1. Ein neues Hilfsmittel für die Stratosphärenforschung

Am 8. Juli 1942 fand eine denkwürdige Besprechung in der Heeresanstalt Peenemünde (HAP) über die "Entwicklung einer Apparatur zur atmosphärischen Höhenvermessung für A4" statt, an der Prof. Erich Regener mit seinen Mitarbeiter Dr. E. Schopper und Dr. A. Ehmert, Exponenten verschiedener Abteilungen der Heeresanstalt, und als Vorsitzender Dr. Wernher von Braun, teilnahmen (HVP, 1942), In dieser Sitzung schlug die Geburtsstunde der heute als "Extraterrestrische Physik" bezeichneten Forschungsmethode, bei der man für den Transport von Messapparaten in grosse Höhen und in den Weltraum Träger benutzt, die durch den Schub ausströmender Materie angetrieben werden.

Es wurde damals vereinbart, mit dem Aggregat A4, der später V-2 genannten Rakete, eine von Regener und Mitarbeitern zu bauende wissenschaftliche Nutzlast auf 50 km hochzuschiessen und dann zur Durchführung von Messungen an einem Fallschirm niedergehen zu lassen. Regener sah damit ein Ziel in greifbare Nähe gerückt, auf das seine Arbeit seit langem ausgerichtet war: Zustandsgrössen der Atmosphäre und von der Atmosphäre abgeschirmte Strahlungen in Höhen zu messen, die mit Ballonen nicht mehr erreichbar sind. Mit dem Vordringen der Alliierten Streitkräfte gegen Kriegsende wurde diesem friedlichen Bemühen leider der letzte Erfolg versagt.

Die Planung und Vorbereitung des Unternehmens unterschied sich nur wenig vom Ablauf der Durchführung eines heutigen Raketenexperiments. Es war alles getan, was Wissenschaftler tun müssen, bevor ihre Experimente dem eigenen Zugriff entzogen werden und die Rakete zum Startplatz transportiert wird.

Darin und mehr noch in der allgemeinen Entwicklungsrichtung von Regeners Arbeiten ist es begründet, in ihm den Wegbereiter der extraterrestrischen Forschungsmethode zu sehen. Aber nicht nur dieser Schritt zu neuen Forschungsmethoden, sondern die Bedeutung seiner Arbeiten für die Physik der Stratosphäre allgemein rechtfertigen es, ihm auch ein Kapitel in der Geschichte der Geophysik zu widmen. "Auch" will besagen, dass Regeners wissenschaftliche Interessen so weit gespannt waren, dass ihm die Einordnung in nur einen bestimmten Bereich der Physik nicht gerecht werden könnte.

2. Regeners Weg bis zur Erforschung geophysikalischer Phänomene

Am Anfang von Regeners wissenschaftlicher Entwicklung standen tatsächlich keine Experimente, die direkt auf geophysikalische Fragen ausgerichtet waren. Trotzdem hat gerade seine Doktorarbeit, die von Emil Warburg angeregt und 1905 abgeschlossen wurde, eine Prägung hinterlassen, die ihn nach mehr als 30 Jahren zum gleichen Gegenstand zurückführte, diesmal aber als Problem der hohen Atmosphäre. Die Doktorarbeit "Über die chemische Wirkung kurzwelliger Strahlung auf gasförmige Körper" befasst sich in der Hauptsache mit der Erzeugung und Zerstörung des Ozons in einer Gasentladung in molekularen Sauerstoff. Es sollte die Hypothese von Warburg geprüft werden, wonach das in der Gasentladung erzeugte ultraviolette Licht in einem gewissen Spektralbereich nicht nur den Sauerstoff "ozonisiert", sondern in einem anderen auch "desozonisiert" (Regener, 1905a; 1906). Die Richtigkeit dieser Hypothese wurde bestätigt und das sich einstellende Gleichgewicht zwischen O₂ und O₃ bestimmt. Ferner wurde der ozonisierende und desozonisierende Wellenlängenbereich durch die Durchlässigkeit von Quarz bzw. Glas für ultraviolettes Licht eingegrenzt.

Zum Lebenslauf entnimmt man der Dissertation: Erich Rudolph Alexander Regener, geb. am 12. November 1881 zu Schleusenau bei Bromberg, immatrikuliert ab 1900 an der Universität Berlin, Beschäftigung "hauptsächlich mit dem Studium der Chemie und besonders mit dem der Physik". Als akademische Lehrer findet man u.a. die Namen Drude, Landolt, Lummer, Paulsen, Planck, Pringsheim und Warburg.

Schon kurz nach der Promotion offenbarte sich der später immer wieder hervortretende Zug Regeners, die Grenzen des Bekannten auf verschiedenen Gebieten abzutasten, um sie mit den ihm eigenen Fähigkeiten und Möglichkeiten weiter hinauszuschieben. Dies geschah erstmalig mit einem 1905 von ihm verfassten Artikel über die Fortschritte der Physik im Jahre 1904 (Regener, 1905b). Breiten Raum nehmen darin die neuen Entdeckungen im Bereich der Radioaktivität ein, was bereits darauf hinweist, dass ihm die Ergiebigkeit dieses neuen Forschungsgebietes bewusst wurde.

Es folgten dann auch eine Reihe von Originalarbeiten und Berichten aus dem Gebiete der Radioaktivität und schliesslich Bestimmungen des elektrischen Elementarquantums nach verschiedenen Methoden. Der Anreiz hierzu kam zunächst aus dem Methodischen (Zählung von Alphateilchen nach der Szintillationsmethode und Messung der von diesen akkumulierten Ladung), doch spielte später die Fahndung nach und schliesslich endgültige Ausschliessung der Existenz von "Subelektronen", die von Ehrenhaft (1910) in Wien als experimentell gestützt angesehen wurde, eine wesentliche Rolle. Die fundamentale Bedeutung dieser Frage fordert seine durch eigene sorgfältige Experimente begründete Kritik an der Subelektronenhypothese 15 Jahre lang immer wieder heraus (Regener, 1911, 1926).

1914 wurde Regener, bis dahin Privatdozent an der Universität in Berlin, als Nachfolger von Geheimrat Börnstein auf den Lehrstuhl für Physik an der Landwirtschaftlichen Hochschule Berlin berufen. Aus dieser Zeit erinnert eine kurze, Elster und Geitel gewidmete Veröffentlichung über "Rauchversuche zur Veranschaulichung der Wirkung von Sonnenstrahlen auf die Atmosphäre", dass er sich bemüht hat, den Studenten die Ursachen der atmosphärischen Konvektion über Grenzbereichen von Wasser und Land in einer für ihn typischen Weise durch eine einprägsame Demonstration verständlich zu machen (Regener, 1915). Das Gewicht seiner Forschungsarbeit ruhte jedoch auf der Radioaktivität, bis er 1917 als "Feld-Röntgenmechaniker" Dienst tun musste. Veröffentlichungen in dieser Phase aus der Praxis der Röntgendurchleuchtung, z.B. über die Perspektive von Röntgenbildern (Regener, 1917a), über die Verbesserung der Schärfe von Röntgenbildern (Regener, 1917c) oder über eine Methode und Apparatur zur stereoskopischen Röntgendurchleuchtung (Regener, 1917b), in den Münchener Medizinischen Wochenschriften sind Beispiele für den bei Regener besonders ausgeprägten Wesenszug, ein neues Arbeitsgebiet unbefangen anzugehen und, wo ein Problem erkennbar wurde, Ideen für eine Verbesserung ohne Umschweife praktisch auszuprobieren.

1920 würde Regener auf den Lehrstuhl für Physik an der Technischen Hochschule Stuttgart berufen, wo er sich um die Einrichtung eines Studienganges mit Physik als Spezialfach und dem Abschluss mit dem Diplom-Ingenieur-Examen und der möglichen Promotion zum Doktor-Ing. und die Einrichtung eines Lehrstuhls für theoretische Physik bemühte (Regener, 1923). Seine wissenschaftlichen Arbeiten und die seiner Mitarbeiter befassen sich z.T. noch mit der Ausräumung der denkbaren Fehlerquellen bei der Bestimmung der elektrischen Elementarladung, z.T. verraten sie das Bestreben, auch technisch interessante Probleme anzugehen, wie z.B. die Nutzung des sog. Johnson-Rahbeck-Effektes zur Erzeugung hoher Spannungen, die Gleichrichterwirkung des darauf beruhenden elektrostatischen Relais, Einwirkung eines Magnetfeldes auf Elektronenröhren, Funkenverzögerung bei Gasentladungen usw.

3. Die kosmische Strahlung als geophysikalisches Phänomen

In der zweiten Hälfte der zwanziger Jahre geriet ein Phänomen in Regeners Blickfeld, dem er bald seine ganze Aufmerksamkeit zuwendete: die von V.F. Hess 1912 entdeckte durchdringende Höhenstrahlung, die damals auch Hess'sche Strahlung oder Ultrastrahlung genannt wurde (Hess, 1912) und heute allgemein als kosmische Strahlung bezeichnet wird. Die daraus hervorgegangenen Arbeiten Regeners und seiner Mitarbeiter befassen sich experimentell mit der Strahlung als geophysikalisches Phänomen, ihrer Ausbreitung in der Atmosphäre, ihrer Durchdringung durch mächtige Materieschichten. Der Anreiz zur Erforschung der Strahlung ging von der hohen Durchdringungsfähigkeit aus, die man nach dem damaligen Erkenntnisstand nur einer äusserst kurzwelligen Gammastrahlung zuschreiben konnte.

Die damit gegebene hohe Quantenenergie liess auf neue unbekannte Entstehungsprozesse schliessen, z.B. dachte man an den Aufbau von Materie aus Ätherenergie, an die Umwandlung von Materie in Strahlung, an Zusammenhänge mit der Energieerzeugung in den Sternen, Spekulationen, die alle auf der von Einstein postulierten Äquivalenz von Masse und Energie beruhten. Die experimentellen Grundlagen waren jedoch erst zu erarbeiten. Die erste Veröffentlichung Regeners zu diesem Problem (Regener, 1928), gewissermassen wieder eine Abtastung der Möglichkeiten, weist auf die Schwierigkeiten hin: "Die Beobachtung der Hess'schen Strahlung ist durch eine Reihe störender Ursachen erschwert. Als solche kommen in Betracht: eine radioaktive Eigenstrahlung der Gefässwände, eine vom Emanationsgehalt der Luft herrührende, ferner vom Radiumgehalt des Erdbodens stammende sogenannte Bodenstrahlung. Will man die Hess'sche Höhenstrahlung beobachten, so muss man die Anteile der übrigen Strahlen bestimmen bzw. beseitigen. Die Eigenstrahlung des Gefässes bestimmt man durch Versenkung in grössere Wassertiefen. Die Bodenstrahlung vermeidet man durch Erhebung in die freie Atmosphäre." Diese Aufzählung kennzeichnet das später durchgeführte Programm. Ferner schreibt er dann in seiner 1929 erschienenen ersten eigenen Arbeit über "Messungen über das kurzwellige Ende der durchdringenden Höhenstrahlung", dass die Messungen der Absorbierbarkeit dieser Strahlung z.Zt. das einzige Mittel zur Erforschung ihrer Natur zu sein scheinen. Frühere Absorptionsmessungen von Steinke (1928) und Millikan u. Cameron (1928) bis 50 bzw. 60 m Wassertiefe führten auf 2 bzw. 3 Strahlungskomponenten mit exponentieller Schwächung. Millikan und Cameron fanden jedoch zwischen 50 und 60 m keine weitere Abnahme der Ionisationsstärke mehr, augenscheinlich also nur eine Reichweite bis 50 m unter der Wasseroberfläche. Regener versuchte daher unter Ausschliessung erkannter Fehlermöglichkeiten, die Frage zu überprüfen, ob in grösseren Tiefen doch noch eine durchdringendere Komponente nachweisbar ist. Das gelang ihm tatsächlich mit einer automatisch arbeitenden Ionisationskammer, die stufenweise bis 235 m Tiefe im Bodensee versenkt werden konnte.
      Abb.1               Abb.2                   Abb.3                       Abb.4                 Abb.5                 Abb.6

Abb. 1 (Regener, 1932a) zeigt das Scheine der Ionisationskammer, einer Stahlbombe mit 33,5 l Inhalt und einer CO₂-Füllung mit weitgehend abgeklungener Eigenradioaktivität unter 29,4 Atm. Den schematischen Aufbau des Registrierelektrometers zeigt Abb. 2 (Regener, 1932a). Der etwa 8 cm lange Wollastondraht W, von 2 mym bis 3 mym Dicke als anzeigendes Element des Einfadenelektrometers, wurde durch eine Quarzschleife Q gespannt und durch die Wirkung der Gegenelektrode in einer Ebene geführt. Das Elektrometer und damit die zentrale Elektrode wurden auf 600 V gegen das Gehäuse aufgeladen und der durch die Ionisation des Kammergases bewirkte Spannungsabfall in äquidistanten Zeitabständen registriert. Dies geschah durch Einschaltung der Lichtquelle B, die mit der Linse L auf den Faden und dessen Stellung durch das Objektiv O auf eine photographische Platte abgebildet wurde. Die praktische, an die räumlichen Verhältnisse angepasste Ausführung mit gebrochenem Strahlengang ist in Abb. 1 angedeutet. Der Abstand der Fadenbilder ist ein Mass für den Ionisationsstrom bzw. die Ionisierungsstärke. Damit in verschiedenen Wassertiefen gewonnene Registrierungen zeigt Abb. 3 (Regener, 1932a). Wie Abb. 4 (Regener, 1933a) zeigt, wurde die möglicherweise mit der Wassertiefe variierende radioaktive Umgebungsstrahlung durch einen 1 m dicken Wassermantel mit konstanter Eigenaktivität abgeschirmt. Dieser umgab die innerhalb eines grossen, mit Schwimmern versehenen Kessels befindliche Registrierkammer. Der Kessel wurde gemäss Abb. 5 (Regener, 1933a) durch einen 250 kg schweren Anker in einer durch die Länge der Ankertrosse vorgegebenen Tiefe schwebend gehalten und stieg nach Liften des Ankers zur Oberfläche auf, wenn die Kammer neu aufgeladen und Platten gewechselt werden sollten. Die mit dieser Anordnung in verschiedenen Wassertiefen erzielte Absorptionskurve zeigt Abb. 6 (Regener, 1933a).

      Abb.7                           Abb.8
Während die Registrierungen im Bodensee im Gang waren, konstruierte Regener nach dem dort angewandten Messprinzip ein Gerät zur automatischen Messung der Ionisierungsstärke in der Stratosphäre mit dem Ziel, die Wirkung der kosmischen Strahlung über die bisher erreichten Höhen hinaus zu verfolgen. Das Elektrometer wurde nur direkt innerhalb der kugelförmigen Ionisationskammer montiert. Der Unterschied in den Dimensionen war jedoch beträchtlich, wie der Vergleich der Abb. 7 (Regener, 1933a) und Abb. 8 (Regener, 1933a) zeigt. Bei den Ballonflügen befand sich das Gerät in mehrfach geänderten Gehäusen, deren Formgebung eine Stabilisierung bezweckte, um zu starke Vibrationen des Elektrometerfadens zu verhindern; sie war aus leichten, mit Cellophan- und Aluminiumfolie beklebten Holzstäbchen gebaut. Die reflektierenden und lichtdurchlässigen Flächen waren so abgeglichen, dass unter Ausnutzung der Treibhauswirkung nur geringe Schwankungen der Gerätetemperatur auftraten.

      Abb.9
Anfangs wurden luftdichte Kammern mit einem Volumen von 2 l und Luft unter rund 5 atm Druck bei 0° C als Füllgas verwandt. Daraus liess sich die Ionisierungsstärke, d.h. die Anzahl der Ionenpaare, die in 1 cm³ Luft von 0° C unter einem Druck von 1 atm in der betreffenden Höhe gebildet worden wären und auch die in der Volumeneinheit der freien Atmosphäre tatsächlich erzeugten, ausrechnen. Letztere wurden später in "offenen" Ionisationskammern in guter Übereinstimmung mit den umgerechneten Werten direkt gemessen. Bei jedem Kontakt konnten der Aussendruck als Mass für die über dem Apparat befindliche Luftschicht und die Gerätetemperatur aus der Abschattung des Fadenbildes durch vor der photographischen Platte befindliche Lineale bestimmt werden. Diese bewegten sich, von einem Bimetallstreifen und von Aneroid-Barometern mechanisch gesteuert, gegen ein festes Bezugslineal in der Mitte, so dass aus der Länge des Fadenbildes zwischen den Abschattungen Druck und Temperatur abgelesen werden konnte. Abb. 9 (Regener u. Auer, 1934) zeigt als Beispiel eine solche Registrierung. Auf diese Geräte wurde mit einer gewissen Ausführlichkeit eingegangen, weil sie in ihrer Einfachheit und Eleganz einen besonders guten Einblick in die Regenersche Art zu experimentieren vermitteln.

Die Ballonelektrometer wurden von zwei, später gebaute Apparaturen von bis zu vier Gummiballonen in Erweiterung des von Hergesell (1904) angegebenen Tandemverfahrens in die Stratosphäre getragen, bis einer der Ballone platzte, worauf der Apparat bei geeigneter Füllung der Ballone mit nahezu der gleichen Geschwindigkeit wie beim Aufstieg abwärts schwebte. Da die verbleibenden Ballone über der Landestelle ca. 50 m hoch über dem Boden stehenblieben und somit weithin sichtbar waren, wurden fast alle Geräte wieder aufgefunden. Nach einigen Vorversuchen erreichte ein Ballonelektrometer am 12. August 1932 eine Gipfelhöhe von 24 km (entsprechend einem Luftdruck von 29 mb), d.h. es befanden sich nur noch 3% der Lufthülle über dem Apparat (Regener, 1932b). Dabei wurde eine mit 18 Punkten belegte Kurve für die Höhenabhängigkeit der Ionisierungsstärke der kosmischen Strahlung gewonnen, die gegen den Rand der Atmosphäre augenscheinlich einem konstanten Wert von rd. 300 J zustrebte (1 J = 1 Jonenpaar cm^-3 sec^-1 in Luft NTP). Dies war damals ein beachtlicher Erfolg.

      Abb.10                          Abb.11
Kolhörster hatte 1913 mit einem Freiballon in einer offenen Gondel die Kurve der Ionisierungsstärke bis 9,3 km Höhe (Luftdruck 320 mb) messen können (Kolhörster, 1913). Dem war am 27. Mai 1931 ein Stratosphärenaufstieg von Piccard und Kipfer in einer ballongetragenen luftdichten Aluminiumkabine bis nahe an 16 km Höhe gefolgt. Dabei wurde allerdings nur ein einziger Messpunkt in dieser Höhe (entsprechend einem Luftdruck von 104 mb) gewonnen (Piccard, Stahel u. Kiffer, 1932), weil die Aeronauten fast während des ganzen Fluges durch die Abdichtung eines lebensgefährlichen Lecks der Kabine beansprucht waren (Piccard, 1933). Erst bei einem weiteren Versuch, bei dem Piccard u. Cosyns (1932) am 18.8.1932, also 6 Tage nach Regeners erfolgreicher Messung, wieder die gleiche Höhe erreichten, konnten auch sie eine bis 16 km Höhe zusammenhängende Kurve messen. In Abb. 10 (Regener, 1933b) sind einige Messungen mit geschlossenen Ionisationskammern, in Abb. 11 (Regener u. Auer, 1934) solche mit offenen Kammern zusammengestellt.

Aus den Messungen der Ionisierungsstärke als Funktion der Höhe hat Regener (1933c) den in einer vertikalen Luft- und Wassersäule von 1 cmý Querschnitt durch Ionisierung dissipierten Energiestrom zu 3,5 x 10^-3 erg cm^-2 sec^-1 abgeschätzt (dieser Wert bezieht sich auf 47° geomagn. Breite). Ferner wurde von Lenz (1934) aus der Ionisierungsstärke und der im Labor gemessenen Abhängigkeit des Rekombinationskoeffizienten vom Druck (Lenz, 1932) die durch kosmische Strahlung verursachte Ionendichte in der unteren Stratosphäre ausgerechnet. Sie erreicht danach zwischen 15 und 25 km Hohe einen nahezu konstanten Wert von rd. 10⁴ Ionen/cm³. Die Erklärung des Schwächungsverlaufes der Ionisierungsstärke vom Gipfel der Atmosphäre (Regener, 1933a) bis zu 250 m Tiefe unter Wasser durch die Absorption von fünf Photonenkomponenten mit verschiedener Quantenenergie erinnert daran, dass die wahre Natur der Primärstrahlung damals noch ebenso unbekannt war wie die Erzeugung neuer Elementarteilchen durch nukleare Wechselwirkungen. Der Einsatz von Geiger-Müller-Zählrohren, besonders in Koinzidenzschaltung, erbrachte jedoch bald weitere Fortschritte. So wurden von Regener und Mitarbeitern sowohl Ballonaufstiege mit einem Zählrohr (Regener u. Pfotzer, 1934) zur Messung des omnidirektionalen Teilchenflusses als auch mit Koinzidenzordnungen zur Messung des vertikalen Teilchenflusses (Regener u. Pfotzer, 1935; Pfotzer, 1935, 1936), der Höhenabhängigkeit der Häufigkeit von in Blei ausgelösten Elektronenschauern (Regener u. Ehmert, 1939} und von Teilchen, die 9 cm Blei durchdringen konnten (Ehmert, 1940) ausgeführt. Aus dem Vergleich der Zählrate des einzelnen Zählrohres mit der Ionisierungsstärke konnte eine mittlere spezifische Ionisation der verschiedenen Teilchen in Normalluft von 103 Ionenpaaren/cm exp 3 bestimmt werden. Mit den Koinzidenzmessungen wurde das durch Sekundärstrahlung erzeugte Intensitätsmaximum in der Umgebung des 100 mb-Niveaues nachgewiesen.

Aus der Messung der Elektronenschauer und der harten Komponente folgte die verschiedene Höhenabhängigkeit der elektronischen und müonischen Sekundärkomponenten. Die Erzeugung dieser Komponenten durch die Wechselwirkung der Nukleonen in der Primärstrahlung mit den Nukleonen der Atomkerne blieb jedoch ein grosses Rätsel bis zur Entdeckung der elektrisch geladenen (Occhialini u. Powell, 1948) und der neutralen Pionen (Bjorklund u. Mitarb., 1950).

Von Regeners Mitarbeiter E. Schopper wurde seit 1935 versucht, mit photographischen Schichten in Ballonaufstiegen den Höhenverlauf der Nukleonenkomponente durch ihre Spuren nach der Methode von Blau u. Wambacher (1932, 1934) zu messen. Kernzertrümmerungen durch kosmische Strahlung in Gebirgshöhen waren von Blau u. Wambacher (1937) nachgewiesen worden. Da ihre Häufigkeit mit der Höhe zunehmen musste, wurden in enger Zusammenarbeit von E. Schopper mit der I.G.-Farbenindustrie Agfa entwickelte Spezialplatten (sogenannte K-Platten) an einem Ballongespann hängend mehrere Stunden lang zwischen 14 und 18 km Höhe exponiert. Diese Untersuchungen galten der Höhenabhängigkeit der Neutronenkomponente, die sich in der photographischen Schicht durch Spuren von Anstossprotonen aus einer darüber gelegten Paraffinschicht manifestierten (Schopper, 1937). Ausserdem wurde eine grosse Zahl von Spuren energiereicher Teilchen und von Kernzertrümmerungen, zum Teil mit zahlreichen Trümmerteilchen, gefunden. Bemerkenswert war eine Spur, die auf ein Alphateilchen mit einer Energie > 10⁹ eV schliessen liess (Schopper, E.M. u. E., 1939). In diesem Zusammenhang verdient auch die Tatsache Erwähnung, dass Prof. J. Eggert, Leiter der Entwicklung bei Agfa, die Anregungen aus dem Regenerschen Institut (E. Schopper) aufnahm und trägerlose Emulsionsschichten für das Institut und Frau Wambacher herstellen liess (Schopper u. Wambacher, 1938). Auf diese Weise konnten mehrere übereinandergelegte Schichten exponiert, getrennt und die Teilchenspur durch mehrere Schichten hindurch verfolgt werden. Das waren erste Anfänge einer Methode, die mit weiterentwickelten Emulsionen nach dem Zweiten Weltkrieg zu den grossen Erfolgen der Komponentenanalyse in der kosmischen Strahlung und der Elementarteilchenphysik in England und in den USA geführt hat. Solche Schichtungen nannte man später "Stacks". Soviel zu den wesentlichen Ergebnissen über die kosmische Strahlung als geophysikalisches Phänomen, die im Regenerschen Institut durch die Messungen mit Ballonsonden bis zu der damals mit Gummiballonen erreichbaren Höhe von rd. 30 km erzielt wurden.

4. Bestimmung der Höhenabhängigkeit des atmosphärischen Ozons mit einem ballongetragenen Spektrographen

Angeregt durch die mit automatischen Ballonsonden zur Messung der kosmischen Strahlung erzielten Erfolge wandte sich Regener sehr bald auch der Erforschung der hohen Atmosphäre selbst mit dieser Methode, zunächst mit der Untersuchung des atmosphärischen Ozons, zu. Die Prägung durch seine eigene Doktorarbeit hatte schon 1929 durch Vergabe einer Doktorarbeit "über das Auftreten von Ionen beim Zerfall von Ozon und die Ionisation der Stratosphäre" (Hellmann, 1929) wieder durchgeschlagen. Dabei sollte untersucht werden, ob etwa die nächtliche Erhaltung der "Heavyside-Schicht", also der unteren Ionosphäre, durch den Zerfall von tagsüber gebildetem Ozon erklärt werden könnte. (Das Ergebnis war, dass beim Zerfall keine Ionen gebildet wurden.) Die Ballonaufstiege zur Untersuchung der Ozonschicht wurden durch eine Arbeit von Goetz, Meetham u. Dobson (1934) angeregt, die auf Grund von Streulichtmessungen vom Boden aus mit 22 km Höhe eine wesentlich tiefere Lage des Maximums der Ozonschicht abgeleitet hatten, als vordem angenommen worden war. Da diese Höhe mit Ballonsonden bequem überschritten werden konnte, sah Regener eine Möglichkeit, dieses Ergebnis auf eine grundsätzlich einfache, aber hinsichtlich der Einzelheiten genauere Methode zu überprüfen. Regener und sein Sohn V.H. Regener konstruierten dafür einen leichten Quarzspektrographen, mit dem das ultraviolette Ende des Sonnenspektrums in Abhängigkeit von der Höhe aufgenommen werden konnte. Die ganze Apparatur wog nur 2,7 kg und erreichte am 31.7.1934 eine Gipfelhöhe von 31 km. Dabei wurden alle 4 Minuten ein Spektrum, beim Aufstieg 16, beim Abstieg 24, also insgesamt 30 Spektren, gewonnen. Aus dem Vergleich der Intensitäten in zwei Spektralbereichen starker und schwacher Absorption durch das Ozon konnte in den verschiedenen Höhenstufen der über dem Apparat
      Abb.12               Abb.13     befindliche Ozonbetrag bestimmt werden. Diese erste direkte Messung der Ozonschichtung (Regener, E. u. V.H., 1934) wird in der Fachwelt als "milestone in early ozone studies" (Craig, 1965) anerkannt. Einen Ausschnitt aus der Spektralplatte und das hieraus gewonnene Ergebnis zeigen Abb. 12 und 13.

5. Messungen der Höhenabhängigkeit des Sauerstoffanteils der Luft

      Abb.14
Zwischen Dezember 1935 und Herbst 1936 führte Regener (1939) eine Reihe von Ballonaufstiegen zur Entnahme von Luftproben zwischen 14 und 28 km Höhe durch. Sie sollten die Frage klären, ob in der Stratosphäre oberhalb 15 km Höhe schon eine merkliche Entmischung der Komponenten, insbesondere ein Sauerstoffdefizit, nachweisbar ist. Dabei wurden bis zu drei evakuierte Glasgefässe mit einem Ansatz, in dem sich Kupferspäne befanden, in verschiedenen Höhen 2 Minuten lang geöffnet und wieder geschlossen. Das Öffnen und Schliessen erfolgte durch Drehung eines Glashahnes mit einer gespannten Spiralfeder, wobei der Vorgang durch Aneroid-Barometer ausgelöst wurde. Nach der Bergung wurde die Luft auf ein kleines Volumen komprimiert, das Kupfer erhitzt, bis der Sauerstoff durch die Oxydation verbraucht war, und aus der dann gemessenen Druckerniedrigung der Sauerstoffgehalt bestimmt. Das Ergebnis ist in Abb. 14 zusammengestellt. Danach erschien eine geringfügige, wenn auch etwas von der Wetterlage abhängige Entmischung zwischen 14 und 28 km Höhe im Einklang mit ähnlichen Versuchen von Paneth bezüglich des atmosphärischen Heliums angedeutet zu sein. Die Systematik ist dadurch erkennbar, dass bei individuellen Aufstiegen der in grösserer Höhe bestimmte Sauerstoffanteil stets um 0,5 bis 1% kleiner als der in den tieferen Schichten gefundene war. Da bei einem Diffusionsgleichgewicht in der Stratosphäre zwischen der Tropopause und 28 km Höhe ein Sauerstoffdefizit von 33% zu erwarten gewesen wäre, war zu schliessen, dass eine turbulente Durchmischung bis zu wesentlich grösseren Höhen vorliegen musste.

Erst die nach dem Zweiten Weltkrieg mit Raketen durchgeführten Messungen haben die Höhenerstreckung der turbulenten Durchmischung, d.h. die Turbopause, bei 105 km Höhe feststellen können. In diesem Zusammenhang ist noch zu bemerken, dass Gay-Lussac schon 1804 während seines berühmten Fluges mit dem Freiballon eine konstante Zusammensetzung der Luft bis 7000 m und der französische Physiker Cailletet 1894 auch schon auf Grund einer automatischen Probenahme mit einem Gefäss an einem unbemannten Ballon den gleichen Sachverhalt bis 15 km Höhe bestätigt fand.

6. Messung des Wasserdampfgehaltes in der Stratosphäre

Drei Jahre später untersuchte Regener im Zusammenhang mit praktischen Fragen eines eventuellen stratosphärischen Luftverkehrs auch den Wasserdampfgehalt bis 22 km Höhe. Die Frage nach einer hohen relativen Feuchtigkeit in der Stratosphäre wurde durch das in hohen Breiten gelegentliche Auftreten von irisierenden sogenannten Perlmutterwolken in Höhen zwischen 20 und 30 km aufgeworfen. Die Bestimmung der relativen Feuchte geschah durch eine Absolutmessung der in einem bestimmten Luftvolumen und vorherrschenden Temperaturen enthaltenen Wassermenge (Regener, 1939; Rau, 1945). Zu diesem Zweck wurden in verschiedenen Höhen bis zu 200 l auf konstante Temperatur vorgewärmte Luft durch Phosphorpentoxyd enthaltende Absorptionsgefässe gepumpt und das absorbierte Wasser durch Differenzwägung nach der Bergung der Apparate bestimmt. Mit der in der betreffenden Höhe gemessenen Aussentemperatur konnte dann die relative, auf Eis bezogene Feuchte ermittelt werden. Einige Ergebnisse solcher Messungen sind in Tabelle 1 dargestellt. Sie zeigten, dass in der Stratosphäre im allgemeinen keine Übersättigung zu befürchten ist.

7. Die Experimente mit Kunststoffballonen

Im Zuge der vorstehend geschilderten Arbeiten hat Regener sich unermüdlich bemüht, die Technik der Aufstiege und die Instrumentierung zu verbessern. Davon zeugt ein Artikel über Erfahrungen und Ergebnisse mit Registrierballonen und Registrierapparaten in der Stratosphäre (Regener, 1935; 1940/41). Im Bestreben, die durch die Eigenschaften des Ballongummis gesetzten Grenzen für die erreichbaren Höhen weiter nach oben zu schieben, begann er bereits 1934, mit unten offenen Cellophanballonen zu experimentieren. Das waren jedoch für diesen Zweck verfrühte Versuche, weil dieses und auch ähnliche Fabrikate für die notwendig grossen Stratosphärenballone nicht reissfest genug waren. Die Grundidee erwies sich jedoch später als äusserst fruchtbar, nachdem vom Jahre 1947 an Polyäthylen- und andere Plastikfolien verfügbar wurden. Seitdem haben tausende von Stratosphärenballonen automatische Apparaturen und auch bemannte Kabinen in die Stratosphäre getragen.

Als Nebenprodukt der Bemühungen um das Vordringen in grössere Höhen beschrieb Regener (1940/41) Versuche mit "schnellsteigenden" Ballonen aus Cuprophan. Diesen konnten im Gegensatz zu den dehnbaren Gummiballonen aerodynamisch günstige Formen gegeben und Stabilisierungsflächen angeklebt werden. Damit wurden Steiggeschwindigkeiten bis 530 m/min erreicht. Diese Entwicklung beruhte auf dem Bedürfnis, die meteorologische Höhensondierung abzukürzen und bei stärkerem Wind die Abtrift kleinzuhalten. Auch wurden solche Ballone als Fesselballone für Wind- und Temperaturmessungen in geringen Höhen (bis 500 m) benutzt. In diesem Zusammenhang wurden auch Drahtthermographen mit geringer Trägheit und hystereselose Barographen als Bourdonröhren aus Quarzglas entwickelt. Dies waren bereits Sensoren, die später in modifizierter Form in die Nutzlast für die V-2 eingebaut wurden.

8. Die Forschungsstelle für Physik der Stratosphäre

Die bis 1937 so erfolgreiche Arbeit Regeners erfuhr eine schmerzliche Zäsur, als er auf Grund des damaligen Beamtengesetzes in den Wartestand versetzt, d.h. seines Amtes als Hochschullehrer und Direktor des physikalischen Instituts der Technischen Hochschule Stuttgart enthoben wurde. Es ist aber kennzeichnend für seine Tatkraft und seinen Charakter, dass er das Wagnis unternahm, in Friedrichshafen am 1.1. 1938 eine private Forschungsstelle für Physik der Stratosphäre zu gründen, in die ihm zunächst drei seiner Schüler folgten. Glücklicherweise konnte die private Forschungsstelle dank der Fürsprache von Freunden und Kollegen schon am 30.5.1938 in die Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft eingegliedert werden. Die weitere Arbeit entwickelte sich dann bald im Rahmen einer "Gemeinschaftsgruppe Stratosphärenforschung" der Deutschen Akademie der Luftfahrtforschung, der ausser Regener die Herren Georgii als Vorsitzender, Diekmann und Weickmann angehörten. In der Einleitung zur 4. Wissenschaftssitzung der ordentlichen Akademiemitglieder am 1.6.1939 wurde die Gemeinschaftsgruppe von dem damaligen Kanzler der Akademie, Ministerialdirektor Dr. Baeumker, vorgestellt und ihre Aufgabe definiert: "... sie beschäftigt sich mit einem Gebiet, das von ganz besonderer Bedeutung für die Weiterentwicklung der Technik ist. Allerdings sollen durch die Art, wie zunächst vorgegangen wird, erst einmal die Grundlagen geklärt werden, die mit dem Flugwesen in der Stratosphäre selbst verbunden sind."

9. Hygrometrie, Kondensation, Sublimation, Gefrieren von Wasser

Zu diesem Aufgabenbereich hatte Regener ja schon vor der Gründung der "Gemeinschaftsgruppe" durch seine genauen Messungen des Sauerstoffanteils der Luft einen wesentlichen Beitrag leisten können. Hinzu kam ein Auftrag "Hygrometrie und Kondensstreifen", d.h. das Problem des Wasserdampfgehaltes der Luft in grösseren Höhen, das für die Fragen des Betriebs von Flugzeugmotoren, der Entstehung von Kondensstreifen, der Vereisung und besonders von allgemeinem meteorologischem Interesse war. In diesem Rahmen wurden die schon erwähnten genauen, in der Durchführung aber noch umständlichen Messungen des absoluten Wasserdampfgehaltes durchgeführt. Für praktisch kontinuierliche Feuchtebestimmungen wurde ein automatisch arbeitendes Taupunkthygrometer entwickelt, das sich bei Messflügen mit Flugzeugen bewährt hat. "Die Lichtabsorption des Tauniederschlages steuerte dabei durch eine photoelektrische Anordnung das Wechselspiel der Heizung und Kühlung des Tauspiegels und die Fixierung des jeweiligen Taupunktes" (Schöpfer, 1941). Der genannte Auftrag implizierte auch die Untersuchung der Kondensation und Sublimation des Wasserdampfes bei tiefen Temperaturen und die Rolle der Kondensations- und Gefrierkerne (Regener, 1941; RAU, 1944, 1949).

Dabei gelang es durch Inaktivierung der Gefrierkerne, Wasser in Tropfen bis -72 C zu unterkühlen. Bei dieser Temperatur erfolgte die Eiskeimbildung im Gegensatz zum Gefriereinsatz bei höheren Temperaturen stets an mehreren Stellen des unterkühlten Wassertropfens gleichzeitig, wobei Würfel und Oktaeder, also kubisches Eis, beobachtet wurden. Dieser Sachverhalt wurde als Keimbildung in der homogenen Phase, d.h. des von Fremdkörpern (Gefrierkernen) freien Tropfens gedeutet. Die Sublimation aus der Dampfphase auf eine unter -72°C gekühlte Unterlage erfolgte auch stets in der regulären Kristallform.

Bei späteren Untersuchungen verschiedener Autoren wurde die kubische Eisphase bei tiefen Temperaturen grundsätzlich bestätigt. Danach ist die reguläre Kristallform mit Sicherheit zwischen -140°C und -120°C stabil. Kubisches Eis in einem offenbar metastabilen Zustand und vermischt mit hexagonalen Kristallen wurde bis -60°C beobachtet. Anscheinend spielen die speziellen Versuchsbedingungen für das Auftreten des metastabilen Zustands eine noch ungeklärte Rolle (siehe Ziegler, 1962).

Die Untersuchung von Zustandsgrössen und Phänomenen in der hohen Atmosphäre, für die automatische und - für die damaligen Verhältnisse - mit minimalem Energieverbrauch registrierende Apparaturen entwickelt wurden, blieben auf den Bereich der mit Gummiballonen erreichbaren Höhen, d.h. unter rd. 30 km Höhe, beschränkt.

10. Die Pressgaskanone

"Ein weiteres Thema von grundsätzlich wissenschaftlicher Bedeutung war die Erreichung grösserer Höhen in der Stratosphäre, um aus diesen physikalische, astrophysikalische und meteorologisch wichtige Daten herunterzuholen. Hierfür wurde einerseits die Herstellung von grossen leichten Ballonen aus Kunstfolien betrieben, andererseits der schon vor längerer Zeit von mir (Regener) gefasste Plan verfolgt, von einem grossen Registrierballon in 25 - 30 km Höhe Meteorographen und Spektrographen mit Druckluft emporzuschiessen." So schrieb Regener in einem 1945 von ihm und Dr. Merckle gezeichneten Bericht (Merckle u. Regener, 1945). Vor allem sollte die atmosphärische Ozonschicht, deren wesentliche Erstreckung bis 45 km Höhe angenommen wurde, durchstossen werden. Die 1938 aufgenommenen Laborversuche verliefen ermutigend. Mit annähernd 200 atm Druckluft konnten bei 50 - 100 g Apparategewicht. 35 mm Kaliber und 2 - 6 m Rohrlänge Geschwindigkeiten von 450 m/sec erreicht werden. Im Verlauf weiterer Versuchsreihen mit Wasserstoff bis 600 Atm wurden schliesslich bei den in Frage kommenden Apparategewichten Geschwindigkeiten von 1000 m/sec und mehr erreicht, so dass das Problem für das Emporschiessen eines Spektrographen aus 30 km Höhe über die Ozonschicht hinaus, d.h. bis zu 50 - 60 km Höhe, grundsätzlich gelöst erschien. Ein dafür von Schopper entwickelter und fertig gebauter kleiner Spektrograph kam aber bis Kriegsende nicht mehr zum Einsatz.

11. Die Raketennutzlast

Neben diesen in der Forschungsstelle für Physik der Stratosphäre durchgeführten Versuchen war jedoch 1942 die Alternative herangereift, von der eingangs die Rede war. General Dr. Dornberger, der Chef des Entwicklungsstabes der Heeresversuchsanstalt Peenemünde (HAP) schreibt in seinem Buch "V2 - der Schuss ins Weltall" (Dornberger, 1952), dass er und die Herren seines Stabes schon lange vor dem Zweiten Weltkrieg an die Anwendung der Raketentechnik für Forschungszwecke gedacht hatten. Es ist auch bekannt, dass Wernher von Braun nie das Ziel einer schliesslichen Weltraumfahrt aus dem Auge verlor. Zunächst stand jedoch nur eine Rakete zur Diskussion, die eine Höhe über 50 km erreichen würde. Dornberger erwähnt auch, dass man sehr bald mit Professor Regener Verbindung aufgenommen hatte, um ihm die Fortsetzung seiner bisherigen Stratosphärenforschung in grössere Höhen zu ermöglichen. Regener (1954) selbst bestätigt die Initiative von v. Braun, die der Forschungsstelle für Physik der Stratosphäre den Anschluss an diese neuen Möglichkeiten und ihn der Verwirklichung seiner Pläne näher brachte.

So kam es schliesslich zu der Besprechung am 8. Juli 1942, über die u.a. im Protokoll zu lesen ist:

"Das A4 bietet die Möglichkeit, atmosphärische Höhenvermessungen nach neuartigen Methoden auszuführen. Die baldmögliche Durchführung derartiger Untersuchungen liegt nicht nur im Interesse der Forschungsstelle für Physik der Stratosphäre, Friedrichshafen, sondern im Hinblick auf die Gewinnung einwandfreier Berechnungsunterlagen für Flugbahnenberechnungen, Erwärmungsfragen, Schusstafeln usw. auch im Interesse der Heeresanstalt Peenemünde.

Die Forschungsstelle für Physik der Stratosphäre erhält von der HAP einen Entwicklungsauftrag "Entwicklung einer Apparatur zur Höhenvermessung für A4". Die Forschungsstelle entwickelt im Rahmen dieses Auftrages eine Apparatur, die aus folgenden Elementen besteht:

1. Quarzbarograph
2. Drahtthermograph
3. UV-Spektrograph
4. Luftentnahmevorrichtung _..."

"Zur Durchführung vorgenannten Arbeiten benötigt Herr Professor Regener noch einen Spezialisten für die Entwicklung des Spektrographen und einen Feinmechaniker bzw. Uhrmacher. Für die Entwicklung wurde bereits Dr. Paetzold (z.Zt. Gefr. bei einem Ersatztruppenteil) namhaft gemacht."

Von den verschiedenen Entwicklungsphasen liegen ausführliche Berichte von Regener und seinen damaligen Mitarbeitern Paetzold und Schopper vor, in denen allerdings von der Mitführung eines Luftentnahmegefässes nicht mehr die Rede ist. Für die Messung des Druckes wurde neben dem Quarzbarographen für den Bereich von 760 bis 0 mm Hg ein "Spätanlaufbarograph" genanntes Dosenmanometer für den Bereich von 6 bis 0-mm Hg entwickelt. Das druckempfindliche Element des letzteren bestand aus einer nur 0,05 mm starken Kupfer-Beryllium-Membran, die am Rand auf eine starke Auflage aus Messing aufgelötet war. Da der Zwischenraum evakuiert war, wurde die Membran bei hohem Druck an die Auflage angedrückt, deren Profil der Durchbiegung der Membran angepasst war und diese entlastete. Sie hob sich erst bei einem Druck von 10 mm Hg von der Unterlage ab. Die Ausschläge beider Barographen wurden über Federgelenke auf ein Lichtzeigersystem übertragen. Zur Messung der Lufttemperatur dienten ein Ausdehnungsthermometer, ein Widerstandsthermometer und Thermoelemente für den Unterschall- bzw. Überschallbereich mit entsprechender Strömungsführung. Das Ausdehnungsthermometer bestand aus einer Drehwaage, die durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Lamellenbändern aus einem Spezialstahl einerseits und aus Invar andererseits gesteuert wurde. Sämtliche Messwerte wurden über Lichtzeiger photographisch auf Filmtrommeln registriert. Abgesehen von dem diffizilen mechanischen Aufbau und den Anzeige- und Registrierproblemen mussten eingehende Untersuchungen der aerodynamischen Einflüsse auf die Druck- und Temperaturmessungen im Windkanal des Instituts für Gasdynamik der Deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt (DVL) durchgeführt werden. Es würde zu weit führen, noch näher auf Einzelheiten einzugehen, doch sollte erwähnt werden, dass die gleichen Probleme bei den späteren amerikanischen Raketenstarts in ähnlicher Weise erkannt und gelöst wurden.

Der von Paetzold entwickelte Spektrograph war eine stabile, den zu erwartenden Beschleunigungen entsprechende und den zur Verfügung stehenden kurzen Messzeiten angepasste Version des früher von V.H. und E. Regener gebauten Ballonspektrographen. Am 4. Januar 1945 wurden die Geräte nach Karlshagen (HAP) von Schopper, Paetzold und dem Mechaniker Rossner "einbaufertig verschaltet und geeicht" überbracht. Am 18.1.45 waren "Einbau und Justierung der Instrumente der Forschungsstelle mit Funktionserprobung beendet" --- "Die Instrumente wurden in die Tonne eingebaut und einer Gesamterprobung unterzogen, die aufgenommenen Registrierungen ergaben einwandfreie Funktion der Geräte. Instrumentenseitig ist somit die Tonne startklar. Die Instrumente wurden anschliessend wieder ausgebaut und in Karlshagen verschlossen deponiert. Die Startbereitschaft der Tonne erfordert noch einige Montagearbeiten."

Diese Zitate stammen aus dem von Paetzold, Regener und Schopper unterschriebenen Abschlussbericht vom 25. Januar 1945. Der Bericht enthält noch Angaben über den geplanten Ablauf des Messprogramms nach dem Start und die Planung für den Nachbau weiterer fünf Instrumentierungen. Danach überstürzten sich die Kriegsereignisse, so dass es zum "Regener-Schuss" nicht mehr gekommen ist. Über den Verbleib der in Karlshagen deponierten Instrumente ist nichts bekannt. Sollte irgendwo ein Spektrograph mit einem eingebauten Quarz-Anastigmat (Steinheil) Nr. 274818 gefunden werden, so beweist eine heute noch vorliegende Quittung, dass dieser Eigentum der Forschungsstelle für Physik der Stratosphäre, Friedrichshafen/Bodensee, war.

In Amerika begann bald nach dem zweiten Weltkrieg die Ära der Höhenforschung mit Raketen. Sie wurden mit dem gleichen Vehikel eingeleitet, das nach Regeners Konzept die startfertige Nutzlast emportragen sollte. Angesichts dieser Entwicklung mögen ihn widerstreitende Gefühle bei dem Gedanken an seine aussichtsreichen Vorarbeiten bewegt haben. Die Zeit war jedoch nicht dazu angetan, und es entsprach auch nicht Regeners Persönlichkeit, sich in fruchtlosen Ressentiments zu verlieren. Der Wiederaufbau des stark beschädigten Physikalischen Instituts der Technischen Hochschule Stuttgart, in das er wieder als Ordinarius und Direktor eingezogen war, die Wiedereinrichtung eines geordneten Lehrbetriebes und schliesslich die Leitung der gegen Kriegsende von Friedrichshafen nach Weissenau bei Ravensburg verlagerten Forschungsstelle zwangen zum Einsatz für Gegenwart und Zukunft.

Uns bleibt festzuhalten, dass Erich Regener als erster den Weg zu einer wissenschaftlichen Nutzung der neuen Technik beschritten hat.

Ein Abdruck der wichtigsten Dokumente und Berichte über die für die "Regner-Tonne" durchgeführten Arbeiten mit Kommentaren von H.K. Paetzold und E. Schopper erscheint demnächst in den "Mittlg. a. d. Max-Planck-Institut für Aeronomie". Allgemeinere Würdigungen Regeners als Persönlichkeit und Forscher finden sich in einer zahlreichen Literatur (Bothe, 1951; Braunbek, 1951; Ehmert, 1955; Ehmert u. Schöpfer, 1956; Hahn, 1951; Paetzold, 1955; Mühleisen, Paetzold u. Rau, 1955).

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