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ⓘ Ionosphäre



Ionosphäre
                                     

ⓘ Ionosphäre

Die Ionosphäre ist jener Teil der Atmosphäre eines Himmelskörpers, der große Mengen von Ionen und freien Elektronen enthält. Bei den Planeten des Sonnensystems macht die Ionosphäre den Großteil der Hochatmosphäre aus. Die Ionisation der Gasmoleküle erfolgt durch energiereiche Anteile der Sonnenstrahlung. Die Reichweite der Strahlung bestimmt den Übergang zur Neutrosphäre.

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 um 300 km und geht letztlich in den interplanetaren Raum über. Als Grenze zwischen Ionosphäre und Plasmasphäre kann die Übergangshöhe zwischen O + und H + in einer Höhe von 1000 km betrachtet werden. Dort erhöht sich die Skalenhöhe, mit der die Teilchendichte exponentiell abnimmt. Die Ionosphäre liegt somit größtenteils innerhalb der mit Blick auf Neutralteilchen definierten Thermosphäre.

                                     

1. Entstehung der Ionosphäre

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.

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.

                                     

2. Die Ionosphärenschichten

Innerhalb der Ionosphäre existieren drei lokale Ionisationsmaxima, weswegen sie in drei Regionen unterteilt wird: D-, E- und F.

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.

                                     

2.1. Die Ionosphärenschichten Die D-Schicht

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- α {\displaystyle \alpha } -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 N 2, O 2. 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 eine Nutzung der Raumwelle auf Funkfrequenzen kleiner als etwa 10 MHz ionosphärischer Wellenleiter. UKW-Signale können an der D-Schicht gestreut werden Ionoscatter.



                                     

2.2. Die Ionosphärenschichten Die E-Schicht

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 N 2, O 2 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 bezeichnet, oder kürzer als Heaviside-Schicht. Die Bezeichnung geht zurück auf Arthur Edwin Kennelly und Oliver Heaviside, die unabhängig voneinander 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 Elektrische-Schicht bezeichnete. Die später entdeckten, weiteren Schichten wurde gemäß ihrer relativen Höhenlage dann als D- und F-Schicht bezeichnet. Siehe auch Geschichtliches.

                                     

2.3. Die Ionosphärenschichten Die F-Schicht

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.

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.

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 F 1 -Schicht, der Gipfel des Profils liegt aber in der F 2 -Schicht. Die F 1 -Schicht ist der Ort größter Ionenproduktion, die ohne Sonneneinstrahlung stark zurückgeht. Die stärkste Ionenkonzentration dagegen findet sich jedoch in der F 2 -Schicht aufgrund der dort schwächeren Rekombination. Die F 1 -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 F 2 -Schicht mit der Umwandlung von O + -Ionen in NO + - und O 2 + -Ionen verknüpft. Dieser Verlustprozess verläuft langsamer. Im Sommer liegt der Gipfel der F 2 -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.

                                     

3.1. Nutzung der Ionosphäre Funkwellen

Höhere Schichten der Ionosphäre werden durch die Sonnenstrahlung teilweise ionisiert und enthalten deshalb freie Elektronen, die durch das elektrische Feld von Funkwellen der Frequenz f {\displaystyle f} zu Schwingungen angeregt werden können. Die schwingenden Elektronen senden ihrerseits Wellen aus, die in der Umgebung der Plasmafrequenz f P {\displaystyle f_{\text{P}}} 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 f B {\displaystyle f_{\text{B}}} 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 n {\displaystyle n} gelten. Verläuft die Ausbreitungsrichtung parallel zu den Magnetfeldlinien, gelten für f > 1 MHz folgende Näherungen:

n links = 1 − f P 2 f + f B {\displaystyle n_{\text{links}}={\sqrt {1-{\frac {f_{\text{P}}^{2}}{ff+f_{\text{B}}}}}}} n rechts = 1 − f P 2 f − f B {\displaystyle n_{\text{rechts}}={\sqrt {1-{\frac {f_{\text{P}}^{2}}{ff-f_{\text{B}}}}}}}

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 f B = 0 {\displaystyle f_{\text{B}}=0} 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.

Für f < f P {\displaystyle f



                                     
  • nach groSer Distanz durch Reflexionen an der Ionosphäre wieder zur Erde zurückgelangen. Da die Ionosphäre keine harte reflektierende Oberfläche hat, muss
  • Grenze der Ionosphäre beträgt die durchschnittliche Elektronendichte 10.000 Elektronen je cm³. Die Elektronendichte ne in der Ionosphäre ist nicht konstant
  • oberhalb der Ionosphäre Satellit verringert sich die virtuelle Höhe. Beim Überschreiten der sogenannten kritischen Frequenz ist die Ionosphäre nicht mehr
  • Kennelly - Heaviside - Schicht, auch E - Schicht, ist eine Schicht der Ionosphäre der Erde. An der Ionosphäre werden kurzwellige Radiosignale absorbiert bzw. reflektiert
  • aktiven Untersuchung der Ionosphäre Es tastet Schichten in der Ionosphäre ab. Es kann jeweils nur die Hälfte der Ionosphäre bis zur maximalen Elektronendichte
  • dem täglichen Veränderungen im Aufbau der Ionosphäre zusammen. Die Reflexionseigenschaften der Ionosphäre ändern sich nachts. Grob vereinfacht erfolgt
  • Untersuchung von Plasmaturbulenzen der Ionosphäre und der oberen Atmosphäre genutzt. Das Bestrahlen der Ionosphäre verursacht eine Aufheizung des dortigen
  • ausgestrahlt und wird an der Ionosphäre zurück zur Erdoberfläche reflektiert. In den Tagesstunden dämpft die Ionosphäre die Mittelwellensignale, weil
  • der Ionosphäre und wurde damit zusammen mit Hiroshi Maeda und Sir Edward Appleton einer der drei Entdecker der äquatorialen Anomalie in der Ionosphäre 1945
  • absorbierenden Schichten der Ionosphäre absorbiert und gelangt nicht bis zu den reflektierenden Schichten der Ionosphäre Nachts ist die Dämpfung geringer
  • realer Reflexionshöhe in der Ionosphäre ergibt sich wie folgt: Lowest Usable Frequency LUF Reflexion an der Ionosphäre Funkwetter J. Vastenhoud:
  • Ionisierung in der irdischen Ionosphäre daher mittags in besonderem MaSe TEC Dadurch wird auch der durch die Ionosphäre induzierte Anteil am Erdmagnetfeld
                                     
  • Funkwetter verändert wird. Funkwellen im Kurzwellenbereich werden an der Ionosphäre reflektiert, wenn sie unter einem bestimmten Winkel auf diese auftreffen
  • wenn es auf spezielle Eigenschaften der Ionosphäre ankommt. Bei HAARP wird so mit linkem Drehsinn die Ionosphäre aufgeheizt, bei Rundfunksendern strahlt
  • Kurzwellenfunks der Bereich bezeichnet, in dem die Bodenwelle nicht mehr die an der Ionosphäre reflektierte Raumwelle erreicht. Die GröSe der Toten Zone wird bestimmt
  • unteren Lagen der Ionosphäre wie der sogenannten D - Schicht stattfindet. Je nach Ionisationsgrad ist die Absorption in der Ionosphäre unterschiedlich groS
  • die Ionosphäre gleich stark positiv aufgeladen ist. Vereinfacht gesagt stellen die jeweils gut elektrisch leitende Erdoberfläche und die Ionosphäre die
  • Richtung Magnetschweif verloren. Diese Verluste werden ersetzt aus der Ionosphäre deren Fortsetzung die Plasmasphäre darstellt. Dies geschieht parallel
  • besonders in den Abendstunden aufgrund von Reflexionen der Raumwelle an der Ionosphäre zu Überreichweiten und Änderung der Polarisation der Signale kommen. Die
  • Verbindung mit zur Polarisationsebene geneigten Leiterstücken oder auch in der Ionosphäre in Verbindung mit Magnetfeldern. Weitere Beispiele sind Zirkulatoren bzw
  • F - Schicht, ist die höchstgelegene Ionosphärenschicht der Erde. An der Ionosphäre werden kurzwellige Funksignale reflektiert, daher ist sie für die Ausbreitung
  • Abstrahlcharakteristiken der Antenne, vor allem schräg aufwärts und erreicht die Ionosphäre in einem flachen Winkel und wird bei günstigen Bedingungen an ihr reflektiert
                                     
  • anderer Art, wie die Untersuchung der elektrischen Eigenschaften der Ionosphäre Daneben werden mit Hilfe von Höhenforschungsraketen auch astronomische
  • Geophysiker. Er gilt als Entdecker der elektrischen Eigenschaften der Ionosphäre und der Interaktion zwischen Sonne und Erdatmosphäre. Daneben war er der
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  • Gleichung findet sich auch in Gerd Klawitter: Ionosphäre und Wellenausbreitung. Zusammenhänge zwischen Sonne, Ionosphäre und weltweitem Funkempfang Vorhersage
  • war ein deutscher Physiker und Forscher im Bereich Hochatmosphäre und Ionosphäre Er entwickelte 1940 ein Verfahren für die Vorhersage der Ausbreitung
  • Die Chapman - Schicht ist der theoretische Bereich der Ionosphäre an dem sich die maximale Ionisation einstellt, wenn einzig die Absorption von solarer
  • Explorer 76, war ein kleiner Forschungssatellit der NASA zur Erkundung der Ionosphäre und der Thermosphäre, dessen Mission jedoch kurz nach dem Start scheiterte
  • Oliver Heaviside vorhergesagte, Radiowellen reflektierende Schicht der Ionosphäre E - Schicht, Kennelly - Heaviside - Schicht Zwischen 1939 und 1949 bekleidete

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Mehr Ionen für die Ionensphäre: Die US Luftwaffe will die Ionosphäre manipulieren, um ihre Reflexionseigenschaften zu verbessern. Ionosphäre Mineralienatlas Lexikon. Die Ionosphäre befindet sich oberhalb etwa 80 Kilometern Höhe. In diesen Schichten sind signifikante Mengen an Ionen und freien Elektronen vorhanden, die.


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