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. 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 anschaulich der Bau eines recht einfachen transistorisierten Empfängers mit Vorverstärker, Integrator und recorder-Einheit für ~ 27 khz beschrieben. Die Frequenz von 27 khz entspricht einer Wellenlänge von etwas über 11km; das liegt weit unter dem Langwellen-Rundfunkbereich, der bei einer Wellenlänge von etwa 2 km beginnt.

Realisierung - nach und nach...

Die ersten mit FETs bestückten Empfänger habe ich dann nach im Internet gefundenen Vorschlägen im Spätsommer 2004 nachgebaut und ausprobiert. Die Versuche mit den selbstgebauten Empfängern zeigten, daß für die -von den vlf-listenern gerade gewünschte- Breitbandigkeit der Empfänger mir einen Nachteil bedeutet: Denn der Anteil künstlicher Signale, insbesondere solcher, die von elektrischen Maschinen oder auch weit entfernten Stromleitungen herrühren, ist erheblich und in seiner Stärke auch laufend schwankend. So daß im Ergebnis die Aufzeichnung des Signalpegels im gesamten Bereich über 0 - 22 kHz nur wenig über den spezifischen Einfluß der solaren Strahlungsaktivität aussagt. Ein "schmalbandiger" Empfänger mußte also her.


Auf der Suche nach geeigneten Schaltungen bin ich dann auf Renato Romeros Website

 http://www.vlf.it

gestoßen - die Seite ist DIE Fundgrube für ernsthafte Beschäftigung mit dem Thema.

Nun bin ich auch noch ein analoger altmodischer 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 und setze ihn immer noch gerne als Breitband-Empfänger ein.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.

 



Ich habe mich dann daran gemacht, auf dieser Basis einen kleinen schmalbandigen Empfänger mit Niedervoltröhren und selbst gerechneten Bandfiltern zu bauen, der absolut zufriedenstellend funktioniert hat.

Aktuell besteht meine Empfangsstelle zur Registrierung von sudden ionospheric disturbances - SID - allerdings aus teils kommerziellen Komponenten:
Bei meinen gelegentlichen Besuchen bei Hartnagel-Electronic in München, Schillerstraße waren mir seit einiger Zeit in Spanien ausgemusterte „selektive Pegelmesser SPM3“ des Herstellers „Wandel & Goltermann“ aus Reutlingen ins Auge gestochen. Das sind eichbare Meßgeräte, die die Dämpfung von Übertragungsleitungen über einen Frequenzbereich von 2 – 612 khz messen sollten. Jedenfalls keine „Radios“. Es handelt sich um sehr schmalbandige (120Hz) Doppel-Superhet Geräte mit einer 2. ZF von 1,5 khz – und ohne Regelung, vielmehr mit einer vielstufig möglichen manuellen Verstärkungseinstellung zwischen +20 und -80 db, wobei der Eingang zwischen 5k und 50 Ohm Z und zwischen 0 db = 0,775 oder 0,387 oder 0,274V gewählt werden kann. Also genau das das Richtige für die Aufzeichnung des "echten" Signalpegels. Das Ganze kombiniert mit sehr guter Frequenzkonstanz und Selektivität, was bei den gelegentlich nur 100 Hz auseinanderliegenden Sendefrequenzen unabweislich notwendig ist.

Alles gute alte transistorisierte Analog-Ware in grundsolider "Wertarbeit"-Ausführung… Die Stromversorgung erfolgt über 15 eingebaute (von mir ausgetauschte) NiMH Akkus. Ein Ladegerät ist integriert.
Zwei von den Dingern habe ich gekauft und ein gut funktionierendes daraus zusammengesetzt.
Da die Eingangsempfindlichkeit des für diesen Zweck ja nicht bestimmten Geräts nicht genügt, habe ich ihm einen einfachen Vorverstärker mit OpAmp TL081 vorgesetzt, der bringt mehr als 20dB, was mehr als ausreichend für den Zweck ist.

Hier das spartanische Schaltschema:

Der Anschluß über etwa 7m RG58-Kabel mit 50 Ohm Leitungswiderstand ist unproblematisch. Der kleine Verstärker liefert bei gegebener Auslegung ca.20-fache Verstärkung und das Signal liegt mindestens 10 dB über dem, was der ECC88-Preamp gebracht hat.


Die Empfindlichkeit des Empfängers steigt, wenn R1 erhöht wird. Erforderlichenfalls läßt sich auch die Verstärkung steigern, indem der Wert von R2 verringert wird.

Allerdings wirds dann langsam kritisch, mehr sollte man aus dem IC nicht rauskitzeln, da das Ding sonst übersteuert und unerfreuliche Ergebnisse liefert.



Die hier früher vorgestellte Schaltung habe ich insoweit verbessert, als das Gerät jetzt mit "virtueller Masse" arbeitet. Die wird über die Spannungsteilerschaltung mit R4 und R5 hergestellt. So kann der Verstärker mit nur einer 12V-Batterie betrieben werden; eine 9V Batterie sollte es auch tun...
Der Stromverbrauch liegt bei 7,5mA.

Auf eine R/C Bandpaß-Filterung im Eingang habe ich verzichtet; die Trennschärfe des aufwändig beschalteten SPM-3 ist mehr als ausreichend. Das wird eventuell notwendig werden, wenn der Vorverstärker als Empfänger direkt für "natural radio" benutzt werden soll, dazu weiter unten.

 

 

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 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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Kleiner 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. Wird ein Kondensator parallel zu R3 gelegt, dann ergibt das ein sehr wirksames Tiefpaßfilter, sodaß man Unerwünschtes gut wegregeln kann. Ich habe z.B. optional 4n7 parallel gelegt, das setzt bei 500 Hz ein und riegelt fürs Ohr ab 2khz so ziemlich alles ab. Ergänzend empfiehlt es sich, eine Impedanz um 20uH vor C1 in den Eingang zu legen, das unterdrückt störende Einstreuungen von starken Rundfunk-Sendern, 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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Hier ein Bild der "Empfangsstelle":



Der Oszillograf neben dem Empfänger dient der gelegentlichen Betrachtung der Modulation des Senders. Ich kann das alte Röhrending eh nur einschalten, wenn die Sonne scheint, sonst geht der 220 V-Wandler gleich in die Knie...

Auf dem Gerät der ELV Datenlogger mit eingesetztem USB-Stick.

Die Antenne besteht aus 13 m Langdraht 2,50m über Grund.

Das bringt reichlich Signal, ohne zu überladen.







Z

um Registrieren der aktuellen Befindlichkeit der Ionosphäre zeichne damit ich den Pegel militärischer Dauer-Fernschreibsender oder von Zeitzeichen-Stationen auf, die ich mir im Bereich zwischen 18 und 40 khz aussuche.


Bei der Auswahl einer Station ist generell darauf zu achten, daß es sich
a) nicht um eine "Eintagsfliege" handelt und
b) der Abstand oder genauer gesagt die Länge des Großkreises zwischen Sender und eigener Empfangsstation mehr als 1000 km beträgt. Erst ab dieser Entfernung überwiegt der Signalbeitrag der von der Ionosphäre reflektierten Raumwelle den Anteil der Bodenwelle. Und auf die Erfassung des Zustands der Ionosphäre kommt es bei dem Spiel ja an...

So schreibe ich meistens den Signalpegel von entweder GBZ Anthorn/UK auf 19,6 khz oder den von GQD Skelton/UK auf 22,1 khz oder den von Grindavik/Island auf 37,5 khz mit. Grindavik hat Donnerstags übrigens Ruhetag...

 

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... Nachdem er mich zusätzlich mit dem Tip, mir den PCD300 von ELV anzusehen, versorgt hatte, habe ich mir so einen Bausatz kommen lassen - das Ding ist preiswert, programmierbar, speichert in einen USB-Stick - und funktionierte auf Anhieb! Allerdings - und darauf muß man zur Vermeidung von Enttäuschungen achten: der USB-Stick muß im einfachen FAT-Modus formatiert sein und es dauert nach dem Abschalten eine gewisse Zeit - so an die 20 Sekunden für ein 10 kB-file (so die Größe einer 8-Stunden-Aufzeichnung), bis der interne Speicher ausgelesen und in den Stick geschrieben ist. Ich lasse den Datenlogger alle Minute einmal den Pegel abfragen - das reicht. Die Auswertung erfolgt dann mit EXCEL; die erzeugten Grafiken werden dann mit so einem einfachen Programm wie PAINT "zurechtgemacht".

Nachtrag: Inzwischen -2017- hat der PCD 300 seinen Geist aufgegeben, mit meinen Mitteln nicht aufzuklären geschweige denn zu reparieren. Daraufhin habe ich etwas Geld in die Hand nehmen müssen und mir einen USB-Logger der Fa. Klaus Leser, Geilenkirchen besorgt. Das Ding kann 16 Kanäle simultan und hat eine sagenhafte Auflösung bis 1 uV. Perfekt! Man muß nur aufpassen, daß die Eingangsspannung nie den Wert von 2V übersteigt, aber das ist ja zu händeln.


Beispiele:

Hier die Aufzeichnung vom 27. April 2012, als eine sehr aktive Sonnenfleckengruppe für einige kräftige Strahlungsausbrüche sorgte. Registriert wurde der Pegel der Funkstelle Skelton/UK.

Man sieht sehr schön den sich innerhalb von Minuten ereignenden Anstieg der Pegel infolge stoßweiser Ionisation durch die eindringende Röntgenstrahlung, gefolgt vom langsamen Abfall durch die verzögerte Rekombination der angeregten Moleküle in den äußersten Schichten der Atmosphäre.

Aufzeichnung mit SPM3 und Vorverstärker.

Hier die Aufzeichnung des Skelton-Pegels vom 25. April 2012: Ein eher mäßiges Ereignis wie ein C3-flare steigerte den registrierten Pegel innerhalb von Minuten um immerhin 0,05V.

Der Sprung in der Aufzeichnung gegen 14:3o rührt daher, daß ich die Empfindlichkeit des Empfängers um eine Stufe heruntergeschaltet hatte.

Aufzeichnung mit SPM3 und Vorverstärker.

 

 

Als bisher einzigen Eingriff ins SPM3 habe ich eine Änderung am Ausgang vorgenommen. Und zwar habe ich die über eine integrierende R/C Kombination mit 27 u/ 5,8 k sehr knapp gehaltene Regelzeitkonstante auf 100u/20k erweitert, sodaß ich jetzt eine recht ruhige und nicht von jedem kleinen Impuls aufgestörte Aufzeichnung auslesen kann.


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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