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 2n2 Kondensator über R3 stellt ein sehr wirksames Tiefpaßfilter dar, das ab 2 khz so ziemlich alles abriegelt, was sonst noch so reinwill...





In der Folgezeit habe ich dann einige Veränderungen ausprobiert, einige sind im folgenden Exkurs "
natural radio" beschrieben.

 

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.





************************************************************************************************************************************************************************************************************************************
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

 
******************************************************************************************************************************************************************************************************************************************

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.









 



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.




*******************************************************************************************************************************************************************************************************

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

**************************************************************************************************************************************************************************




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...


Zurück