1. Einleitung: Die Maxwellsche Theorie als Vorgeschichte

Die von J.C. Maxwell in den Jahren 1861 bis 1864 aufgestellte Theorie des elektromagnetischen Feldes, die er in dem zweibändigen Werk "A Treatise of Electricity and Magnetism" veröffentlicht hat (Maxwell, 1873), ist die physikalische Grundlage der Ausbreitung der Radiowellen. Sie erfasst die elektromagnetischen Erscheinungen im Vakuum und in ruhenden Körpern und schliesst damit die von ihm begründete elektromagnetische Lichttheorie ein.

Dass zwischen Elektrizität und Magnetismus Zusammenhänge bestehen, war seit Oersted (1820) bekannt. Diese waren dann vor allem von Ampère und Faraday erforscht worden und hatten schon in mathematisch formulierten Gesetzen ihren Ausdruck gefunden. Diese Gesetze waren aber zunächst nur für Ströme aufgestellt worden, die durch geschlossene elektrische Leiter fliessen. Nachdem Faraday den Einfluss des Zwischenmediums auf die elektrischen und magnetischen Kräfte erkannt hatte und die elektrischen und magnetischen Kraftlinien zur Deutung seiner Ergebnisse eingeführt hatte, verlegte er das Wesentliche des elektromagnetischen Geschehens in den Raum bzw. das Zwischenmedium. Maxwell gelang es nun unter weitgehender Zugrundelegung Faradayscher Vorstellungen, seine Theorie aufzustellen, die im Gegensatz zur älteren Fernwirkungstheorie als Nahwirkungstheorie oder besser Feldtheorie bezeichnet wird, da bei ihr der Feldbegriff im Vordergrund steht. Eine elektrische Ladung bewirkt nach der Maxwellschen Theorie eine physikalische Zustandsänderung des umgebenden Raumes, die durch das zeitlich veränderliche elektrische Feld der Ladung beschrieben wird. Maxwell ergänzte damit den elektrischen Leitungsstrom durch einen zunächst hypothetischen Verschiebungsstrom zum quellenfreien Gesamtstrom.

Die Einführung dieses Verschiebungsstromes stellt den entscheidenden Schritt dar, mit dem Maxwell über die ältere Theorie hinausging. Die Maxwellsche Theorie kennt daher nur geschlossene Ströme, da der Verschiebungsstrom den Leitungsstrom auch durch Isolatoren, z.B. das Dielektrikum eines Kondensators hindurch fortsetzt. Indem Maxwell nun den Geltungsbereich der älteren Gesetze erweiterte und ihre Beschränkung auf geschlossene Leiter fallen liess, gelangte er zur Aufstellung seiner Gleichungen, die das Kernstück seiner Theorie bilden und die Grundgesetze des elektromagnetischen Feldes darstellen.

Er leitete aus der Hypothese der magnetischen Äquivalenz des Verschiebungsstromes mit einem Leitungsstrom die Existenz elektromagnetischer Wellen ab, die sich mit einer Geschwindigkeit fortpflanzen, deren Grösse zunächst noch unbestimmt blieb. Da aber die Grösse dieser charakteristischen Konstanten c von R. Kohlrausch und W. Weber im Jahre 1856 als Verhältnis der einmal im elektrostatischen und ein anderes Mal im elektromagnetischen Masssystem gemessenen Ladungsmenge bestimmt und in Übereinstimmung mit der Lichtgeschwindigkeit 3 x 10⁸ m/sec gefunden worden war, fasste Maxwell den Gedanken von der Identität elektromagnetischer Wellen und Lichtwellen.

2. Die Hertzschen Entdeckungen

Die glänzende Bestätigung fand die Maxwellsche Theorie in den Versuchen, die Heinrich Hertz im Jahre 1888 durchführte. Er konnte dabei zum erstenmal elektrische Wellen herstellen, mit denen es ihm gelang, einige der wichtigsten Phänomene der Lichtausbreitung, wie Reflexion, Polarisation und Brechung, zu demonstrieren. Die Ergebnisse seiner Untersuchungen hat er 1892 in seinem Werk "Über die Ausbreitung der elektrischen Kraft" veröffentlicht (Hertz, 1892). Er stellte elektrische Schwingungen von etwa 5 x 10⁸ sec^-1 her, die einer Wellenlänge von 60 cm entsprechen. Als Schwingungskreis verwendete er einen in der Mitte durch eine Funkenstrecke unterbrochenen Stab. In der Unterbrechungsstelle dieses Hertzschen Oszillators wurden mit Hilfe eines Induktionsapparates Funken erzeugt, die diesen sogenannten "offenen" Schwingungskreis zu stark gedämpften Schwingungen anregten. Hertz konnte u.a. zeigen, dass seine so erzeugten "linear" polarisierten elektromagnetischen Wellen beim Durchgang durch ein aus Metallstäben bestehendes Gitter dann am stärksten geschwächt werden, wenn ihr elektrischer Vektor zu den Stäben parallel steht. Diese Erscheinung findet durch die Interferenz der einfallenden Welle und der von den Gitterstäben ausgehenden Störwelle ihre Erklärung. Ein solches Gitter ist in seiner Wirkung mit einem Nicolschen Prisma in der Optik vergleichbar. Hertz schloss aus diesem Gitterversuch auf die Transversalität der von ihm entdeckten elektromagnetischen Wellen, die zum Ausgangspunkt der drahtlosen Telegraphie und der Radiotechnik wurden. Zu seinen Ehren hat man für die Bezeichnung der Einheit der Frequenz das "Hertz" gewählt. Ausserdem spricht man noch heute vom Hertzschen Sende- oder Empfangsdipol.

Der Hertzsche Vektor ist eine Vektorfunktion, die von Hertz zur Berechnung des elektromagnetischen Feldes eines Hertzschen Dipols eingeführt wurde. Mit Hilfe dieser Funktion lassen sich die Maxwellschen Gleichungen für Isolatoren lösen, also die elektrische und magnetische Feldstärke berechnen. Das Moment des Dipols ergibt sich, indem man sich eine Ladung ortsfest im Nullpunkt denkt und eine entgegengesetzte gleiche Ladung in unmittelbarer Nähe periodisch bewegt. Damit erhält man den im Dipol fliessenden Strom. Da die elektromagnetischen Wellen von eng begrenzten Zentren ausgehen, die im Vergleich zu den überbrückten Entfernungen als klein anzusehen sind, können ebene Wellen erst in grösserer Entfernung vom Ursprung der Wirklichkeit entsprechen. Die Hertzsche Lösung der Maxwellschen Gleichungen entspricht deshalb einer Kugelwelle. Die Komponenten der elektrischen und magnetischen Feldstärke erhält er in Kugelkoordinaten. Die Flächen gleicher Phase sind Kugelflächen. Die Amplituden der Feldstärken bestehen aus mehreren Gliedern, die umgekehrt proportional mit der ersten, zweiten und dritten Potenz der Entfernung abnehmen. Im Nahwirkungsbereich, wo die Entfernung gross gegen die Länge des Dipols, aber klein gegen die Wellenlänge ist, sind allein die Glieder höherer Ordnung massgebend. Die elektrische Feldstärke nimmt hier mit der dritten, die magnetische Feldstärke mit der zweiten Potenz der Entfernung ab. Die Phasen der elektrischen und magnetischen Feldstärke sind hier gegeneinander um 90° verschoben. Im zweiten Bereich, dem sogenannten Strahlungsgebiet, ist die Entfernung gross gegen die Wellenlänge, so dass man hier die Glieder mit den höheren Potenzen der Entfernung fortlassen kann. Es verbleibt für die elektrische und magnetische Feldstärke eine Amplitudenabnahme umgekehrt proportional der Entfernung. Auf der Kugelfläche treten die magnetischen Kraftlinien nur in Richtung der Breitenkreise auf. Die elektrischen Komponenten lassen sich dagegen in zwei Komponenten zerlegen, von denen die eine in Richtung der Längengrade, die andere in radialer Richtung wirkt. Abb. 1a zeigt den räumlichen Aufbau des elektromagentischen Feldes.

Wie bereits erwähnt, besteht in der Nahzone eine Phasenverschiebung der elektrischen und magnetischen Feldvektoren um 90°. Physikalisch bedeutet dies, dass die Energie in der einen Periodenhälfte aus dem Dipol heraus, in der nächsten Periodenhälfte wieder in den Dipol zurückgeführt wird. Der Energiestrom ist deshalb in diesem Bereich wattlos, wenn man den Strahlungsverlust vernachlässigt. Im Strahlungsgebiet, wo die Phasen beider Feldvektoren gleich sind, findet dagegen eine Energieströmung nach aussen hin statt. Man rechnet den Beginn des Strahlungsgebietes etwa in einer Entfernung gleich der vierfachen Wellenlänge.

Auf diese Weise hat Hertz das elektromagnetische Feld um einen schwingenden Dipol für verschiedene Phasen des im Dipol fliessenden Stromes berechnet. Die elektrischen Kraftlinien bilden sich aus, wenn die Enden des Dipols auf Spannung kommen, während für die Ausbildung der magnetischen Kraftlinien der Augenblick des grössten Stromes, d.h. der zusammenbrechenden Spannung massgebend ist. Daher auch die Phasenverschiebung von 90° im Nahfeld. Der Richtungssinn dieser Kraftlinien kehrt sich entsprechend den mit der betreffenden Frequenz aufeinanderfolgenden Umladungen des Dipols um. Die abgeschnürten elektrischen Kraftlinien sind in sich geschlossen. Sie stellen wie das magnetische Feld ein Wirbelfeld dar. Die magnetische Feldstärke bildet Kreise in Ebenen, die senkrecht zur Dipolachse stehen, wobei ihre Richtung sich jeweils mit der Stromrichtung ändert. In der Äquatorialebene ist keine radiale Komponente der elektrischen Feldstärke vorhanden. Die elektrischen Kraftlinien stehen senkrecht auf dieser Ebene. Bringt man in diese Ebene eine dünne, unendlich gut leitende Fläche, so wird die Ausbreitung in keiner Weise gestört, da die auf beiden Seiten als Enden der Kraftlinien auftretenden Ladungen entgegengesetzt sind und sich gegenseitig neutralisieren. Füllt man die untere Seite ganz mit einem Leiter aus, so fällt dieser Teil des Feldes aus. Es treten dafür an der Oberfläche Ladungen auf. Nimmt man eine unendlich gut leitende Ebene an, so kann man heute im Funkverkehr benutzte Sendeantennen, deren unterer Teil geerdet ist, ebenfalls als Dipol auffassen. Man kann zeigen, dass die für den Dipol angeleiteten Gleichungen auch in diesem Fall gelten, wenn man die Dipollänge als doppelte wirksame Höhe der Antenne einsetzt. Abb. 1b zeigt das elektrische Feld einer Antenne bei unendlicher Leitfähigkeit des Erdbodens.

3. Die ersten Jahre der drahtlosen Telegraphie

Nach der Entdeckung der elektromagnetischen Wellen durch Hertz begannen Überlegungen, diese Wellen für eine drahtlose Nachrichtenübermittlung auszunutzen. Als erster unterbreitete ein Münchener Ingenieur namens Huber Hertz einen entsprechenden Vorschlag, der aber kein Gehör fand. Hertz hielt offenbar die damaligen Sende- und Empfangseinrichtungen, die er im Labor benutzt hatte, noch für unzureichend für diesen Zweck. Erst nach der Erfindung des Fritters (Branly, 1891) als Empfänger und nachdem sich die von Popow für luftelektrische Messungen benutzte Antenne 1895 zur Verwendung in der drahtlosen Telegraphie anbot konnte Marconi die Hertzsche Sende- und Empfangseinrichtung soweit verbessern, dass er 1897 mit Unterstützung der englischen Postverwaltung zwischen Lavernock Point in der Nähe von Cardiff und der 5 km entfernten kleinen Insel Flatholm die erste Funkverbindung herstellen und die Reichweitenversuche bis auf 21 km steigern konnte. Nachdem Braun 1898 die Kopplung zwischen, dem offenen und geschlossenen Schwingungskreis eingeführt hatte, stellte in diesem Jahr deutscherseits Zenneck, damals Assistent von Braun, erste Funkverbindungen von Cuxhaven nach dem Feuerschiff Elbe und später nach Helgoland her. Abb. 2 zeigt die Versuchsstation auf Helgoland. 1900 wurde von England die Grossfunkstelle Poldhu, und von Deutschland die erste Funktelegraphenanlage zwischen Borkum und dem Feuerschiff Borkum-Riff für den allgemeinen Verkehr in Betrieb genommen. 1901 gelang Marconi erstmalig die Überbrückung des Atlantiks (Handwörterbuch, 1970).

Seit den ersten Empfangsversuchen interessierte man sich für die Grösse und das Verhalten der Empfangsfeldstärke. 1902 veröffentlichte Marconi den bei seinen Versuchen festgestellten "Tageslicht-Effekt", nämlich die auftretende Lautstärkeabnahme von der Nacht zum Tag, und hatte so, ohne es zu wissen, bereits die ionosphärische Tagesdämpfung bemerkt (Marconi, 1902). Im Hinblick auf die zeitliche Veränderung der Feldstärken wiesen schon Kennelly (1902) und Heaviside (1902) auf den möglichen Einfluss einer leitenden Schicht der Atmosphäre auf die Radiowellenausbreitung hin. Man war aber auch der Meinung, dass die Überwindung der Erdkrümmung durch eine Führung der Wellen an der Erdoberfläche zustande kam und dass nach den Beobachtungen die Reichweite dieser Bodenwelle mit der Wellenlänge zunahm. Deshalb bewegte sich damals die technische Entwicklung in dieser Richtung. So setzte sich nach den von Hertz auf Dezimeterwellen durchgeführten Laborversuchen die Entdeckungsgeschichte der Radiowellenausbreitung zunächst auf Mittel-, Lang- und Längstwellen fort.

1903 wurde die "Gesellschaft für drahtlose Telegraphie mbH System Telefunken" gegründet. 1906 begann diese in Nauen bei Berlin eine Versuchsfunkstelle zu bauen. 1907 eröffnete die erste Küstenfunkstelle der deutschen Reichspost Norddeich den Funkverkehr mit Schiffen. In den Jahren 1911 bis 1916 wurde aus der Versuchsfunkstelle Nauen eine Betriebsfunkstelle, die mit der deutscherseits in Sayville bei New York eingerichteten Gegenstelle und weiteren Gegenstellen in den damaligen deutschen Kolonien den Verkehr aufnahm. Der Ausbau der Sendeanlagen in Nauen und der neuen Empfangsstelle Geltow wurde weiter fortgesetzt. 1918 konnte die Grossfunkstelle Nauen Funkverbindungen um den ganzen Erdball herstellen. Die erste brauchbare Telephonieverständigung über 270 km (Esbjerg - Lindby) stellte Poulsen 1907 mit dem Lichtbogensender bei 1200 m Wellenlänge her, aber die eigentliche Zeit der Funktelephonie begann 1913 mit dem Röhrensender. 1907 fand der erste Internationale Kongress für drahtlose Telegraphie in Berlin statt. Letztere war bei ihrer stürmischen Entwicklung zu einer neuen Spezialwissenschaft geworden. Um die weiteren Untersuchungen, insbesondere der Radiowellenausbreitung auf weltweiter Grundlage leichter durchführen und verbessern zu können, wurde 1913 die "Commission Internationale de Télégraphie sans Fil Scientifique" mit Sitz in Brüssel gegründet, die heutige URSI (Union Radio Scientifique Internationale).

4. Die systematischen Untersuchungen der Mittel-, Lang- und Längstwellenausbreitung

Schon Messungen von Duddel u. Taylor (1905) hatten ergeben, dass die Empfangsamplitude bei Ausbreitung über festen Boden rascher als umgekehrt proportional der Entfernung abnimmt. Umfangreichere und genauere Feldstärkemessungen wurden bald nach Inbetriebnahme der ersten drahtlosen Stationen von Austin (1910 a, b, 1911, 1912, 1924, 1927, 1930) seit 1910 durchgeführt. Auf Grund des Beobachtungsmaterials, das Austin bei Messungen mit Schiffsstationen z.T. auf ausgedehnten Reisen mit Unterstützung der amerikanischen Marine gewonnen hatte und bei denen er u.a. auch die deutschen Stationen Nauen (12 500 m Wellenlänge) und Eilvese (9800 m), 1913 in Betrieb genommen, beobachtet hatte, stellte er eine halbempirische Formel für die Feldstärke auf, die aus drei Faktoren besteht. Der erste Faktor gibt die Feldstärke unter Annahme verlustloser Abstrahlung gemäss der Berechnung des Strahlungsvorgangs von Hertz an. Der zweite Faktor berücksichtigt empirisch die Kugelgestalt der Erde. Der dritte Faktor ist eine Exponentialfunktion, die empirisch die zusätzliche Dämpfung der Wellen angibt, wobei der Dämpfungsfaktor im Exponenten mit wachsender Entfernung zunimmt und mit wachsender Wellenlänge abnimmt. Eine ähnliche Formel wurde 1915 von Fuller (1915b, 1916) auf Grund von Feldstärkemessungen aufgestellt. In Italien haben Vallauri (1920), in Frankreich Guirre (1920), in England Round, Eckersley, Tremellen u. Lunnon (1925) weitere Beiträge zur Feldstärkebeobachtung geliefert. In Deutschland war es zuerst Bäumler (1924a, 1925a, 1926a, b) im 1919 gegründeten Telegraphentechnischen Reichsamt, der über längere Zeit die Feldstärken amerikanischer Grosssender gemessen hat. Die Ergebnisse erschienen in den Jahren 1924 bis 1926. Auch eine gemeinsame Arbeit mit Zenneck (Bäumler u. Zenneck, 1926) liegt vor, in der der Effekt der Küstenbrechung nach Versuchen in der Nähe von Cuxhaven beschrieben wird. Ferner führte Bäumler Strahlungsmessungen an einer über einen Talkessel am Herzogstand in den Alpen aufgehängten Längstwellenantenne als Vorarbeiten für eine Funkverbindung mit Japan durch.

Aus der grossen Zahl der Beobachtungen schien hervorzugehen, dass die Ausbreitung von der Beschaffenheit des Erdbodens abhängt, insbesondere, dass sich grosse Trockenheit nachteilig, grosse Feuchtigkeit dagegen günstig auf den Ausbreitungsvorgang auswirkt. So fand man teilweise erhebliche Abweichungen von den Formeln von Austin und Fuller, insbesondere aber nachts. Einerseits schwankten hier die Feldstärken stark, andererseits lagen sie viel höher als die am Tage gemessenen und erreichten zuweilen eine Grösse, wie man sie nach der Austinschen Formel ohne Berücksichtigung des Dämpfungsterms erhielt. Schon 1912 hatten Kiebitz (1912) sowie Zenneck u. Rukop (1925, S. 317) beobachtet, dass bei einer Sonnenfinsternis die Stärke der Zeichen mit zunehmender Verfinsterung zunahm und bei zunehmender Helligkeit wieder abnahm. Ebenfalls schon 1911 (Zenneck u. Rukop, 1925, S. 315) wird berichtet, dass Polarlichter auf den Verkehr einer Station auf Spitzbergen und einer solchen bei Hammerfest einen bedeutenden Einfluss ausgeübt haben. Espenschied, Anderson u. Baily (1925) studierten in England bei ihren Registrierungen eines Senders in der Nähe von New York eingehender die schon von Marconi 1911 beobachteten Sonnenauf- und -untergangsminima auf Lang- und Längstwellen. Auf Grund aller dieser Beobachtungen dachte man neben dem Einfluss des Erdbodens auf die Wellenausbreitung zusätzlich an die Einwirkung einer in der oberen Atmosphäre befindlichen leitenden Schicht. Zenneck u. Rukop (1925, S. 317) stellen in ihrem Buch "Die drahtlose Telegraphie" fest, dass die oberen Schichten der Atmosphäre möglicherweise etwa dasselbe Leitvermögen haben könnten wie der Erdboden und berichten über mögliche Erklärungen der beobachteten Erscheinungen auf der Grundlage von Absorption und Reflexion an dieser Schicht. Schon 1919 machte Watson (1918) den Versuch, den Koeffizienten im Exponenten der Austinschen Formel umgekehrt proportional der Höhe einer solchen Schicht und proportional der Summe aus den Produkten der Leitfähigkeit und der Permeabilität des Erdbodens und der leitenden Schicht zu setzen. Die Idee war die Annahme einer Führung der Wellen zwischen der Erde und der leitenden Schicht. Ein Vergleich von Messungen mit dieser Formel von Watson zeigte bessere Übereinstimmung als mit der Formel von Austin.

Über den Einfluss der elektrischen Konstanten des Erdbodens liegen seit den ersten Feldstärkemessungen im Jahre 1905 zahlreiche Untersuchungen vor (Duddell u. Taylor, 1905; Reich, 1913; Austin, 1912; Harbich, 1923; Bäumler, 1924b, 1925b; Brown u. Gillett, 1924). Parallel mit den experimentellen Ergebnissen der Wellenausbreitung gingen theoretische Studien zu ihrer Erklärung. Den Einfluss des Erdbodens auf eine ebene Welle hatte Zenneck (1907) berechnet. Als wichtigstes Ergebnis stellte er eine Neigung der elektrischen Kraftlinien in Richtung der fortschreitenden Welle fest, die von der Leitfähigkeit abhängt. Die Neigung der Kraftlinien bedingt ein Eindringen der Energie in die Erde, d.h. einen Verlust und eine Erhöhung der Phasengeschwindigkeit der Welle, die beide mit dem Widerstand der Erde und mit abnehmender Wellenlänge zunehmen. Die Theorie von Zenneck war also in der Lage, die damaligen Beobachtungsergebnisse bezüglich der Reichweiten als Funktion der Wellenlänge bis zu einem gewissen Grade zu erklären. Die in den Jahren von 1909 bis 1926 durchgeführten Rechnungen von Sommerfeld (1909, 1911, 1926) ergaben das Vorhandensein von zwei Arten von Wellen, die er Raum- und Oberflächenwelle nennt. Unter Raumwelle versteht er den Anteil der Strahlung, der in grösserem Abstand vom Erdboden nicht mehr von den Bodenkonstanten abhängt. Beide Arten sind stets gemeinsam vorhanden und physikalisch nicht zu trennen. Ferner stellt er fest, dass der Charakter der Wellen und ihre Reichweite durch eine "numerische" Entfernung beschrieben werden kann, in die die Materialkonstanten (Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante) von Luft und vom Erdboden eingehen. Bei gleicher absoluter Entfernung wächst die numerische Entfernung mit abnehmender Wellenlänge und Leitfähigkeit des Bodens. Bei grosser Leitfähigkeit, z.B. Seewasser, überwiegt weitgehend die Raumwelle, so dass es berechtigt ist, in den empirischen Ausbreitungsformeln die Feldstärke umgekehrt proportional der Entfernung zu setzen.

Weitere Fortschritte in den theoretischen Arbeiten hat die Einbeziehung der Überwindung der Erdkrümmung gebracht. Nachdem sich herausgestellt hatte, dass die in der drahtlosen Telegraphie benutzten Wellen weit in den Schatten - den Sender als Lichtquelle gedacht - eindringen, beschäftigten sich in den Jahren 1903 bis 1919 zahlreiche Forscher mit diesem Beugungsproblem. Man kam zuerst zu voneinander abweichenden Resultaten. 1918 und 1919 erzielten Watson (1918), Laporte (1918) und van der POL (1919, 1920) eine einheitliche Theorie. van der Pol u. Bremmer (1937) griffen dieses Problem wieder auf, um insbesondere bei der Ultrakurzwellenausbreitung aufgetretene Streitfragen zu klären. Ähnlichkeit besteht insbesondere zu den Lichterscheinungen, die zum Regenbogen führen. Das Verhältnis des Erdumfanges zur mittleren Wellenlänge der Radiowellen ist von derselben Grössenordnung wie das Verhältnis des Umfanges der Regentropfen zur Wellenlänge des sichtbaren Lichtes. In beiden Fällen wird nur ein Teil der Strahlung um die Kugel gebeugt. Beim Regenbogen entstehen aus einem einfallenden Lichtstrahl infolge der Reflexionen an der Innenseite der Oberfläche des Wassertropfens verschiedene Strahlen. Bei der Erde spielen die eindringenden Strahlen, da sie stark absorbiert werden, keine Rolle für das Feld am Empfangsort. Neben der direkten hat man es hier nur mit am Erdboden reflektierter Strahlung zu tun. Unter diesen Gesichtspunkten entstanden die berühmten Feldstärkekurven der Bodenwellenausbreitung von van der Pol und Bremmer, die heute noch nach einer Empfehlung des Comité Consultatif International des Radiocommunications (CCIR) benutzt werden, das 1927 von der Internationalen Fernmeldeunion gegründet war.

5. Die Entdeckung der Kurzwellenausbreitung über die Kennelly-Heaviside-Schicht (K.H.S.)

Das Vorhandensein einer leitenden Schicht in etwa 100 km Höhe hatten bereits Stewart (1878) und Schuster (1907) aus den tagesperiodischen Variationen des Erdmagnetismus geschlossen. In der Geschichte der Radiowellenausbreitung wiesen als erste 1902 Kennelly und Heaviside auf den Einfluss einer leitenden Schicht der Atmosphäre hin. Man dachte auch schon sehr früh an die Wellen- und Korpuskularstrahlung der Sonne als Ursache dieser ionisierten Schicht. Der ultraviolette Teil des Spektrums bewirkte bei Tage eine Ionisation höherer Luftschichten, die teilweise auch bei Nacht bestehen bleibt (Eccles, 1912; Fleming, 1915; Lassen, 1926). Auch die von der Sonne emittierten Korpuskularstrahlen können zur Ionisation beitragen (Fleming, 1915; Swann, 1919). Auch an die ionisierende Wirkung der aus dem Weltraum kommenden Höhenstrahlung wurde gedacht (Kohlhörster, 1926). Eccles legte schon 1912 seinen Überlegungen genauere Angaben über den ionisierten Zustand der oberen Atmosphäre zugrunde. Er stellte bei seinen theoretischen Studien fest, dass durch das Vorhandensein von Ionen die Dielektrizitätskonstante und damit auch der Brechungsindex verringert, die Fortpflanzungsgeschwindigkeit also vergrössert wird. Bei zunehmender Ionendichte mit wachsender Höhe tritt dann eine Krümmung der optisch betrachteten Wellenstrahlen zur Erde hin ein, die bei langen Wellen stärker ist als bei kürzeren. Auch hat schon Eccles die Vermutung ausgesprochen, dass sich unter der permanenten höheren Schicht, deren Maximum bei etwa 100 km angenommen wurde, eine zweite befindet, die nur am Tage vorhanden ist und die eine Absorption hervorruft, wodurch die niedrigeren Feldstärken am Tage zu erklären sind.

Über die nächtlichen Schwunderscheinungen (fadings), die sich dadurch auszeichneten, dass die Feldstärke innerhalb weniger Minuten, manchmal sogar innerhalb einiger Sekunden Schwankungen zwischen den höchsten Werten bis zu unmessbar kleinen erleidet, liegen zahlreiche Beobachtungen in Abhängigkeit von der Wellenlänge, Entfernung und auch meteorologischen Faktoren vor. Die Ursache wurde von einigen Forschern in einer schwankenden Absorption oder anderen Änderungen der K.H.S. sowie in meteorologischen Einflüssen gesehen. Es können auch Interferenzen auftreten, wobei die interferierenden Wellen an der K.H.S. reflektiert werden (De Forest, 1912; Fuller, 1915a; Dellinger, Whittemore u. Kruse, 1924; Kiebitz, 1923; Bäumler, 1924a, 1925, 1926a, b; Appleton u. Barnett, 1925a, b; Round u. Mitarb., 1925). Eine andere Erklärung der Schwunderscheinungen beruht auf Änderungen des Polarisationszustandes (Eckersley, 1921; Smith-Rose, 1925). Man stellte fest, dass bei Tage der elekrische Vektor meistens senkrecht auf den Erdboden steht (Austin, 1921; Round u. Mitarb., 1925), dass bei Nacht dagegen bei Wellen unter 300 m die horizontale Komponente merklich wird. Dass diese elliptische Polarisation durch den Einfluss des erdmagnetischen Feldes auf die durch das Wechselfeld der Welle erzeugten Schwingungen der Elektronen in der K.H.S. entsteht, haben 1925 anscheinend zuerst Appleton und Barnett geäussert. Die Elektronen schwingen nicht mehr linear, sondern in Ellipsen und Kreisen im Magnetfeld, wodurch der Polarisationszustand der Welle entsprechend verändert wird. Infolge dauernd vorhandener geringer Ionisationsschwankungen ändert sich das Achsenverhältnis der Ellipse ständig, was sich als Polarisationsschwund äussert. Nichols u. Schelleng (1925) wiesen darauf hin, dass für die Resonanzwellenlänge der Elektronen von etwa 213 m die Amplituden unendlich gross werden müssten, was wegen der grösseren Zahl der Zusammenstösse mit neutralen Teilchen eine erhöhte Absorption zur Folge hätte. Sie führten hierauf die geringere Reichweite der Wellen von einigen hundert Metern Länge zurück. Ist die Fortpflanzungsrichtung senkrecht zum Magnetfeld, d.h. west-östlich, entstehen zwei linear polarisierte Wellen. Der Richtempfang ist dem Einfluss des Polarisationszustandes unterworfen. Bei elliptisch polarisierten Wellen ist mit der Rahmenantenne ein Richtempfang durch Einstellung eines scharfen Empfangsminimums nicht mehr möglich. Die Fehlweisungen wurden besonders bei Sonnenauf- und -untergang beobachtet (Hollingworth, 1921; Eckersley, 1921; Smith-Rose, 1924; Austin, 1925; Smith-Rose, 1926; Bäumler, 1926a).

Das Interesse an diesen überwiegend theoretischen Studien wurde besonders auch dadurch angeregt, dass es Anfang der zwanziger Jahre den Funkamateuren mit den ihnen auf der Londoner Radiokonferenz 1912 zugewiesenen "kurzen" Wellen unter 300 m überraschenderweise gelang, viel grössere Entfernungen zu überbrücken, als man ursprünglich angenommen hatte. Nachdem 1918 die Elektronenröhre ihren Siegenzug angetreten hatte, konnten amerikanische Amateure den amerikanischen Kontinent von der Ost- zur Westküste bis zu einer Entfernung von 5000 km überbrücken, was früher nur im Relaisverkehr möglich war. Ein amerikanischer Amateur, der zu diesem Zweck 1921 nach Europa gekommen war, konnte mit seiner neuesten Empfangseinrichtung amerikanische Amateursender in Europa aufnehmen. Diese Versuche gaben Veranlassung, immer kürzere Wellen unter 100 m zu verwenden. 1923 gelang der erste Wechselverkehr über längere Zeit zwischen Frankreich und USA, und kurz darauf zwischen England und USA. 1924 konnten amerikanische Amateure schon im Wechselverkehr mit Argentinien und Neuseeland arbeiten. In Deutschland konnte man sich an diesen Reichweitenrekorden nicht beteiligen, da die Amateurtätigkeit erst sehr viel später genehmigt wurde.

Diese neue Erscheinung wurde nunmehr eingehender studiert (Marconi, 1924; Bureaü, 1925; Appleton, 1926; Taylor, 1926). Man fand, dass nur bei Wellen bis hinunter zu 75 m die Feldstärke am Tage kleiner ist als nachts. Bei kürzeren Wellen nehmen die Tageswerte zu, während im Bereich 30 m bis 10 m nachts wesentlich niedrigere Feldstärken gefunden wurden. Rukop (1926a) kommt im wesentlichen zu denselben Ergebnissen. Bei 18 m Überseeverbindungen beobachtete er am Tage guten Empfang; nachts war manchmal nichts, manchmal die normale Lautstärke zu hören.

Systematische Untersuchungen aus den Jahren 1925 und 1926 von Reinartz (1925), Taylor (1925) und Hulburt (1926) sowie Heising, Schelleng u. Southworth (1926) erbrachten des Rätsels Lösung, indem sie bei den kurzen Wellen im Gegensatz zu den früheren Langwellen sog. "tote" Zonen feststellten. Es ergab sich, dass im Wellenbereich 15 km bis 45 m bei bestimmten Entfernungen die Feldstärke auf verschwindend kleine Werte absinkt und von einer gewissen grösseren Entfernung ab wieder grosse Werte annimmt. Während der innere Rand der toten Zonen ziemlich unscharf und daher nur ungenau anzugeben ist, ist die Entfernung des äusseren Randes der toten Zone vom Sender, die als Sprungentfernung (skip-distance) bezeichnet wurde, wegen des fast sprunghaften Anwachsens der Feldstärke verhältnismässig genau zu bestimmen. Der innere Rand ist gegeben durch das Abklingen der Bodenwelle. Der äussere Rand hängt mit der Zurückbrechung der Wellenstrahlen in der K.H.S. als Funktion der Wellenlänge zusammen. Bei der Wellenlänge von 15 m konnte z.B. das Ende der toten Zone nicht mehr ermittelt werden, da die K.H.S. die Strahlen nicht mehr zur Erde zurückkrümmt. Die tote Zone war "unendlich".

1926 erschienen die ersten theoretischen Arbeiten von Taylor u. Hulburt (1926), Baker u. Rice (1926a, b) sowie Lassen (1926), die sich mit der Zurückbrechung der Wellenstrahlen in einer ionisierten Schicht befassen. Sie machen bestimmte Annahmen über die mit der Höhe bis zu einem Maximum zunehmenden Elektronendichte und rechnen auf der Basis der Dispersionsformel von Eccles den Strahlenverlauf aus. Dabei ergab sich, dass die unter verschiedenen Einfallswinkeln in die Schicht eindringenden Strahlen erst von einem bestimmten Wert des Einfallswinkels, der vom Ionisationsgrad abhängt, in der Schicht so stark gebrochen werden, dass sie wieder zur Erde zurückkehren. Die experimentell gefundene Sprungentfernung entsprach jeweils dieser kleinsten möglichen Entfernung. Diese berechnete Minimalentfernung nimmt - in Übereinstimmung mit den Versuchen - mit abnehmender Wellenlänge zu. Die Rechnungen von Baker und Rice ergaben auch bereits, dass theoretisch zu einer bestimmten Entfernung zwei Strahlen gehören, die als "low angle ray" und "high angle ray" bezeichnet wurden. Aus Dämpfungsgründen wurden beide jedoch nie in der Nähe der Grenzfrequenzen beobachtet, die den äusseren Rand der toten Zone bestimmen. So waren schon eine ganze Reihe von Eigenschaften der K.H.S., an deren Existenz niemand mehr zweifelte, bekannt, als der eigentliche experimentelle Nachweis Mitte und Ende der zwanziger Jahre gelang. Der Überseeverkehr, den die Transradio-Gesellschaft im Auftrag der Deutschen Reichspost bisher auf den längeren Wellen durchgeführt hatte, arbeitete seit 1926 auch auf Kurzwelle im Bereich von etwa 15 bis 50 m. Seit dieser Zeit wurden von Mögel (1934) regelmässige Feldstärkebeobachtungen durchgeführt und die Zusammenhänge des Kurzwellenempfanges mit der Sonnentätigkeit (Mögel, 1932a) und erdmagnetischen Störungen (Mögel, 1930, 1932b) studiert.

6. Der experimentelle Nachweis der Kennelly-Heaviside-Schicht (K.H.S.)

1925 zeigten Appleton u. Barnett (1925c) durch Phasenmessung der Strahlung an zwei in Strahlungsrichtung entfernten Vertikalantennen, dass tatsächlich am Empfangsort ein Teil der Wellen, nämlich die reflektierten Raumwellen, schräg von oben einfällt. Aus dem so gemessenen Einfallswinkel und der Entfernung Sender - Empfänger fanden sie als reflektierende Höhe etwa 90 km für eine Wellenlänge von 300 bis 400 m. Sie entwickelten eine Methode, die eine exaktere Höhenmessung gestattete. Es ist dies das Verfahren der Frequenzänderung, das heute als Prinzip des "Chirp Sounders" wieder benutzt wird. Wird die Senderfrequenz in einer gewissen Zeit gleichmässig um einen kleinen Betrag geändert, ändert sich der Gangunterschied der Boden- und Raumwelle am Empfangsort, und es kommt eine bestimmte Zahl von Maxima und Minima zur Beobachtung. Für annähernd senkrechte Inzidenz (Sender und Empfänger unmittelbar benachbart) erhält man für Wellen, die nicht allzu tief in die Schicht eindringen, die Zeitdifferenz der beiden Strahlen, wenn man die Zahl der beobachteten Maxima durch die Frequenzänderung dividiert. Für Wellenlängen zwischen 385 und 395 m ergab sich die Höhe der reflektierenden Schicht zu 80 bis 90 km.

Ein anderes, von Breit u. Tuve (1926) angegebenes Verfahren, das heute noch überwiegend angewandt wird, entsprach der akustischen Echolotung in der Navigation und ist später als Radarprinzip bekannt geworden. Zur Bestimmung von Meerestiefen misst man mit einem kurzen Schallimpuls die Zeit, die dieser benötigt, um nach Reflexionen am Meeresboden wieder die Wasseroberfläche zu erreichen. Dasselbe Verfahren, auf elektromagnetische Signale übertragen, wurde von Breit und Tuve zur Höhenmessung der K.H.S. erstmals benutzt. Die aus der Laufzeit mit der Lichtgeschwindigkeit errechneten Höhen sind "scheinbare" Höhen. Die "wahre" Höhe muss aus der Signalgeschwindigkeit, die in einem ionisierten Medium mit einem Brechungsindex kleiner als eins annähernd der sich kleiner als die Lichtgeschwindigkeit ergebenden Gruppengeschwindigkeit entspricht, bestimmt werden.

Das elektromagnetische Echolotungsverfahren arbeitet auf folgende Weise: Ein Sender wird hundertprozentig mit sehr kurzen Impulsen moduliert, die wegen der auftretenden Laufzeiten mindestens gleich oder kleiner als eine zehntel Millisekunde sein müssen. Man arbeitet bei senkrechter Inzidenz, d.h. Sender und Empfänger sind unmittelbar benachbart aufgestellt. Es handelt sich hierbei um ein für die heutige Technik einfaches Verfahren, dessen Durchführung aber für die damalige Zeit schwierig war. Breit und Tuve benutzten für die Aufzeichnung des direkten Signals ("Bodenwelle") und der Echos einen technischen Oszillographen, der aber wegen seiner Trägheit Nachteile hatte. Durch eine Spaltblende liess sich die Oszillographenaufzeichnung punktweise kontinuierlich zu einer Messreihe zusammensetzen. Rukop (1926b) benutzte eine Bildtelegraphieanordnung zur Messung der K.H.S. Sendet man quer zur Zeilenrichtung eine liegende Linie, so ergibt ein Empfang ohne Echos nur diese Linie. Bei mehrfachen Reflexionen an der K.H.S. treten aber mehrere Linien auf. Diese Methode wurde für senkrechte Reflexion mit hoher Auflösung weiterentwickelt, wobei zur Aufzeichnung eine umlaufende Glimmlampe mit umlaufender Optik benutzt wurde (Rukop u. Wolf, 1932). Der Gedanke einer automatischen Registrierung findet sich gleichzeitig bei Gilliland u. Kenrick (1932).

Die Braunsche Röhre wurde für die Echolotung zum erstenmal mit Erfolg von Goubau u. Zenneck (1931) eingesetzt, als von ihnen im Jahre 1930 in Deutschland die erste Echolotungsstation am Herzogstand bei Kochel eingerichtet wurde. Um ein stehendes Bild zu erzeugen, was wegen der geringen Lichtstärke der damaligen Röhren besonders wichtig war, wurde die Empfangsanordnung mit der Impulsfolgefrequenz des Senders synchronisiert. Der Kathodenstrahl wurde durch ein magnetisches Drehfeld mit der Frequenz von 500 Hz kreisförmig abgelenkt. Die Impulsablenkung erfolgte in radialer Richtung und wiederholte sich dann 500mal in der Sekunde an derselben Stelle. Dabei war die Lichtstärke für photographische Aufnahmen ausreichend. Der Abstand der Echos vom Primärsignal, die als Zacken in radialer Richtung hervortraten, ergab die Laufzeiten und dadurch die Höhen. Etwa die gleiche Methode verwendeten 1932 Appleton u. Builder (1932) sowie Schafer u. Goodall (1932).

1933 haben Goubau u. Zenneck (1933) ihre Methode verbessert durch Einführung einer horizontalen Zeitablenkung, um eine kontinuierliche Registrierung zu ermöglichen. Bei dieser später allgemein üblichen Methode wurden die vom Empfänger aufgenommenen Impulse auf das senkrechte Plattenpaar einer Braunschen Röhre gegeben, während an den horizontalen Platten eine mit der Impulsfrequenz des Senders synchronisierte Kippfrequenz liegt. Bei bekannter Ablenkfrequenz kann man auch hier aus dem auf der Braunschen Röhre gemessenen Abstand zwischen Bodensignal und Echozeichen auf Laufzeitdifferenzen und damit auf Reflexionshöhen schliessen. Werden durch Blenden die Amplitudenspitzen abgedeckt oder wird, wie es heute geschieht, die Echoamplitude zur Heil-Dunkel-Steuerung auf den Wehneltzylinder der Braunschen Röhre gegeben, besteht das photographische Bild aus einer unterbrochenen Linie, und es kann auf einem senkrecht dazu vorbeigezogenen Film aufgezeichnet werden. Das Bodensignal erkennt man auf dem Film als eine gerade durchgehende Linie in der Ablaufrichtung des Films. Die darüber befindlichen Kurven zeigen den Höhenverlauf der Echos an, den man anhand der eingeblendeten Höhen und Zeitmarken auswerten kann.

Bei der Echolotung der K.H.S. werden prinzipiell zwei Verfahren angewandt. Bei dem einen wird die Senderfrequenz konstant gehalten. Die Veränderung der hierbei sichtbar werdenden Reflexionshöhen ist durch die zeitliche Variation des Ionisationszustandes bedingt. Später führte man noch ein anderes Verfahren ein, bei dem in kurzer Zeit die Frequenz innerhalb eines grösseren Intervalls, beispielsweise 1 bis 10 MHz, geändert wird. So wurde es möglich, bei zeitlich konstantem Ionisationszustand den ionisierten Teil der Atmosphäre in seinem ganzen Höhenbereich abzutasten. Auf diese Weise kann man sich zu gegebenen Zeiten ein Bild ihres Aufbaus machen und insbesondere laufend die Grenzfrequenz registrieren. Derartige Messungen mit laufend veränderlicher Frequenz wurden zuerst 1931 von Appleton (1931) und 1934 von Gilliland (1933, 1934) durchgeführt.

Als erstes wichtiges Ergebnis der Echolotungsmethode wurde von Appleton (1927) die Existenz zweier Schichten festgestellt. Er hatte gefunden, dass stundenlang Reflexionen in etwa 100 km Höhe und zwischen 250 bis 400 km Höhe zu sehen waren, während Werte zwischen 120 und 220 km völlig fehlten. Appleton bezeichnete die obere Schicht als F-Region, die untere als E-Region. Gleiche Ergebnisse fanden 1927 bald nach Appleton und Breit auch Tuve und Dahl. Man war sich klar darüber, dass nach den schon früher gefundenen Grenzwellengesetzen eine höhere Schicht nur feststellbar war, wenn sie eine grössere Ladungsträgerdichte hatte als die darunterliegende. Die ebenfalls schon früher vorhergesagte Doppelbrechung wurde 1931 von Appleton u. Builder (1932) durch die Echolotung nachgewiesen. Da die Aufspaltung der Reflexion damals bei den Registrierungen mit fester Frequenz bei Sonnenaufgang bzw. Sonnenuntergang beobachtet wurden, hatte man diese Erscheinung zunächst als Sonnenauf- und -untergangsphänomen bezeichnet. Appleton (1927) hatte sich eingehend mit der komplizierten Theorie des Brechungsindex eines ionisierten Mediums unter der Einwirkung eines Magnetfeldes und bei Berücksichtigung des Einflusses der Zusammenstösse geladener Teilchen mit neutralen Gasmolekülen beschäftigt. Sie wird deshalb meistens mit seinem Namen verbunden, hat aber eine ganze Anzahl von Wissenschaftlern zu theoretischen Betrachtungen veranlasst. Hartree (1931) hat vorgeschlagen, auch den Lorentz-Polarisationsterm in die Betrachtungen einzubeziehen. Es zeigte sich jedoch, dass dieses nicht gerechtfertigt ist. Während bisher nur die Elektronen berücksichtigt waren, hat Goubau (1935) als erster den Einfluss schwerer Ionen behandelt. Beobachtungen von Goubau und Zenneck zeigten, dass die E-Schicht im Prinzip bei langen Wellen (l > 500 m) [lambda] immer reflexionsfähig ist. Dass die Reflexionen am hellen Tage verschwinden und erst gegen Sonnenuntergang wieder auftreten, wurde richtig in der Weise gedeutet, dass es sich hier um eine systematische Absorptionserscheinung in einer nur am Tage sich bildenden Schicht unterhalb der E-Schicht handelt, die in vielen Beobachtungsreihen wiederkehrt und, wie schon früher ausgeführt, von prinzipieller Bedeutung für die Radiowellenausbreitung ist. Diesen Schluss zog bereits Appleton (1927), als er festgestellt hatte, dass bei mittlerer Helligkeit im Frühjahr, Herbst und Winter und auch nachts im Sommer immer Mehrfachreflexionen auftreten, während sie bei grosser Helligkeit, vor allem im Sommer bei Tage, ausbleiben. Es musste sich bei der Schicht, die selbst nicht reflektiert, aber diese Absorption hervorruft, um einen Ausläufer der unteren B-Schicht nach unten hin handeln. Jedenfalls ist diese Absorption die tiefere Ursache für die enorme Schwankung der Feldstärke unterhalb der Grenzwellen für Funkverbindungen bei mittleren Wellen vom Tag zur Nacht und vom Sommer zum Winter, ferner für die bessere Übertragung bei kürzeren Wellen als bei mittleren Wellen.

Die Grenzwellen der E-Schicht und ihre Abhängigkeit vom Sonnenstand gaben Appleton u. Naismith (1932) an unter Benutzung des von ihnen entwickelten Verfahrens der kontinuierlichen Frequenzvariation. Dabei beobachteten sie, dass bei Erreichen der Grenzwelle der E-Schicht die Reflexion zur höheren F-Schicht springt, wobei die scheinbare Reflexionshöhe grösser ist als bei etwas kürzerer Welle. Dieses wird richtig durch die geringere Gruppengeschwindigkeit des Signals in der E-Schicht sehr nahe der Grenzwelle erklärt. Als Reflexionshöhen der E-Schicht werden als normal 90 bis 130 km angegeben. Goubau und Zenneck fanden bei langen Wellen etwa 90 km, bei kurzen kaum weniger als 110 km. Bei Dunkelheit oder Annäherung an die Grenzwelle beobachtete man ein Ansteigen der Schichthöhen.

Die obere Schicht war bis 1932 noch nicht in kontinuierlicher Messreihe auf ihre Grenzwellen hin untersucht. Bei Festfrequenzaufnahmen interessierte man sich für den nächtlichen Ausfall der Reflexion infolge Erreichens der Grenzwellenlänge (Rukop, 1933; Rukop u. Wolf, 1932).

Gilliland und Kenrick haben 1931 die bemerkenswerte Tatsache gefunden, dass die Ladungstragerdichte der F-Schicht im Sommer erst gegen Abend zwischen 18.00 und 20.00 h MEZ ihr Maximum erreicht. Paul beobachtete 1933 (Rukop, 1933) bei Festfrequenzregistrierungen regelmässig um etwa 18.00 h MEZ ein Aufgangsphänomen, d.h. es traten Reflexionen mit Doppelbrechung und herabsinkender Höhe auf. Das Untergangsphänomen trat dann regelmässig auf gegen 23.00 bis 24.00 h MEZ. Es wird die Hypothese erwähnt, die ursprünglich von Vegard (1923) und später von Stürmer (1931) im Zusammenhang mit Nordlichtern ausgesprochen wurde, dass nämlich die obere Atmosphäre, die sich tagsüber ausgedehnt hatte, abends wieder kontrahierte. Appleton vertrat 1935 die Ansicht, dass eine Konzentration der Ladungen die zwangsläufige Folge hiervon wäre, die das Abendmaximum hervorrufen könnte.

Aus gleichzeitigen Festfrequenzregistrierungen auf verschiedenen Frequenzen versuchte man zuerst, Angaben über die höchsten und niedrigsten Grenzwellen der F-Schicht zu gewinnen (Rukop, 1933) , solange man noch nicht über das Verfahren der kontinuierlichen Frequenzänderung (Durchdrehverfahren) verfügte. Aus diesen Daten ergab sich eine normale Konzentrationsschwankung mit der Tages- und Jahreszeit von schätzungsweise 15:1. Die normalen Höhen der oberen Schicht werden praktisch übereinstimmend angegeben. Die untere Reflexionsgrenze liegt für kurze Wellen bei 220 km. Bei geringerer Konzentration oder in der Nähe der Grenzwelle steigen die gemessenen Höhen auf Werte zwischen 500 und 700 km an. Diese experimentellen Ergebnisse in Verbindung mit den theoretischen Berechnungen des Strahlenverlaufs bei der Radiowellenübertragung (Försterling u. Lassen, 1931) konnten weitgehend die Erklärung für das beobachtete Verhalten der Radiowellenausbreitung auf Kurzwellen liefern. Für die transozeanische Übertragung wird die flachste Abstrahlung tangential für am günstigsten gehalten, und zwar wegen des kürzeren Strahlenweges und der selteneren Reflexionsverluste. Andererseits kann dann für jede Schichtkonzentration die jeweils kürzeste und reflexionsfähige Welle verwendet werden. Hieraus ergeben sich wechselnde Grenzwellen, und zwar nachts die längsten, bei Dämmerung kürzere und am Tage die kürzesten in Übereinstimmung von Theorie und Praxis. Erstmalig für das Jahr 1927 veröffentlichten Quäck u. Mögel (1928) den Feldstärkeverkauf im Monatsmittel für die von der Transradio-Gesellschaft betriebenen Strecken. Die Diagramme zeigen auch die Vorzugszeiten für das im Betrieb beobachtete Auftreten von Mehrfachzeichen um die Erde, wobei Unterschiede für die beiden entgegengesetzten Grosskreisrichtungen (direkte und indirekte Mehrfachechos genannt) vorliegen. 1930 beobachtete Mögel (1930) das interessante Parallelgehen der Störungen des Kurzwellenverkehrs mit der erdmagnetischen Aktivität (de Bilt-Zahlen). Dabei hatte er auch den sogenannten Kurzschwund in der Funkausbreitung und seine Beziehung zur Sonnenaktivitat erkannt. Abb. 3 zeigt ein Beispiel für die von Mogel festgestellten Kurzstorungen vom 10. Oktober 1928 im Vergleich zum Verlauf der erdmagnetischen Registrierung in Potsdam. Es ist das Verdienst von Dellinger (1935, 1936, 1937), durch eingehende Untersuchungen in den Jahren 1935-1937 die Gesetzmässigkeiten dieses Kurzschwundes und seine Ursache aufgedeckt zu haben. Heute ist er als Mögel-Dellinger-Effekt oder Sudden Ionospheric Disturbance (SID) bekannt. Um Funkausfälle zu vermeiden, teilt Mögel 1932 mit, dass seit dem Überschreiten des Sonnenfleckenmaximums im Jahre 1928 alle Grenzwellen sich nach längeren Wellen hin verschieben. Hier liegt eine Parallele zu der abnehmenden Sonnenaktivität. Nach der Übernahme von Transradio durch die Deutsche Reichspost im Jahre 1932 wurde die Feldstärkemessung laufend fortgesetzt (Mögel,1934).

7. Ionosphärenbeobachtungen im Internationalen Polarjahr 1932/33

Wie die Entwicklung der Echolotung gezeigt hat, diente die K.H.S. nicht nur als Reflektor für den Funkverkehr, sondern sie wurde auch gleichzeitig mit Hilfe der elektromagnetischen Wellen untersucht, da man aus den Grenzwellen auf die Ladungsträgerdichte schliessen konnten und ihre Verteilung mit der Höhe sowie ihre zeitlichen Änderungen studieren konnte. Da sich ferner zeigte, dass die Störungen der Ionosphäre - diese Bezeichnung wurde für die K.H.S. 1933 von Watson Watt (1933) eingeführt - eng mit der Sonnenaktivitat verbunden sind, ebenso auch der Einsatz der günstigen Übertragungsfrequenzen, entwickelte sich eine enge Zusammenarbeit zwischen Nachrichtentechnikern, Geophysikern und Astronomen. Der Zeitpunkt für eine Vertiefung dieser Zusammenarbeit erschien besonders günstig, da für die Zeit vom August 1932 bis August 1933 seitens der Geophysik das 2. Internationale Polarjahr vorgesehen war. Zahlreiche Länder haben aus diesem Anlass wissenschaftliche Expeditionen in die Polargegenden entsandt mit der Aufgabe, geophysikalische Beobachtungen aller Art an verabredeten Tagen durchzuführen. So beteiligte sich auch die 1924 gegründete Heinrich-Hertz-Gesellschaft zur Förderung des Funkwesens unter Leitung von Wagner und Leithäuser mit einer funkwissenschaftlichen Expedition nach Tromsö in Norwegen. Zu Beginn des Internationalen Polarjahres trafen sich erstmals in Deutschland, in Bad Nauheim, auf einer gemeinsamen Tagung der Heinrich-Hertz-Gesellschaft und der Gesellschaft für technische Physik, Funkwissenschaftler und Geophysiker. Erstere berichteten über die bisherigen Ergebnisse der Echolotung mit elektromagnetischen Wellen (Rukop, 1933), von den letzteren gaben Bartels (1933) einen Überblick über die Physik der hohen Atmosphäre und Störmer (1933) über die wichtigsten Ergebnisse der Nordlichtforschung.

Die Untersuchung der Vorgänge in der Ionosphäre, die in Verbindung mit Nordlichtern und erdmagnetischen Störungen auftraten, war das Ziel der Expedition. Das hierfür notwendige Programm umfasste die Anwendung des Verfahrens der Echolotung, die Registrierung der Feldstärken und der Peilschwankungen europäischer Rundfunksender sowie die photoelektrische Messung und Registrierung der Nordlichthelligkeit. Die für die Ausrüstung der Expedition notwendigen Versuchsgeräte wurden 1932 von den für die Expedition ausersehenen Wissenschaftlern Kreielsheimer (Hollmann u. Kreielsheimer, 1933) und Stoffregen in der von Leithäuser geleiteten Abteilung für Hochfrequenztechnik des Heinrich-Hertz-Instituts entwickelt und gebaut. Da sich die Lieferung und Erprobung verschiedener Zubehörteile bis in den Spätherbst verzögerte, konnte die Expedition erst im Dezember 1932 ausreisen; dafür wurden, da es erforderlich war, eine vollständige Beobachtungsreihe auch über eine ganze Winterperiode zu besitzen, die Beobachtungen über das Internationale Polarjähr 1932/33 hinaus bis in das Jahr 1934 fortgesetzt.

Erste Ergebnisse der Expedition wurden von Wagner in einem Sitzungsbericht der Preussischen Akademie der Wissenschaften Ende 1933 mitgeteilt (Wagner, 1933). Eine zusammenfassende, nach Rückkehr der Expedition durchgeführte Auswertung der Expeditionsergebnisse wurde von Wagner (1934) und von Wagner u. Franz (1935) in der Zeitschrift "Elektrische Nachrichtentechnik" (ENT) sowie von Franz (1936) in seiner Dissertation "Über die funktechnische Expedition der Gesellschaft zur Förderung des Funkwesens und deren Ergebnisse", Univ. Berlin 1936, gegeben. Im April 1934 trat Franz an die Stelle von Kreielsheimer und betreute die Expedition bis zur Rückkehr im Herbst 1934. Über Apparate und Registrierverfahren der Expedition berichtete Stoffregen (1934) unmittelbar nach seiner Rückkehr.

Aus den Echolotungsmessungen konnte man entnehmen, dass die Ionosphäre über Tromsö die gleiche Gliederung hat wie in mittleren Breiten und dass das E- und F-Gebiet etwa dieselben Höhenbereiche haben. Die normale Ionisation ist über Tromsö geringer und zeigt einen täglichen und jährlichen Verlauf mit dem Sonnenstand wie in mittleren Breiten. Gleichzeitig mit erdmagnetischen Störungen traten regelmässig grosse Abweichungen vom normalen Verhalten auf. Charakteristisch ist zum Beispiel die bei magnetischen Störungen plötzlich einsetzende Ionisierung des E-Gebietes. In dieses Gebiet fällt auch die Höhe, in der am häufigsten Nordlichter beobachtet werden. Weiter ist typisch, dass das F-Gebiet sehr empfindlich ist gegenüber geringen Frequenzunterschieden. Es treten zuweilen scheinbare Höhenunterschiede im Verhältnis 1:2 auf und zeitliche Verschiebungen der Auf- und Untergänge von mehr als 30 Minuten, während die hohe Ionisierung des E-Gebietes bei benachbarten Frequenzen gleichzeitig und in gleicher Höhe auftritt. Beides ist mit der von Appleton, Naismith und Builder (Appleton u. Builder, 1932; Appleton u. Naismith, 1932), die mit einer englischen Expedition an den Messungen in Tromsö beteiligt waren, schon früher gegebenen Erklärung dieser Ionisierung durch die Korpuskularstrahlung der Nordlichter gut vereinbar.

      Abb.4                 Abb.5
Auch die Peilschwankungen, die auf Änderungen der Polarisation zurückzuführen sind, zeigten an gestörten Tagen ein erheblich anderes Verhalten als an ungestörten. Ihr Einsetzen bei Sonnenuntergang verzögert sich, oder sie bleiben völlig aus. In peilschwankungsfreien Zeiten, insbesondere am Tage, ist die Polarisation linear, eventuell schwach elliptisch. Die nachts aus der mittleren Lage der grossen Achse der Ellipse abgelesene Peilung stimmte etwa mit der am Tage gemessenen Einfallsrichtung überein. Wenn bei der Echolotung die Echos völlig aussetzen, sinkt auch die Feldstärke des Rundfunkempfangs. Abb. 4 zeigt eine Gegenüberstellung der funktechnischen Beobachtungen im ersten Halbjahr 1933 im Vergleich zur erdmagnetischen Aktivität in Tromsö. Man erkennt ihre gegenläufige Beziehung. Abb. 5 zeigt ein Beobachtungszelt mit Rahmenantennen im Schneesturm. Nach Rückkehr von der Expedition wurden von Franz noch nachträgliche Vergleiche der in Tromsö gemessenen Auf- und Untergangszeiten der Echolotung mit den entsprechenden Registrierungen aus dem Jahre 1935 der vom Heinrich-Hertz-Institut inzwischen eingerichteten Ionosphärenstation in Lindenberg bei Potsdam verglichen. Die 75 m Aufgange zeigten in Lindenberg - entsprechend dem zur gleichen Zeit höheren Sonnenstand - eine geringere Streuung, und die Auf- und Untergänge haben die gleichen Unsymmetrie zum wahren Mittag.

8. Die weitere Entwicklung der Ionosphärenforschung und der Radiowellenausbreitung bis zum Ende des Zweiten Weltkrieges

Die Gliederung dieses Abschnitts nach deutschen Forschungsstellen soll nur eine lose Richtschnur für die Ausführungen sein, da zwischen den zitierten Stellen sachliche Querverbindungen bestanden und auch auf ausländische Literatur hingewiesen wird.

a) Versuchsstation Herzogstand. z.T. gemeinsam mit der Deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt (DLV) und der Fa. Telefunken

Die 1930 begonnenen Arbeiten wurden mit Unterstützung der Notgemeinschaft der Deutschen Wissenschaft und des Reichspostzentralamtes München von Zenneck, Goubau und Dieminger (Goubau, 1933) fortgesetzt. Der Sender hatte eine Impulsleistung bis zu maximal 6 kW. Es wurde auf den Wellenlängen 40 m, 80 m, 150 m, 250 m, 500 m und 1000 m gearbeitet. Die Dauer der Impulse lag je nach der Wellenlänge zwischen 0,5 und 10^-4 sec. Im tageszeitlichen Verlauf hatte man erkannt, dass um die Mittagszeit die Wellen 40 m, 80 m und 150 m an der E-Schicht reflektiert werden, während die längeren absorbiert werden. Gegen Sonnenuntergang dringen der Reihe nach die Wellen 40 m, 80 m, 150 m und später 250 m durch die E-Schicht und werden an der oberen Schicht reflektiert. Nach Sonnenuntergang nimmt auch die Ionisation in der F-Schicht ab, was sich aus dem Verschwinden der Reflexionen der 40 m- und 80 m-Wellen schliessen lässt. Der Verlauf der Ionisation zeigt bei Sonnenaufgang eine Zunahme und bei Sonnenuntergang und während der Nacht eine Abnahme. Es treten aber auch Abweichungen von diesem regelmässigen Verlauf auf. Über eine löchrige Struktur der E-Schicht berichten Dieminger, Goubau u. Zenneck (1934). Dieminger (1935) schildert in seiner Dissertation den Zusammenhang zwischen dem Zustand der Ionosphäre und den Ausbreitungserscheinungen elektrischer Wellen. 1936 verliess er die Versuchsstation Herzogstand, um in der von Plendl geleiteten Abteilung F der Erprobungsstelle der Luftwaffe sich weiterhin mit Ionosphärenmessungen und Ausbreitungsfragen zu beschäftigen (Dieminger u. Plendl, 1938). Es war die Zeit, wo man auch in Deutschland damit begann, Durchdreh-Impulssender und Empfänger mit stetig synchron veränderlicher Frequenz zu bauen. Um einen möglichst grossen Frequenzbereich bestreichen zu können und einen guten Gleichlauf mit der Abstimmung des Empfängers zu erzielen, wurde das von Berkner und Wells vorgeschlagene Überlagerungsverfahren angewandt. Es arbeitet mit zwei Generatoren, von denen der eine bei konstanter Frequenz (quarzstabilisiert) mit Impulsen getastet wird, während der andere bei Dauerstrich in der Frequenz leicht veränderlich ist. Ausgestrahlt wird die Differenz beider Frequenzen. Im Empfänger wird als Überlagerer der Sendergenerator mit der variablen Frequenz benutzt. Auf diese Weise entsteht wieder die erstgenannte Frequenz, die nach Transponierung in den Mittelwellenbereich weiter verstärkt wurde. Der erste Einsatz eines solchen Senders erfolgte auf der Station Herzogstand 1937 im Handbetrieb und seit 1938 vollautomatisch.

Nach dem Einsatz solcher Sender hatte man damit begonnen, die stündlich gewonnenen Druchdrehaufnahmen - heute Ionogramme genannt - regelmässig auszuwerten und auch die kritischen Frequenzen (Grenzwellen) und Reflexionshöhen der einzelnen Schichten als Monatsmittel darzustellen (Gilliland, Kirby und Smith, National Bureau of Standards, Gilliland u. Mitarb., 1936, 1937; Harang, Tromsö, Harang, 1936; Appleton und Naismith, Slough, Appleton u. Mitarb., 1939; Berkner und Wells, Watheroo, Berkner u. Wells, 1938; Dessauer, Eyfrig, Hechtel, Petersen und Zenneck, Versuchsstation Herzogstand, Dessauer u. Mitarb., 1943).

Hierdurch kam man zu systematischen Feststellungen der Tages- und Jahresgänge und der Abhängigkeit vom Sonnenfleckenzyklus. Man fand, dass die F-Schicht sich im Sommer aufspaltet in eine niedrigere F1-Schicht (Wendepunkt im Ionisationsgradienten), deren Grenzfrequenz wie die der E-Schicht etwa einem Sonnenstandsgesetz folgt. Die höhere und mächtige F2-Schicht zeigt dagegen ausgeprägte tägliche und jahreszeitliche Anomalien (niedrigere Mittelwerte der Grenzfrequenzen im Sommer als im Winter und Abendmaximum im Sommer). Letztere liessen sich nach Berkner u. Wells (1938) in einen gleichphasigen und einen gegenphasigen Anteil für die nördliche und südliche Erdhalbkugel aufteilen. Dieses sprach dafür, dass die Anomalien der oberen Schicht nicht allein durch die Gezeitenbewegung der Atmosphäre infolge Temperatureinwirkung entstehen konnten. Als Burkard (1941) über einen geomagnetischen Längeneffekt der F-Schicht-Ionisation berichtete, war es klar, dass hier ein Einfluss des erdmagnetischen Feldes vorlag. Messungen bei Sonnenfinsternissen zeigten eine Ionisationsabnahme der F-Schicht und der darunterliegenden absorbierend wirkenden D-Schicht. Für die F-Schicht war dieser Zusammenhang nicht immer eindeutig, insbesondere dann, wenn die Reflexionsverhältnisse gestört waren (Hendersson, 1932, Aschen-Brenner u. Mitarb., 1936; Leithäuser und Beckmann, 1936, Leithäuser und Menzel, 1936, Leithäuser u. Beckmann, 1936).

Etwa Mitte der dreissiger Jahre begann man auch mit Impulsmessungen bei schrägem Einfallswinkel. Man wollte feststellen, welche Grenzfrequenzen, Reflexionshöhen. Ausbreitungswege für bestimmte Entfernungen bei der Radiowellenausbreitung auftreten und wie sich diese zeitlich verändern (Martyn, 1935; Farmer u. Ratcliffe, 1936). In Deutschland wurden diese erstmalig von Zenneck und Goubau in Zusammenarbeit mit der Deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt und der Telefunken-Gesellschaft für drahtlose Telegraphie und mit Unterstützung der Deutschen Reichspost zwischen der Versuchsstation Herzogstand und der DVL in Berlin-Adlershof durchgeführt (Crone u. Mitarb., 1936). Es wurde in beiden Richtungen auf der Wellenlänge 52 m gearbeitet. Sowohl auf dem Herzogstand wie in Tollkrug bei Berlin (Telefunken-Station) arbeitete gleichzeitig eine Senkrechtlotung. Die Deutsche Reichspost stellte für die Synchronisierung von Sender und Empfänger eine besondere Leitung zur Verfügung. Dieses war notwendig, um die Zeitablenkung auf der Braunschen Röhre der Empfangseinrichtung gleichzeitig mit der Impulsaussendung der Gegenseite starten zu können. So kam bei der Senkrechtlotung ein stehendes Bild zustande, eine Voraussetzung für die Auswertung der Laufzeiten. Man fand hierbei in der Nähe der Grenzfrequenz die schon früher theoretisch gefolgerte "Fernstrahlung" (auch Pedersen-Strahl genannt), die sich an der Grenzfrequenz bei abnehmender Laufzeit in Form eines Spornes auf dem Ionogramm mit der "Nahstrahlung" vereinigt. Ein entgegengesetzter Sporn ergibt sich beim "Aufgang" (Einsetzen der Reflexion bei überschreiten der Grenzfrequenz). Bei Schwankungen der Ionisation waren die Sporne gegenläufig zusammengesetzt (Aufgang - Untergang), was man als Übertragungsschleifen bezeichnete. Es wurden die Laufzeiten für beide Wege aus dem Ionogramm bestimmt und daraus die scheinbaren Reflexionshöhen errechnet.

Smith (1937) hatte die Gesetzmässigkeit der Umrechnung der Senkrechtlotung auf schräge Winkel in Form der sog. Übertragungskurven gerechnet. Sie stellen die Beziehung zwischen scheinbarer Höhe h' und der Frequenz f bei senkrechtem Einfall für bestimmte Entfernungen und Übertragungsfrequenzen als Parameter dar. Legt man diese im gleichen Massstab transparent auf ein Senkrecht-Ionogramm, so geben die Schnittpunkte mit der senkrecht gemessenen h'(f)-Kurve jeweils die scheinbaren Höhen an, in der die zu dieser Kurve gehörende Übertragungsfrequenz in der gegebenen Entfernung reflektiert wird. Abb. 6 zeigt Übertragungskurven für verschiedene Frequenzen und Entfernungen (gestrichelt), angewandt auf eine im Senkrecht-Ionogramm beobachtete Kurve für die E-Schicht und F2-Schicht (ausgezogen). Tangieren beide Kurven, wie im Falle IV für die F2-Schicht und im Falle II für die E-Schicht, so entspricht der zugehörige Frequenzwert der grössten Frequenz, die gerade noch an der betreffenden Schicht reflektiert wird. Nicht berührende Übertragungskurven, z.B. V und VII, ergeben keine Reflexion mehr.

Eyfrig (1940) hat in seiner Dissertation auf der Strecke Herzogstand - Tollkrug bei Berlin diese Theorie mit den gemessenen Werten verglichen. Die Abweichung der gemessenen Werte von den berechneten betrug hier - 2,5 bis 3%. Dabei wurde auch der Gedanke an eine Bewegung von Ionisationswolken im E-Gebiet geäussert. Mit Hilfe der Übertragungskurven kann man mit einem einfachen graphischen Verfahren aus dem Ionogramm die Sprungfrequenzen bzw. die Umrechnungsfaktoren der Grenzfrequenzen bei senkrechtem Einfall auf schräge Inzidenz für gegebene Entfernungen gewinnen. Sie sind deshalb für die Radiowellenausbreitung von besonderer Bedeutung.

Man beobachtete öfters bei den Impulsmessungen, insbesondere in den Abend- und Nachtstunden, im E-Gebiet eine plötzliche und grosse Steigerung der Ionisation, die von keinerlei erdmagnetischer Unruhe begleitet ist. Das F-Gebiet zeigt dabei keine Veränderungen. Trotz der hohen Ionisation handelt es sich hier um eine dünne, wenig absorbierende Schicht. Die erste Arbeit, in der die Frage eines Jahres- und tageszeitlichen Ganges der Häufigkeit dieser anomalen E-Schicht in voller Klarheit behandelt wurde, ist die Münchener Dissertation von Schultheiss (1936). Bei den zitierten Schrägwinkelimpulsmessungen von Eyfrig zwischen dem Herzogstand und Adlershof wurde sie ebenfalls beobachtet. Es wurde festgestellt, dass eine Übereinstimmung im Auftreten der anomalen E-Schicht an beiden Stationen eine Ausnahme ist. Weitere Arbeiten seien hier erwähnt von Berkner u. Wells (1937; Messungen in Huancayo und Watheroo) und von Appleton, Naismith u. Ingram (1937; Messungen in Tromsö aus dem Internationalen Polarjähr).

Die Statistiken lassen ein Häufigkeitsmaximum der anomalen E-Schicht, auch sporadische E_s-Schicht genannt, in den Sommermonaten erkennen. Gonnermann und Rawer (Gonnermann, 1941) finden bei der Häufigkeitsauswertung der E_s-Schicht aus den Jahren 1938 und 1939 ausserdem im Tagesgang neben einem grossen Mittagsmaximum ein zweites Maximum in den Abendstunden. Zu einem ähnlichen Ergebnis kam Dellinger (1939). Aus theoretischen Studien von Rawer (1939a, b) geht hervor, dass nur bei extrem dünnen Schichten (Halbwertbreite unter 100 m) partielle Reflexionen in einem so breiten Frequenzbereich auftreten können, wie es tatsächlich beobachtet wird. Dessauer, Eyfrig, Hechtel und Petersen (Dessauer u. Mitarb., 1942) stellen aus Durchdrehaufnahmen fest, in wieviel Prozent der Beobachtungszeit eine bestimmte Frequenz von der Grenzfrequenz der E_s-Schicht überschritten wird. Brand u. Zenneck (1942) gaben 1944 eine Übersicht über die Arbeiten, die sich mit der E_s-Schicht beschäftigen und schlugen vor, anstelle der Überschreitung einer bestimmten Frequenz die Gesamtenergie der ionisierenden Strahlung, gemessen durch die Elektronenproduktion., der Statistik zugrunde zu legen. Da ein solarer Einfluss zweifelhaft war, ist die Ursache der E_s-Schicht in der hohen Atmosphäre selbst gesucht worden. Eine mögliche Energiequelle schien die Rekombination der tagsüber dissoziierten Sauerstoffmoleküle zu sein (Rawer, 1940). Über den Zustand der Ionosphäre während des Nordlichtes am 25./26. Januar 1938 nach den Beobachtungen der Versuchsstation Herzogstand berichten 1938 Eyfrig, Goubau, Netzer und Zenneck (Eyfrig u. Mitarb., 1938). Es wurde zum erstenmal eine Durchdrehaufnahme einer Nordlichtschicht in der noch im Handbetrieb arbeitenden Apparatur aufgenommen. Die Grenzfrequenz der Nordlichtschicht betrug 4,5 MHz. Näheres hierüber siehe 8c und 8d.

b) Heinrich-Hertz-Institut

Unter der Leitung von Leithäuser wurden die Echolotungsmessungen des Heinrich-Hertz-Instituts Berlin nach Beendigung der Expedition aus Anlass des Internationalen Polarjahres weiter fortgesetzt. 1935 wurde die Ionosphärenstation von Lindenberg bei Potsdam nach Pieskow am Scharmützelsee verlegt. Die eingesetzten Festfrequenzregistrierungen lagen zwischen 3 und 5 MHz. Die Impulsleistung betrug etwa 500 Watt, die Impulsdauer etwa 10^-5 sec und die Impulsfolgefrequenz 50 Hz. Die Registrierung erfolgte mit einer Braunschen Röhre, deren Zeitlenkung durch ein von der Netzwechselspannung gesteuertes Kippgerät betrieben wurde.

Leithäuser u. Beckmann (1937) berichten über ungewöhnliche Zustände der Ionosphäre in der Zeit von Juli 1936 bis Mai 1937, die diesen Messungen zu entnehmen waren und die in direkter Beziehung zum Erdmagnetismus, zu Nordlichtern in Tromsö und solarer Aktivität (Sonneneruption) standen. Es wurde festgestellt, dass zu diesen Zeiten spontane Anhebungen der F2-Schichthöhe stattfinden, wobei bei stärkeren Ereignissen diffuse Reflexionen, später Nordlichtschichten genannt, oberhalb der F-Reflexionen zu sehen sind. Diese Vorgänge werden besonders abends und nachts beobachtet, in einem selteneren Fall auch beginnend in den frühen Morgenstunden. Aus der teilweise zu beobachtenden Aufspaltung (Untergangsphänomen) wurde auf eine gleichzeitig mit dem Hochziehen der Schicht verbundene Ionisationsabnahme geschlossen. Bei schwächeren Störungen wurde nur das Hochziehen der F2-Schicht beobachtet. Wenn die bei stärkeren Störungen oberhalb der F-Reflexionen auftretende Nordlicht-Schicht herabsinkend die F-Reflexion scheinbar durchdringt, traten die heftigsten erdmagnetischen Stösse auf. Diese Einbrüche wiederholen sich abklingend an aufeinanderfolgenden Tagen zu etwa gleicher Tageszeit. Die Arbeit zeigte, wie das polare Geschehen auch seine ionosphärische Auswirkung in mittleren Breiten hat. Über die Grenzfrequenzabnahme während erdmagnetischer Stürme berichten 1937 auch in den USA Kirby, Gilliland, Smith und Reymer (Kirby u. Mitarb., 1937).

Ende des Jahres 1937 ging ein Teil der Funkabteilung des Instituts für Schwingungsforschung (früher Heinrich-Hertz-Institut) in der neugegründete Forschungsanstalt der Deutschen Reichspost auf, wobei neben den wissenschaftlichen Kräften auch die Ionosphärenstation Pieskow und ein bis auf 1932 zurückgehendes Beobachtungsmaterial übernommen wurde.

c) Forschungsanstalt der Deutschen Reichspost (RPF), Amt für Wellenausbreitung München (AfW)

Bereits 1932 beschäftigten sich Bäumler und Mögel vom Reichspostzentralamt mit Echolotungsmessungen (Bäumler u. Mögel, 1932), wobei sie zur Aufzeichnung der Echos einen Schleifenoszillographen benutzten. Sie berichteten um diese Zeit über den Nachweis einer reflektierenden Schicht. Ende 1937 wurden die vom Institut für Schwingungsforschung übernommenen Echolotungsmessungen in der damals neugegründeten Forschungsanstalt der Deutschen Reichspost unter der Leitung von Vilbig fortgesetzt. Die Ionosphärenstation Pieskow am Scharmützelsee wurde 1938 nach Legefeld bei Weimar verlegt. 1939 wurde eine weitere Station in Kühlungsborn bei Rostock eingerichtet. Nach Gründung des Amtes für Wellenausbreitung in München kam noch die Station Grafing bei München hinzu. Die Entfernung von Kühlungsborn bis Grafing betrug etwa 650 km, wobei Legefeld etwa in der Mitte lag; 1942 bis 1943 wurde noch eine Station in Civitavecchia bei Rom eingerichtet. Dieses nordsüdlich ausgerichtete Stationsnetz lag in der Nähe des 11. Längengrades. Es wurde auf fast gleichen Festfrequenzen zwischen etwa 3 und 6 MHz betrieben. Die Sende-Impulsleistung war auf 10 kW erhöht worden. Vom 1.1.1943 bis 4.3.1945 wurden auch im Handbetrieb Durchdrehaufnahmen im Frequenzbereich 2,5 bis 7 MHz gemacht, und zwar in Grafing stündlich, in Legefeld und Kühlungsborn 3 bis 4mal täglich zu festgesetzten Zeiten.

Mit diesem Stationsnetz wurden die normalen und gestörten Zustände der Ionosphäre weiterhin studiert mit dem Ziel, die Radiowellenausbreitung zu verbessern bzw. zu unterstützen im Hinblick auf den geeigneten Frequenzeinsatz und die Ermittlung anderer Parameter des Funkbetriebs. Die grosse Nordlichtstörung der Ionosphäre am 25. Januar 1938 bot hierfür die erste Gelegenheit (Vilbig u. Mitarb., 1938) (s. auch Eyfrig, 1938, in Abschn. 8a). Die scheinbar herabsinkende Nordlichtschicht und der Höhenanstieg der F2-Schicht bei abnehmender Grenzfrequenz wurden festgestellt, kurz bevor das Nordlicht in unserer Breite gesehen wurde, und zwar ungefähr gleichzeitig in Pieskow (Wellenlänge 86 m) und auf der Versuchsstation Herzogstand (Wellenlänge 59 m, s. Abschn. 8a). Nach der Durchschneidung der Nordlichtschicht-Reflexion und der F2-Reflexion um etwa 19.30 h MEZ, die mit dem Sichtbarwerden des Nordlichtes in unseren Breiten zusammenfiel, kam in Pieskow eine verwaschen reflektierende Nordlicht-E-Schicht in etwas grösserer Höhe als die normale E-Schicht hinzu. In der folgenden Nacht setzten zeitweise sämtliche Reflexionen aus. Ab und zu sah man eine hochliegende F-Reflexion. Am 26.4. zeigte der weitere Tagesverlauf der Reflexionen nichts Auffälliges. Dagegen konnte man in der darauffolgenden Nacht im Niveau der F-Schicht oberhalb der normalen F-Reflexionen heftig flackernde Streureflexionen bis 4 Uhr morgens feststellen, die offensichtlich als Nachwirkung der in der vorhergehenden Nacht stattgefundenen Nordlichtstörung anzusehen war. Die Nordlichtstörung am 25. Januar 1938 war von einem heftigen erdmagnetischen Sturm begleitet, der bereits mittags gegen 13.00 h MEZ begann, aber erst abends etwa um 19.30 h MEZ bei der Ausbildung der Nordlicht-E-Schicht maximale Amplituden erreichte. Es war die erste Nordlichtstörung der Ionosphäre, die in Deutschland bei direkt sichtbarem Polarlicht beobachtet wurde.

Man hielt dieses Ereignis für so bedeutungsvoll, dass es auf die Tagesordnung der turnusmässigen Besprechungen mit Hochschullehrern vom 23. bis 26. März 1938 im Reichpostzentralamt gesetzt wurde. In Vorträgen von Zenneck und Beckmann wurden die Messergebnisse der Versuchsstation Herzogstand und der Forschungsanstalt der Deutschen Reichspost ausgetauscht und anschliessend diskutiert.

Die Kurzwellenempfangsbeobachtungen (Feldstärkeaufzeichnungen) der Übersee-Funkstelle Beelitz der Deutschen Reichspost zeigten, dass diejenigen Funklinien von der Nordlichtstörung am stärksten betroffen waren, die die polnahen Gebiete passieren. Dass ein Breiteneffekt schon innerhalb Deutschlands bei einer Nord-Süd-Entfernung von etwa 350 km zu bemerken ist, zeigten Beckmann, Menzel und Vilbig (Beckmann u. Mitarb., 1939b) an Hand gleichzeitiger Echoregistrierungen in Kühlungsborn und Legefeld. Bei Störungen im F2-Gebiet der Ionosphäre in Kühlungsborn war die Registrierung Legefeld noch normal. Es wurde daraus der Schluss gezogen, dass es günstiger ist, Überseefunkstellen in Süddeutschland aufzubauen.

Beckmann, Menzel und Vilbig (Beckmann u. Mitarb., 1939a) haben auch die streuenden Reflexionen, die auf Inhomogenitäten in der Ionosphäre zurückzuführen sind, näher studiert. Es wurden zeitweise ausser den relativ stabilen Echos, die von einzelnen wohldefinierten Schichten herrühren, auch solche beobachtet, die in ihrer Amplitude sich rasch ändern und aus einem grossen Höhenbereich oberhalb der F-Schicht zu kommen scheinen. In Registrierungen mit fester Frequenz ergeben sie ein breites Band von Punkten oberhalb der F-Echos. Aus dem charakteristischen Verhalten der Breite dieses Bandes bei Auf- und Untergängen wurde gefolgert, dass diese Erscheinung durch Ionisationswolken im Bereich zwischen 100 und 200 km entsteht, deren Trägerdichte nicht zur Reflexion bei senkrechtem Einfall ausreicht, aber bei mehr oder weniger schrägem Einfall eine Ablenkung aus der ursprünglichen Richtung bewirkt. Möglicherweise sind auch die Wolken so klein, dass Rayleighsche Streuung auftritt. Die abgelenkten Strahlen treffen auf die F-Schicht, werden dort reflektiert und können bei entsprechender Geometrie des Ausbreitungsweges zum Ausgangspunkt zurückkehren. Die Laufzeit ist dabei infolge des Umweges grösser als bei der normalen F-Reflexion, und zwar um so mehr, je weiter seitlich die reflektierenden Wolken stehen. Die Reflexion an der F-Schicht erfolgt dabei auch bei der Senkrechtlotung nicht mehr senkrecht. Die Streuechos könen daher auch noch bestehen bleiben, wenn die normale F-Reflexion bereits durchgegangen ist. Dies wird um so länger der Fall sein, je schräger die Strahlen auf die F-Schicht auffallen. Die Echos mit der längsten Laufzeit werden also bei abnehmender Ionisierung am längsten zu beobachten sein. Auch im Funkverkehr spielt diese Streustrahlung neben der Zick-Zack-Reflexion eine beträchtliche Rolle (Beckmann u. Mitarb., 1939c). Das Flacherwerden des Einfallswinkels auf die F-Schicht durch Streuung oder Reflexion an seitlichen Ionisationswolken tritt natürlich ebenso wie bei der Senkrechtreflexion auch bei der Fernübertragung auf. Auch hier erfolgt noch eine Reflexion dieser Strahlung, wenn die Trägerdichte der F-Schicht für eine Reflexion der direkten Strahlung nicht mehr ausreicht. Damit wird ein Empfang innerhalb der toten Zonen möglich.

Eckersley (1937) und Netzer (1940) fanden ebenfalls einen Zusammenhang von abnormaler E-Ionisierung und Streueffekten im F-Gebiet. Booker u. Wells (1938) vertraten dagegen die Ansicht, dass die streuenden Wolken oberhalb der F-Schicht liegen. Auch Harang (1939) beobachtete oberhalb der Grenzfrequenz der F-Schicht Streureflexionen in bzw. über der F-Höhe, und zwar stellte er im Höhenverlauf dieser Streureflexionen bei erdmagnetischen Mikropulsationen einen entsprechenden Gang fest. Appleton u. Naismith (1939) folgerten aus Beobachtungen, dass es sich hierbei um Ionisationszentren in oder unterhalb der F-Schicht handeln muss.

Neben den Impulsmessungen der Ionosphäre wurden in dem AfW der RPF auch Messungen des Schwundverlaufes (Feldstärkeregistrierungen), der Einfallswinkel, der Polarisation und der Kreuzmodulation durchgeführt. Über Beobachtungen von Auf- und Untergängen im Feldstärkeverlauf (Passieren der toten Zone am Empfangsort) berichtet Grosskopf (1940). Die magnetische Aufspaltung in zwei Komponenten, ihre entgegengesetzte zirkuläre Polarisation sowie das Hinzutreten der Fernstrahlung kurz vor dem Durchgang der Welle sind aus dem Schwundverlauf in klassisch schöner Weise zu erkennen. Die verschiedensten Formen von Auf- und Untergängen und ihre Beeinflussung durch Streustrahlung wurden von Beckmann, Menzel und Vilbig (Beckmann u. Mitarb., 1940, 1941) beobachtet und analysiert. Grosskopf u. Vogt (1940a) führten im Kurzwellenbereich Phasen- und Amplitudenmessungen mit einem Kreuzdipol in horizontaler Lage zur Ermittlung der Polarisation durch zu Zeiten von Untergängen, wo besonders klare Verhältnisse herrschten. Sie konnten bestätigen, dass nach dem Aussetzen der ordentlichen Komponente in unseren Breiten die Polarisation rechtsdrehend ist (ausserordentliche Komponente). Die vorher unregelmässig schwankende Phase ist hier dauernd rechtsdrehend 90° polarisiert. Die Polarisationsmessungen wurden mit gekreuzten Rahmenantennen auch im Mittelwellenbereich durchgeführt (Grosskopf u. Vogt, 1940b). Hier wurde insbesondere der Einfluss der Bodenwelle auf den Polarisationszustand studiert. Ferner wurde von Grosskopf u. Vogt (1940c) die Bodenleitfähigkeit durch Ausmessung des Achsenverhältnisses der früher erwähnten Zenneckschen Drehfeldellipse bestimmt. Ausserdem haben Grosskopf (1938) und Vilbig (1942) die Frage der gegenseitigen Modulationsbeeinflussung über die Ionosphäre im Lang- und Mittelwellenbereich, den sogenannten Luxemburg-Effekt, studiert, für den Bailey u. Martyn (1934) eine Theorie aufgestellt hatten. Mit Feldstärkemessungen zur Verbesserung der Rundfunkversorgung beschäftigten sich im Reichspostzentralamt vor allem Harbig (1934) und Bäumler (Bäumler u. Pfitzer, 1935) in den dreissiger Jahren. Die von den Fernmeldeverwaltungen weltweit durchgeführten Feldstärkemessungen im Kurz-, Mittel- und Langwellenbereich wurden 1937 auf der vierten Tagung des Comité Consultatif International des Radiocommunications in Bukarest verglichen und in den Tagungsdokumenten zusammengestellt (Documents _..., 1937). Noch heute wird bei der Feldstärkeabhängigkeit von Mittel- und Langwellen in Entfernungen grösser als 3500 km hierauf zurückgegriffen.

1939 haben Budden, Ratcliffe und Wilkes (Budden u. Mitarb., 1939) aus dem Interferenzfeld eines Langwellensenders auf die Reflexionshöhe in diesem Wellenbereich geschlossen. Im Mittel ergab sich bei Tag 74 km, bei Nacht 92 km. Dabei wurde festgestellt, dass ein gestörter Verlauf (Abnahme der Schichthöhe), der einen Feldstärkeanstieg bewirkte, mit dem Mögel-Dellinger-Effekt verknüpft war. Bailey, Austin und Thomson (Bailey u. Mitarb., 1935) fanden, dass an nach erdmagnetischen Stürmen folgenden Tagen die Tagesfeldstärken ansteigen und die Nachtfeldstärken absinken. Dieser Vorgang kann bis zu einer Woche andauern, bis sich die Verhältnisse wieder normalisieren. Über ein Jahr sich erstreckende Feldstärkemessungen von Sendern zwischen etwa 3000 m und 20 000 m Wellenlänge wurden von Neubauer 1944 im AfW durchgeführt. Sie zeigten neben der Entfernungsabhängigkeit ein verschiedenes Verhalten der Ausbreitungsbedingungen bei Wellen unter etwa 6000 m und über 12 000 m mit einem breiten Übergangsgebiet. Bei europäischen Langwellen traten Peilabweichungen bis zu 90° auf, bei europäischen Längstwellen bis etwa 15°.

Für eine Vorhersage der KW-Ausbreitungsbedingungen wurden von AfW laufend die monatlichen Normalbedingungen ermittelt im Vergleich zu den sich überlagernden Störungen (Vilbig u. Mitarb., 1943). Die laufende Überwachung des Ionosphärenzustandes erfolgte auf der Messstelle des AfW in Bernried. Durch Vergleich von Feldstärkeregistrierungen mit den Senkrechtlotungen wurden dabei empirische Umrechnungsfaktoren gewonnen, die z.T. erheblich über den theoretischen lagen und eine Leistungsabhängigkeit im Streubereich erkennen liessen. Sie wurden zur Ermittlung der monatlichen Einsatzzeiten der Betriebsfrequenzen prognostisch ausgewertet. Der Dämpfungseinfluss wurde ebenfalls auf Grund von Feldstärkemessungen berücksichtigt. Die Funkstellen der DRP, der Rundfunk (Kurzwelle) und andere zivile Funkdienste wurden fernschriftlich, telephonisch und in monatlichen Besprechungen beraten. Es bestand auch eine Zusammenarbeit mit der Zentralstelle für Funkberatung. Kurzfristige Vorhersagen oder Warnungen bei Störungen wurden in unregelmässiger Folge nach Bedarf, d.h. also im Falle von bevorstehenden oder noch anhaltenden Störungen herausgegeben. Die laufenden Ausbreitungsbeobachtungen lieferten die Unterlagen über positive Phasen (übernormal gute Bedingungen) und Störungen, die die Grundlage für eine Abschätzung der Entwicklung des Funkwetters bis zu 27 Tagen (eine Sonnenrotation) ergaben und noch kurzfristige Korrekturen ermöglichten. Da für letztere nur die Erdmagnetik und photosphärische Sonnenbeobachtungen zur Verfügung standen, wurde auch seit 1942 versucht, den Einfluss der Sonnenaktivität auf die Höhenstrahlung mit auszunutzen. Es war damals noch nicht geklärt, ob die in Verbindung mit der Sonnenaktivität beobachteten Effekte (mit Ausnahme des Forbush-Effektes) Modulationseffekte oder einen solaren Anteil der Höhenstrahlung darstellen. Heute sind beide Möglichkeiten nachgewiesen.

d) Erprobungsstelle der Luftwaffe, Abteilung F, in Rechlin und Zentralstelle für Funkberatung (ZfF) in Vöslau bei Wien

In der Abteilung F der Erprobungsstelle der Luftwaffe, die unter der Leitung von Plendl stand, wurde von Dieminger in den Jahren 1936/37 ein Festwellen-Impulssender entworfen, der dann in einer kleinen Serie in den Werkstätten der Reichspostforschungsanstalt gebaut wurde. Über die ersten Ergebnisse der hiermit durchgeführten Messungen berichten Dieminger u. Plendl (1938) auf dem 14. Deutschen Physiker- und Mathematiker-Tag in Wiesbaden. Sie berichten 1938 ebenfalls über ein Nordlicht am 30.9.37 und die hierbei aufgetretenen charakteristischen ionosphärischen Veränderungen (Dieminger u. Plendl, 1939), nämlich das Hochziehen der F-Schicht bei gleichzeitiger Ionisationsabnahme (Aufspaltung) und Erscheinen einer herabsinkenden verwaschenen Nordlichtschicht, die als schräge Reflexionen an einer etwa 350 km nördlich gelegenen Ionenfront in 450 km Höhe gedeutet wurde.

Nach Fertigstellung seiner Dissertation "Zur Frage der partiellen Reflexion und zur Berechnung der scheinbaren Höhe von Ionosphärenschichten" bei Zenneck in München (Rawer, 1939a, b) kam Rawer 1938 ebenfalls zur Erprobungsstelle der Luftwaffe, Abteilung F, nach Berlin. Er hatte in seiner Dissertation u.a. gezeigt, dass, wenn man den Charakter der Kurve kennt, die die Verteilung der Elektronenkonzentration mit der Höhe darstellt und Durchdrehaufnahmen besitzt, die die scheinbaren Höhen in Abhängigkeit von der Frequenz geben, man die wahre Höhe des Scheitels der Schicht in verhältnismässig einfacher Weise aus den Durchdrehauf nahmen ermitteln kann. Ähnliches taten Booker u. Seaton (1940).

1938 wurde der erste Durchdrehsender gebaut, der 1939 im Probebetrieb arbeitete. Aus der Abteilung F der Erprobungsstelle ging die Zentralstelle für Funkberatung (ZfF) hervor, die unter Leitung von Dieminger 1942 nach Bad Vöslau bei Wien verlegt wurde. Das Beobachtungsnetz der ZfF umfasste eine Nordsüdlinie (Tromsö - Syrakus) und eine Ostwestlinie (Nicolajew - Meudon). Der Schnittpunkt lag bei Vöslau. Die Stationen der ZfF wurden ab 1940 alle mit Durchdrehsendern ausgerüstet. Die Zentralstelle für Funkberatung gab Wellenberatungen an die militärischen Dienststellen heraus (Plendl u. Mitarb., 1942). Gefordert wurde die Angabe eines sicher brauchbaren Frequenzbereiches für die jeweilige Entfernung und Tageszeit. Da die Grenzfrequenzen von Tag zu Tag streuen, wurde die ungünstigste Möglichkeit in Betracht gezogen, wobei wesentlich gestörte Tage fortgelassen wurden. Die Umrechnung von der Senkrechtlotung auf die Übertragungsentfernung erfolgte nach der Smithschen Methode. Dieminger und Rawer fanden 1943 bei ihren Impulsversuchen zwischen Bludenz (Vorarlberg) und Rühle bei Meppen diese Theorie gut bestätigt. Aus den Grenzfrequenzwerten des europäischen Stationsnetzes war zu ersehen, dass wohl im Mittel die Grenzfrequenzen gegen den Äquator zunehmen, dass daneben aber eine ganze Reihe von Besonderheiten besteht (Dieminger, 1944; Eyfrig, 1942). Besonders ausgeprägt ist die Zunahme zum Äquator für die Abendkonzentration, wobei sich das Maximum immer mehr in die frühen Abendstunden verschiebt. In der Sommernacht dreht sich die Breitenabhängigkeit um, die Grenzfrequenzen nehmen polarwärts zu. In den Winternächten erhält man um Mitternacht einen Anstieg der Grenzfrequenz vor allem in niedrigen Breiten. Bemerkenswert ist auch, dass in Tromsö im Sommer der Tagesgang fast ganz verschwindet und dass dort im Winter in den Mittagsstunden eine merkliche Ionisierung in der F2-Schicht vorhanden ist, obwohl am Erdboden die Sonne gar nicht mehr aufgeht. Man begann nach Art der Wetterkarten "Ionisationskarten" mit Linien gleicher Grenzfrequenzen aufzuzeichnen (Eyfrig, 1944a; Rawer, 1944). In Deutschland standen während des Krieges, abgesehen von dem ziemlich dichten europäischen Stationsnetz, nur extrapolierte Werte von Washington, Huancayo und Watheroo zur Verfügung. Dabei war es wegen des beträchtlichen Längenunterschiedes zweifelhaft, ob die Benutzung dieser Stationen überhaupt zulässig war. Ein solcher Längeneffekt konnte aber bereits aus dem spärlichen Vergleichsmaterial, das während des Krieges zur Verfügung stand, abgelesen werden (Burkard, 1942). Bei der Umrechnung der obigen Grenzfrequenzkurven auf die jeweilige Entfernung wurde auch die normale E-Schicht in die Rechnung einbezogen und daraus die sogenannte Abdeckkurve ermittelt. Die obere Umhüllende dieser beiden Grenzfrequenzkurven gab die höchste sicher brauchbare Frequenz (Eyfrig, 1944b; Theissen, 1944). Die Grundlage für die Vorhersage dieses normalen Verlaufes sind die Perioden, die im Zustand der Ionosphäre hervortreten: die tägliche, die jahreszeitliche und die elfjährige Sonnenfleckenperiode. Die Vorhersage der letzteren wurde 1944 von Rawer (1944) durch Einführung der Kennwertmethode verbessert. Anstelle der Stundenwerte der Grenzfrequenzen wurde der vierundzwanzigstündige quadratische Mittelwert mit der Sonnenfleckenrelativzahl korreliert bzw. extrapoliert für die Vorhersage.

Die untere Dämpfungsgrenze des vorhergesagten brauchbaren Frequenzbereiches wird aus dem durch die Gerätedaten gegebenen Maximaldekrement nach der Theorie errechnet (Rawer, 1934). Die hierfür erforderliche Normgrösse, die im wesentlichen Angaben über die Ionisierung und Stosszahl der D-Schicht enthält, wurde aus Feldstärkemessungen des gerade vergangenen Halbmonats entnommen. Rawer erhielt so für jeden Übertragungsmechanismus eine untere brauchbare Frequenzgrenze, die unter Umständen noch durch die Abdeckung zu ersetzen war.

Für die regelmässige halbmonatliche allgemeine Beratung mit Angaben brauchbarer Wellenbereiche für verschiedene Entfernungen und Tageszeiten wurde das geschilderte Verfahren laufend durchgeführt. Ausserdem erging eine Peilwarnung, d.h. der Zeitraum, in dem mit Nachteffekt zu rechnen sei, wurde angegeben. In Störungsfällen gab die ZfF nach Möglichkeit Mitteilungen und Warnungen heraus. Beim Mögel-Dellinger-Effekt war nur eine Mitteilung möglich. Als Ursache dieses Effektes wurde allgemein solare Wellenstrahlung angenommen (Wulf u. Deming, 1938; Grotrian, 1939; v. Klüber, 1943). Eine Rechnung für die Wasserstofflinie 1215 Å, die in Eruptionsspektren auftritt, ergab ein Maximum der Absorption dieser Linie in etwa 50 km Höhe (Penndorf, 1941). Diese wurde als untere Grenze der D-Schicht angenommen. Günstiger waren die Möglichkeiten für die Vorhersage von Ionosphären-Stürmen, die weitaus die unangenehmsten Störungen des Funkverkehrs hervorrufen. Man wusste, dass diese durch eine Korpuskularstrahlung entstehen, die sich in etwa 20 bis 30 Stunden von der Sonne bis zur Erde fortpflanzt, und dass bei einer optimalen Beobachtung ihres Starts auf der Sonne eine Vorhersage für etwa einen Tag möglich wäre. Nun waren wohl Fälle bekannt geworden, in denen die Korpuskeln gleichzeitig mit einer chromosphärischen Eruption, die ihrerseits auch von einem Mögel-Dellinger-Effekt begleitet war, von der Sonne emittiert wurden und rund 24 Stunden später einen Ionosphärensturm hervorriefen. Jedoch waren diese Fälle nicht so regelmässig, dass sich darauf eine Prognose aufbauen liess. Als die beste Grundlage der Prognose von Störungen wurde die Voreilung der erdmagnetischen Störungen um einige Stunden besonders im hohen Norden angesehen (Lange-Hesse, 1943a, b). Nach Bartels (1944) kann man aus den Tromsöer erdmagnetischen Messungen auf die Lage des Stromsystems, d.h. auf die Lage der Störung nördlich oder südlich von Tromsö schliessen. Der Breiteneffekt der Nordlichtstörungen wurde von Dieminger (1944) untersucht. Für die Ionosphärenstationen Syrakus, Rechlin, Oslo, Tromsö ergab sich ein Verhältnis der Häufigkeit für Nordlichtstörungen wie 1:2:3:12.

Bei der Bestimmung von Umrechnungsfaktoren gehen die wahre Schichthöhe und Dicke als Parameter ein. Es war aus diesen und anderen Gründen der Strahlungsgeometrie von Interesse, den Zusammenhang zwischen scheinbarer und wahrer Schichthöhe zu kennen. Ausgehend von der Gruppengeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle erhielten Pekeris und Rydbeck (Rydbeck, 1940) eine Abelsche Integralgleichung, für die Pekeris nach geeigneter Substitution eine graphische Lösung angab. Die Strahlenbetrachtung ist zulässig, solange sich der Brechungsindex längs einer Strecke von der Grössenordnung einer Wellenlänge nicht merklich ändert. Für die Grenzfrequenz gibt die Strahlenbetrachtung unendlich grosse Reflexionshöhen. Sie kennt auch keine partielle Reflexion, sondern ergibt entweder Totalreflexion oder Durchgang. Hier versagt offenbar die Näherungslösung. Rawer (1939a, b) und Becker (1943) berechnen deshalb, ausgehend von den Maxwellschen Gleichungen und den daraus folgenden Wellengleichungen, unter gewissen Vereinfachungen Reflexions- und Durchlässigkeitskoeffizienten.

Für die richtige prognostische Anwendung der Strahlengeometrie auf die Übertragungswege ist besonders die Kenntnis der tatsächlich bei der Radiowellenübertragung auftretenden Einfallswinkel von Bedeutung. 1938 bis 1940 fanden Impulsversuche zwischen USA und Deutschland statt in Zusammenarbeit der Telefunken-AG und den Bell Laboratories, New York. Gesendet wurde in New York, empfangen in Beelitz bei Berlin. Bei den sendeseitig benutzten Rhombusantennen wurde die Vertikalcharakteristik stetig geschwenkt. Nach der Identifizierung der Wege durch Gonnermann (1944) waren 3x F-, 4x F- und 5x F-Wege zu beobachten (12,86 MHz), die bei 300 km Schichthöhe den Einfallswinkeln 17°, 22° und 26° entsprechen. Nach den Messungen von Schüttlöffel u. Vogt (1939) konnte man 3 Winkelbereiche unterscheiden. Der am häufigsten auftretende liegt zwischen 22,4° und 23,8°. Seltener kommen die Winkelbereiche 10° bis 12° und 7,4° bis 10° vor (18 MHz). Die flacheren Winkel, die etwa 2x F entsprechen, kommen vermutlich häufiger in der Nähe der Grenzfrequenz vor oder können auch durch E-Reflexion bei 12,86 MHz abgedeckt sein. Neyer (1944) konnte mit derselben Apparatur noch Einfallswinkel bei 5° nachweisen. Erwähnt seien noch Messungen von Erdumlaufzeichen und Indirektzeichen, die von Hess, v. Schmidt und Schulze (Hess u. Mitarb., 1943; v. Schmidt, 1938) durch schnelle oszillographische Registrierungen durchgeführt wurden. Die Erdumlaufzeit wurde aus zahlreichen Messungen auffallend konstant zu 0,13778 sec und unabhängig von der Frequenz, der Tages- und Jahreszeit gefunden.

9. Die UKW-, dm- und cm-Wellenausbreitung bis 1945

Die Ausbreitungsverhältnisse dieser Wellen sind wesentlich anders als die der langen und kurzen Wellen. Eine Bodenwelle ist wegen der bei hohen Frequenzen vorhandenen starken Dämpfung kaum zu beobachten. Gelegentliche ionosphärische Übertragung gibt es zwischen 10 und 5 m in mittleren Entfernungen über die sporadische E-Schicht vornehmlich im Sommer, in grossen Entfernungen über die F2-Schicht im Winter, besonders im Sonnenfleckenmaximum, sowie durch Übertragung von Irregularitäten (s. Statistiken von Hess, 1938, 1941; Pendler, 1937, 1938). Die regelmässig beobachteten Ausbreitungsverhältnisse dieser Wellen sind bestimmt durch die direkte Strahlung und eventuell eine am Erdboden reflektierte. Bis etwa 1931 hatte man angenommen, dass die Reichweite der UKW durch den optischen Horizont begrenzt ist. Sohnemann (1931), Muyskens und Kraus (1933) fanden, dass auch über den Horizont hinaus von der Strahlung erhebliche Entfernungen durch Beugung zurückgelegt werden. Dabei erfolgt ausserhalb der optischen Sicht die Abnahme der Feldstärke rascher als es der Freiraumausbreitung entspricht. Die Korrektur hierfür erfolgt durch einen Exponentialfaktor, der, wie bei den Mittel- und Langwellen, proportional der Entfernung und umgekehrt proportional der Wellenlänge ist. Über einen solchen Abschattungsfaktor für den Beugungseinfluss wurde schon im Abschnitt 4 (Poincaré, 1912; Sommerfeld, 1909, 1911, 1926; Watson, 1918; van der Pol, 1919a, b, 1920) berichtet. Eingehendere Untersuchungen der Nahausbreitung der UKW wurden 1933 von Esau u. Köhler (1933) durchgeführt. Da zwischen Sender und Empfänger Baumgruppen und Bodenerhebungen vorhanden waren, existierte keine direkte Strahlung, und es zeigten sich bei Vergrösserung der Antennenhöhe keine Interferenzerscheinungen. Ferner ergaben diese Versuche, dass bei allen Geländearten mit Ausnahme von dichtem Wald die vertikale Polarisation der horizontalen überlegen war. Mit wachsender Senderhöhe verschwindet dieser Unterschied. Bei dichtem Wald ist die horizontale Polarisation günstiger, da die Baumstämme wie ein zwischen Sender und Empfänger gestellter Gitterreflektor wirken (s. Abschn. 2). Interferenzfelder treten auch in Städten auf, wo infolge der zahlreichen Reflexionen selbst hinter abschirmenden Gebäuden und in engen Strassen noch Empfang möglich ist. Englund, Crawford u. Mumford (1936, 1938) berichten 1938, dass ein Flugzeug längs der Verbindungslinie Sender-Empfänger periodische Veränderungen der Feldstärke hervorrufen kann. 1941 wurden von Grosskopf u. Vogt (1941) solche Schwebungen auch im Kurzwellenbereich beobachtet.

Um eine bessere Annäherung der berechneten Feldstärke mit der gemessenen zu erzielen, haben schon Englund, Crawford u. Mumford (1935) versucht, die Brechung der Wellen in der Troposphäre in die Beugungsformel einzubeziehen. Ausführliche Rechnungen der troposphärischen Brechung wurden in den Jahren 1936 bis 1938 von Plendl u. Eckart (1937, 1938a, b) durchgeführt. In der Troposphäre ist der Brechungsindex im Gegensatz zur Ionosphäre reell, d.h. die Absorption kann hierbei vernachlässigt werden, und unabhängig von der Frequenz. Da seine Abweichung von 1 nicht gross ist, werden praktisch nur Strahlen gebrochen, die annähernd parallel zur Erdoberfläche verlaufen. Die dem Quadrat des Brechungsindex proportionale Dielektrizitätskonstante in einem Gasgemisch, wie es die Luft darstellt, ist proportional der Zahl der Moleküle und ihrer Polarisierbarkeit, letztere wiederum proportional dem permanenten Dipolmoment und umgekehrt proportional der absoluten Temperatur. Ihr Wert ändert sich mit der Dichte, d.h. mit dem Luftdruck. Neben den Gasbestandteilen der Luft ist auch Wasserdampf zu berücksichtigen. Er ist veränderlich mit dem Wasserdampfdruck, der dem Sättigungsdruck und der relativen Feuchte proportional ist. Durch eine geometrisch-optische Betrachtungsweise berechnen Eckart und Plendl für eine parabolische Abnahme der Dielektrizitätskonstante mit der Höhe die Strahlenbahnen. Es ergibt sich, dass der flachste Strahl weit in den geometrischen Schatten hineinreicht und der Einfluss der Brechung um so geringer wird, je steiler die Strahlen verlaufen. Von einem Winkel von 1,5° an kann die Brechung vernachlässigt werden. In einem Vertikalstrahlungsdiagramm einer Antenne treten zahlreiche Interferenzstreifen auf, die durch das Zusammenwirken der direkten und der am Erdboden reflektierten Strahlung entstehen (v. Handel u. Pfister, 1935). Eckart u. Plendl (1937) haben den Einfluss der Brechung einbezogen. Das Diagramm wird hierdurch in Richtung des geometrischen Schattens verschoben. Die von ihnen angestellten Messungen stimmten gut mit diesem Verlauf überein. Ihre Rechnungen lieferten für lineare Annäherung einen vergrösserten "fiktiven" Erdradius, mit dem dann so gerechnet werden kann, als ob keine Brechung vorhanden wäre. Für mittelfeuchte Luft ist er gleich 4/3 des Erdradius in Übereinstimmung mit älteren amerikanischen Rechnungen.

Das Auftreten ausgeprägter Schwunderscheinungen und die sie erzeugenden meteorologischen Vorgänge wurden auch von der Forschungsanstalt für Wetterdienst näher untersucht (Scholz u. Egersdörfer, 1939). Es zeigte sich, dass die Schwundamplituden bei horizontaler Polarisation viel grösser sind als bei vertikaler. Allgemein wurde festgestellt, dass die Feldstärkeschwankungen mit Störungen des Temperaturfeldes zusammenfallen. Beim Vorhandensein einer oder mehrerer Inversionen kann die Feldstärke sowohl über den Mittelwert ansteigen, als auch darunter absinken. Ob das eine oder andere eintritt, hängt von der Lage des Sende- und Empfangspunktes zu den brechenden Luftschichten ab. Englund, Crawford und Mumford haben 1938 nach dem Appletonschen Frequenzänderungsverfahren die Höhen von durch Knickstellen im Temperatur- und Wasserdampfdruckverlauf gekennzeichneten Irregularitäten der Troposphäre zwischen 2 und 3,5 km Höhe gelotet. Der Reflexionskoeffizient war sehr gering (etwa 0,00007).

Mitte der dreissiger Jahre interessierte man sich bereits für die Ausbreitung von Dezimeterwellen, da man begann, diese in der Praxis einzusetzen, z.B. im See- und Flugfunkverkehr. Marconi (1933) hatte mit l = 57 cm [lambda] Reichweiten bis zu 269 km erzielt, wobei die optische Sicht etwa 116 km betrug. Hershberger (1934) erreichte mit l = 75 cm Entfernungen bis 162 km. Trevor u. George (1935) kamen mit l = 73 cm auf Entfernungen bis zu etwa 200 km (Senderleistung 30 Watt). Um diese Grenze herum beobachteten sie grössere und lang andauernde Schwunderscheinungen. Gegenüber den Lichtwellen, die für Navigationszwecke von den Dezimeterwellen vielfach verdrängt wurden, besitzen die letzteren den Vorzug, dass Regen und Nebel ihre Ausbreitung nicht wesentlich beeinflussen. Hier macht sich eine Absorption erst in der Nähe von l = 2 cm bemerkbar. Die Anwendung der Millimeterwellen wurde nach Rechnungen von Franz aus dem Jahre 1940 als begrenzt angesehen, da hier die Schwächung im Regen und Nebel schon ganz beträchtlich ist. Ursache der Absorption sind nur Tropfen flüssigen Wassers, nicht aber Wasserdampf. An den Tropfen wird der fortschreitenden Welle Energie entzogen durch Zerstreuung in Form von Beugungswellen und durch Wärmeerzeugung im Innern des Tropfens. Aus den von Mie (1908) durchgeführten Rechnungen ergab sich, dass es für die Gesamtschwächung der Wellen in erster Näherung auf die Gesamtmenge des flüssigen Wassers ankommt, solange die Bestandteile der Wolken und Nebel klein sind gegenüber den in Frage kommenden Wellenlängen. Sonst ist die Verteilung auf die verschiedenen Tropfengrössen zu berücksichtigen.

Lehfeld (1949) hat in den Jahren 1940 bis 1945 umfangreiche Ausbreitungsmessungen auf Wellenlängen zwischen 6 m und 75 cm durchgeführt auf Strecken verschiedener Länge (50 bis 275 km) und verschieden guter optischer Sicht. Sie verliefen im Flachland, über Mittelgebirge und über See. Zentrale Empfangsstellen befanden sich auf dem Feldberg und auf Rügen. Folgende Ergebnisse seien erwähnt: Schwunderscheinungen treten immer vor Sonnenaufgang zusammenfallend mit dem Feuchtigkeitsmaximum auf. Der Schwund innerhalb der optischen Sicht trat gleichzeitig mit Überreichweiten auf, so dass gleiche Ursachen vermutet wurden. Die Wahrscheinlichkeit für Totalschwund nahm mit abnehmender Wellenlänge zu. Die überwiegende Zahl der Schwunderscheinungen kam durch Interferenz zustande und ist daher frequenz- und ortsabhängig. Gemeinsamer Empfang mit zwei Empfängern in 20 m Entfernung beseitigte den Totalschwund. Mit zunehmender Länge der Strecken nahmen die Schwunderscheinungen zu. Kurze Flachlandstrecken, bei denen der Empfänger auch knapp hinter der optischen Sicht liegen kann, waren im Mittel immer besser als lange Gebirgsstrecken mit guter optischer Sicht. Bei Berg- und Talstrecken ergaben sich immer gute Verbindungen. See- und Flachlandstrecken zeigten keine wesentlichen Unterschiede. Bei Landstrecken war kein Unterschied zwischen horizontaler und vertikaler Polarisation festzustellen. Der Empfang hinter dem Horizont nimmt mit abnehmender Wellenlänge ab. Der Pegel bei überreichweiten über Land und See wurde bisweilen in einer Grössenordnung gefunden, als ob freie Wellenausbreitung vorherrscht. Eine markante Schattengrenze fehlte in Übereinstimmung mit der Theorie von van der Pol und v. Handel und Pfister. Vergleiche der Messungen mit meteorologischen Daten lassen vermuten, dass der Wasserdampfgehalt der Luft die Ursache für die genannten Erscheinungen ist (Inversionen). Brechung oder Streuung an Nebeltröpfchen wurde in diesem Frequenzbereich in Übereinstimmung mit den Rechnungen von Franz (1940) nicht beobachtet.

10. Schlusswort

1942 waren 50 Jahre vergangen, seitdem Hertz seine Entdeckung in seinem Werk "über die Ausbreitung der elektromagnetischen Kraft" veröffentlicht hat. Die Geschichte der Weiterentwicklung dieser Entdeckung zur weltumspannenden Radiotechnik erbrachte in stürmischer Folge sehr viele neue Erkenntnisse auf dem Gebiet der Radiowellenausbreitung, über die ich in diesem Aufsatz berichtet habe. Die dabei sich ergebende Zusammenarbeit zwischen Hochfrequenztechnikern, Geophysikern und Astrophysikern hat sich als überaus fruchtbringend erwiesen. Wenn ich nun meine Übersicht über das erste halbe Jahrhundert Radiowellenausbreitung mit dem Ende des Zweiten Weltkrieges 1945 abschliesse, so möchte ich noch hinzufügen, dass diese Zusammenarbeit heute noch andauert und zu weiteren detaillierten Erkenntnissen der Ionosphäre und Wellenausbreitung führte.

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