Sonnen-Beobachtung
mittels
Längstwellen-Empfang
Wie
kommt man bloß auf sowas?
Vom
schlechten Wetter im Jahr 2004 und den damit einhergehenden miesen
Beobachtungsbedingungen zunehmend frustriert, erinnerte ich einen
Artikel, der Ende der sechziger Jahre in dem damals von mir
abonnierten „Sky
& Telescope“ erschienen
war und in dem der Bau eines "Radios" zum Empfang von
Längstwellen beschrieben wurde.
Deren
Ausbreitungsbedingungen sind ja eng an den Zustand der Ionosphäre
geknüpft, sodaß solare Röntgen-Strahlungsausbrüche
sich in typischen Pegeländerungen des natürlichen
(Blitzentladungen) oder künstlichen (militärische
Navigations- oder Funkfernschreibsender) Signals zeigen und
aufzeichnen lassen. Derlei Phänomene werden als SIDs
(Sudden
Ionospheric
Disturbances)
bezeichnet.
Wieso gibt es überhaupt diese
"Längstwellensender"?
Der Krieg sei der "Vater
aller Dinge" lehrt
uns Heraklit, man mag füglich über die Richtigkeit des
Satzes streiten, in dem
Fall
hat er seine Berechtigung: Alle seefahrenden und mit Unterseebooten
ausgerüsteten Nationen betreiben aufwändige
Längstwellensender, die auf Frequenzen zwischen 16 und 30 khz
arbeiten. Und zwar aus dem Grund, als diese extrem langen Funkwellen
bis etwa 30m tief ins Meerwasser eindringen und dort empfangen werden
können. Kürzere Wellen können das nicht und werden an
der Wasseroberfläche bereits absorbiert. Die Längstwellen
ermöglichen also den Kontakt zu getauchten Unterseebooten.
Da
ich die Hefte nicht weggeschmissen habe, fand ich im April-Heft 69
auf der „Observers page“ den erinnerten Beitrag
„observing
solar flares by radio“,
S.254ff. In dem Beitrag wird der Bau eines einfachen
Transistorempfängers mit Vorverstärker, Integrator und
Aufzeichnung für 27 khz beschrieben. Das entspricht einer
Wellenlänge von 11 km, weit unterhalb der bekannten
Rundfunkbänder, die bei etwa 2 km Wellenlänge enden.
Realisierung
- nach und nach...
Aktuellere
Schaltungen für derartige Empfänger habe ich im Internet
gefunden und dann erstmals im Spätsommer 2004 nachgebaut und
ausprobiert. Es handelt sich im Grunde genommen immer um die
Variation eines Schaltungsprinzips Stichwort:
"BBB4" mit
einem extrem hochohmigen und hochempfindlichen FET im Eingang, einem
nachgeschalteten Tiefpaß und einem verstärkenden
Integrationsglied. Allerdings sind diese Empfänger sehr
breitbandig, der Signalpegel einzelner Längstwellensender läßt
sich mit sowas nicht aufzeichnen. Ein schmalbandiger Empfänger
mußte her. Die gibt es zwar als spezielle
"Kommunikationsempfänger" für Funkamateure und
Radio-Enthusiasten. Aber auch die taugen nicht. Gerade weil sie
"Kommunikationsempfänger" sind und jede in einer
Aussendung enthaltene Information aus einem noch so schwachen Signal
herauskitzeln sollen, sind diese Geräte mit einer automatischen
Verstärkungsanpassung "AGC" ausgestattet. Wenn es um
das Aufzeichnen der reinen Signalstärke eines Senders und ihrer
Schwankungen geht, verfälscht eine derartige automatische
Regelung jedoch das Ergebnis...
Allerdings
gibt es derartige Geräte, zwar nicht als "Radio",
sondern als Meßgerät.
Es sind sogenannte
"selektive Pegelmeßgeräte" und ich konnte bei
Hartnagel in München, damals Schillerstraße, bei Insidern
als "Schillikon valley" bekannt und geschätzt, zwei
Pegelmeßgeräte "SPM3"
von
Wandel und Goltermann auftreiben - und dann: aus zwei beschädigten
mach eins...
Es handelt sich um kommerzielle Analoggeräte
aus den 70ern, voll transistorisiert in übersichtlichen
Baugruppen, aufwändig verarbeitet, beste Wertarbeit "made
in Germany" seligen Angedenkens. Diese Geräte messen im
Bereich von 2khz bis 600 khz mit einer sehr schmalen Band"breite"
von 120 Hz und sind in der Eingangsempfindlichkeit von -80dB bis
+20dB in elf 10 dB-Stufen schaltbar, an unterschiedliche
Eingangswiderstände anzupassen, also genau das Richtige.
Hier
ein Bild von dem Gerät, das außer am Netz -bei mir ja
nicht vorhanden- auch an internem 18V-Akku stundenlang betrieben
werden kann. Ich habe eine Modifikation vorgenommen, nämlich den
Ausgang des Anzeigevestärkers parallel zum Anzeigeinstrument an
die Gehäusefront gelegt, sodaß ich dort die Werte
abgreifen und aufzeichnen kann. Dazu weiter unten.
Indessen
ist die Eingangsempfindlichkeit des SPM3 nicht hinreichend, um direkt
an eine Antenne angeschlossen brauchbare Ergebnisse zu liefern. Als
Antenne habe ich 13 Meter Langdraht frei über Grund in 3m Höhe
gespannt.
Also
habe ich dem Gerät einen kleinen selbstgebauten Vorverstärker
mit Operationsverstärker TL081 spendiert, rechts das
spartanische Schaltbild:
Der
Anschluß über etwa 7m RG58-Kabel mit 50 Ohm
Leitungswiderstand ist unproblematisch. Das Verhältnis R3/R2
bestimmt die Verstärkung, sie liegt hier bei 40fach. Gerechnet
ergibt sich daraus eine Verstärkung von +32,4 dBm.
Real
gemessen habe ich +33dBm. Schön, wenn Theorie und Praxis
gelegentlich übereinstimmen...
Der schaltbare
Kondensator über R3 stellt ein sehr wirksames Tiefpaßfilter
dar, das ab 2 khz so ziemlich alles abriegelt, was sonst noch so
reinwill…
Jüngst
habe ich dem Gerät direkt am Eingang ein weiteres Tiefpaßfilter
zugefügt, das ist die Kombination L1/C6. Die Grenzfrequenz liegt
so bei um 100 kHz. Der Tiefpaß reduziert zwar etwas die
Empfindlichkeit, blockiert aber das abendliche Eindringen starker
Mittelwellensender.
Interessant
erscheint mir das Ergebnis eines Vergleichs, wie verschiedene
Operationsverstärker sich insbesondere im extrem niedrigen
Frequenzbereich verhalten. Dort sind die Pegeldifferenzen sehr
gering. Hier ein Spektrum, das den Bereich von 0 - 90Hz zeigt,
jeweils unter gleichen Bedingungen mit drei verschiedenen
Operationsverstärkern binnen 20 Minuten hintereinander erzeugt:
Einmal der in der Originalschaltung verwendete TL081, dann ein
OP27 und schließlich ein OP07 und dann nochmal der TL081:
Ich
sehe das danach so:
Der TL081 ist ein gut einsetzbarer
allrounder. Daß im linken Abschnitt das russische ZEVS-Signal
auf 83 Hz sichtbar ist und im rechten Vergleichsbild nicht, hat mit
dem OP-Typ nichts zu tun, der Sender wurde während der Aufnahme
abgeschaltet...
Der
OP27 ist Statik-empfindlich, was dazu führt, daß die
Signale unter 50Hz verwaschen sind.
Der
OP07 ist im Bereich <10Hz etwas empfindlicher als der TL081, ohne
auf Statik derart empfindlich anzusprechen wir der OP27. Jedenfalls
bringt er die Schumann-Resonanz bei 7,9 Hz ausgeprägter als der
TL081.
Dennoch arbeitet bei mir der TL081, da
der entschieden gutmütiger auf starke Signale
reagiert.
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Exkurs:
Nun
bin ich allerdings auch noch ein altmodischer analoger Mensch und
hatte an einem auf Renato Romeros Website von zwei italienischen
Funkamateuren vorgestellten VLF-Röhrenempfänger
einen
Narren gefressen- zumal ich mit Röhren groß geworden bin.
Der arbeitet mit einer NF-Doppeltriode
ECC 82,
die schon mit 12V Anodenspannung "funktioniert" - obschon
sie lt. Datenblatt zwischen 100 und 200 V Anodenspannung benötigt.
Die unzeitgemäßen Röhren haben neben den
Nachteilen, daß sie nicht so klein und vielseitig sind wie
Transistoren oder gar ICs - und Heizstrom fressen, auch einige nicht
zu unterschätzende Vorteile:
Die Dinger sind vor allem
robust - gegen Überladung, Statik und Verpolung unempfindlich.
Außerdem arbeiten sie bei richtiger Dimensionierung sauber
linear. Die Dimensionierung läßt sich leicht rechnen...
Verpolung passiert bei der Bastelei gelegentlich, 
ein
IC ist schnell gegrillt. Und jede Niederschlagsfront mit Schneefall
bringt hier jede Menge statische Aufladung, die Halbleiter-Elemente
schnell überfordert oder ruiniert. Von Gewittern gar nicht zu
reden...
Hier das Schaltbild,
Urheber: Giuseppe "Pino" Accardi IW 0 BZD und Alan Scremin,
Quelle: www.vlf.it
Diesen
Röhren-vlf-rx habe ich nachgebaut. Er hat ganz vorzügliche
Eigenschaften, insbesondere ist er unempfindlich gegen große
Eingangssignale und Intermodulationserscheinungen. Mit ihm beobachte
ich die ganze Vielfalt des "natural radio": sferics,
tweeks, whistler... Dazu verbinde ich den Ausgang des Geräts mit
dem Eingang der soundkarte meines notebooks und schaue mir das
Panorama mit dem freien Programm "Spectrum Lab" an.
Der
Stromverbrauch hält sich mit 140 mA -fast ausschließlich
für die Heizung- sehr in Grenzen.
Nachtrag:
Ich bin dieser Tage -im
Dezember 2020- nochmal auf den kleinen Röhrenempfänger
zurückgekommen und habe mir den sorgfältig neu aufgebaut.
Und dann habe ich zunächst diverse Doppeltrioden (ECC81,83, 85)
getestet. Das Ergebnis war, daß die besten Ergebnisse mit der
ECC82 erzielt werden. Und daß es innerhalb dieses Röhrentyps
-zumal unter den höchst ungewöhnlichen Betriebsbedingungen
mit 12V Anode- eine durchaus breite Streuung in den Resultaten gibt;
ich konnte 4 Exemplare aus meiner
Sammlung ausprobieren. Nach dieser Selektion ergab sich im besonders
anspruchsvollen ELF-Bereich mit "bester Röhre"
Folgendes:
Links
die Aufzeichnung mit dem Röhrengerät.
Rechts
diejenige mit dem Operationsverstärker.
Bei
beiden Aufzeichnungen sind die Schumann-Resonanzen zu erkennen; bis
zur 5., ansatzweise auch bis zur 6. Harmonischen. Weiter sind die
60Hertz-Spur und auch die Marke des 16,8 Hertz Bahnstrom zu
erkennen.
Allerdings ist das Spektrum mit dem
Röhrenempfänger weniger verrauscht als dasjenige des
Op-Amps, auch wenn der eine höhere Verstärkung abliefert.
Wenn ich die reduzierte, war die Röhre dem Op-Amp an
differenzierter Auflösung immer noch überlegen.
Exkurs Ende
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Die
Aufzeichnungen
erledigte
der Ausgangsvorschlag in „sky & telescope“ von 4/69
mit einem kleinen Papier-Streifenschreiber; sowas gibts heute
garnicht mehr.
Das habe ich dann aber doch recht elegant
lösen können: Astronomen-Kollege und Amateurfunker Günter
Runtsch, dem ich meinen Kummer klagte, fragte mich daraufhin: "Warum
nehmen Sie keinen Datenlogger?" Ehrlich gestanden wußte
ich bis dahin garnicht, was das ist...
Daraufhin habe ich
schließlich etwas Geld in die Hand nehmen müssen und mir
einen USB-Logger der Fa. Klaus Leser, Geilenkirchen besorgt. Das Ding
kann bis 16 Kanäle simultan und hat eine sagenhafte Auflösung
bis 5uV. Sehr viel weniger sollten es nicht sein, das Gerät ist
perfekt! Man muß nur aufpassen, daß die Eingangsspannung
nie den Wert von 2V übersteigt, aber das ist ja zu händeln.
Der Datenlogger zeichnet im standby Betrieb stunden- bis tagelang auf
und läßt die Ergebnisse im .csv Format auslesen, sodaß
es von jedem Tabellenkalkulationsprogramm gerechnet und aufbereitet
werden kann. Ich lasse den Pegel alle 10 Sekunden abfragen, das hat
sich als ausreichend erwiesen und produziert keine allzu großen
Datenfiles.
Und wie sieht das dann aus? Zum Beispiel
so:
Der
Graph zeigt die von zwei starken Röntgenflares durch stoßweise
Ionisierung der Hochatmosphäre erfolgte
Änderung der
Übertragungsbedingungen:
Schneller Anstieg des
Pegels, jeweils gefolgt von relativ langsamem Rückgang. Die
ionisierten Moleküle benötigen Zeit, um zu
rekombinieren.
Die Unterbrechung gegen 9:40 hat ihre
Ursache in kurzer Unterbrechung am Empfänger.
style="position: absolute"
Der
Empfänger kann auch
schwache SIDs zuverlässig registrieren; hier ein Beispiel für
ein SID der schwächsten C-Kategorie.Inzwischen rechne ich die
Angaben auf der Y-Achse in dBm um, das erleichtert den Vergleich mit
den Aufzeichnungen anderer Beobachter.
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Noch
ein Exkurs: Mit dem
Vorverstärker läßt sich auch sehr gut "natural
radio" empfangen.
Ein Kopfhörer ist an den Ausgang ebenso fix angeschlossen wie
der soundkarten-Eingang vom PC. Dann hört und sieht man
atmosphärisches Knistern, Pfeifen und Rumoren. Hier ein paar
Beispiele, was man zu sehen bekommt, wenn man die Signale mit einem
der als freeware erhältlichen NF-Spektrum-Analyser betrachtet.
Bei mir arbeitet dafür das vorzügliche Programm
"SpectrumLab":
Das
Bild links
zeigt eine Serie von sog.
Whistlern, hervorgerufen durch Gewitterentladungen auf der
gegenüberliegenden Seite des Planeten, in meinem Fall also über
der Java-See und Indonesien.
Die freigesetzten Ladungen
"spiralen" sich am irdischen Magnetfeld bis zu mir ins
Oberallgäu und lassen ihre harmonisch-melancholischen
"Bremsgeräusche" hörbar werden.
Diese
Aufzeichnung bildet
den sehr niederfrequenten Teil des Elektrischen Feldes von 0 bis 90Hz
ab. Sie ist hoch aufgelöst, dafür "langsam":
Zwischen jedem vertikalen Teilstrich liegen 5 Minuten. Es gibt einige
bemerkenswerte Details:
Zunächst die im oberen
Bereich gelegene Linie bei einer Frequenz von 83 Hz. Das ist das
Signal des russischen ZEVS, eines Kommunikationssystems mit
getauchten Unterseebooten. Die außerordentlich niedrigen
Frequenzen können ins Meerwasser bis zu einer Tiefe von 30m
eindringen. Der Längstwellensender steht in der Nähe von
Murmansk, von den hunderten Kilowatt in das gigantische
Antennensystem eingespeister Leistung werden effektiv nur wenige Watt
abgestrahlt. Das reicht rund um den Planeten - und bis ins
Oberallgäu...
Die
unregelmäßige Linie darunter rührt von einem kleinen
Ventilatormotor in meinem Häuschen.
In der Mitte die
50-Hz Marke des Stromnetzes. Auch wenn ich nicht dran angeschlossen
bin und sich die nächste Leitung in einigen 100m Entfernung
befindet, ist die Marke allgegenwärtig.
Schließlich
sind die übereinandergestaffelten breiten Linien im unteren
Bereich interessant. Dabei handelt es sich um natürliche
Signale: Es ist die sogenannte Schumann-Resonanz mit der
Originalfrequenz von 7,9 Hz mit ihren harmonischen. Sie ist das
Ergebnis einer Resonanz dauernder elektrischer Entladungen durch
Gewitter mit der Erdkugel. Die Frequenz wird durch die geometrischen
Eigenschaften des Globus bestimmt.
Ende
Exkurs
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Zum
Abschluß: man
kanns nicht oft genug wiederholen... Ich hatte einige Wochen lang
Probleme mit Signalschwankungen, Frequenzdrift und sogar
Lage-Empfindlichkeit des SPM-3. Also das Teil aufgeschraubt und
mißgelaunt alle Baugruppen-Verbindungen überprüft,
gemessen. Was wars? Natürlich eine kalte Lötstelle am VFO,
den ich mal aus- und wieder eingebaut hatte. Die hatte ich, weil ja
Lötstelle und daher wackel-unverdächtig, zuletzt auf der
Rechnung...
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