1. Einleitung
Der Erdmagnetische Dienst ist eine Einrichtung, die der Anwendung und der Wissenschaft fortlaufend Daten über die räumliche und zeitliche Struktur des erdmagnetischen Feldes liefert. Der Erdmagnetische Dienst in Norddeutschland hat in seiner hundertjahrigen Geschichte eine Anzahl Impulse aus Wissenschaft und Anwendung bekommen, die im ersten Abschnitt geschildert werden. Die stetig wiederkehrenden Aufgaben, die sich natürlich mit den Ansprüchen an den Dienst gewandelt haben, sind Gegenstand des zweiten Abschnittes.
Dieser Darstellung wurde der Vorzug vor einer Beschreibung des chronologischen Ablaufs der Geschichte gegeben, weil so vielleicht einige Zusammenhänge klarer erkennbar werden. Die Zeittafel am Schluss soll die zeitliche Einordnung des Beschriebenen erleichtern.
2. Impulse für die Tätigkeit des Erdmagnetischen Dienstes
Zwei verschiedene Impulse haben im vorigen Jahrhundert Menschen veranlasst, erdmagnetische Beobachtungen viele Jahre hindurch anzustellen: das wissenschaftliche Interesse - man denke dabei an Carl Friedrich Gauss und Johann Lamont und den Göttinger magnetischen Verein - und die Nutzanwendung des Magnetismus der Erde.
Vor 100 Jahren war die einzige bekannte Anwendung des Erdmagnetfeldes die Nutzung der magnetischen Kompassrichtung für die Navigation. So nimmt es nicht wunder, dass die in den siebziger Jahren des neunzehnten Jahrhunderts aufstrebende Handels- und Kriegsschiffahrt nach wissenschaftlichen Grundlagen für die Anwendung der Navigationsgeräte suchte. Gesteuert wurde nach dem Magnetkompass, für dessen korrekte Anwendung die geographische Verteilung der Deklination (Missweisung) und deren Säkularvariation gebraucht wurde. Angaben waren weiterhin erforderlich über die Richtkraft des Kompasses, also über die Horizontalintensität, deren Kenntnis für die Richtungsbestimmung in hohen Breiten von besonderer Bedeutung ist. Verlangt wurden ferner Angaben über die Anomalien des Magnetfeldes, da sie zu Navigationsfehlern führen können. Die zunehmende Verwendung von Eisen und Stahl im Schiffbau und die Einführung des Dynamos zur Stromerzeugung auf Schiffen liess die Frage nach der Deviation des Kompasses an Bedeutung gewinnen und damit auch der Breiten- und Zeitabhängigkeit der Deviationskoeffizienten.
Die Kaiserliche Admiralität beauftragte deshalb Carl Borgen mit dem Aufbau und der Leitung eines Marineobservatoriums in Wilhelmshaven, das Untersuchungen über Hydrographie und Meteorologie ausführen sowie den Zeitdienst und den Erdmagnetischen Dienst wahrnehmen sollte. Da Borgen aber Anfang des Jahres 1874 zu einer Forschungsreise mit dem Forschungsschiff "Gazelle" zur Kerguelen-Insel aufgebrochen war, um dort den Venus-Durchgang zu beobachten und erdmagnetische Messungen anzustellen, wurden die ersten Baulichkeiten unter der Leitung seines Vertreters Kptl. Hoffmann errichtet. Eine seiner ersten Aufgaben war es, die Baumaterialien auf Eisenfreiheit zu untersuchen. Auch bei der Deutschen Seewarte (gegründet 1868 als Norddeutsche Seewarte von Wilhelm von Freeden) arbeitete man schon vor 1938 auf erdmagnetischem Gebiet im Dienste der Schiffahrt. Es sei vor allem an die Arbeiten Georg von Neumayers erinnert. Diese Aktivität ist hier ausser Betracht geblieben, da die Seewarte bis 1938 kein erdmagnetisches Observatorium unterhielt (Deutsches Hydrographisches Institut, 1968a).
Erst im Jahr 1878 wurde der Bau des Marineobservatoriums vollendet. Für die Beobachtungen der erdmagnetischen Variationen der Deklination, Horizontalintensität und der Vertikalintensität stand ein Lamontsches System zur Verfügung, das täglich zwischen 8 und 22 Uhr zu jeder geraden Stunde visuell über Fernrohre abgelesen werden musste. Bei erdmagnetischen Stürmen wurden die Ablesungen sogar alle 5 Minuten vorgenommen, bis sich die Magnetnadeln wieder beruhigt hatten. Man sieht daran, welche Arbeitsleistung damals hinter einem Jahresmittelwert steckte: Ablesung von etwa 3000 Einzelwerten zu genau vorgeschriebenen Terminen. Die Absolutmessungen wurden mit einem Theodoliten von Carl Bamberg (später Askania-Werke) und einem Gerät von Lamont ausgeführt.
Die wissenschaftlichen Impulse und die der Anwendung haben in der Folgezeit die Arbeiten des Erdmagnetischen Dienstes gesteuert.
Das erste Internationale Polarjahr 1882/83 brachte die Einführung der fotografischen Registrierung der erdmagnetischen Variationen. Die Instrumente stammten aus England, wo bereits 1858 fotografisches Registrierpapier erfunden worden ist. Der Durchbruch auf diesem Gebiet ist allerdings erst 1882 zu verzeichnen gewesen, als das Bromsilberpapier - wieder in England - auf den Markt kam (Borgen, 1886).
Die Wilhelmshavener Geräte waren zunächst vom Astrophysikalischen Observatorium in Potsdam ausgeliehen, später übernommen worden, da man dort noch nicht die Möglichkeit hatte, mit erdmagnetischen Arbeiten zu beginnen. Das geschah erst 1889.
Die magnetischen Geräte, die bei Polarexpeditionen eingesetzt wurden, mussten vor und nach den Reisen im damals einzigen erdmagnetischen Observatorium Wilhelmshaven angeschlossen werden, das somit die Funktion einer Hauptstation hatte. Die Polarkommission unterstützte das Observatorium kräftig durch sachliche und personelle Mittel. Max Eschenhagen, der später (ab 1889) erster Observator in Potsdam war, wurde von der Polarkommission eingestellt und führte die Beobachtungen in Wilhelmshaven durch. Er machte sich um die weitere Entwicklung des Observatoriums ausserordentlich verdient. Auf Eschenhagen (1896) geht übrigens die Bezeichnung "Gamma" (g) für 10-5 Gauss zurück, die sich somit auch fast 100 Jahre gehalten hat. Für die Jahre 1882/1883 wurde von Borgen das erste erdmagnetische Jahrbuch für Wilhelmshaven mit Stundenwerten der Deklination und Horizontalintensität herausgegeben, das im wesentlichen von Eschenhagen bearbeitet worden war (Borgen, 1886).
Auf die Bedürfnisse des Erdmagnetischen Dienstes war die Entwicklung des Doppelkompasses von Friedrich Bidlingmaier (1907) zugeschnitten. Er hatte das Instrument zur Messung der Horizontalintensität auf dem Schiff während der Südpolarexpedition des Forschungsschiffes "Gauss" 1901-1903 entwickelt und ein Versuchsmodell erprobt. Zwei auf Pinnen gelagerte Kompassrosen drehen sich um eine gemeinsame vertikale Achse und stellen sich so zueinander ein, dass die Drehmomente aus der Horizontalintensität des Erdfeldes und aus der gegenseitigen Abstossung der gleichnamigen Pole der Rosen einander gleich sind. Wenn die magnetischen Momente der Rosen einander gleich sind, ist die Horizontalintensität proportional zum Kosinus des halben Spreizwinkels. Der Proportionalitätsfaktor ist abhängig vom Abstand der Rosensysteme und ihren Momenten. Die Genauigkeit des Instruments liegt zwischen 10 und 100 nT. Eine Ausführung der Askania-Werke aus den Jahren um 1930 wird heute noch auf dem sowjetischen unmagnetischen Forschungsschoner "Sarja" (Morgenröte) vorwiegend für Anschlussmessungen benutzt. Nachdem in Deutschland Fanselau u. Grotewahl (1930) einen Doppelkompass zur Messung an Bord von Schiffen eingesetzt hatten, wurde an der Deutschen Seewarte unter der Leitung von Friedrich Errulat (1949) ein Doppelkompass mit fotografischer Registrierung zum Einsatz in einer unmagnetischen Tauchkugel konstruiert. Heute werden noch Klein-Doppelkompasse zur Vermessung von Kompass-Standorten auf Schiffen hergestellt.
Das Internationale Polarjahr 1932/1933, eine neue wissenschaftliche Initiative zur Erforschung der geophysikalischen Vorgänge in polaren Gebieten, regte die erdmagnetische Tätigkeit in Wilhelmshaven wieder an, nachdem im Jahre 1919 die Absolutmessungen eingestellt und die Registrierungen unterbrochen worden sind. Die Pläne Bidlingmaiers - von 1909 bis 1912 Leiter der erdmagnetischen Abteilung des Observatoriums -, in rascher Folge die bis dahin unteröffentlichten Stundenmittel der Jahre 1896 bis 1909 herauszugeben, wurden nicht verwirklicht. Das hing einerseits mit einem kriegs- und nachkriegsbedingten Mangel an Zeit und Mitteln zusammen. Andererseits hatte sich die Stadt Wilhelmshaven ausgedehnt, was zunehmende künstliche Störungen des Erdmagnetfeldes zur Folge hatte. Man glaubte daher, den Betrieb einstellen zu müssen (Bidlingmaier, 1913). Absolutbeobachtungen und Registrierungen wurden zwar noch bis 1919 weitergeführt, jedoch nicht ausgewertet. Der grösste Teil des Beobachtungsmaterials wurde vernichtet. Diese Entwicklung ist aus der heutigen Sicht kaum zu verstehen. Es dürften deshalb neuen der Zunahme der künstlichen Störungen noch weitere Gründe dafür massgeblich gewesen sein:
- der Erste Weltkrieg mit seinen unmittelbaren Folgen, die sich in erster Linie auf den militärischen Bereich auswirkten, zu dem das Marineobservatorium zu zählen war, und
- die Personallage am Observatorium, die dazu führte, dass im entscheidenden Moment niemand da war, der die wissenschaftlichen Belange hätte vertreten können.
Später stellte sich heraus, dass die künstlichen Störungen in der Zeit um 1920 noch verhältnismässig gering waren (Becker, 1936). Man konnte sogar in den Jahren 1931 bis 1936 am alten Standort den Beobachtungsbetrieb wieder aufnehmen.
Dafür waren bereits im Jahre 1928 auf Betreiben von Kurt Hessen, der als Assistent noch mit Bidlingmaier zusammengearbeitet hatte, neue Variometer aus der Werkstatt von Gustav Schulze, Potsdam, beschafft worden. Mit diesen Variometern wird noch heute im Erdmagnetischen Observatorium Wingst registriert. Sie haben einen Grad der Stabilität erreicht, der kaum noch Wünsche offen lässt. Das ist eine Frucht der in erdmagnetischen Observatorien erwünschten und aus Mangel an Mitteln oft auch erzwungenen Konservativität.
Einer Initiative von der Anwendungsseite wiederum ist es zu verdanken, dass im Jahr 1936 Friedrich Errulat von der Deutschen Seewarte beauftragt wurde, Instrumente für erdmagnetische Messungen auf See zu entwickeln, die in Tauch und Schleppkörpern eingesetzt werden können. Es wurden der Doppelkompass, Instrumente mit rotierenden Spulen, das Magnetron und nach dem Zweiten Weltkrieg die Förstersonde benutzt (Errulat, 1948). Diese Versuche kamen zu einem gewissen Abschluss, als das Prinzip der Kernpräzessionsmessung für erdmagnetische Zwecke nutzbar gemacht worden ist. Die Protonenpräzessionsmagnetometer erlauben höhere Messgeschwindigkeiten und höhere Messgenauigkeit auf See, gestatten allerdings nur, die Totalintensität zu messen. Mit dem Protonenmagnetometer sind in neuerer Zeit vom Deutschen Hydrographischen Institut die Nordsee, die Romanche-Bruchzone im Zentralatlantik, der Island-Färöer-Rücken, der Island-Jan Mayen-Rücken und andere Gebiete im Nordatlantik magnetisch vermessen worden.
Gleichzeitig mit dem Neubeginn der Seemessungen wurde der erdmagnetische Beobachtungsdienst vom Observatorium Wilhelmshaven an die Deutsche Seewarte, Hamburg, übertragen, die 1938 das Erdmagnetische Observatorium Wingst zwischen Stade und Cuxhaven errichtete und mit den Instrumenten aus Wilhelmshaven ausrüstete. Mit dem Aufbau und der weiteren Entwicklung des Observatoriums Wingst sind die Namen Paul Meier, Friedrich Errulat und Otto Meyer eng verbunden: P. Meier war Leiter des Marineobservatoriums Wilhelmshaven von 1932 bis 1935, Errulat Leiter des Erdmagnetischen Dienstes bei der Deutschen Seewarte und beim Deutschen Hydrographischen Institut (D.H.I.) von 1937 bis 1954, O. Meyer war von 1938 bis 1954 Observator in Wingst, dann bis 1973 Leiter des Erdmagnetischen Dienstes beim D.H.I.
Nachdem Julius Bartels (1938) zur Charakterisierung der erdmagnetischen Unruhe durch solare Partikelstrahlung die dreistündliche Kennziffer K eingeführt hatte, bezog er nach dem Zweiten Weltkrieg das Observatorium Wingst in den Kreis der heute 13 Observatorien ein, deren K-Werte er für die Berechnung der planetarischen Kennziffer Kp benötigte. Ein früherer Versuch Bidlingmaiers (1913), eine Messzahl für die erdmagnetische Unruhe einzuführen, hat sich international nicht durchsetzen können. Errulat und O. Meyer gehörten nach dem Zweiten Weltkrieg mit zu den Gründern der Arbeitsgemeinschaft Ionosphäre der deutschen Geophysikalischen Institute, die den Austausch von geophysikalischen Daten für die Erkennung und Erforschung von solar-terrestrischen Beziehungen besorgt.
Zum Internationalen Geophysikalischen Jahr 1957/58 (IGJ) reifte ein Problem heran, das die Fachkollegen beschäftigte, seit Magnetogramme zwischen den Stationen Niemegk und Wingst regelmässig ausgetauscht werden (seit 1949). Bei Bay-Störungen ist das Vorzeichen des Ausschlags der Vertikalkomponente in Wingst und Niemegk umgekehrt, während die Ausschläge der horizontalen Komponenten an beiden Stationen sehr ähnlich sind. Die Ursache wurde in der Wirkung von Induktionsströmen in der Erde gesucht (Meyer, 1951). Neben anderen Gruppen untersuchte auch die erdmagnetische Gruppe des D.H.I. die Ortsabhängigkeit der Variationen in Norddeutschland. Aus Messungen mit engem Punktabstand wurde gefolgert, dass ein grosser Anteil der Induktionsströme der norddeutschen Leitfähigkeitsanomalie oberflächennahe in den jungen Sedimenten fliessen muss (Zerbst, 1962; Voppel, 1962). Auch der Magnetogramm-Austausch Niemegk-Wingst hat eine Parallele in der Geschichte: Eschenhagen (1896) machte von Potsdam aus mit Emil Stück, seinem Nachfolger in Wilhelmshaven, Simultanbeobachtungen erdmagnetischer Variationen. Da sich die Beobachtungen aber nur auf die H-Komponente bezogen haben, blieb die erwähnte Inhomogenität der Z-Variationen diesen Beobachtern verborgen.
Erstmals vom verankerten Schiff aus wurden erdmagnetische Variationen 1965 und 1969 am Schnittpunkt des magnetischen mit dem geographischen Äquator (3O° westl. Länge) gemessen. Es liessen sich Rückschlüsse auf Induktionsströme im Ozean ziehen und die Lage des äquatorialen Electrojet bestimmen. Die erdmagnetischen Arbeiten waren Teilprogramme zweier Atlantischer Expeditionen des Forschungsschiffes "Meteor", die von Brocks (1966) koordiniert wurden.
3. Wiederkehrende Aufgaben und Wandlung der Schwerpunkte im Erdmagnetischen Dienst
Dass mehrere Beobachtergenerationen sich in der erdmagnetischen Messpraxis mit den gleichen Problemen befassen müssen, liegt in der hohen geforderten und tatsächlich bisher kaum erreichten Messgenauigkeit und natürlich in der langfristigen Veränderlichkeit des natürlichen Feldes begründet.
Bereits zu Beginn der Tätigkeit in Wilhelmshaven stellte man fest, dass der Theodolit von C. Bamberg und das alte Lamontsche Gerät verschiedene Messwerte lieferten. Das Problem hatte man damals an vielen Stationen. Der Holländer van Rijckevorsel (1890) bereiste einige Observatorien in Europa, machte zum ersten Male Vergleichsmessungen und stellte dabei Differenzen zwischen den Stationsniveaus bis zu 71 nT fest. Er kam zu dem Schluss: "... I think _... that it is an absolute delusion to think that we are in possession of absolute instruments." Dieser Satz hat seine Gültigkeit bis in die heutige Zeit. Dass das Problem an Aktualität noch kaum verloren hat, zeigt das Bestehen einer Arbeitsgruppe der Internationalen Assoziation für Geomagnetismus und Aeronomie (IAGA) für "Comparison of Magnetic Standards".
Bidlingmaier (1911, 1913) konnte für die Jahresgänge der Basiswerte der Horizontalvariometer keine stichhaltige Erklärung finden. Deshalb versuchte Becker (1936) die Ursache dafür aufzuspüren. Das gelang nicht, weil die neu aufgestellten Variometer eine zu starke elastische Nachwirkung zeigten, die alle anderen Effekte überdeckte. Erst 1954 konnte O. Meyer zeigen, dass die Luftfeuchtigkeit einen wesentlichen Einfluss auf Quarz-Horizontal-Magnetometer auf auf fast alle Typen von klassischen Variometern hat (Meyer u. Voppel, 1959).
Eine Aufgabe, die in regelmässigen Abständen von erdmagnetischen Observatorien zu lösen ist, ist die Landesvermessung, die dazu dient, die geographische Verteilung der erdmagnetischen Elemente und ihrer Säkularvariationen zu ermitteln. Die Notwendigkeit einer solchen Vermessung ist naturgemäss den Geldgebern nicht leicht klarzumachen. Das geht aus einer Schilderung von Eschenhagen (1890) hervor, der 1887/88 an 40 Punkten in Norddeutschland messen wollte:
"Die Notwendigkeit mit einer neuen Landesaufnahme in dieser Weise zu beginnen, wurde seitens des Kaiserlichen Marine-Observatoriums zu Wilhelmshaven, der zur Zeit einzigen erdmagnetischen Station in Deutschland, welche mit registrierenden Variometern ausgerüstet ist, in einer Eingabe an die vorgesetzte Behörde, das Hydrographische Amt der Admiralität zu Berlin, dargelegt, in dem besonders hervorgehoben wurde, in welcher Weise bereits benachbarte Nationen Neuvermessungen begonnen haben. Nach Befürwortung des Antrags seitens des Herrn Chefs des Hydrographischen Amtes, Konteradmiral Paschen, wurden im Juli 1888 _... die Mittel _... bereitgestellt."
Der Appell an die Pflichten einer grossen Nation hatte hier offenbar genützt.
An der Preussischen Landesaufnahme um 1901 (Schmidt, 1914) war wiederum Eschenhagen von Potsdam aus beteiligt. 1934/35 wurde die erste Reichsvermessung von Bock, Burmeister u. Errulat (1948, 1956) durchgeführt. Die Erkenntnis von Eschenhagen (1890), dass bei der Vermessung eines Gebietes von der Grösse Deutschlands ein Observatorium für die Reduktion der Zeitvariationen zu wenig ist, hat mit dazu beigetragen, dass die Registrierungen in Wilhelmshaven über die Dauer des Polarjahres 1932/33 hinaus weitergeführt wurden. In der Bundesrepublik Deutschland ist von den Observatorien Fürstenfeldbruck und Wingst aus 1964/65 an Säkularpunkten gemessen worden. Die Säkularvariation von 1935 bis 1965 kann man in guter Näherung für ein Gebiet wie Nordwestdeutschland durch eine lineare Funktion in den Koordinaten darstellen. Betrachtet man die Abweichung der Messwerte von diesem Normalfeld für die Totalintensität, so stellt man eine Streuung der Werte mit einer mittleren Abweichung von 31 nT fest. Da heute die Totalintensität das Element ist, das durch den Einsatz der Protonenmagnetometer die geringsten instrumenteilen Fehler aufweist, muss man den grössten Teil der Streuung auf Fehler der Messungen von 1935 zurückführen, als noch der Erdinduktor das Standardinstrument für die Bestimmung der Inklination und damit der Vertikalintensität war. Erst wenn die Messungen für zwei aufeinanderfolgende Epochen vergleichbar hohe Genauigkeiten aufweisen, lassen sich Schlüsse auf regionale Unterschiede der Säkularvariationen ziehen. Da liegt eine der Zukunftsaufgaben für die erdmagnetischen Observatorien.
Obwohl die Säkularvariation weitere Kenntnisse über das Erdinnere zu vermitteln verspricht, wenn die Verbesserung der Messgenauigkeit sowohl an Observatorien als auch an Feldstationen wirksam geworden ist, haben sich die Schwerpunkte der erdmagnetischen Forschung ohne Zweifel in den 100 Jahren seit Bestehen des Erdmagnetischen Dienstes in Norddeutschland zu den Phänomenen der schnelleren Änderungen verschoben. Dementsprechend hat sich die Funktion der Observatorien gewandelt. Die Observatorien sind Basisstation zur Vermessung von Variationsanomalien, sie geben regelmässig Werte zur solaren Wellen- und Partikelstrahlung, ihre Messungen werden zur Vorhersage der Güte des Funkverkehrs herangezogen. Die klassische Aufgabe des Erdmagnetischen Dienstes in Norddeutschland, nämlich der Schiffahrt die notwendigen Informationen über das erdmagnetische Feld zu liefern, darf daneben allerdings nicht vernachlässigt werden, da trotz weiter Verbreitung des Kreiselkompasses nach wie vor alle Schiffe verpflichtet sind, einen Magnetkompass als Ersatzsystem mitzuführen. Eine sichere Vorhersage der Säkularvariation ist nur möglich, wenn die erdmagnetischen Observatorien kontinuierlich weiterarbeiten und ihre Werte vollständig und schnell veröffentlichen können.
4. Schlussbetrachtung
Bedürfnisse der Anwendung haben den Erdmagnetischen Dienst in Norddeutschland ins Leben gerufen. Die Wissenschaft hat wesentlich dazu beigetragen, dass er nach Rückschlägen wieder leistungsfähig wurde. Die wechselvolle Geschichte des Erdmagnetischen Dienstes in Norddeutschland bietet demjenigen reichhaltiges Material, der in der Geschichte nicht nur Information, sondern auch Entscheidungshilfe für die Gegenwart und Zukunft sucht.
Herrn Prof. Walter Hörn vom Deutschen Hydrographischen Institut danke ich für wertvolle Hinweise.
Zeittafel zur Geschichte des Erdmagnetischen Dienstes in Norddeutschland
1874 Gründung und Beginn des Aufbaus des Marineobservatoriums
Wilhelmshaven
1878 Fertigstellung und Beginn der regelmässigen erdmagneti-
schen Beobachtungen
1882 Beginn der fotografischen Registrierungen
1882 - 1895 Bericht in Jahrbüchern
1910 - 1911 Bericht in Jahrbüchern
1912 (1. Halbjahr) Kurzbericht
1912 Ende der Bearbeitung der magnetischen Beobachtungen
1919 - 1930 Unterbrechung der erdmagnetischen Tätigkeit am
Marineobservatorium
1931 - 1936 Wiederaufnahme der erdmagnetischen Beobachtungen in
Wilhelmshaven
1931 - 1932 Bericht in Jahrbüchern
1936 Übernahme der erdmagnetischen Aufgaben des
Marineobservatoriums durch die Deutsche Seewarte Hamburg;
Entwicklung von Instrumenten für magnetische
Seemessungen
1938 Aufnahme der Beobachtungen im Erdmagnetischen
Observatorium Wingst
1939 - 1942 Kurzberichte über Beobachtungen in Wingst
ab 1943 Veröffentlichung der Ergebnisse in Jahrbüchern
1946 Übernahme des Erdmagnetischen Dienstes durch das Deutsche
Hydrographische Institut
ab 1952 Veröffentlichung der täglichen Magnetogramme in
Magnetogrammheften
Quellen: Becker (1936), Meier (1937), Deutsche Seewarte (1937 - 1939), Deutsches Hydrographisches Institut (1946 - 1973, 1968a).
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