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Bedeutung der Sonnenaktivität für den Amateurfunk

Sterne sind toll. Schön anzuschauen und faszinierend, mit noch vielen Geheimnissen. Einer dieser Sterne ist ganz besonders toll - unsere Sonne. Ohne sie ginge hier gar nichts, sie ist der Antrieb unseres Lebens. Fast die gesamte Energie, die wir verwenden, stammt von der Sonne. Egal ob wir gespeicherte Sonnenenergie aus fossilen Brennstoffen verwenden oder direkt Solarenergie nutzen - die Sonne treibt uns an.

Und für uns Funkamateure hat die Sonne noch eine weitere, ganz spezielle Bedeutung. Denn sie ist auch die Hauptursache für das was auf Kurzwelle und anderen Bändern “geht”, also wie gut wir wann wohin weltweit funken können. Die lieben Ausbreitungsbedingungen…

Die Arbeitsweise
eines Sterns - sehr
vereinfacht

Ein Stern funktioniert als ständiger Kampf zweier Kräfte im Gleichgewicht: der Schwerkraft (von außen nach innen) und der Strahlungsenergie (von innen nach außen).

Es ist die Schwerkraft, die die Materie eines Sterns (meistens Wasserstoff und etwas Helium) zusammenpresst. Durch diesen enormen Druck entstehen im Kern hohe Temperaturen, die Materie des Sterns wird zu einem sogenannten Plasma und es kommt ein Fusionsprozess in Gang. Dabei verschmelzen Atomkerne leichter Elemente zu schwereren Elementen. Die dabei abgegebene Energie ist zwar klein, aber weil das so oft geschieht ist die Summe der entstehenden Strahlung extrem hoch. Hoch genug um einen Strahlungsdruck aufzubauen, der der ebenso starken Schwerkraft widerstehen kann. So entsteht ein Gleichgewicht, das so lange aufrechterhalten werden kann, wie die Sonne genug ‘Brennstoff’ hat.

Diese Strahlung aus dem Inneren der Sonne stellt sich für uns nach einigen Umwandlungsprozessen als Wärme und Licht dar. Darüber hinaus gibt es aber noch einen sehr hohen Anteil an nicht sichtbarer Strahlung. Das sind Radiowellen bis hin zum Röntgenbereich, also starke ionisierende Strahlung.

Schutzschild der Erde – Quelle der Freude für Funkamateure

Das hier ankommende Licht und die Wärme ist also die primäre Energiequelle für alles Leben auf der Erde. Und damit nicht zu viel von dieser Strahlung bei uns ankommt (das kann auch schädlich sein), hat die Erde eine Schutzhülle, die einen Teil der Strahlung aufnimmt (filtert) und umleitet. Diese Schutzhülle besteht aus mehreren Schichten. Die unterste Schicht kennen wir gut, sie enthält den Sauerstoff den wir einatmen. Darüber kommen andere Schichten mit verschiedenen Funktionen.

Einen Bereich weiter oben bezeichnen wir als ‚Ionosphäre‘. Hier ist die Luft bereits extrem dünn. Durch diese geringe Dichte kann die Strahlung der Sonne eindringen und die Moleküle der Luft energetisch anregen. Dabei werden die Elektronen aus der Atomhülle gelöst, man spricht von einer Ionisierung des Gases. Und genau diese Ionisierung sorgt dafür, dass Funkwellen an diesen Schichten gebeugt und zur Erde zurückgelenkt werden. Plötzlich reicht unser Funksignal ‘um die Ecke’ und wenn alles passt sogar um die ganze Welt herum.

Wie gut das Funksignal an den Ionosphären-Schichten abgelenkt wird, ist von mehreren Parametern abhängig. Unter anderem ist die mittlere Dichte der Moleküle wichtig, diese kann sich im Laufe der Zeit verändern. Und natürlich ist die Stärke der Sonnenstrahlung von großer Bedeutung. Und die unterliegt auch verschiedenen Schwankungen.

wichtige Zyklen Für Funkamateure

Täglich

Einen Wechsel sehen wir sehr häufig: den Tag- und Nacht-Wechsel. Nachts, ohne Einstrahlung verschwindet die Ionisierung nach wenigen Minuten bis Stunden. Das hat je nach Frequenz unterschiedliche Auswirkungen. Auf Lang- und Mittelwelle fallen dämpfende Schichten weg und man hört nachts plötzlich Stationen aus ganz Europa. Auf Kurzwelle verschwindet die Beugung, wo es vorher noch nach Asien oder in die USA ‘ging’ ist jetzt nichts mehr zu hören.

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Jährlich

Einen anderen Rhythmus können wir jährlich beobachten. Ausschlaggebend ist der Winkel unter dem die Sonnenstrahlen hier ankommen. Im Winter ist der Winkel auf der Nordhalbkugel der Erde sehr flach und die Tagesdauer auch nur kurz, der Energieeintrag in die Ionosphäre ist geringer. Im Sommer ist der Winkel sehr steil und die Sonne kann durch den hohen Stand viel länger einwirken. Dadurch ist der Energieeintrag viel höher, dämpfende Schichten dämpfen länger, beugende Schichten wirken länger. Als Resultat ‘geht’ es zum Beispiel im Winter besser auf den unteren Bändern (160m, 80m) weil es weniger rauscht und wir dadurch besser hören können. Im Sommer treten dafür Effekte auf KW und UKW auf, die sonst im Jahr nicht zu beobachten sind. Ein Beispiel ist die sogenannte „Sporadic-E“ Ausbreitung auf den oberen Bändern (6m und höher).

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11 Jahre

Und dann gibt es noch einen sehr wichtigen Zyklus, und das ist der sich alle 11 Jahre wiederholende Wechsel der Magnetisierung der Sonne. Die Sonne (und vermutlich jeder andere Stern auch) ist ein gigantischer Dynamo, also ein rotierendes Etwas das ein elektrisches und magnetisches Feld hat. Wir beobachten, dass das Magnetfeld der Sonne ungefähr alle 11 Jahre kippt, sich also umpolt. Nach zwei solchen Durchgängen ist der magnetische Nordpol wieder am Ausgangspunkt, man müsste deswegen eigentlich von einem 22-Jahreszyklus reden. Aber da jeder Kippvorgang Nord zu Süd, Süd zu Nord für uns gleich aussieht, reden wir von einem 11-Jahreszyklus.

Völlig verstanden sind die physikalischen Vorgänge in der Sonne, die zu diesem Zyklus führen, noch nicht. Hier wird von vielen Wissenschaftlern auf der ganzen Welt intensiv geforscht. Wichtig für uns Funkamateure sind die Änderungen der Strahlungsintensität der Sonne und die damit verbundene Änderung der Ionisierung in unserer Erdatmosphäre.

Alle 11 Jahre kommt es zu einem Maximum der Aktivität der Sonne. Zu diesem Maximum ist die solare Strahlung sehr viel höher und auch unruhiger als im Minimum. So ein Aktivitätsmaximum dauert einige Monate. Der Anstieg der Aktivität vom Minimum zum Maximum ist steiler, der Wechsel vom Maximum zum Minimum flacher. Ein sichtbares Zeichen der steigenden Sonnenaktivität sind die Sonnenflecken, also dunklere Bereiche auf der Oberfläche, die sich mit speziellen Optiken beobachten lassen (Achtung, niemals mit dem ungeschützten Auge direkt in die Sonne gucken!). Das nächste solare Aktivitätsmaximum wird für das Jahr 2025 erwartet.

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Stark im Maximum –
Solare Eruptionen
(Flares)

Das Maximum und auch die Zeit davor wird von häufigen Ausbrüchen auf der Sonnenoberfläche begleitet, sogenannten Eruptionen, englisch ‘Flare’. Diese Flares haben oft unmittelbare Auswirkungen auf die Ausbreitung der Funkwellen auf Kurzwelle, da sie fast immer mit starken Strahlungsausbrüchen zusammenhängen. Diese Strahlung kommt nach kurzer Zeit (meist nach wenigen Minuten) hier auf der Erde an und kann zu erheblichen Störungen führen.

Denn zu viel Strahlung ist auch für die - für uns eigentlich nützliche - Ionisierung der oberen Atmosphärenschichten nicht gut. Bei zu starker Strahlung bricht die Beugungseigenschaft oftmals völlig und sehr schnell zusammen, es kommt auf der sonnenzugewandten Seite der Erde zu einem totalen “Radio Blackout”. Dieser Blackout kann bis zu ein, zwei Stunden dauern.

Soweit also erstmal der Effekt der ‘schnellen’ Strahlung eines Flares. Oft ist aber mit einer solchen Eruption auch ein Masseauswurf auf der Sonne zu beobachten. Dabei wird durch das plötzliche Aufbrechen des Magnetfeldes der Sonne ionisierte Masse aus dem Schwerkraftfeld der Sonne herausgeschleudert und in den Weltraum gebracht. Die Geschwindigkeit dieser Materiewolken ist unterschiedlich, aber auf jeden Fall sehr viel langsamer als die Strahlung der verursachenden Eruption. Deren Eintreffen beobachten wir nur wenige Minuten nach dem Ereignis. Die Masseauswürfe kommen üblicherweise nach ein bis drei Tagen auf der Erde an - wenn überhaupt.

Eruptionen mit Masseauswurf

Solche Eruptionen, die mit einem Auswurf solarer Masse verbunden sind, bezeichnet man als “CME”, koronale Masseauswürfe (coronal mass ejection). Sie sind gekennzeichnet durch die Richtung (zur Erde oder daran vorbei), der Geschwindigkeit und der Stärke und Richtung des damit verbundenen Magnetfeldes.

Falls so ein CME in Richtung der Erde gerichtet ist, kann er weitreichende Konsequenzen für uns haben. Rein statistisch gesehen finden die meisten solcher Eruptionen mit Masseauswürfen nicht in Richtung der Erde statt. Das ist auch ganz gut so, denn die Effekte können bei sehr starken Ereignissen durchaus drastisch bis katastrophal sein. Der hübscheste Effekt ist noch die Aurora, also das Polarlicht an Nord- und Südpol. Hier kommt die Materie des Auswurfs nach Stunden oder Tagen auf der Erde an und wird - weil die Moleküle elektrisch geladen sind - vom Magnetfeld der Erde zu den Polen hin abgelenkt. Das kann Einfluss auf die Funkausbreitung haben. Konkrete Konsequenzen für Funkamateure sind zum Beispiel Reflektions-Erscheinungen auf UKW an der Aurora. Aber auch stark gestörte Ausbreitungsbedingungen auf Kurzwelle…

Weniger schöne Konsequenzen solcher erdgerichteten Masseauswürfe sind Einflüsse auf Satelliten und technische Einrichtungen auf der Erde. Satelliten können durch das starke elektrische Feld ge- oder gar in einzelnen Funktionen zerstört werden. Wenn dass das weltweite GPS-System der Navigationssatelliten beträfe, könnte das sehr weitreichende Auswirkungen auf uns alle haben.

Ein anderer Effekt ist die Induktion starker Ströme in elektrische Überlandleitungen unserer globalen Stromversorgung. Auch hier gab es schon Ereignisse, die zum vorübergehenden Abschalten von Umspannwerken geführt haben - also ein Stromausfall für viele Haushalte, Krankenhäuser, Gewerbe (Kühlung!) und Industrieanlagen. Das sind Konsequenzen die uns alle betreffen können, egal ob Funkamateur oder nicht.

Die Sonne als Funkamateur beobachten

Welche Möglichkeiten gibt es also für Funkamateure, die Aktivität der Sonne zu beobachten? Und damit dann auch deren Auswirkungen auf die Ausbreitungsbedingungen auf Kurzwelle und UKW zu verstehen?

R, F, A, k – Die vier wichtigsten Messwerte

Die Aktivität der Sonne wird mit vielen Werten gemessen. Vier davon sind für uns sehr wichtig: Die Sonnenflecken-Relativzahl ‚R‘, eine Kennzahl die die Menge der gerade vorhandenen Sonnenflecken angibt; und der Solare Flux ‚F‘, die Strahlungsintensität in einem bestimmten Teil des Radiospektrums (bei 2695 MHz, der Aktivitätslinie des angeregten Wasserstoffs).

Der geomagnetische Index ‚A‘ beschreibt den Einfluss des solaren Masseeintrags (Partikelstrahlung) in die Ionosphäre. Der geomagnetische Index ‚k‘ beschreibt den Zustand des Erdmagnetfeldes, ob es ruhig oder durch solare Ereignisse gestört ist.

Es gibt darüber hinaus noch weitere Messwerte, die von den weltweit verteilten Sonnenobservatorien ermittelt werden. Sie fassen zeitliche Vorgänge zusammen und zeigen so bestimmte Trends und Veränderungen. Beispiele sind die planetaren Indizes ‚Kp‘ und ‚ap‘, auf die hier aber nicht weiter eingegangen wird.

R
Sonnenflecken-Relativzahl
Werte der Sonnenflecken-Relativzahl ‚R‘ reichen von ca. 10 im Minimum bis zu 150 in einem typischen Maximum. Einfache Regel: je höher der ‚R‘-Wert, desto besser sind die Chancen auf ‚gute Bedingungen‘, vor allem auf den höheren Bändern. Allerdings steigt auch die Chance auf einen solaren Sturm, der zu starken Störungen bis hin zum völligen Ausfall der Kommunikation auf Kurzwelle führen kann.
F
Solare Flux
Der Solare Flux zeigt Werte von 50-70 im Minimum, und bis zu 200 im Aktivitäts-Maximum. Also grobe Daumenregel gilt das Gleiche wie oben – höhere Werte erfreuen den Funkamateur, bringen aber auch die Gefahr von Störungen mit sich.
A
Masseeintrag
Bei Werten um 10 gab und gibt es wenig Masseeintrag in die Ionosphäre, die Situation ist ruhig, es sind kaum Störungen zu erwarten. Der Wert kann sich beim Eintreffen eines erdgerichteten CME sprunghaft erhöhen, das Maximum ist so um die 30 herum. Ein so hoher Wert weist auf einen starken Partikelstrom von der Sonne auf die Erde hin. Als Konsequenz kann sich eine Aurora ergeben, aber auch sprunghaft bessere Ausbreitungsbedingungen auf den unteren Bändern, die dann einige Stunden andauern können.
K
Zustand Erdmagnetfeld
"Hier wird ein Wert von 0 bis 9 angegeben, der durch andere Beobachtungsdaten zusammenfassend berechnet wird. Kleiner Wert = ruhige Magnetosphäre = gut für uns; hoher Wert = unruhige Magnetik = schlecht für uns Funkamateure."

Wo findet man als Funkamateur nun aktuelle Daten?

Dazu haben wir einen echten Experten befragt: Dr. Ing. Hartmut Büttig, DL1VDL. Hartmut hat jahrelang die Funkwettervorhersage des DARC erstellt und beratend begleitet, er gibt uns in einem kurzen Interview spannenden Einblicke wie er dazu kam und wo man an diese Messdaten kommt:

Interview
mit Hartmut Büttig DL1VDL

Mai 2022

Zum Interview

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Freuen wir uns auf das nächste solare Maximum im Jahr 2025!

Die Sonnenaktivität ist ein sehr komplexer Vorgang, der von uns noch nicht völlig verstanden wird und den es weiter zu untersuchen gilt. Für uns Funkamateure hat das also nicht nur unmittelbare Auswirkungen auf die Ausbreitungsbedingungen, sondern stellt auch ein Forschungsgebiet dar, an dem wir als Laien durchaus teilhaben können. Auf jeden Fall ist es faszinierend zu beobachten, und hilft uns unsere Ziele (viele DXCC-Länder!) schneller und besser zu erreichen.