Die Ausbreitung und der Weg der Radiowellen. Von Dipl.-Ing. E. Gendriess, Kiel. GENDRIESS, Die Ausbreitung und der Weg der Radiowellen. Durch seine weltberühmten Versuche hat Heinrich Hertz den Nachweis erbracht, daß die elektrischen Wellen den Lichtwellen wesensgleich sind. Sie lassen sich also genau wie die Lichtstrahlen beugen und reflektieren und pflanzen sich auch geradlinig in den Raum fort. Solange man in der Funkentelegraphie nur auf kurzen Entfernungen arbeiten konnte, war man mit diesem Beweis zufriedengestellt. Aber als die Reichweite der Sender immer größer wurde und funkentelegraphische Zeichen sogar um die halbe Erde herumgeschickt werden konnten, tauchte auf einmal die Frage auf, wie es möglich wäre, daß die sich geradlinig ausbreitenden Radiowellen um die Erdkugel herumgekrümmt werden. Es zeigte sich bei der Bearbeitung dieses Problems, daß sich die Ausbreitung der elektrischen Wellen mathematisch außerordentlich schwer verfolgen und sich vor allen Dingen so gut wie gar nicht kontrollieren läßt. Man war lediglich auf Beobachtungsmaterial angewiesen, nach dem man empirisch Annäherungsformeln aufstellte, im übrigen aber gezwungen, Mutmaßungen Raum zu geben. Infolgedessen gibt es augenblicklich noch keine begründete Erklärung. Dafür liegen aber von Seiten verschiedener Forscher und Gelehrten eine ganze Reihe von Erklärungsversuchen vor. Wenn es auch nur Annahmen sind, die sich samt und sonders auf Beobachtungen stützen, so ist doch wenigstens der Zweck erreicht, daß die Radiotechnik die notwendige Arbeitsgrundlage hat. Die Ansicht des kürzlich verstorbenen Physikers Heaviside ist wohl diejenige, die am weitesten verbreitet und auch am leichtesten verständlich ist. Heaviside nimmt an, daß sich rings um die Erdkugel herum in einer Höhe von etwa 100 bis 200 km eine leitende elektrische Schicht befindet, die die Erde vollständig umhüllt. Sendet die Antenne einer Funkenstation elektrische Wellen aus, so pflanzen sich diese nach allen Richtungen geradlinig in die Atmosphäre hinein fort. Trifft dann ein Wellenstrahl auf jene Schicht, die „Heaviside-Schicht“ genannt wird, so erfolgt an dieser eine Reflexion des Strahls, der damit seinen Weg wieder zur Erde nehmen muß. Nun kannman aber annehmen, daß auch die Erdoberfläche mehr oder weniger leitend ist. Dies bedeutet, daß die an der Erdoberfläche auftreffenden Wellen von dieser abermals zurückgespiegelt werden, zur. Schicht gelangen, dort wieder reflektiert werden und so fort (Bild 1). Auf diese Weise werden alle Wellen in dem durch die Erde und die Heaviside-Schicht gebildeten Hohlraum um die Erdkugel herum geleitet. Die leitende Schicht ist nicht als feststehend anzusehen; sie liegt am Tage infolge des Einflusses der Ionisation durch die Sonnenstrahlen tiefer als in der Nacht. Auch elektrisch geladene Luftschichten sind nicht ohne Wirkung auf ihre jeweilige Lage. Textabbildung Bd. 340, S. 155 Abb. 1. Die Ausbreitung der Radiowellen nach Heaviside. Den Astrophysiker T. I. See haben zwei Beobachtungen zu einem anderen Erklärungsversuch veranlaßt. Auf Grund der einen Beobachtung, daß man nämlich funkentelegraphische Zeichen und auch Rundfunkdarbietungen in tiefen Schächten im Erdinnern abgehört hat, nimmt er an, daß sich die Radiowellen nicht allein durch die Luft, sondern auch durch die Erde, also tatsächlich nach allen Richtungen geradlinig ausbreiten. Er behauptet weiter, daß die durch die Erde gehenden Strahlen durch den Erdwiderstand verzögert werden, und beweist diese Erscheinung mit der zweiten Beobachtung: Man hat bei Messungen der Geschwindigkeit der elektrischen Wellen in zwei Versuchen, die zeitlich und örtlich voneinander getrennt waren und zwischen amerikanischen und mitteleuropäischen Stationen stattfanden, festgestellt, daß sie um 10 bis 15 v. H. kleiner als die Lichtgeschwindigkeit ist. Die durch die Erde gegangenen Strahlen nehmen nun nach der Ansicht I. See's beim Austritt aus der Erde bei B (Bild 2) ihren Weg nicht geradlinig nach C, sondern werden nach D gebrochen, wie es stets der Fall ist, wenn ein Wellenstrahl von einem Mittel in ein zweites mit anderer Dielektrizitätskonstante übergeht. Infolge der Verzögerung in der Erde ist der zu der Kugelwelle gehörende Teil, der sich durch die Luft ausgebreitet hat, vorgeeilt, so daß die Wellenfront deformiert ist. Mit dem Punkt A ist nicht C, sondern B zeitgleich. Die Front ist so zurückgebogen, daß sie im Austrittspunkte B senkrecht zur Austrittsrichtung B–D, steht. Damit läuft jede Welle an der Erdoberfläche in der für den Empfang günstigsten Stellung entlang und folgt auf diese Weise der Erdkrümmung. Hat sie den Antipodenpunkt erreicht, dann überkräuselt sie sich und bricht zusammen, genau so wie bei Wasserwellen am flachen Strande, wo die Spitze der Welle gegenüber der Basis eine größere Geschwindigkeit hat, die Form der Welle sich dabei ändert und jene bekannte Erscheinung der Brandung mit den überstürzenden Wellen hervorgerufen wird. Textabbildung Bd. 340, S. 156 Abb. 2. Die Ausbreitung der Radiowellen nach T. I. See. Als der Rundfunkdienst der Telephoniesender, die mit ungedämpften Wellen von 200 bis 2000 m Wellenlängt arbeiten, aufgenommen und Amateuren die Erlaubnis, Sendeversuche mit kurzen Wellen anzustellen, erteilt wurde, machte man auf einmal Beobachtungen, die die bisherigen Anschauungen über die Ausbreitung der elektrischen Wellen gewaltig erschütterten. Beispielsweise machte man bezüglich der Reichweite die Erfahrung, daß die Empfangsintensität nicht mehr der bis dahin gültigen Formel I = 1/r folgt, also nicht mehr umgekehrt proportional der Entfernung ist, sondern daß sie bei mittleren Entfernungen schwankt, ganz und gar oder auch nur zeitweilig aussetzt und bei größeren Entfernungen wieder konstant und meistens sogar noch stärker ist, als sich nach vorstehender Formel errechnen läßt. Ferner zeigte sich beim Arbeiten mit kurzen Wellen, daß die günstigsten Sende- und Empfangsergebnisse nur dann erzielt werden können, wenn die Luftleitergebilde eine bestimmte Form und Stellung zur Erde aufweisen und anders als bisher erregt werden. Während man schon vorher trotz der überaus klaren Anschauung über die Heaviside-Schicht Ursachen und Gründe für so manche Erscheinungen nicht angeben konnte, traten jetzt noch mehr Rätsel hinzu, so daß nunmehr das Vorhandensein einer reflektierenden Schicht angezweifelt wurde. Ein neuerdings von A. Meißner aufgestellter Erklärungsversuch beweist, daß sich in der Tat die Ausbreitung der Radiowellen ohne die Heaviside-Schicht darstellen läßt. Die Arbeiten des Münchener Professors Sommerfeld, der sich als einer der ersten mit demProblem der Strahlungsausbreitung beschäftigt hat, liegen dieser Erklärung zugrunde. Nach seiner Ansicht sind die Verhältnisse beim Aussenden elektrischer Wellen die gleichen wie bei Erdbeben. Hier breiten sich vom Erdbebenzentrum nach allen Richtungen schwingungsartige Erschütterungen aus, die man Raumwellen nennt. In der Folge stellen sich Erschütterungen ein, die an der Erdoberfläche entlanglaufen und die gleichen Stoßmaxima aufweisen. Diese Erschütterungen heißen Oberflächenwellen. In den Aufzeichnungen der Seismographen sind die beiden Wellenarten gut zu unterscheiden, weil sie verschiedene Schwingungszahlen haben. Man nimmt nun an, daß bei der Ausstrahlung elektrischer Wellen ebenfalls Raum- und Oberflächenwellen vorhanden sind. Es ist Sommerfeld sogar gelungen, die Existenz von Oberflächen-Radiowellen mathematisch nachzuweisen, allerdings unter der vereinfachenden Annahme, daß die Erde eine große Ebene ist. Die Hypothese Sommerfelds hat Meißner folgendermaßen weiter ausgebaut. Das Aussenden von Oberflächenwellen oder von Raumwellen ist durch die Art, wie die strahlende Antenne erregt ist, bestimmt. Schwingt sie in 14 Wellenlänge – das ist der Fall, wenn auf langen Wellen gearbeitet wird – dann breiten sich die elektrischen Wellen als Oberflächenwellen aus. Denn da die Hauptstrahlungsrichtung so erregter Antennen vornehmlich parallel zur Erdoberfläche ist, müssen auch die ausgesandten Wellen dieser Richtung folgen. Sie pflanzen sich längs der Trennungsfläche Erde-Luft fort und stehen, wenn man sich die eine Hälfte einer Welle durch die Luft gehend, die andere durch die Erde gehend denkt, mit ihren Füßen gewissermaßen immer auf dem Erdboden (Bild 3). Erleidet die eine Wellenhälfte Energieverluste, so sorgt die andere sofort für einen Ausgleich der Verhältnisse, mit anderen Worten, die Erdoberfläche liegt stets in der Mitte der Welle, die Oberflächenwellen folgen also der Erdkrümmung. Textabbildung Bd. 340, S. 156 Abb. 3. Oberflächenwellen. Raumwellen werden ausgestrahlt, wenn eine Antenne in einer ganzen Wellenlänge schwingt. Bei diesen Antennen ist nämlich die Hauptstrahlungsrichtung eine andere; sie liegt in einem Winkel von etwa 30°, von der Erdoberfläche gerechnet (Bild 4). Infolgedessen sind die ausgesandten Wellen gezwungen, ihren Weg durch die Luft zu nehmen. Bei ihnen greifen keine Kraftlinien zur Erde über (Bild 5), sie sind damit den Erdeinflüssen nicht unterworfen. Die Frage ist aber noch offen, wie diese Raumwellen um die Erdkugel herum kommen. Rechnet man mit einer nur etwas höheren Dielektrizitätskonstante, wie sie die Luft hat, so ist eine Beugung der Raumstrahlen durch das Dielektrikum zu erklären. Nach anderen Berechnungen würde auch bereits der Wasserdampfgehalt der Luft zu einer Beugung ausreichen. Vielleicht wirkt beides zusammen. Ausgeschlossen sind diese Annahmen nicht, kann man doch in der Optik ganz ähnliche Erscheinungen beobachten, z.B. sind dafür die Refraktionen, Luftspiegelungen, Sehen auf große Entfernungen (über 700 km) usw. zu nennen. Die Verteilung der beiden Strahlenarten auf die einzelnen Wellenlängen ist folgendermaßen zu denken: Reine Oberflächenstrahlung ist bei den ganz langen Wellen von 8 bis 20 km vorhanden. Reine Raumstrahlung tritt auf beim Arbeiten mit Wellenlängen, die kleiner als 50 m sind. Im Zwischenbereich von 50 bis 8000 m werden beide Wellenarten ausgestrahlt und zwar um so mehr Raumwellen, je kürzer die Wellenlänge ist. Entsprechend ist auch die Verteilung der Sende-Energie anzusehen. Auf die Oberflächenwellen wirken energieverzehrend hauptsächlich die Bodenverhältnisse ein, doch sind auch atmosphärische Einflüsse und am Tage die Absorptionen durch die ionisierten Luftschichten wohl zu verspüren, aber um so weniger, je länger die benutzte Welle ist. Textabbildung Bd. 340, S. 157 Abb. 4. Die Strahlung einer Kurzwellen-Antenne. Die Empfangsintensität nimmt mit großer Gleichmäßigkeit langsam mit der Entfernung ab, so daß man leicht schon im voraus berechnen kann, welche Reichweiten sich bei einer bestimmten Sendeleistung erzielen lassen. Arbeitet man mit ganz kurzen Wellen, so ist die Reichweite am Tage äußerst gering, in der Nacht dagegen erstaunlich groß. Das ist auf Grund der Anschauung, daß hier nur Raumwellen ausgesendet werden, leicht zu erklären. Am Tage ist nämlich die Energie dieser durch die Luft gehenden elektrischen Wellen in den Ionenschichten der Atmosphäre sehr schnell absorbiert. Textabbildung Bd. 340, S. 157 Abb. 5. Raumwellen. In der Nacht, wo alle Einflüsse durch die Sonnenstrahlen verschwunden sind, erleiden die Raumwellen auf ihrem Wege so gut wie keine Energie-Einbuße. Da auch die Erde keine Wirkung ausübt, können sie sich also fast ungehindert bis in die fernsten Gegenden ausbreiten. Ein besonderes Kapitel bilden die Ergebnisse beim Empfang auf Wellenlängen des Zwischenbereichs, namentlich auf Wellenlängen von 50 bis 2000 m. Die Reichweite ist hier am Tage nicht groß; in der Nacht sind aber in den verschiedenen Entfernungen vom Sender merkwürdige Empfangserscheinungen zu beobachten. Bei kleinen und ebenso auch bei ganz großen Entfernungen ist sehr gut abzuhören. Die Empfangsintensität istvon gleichbleibender Stärke. Bei mittleren Entfernungen dagegen stellen sich Schwankungen in der Lautstärke ein (Fading-Effekt), die einen regelrechten Empfang wenn auch nicht ganz unmöglich machen, so doch mindestens sehr erschweren und stören. In manchen Gegenden setzt der Empfang sogar vollständig aus (stille Zonen). Auch diese Erscheinungen lassen sich alle durch die Theorie der Ausbreitung von Oberflächen- und Raumwellen erklären. Wie schon vorher auseinandergesetzt ist, werden beim Arbeiten auf 50 bis 2000-m-Wellen beide Strahlenarten gleichzeitig ausgesendet. Die Reichweite ist am Tage deshalb so gering, weil die Energie der Raumwellen in den ionisierten Luftschichten schnellstens absorbiert und der andere Teil der Sende-Energie, der in den Oberflächenwellen steckt, ebenfalls durch Ionisation und dazu noch durch die Bodeneinflüsse rasch aufgezehrt wird. In der Nacht sind die Ausbreitungsverhältnisse ganz anders. Hier pflanzen sich Oberflächen- und Raumwellen zunächst ungehindert fort. Auf kurzen Entfernungen ist denn auch ein guter Empfang zu verzeichnen. Im weiteren Verlaufe der Ausbreitung haben beide Wellen, die doch voneinander getrennte Wege nehmen – die Oberflächenwellen auf der Trennlinie Erde-Luft, die Raumwellen durch die Atmosphäre – auf ihren Wegen verschiedene lokale Hindernisse usw. zu überwinden jede Wellenart ist damit anderen Absorptionen unterworfen und kann auch an solchen Stellen unter Umständen in ihrem Vordringen aufgehalten werden. Dies bedeutet, daß sich die Phasen der beiden Wellen dann gegeneinander verschieben und dadurch Additionen und Auslöschungen der Amplituden auftreten. Es bilden sich also Interferenzen aus, die als die Ursache der Schwankungen der Empfangsintensität anzusehen sind. Da die Oberflächenwellen wegen der Absorptionen im Erdboden einer ständigen Energieverminderung ausgesetzt sind, werden auch ihre Amplituden immer kleiner und kleiner. Sind sie genau so groß wie die der Raumwellen geworden, so ist die Empfangsintensität bei Phasenverschiebungen von annähernd 180° an jenen Stellen Null, d.h. es ist dort kein Empfang möglich. Bei hoch größer werdender Entfernung treten wieder die Schwankungen in der Lautstärke auf, weil nunmehr die Energie der Raumwellen überwiegt, bis schließlich bei sehr großen Entfernungen die Energie der Oberflächenwellen völlig absorbiert und nur noch die Raumstrahlung übriggeblieben ist. Die Empfangsintensität wird dabei wieder konstant. Bei reiner Strahlung sind demnach Lautstärkeschwankungen wegen der Unmöglichkeit, daß sich Interferenzen ausbilden, nicht zu erwarten. Das deckt sich auch mit den Erfahrungen in der Praxis, wo man beim Empfangen auf sehr langen Wellen (reine Oberflächenstrahlung) und ebenso auf ganz kurzen Wellen (reine Raumstrahlung) gleichfalls einen Fading-Effekt nicht beobachtet hat. Wie man sieht, lassen sich die verschiedenen Empfangserscheinungen durch die Anschauung, daß sich die elektrischen Wellen als Oberflächen- und Raumwellen ausbreiten, sehr gut erklären. Auffallend ist, daß manche Beobachtungen, die man beim Arbeiten auf den einzelnen Wellenlängen gemacht hat, geradezu für die Wahrscheinlichkeit dieser Ansicht sprechen. Da aber auch die Heaviside-Schicht noch von vielen Seiten angeführt wird, muß also die Zukunft entscheiden, welche Erklärung die richtige ist.