1. Einleitung

Es war ein weiter Weg von den ersten Beobachtungen eines luftelektrischen Feldes durch Lemonnier (1752) bis zur Hypothese von Wilson (1920) vom globalen Stromkreis und von der Bedeutung der Gewitter als Generatoren. Diese Anschauungen konnten sich nur durch die Ergebnisse von Messungen in der freien Atmosphäre entwickeln. Alle Anstrengungen, die Bodenmesswerte zu deuten, führten zu keinen Erfolgen.

Der Stand der Erkenntnisse etwa ums Jahr 1800 war: es existiert bei Schönwetter ein von oben zum Erdboden gerichtetes Feld der Stärke um 100 V/m mit einer grossen Streuung. Bei Niederschlag kommen beide Feldrichtungen und wesentlich höhere Werte vor, die ihr Maximum bei Gewitter haben. Schon sehr früh wurde ein Tagesgang und ein Jahresgang der luftelektrischen Feldstärke am Boden entdeckt, was die Hypothesen zur Erklärung des luftelektrischen Feldes stark befruchtete.

Bereits ums Jahr 1800 versuchte Volta, eine Ursache für die Luftelektrizität anzugeben. Er meinte, verdunstendes Wasser verlasse den Erdboden mit positiver Ladung und lasse die Erdoberfläche negativ geladen zurück. W. Thomson, der spätere Lord Kelvin, welcher als erster den atmosphärisch-elektrischen Zustand als elektrisches Feld erkennt, lässt es mangels Messwerten aus der freien Atmosphäre offen, ob die elektrischen Kraftlinien von der negativen Erdoberfläche nach aussen ins Unendliche gehen oder auf positiven Ladungen in der Erdatmosphäre endigen. Im ersteren Falle würde die Feldstärke nur sehr wenig mit der Höhe abnehmen, nämlich nur etwa um 1/30 bei einer Erhebung von 100 km. Die zweite Annahme kommt der damals noch unbekannten Wirklichkeit schon nahe, allerdings ohne eine zutreffende Erklärung darzustellen.

Am Ende des neunzehnten Jahrhunderts herrschte die Meinung, dass die Erde aus unbekanntem Grund eine negative Ladung erhalten hat. Exner (1887) bemüht sich, die zeitlichen Variationen des luftelektrischen Feldes zu erklären, indem er annimmt, dass das verdunstende Wasser einen Teil der negativen Erdladung mitnimmt, wodurch das Bodenfeld geschwächt und so zeitlich geändert wird. Als dann im selben Jahr Linns (1887) die Leitfähigkeit der Luft nachweist - eine Erscheinung, die schon Coulomb (1785) entdeckt hatte, die aber in Vergessenheit geraten war -, waren einige Hypothesen, welche mit einem rein statischen Felde gerechnet hatten, nicht mehr haltbar. Während Elster und Geitel (1899) die Luftleitfähigkeit mit Luftionen in Verbindung bringen, versuchen Ebert u. Lutz (1908), die positive Raumladung in der Luft und deren Aufrechterhaltung durch die unterschiedlichen Beweglichkeiten positiver und negativer Kleinionen zu erklären: Beim Austritt der Ionen aus Bodenporen durch Exhalation sollen mehr negative als positive Ionen am Boden hängen bleiben. Die positiven Ionen in der Überzahl in Luft schaffen das beobachtete Feld immer von neuem, halten es so aufrecht. Hier wird zum ersten Male ein Generator eingeführt, welcher bei starken Aufwinden in Schauern und Gewittern sogar die hohen Feldstärken erzeugen sollte. Diese Hypothese wird aber von Simpson u. Scrase (1937) scharf angegriffen.

Während diese und andere Hypothesen verteidigt und verworfen wurden, wuchs der dringende Wunsch nach Untersuchungen in höheren Regionen der freien Atmosphäre. Bergbegeisterte Forscher erklommen mit Rucksack und elektrostatischen Messgeräten, meist Blättchen- oder Fadenelektrometer, hohe Berge. Lemonnier (1752) soll bereits 1752 bei der Besteigung des Col du Gréant (3400 m) den Tagesgang der Feldstärke mit einem Minimum um 4 Uhr und einem Maximum um 16 - 20 Uhr gefunden haben, allerdings ohne zu wissen, dass es sich um einen Weltzeitgang handelte. Aber die meisten Bergsteiger bringen verwirrende Messresultate mit - hohe und niedere Luftleitfähigkeiten, kleine und grosse Feldstärken, je nachdem, ob sie sich auf Fels oder Eis, an hervorragenden Bergspitzen oder weniger exponierten Stellen aufgehalten haben. Der Wunsch nach Beobachtungen in der freien Atmosphäre wurde damit immer dringender.

2. Aerologische Feldmessungen

In der freien Atmosphäre wird das Feld im allgemeinen dadurch gemessen, dass in einem bestimmten vertikalen Abstand zwei Messfühler, die sogenannten Kollektoren, angebracht werden. Aufgabe dieser Kollektoren ist es, die sich an den Messpunkten unter dem Einfluss des Feldes zunächst bildenden Influenzladungen möglichst schnell an die Umgebung abzugeben. Dadurch stellen sich die Messfühler auf das ursprüngliche Potential an dieser Stelle ein, und das Feld lässt sich aus Potentialdifferenz dividiert durch den Messfühlerabstand errechnen, vorausgesetzt, dass die Messung so hochohmig erfolgt (> 10¹² Ohm) , dass die stationären Feldverhältnisse nicht gestört werden. Dieses Prinzip wurde seit den ersten Messungen verwendet; die Art der Messgeräte-Träger unterlag natürlich im Laufe der Zeit vielen Wandlungen.

a) Messungen mit bemannten Freiballonen

Die ersten Forscher, die sich mit der Bestimmung des Feldes in der freien Atmosphäre befassten, dürften die beiden bekannten Physiker Biot und Gay-Lussac gewesen sein, die am 24.8.1804 mit einem Freiballon in 2800 m Höhe ein von unten nach oben gerichtetes, dem Schönwetterfeld also entgegengerichtetes Feld nachwiesen. Aber erst rund 60 Jahre später begann eine Periode intensiver Forschung mit einem Ballonaufstieg am 17.7.1862 von Glaisher über Wolverhampton (Mittelengland). Er begann mit seinen Messungen in 4120 m Höhe, fand dort das Feld nach unten gerichtet und stellte eine stetige Abnahme der Amplitude mit der Höhe fest, bis es in 7010 m "unmessbar klein" wurde. In den folgenden Jahren konzentrierten sich die Untersuchungen auf die Klärung der Frage, ob man mit einer Abnahme oder Zunahme der Feldstärke mit der Höhe rechnen muss. Messungen von Exner und Lacher im Jahre 1885 und M. Tuma im Jahre 1892 fanden ein Anwachsen der Feldstärke in den unteren Kilometern, während André, Börnstein, Baschein und Cadet in den neunziger Jahren eine Abnahme feststellten. Da wir heute die variablen Verhältnisse des Feldes in der freien Atmosphäre unter den verschiedenen meteorologischen Bedingungen kennen, sind wir berechtigt anzunehmen, dass die gewonnenen Resultate trotz ihrer scheinbaren Widersprüche durchaus echt gewesen sind. Die Messungen wurden mit bemerkenswerter Präzision und kritischer Prüfung durchgeführt, und es wurde bereits damals auf mögliche meteorologische Einflüsse, wie etwa die Existenz von Wolkenladungen oder Niederschlagsladungen im Beobachtungsraum hingewiesen.

Ballonfahrten von Linke (1904) zwischen dem 21.8.1900 und 2.8.1903 (Abb. 1) und von Everling u. Wigand (1921) im Jahre 1913 brachten den entscheidenden Durchbruch und führten zu auch heute noch voll gültigen Ergebnissen des Feldverlaufs bis zur Höhe von 9 km. Sie ergaben als eindeutiges Resultat, dass das Feld in der luftelektrisch ungestörten, d.h. wolken- und niederschlagsfreien Atmosphäre monoton mit der Höhe abnimmt. Ausserdem wurde erkannt, dass innerhalb von nichtaktiven Wolken eine deutliche Feldüberhöhung gegenüber dem wolkenfreien Raum in der Umgebung existiert. Schliesslich konnte bewiesen werden, dass die Ursache für das luftelektrische Feld in positiven Ladungen innerhalb der Atmosphäre liegt, deren Konzentration mit der Höhe abnimmt, und dass sich im Schönwetterfall etwa 80% der Ladungen in den unteren 2 - 3 km befinden.

Dass über Verlauf und Absolutwert des Feldes so exakte Ergebnisse gewonnen wurden, ist nicht zuletzt auf die kritische Prüfung der Verfahren und die saubere Ausführung der Messapparaturen zurückzuführen. So hat Linke umfangreiche Überlegungen und Berechnungen zum Problem der Feldverzerrung in der Umgebung von Ballonen durchgeführt und der Anbringung und Ausführung der Kollektoren besondere Beachtung geschenkt. Er verwendete drei Tropfkollektoren mit Wasser-Spiritusfüllung, bei denen die Tropfstelle, also der Punkt, an dem der Potentialausgleich an die Umgebung erfolgte, sich jeweils am Ende einer Kette befand. Die Kettenlängen betrugen 8, 10 und 12 m. Der mittlere Kollektor mit 10 m Länge lag am Gehäuse eines Exnerschen Elektroskops (Abb. 2). Dadurch, dass die beiden anderen Kollektoren abwechselnd mit dem isolierten Messteil des Elektroskops verbunden wurden, erfolgte die Messung des Potentialgradienten in zwei verschiedenen Abständen vom Bailon, und es war so möglich, ein von Eigenladungen des Ballons herrührendes Feld zu eliminieren. Linke hat wohl auch als erster versucht, bei einer Fahrt den radioaktiven Kollektor zu verwenden, um zu einem praktisch zu handhabenden Messfühler mit kleiner Einstellzeit zu gelangen. Er stand diesem Messmittel jedoch kritisch gegenüber, da er bezweifelte, dass der genaue Punkt des Potentialabgriffs innerhalb des ionisierten Kollektorgebietes eindeutig zu fixieren sei. Erst in neuester Zeit konnte dieses Problem befriedigend geklärt werden. Bei vielen Messfahrten wurden nicht nur die luftelektrische Feldstärke, sondern parallel dazu die Luftleitfähigkeit, die UV-Strahlung, die kosmische Strahlung und bereits Atmospherics studiert. Von dem Interesse, das diesen Untersuchungen entgegengebracht wurde, zeugt der Umstand, dass an den Fahrten so bedeutende Wissenschaftler wie Graf Arco, Gerdien, Kolhörster, Nernst, Süring und Wiechert teilgenommen haben. Und schliesslich sollte vermerkt werden, dass diese Pionierfahrten mit grossem persönlichem Einsatz verbunden waren und die tragische Fahrt am 1.2.1902 erwähnt werden, bei der ein bemannter Ballon in eine Windströmung von über 200 km/h geriet und bei der Landung Linkes Begleiter, Hauptmann von Sigsfeld, den Tod fand.

b) Luftschiff und Segelflugzeug als Messgeräteträger

Schon früh wurde versucht, auf steuerbare Flugkörper überzugehen. Bereits 1910 führte Dieckmann (1911) Feldmessungen mit dem Luftschiff LZ VII über dem Bodensee durch, die 1928 von Wigand (1928) wiederholt wurden. Wigand war es auch, der in diesem Zusammenhang ausgedehnte Untersuchungen über die Aufladung von Flugkörpern infolge der unipolar geladenen Motorabgase angestellt hat. Dieser störende Einfluss bei Motorflugzeugen hat bis heute dieses Messmittel für zweifelsfreie Untersuchungen der Feldstärke etwas in den Hintergrund treten lassen. Anders liegen die Verhältnisse beim Segelflugzeug, das erstmalig Rossmann (1950) Anfang der vierziger Jahre zu Messungen einsetzte. Wir verdanken dieser Messtechnik wichtige Ergebnisse über die elektrischen Verhältnisse in der Umgebung und im Inneren von Wolken und Niederschlagsgebieten (Abb. 3). c) Sonden mit selbsttätiger Registrierung

Als erster hat Idrac (1928) ein Gerät entwickelt, mit dem er im Mai und Juni 1926 sechs Ballonaufstiege bis max. 20 km Höhe durchführte. Dabei wurde die Potentialdifferenz zwischen zwei Dochten als Kollektoren, die mit salpetersaurem Blei getränkt waren, abgegriffen, einer Elektrometerröhre zugeführt und deren Anodenstrom photographisch registriert. Eine Weiterentwicklung wurde von W. Mecklenburg 1932-1939 als Abwurfsonde aus Motorflugzeugen verwendet (Mecklenburg u. Lautner, 1940). Hier wurden erstmals mit Erfolg radioaktive Kollektoren benutzt.

Entscheidend trug die Sondentechnik zur Klärung der Verhältnisse im Cumulonimbus bei, wie die Arbeiten von Simpson u. Scrase (1937) mit dem Alti-Elektrographen zeigen. Diese Sonde registriert auf einer Scheibe mit Indikatorpapier die Polarität und mit Einschränkungen auch die Stärke des Koronastroms, der zwischen zwei Spitzen im Abstand von 20 m fliesst (Abb. 4a [oberer Teil], b [unterer Teil]). Mit diesem Gerät wurden erstmals 1934 zumindest qualitativ die Feldverteilungen innerhalb und in der Umgebung von Cumulonimben gemessen, die es erlaubten, Rückschlüsse auf die Ladungsverteilung in der Gewitterwolke zu ziehen (Abb. 5). Damit gelang es, ein Modell des elektrischen Aufbaus des Gewittergenerators in einer bis heute gültigen Form zu schaffen. Der experimentelle Nachweis, dass im oberen Teil überwiegend positive, im unteren Teil vor allem negative Ladungen vorherrschen, bedeutete eine entscheidende Stütze der Wilsonschen Hypothese, die für die Aufrechterhaltung des weltweiten luftelektrischen Feldes eine solche Ladungstrennung in den Gewittergeneratoren fordert.

d) Radiosonden

Der erste Schritt zur Telemetrie mit dem Einsatz von luftelektrischen Radiosonden wurde von Koenigsfeld u. Piraux (1951) am 15.2.1951 getan. In den nächsten Jahren, insbesondere während des Internationalen Geophysikalischen Jahres, wurde die Feldmessung mit Radiosonden weltweit in Angriff genommen (USA 1956, Schweiz 1957, Deutschland, Indien, Japan, Schweden 1958). Heute liegen die Ergebnisse von vielen Tausend Aufstiegsmessungen vor. Durch sie kennen wir die charakteristischen Eigenschaften der elektrischen Feldstärke in Funktion der Höhe bis in die mittlere Stratosphäre nicht nur für die luftelektrisch ungestörte Atmosphäre, sondern auch differenziert für die einzelnen speziellen meteorologischen Situationen. Schliesslich gelang es in den letzten anderthalb Jahrzehnten, aus der Integration des Feldes über die Höhe die elektrische Spannung zwischen der Ionosphäre und der Erdoberfläche zu ermitteln und damit einen wichtigen Parameter im globalen luftelektrischen Stromkreis zu bestimmen.

3. Messungen der Luftleitfähigkeit und anderer Parameter

Die ersten Luftleitfähigkeitsmessungen in der freien Atmosphäre führte Linke (1904) bei seinen Freiballonfahrten mit einem "Elster-Geitel"- schen Zerstreuungsapparat aus, wobei er mit einem Elektrometer den Ladungsverlust eines gegenüber dem Gehäuse hochisolierten Zerstreuungszylinders von 5 cm Durchmesser und 10 cm Länge in der Zeiteinheit mass. Bei zwei weiteren Ballonfahrten am 1./2. Juli und am 2. August 1903 machten Gerdien (1903) und Wiechert mit dem von letzterem entwickelten Aspirationskondensator die ersten Ionenzählungen. Bei diesem Gerät wird die zu untersuchende Luft durch einen aufgeladenen Zylinderkondensator gesaugt und ebenfalls mit einem Elektrometer der Spannungsabfall an der Mittelelektrode verfolgt. Rieke (1903) und in späteren Jahren vor allem Swann (1914a, b) behandelten die theoretischen Grundlagen dieser Messmethode ausführlich. In die Zeit nach der Jahrhundertwende fallen ausserdem noch Ionendichtemessungen von Lutz (1904) und Lüdeling (1903), die als Messgeräteträger ebenfalls bemannte Freiballone verwendeten. Bei den genannten Messungen, die bis in 6000 m Höhe reichten, wurde im allgemeinen eine Zunahme der Leitfähigkeit und der Ionenzahlen mit der Höhe beobachtet, wobei gelegentlich aber auch lokale Erniedrigungen - z.B. in Wolken und Dunstschichten - vorkamen. Bei 4 Freiballonfahrten im Jahre 1913 haben Wigand (1914) und Everling u. Wigand (1921) neben dem elektrischen Feld auch die Luftleitfähigkeit und die Ionendichten bis zu 9 km Höhe gemessen. Sie benutzten bei diesen Fahrten einen Gerdienschen Aspirationskondensator erstmals mit einem Wulfschen Zweifadenelektrometer, das gegen Erschütterungen wesentlich unempfindlicher als ein Blattelektrometer ist und dadurch präzisere Messungen erlaubte.

Bei Hochdruckwetter fanden die beiden Forscher einen starken Anstieg der Leitfähigkeit mit der Höhe; so entsprach zum Beispiel der bei der vierten Fahrt in 8865 m gemessene Wert dem achtzigfachen des entsprechenden Bodenwertes. Wigand (1921) vermutet ein weiteres starkes Ansteigen mit der Höhe, da einmal die Beweglichkeit der für die Leitfähigkeit verantwortlichen Ionen umgekehrt zur Luftdichte wächst und zum anderen die als Ionisator massgebende Höhenstrahlung bereits in den oberen Schichten der Troposphäre beschleunigt an Intensität zunimmt.

Durch die gleichzeitige Messung des elektrischen Feldes und der Leitfähigkeit waren Everling u. Wigand (1921) in der Lage, die Dichte des vertikal durch die Atmosphäre fliessenden Stromes zu berechnen. Sie finden, wie auch Gerdien (1905) bei seiner Ballonfahrt am 11.5.1905, Schwankungen, die teilweise durch meteorologische Einflüsse bedingt sind. Die Absolutwerte zwischen 0,7 und 2,2 pA/mư liegen durchaus im Rahmen heutiger Ergebnisse.

Vom Flugzeug aus massen Wigand u. Koppe (1921) bei zwei Flügen am 23. und 24. Juli 1919 bis zu einer Höhe von 5,8 km mit einem Ebertschen Ionenzähler erfolgreich den Ionengehalt der Luft. Wegen der bald darauf erfolgten Stillegung des deutschen Flugwesens konnten sie jedoch weitergehende Messflüge zur Bestimmung von Momentanwerten des Ionengehaltes und der Leitfähigkeit durch direkte Strommessung nicht mehr durchführen.

Einen weiteren wesentlichen Beitrag zur Leitfähigkeitsbestimmung in der Höhe lieferten Gish u. Sherman (1936) mit dem Flug des bemannten Freiballons Explorer II am 11. November 1936 über Rapid City/Süd-Dakota bis zur Gipfelhöhe von 22 km. Zur Messung verwendeten sie einen selbstregistrierenden Gerdien-Kondensator, bei dem der Strom auf die Mittelelektrode direkt verstärkt und über eine Feder auf einer sich drehenden Scheibe registriert wurde. Aus den Leitfähigkeitswerten dieses Aufstieges leitet Gish (1944) die empirische Formel [g = gamma; O = Omega]

1/A = g= [2,94^{- 4,52 h} + 1,387^{- 0,375 h} + 0,369^{- 0,121 h}] x 10¹³) Om

ab, die heute noch bis zu etwa 50 km Höhe Gültigkeit hat. In dieser Formel, die für den 50. Breitengrad gilt, ist die Höhe h in km einzusetzen, und g ist der spezifische Widerstand.

4. Schlussbetrachtung

Ähnlich wie in der Geschichte des Erdmagnetismus war die Luftelektrizität anfangs eine Domäne der Physik. Als man die luftelektrischen Untersuchungen auf die freie Atmosphäre ausdehnte, sind für die Naturwissenschaften entscheidende Ergebnisse gewonnen worden. So ging beispielsweise die Entdeckung der mit der Höhe zunehmenden Leitfähigkeit der Luft Hand in Hand mit der Entdeckung der kosmischen Strahlung durch Hess und Kolhörster in den Jahren 1911-1913. Bald danach hat sich die Erforschung der Ultrastrahlung völlig unabhängig von der Luftelektrizität weiterentwickelt mit wichtigen Beiträgen von Regener, Pfotzer und Ehmert.

Andererseits stützte Wilson im Jahre 1920 seine Hypothese von dem globalen Charakter der luftelektrischen Phänomene auf die Erkenntnisse von Nachbardisziplinen. Seine Theorie geht nämlich unter anderem von der Annahme elektrisch gut leitender Schichten in der Hochatmosphäre, nämlich in der Ionosphäre, aus, welche den Ausgleich der von den Gewittern produzierten Ladungen über die ganze Erde übernimmt. Diese Annahme wurde kurz darauf im Jahre 1924 durch die Reflexion von Radiowellen bestätigt.

Heute steht die Luftelektrizität wieder in engem Kontakt mit anderen Arbeitsgebieten, zum Beispiel der Aerosolphysik, der Luftverunreinigung bis in grosse Höhen, der Erforschung der elektrischen Felder in der Magnetosphäre und natürlich der Meteorologie. Dabei spielt die Messung und Telemetrie luftelektrischer Parameter der freien Atmosphäre nach wie vor eine entscheidende Rolle. Rückblickend kann dabei heute festgestellt werden, dass an der Erarbeitung erster exakter Ergebnisse gerade deutsche Geophysiker entscheidenden Anteil gehabt haben.

Literatur
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