Einfluss der Erdmagnetischen Unruhe auf den Brauchbaren Frequenzbereich im Kurzwellen-Weitverkehr am Rande der Nordlichtzone

30 Pages·1965·0.986 MB·German

by  Jih-Chen Ma (auth.)

Diese Mitteilungen setzen eine von Erich Regener begründete Reihe fort, deren Hefte
auf der vorletzten Seite genannt sind,
Bis Heft 19 wurden die Mitteilungen herausgegeben von J, Barteis und W, Dieminger.
Von Heft 20 an zeichnen W. Dieminger, A. Ehmert und G. Pfotzer als Herausgeber.
Das Max-Planck-Institut für Aeronomie vereinigt zwei Institute, das Institut für Strato
sphärenphysik und das Institut für Ionosphärenphysik.
Ein (5) oder (I) beim Titel deutet an, aus welchem Institut die Arbeit stammt.
Anschrift der beiden Institute:
3411 lindau
EINFLUSS DER ERDMAGNETISCHEN UNRUHE
AUF DEN BRAUCHBAREN FREQUENZBEREICH
IM KURZWELLEN-WEITVERKEHR
AM RANDE DER NORDLICHTZONE
von
JIH - CHEN MA *)
*) J i h - C h e n M a, Lecturer of Electrical Engineering Department, National Taiwan University, Taipei,
Taiwan, Republic of China.
Januar 1964 bis März 1965 Humboldt-Stipendiat am Max-Planck-Institut für Aeronomie, Lindau / Harz.
ISBN 978-3-540-03364-6 ISBN 978-3-662-11613-5 (eBook)
DOI10.1007/978-3-662-11613-5
- 3 -
Inhaltsverzeichnis
A. Einl ei tung ..••..•••••••.•..••••••.••••••••••••••••••••••••• Seite 5
B. Aufgabenstellung .•••• 6
c. Beobachtungsmaterial • 6
D. 1\1 e t h 0 d e •••..••.•.••.••..•.•.•••..••••.••••..••....••••.•.. 7
E. Statistische Ergebnisse •••••.••..••••••.•.•••••••••••.•••••• 9
EI. Korrelation zwischen 6 MUF 2000 und Kmax für die Station Uppsala .••••••• 9
E 2. Korrelation zwischen 6FJF und K ••••••••• 12
max
E 3. Korrelation zwischen 6_M_O_F und K max 14
E 4. Korrelation zwischen 6 LOF und Kmax 19
F. Die Ausdehnung des erdmagnetischen Einflusses auf die
kritische Frequenz entlang der Meßstrecke ••••••.••.••• 21
G. Zusammenfassung 24
.................. ........................ .
Summary •••.•• , 25
Schrifttum ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 26
- 5 - A.
A. Einleitung
Den brauchbaren Frequenzbereich im KurzweUen-Weitverkehr kann man aus den Meßwerten einer
Senkrechtlotung errechnen. Die Praxis zeigt, daß der brauchbare Frequenzbereich im allgemeinen größer
ist als die Rechnung angibt. Um zu prüfen, wie groß die Abweichungen dieser Werte sind und wann sie auf
treten, wurden Impuls-Fernübertragungen mit variabler Frequenz durchgeführt.
Bei der Bestimmung der oberen Frequenzgrenze hat man auf verschiedenen Meßstrecken von 500
bis 3000 km Länge unter ionosphärisch ruhigen Bedingungen gefunden, daß die gemessenen Werte im Mit
tel etwa 3 - 6 % [1] größer sind als die aus der Senkrechtlotung der Streckenmitte berechneten Werte.
Abweichungen von derselben Größenordnung fand H. G. MÖLLER [2] auf der 2000 km langen Meß
strecke Sodankylä - LindaU im Sommer und im Winter nur am Tage. In den Winternächten dagegen war die
höchste Übertragungsfrequenz im Mittel 30 % höher als die Berechnung aus den Senkrechtlotungswerten er
warten ließ. Für diese große Abweichung gibt es zwei Gründe:
In den Winternächten nimmt die Elektronenkonzentration in der F-S::hicht nördlich der Strecken
mitte stark zu. Zusätzlich beobachtet man sehr häufig Spread-F. Das bedeutet, daß es kleine Inhomogeni
täten in der F-Schicht gibt, an denen die Wellen gestreut werden.
Bei der Berechnung des Mittelwertes von 30 % wurde zwischen magnetisch ruhigen und gestörten
Tagen nicht unterschieden.
Es ist bekannt [3] ,daß die kritische Frequenz der F-Schicht in den mittleren Breiten mit zuneh
mender magnetischer Unruhe abnimmt. So findet z. B. G. LANGE-HESSE [4, 5] bei einer statistischen
Untersuchung von Echolotungen in mittleren Breiten, daß die mittlere Abweichung von foF2 und M3000 von
den laufenden 27 -tägigen Medianwerten bei zunehmender magnetischer Unruhe eine fallende Tendenz zeigt.
In den Winternächten ist diese Abnahme geringer. In höheren Breiten beobachtet man tags [3] ebenfalls
eine Abnahme der kritischen Frequenz der F-Schicht, nachts dagegen in den meisten Fällen eine Zunahme.
Berücksichtigt man diese nächtliche Zunahme der kritischen Frequenz im Mittelpunkt der Über
tragtmgsstrecke und berechnet daraus die höchste Übertragungsfrequenz, so stellt man fest, daß die tat
sächlich gemessene höchste Übertragungsfrequenz noch höher liegt. Es wird vermutet, daß diese zusätz
liche Differenz zwischen Rechnung und Messung ebenfalls mit der erdmagnetischen Unruhe korreliert.
Die Fernübertragungs-Registrierungen zeigen außer der oberen Frequenzgrenze auch die untere
Frequenzgrenze des brauchbaren Frequenzbereichs für die KurzwelIen-Übertragung. Die untere Frequenz
grenze ist am Tage hauptsächlich von der Absorption in der D-Schicht und in der Nacht durch Absorption
in der Nordlicht-E-Schicht bedingt. Es ist bekannt, daß die Dämpfung bei starker erdmagnetischer Unruhe
zunimmt und damit die untere Frequenzgrenze ansteigt. Durch eine statistische Auswertung der unteren
Frequenzgrenze kann man untersuchen, wie sich der Einfluß der erdmagnetischen Unruhe mit der Tages
zeit ändert.
B.,e.
- 6 -
B. Aufgabenstellung
O' /0' 20' 30'
Es soll der Zusammenhang zwi
schen dem brauchbaren Frequenzbereich 70'
einer Funklinie mit der erdmagnetischen
Unruhe untersucht werden. Als Funklinie
wird die Versuchsstrecke Sodankylä -
Lindau gewählt.
---
Diese Strecke ist besonders inter ---
essant, da der nördliche Endpunkt, Sodan
kylä, in der Polarlichtzone liegt und die ---
Ausbreitungsbedingungen auf dieser Strecke
stark durch die erdmagnetische Unruhe be
60'
einflußt werden.
Die Versuchsstrecke ist in Abb. 1
dargestellt. Die Entfernung zwischen dem
Sender in Sodunkylä und dem Empfänger in
Linduu bet.rägt 1965 km. Im Mittelpunkt
der Strecke liegt die Station Uppsala. Unge
fähr in der Mitte der nördlichen Strecken
hälfte befindet sich Lycksele, in dem süd
lichen Teil liegt Juliusruh.
10'
Abb. 1: Fernübertragungsstrecke Sodankylä
Lindau. Die gestrichelten Linien geben den Ver
lauf der Polarlichtzone
e. Beobachtungsmaterial
Als Beobachtungsmaterial steht folgendes zur Verfügung:
a) die Ionogramme von der etwa 2000 km langen Fernübertragungsstrecke Sodankylä - Lindau
vom 16. Mai 1958 bis 15. Mai 1960. (Da an den Wintertagen die höchste Übertragungsfrequen
oft höher lag als die obere Frequenzgrenze des Meßgeräts, steht nur für die Nächte eine voll
ständige Reihe von Meßwerten zur Verfügung. )
b) die dreistündlichen erdmagnetischen Kennziffern von Wingst.
c) die Senkrechtlotungsdaten von Uppsala, Lycksele und Juliusruh.
Die Abb. 2 zeigt eine Fernübertragungsregistrierung.
- 7 - D.
2FJFo
y
FJ,F o
__ J_ 1 MOF
'FJFX 1
1 3-0r0k-m r (,I' I
I" ,
~p --===-----
1,5 2,0 3,0 4.0 6,0 8,0 12,0 16,0
----I~~MHz
Abb.2: Fernübertragungsionogramm
MOF maximal observable frequency
FJFx junction frequency der F-Schicht (außerordentliche Komponente)
FJFo junction frequency der F-Schicht (ordentliche Komponente)
2FJF junction frequency der Übertragung mit 2facher Reflexion an der
x
F-Schicht (außerordentliche Komponente)
2FJF junction frequency der Übertragung mit 2facher Reflexion an der
o
F-Schicht ( ordentliche Komponente)
LOF lowest observable frequency
Die Spur zwischen MOF und FJF x ist die sogenannte nose extension. FJF ist die junction fre
quency von low und high angle ray der 1 x F-Übertragung. F JFo und F .TF x bezeichnen die junction fre
quency der ordentlichen bzw. außerordentlichen Spur, 2FJF0 und 2FJFx sind entsprechende Werte der
2 x F-Übertragung. Da die ordentliche Spur der FJF in den Nachtaufnahmen manchmal fehlte oder nicht
deutlich zu unterscheiden war, wurde in der folgenden Arbeit immer die außerordentliche Spur der FJF
ausgewertet. Die dadurch bedingte geringe Abweichung wird später diskutiert ( E. 2). Mit MOF (maximal
observable frequency) wird die höchste beobachtbare Frequenz bezeichnet. Im allgemeinen ist die MOF
identisch mit der FJF; wenn die Ionosphäre jedoch inhomogen ist, beobachtet man noch Spuren oberhalb
der F JF, welche im angelsächsischen Schrifttum nose extension genannt werden. LOF (lowest observabJ e
frequency) bezeichnet die niedrigste (absolute) Übertragungsfrequenz. Die Bezeichnung MUF (maximal
usable frequency) wird nicht mehr zur Beschreibung von Fernübertragungs -Ionogrammen benutzt [6 J ,
sondern nur noch für die höchste Übertragungsfrequenz, die aus der Senkrechtlotung in der Streckenmitte
berechnet wurde. So wird z. B. die höchste Frequenz, die für eine 2000 km lange Strecke hel'l'chnet wurde,
mit MUF 2000 bezeichnet.
D. Methode
Im Laufe der folgenden Untersuchung wird sich zeigen, daß die Werte FJF und MOF, die mit der
Fernübertragung gemessen wurden, von der MUF 200U dann besonders stark abweichen, wenn die Iono
sphäre inhomogen ist. Bei der Berechnung der MUF 2UOO aus der Senkrechtlotung wird vorausgesetzt, daß
die Größe der Elektronenkonzentration nur eine Funktion der Höhe ist und diese Größe sich in horizontaler
Richtung nicht ändert, daß also die Ionosphäre gleichförmig ist. Der berechnete Wert sollte somit die
gleichförmige Ionosphäre repräsentieren. Die Differenz MOF - MUF 2UUU r,ibt ein Maß für den Einfluß
der Inhomogenität. Bevor der Verlauf dieser Differenz mit der erdmagnetischen Unruhe untersucht wird,
muß geprüft werden, wie weit der Bezugswert MUF 2000 selbst von der erdmagnetischen Unruhe abhängig
ist.
D. - 8 -
a) Die Änderung des erdmagnetischen Feldes besteht aus drei Anteilen, nämlich der ruhigen Sq-, der
gestörten Ds- und der stürmischen Dst-Komponente. Sq ändert sich mit dem täglichen Sonnenstand
und der 27 -tägigen Variation [7] der Sonnen-Wellenkomponente, die durch die Drehung der Sonne be
einflußt wird. Ds und Dst zeigen die unruhigen Zustände und stürmischen Ereignisse der Sonne. Dieser
Einfluß auf das erdmagnetische Feld wird mit den erdmagnetischen Kennziffern K bezeichnet. Die
K-Werte zeigen nur die Differenz zwischen der unruhigen und der ruhigen Komponente. Die Sq-Kom
ponente sollte mit der ruhigen, die Ds- und Dst-Komponente mit der unruhigen Ionosphäre korreliert
sein.
Um nun den Einfluß der erdmagnetischen Unruhe auf die Ionosphäre zu untersuchen, zieht man zu
nächst diejenige Ionosphären-Komponente, die sich nach der erdmagnetischen Sq-Komponente ändert,
aus den ausgewerteten Daten heraus, indem man die 27 -tägigen laufenden Medianwerte berechnet. Die
Differenz zwischen den täglichen Werten und den Medianwerten kann man mit den K-Werten korre
lieren.
b) Die Angabe der erdmagnetischen Unruhe erfolgt in 10 Stufen: K = 0 bis 9 ( 500 y). Die Werte
werden pro Tag für acht dreistündliche Intervalle angegeben, von 00 - 03 bis 21 - 24 UT. Diese
dreistündlichen erdmagnetischen Kennziffern werden nicht direkt benutzt, sondern es wird von drei
zusammengefaßten Intervallen der maximale Wert Kmax genommen, weil dieser Wert eine etwas
bessere Korrelation ergab. Dies zeigte sich, als die kritische Freuqenz von Uppsala als Funktion
der magnetischen Unruhe untersucht wurde. Die Streuung der Werte ist vor Mitternacht klein und
nach Mitternacht größer. Gerade die Werte nach Mitternacht zeigten eine etwas kleinere Streuung,
wenn man sie nach Kmax ordnete und nicht nach dem einfachen K-Wert.
Um Kmax für eine festgelegte Zeit, z. B. für 18.00 (150 E), zu bestimmen, sucht man in dem dazuge
hörigen dreistündlichen Intervall von UT und den 2 davorliegenden Intervallen den höchsten Wert aus,
z.B. findet man aus den 3 K-Werten K = 2 (09 - 12 UT), K = 6 (12 - 15 UT) und K = 5 (15 - 18 UT)
den höchsten Wert 6, der als Kmax für die volle Stunde 18 Uhr (150 E) festgelegt wird (siehe Abb.3).
Bestimmung von Kmax
06 09 12 15 18 21 00 03 06 ur
I I I I I I I I I
6 5 I 3 I 41 2 I 51 KWingst
I I I I I
I I I I I
I I I I I
I I I I I
I I 1 I I
I I I I I
18 21 00 03 06 15°E
6I 6I 5I 4I 5I Kmax
Abb. 3 : Bestimmung von Kmax
Da die erdmagnetischen Kennziffern K von Wingst nur dreistündlich vorliegen, wurden für den Ver
gleich zwischen Fernübertragung und den K-Werten auch nur dreistündliche Werte benutzt, und zwar
wurden aus der Fernübertragung Meßwerte von 18.00,21.00,00.00,03.00 und 06.00 lSo E ver
wandt.
cl Der Einfluß der erdmagnetischen UnruhE! auf den brauchbaren Frequenzbereich der genannten
Strecke wird 1. als Funktion der Tageszeit (von 18.00 bis 06.00 Uhr) und
2. als Funktion der Jahreszeiten untersucht.
- 9 - E.
E. Statistische Ergebnisse
In der Darstellung der statistischen Untersuchung werden folgende Symbole benutzt:
a) MUF 2000 bezeichnet die laufenden 27 -tägigen Medianwerte der MUF 2000 filr eine festgelegte
Uhrzeit, z. B. 18 Uhr.
b) LOF bezeichnet gleicherweise die laufenden 27-tägigen Medianwerte der LOF für eine festgelegte
Uhrzeit.
c) 6 MUF 2000, 6FJF und 6 MOF zeigen die täglichen relativen Abweichungen der MUF 2000, FJF und
MOF von den laufenden 27-tägigen Medianwerten MUF 2000 und gleicherweise 6LOF, die täglichen
relativen Abweichungen der LOF von den laufenden 27 -tägigen Medianwerten LOF für eine festgelegte
Uhrzeit. Sie werden folgendermaßen berechnet:
6 MUF 2000 = MUF 2000 - MUF 2000
MUF 2000
FJF - MUF 2000
6FJF
MUF 2000
= MOF - MUF 2000
tlMOF
MUF 2000
LOF - L'OF
tlLOF
LOF
d) Die täglichen Werte der relativen Abweichungen tlMUF 2000, tlFJF, tlMOF und 6LOF wurden erst
nach Jahreszeiten, nämlich Winter (22. Okt. - 19. Febr. ), Äquinoktien (20. Febr. - 21. Apr. und
21. Aug. - 21. Okt. ) und Sommer ( 22. Apr. - 20. Aug. ), sortiert und dann nach Kmax -Werten von
Obis 9 eingeordnet. Aus diesen so geordneten relativen Abweichungen werden wiederum Medianwerte
gebildet. Um die Kurven zu glätten, wird nicht für jedes Kmax -Intervall ein Medianwert gebildet, son
dern es werden drei aufeinanderfolgende Kmax -Intervalle zur Bildung eines laufenden Medianwertes
zusammengefaßt (z. B. wurde aus den täglichen Abweichungen tlMUF 2000 von Kmax = 0, 1 und 2 für
18 Uhr im Winter der Medianwert der relativen Abweichungen für Kmax = 1 bestimmt, entsprechend
wurde aus den täglichen relativen Abweichungen von Kmax = I, 2 und 3 der Medianwert für Kmax = 2
bestimmt usw. ). Diese so definierten Medianwerte der relativen Abweichungen werden mit
tlMUF 2000, tlFJF, tlMOF und 6LOF bezeichnet.
EI. Korrelation zwischen tlMUF 2000 und Kmax für die Station Uppsala
Aus den Daten der Senkrechtlotung, foF2 und M 3000, der Station Uppsala wurde nach der Methode
von CRPL [ 8] die MUF 2000 berechnet, und aus diesen Werten wurde tlMUF 2000 gebildet. Abb.4 zeigt
6 MUF 2000 als Funktion von Kmax für verschiedene Tages- und Jahreszeiten. Die Medianwerte sind