Ionosonde

Die Antennenanlage der HAARP-Ionosonde

Beispiel eines Ionosonde-Systems, das ein Ionogramm anzeigt

Eine Ionosonde ist ein spezielles Radar zur aktiven Untersuchung der Ionosphäre. Es tastet Schichten in der Ionosphäre ab.

Es kann jeweils nur die Hälfte der Ionosphäre bis zur maximalen Elektronendichte sondiert werden. Bei einer Abtastung von unten her ist es die Unterseite („bottomside“) der Ionosphäre; entsprechende Sonden werden als „Bottomside-Sounder“ bezeichnet. Die Oberseite („topside“) wird meist von Satelliten aus von den so genannten „Topside-Soundern“ untersucht.

Verbreitete Modelle von Bottomside-Soundern sind die Modelle der „Digisonde“-Reihe des Zentrums für Atmosphärenforschung der University of Massachusetts Lowell und die „Dynasonde“ von der US-amerikanischen National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA).

In Deutschland gibt es eine Ionosonde in Juliusruh, die Bestandteil eines weltweiten Netzes von miteinander verbundenen Ionosonden ist, welches von der University of Massachusetts Lowell geleitet wird.

Aufbau

Eine Ionosonde besteht aus

• einem Kurzwellen-Sender, der über einen weiten Frequenzbereich abstimmbar ist. Typischerweise beträgt die Frequenzabdeckung 0,5 bis 23 oder 1 bis 40 MHz, wobei die Frequenzdurchläufe normalerweise auf etwa 1,6 bis 12 MHz beschränkt werden,
• einem mitlaufenden Kurzwellenempfänger, der die Sendefrequenz automatisch verfolgen kann,
• eine Steilstrahl-Sendeantenne mit einer geeigneten, gerichteten Abstrahlcharakteristik und Effizienz über den gesamten genutzten Frequenzbereich,
• eventuell eine oder mehrere getrennte Empfangsantennen,
• Kontroll- und Datenanalyseschaltungen, sowie
• Datenausgabegeräte (zum Beispiel Bildschirme), an die eventuell Speichergeräte angeschlossen sind.

Der Sender sendet über die (Sende-)Antenne Pulse aus, der Empfänger empfängt über eine Antenne reflektierte Echos und leitet sie zur Verarbeitung an das Analysesystem weiter.

Prinzip

In einem Frequenzbereich zwischen 0,1 bis 30 MHz wird ein gegen die Ionosphäre gesendetes das Signal zurückgebrochen und ein Echosignal reflektiert. Mit zunehmender Frequenz wird das gesendete Signal weniger stark zurückgebrochen und dringt somit tiefer in die Ionosphäre ein, bevor es reflektiert wird.

Von unten her (bottomside) vergrößert sich durch das tiefere Eindringen die Reflexionshöhe der Schicht, von oben her (topside) verringert sie sich entsprechend. Beim Überschreiten der kritischen Frequenz ist die Ionosphäre nicht mehr in der Lage, das Signal zu reflektieren. Einzelne Schichten der Ionosphäre haben jeweils eine eigene kritische Frequenz.

Eine Ionosonde sendet nach dem Echolot-Prinzip Radiopulse auf die Ionosphäre und wertet empfangene Echos aus. Die Pulse werden abhängig von der Frequenz an verschiedenen Schichten der Ionosphäre reflektiert, von unten in Höhen von 100 bis 400 Kilometern. Es werden üblicherweise Reihen von Pulsen gesendet, sogenannte Durchläufe (englisch „sweep“), wobei schrittweise der gesamte oder ein Teil des entsprechenden Kurzwellen-Frequenzbereiches durchlaufen wird. Im einfachsten Falle wird nur die Signallaufzeit gemessen, aus der die Höhe der Reflexion bestimmt werden kann. Die gemessene Höhe wird auch virtuelle Höhe genannt.

Ein ähnliches Funktionsprinzip weisen die Ausbreitungsbaken auf, welche zur Beurteilung des Funkwetters durch die Ionosphäre verwendet werden.

Anwendungen

Ionosonden können somit die Höhe und die kritische Frequenz der Ionosphärenschichten überwachen. Über verteilte Empfangsantennen können zweidimensionale Darstellungen von totalreflektierten Echos erschlossen und über teilreflektierte Echos kann auch die Mesosphäre untersucht werden.

Ionosonden werden unter anderem benutzt, um die günstigste Betriebsfrequenz für Funkübertragungen im Kurzwellenbereich zu finden. In Verbindung mit Ionosphärenheizern dienen sie als Diagnoseinstrumente, in Verbindung mit inkohärenten Streuradars können sie zu deren Kalibrierung genutzt werden.

Ionogramm

Typisches Ionogramm mit foF2 von annähernd 5,4 MHz.

→ Hauptartikel: Ionogramm

Die Ergebnisse können in Form eines Ionogrammes angezeigt werden. Ionogramme sind zweidimensionale Graphen der Signallaufzeit der reflektierten Hochfrequenzsignale beziehungsweise der daraus berechneten Reflexionshöhe über der Trägerfrequenz. Für deren Auswertung gibt es seit dem Internationalen Geophysikalischen Jahr international akzeptierte Regeln.

Geschichte

Die grundlegende Technik wurde 1925 von Gregory Breit und Merle Antony Tuve erfunden und in den 1920er Jahren von einer Reihe von Physikern, einschließlich Edward Victor Appleton, weiterentwickelt. Der Begriff der „Ionosphäre“, und damit der Ursprung abgeleiteter Begriffe, wurde von Robert Watson-Watt vorgeschlagen.

Weblinks

Commons: Ionosonde – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• NOAA Ionosonde portal to information and data services
• NOAA Dynasonde: Real-time Ionospheric Explorer by advanced and prototype analysis methods.
• aintel.bi.ehu.es/chirps-data/chirps.html
• Lowell Center for Atmospheric Research, Massachusetts, USA
• (unvollständige) Ionosondenliste nach Ort
• DIDBase Fast Station list
• National Observatory of Athens, Greece
• Canadian Advanced Digital Ionosonde (CADI)

Literatur

• Davies, Kenneth: Ionospheric Radio (= IEE Electromagnetic Waves Series #31). Peter Peregrinus Ltd/The Institution of Electrical Engineers, London, UK 1990, ISBN 0-86341-186-X, S. 93–111. 
• Gwyn Williams, G4FKH: Interpreting Digital Ionograms. In: RadCom. 85. Jahrgang, Nr. 05. RSGB, Mai 2009, S. 44–46. 
• Breit, G. and Tuve, M.A.: A Test of the Existence of the Conducting Layer. In: Physical Review. 28. Jahrgang, Nr. 3, 1926, S. 554–575, doi:10.1103/PhysRev.28.554, bibcode:1926PhRv...28..554B. 
• Appleton, E. V.: The Timing of Wireless Echoes, the use of television and picture transmission. In: Wireless World. Nr. 14, Januar 1931, S. 43–44.