Kritische Frequenz

Die kritische Frequenz ist die höchste Frequenz, bei der ein senkrecht in die Ionosphäre einfallender Strahl noch reflektiert wird. Sie wird in über 100 Observatorien mit Ionosonden gemessen und variiert mit dem Standort, der Jahres- und Tageszeit und dem Sonnenfleckenzyklus.

Grundlagen

Prinzip zur Messung der Kritischen Frequenz

Damit Sendungen auf Kurzwelle weltweit bzw. über große Entfernungen empfangen werden können bedienen sie sich einer Eigenschaft der Ionosphäre: Der Reflexion.

Signale bis zu einer bestimmten Frequenz und einem bestimmten Einfallswinkel werden an der Ionosphäre reflektiert und zum Erdboden zurück "geschickt". Dabei hängt das Reflexionsvermögen der einzelnen Ionosphärenschichten von der Frequenz bzw. Wellenlänge ab. Je höher die Frequenz desto höher dringt die Radiowelle in die Ionosphäre hinauf. Ab einer gewissen Frequenz ist keine Reflexion mehr möglich, das Signal durchdringt die Ionosphäre.

Für die Praxis des Funkverkehrs ist diese Grenzfrequenz äußerst wichtig. Sie wird ständig beobachtet und in regelmäßigen Zeitintervallen gemessen, da sie durch verschiedene Einflüsse verändert werden kann. Dazu wird eine Welle senkrecht nach oben abgestrahlt, deren Frequenz kontinuierlich verändert wird. Eine Empfangseinrichtung in der Nähe des Senders fängt die an der Ionosphäre reflektierte Welle auf und stellt die gemessenen Werte (Zeitverschiebung, Feldstärke der Reflexion etc.) in einem Ionogram dar. Die Frequenz, bei der der Empfang aussetzt, wird kritische Frequenz genannt.

Das gesamte System aus frequenzvariablem Sender und Referenzempfänger wird Ionosonde bezeichnet. Auf der Kurzwelle können diese Systeme oftmals gehört werden. Typisch ist der kurze, "tschripende" Klang. Daher rührt auch der irreführende Name "Chirpsounder".

Dieses Verfahren erlaubt, für die einzelnen Iopnosphärenschichten die Bestimmung einer kritischen Frequenz. Ausgenommen hiervon ist die D-Schicht aufgrund ihrer enormen Dämpfung während der Tagzeit. Dagegen wird jedoch für die E-, F1- und F2-Schicht jeweils eine kritische Frequenz bestimmt.

Einflüsse

Die kritische Frequenz der E-Schicht liegt nachts bei unter 1000 kHz. Funksignale oberhalb dieser Frequenz dringen bis zur F-Schicht durch und werden von dort aus weiter reflektiert. Mit Sonnenaufgang steigt die kritische Frequenz der E-Schicht durch Ionisation auf etwa 3 bis 4 MHz an.

Die Bestimmung der kritischen Frequenz der F-Schichten (F1 und F2) ist dagegen weitaus schwieriger. Im Gegensatz zu den F-Schichten reagiert die E-Schicht auf Einflüsse von der Sonne träger. Die F-Schichten sind von Tag zu Tag oftmals deutlich größeren Schwankungen unterworfen. Diese variieren einmal zwischen Tag und Nacht und dazu noch zwischen Sommer und Winter. Außerdem unterliegen sie dem direkten Einfluss der Sonne (Sonnenfleckenzyklus).

Im Winter sind die Unterschiede bei der kritischen Frequenz sehr groß. Liegt sie Nachts bei 2 und 4 MHz können Tagsüber bis zu 15 MHz erreicht werden. Im Sommer stehen dagegen bei Nachtwerten zwischen 4 und 5 MHz Tagwerte von 7 bis 11 MHz gegenüber.

Der Einfluss der Sonnenaktivität lässt sich an den Monatsmittelwerten der kritischen Frequenz darstellen. In Jahren maximaler Sonnenaktivität liegen die Tages-Mittelwerte der kritischen Frequenz bei etwa 8 bis 9 MHz, in Zeiten geringer Sonnenaktivität bei etwa 3 bis 5 MHz.

Ableitung

Die von den Ionosonden gemessenen kritischen Frequenzen bilden die Grundlage für die regional abgeleiteten Angaben zu MUF und zur LUF. Dabei wird für die im Gegensatz zur LUF bedeutsamere MUF ein Näherungs-Verfahren mit folgender Formel verwendet (weitere Details zum Näherungsverfahren siehe MUF):

Da sich die F-Schichten zwar insgesamt eher träge verhalten ist es dennoch notwendig, die kritische Frequenz mehrmals täglich zu messen. Denn schon eine nunacielle Veränderung des Refelxionsvermögens der oberen Ionosphärenschichten hat nach obigem Näherungsverfahren bei unterschiedlichen Entfernungen zum Teil massive Auswirkungen.

Für den "Hausgebrauch" kann folgende Faustrechnung zur groben Annäherung an die MUF für den Nahbereich bis 500 Kilometer verwendet werden:

• Kritische Frequenz x 2 an Wintertagen bei insgesamt geringer solarer Aktivität
• Kritische Frequenz x 4 an Sommertagen bei insgesamt hoher solarer Aktivität.

Die MUF ist also grundsätzlich immer größer als die kritische Frequenz und die Differenz zwischen beiden Werten wird um so größer, je flacher das Signal auf die F-Schicht auftrifft.

Diese Faustrechnung berücksichtigt allerdings keine externen Einflüsse auf die Ionosphäre (Sonnenwind, Rekonnexion etc.) und ist lediglich eine schnelle Hilfe für die eigene Frequenzplanung.

Quellen

• DARF Referat HF/Technik
• Albrecht Hock, Arastou Scharmi: Antennenpraxis, Expert-Verlag 1995, ISBN 3-8169-1150-1
• Homepage von DL9HCG (PDF)