich
Radiowellen, die durch die D-Schicht → laufen, werden im Allgemeinen gedämpft Bei einem starken Flare-Ausbruch kann auch die tief liegende D-Schicht stark ionisiert werden Damit kann die Dämpfung der durchlaufenden Wellen so groß werden, dass sie die F-Schicht nicht mehr erreichen Die Folge ist eine Totalauslöschung des KW-Funkverkehrs, bekannt als Mögel-Dellinger Effekt oder Tote Viertelstunde

43 Aurora-Rückstreuung Eine Aurora (im Norden heißt sie borealis) ist das Auftreten eines Polarlichtes. Sie entsteht, wenn elektrisch geladene Teilchen des Sonnenwinds auf Sauerstoff- und Stickstoffatome in den oberen Schichten der Erdatmosphäre treffen und diese ionisieren. Bei der nach kurzer Zeit wieder erfolgenden Rekombination wird Licht ausgesandt.

44 Aurora-Rückstreuung Eine Aurora kann im Allgemeinen nur in der Nähe der Magnetpole der Erde beobachtet werden. Das geschieht weil dort die ablenkende Lorentzkraft des Erdmagnetfeldes nahezu verschwindet Besonders heftige Sonnenstürme können Polarlichter auch in niedrigen Breitengraden erzeugen Eine Aurora ist in der Lage Funkwellen zurück zu streuen

45 Gray-Line Die Gray-line ist eine Linie, die die Nachtseite der Erde von der Tagseite trennt Sie bietet gute DX-Möglichkeiten

46 Gray-Line Auf ihr löst sich die D-Schicht auf der Nachtseite gerade auf, die der Tagseite ist gerade noch nicht aufgebaut. Funkwellen erfahren daher keine Dämpfung durch die D-Schicht, sie können die F-Schicht erreichen und dort reflektiert werden . Sonnenaufgang: Auckland/Neuseeland 17:08; Melbourne/Ostaustralien 19:05; Perth/Westaustralien 21:13; Singapur/Republik Singapur 22:46; Tokio/Japan 21:09; Honolulu/Hawaii 16:38; Anchorage/Alaska 17:46; Johannesburg/Südafrika 03:13; San Francisco/Kalifornien 14:43; Stanley/Falklandinseln 08:04; Berlin/Deutschland 06:16. Sonnenuntergang: New York/USA-Ostküste 21:43; San Francisco/Kalifornien 01:03; Sao Paulo/Brasilien 21:24; Stanley/Falklandinseln 23:18; Honolulu/Hawaii 03:51; Anchorage/Alaska 01:33; Johannesburg/Südafrika 16:30; Auckland/Neuseeland 07:01; Berlin/Deutschland 15:23.

47 Die Vokabeln des Funkwetterberichtes
Begriff Bedeutung Sonnenflecken kühlere Bereiche auf der Sonnenoberfläche (Korona) Sonnenfleckenrelativzahl R Aktivitätsmaß der Sonne solare Flussdichte sfu. Korreliert mit R. Maß für die solare Radio-strahlung by λ = 10,7 cm. Minimaler Wert etwa 65 Flare: Stärke A, B, C, M, X Aufflackern, Energieausbruch in verschiedenen Stärken

48 Die Vokabeln des Funkwetterberichtes
Begriff Bedeutung CME → coronar mass ejection koronaler Massenauswurf, im Allgemeinen mit einem Flare verbunden geomagnetischer Sturm Einwirkung des Sonnenwindes auf das Erdmagnetfeld geomagnetische Störung Störung der Horizontalkompo-nenten Bx und By des Erdmagnet-feldes

49 Die Vokabeln des Funkwetterberichtes
Begriff Bedeutung planetarischer Index Kp ; auch planetarische Kennziffer Maß für die Störungen des geo-magnetischen Feldes von 13 Stationen im 3-Stundentakt durch Partikelstrahlung. Werte von 0 - 9