Atmosphärische Störungen nennt man natürliche impulsartige und rauschartige elektromagnetische Signale im gesamten Frequenzbereich der Radiowellen, welche die Empfindlichkeit von Funkempfangsanlagen begrenzen.
Sie treten z. B. im Frequenzbereich kleiner als etwa 10 MHz als Knackgeräusche in Radioempfängern auf. Dort werden sie vor allen Dingen von Blitzentladungen als kohärente und nichtkohärente Impulse erzeugt. Bei höheren Frequenzen sind es im Wesentlichen extraterrestrische rauschartige Störungsquellen (z. B. galaktisches Rauschen). In urbanen Gebieten können elektrotechnische Geräte aller Art zu diesen Störungen beitragen.
Der russische Physiker Alexander Stepanowitsch Popow hat als Erster im Jahre 1895 mit Hilfe eines einfachen Radioempfängers (Kohärer) elektromagnetische Impulse von Blitzen registriert.
Atmospherics Der elektrische Strom in einem Blitz-Kanal mit all seinen Verzweigungen verhält sich wie eine riesige Antenne, die elektromagnetische Wellen in einem breiten Frequenzband abstrahlt. Jenseits einer Entfernung, wo Leuchterscheinungen gesichtet und Donner gehört wird (bis etwa zehn Kilometer), ist diese elektromagnetische Strahlung die einzige Quelle für eine direkte Information über die Gewitter-Aktivität. Impulsförmige elektrischen Ströme während einer Hauptentladung in einem Wolken-Erde Blitzkanal (R-Entladung) oder in einem internen Wolkenblitz (K-Entladung) sind die Hauptquelle für die Erzeugung von kohärenten impulsförmigen elektromagnetischen Signalen (englisch: spherics, auch sferics, oder atmospherics).Hans Volland (Hrsg.): CRC Handbook of Atmospherics. 2 Bände. CRC Press, Boca Raton FL 1982.Hans Volland (Hrsg.): Handbook of Atmospheric Electrodynamics. 2 Bände. CRC Press, Boca Raton, FL 1995.
Während diese Impulsform im Frequenzbereich kleiner als etwa 100 kHz dominiert, geht mit wachsender Frequenz das Signal in inkohärente Impulse über.E. A. Lewis: High frequency radio noise. In: Hans Volland (Hrsg.): CRC Handbook of Atmospherics. Band 1. CRC Press, Boca Raton, FL 1982, ISBN 0-8493-3226-5, S. 251–288.D. E. Proctor: Radio noise above 300 kHz due to Natural Causes. In: Hans Volland (Hrsg.): Handbook of Atmospheric Electrodynamics. Band 1. CRC Press, Boca Raton, FL 1995, ISBN 0-8493-8647-0, S. 311–358.
Die langwellige elektromagnetische Wellenausbreitung von spherics findet im Bereich zwischen Erdboden und ionosphärischer D-Schicht statt. Durch Blitzentladungen erzeugte Whistler können sich entlang der Kraftlinien des Erdmagnetfeldes in die Magnetosphäre ausbreiten.M. Hayakawa: Whistlers. In: Hans Volland (Hrsg.): Handbook of Atmospheric Electrodynamics. Band 2. CRC Press, Boca Raton, FL 1995, ISBN 0-8493-2520-X, S. 155–194.C. G. Park: Whistlers. In: Hans Volland (Hrsg.): CRC Handbook of Atmospherics. Band 2. CRC Press, Boca Raton, FL 1982, ISBN 0-8493-3227-3, S. 21–77. Schließlich gibt es Leuchterscheinungen in der mittleren Atmosphäre (Sprites). Es handelt sich um kurzlebige elektrische Phänomene, die vermutlich von Blitzen extrem großer Dimensionen erzeugt werden.Martin Füllekrug, Eugene A. Mareev, Michael J. Rycroft: Sprites, Elves and Intense Lightning Discharges (= NATO Science Series. Series 2: Mathematics, Physics and Chemistry. Band 224). Springer, Dordrecht 2006, ISBN 1-4020-4627-8.
Elektrischer Strom im Blitzkanal mini|250px|Figure 1. Vertikales elektrisches Feld (in V/m) als Funktion der Zeit (in μs) eines typischen Spheric-Impulses in einer Entfernung von 25 Kilometer von der Quelle. Ausgezogene Kurve: Dipol-Strahlung über einem idealen elektrisch leitenden Erdboden. Gestrichelte Kurve: Dipole-Strahlung über einem Erdboden mit endlicher Leitfähigkeit (σ = 3 × 10−3 S/m). Gepunktete Kurve: Strahlung von einem Blitzkanal in fünf Kilometer Höhe.
In einer typischen Hauptentladung zwischen Wolke und Erdboden (R-Entladung) wird negative elektrische Ladung (Elektronen) der Größenordnung von Q = 1 C, die im Blitzkanal gespeichert ist, innerhalb einer typischen Impulszeit von τ = 100 μs zum Erdboden befördert. Dies entspricht einem elektrischen Strom der Größenordnung von . Die maximale spektrale Energie wird bei der Frequenz von , oder bei einer Wellenlänge von abgestrahlt (c ist die Lichtgeschwindigkeit).G. I. Serhan, M. A. Uman, D. G. Childers, Y. T. Lin: The RF spectra of first and subsequent lightning return strokes in the 1- to 200-km range. In: Radio Science. Band 15, Nr. 6, November/December 1980, , S. 1089–1094, .
Bei einer typischen internen Wolkenentladung (K-Entladung) wird eine positive Ladung der Größenordnung C = 10 mC im oberen Ast und eine entsprechende negative Ladung im unteren Ast des Blitzkanals in einer typischen Zeit von τ = 25 μs neutralisiert. Die entsprechen Werte für elektrischen Strom, Frequenz und Wellenlänge sind J = 400 A, f = 40 kHz, und λ = 7,5 km.H. Volland: Longwave sferics propagation within the atmospheric waveguide. In: Hans Volland (Hrsg.): Handbook of Atmospheric Electrodynamics. Band 2. CRC Press, Boca Raton, FL 1995, ISBN 0-8493-2520-X, S. 65–93.
Die typische Länge eines Blitzkanals ist somit von der Größenordnung von für R-Entladungen und für K-Entladungen. Oft fließt ein kontinuierlicher Strom zwischen zwei Hauptentladungen.Martin A. Uman: The Lightning Discharge (= International Geophysics Series. Band 39). Academic Press, Orlando, Fla. u. a. 1987, ISBN 0-12-708350-2. Seine „Impuls“-Zeit variiert etwa zwischen 10 und 150 ms, sein elektrischer Strom ist etwa J =100 A. Das entspricht den Größen Q = 1 bis 20 C, f = 7 bis 100 Hz und λ = 3 bis 40 mm. Sowohl R-Entladungen wie K-Entladungen produzieren kohärente Impulse in einem Breitbandempfänger, der auf die Frequenzen 1–100 kHz abgestimmt ist. Das elektrische Feld eines solchen Impulses wächst auf ein Maximum innerhalb weniger Mikrosekunden, um dann wie ein gedämpfter Oszillator abzunehmen (Abbildung 1).Y. T. Lin, M. A. Uman, J. A. Tiller, R. D. Brantley, W. H. Beasley, E. P. Krider, C. D. Weidman: Characterization of lightning return stroke electric and magnetic fields from simultaneous two-station measurements. In: Journal of Geophysical Research. Series C: Oceans. Band 84, Nr. C10, October 1979, , S. 6307–6314, .Charles D. Weidman, E. Philip Krider: The radiation field wave forms produced by intracloud lightning discharge processes. In: Journal of Geophysical Research. Series C: Oceans. Band 84, Nr. C6, June 1979, S. 3159–3164, . Die Richtung der Feldstärke hängt davon ab, ob die Entladung positiv oder negativ ist.
Der sichtbare Teil des Kanals eines Erdblitzes hat die typische Länge von fünf Kilometern. Ein anderer Teil von vergleichbarer Länge ist in der Wolke verborgen und kann einen signifikanten horizontalen Ast besitzen. Das gilt auch für die interne K-Entladung. Ersichtlich ist die fundamentale Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen von R- und K-Entladungen um ein Vielfaches größer als die Länge des Blitzkanals. Die Physik der elektromagnetischen Wellenausbreitung innerhalb des Blitzkanals ist deshalb ein wellenoptisches Phänomen, und die strahlenoptische Lösung ist hier nicht anwendbar.
Der Kanal einer R-Entladung kann als dünner isolierter vertikaler Draht der Länge L und mit einem Durchmesser von wenigen Zentimetern betrachtet werden, in dem negative elektrische Ladung gespeichert ist. Er verhält sich in guter Näherung wie ein elektrischer Schwingkreis mit Spule, Kondensator und Widerstand. Im Kondensator ist die Ladung gespeichert. Sobald der Draht Kontakt mit der elektrisch gut leitenden Erde bekommt, wird die Ladung zur Erde abgeführt. Auf Grund der Randbedingungen am oberen Rand (verschwindender elektrischer Strom) und am unteren Rand (verschwindende elektrische Spannung) können nur stehende Resonanzwellen existieren. Der fundamentale Resonanzmode, welcher am wirksamsten elektrische Ladung zur Erde transportiert, besitzt eine Wellenlänge, die viermal so groß wie die Kanallänge ist (λ/4-Antenne). Im Falle der K-Entladung verhält sich der Kanal wie eine λ/2-Antenne.Hans Volland: Atmospheric Electrodynamics (= Physics and Chemistry in Space. Band 11). Springer, Berlin u. a. 1984, ISBN 3-540-13510-3. Natürlich gilt dieses Bild nicht mehr für die höheren Moden, da deren Wellenlängen bereits vergleichbar oder kleiner als der reale gekrümmte Kanal sind. Sie tragen zum inkohärenten Rauschen in den höheren Frequenzbereichen () bei.
Übertragungsfunktion des ionosphärischen Wellenleiters Der Blitzkanal strahlt elektromagnetische Wellen ab (Spherics). Diese können durch das elektromagnetische Fernfeld eines Hertzschen Dipols approximiert werden. In einer Spektralanalyse besitzt das elektromagnetische Feld des Signals der Abbildung 1 ein spektrales Maximum bei 4 kHz. Jenseits dieses Maximums nimmt die Spektralamplitude nahezu wie 1/f ab (Abbildung 2). mini|350px|Abbildung 2. Spektrale Amplitude der vertikalen elektrischen Feldstärke des Spherics in Abbildung 1 als Funktion der Frequenz. Der ionosphärische Wellenleiter modifiziert diese Wellenform bei ihrer Ausbreitung. Die verschiedenen Kurven gelten für verschiedene Entfernungen von der Quelle (1 Mm = 1000 km). Bis zu Entfernungen von 200 km ist die Bodenwelle dominant. Die obere Kurve in Abb. 2 zeigt, dass R-Entladungen ihre Energie vorzugsweise im ELF/VLF-Bereich (ELF = extremely low frequencies (ultralange Wellen) (); VLF = very low frequencies (Längstwellen) ()) abstrahlen. Diese Wellen werden am Erdboden sowie an der ionosphärischen D-Schicht (ca. 70 km Höhe am Tage und 90 km Höhe nachts) reflektiert. Reflexion und Dämpfung der Wellen am Erdboden hängen von Frequenz, Entfernung und Orographie ab, in der Ionosphäre außerdem von Tageszeit, Jahreszeit, geographischer Breite und Erdmagnetfeld.
VLF-Ausbreitung im ionosphärischen Wellenleiter kann durch die strahlenoptische Theorie und durch die wellenoptische Theorie beschrieben werden.James R. Wait: Wave Propagation Theory. = Lectures on Wave Propagation Theory. Pergamon Press, New York NY u. a. 1982, ISBN 0-08-026345-3.W. Harth: Theory of low frequency wave propagation. In: Hans Volland (Hrsg.): CRC Handbook of Atmospherics. Band 2. CRC Press, Boca Raton, FL 1982, ISBN 0-8493-3227-3, S. 133–202, hier S. 182. Bei Entfernungen kleiner als etwa 500 km (frequenzabhängig) ist die strahlenoptische Theorie geeignet. Bodenwelle und an der Ionosphäre einfach reflektierte Welle interferieren miteinander. Bei Entfernungen größer als etwa 500 km nehmen die an der Ionosphäre mehrfach reflektierten Wellen an Bedeutung zu. Hier wird die Anwendung der wellenoptischen Lösung notwendig. Der erste Wellenmode wird am geringsten gedämpft und spielt deshalb für Entfernungen größer als etwa 1000 km die wichtigste Rolle.
Der ionosphärische Wellenleiter ist dispersiv. Seine Ausbreitungseigenschaften werden durch eine Übertragungsfunktion beschrieben, die hauptsächlich von der Entfernung ρ und der Frequenz f abhängig ist. Im VLF-Bereich und bei Entfernungen größer als 1000 km ist nur noch der Mode Nr. 1 von Bedeutung. Die geringste Dämpfung findet bei etwa 15 kHz statt. Der ionosphärische Wellenleiter verhält sich demnach wie ein Bandpass (Abb. 2), so dass bei Entfernungen größer als etwa 5000 km das 15-kHz-Signal dominiert.