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Auf Bitte einer meiner Schwestern versuche ich hier eine allgemeinverständliche Darstellung der Ionosphäre:

 

Die Ionosphäre

heißt das Buch meines Vaters Prof. Dr. Karl Rawer, das er 1953 schrieb. Es ist heute Standardwerk für alle Physiker, die sich mit der Ionosphäre beschäftigen.

 

Ionen sind elektrisch geladene Teilchen, Teile von Molekülen oder Atomen. Die Lufthülle der Erde (78% Stickstoff, 21% Sauerstoff, ~1% Edelgase) wird nach oben (=außen) immer dünner. Bis ca. 5 km ist sie für den Menschen ohne Sauerstoff erträglich, nur Extremsportler gelangen bis 8000 m ohne ihn. Düsenflugzeuge (ohne Raketenantrieb) fliegen heute um 20km hoch, der Weltrekord liegt derzeit bei ca. 30 km.  

Die Sonne schickt kontinuierlich hochenergetische Strahlung nach allen Seiten aus, also auch zur Erde. Die Lufthülle ist der Schutzschild, der uns Lebewesen vor dieser tödlichen Strahlung schützt. Allerdings werden durch diese Sonnenstrahlung (Teilchenstrahlung = Korpuskularstrahlung und elektromagnetische Strahlung = Ultraviolette- und Röntgenstrahlung) die Moleküle der Äußeren Luftschichten (80 km und höher) zerschlagen. Zumindest werden Elektronen abgetrennt, übrig bleiben positiv geladene Reste (Teilchen), die Ionen.  

Die Moleküle in der Luft, Sauerstoff (O2) und Stickstoff (NO3), haben auch als Restteilchen unterschiedliche Gewichte und sammeln sich damit vorzugsweise in unterschiedlichen Höhen an. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Schichten der Ionosphäre. (s. Grafik) Oft werden einzelne Elektronen aus der Verbindung herausgeschlagen, die dann freie Elektronen sind und dem Magnetfeld folgen und zwischen den Polen pendeln (Dort können sie Nordlichter erzeugen, s.u.).

 

Die Ionen - in der Ionosphäre sind dann positiv geladen (s.o,, die schwereren Teilchen O2+ und NO+) bilden die tieferen Schichten: O2+ die F-Region, O+ und H+ die Topside (s. Grafik rechts).

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Die Schichten der Ionosphäre

Schichten

Die Ionosphäre spiegelt Radiowellen Spiegeln
Karl Rawer und die Ionosphäre K.Rawer
frühe Raketenstarts zur Erforschung der Ionosphäre Raketen
Sir Roy Piggott und Karl Rawer Piggott

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Auf der sonnenabgewandten Seite (Nachtseite) beginnt die Ionosphärenschicht (F-Schicht) deutlich höher, ca. 400 km (s. links)

 

Die Erde hat ein recht starkes Magnetfeld (Magnetnadeln können bekanntlich überall die Pole anzeigen). Dadurch werden die Ionen der "Ionosphäre" und vor allem die freien Elektronen abgelenkt. Aus dem Physikunterricht weiß man, elektrische Ladungen fliegen auf kreisförmigen Bahnen um die Feldlinien herum, in diesem Falle eher korkenzieherartig. Das führt dazu, dass sie mit großer Geschwindigkeit von Pol zu Pol pendeln.

Da die Feldlinien am Pol enden, bringen die Ionen dort vorhandene Moleküle der Atmosphäre oft zum Leuchten (Nordlichter). Auf der Sonnenseite der Erde bewirkt die Sonnenstrahlung diese Aufspaltung der Moleküle bis auf ca. 80 km herab. 

Die freien Elektronen und die Ionen, die den Magnetlinien der Erde folgen, bilden den Van Allen Gürtel, der wie ein Kringel die Erde umgibt. (s. Wikipedia)

 

Je stärker die Strahlung von der Sonne ist, desto stärker reicht die betroffene Schicht nach unten, auf die Erde zu. Die Sonne strahlt nicht gleichmäßig, es gibt einen 12-jährigen Sonnenfleckenzyklus. Dazu kommen aber noch Ausbrüche auf der Sonnenoberfläche (Protuberanzen), die eine härtere Strahlung aussenden. Die Sonnenflecken, die man mit optischen Mitteln sehen kann, sind die Zentren von solchen Unregelmäßigkeiten. Was da genau auf der Sonne bewirkt wird, wird noch immer erforscht.

 

Rein theoretisch wäre auch denkbar, dass ein besonders heftiger Ausbruch auf der Sonne die Erdatmosphäre einmal wegbläst. Das wäre in Kürze das Ende allen Lebens, denn die gefährliche Sonnenstrahlung könnte dann ungebremst in die Körper der Lebewesen eindringen und auch dort Moleküle aufspalten, zerreißen, zerstören. Das tut sie auch heute kontinuierlich, aber die Lebewesen haben gelernt, diese gefährlichen (Krebs-)Zellen zu vernichten, solange ein bestimmtes Maß nicht überschritten wird. (Wir sind dauernd Neutronenstrahlung, geringer radioaktiver und elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt. Die gehen durch uns hindurch und erzeugen "kaputte" Zellen, die von der körpereigenen Abwehr ausgeschieden werden.)

 

Ohne Ionosphäre wäre Leben auf der Erde nicht möglich.

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Die Schichten der Ionosphäre

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Die Ionosphäre spiegelt Radiowellen Spiegeln
Karl Rawer und die Ionosphäre K.Rawer
frühe Raketenstarts zur Erforschung der Ionosphäre Raketen
Sir Roy Piggott und Karl Rawer Piggott

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Die Ionosphäre spiegelt Radiowellen

Von unten (der Erdoberfläche) aus betrachtet, wirkt die Ionosphäre wie eine (unsichtbare) Wolkendecke. Sie ist allerdings nur von Elektromagnetischen Wellen im "normalen" Wellenbereich (Langwellen, Mittelwellen, Kurzwellen) sichtbar. Ultrakurze Wellen (UKW) gehen durch sie hindurch. Die normalen Wellen werden daran gespiegelt (Vergleichbar mit Laserlicht an tiefen Wolkendecken). Nachts verschwinden sowohl die D- als auch die E-Schicht vollständig, sodass nur die höhere F-Schicht als Spiegel wirkt. (Nachts kann man weiter entfernte Radiosender hören als tagsüber.)

 

Man kann also z.B. Radiosendungen nicht nur dort empfangen, wo man Sichtverbindung zum Sender hat, sondern auch überall dort, wo die gespiegelten Radiowellen hingelangen (mit einer Höhe von ca. 80 km und der Erdkrümmung kann man den möglichen Radius errechnen. Diese "erste" Spiegelung reicht aber bei Weitem nicht um die Erde. Es kann auch vorkommen, dass die Wellen mehrfach reflektiert werden (zwischen Erdoberfläche und Ionosphäre hin und her). Man spricht dann von Überreichweiten. Diese treten aber nur bei bestimmten Situationen auf (bei denen auch verstärkt Nordlichter auftreten).

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Die Schichten der Ionosphäre

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Die Ionosphäre spiegelt Radiowellen Spiegeln
Karl Rawer und die Ionosphäre K.Rawer
frühe Raketenstarts zur Erforschung der Ionosphäre Raketen
Sir Roy Piggott und Karl Rawer Piggott

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Karl Rawer und die Ionosphäre

 

Während des 2. Weltkrieges war es für Deutschland wichtig, Schiffe per Funk (Kurzwelle) auch vor Amerika, sogar im Pazifik zu erreichen und natürlich auch Sendungen von dort zu empfangen. Es war die oberste Aufgabe meines Vaters, als er bei der Luftwaffenerprobungsstelle in Rechlin 1939 angesellt wurde, eine regelmäßige Vorhersage für die Kurzwellenausbreitung zu machen. Das Problem hatte er theoretisch schon in seiner Doktorarbeit gelöst und musste dies nun in die Praxis umsetzen. Am Ende hat er Formeln und anwendbare Tabellen für diese Vorhersage entwickelt, die noch heute benutzt werden (Daher wird er auch der "Pabst der Ionosphäre" genannt). Allerdings ist mit der Ausbreitung des UKW-Funks das Interesse an der Ionosphäre geschwunden. Heute benutzen nur noch Amateurfunker und Spione die Kurzwelle. UKW-Wellen werden heute von Satelliten "gespiegelt".

 

Nach dem Krieg zeigten vor allem die Franzosen - die ja während der deutschen Besatzung kaum wissenschaftlich arbeiten konnten, schon gar nicht auf solch einem militärisch wichtigen Gebiet - großes Interesse daran, ihn und seine Mitarbeiter in ihre Dienste zu nehmen. Auch Amerika wurde auf ihn aufmerksam, kam aber nur wenige Stunden zu spät (siehe "Meine Kinder umkreisen die Erde", Herderverlag, Freiburg). Er schlug sich 1946 in die französische Besatzungszone durch.

 

Dort konnte er im Auftrag der französischen Marine ein Institut im requirierten Schloss in Neuershausen bei Freiburg aufbauen, was er ca. 10 Jahre lang betrieb (SPIM, vgl. Karl Rawer bei Wikipedia, von ihm selbst bearbeitet). 

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Die Schichten der Ionosphäre

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Karl Rawer und die Ionosphäre K.Rawer
frühe Raketenstarts zur Erforschung der Ionosphäre Raketen
Sir Roy Piggott und Karl Rawer Piggott

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Erste Raketenstarts

 

In diese Zeit fielen die ersten Raketenstarts der Franzosen in der Sahara (Hamaguir). Die Franzosen hatten wie alle Siegermächte deutsche Techniker und Ingenieure angeheuert, die die Ergebnisse von Peenemünde weiterentwickeln sollten. Vater erzählte, die Bedienungsmannschaften bei den Raketenstarts waren überwiegend deutsch, man sprach dort auch meist Deutsch.

 

Dem Chef der militärischen französischen Forschung unterstand auch die Raketenforschung. Mein Vater erfuhr so von einem Raketenversuch, der nur Ballast transportieren sollte. Er bot sich an, einen sinnvollen "Ballast" in die Raketenspitze zu bauen: Ein Empfangsgerät, das kontinuierlich die Radiowellen durchsuchte und die Intensität auf Film aufnahm. Das war schon während des Krieges ein übliches Verfahren gewesen (der Empfangsteil der Ionosonde). Besonders die nordafrikanischen Radiosender in den dortigen Kolonien konnten als Vergleich herangezogen werden, da deren Feldstärke am Boden in Hamaguir bekannt war.

 

Der Start war ein voller Erfolg, die Raketenspitze mit dem belichteten Film wurde aber erst ein Jahr später von einer Militärstreife gefunden. Zum ersten mal hatte man in der Ionosphäre gemessen, bis dahin waren nur Ionosphärenmessungen vom Boden aus möglich. Das war der Durchbruch für viele weitere Starts mit den Franzosen in der Sahara, später auch in Kourou in französisch Guayana, das heute europäischer Weltraumbahnhof ist.

 

Nach 10 Jahren wurde Karl Rawers Institut an deutsche Stellen übergeben.Eer baute in Breisach eine neue Ionosphärenstation auf. Parallel dazu unterhielt er in Freiburg eine Arbeitsgruppe für physikalische Weltraumforschung, aus der heute das Frauenhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) entstanden ist.

 

(aus: Ionogram Interpretation and Reduction).

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Die Ionosphäre spiegelt Radiowellen Spiegeln
Karl Rawer und die Ionosphäre K.Rawer
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Sir Roy Piggott und Karl Rawer Piggott

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Zusammenarbeit mit Roy Piggott

 

Karl Rawer wurde als Physiker nach dem Kriege von alliierten Stellen vernommen. Sein Vernehmungsoffizier war der britische Ionosphärenforscher Roy Piggott. Karl Rawer erzählte aber, von "Vernehmung" habe er nicht viel gemerkt, es sei eher ein Gedankenaustausch gewesen. Die beiden hatten auch später immer wieder miteinander zu tun und daraus wurde mit der Zeit Freundschaft. So konnte er auch Roy bitten, seine englischsprachigen Veröffentlichungen zu korrigieren. Das tat der auch, aber da er auch ein sehr penibler und genauer Mensch war, hat er die Artikel völlig umgemodelt, sodass sie ordentliches Englisch waren.

 

Ein Husarenstückchen hatte sich Roy Piggott schon kurz nach Kriegende geleistet: Er hatte seine Befehle der alliierten Kommission, so interpretiert, dass er die Forschungsgruppe um Walter Dieminger, der Karls Vorgesetzter in Rechlin gewesen war, in den britischen Sektor transportieren lies, weil er mit ihr mit seiner eigenen Gruppe in Slough zusammenarbeiten wollte. Er bekam deshalb einen strengen Verweis, nachdem ihm ein Kriegsgerichtsverfahren angedroht worden war. Aus dieser Gruppe wurde das Max-Planck-institut für Sonnensystemforschung.

 

Schon nach den ersten Vernehmungen bekundete Yves Rocard als Mitglied der alliierten Kommission sein Interesse an der Übernahme von Karl Rawers Gruppe. Dies gelang ihm auch: Vater war in Rottenburg an der Laaber bei seinem Onkel, der dort Pfarrer war, samt Familie untergekommen. Obwohl in amerikanischer Besatzungszone, zeigten diese erst einmal kein Interesse an ihm. Er stand wohl auf einer langen Liste von Gesuchten, man wurde aber eher zufällig auf ihn aufmerksam. Die Sekretärin des amerikanischen Ortskommandanten, einem Leutnant, machte Vater telefonisch an einem Wochenende darauf aufmerksam, dass man am Montag ihn besuchen wollte. Vater machte sich spontan illegal auf den Weg in die französische Zone.

 

Mit Roy Piggott war Karl Rawer in vielen wissenschaftlichen Vereinigungen zusammen: beide waren Mitglieder der URSI und dort in führenden Positionen. Sie organisierte darüber auch das internationale Geophysikalische Jahr 1957/58. Sie schrieben 1961 zusammen das URSI-Handbuch der Interpretation und Vereinfachung von Ionogrammen (URSI Handbook 

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Quelle: Wikipedia: Ionosphäre (bearbeitet von Karl Rawer)

Das Buch "meine Kinder umkreisen die Erde" von Karl Rawer ist leider vergriffen.

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