Die Atmosphärenschichten – warum sie für den Amateurfunk so wichtig sind

Wer neu in den Amateurfunk einsteigt oder sich gerade auf die Prüfung vorbereitet, begegnet ziemlich schnell Begriffen wie Ionosphäre, F-Schicht, Dämpfung, Sporadic-E oder Raumwelle. Anfangs klingt das kompliziert. Im Grunde steckt dahinter aber eine einfache Frage:
Warum kann ich mit meinem Funkgerät manchmal eine Station auf der anderen Seite der Erde erreichen – während ich eine Station in 200 Kilometern Entfernung kaum höre?
Die Antwort liegt zu einem großen Teil über unseren Köpfen. Unsere Atmosphäre besteht aus verschiedenen Schichten, und einige davon beeinflussen Funkwellen ganz erheblich. Das Schaubild zeigt diese Schichten und ihre Bedeutung für die unterschiedlichen Amateurfunkbänder. Klicke auf das Bild um es zu vergrössern, lasse es neben dem Beitrag offen um es besser zu verstehen.

Ganz unten beginnt alles: die Troposphäre

Die Troposphäre reicht vom Erdboden bis ungefähr 10 Kilometer Höhe. Hier spielt sich unser Wetter ab: Wolken, Regen, Wind und Temperaturunterschiede.
Für den Amateurfunk ist sie insbesondere bei VHF und UHF, also beispielsweise auf 2 m und 70 cm, interessant. Normalerweise breiten sich diese hohen Frequenzen überwiegend geradlinig aus. Deshalb spricht man häufig vereinfacht von Sichtverbindungen. Je höher Sender und Empfänger stehen und je weniger Hindernisse dazwischenliegen, desto größer kann die Reichweite werden.
Doch die Atmosphäre kann uns manchmal helfen. Bestimmte Wetterlagen erzeugen unterschiedliche Luftschichten, an deren Grenzen sich Funkwellen brechen können. Bei ausgeprägten Inversionswetterlagen können UKW-Signale dadurch wesentlich weiter reichen als gewöhnlich. Man spricht von troposphärischer Überreichweite oder kurz „Tropo“.
Dann können auf 2 m oder 70 cm plötzlich Stationen über mehrere hundert Kilometer mit erstaunlich starken Signalen auftauchen.

Die Stratosphäre

Oberhalb der Troposphäre beginnt ungefähr ab 10 km die Stratosphäre, die bis etwa 50 km Höhe reicht. Hier befindet sich auch ein großer Teil der Ozonschicht.
Für die klassische Kurzwellen-Funkausbreitung spielt die Stratosphäre selbst eine wesentlich geringere Rolle. Für das Verständnis des gesamten Aufbaus unserer Atmosphäre gehört sie aber dazu.
Noch höher folgt ungefähr zwischen 50 und 85 km die Mesosphäre. Dort verglühen viele Meteore. Und genau das kann für Funkamateure wieder interessant werden.
Die ionisierten Spuren eines Meteors können für sehr kurze Zeit Funkwellen reflektieren. Dieses Verfahren heißt Meteor Scatter und wird beispielsweise auf 2 m genutzt. Die Reflexion dauert je nach Ereignis manchmal nur Sekundenbruchteile, gelegentlich aber auch mehrere Sekunden.

Die Ionosphäre – der Schlüssel zur Kurzwelle

Jetzt kommen wir zu dem Bereich, der für den klassischen Kurzwellenfunk besonders wichtig ist: die Ionosphäre.
Durch die Strahlung der Sonne werden dort Atome und Moleküle ionisiert. Vereinfacht gesagt entstehen elektrisch geladene Teilchen, die die Ausbreitung von Radiowellen beeinflussen können.
Die Ionosphäre ist keine starre Schicht. Ihre Eigenschaften verändern sich ständig. Tageszeit, Jahreszeit und Sonnenaktivität spielen dabei eine große Rolle.
Deshalb kann ein Band morgens völlig anders funktionieren als abends – und deshalb können sich die Bedingungen von einem Tag zum nächsten erheblich verändern.

D-Schicht – der „Kurzwellenfresser“

Die D-Schicht befindet sich ungefähr in 60 bis 90 km Höhe.
Tagsüber wird sie durch die Sonne stark ionisiert. Für Funkamateure hat das einen unangenehmen Effekt: Sie absorbiert vor allem niedrigere Kurzwellenfrequenzen.
Deshalb funktionieren beispielsweise 160 m und 80 m tagsüber für große Entfernungen wesentlich schlechter als nachts.
Nach Sonnenuntergang nimmt die Ionisation der D-Schicht stark ab. Die Absorption wird geringer – und plötzlich können die unteren Kurzwellenbänder über große Entfernungen funktionieren.
Das erklärt eine typische Erfahrung: 80 m ist abends und nachts oft wesentlich interessanter als am Mittag.

E-Schicht – und der Überraschungsgast Sporadic-E

Darüber liegt etwa zwischen 90 und 140 km die E-Schicht.
Besonders spannend ist ein Phänomen namens Sporadic-E, kurz Es oder SpE. Dabei entstehen zeitweise sehr stark ionisierte Bereiche innerhalb der E-Region. Diese können wesentlich höhere Frequenzen zurück zur Erde führen, als dies normalerweise zu erwarten wäre.
Besonders bekannt ist dieser Effekt auf 10 m und 6 m. Und gelegentlich passiert das sogar auf 2 m.
Dann kann man beispielsweise auf 144 MHz plötzlich Stationen aus 1.000, 1.500 oder sogar über 2.000 km Entfernung hören, obwohl auf diesem Band normalerweise ganz andere Reichweiten üblich sind.
Das Faszinierende daran: Sporadic-E kann relativ plötzlich entstehen und ebenso schnell wieder verschwinden.

F1 und F2 – hier entsteht der weltweite Kurzwellenfunk

Noch höher befinden sich die F-Schichten. Tagsüber unterscheidet man häufig zwischen F1 und F2. Nachts verschmelzen sie praktisch zu einer F-Region.
Besonders wichtig ist die F2-Schicht. Sie kann sich mehrere hundert Kilometer über der Erde befinden und ermöglicht die großen Kurzwellenverbindungen.
Eine Funkwelle verlässt die Antenne schräg nach oben und gelangt in die Ionosphäre. Dort wird ihr Ausbreitungsweg durch den Elektronendichtegradienten gekrümmt, sodass sie unter geeigneten Bedingungen wieder zur Erde zurückkehrt.
Im normalen Sprachgebrauch hört man dafür oft „Reflexion an der Ionosphäre“. Physikalisch ist „Reflexion“ allerdings eine Vereinfachung: Die Welle wird nicht wie Licht an einem Spiegel einfach zurückgeworfen, sondern ihr Weg wird in der Ionosphäre fortlaufend gebrochen bzw. gekrümmt.
Für das grundlegende Verständnis reicht zunächst:
Die Funkwelle geht nach oben – die Ionosphäre bringt sie wieder zur Erde zurück.
Das nennt man Skywave oder Raumwelle.

Warum kommt man damit um die halbe Welt?

Nach der Rückkehr zur Erde kann die Funkwelle erneut in Richtung Ionosphäre gelangen und anschließend wieder zur Erde zurückkehren. So entstehen mehrere sogenannte Hops.
Hamburg → Ionosphäre → Erde → Ionosphäre → Erde …
Auf diese Weise können mit vergleichsweise geringer Sendeleistung Entfernungen von vielen tausend Kilometern überwunden werden.
Genau deshalb ist Kurzwelle so faszinierend: Für eine Verbindung von Deutschland nach Australien braucht es keinen Satelliten, kein Internet und keine Mobilfunkinfrastruktur.
Sender, Empfänger, Antennen – und die natürlichen Ausbreitungsbedingungen reichen grundsätzlich aus.

Warum funktionieren die Amateurfunkbänder unterschiedlich?

Hier kommt die Tabelle im Bild ins Spiel. Die verschiedenen Frequenzen reagieren unterschiedlich auf die Ionosphäre.
160 m und 80 m sind besonders für Abend und Nacht interessant, weil tagsüber die D-Schicht stark dämpft.
40 m ist eines der zuverlässigsten Kurzwellenbänder und ermöglicht abhängig von Tageszeit und Bedingungen sowohl regionale als auch internationale Verbindungen.
30 m, 20 m und 17 m sind klassische Bänder für größere Entfernungen. Besonders 20 m ist ein wichtiges DX-Band und kann bei geeigneten Bedingungen über große Teile des Tages geöffnet sein.
15 m, 12 m und 10 m profitieren stark von hoher Sonnenaktivität. Bei guten Bedingungen sind auf diesen Bändern weltweite Verbindungen mit erstaunlich kleinen Leistungen möglich.
6 m liegt bereits im VHF-Bereich und trägt nicht ohne Grund den Spitznamen „Magic Band“. Es kann sich lange ruhig verhalten und plötzlich durch Sporadic-E oder andere Ausbreitungsarten große Entfernungen ermöglichen.
Bei 2 m, 70 cm und 23 cm dominieren dagegen normalerweise Direktverbindungen und troposphärische Ausbreitung. Hinzu kommen besondere Betriebsarten wie Meteor Scatter, Satellitenbetrieb oder sogar EME – Earth-Moon-Earth, bei dem der Mond als passiver Reflektor verwendet wird.

Und was hat die Sonne damit zu tun?

Sehr viel. Die Sonne liefert die Energie, durch die große Teile der Ionosphäre überhaupt erst ionisiert werden.
Eine hohe Sonnenaktivität kann insbesondere die höheren Kurzwellenbänder deutlich verbessern. Deshalb beobachten viele Funkamateure Werte wie den Solar Flux Index (SFI) sowie geomagnetische Kennzahlen wie K- und A-Index.
Dabei gilt allerdings nicht einfach: Mehr Sonnenaktivität = immer besserer Funk.
Starke Sonneneruptionen und geomagnetische Störungen können die Kurzwellenbedingungen auch massiv verschlechtern oder zeitweise zusammenbrechen lassen.
Die Sonne ist also gleichzeitig Motor und Störfaktor unserer Kurzwellenverbindungen.

Ein einfaches Bild zum Merken

Für Einsteiger kann man sich die Ausbreitung zunächst so merken:
Kurzwelle nutzt häufig die Ionosphäre und ermöglicht dadurch weltweite Verbindungen.
6 m liegt im Übergangsbereich und überrascht besonders durch Sporadic-E.
2 m und höher funktionieren normalerweise über direkte bzw. troposphärische Ausbreitung, können aber durch besondere Effekte ebenfalls enorme Entfernungen überbrücken.
Und: Je höher die Frequenz, desto schwieriger wird normalerweise die Rückführung durch die Ionosphäre.
Allerdings ändern sich die Bedingungen permanent. Genau das macht Amateurfunk interessant.

Theorie wird am Funkgerät plötzlich lebendig

Wer für die Amateurfunkprüfung Begriffe wie D-, E- und F-Schicht auswendig lernt, empfindet das Thema vielleicht zunächst als trockene Theorie.
Später am eigenen Funkgerät ergibt vieles plötzlich Sinn.
Warum ist morgens auf 80 m kaum noch DX zu hören?
Warum öffnet 10 m plötzlich nach Südamerika?
Warum tauchen im Sommer auf 6 m europäische Stationen mit enormen Feldstärken auf?
Warum hört man auf 20 m am Abend Stationen aus tausenden Kilometern Entfernung, während ein wesentlich näher gelegener Funkamateur kaum zu empfangen ist?
Dann sind D-Schicht, F2-Schicht und Sporadic-E keine Prüfungsfragen mehr. Man kann ihre Auswirkungen direkt am eigenen Empfänger beobachten.
Und genau darin liegt ein besonderer Reiz unseres Hobbys: Wir benutzen nicht einfach nur ein Funkgerät.
Wir experimentieren mit Radiowellen, Antennen und einer natürlichen „Infrastruktur“, die sich vom Erdboden bis mehrere hundert Kilometer über uns erstreckt – und die jeden Tag ein wenig anders funktioniert.
73 und viel Spaß beim Entdecken der Ausbreitungsbedingungen!