Jeweils nur die Hälfte der Ionosphäre bis zur maximalen Elektronendichte kann sondiert werden:
bei einer Abtastung von unten her ist es die Unterseite (bottomside) der Ionosphäre; entsprechende Sonden werden als Bottomside-Sounder bezeichnet.
die Oberseite (topside) wird meist mit Topside-Soundern von Satelliten aus untersucht.
Verbreitete Modelle von Bottomside-Soundern sind die Modelle der „Digisonde“-Reihe des Zentrums für Atmosphärenforschung der University of Massachusetts Lowell[1] und die „Dynasonde“ der US-amerikanischen NOAA.
In Deutschland gibt es eine Ionosonde in Juliusruh. Sie gehört zu einem weltweiten Netz miteinander verbundener Ionosonden, welches von der University of Massachusetts Lowell geleitet wird.[2]
einem Kurzwellensender, der über einen weiten Frequenzbereich abstimmbar ist. Typischerweise beträgt die Frequenzabdeckung 0,5 bis 23 oder 1 bis 40 MHz, wobei die Frequenzdurchläufe normalerweise auf etwa 1,6 bis 12 MHz beschränkt werden
einem mitlaufenden Kurzwellenempfänger, der die Sendefrequenz automatisch verfolgen kann
Datenausgabegeräte (z. B. Bildschirme), an die eventuell Speichergeräte angeschlossen sind.
Der Sender sendet über die (Sende-)Antenne Pulse aus, der Empfänger empfängt über die (Empfangs-)Antenne reflektierteEchos und leitet sie zur Verarbeitung an das Analysesystem weiter.
Prinzip
In einem Frequenzbereich zwischen 0,1 und 30 MHz wird ein gegen die Ionosphäre gesendetes Signal zurückgebrochen und ein Echosignal reflektiert.
Mit zunehmender Frequenz wird das gesendete Signal weniger stark zurückgebrochen und dringt somit tiefer in die Ionosphäre ein, bevor es reflektiert wird:
von unten her (bottomside) vergrößert sich durch das tiefere Eindringen die Reflexionshöhe der Schicht über der Erdoberfläche,
von oben her (topside) verringert sie sich entsprechend.
Beim Überschreiten der kritischen Frequenz ist die Ionosphäre nicht mehr in der Lage, das Signal zu reflektieren. Einzelne Schichten der Ionosphäre haben jeweils eine eigene kritische Frequenz.
Eine Ionosonde sendet nach dem Echolot-Prinzip Radiopulse auf die Ionosphäre und wertet empfangene Echos aus. Die Pulse werden abhängig von der Frequenz an verschiedenen Schichten der Ionosphäre reflektiert, von unten in Höhen von 100 bis 400 Kilometern. Üblicherweise werden Reihen von Pulsen gesendet, die "Durchläufe" (englisch sweeps), wobei schrittweise der gesamte oder ein Teil des entsprechenden Kurzwellen-Frequenzbereiches durchlaufen wird. Im einfachsten Falle wird nur die Signallaufzeit gemessen, aus der die Höhe der Reflexion bestimmt werden kann. Die gemessene Höhe wird auch "virtuelle Höhe" genannt.[3]
Ein ähnliches Funktionsprinzip weisen die Ausbreitungsbaken auf, welche zur Beurteilung des Funkwetters durch die Ionosphäre verwendet werden.
Nach einem ähnlichen Prinzip arbeitet auch ein Windprofiler, der allerdings nicht die Ionosphäre, sondern Höhenwinde misst.
Anwendungen
Ionosonden können somit die Höhe und die kritische Frequenz der Ionosphärenschichten überwachen. Über verteilte Empfangsantennen können zweidimensionale Darstellungen von totalreflektierten Echos erschlossen, und über teilreflektierte Echos kann auch die Mesosphäre untersucht werden.
Ionosonden werden unter anderem benutzt, um die günstigste Betriebsfrequenz für Funkübertragungen im Kurzwellenbereich zu finden.
In Verbindung mit Ionosphärenheizern dienen sie als Diagnoseinstrumente, in Verbindung mit inkohärenten Streuradars können sie zu deren Kalibrierung genutzt werden.[4][1]
Ionogramm
Typisches Ionogramm mit foF2 von annähernd 5,4 MHz
Die Ergebnisse können in Form eines Ionogrammes angezeigt werden. Ionogramme sind zweidimensionale Graphen der Signallaufzeit der reflektierten Hochfrequenzsignale bzhw. der daraus berechneten Reflexionshöhe über der Trägerfrequenz. Für deren Auswertung gibt es seit dem Internationalen Geophysikalischen Jahr international akzeptierte Regeln.[5]
Davies, Kenneth: Ionospheric Radio (= IEE Electromagnetic Waves Series #31). Peter Peregrinus Ltd/The Institution of Electrical Engineers, London, UK 1990, ISBN 0-86341-186-X, S.93–111.
Gwyn Williams, G4FKH: Interpreting Digital Ionograms. In: RadCom. Band85, Nr.05. RSGB, Mai 2009, S.44–46.
Breit, G. and Tuve, M.A.: A Test of the Existence of the Conducting Layer. In: Physical Review. Band28, Nr.3, 1926, S.554–575, doi:10.1103/PhysRev.28.554.
Appleton, E. V.: The Timing of Wireless Echoes, the use of television and picture transmission. In: Wireless World. Nr.14, Januar 1931, S.43–44.
Quellen
↑ abM. T. Rietveld, J. W. Wright, N. Zabotin, M. L. V. Pitteway: The Tromsø dynasonde. In: Polar Science. Band2, Nr.1, März 2008, S.55–71, doi:10.1016/j.polar.2008.02.001 (englisch).
↑K. J. F. Sedgemore, P. J. S. Williams, G. O. L. Jones, J. W. Wright: A comparison of EISCAT and Dynasonde measurements of the auroral ionosphere. In: European Geosciences Union (Hrsg.): Annales Geophysicae. Band14, Nr.12. Springer-Verlag, 1996, S.1403–1412, doi:10.1007/s00585-996-1403-x (englisch, ann-geophys.net [PDF]).
