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Research Collection
Report
Die Atmosphären der Erde, der Planeten unseres
Sonnensystems und der Exoplaneten
Author(s):
Brüesch, Peter
Publication Date:
2016
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-010580523
Rights / License:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
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ETH Library
8. Ausgewählte
Atmosphärische
Phänomene
334
69
8-0
8.1 Gewitterwolken,
Blitz und Donner
335
8.1.1 Entstehung und Struktur von Gewitterzellen
Ein Gewitter ist eine mit luftelektrischen Entladungen (Blitz und Donner) verbundene
komplexe meteorologische Erscheinung. Im Durchschnitt treten auf der Erde etwa 1600
Gewitter gleichzeitig auf, die auf über 0.3% der Erdoberfläche stattfinden (s. Ref. 8.1.1.1).
Für eine einführende Übersicht über Gewitter, Hagel; Blitze, Tornados und Hurrikane s.
Kapitel 3, pp 71, 77, 78; und pp 93- 99.
Gewitter können entstehen, wenn eine hinreichend grosse vertikale Temperaturabnahme in
der Atmosphäre vorhanden ist, d.h. wenn die
Temperatur mit zunehmender Höhe so stark
abnimmt, dass ein Luftpaket durch Kondensation (Entstehung von kleinen Wassertröpfchen aus Wasserdampf) instabil wird und
aufsteigt. Dafür muss die Temperatur pro 100
Höhenmeter um mehr als 0.65 0C abnehmen.
Ein aufsteigendes auskondensiertes Luftpaket
kühlt sich beim Aufstieg um mehr als 0.65
0C/100 m ab (feuchtadiabatischer Aufstieg).
 Starker Hagelsturm am Bodensee
Durch die freiwerdende Kondensationswärme kühlt sich das Luftpaket jedoch weniger
schnell als die umgebende Luft ab. Dadurch wird es wärmer und damit aufgrund der
Dichteabnahme leichter als die Umgebungsluft: ein Auftrieb wird erzeugt. Aus diesem
Grund ist für die Entstehung eines Gewitters eine feuchte Luftschicht in Bodennähe
notwendig, welche über die latente Wärme den Energielieferanten für die
Feuchtekonvektion darstellt und somit die Gewitterbildung überhaupt erst ermöglicht. Die
latente Wärme ist die im Wasserdampf verborgene Energie, die bei der Kondensation in
384
69
Form von Wärme freigesetzt wird.
336
8–1
EEntstehungsprozess einer Gewitterwolke
Durch Hebung kühlt ein feuchtes Luftpaket zunächst ab (1.0 0C/100 m), bis seine Tautemperatur erreicht ist. Ab dieser Temperatut beginnt der im Luftpaket enthaltene
Wasserdampf zu kondensieren und es bildet sich eine Quellwolke, die schliesslich bei
geeigneten Bedingungen zu einer Gewitterwolke, einem sog. Cumulonimbus, anwachsen kann. Beim Kondensationspunkt wird die im Wasserdampf gespeicherte Energie in
Form von Wärmeenergie freigesetzt, wodurch die Temperatur steigt. Dadurch sinkt die
Dichte des Luftpaketes relativ zur Umgebung und erhält dadurch zusätzlichen Auftrieb.
Liegt eine sog. bedingt labile Schichtung der Atmosphäre vor, so steigt das Luftpaket
bis in eine Höhe auf, wo die Temperaturdifferenz pro Höheneinheit (Temperaturgradient)
wieder abnimmt. Dadurch verringert sich der Temperatur- und Dichteunterschied im
Vergleich zur Umgebungstemperatur wieder. Ist die Dichte des Luftpakets schliesslich
gleich der Dichte der Umgebungsluft, verschwindet die Auftriebskraft und die
aufsteigende Luft wird gebremst. Dieses Niveau wird Gleichgewichtsniveau genannt.
Meistens befindet sich das GleichgewichtsNiveau in der Nähe der Tropopause (Kapitel 1,
pp 7 und 9). Diese liegt in Mitteleuropa
zwischen 8 km Höhe im Winter und 12 km im
Sommer. In den Tropen liegt die Tropopause
auf ca. 16 km Höhe.
Cumulonimbus - Wolke
Aufgrund ihrer Trägheit können die Luftpakete
über
das
Gleichgewichtsniveau
hinausschiessen. Solche «overshooting tops»
können Höhen von über 20 km erreichen.
384
69
337
Luftströmungen in Wärmegewittern und Kaltfrontgewittern
Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Gewittern: Das Luftmassengewitter, zu dem das
Wärmegewitter gehört, und das Frontgewitter, zu dem das Kaltluftgewitter gehört. Die
Charakteristika des Wärmegewitters und des Kaltluftgewitters sind untenstehend dargestellt.
Wärmegewitter entstehen in Mitteleuropa fast ausschliesslich im
Sommerhalbjahr. Die starke Sonneneinstrahlung erwärmt die
Luft vor allem in Bodennähe (untere rote Pfeile) und lässt zudem
viel Wasser aus dem Boden durch Gesamtverdunstung (Evapotranspiration) entweichen. Die Temperatur steigt vor allem am
Boden stark an, während sie in der Höhe nahezu konstant bleibt.
Ab einer bestimmten Temperatur (Auslösetemperatur) beginnen
Wärmeluftblasen in die Höhe zu steigen, da sie wärmer und
somit leichter sind als die Luft in ihrer Umgebung. Mit zunehmender Höhe kühlen sie sich ab und erreichen schliesslich das
Kondensationsniveau. Ist die Atmosphäre darüber feuchtlabil
geschichtet, so werden auf diese Weise thermische Gewitter
ausgelöst. Wärmegewitter treten meistens in den Nachmittagsund Abendstunden auf.
Das Kaltfrontgewitter wird ausgelöst durch das Zusammentreffen feuchter Wärmeluft mit einer Kaltluftfront. Der Effekt ist
ähnlich wie bei einem Wärmegewitter (s. nebenstehende Figur).
Wenn eine Kaltfront aufzieht, schiebt sich die kalte Luft wie ein
Keil unter die feuchtwarme Luft., sodass diese in die Höhe gehoben wird. In einer bestimmten Höhe kondensiert der
gasförmige Wasserdampf zu Tröpfchen und es bilden sich
Quellwolken, die schliesslich bei geeigneten Bedingungen zu
Gewitterwolken anwachsen können.
384
69
338
8–2
8.1.2 Entstehung elektrischer Ladung in einer Gewitterwolke
In der Natur ist ein Blitz eine Funkenentladung zwischen einer Wolke und der Erde (Bodenblitz),
innerhalb einer Wolke oder zwischen zwei Wolken (Wolkenblitz) oder von der Erde zu einer Wolke
(Aufwärtsblitz) (s. p. 340). In der Regel tritt ein Blitz während eines Gewitters infolge
elektrostatischer Aufladung der wolkenbildenden Wassertröpfchen oder der Regentropfen auf. Er
wird dabei von Donner begleitet und gehört zu den sog. Elektrometeoren. Dabei werden elektrische
Ladungen (Elektronen oder Gas-Ionen) getrennt und ausgetauscht, d.h. es fliessen elektrische
Ströme. Am häufigsten beobachtet man Blitze bei Cumulonimbus- Wolken (s. p. 337 und
untentstehende Figur; man beachte auch die Figur von p. 77, Kapitel 3).
Der Mechanismus der Ladungstrennung innerhalb der Wolke ist noch nicht vollständig geklärt.
Eine Theorie geht davon aus, dass die Reibung zwischen Eiskristallen zu einer Ladungstrennung
führt. In einer anderen Theorie wird angenommen, dass sich fallende Regentropfen elektrisch aufladen. Eine weitere Theorie vermutet, dass grössere Regentropfen als Folge von Deformationen im
Fallen zerrissen werden und sich das grössere Fragment
positiv, das kleinere Fragment negativ auflädt (Wasserfallelektrizität). Dies könnte vor allem für den eng begrenzten
Bereich im unteren Teil der Gewitterwolke verantwortlich
sein. Eine weitere Theorie hängt mit dem Gefriervorgang
zusammen: Hier wird vermutet, dass während des Gefrierens von Wassertröpfchen positiv geladene Wasserstoffionen H+ (Protonen) zusammen mit der Eiskruste abgesprengt werden. Alle Theorien haben gemeinsam, dass
Ladungen getrennt werden und dann durch die Auf- und
Abwinde innerhalb der Wolke verfrachtet werden, was zum
Aufbau eines grossen elektrischen Feldes führt.
Bodenblitz zwischen einer
Cumulonimbus- Wolke und der Erde
Die Entladung eines Blitzes erfolgt, wenn die Ladungstrennung gross genug ist und das Durschlagspotential erreicht
hat, welches in der Praxis deutlich kleiner als 1 MV/m ist.
339
Anatomie oder Typen von Gewittern
a) Wolke-zu-Boden Blitz: WB
b) Wolke-zu-Wolke Blitz: WW
c) Intra-Wolken Blitz: IW
d) Boden-zu-Wolke Blitz: BW
340
8–3
Leitblitz, Fangentladungen und Hauptblitz
Der Blitzentladung geht eine Serie von Vorentladungen voraus, die gegen die Erdoberfläche gerichtet
sind. Dabei wird ein Blitzkanal, der sog. Leitblitz, erzeugt (A), d.h. ein elektrisch leitender Kanal wird
durch Stossionisation der Luftmoleküle durch «Runaway–Elektronen» gebildet. Der ionisierte Blitzkanal baut sich stufenweise auf (daher engl. «stepped leader»), bis er zwischen Erdoberfläche und
Wolke hergestellt ist. Die Vorentladungen sind zwar zum Erdboden hin gerichtet, variieren aber
innerhalb einiger Meter leicht ihre Richtung und können sich stellenweise aufspalten. Dadurch
kommen die Zick-Zack Form und die Verästelung des Blitzes zustande.
Kurz bevor die Vorentladungen den Erdboden erreichen, gehen vom Boden ein oder mehrere lichtschwache Fangentladungen aus (B). Eine Fangentladung tritt meistens bei spitzen Gegenständen
(Bäume, Masten, Kirchtürme) auf. Meistens trifft eine der Fangentladungen mit einer Vorentladung
zusammen und bildet einen geschlossenen Blitzkanal, den sog. Hauptblitz (C), zwischen Wolke und
Erdboden. Der Hauptblitz weist maximal 12 mm im Durchmesser auf. Durch diesen Kanal erfolgt dann
die Hauptentladung, welche sehr hell ist und als eigentlicher Blitz wahrgenommen wird. Das Leuchten
des Blitzes wird durch die Bildung von Plasma verursacht.
vL ≈
300 km/s
vH ≈
100’000 km/s
A) Leitblitz mit
B) Fangentladungen
C) Hauptblitz
Geschwindigkeit vL
Geschwindigkeit vH
341
Leitblitz von Wolke gegen Boden mit
Fangentladung vom Boden aus
Eigenschaften von Blitzen
Temperaturen: Die höchste bisher gemessene Temperatur eines Blitzes liegt bei ca. 30’000 0C (!) und
wurde für die Dauer einer Millionstel Sekunde (10-6 s) in einem Blitzkanal gemessen. Diese Temperatur
übertrifft die Oberflächentemperatur der Sonne um mehr als das Vierfache!
Durchmesser: Der sichtbare Durchmesser eines Blitzes beträgt einige cm bis 10 cm, doch ist eine
exakte Bestimmung mit Hilfe einer Fotographie sehr schwierig.
Längen von Blitzen: Vertikal verlaufende Blitze (Bodenblitze, s. p. 340) haben eine Länge zwischen 5
und 7 km; bei horizontalen Blitzen (Wolkenblitzen, p. 340) beträgt die Durchschnittslänge etwa 8 km.
Mit Hilfe von Radargeräten wurden aber auch schon horizontale Blitze mit einer Länge von 140 km
festgestellt.
Geschwindikeit: Die Geschwindigkeiten v von Blitzen liegen zwischen einem Zehntel und einem Drittel
der Lichtgeschwindigkeit c (c ≈ 300’000 km/s). Es sei v1 = 30’000 km/s und v2 = 100’000 km/s. Der
Umfang der Erde ist U ≈ 40’000 km. Daraus folgt, dass in einer Zeit von t = 1 s der Blitz sich 0.75 mal,
respektive 2.5 mal um die Erde bewegen würde.
Hauptentladung: Die Hauptentladung eines Blitzes besteht aus mehreren Stössen. Ein durchschnittlicher Blitz besteht aus 4 Entladungen, die je etwa t = 40 ms bestehen. Bei einer Spannung von U = 30
MV ist der Strom I ≈ 20 kA. Die elektrische Energie E pro Entladung ist gegeben durch E = U*I*t;
Einsetzung der obigen Werte ergibt für die 4 Entladungen E ≈ 26 kWh. Das ist eine Energie, die ein 4 –
Personen – Haushalt in etwa 2 – 3 Tagen verbraucht. Da 1 L Heizöl eine Wärmeenergie von ca. 10 kWh
enthält, entspricht die Blitzenergie von 26 kWh der Wärmeenergie von 2.6 L Heizöl. Ein sehr starker
Blitz kann etwa 10 Mal mehr Energie entladen (≈ 260 kWh  ≈ 26 L Heizöl) [s. auch p. 96, Kapitel 3].
Licht Emission: Durch die extrem hohen Temperaturen und elektrischen Felder in einem Blitzkanal
wird die Luft (O2 und N2) ionisiert, d.h. Elektronen werden weggerissen und mobilisiert. Zusätzlich
werden die Atome hoch angeregt und bilden ein Plasma. Wenn die Energe des Plasmas abnimmt,
rekombinieren die freien Elektonen und die gebundenen hochangeregten Elektronen relaxieren in ihre
Grundzustände oder in weniger hoch angeregte Zustände. Dabei werden Photonen, d.h. Strahlung
emittiert – UV – VIS und IR- Licht. Dies erklärt die gelb-weisse Farbe der Blitzkanäle.
342
8–4
8.1.3 Entstehung und Eigenschaften des Donners
Der Donner entsteht durch die plötzliche Ausdehnung der Luft, verursacht durch den extremem
Temperaturanstieg beim Durchgang eines Blitzes (25’000 bis 30’000 0C, s. p. 342). Dieser Vorgang
startet nur bei ausreichender Luftfeuchtigkeit. Die Luft dehnt sich mit einer Geschwindigkeit u
oberhalb der Schallgeschwindigkeit v aus und durbricht die Schallmauer: u > v = 340 m/s. So wird
eine Druckwelle aus verdichteten Luftmolekülen erzeugt. Das um den Blitzkanal stark aufgeheizte
Luftplasma bewirkt durch die von ihm (wenige Meter) ausgehende Stosswelle den Donnerknall.
Die Intensität bzw. Lautstärke dieses Knalls nimmt mit der Entfernung ab, da sich die Energie der
Druckwelle auf eine grössere Fläche verteilt. Während nur in unmittelbarer Nähe (bis ca. 5 km) ein
«Knall» wahrnehmbar ist, vernimmt man in weiterer Entfernung vom Blitz ein andauerndes
Raunen oder Rollen ohne Lautstärkenspitzen. Dieses «Strecken» der Druckwelle entsteht durch
Dispersion, d.h. durch unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten der einzelnen Frequenzen des
Knalls. Ausserdem spielen Reflexion und Brechung der Schallwellen sowie Winde in der durchquerten Luft eine Rolle. Aus all diesen Gründen trifft die Druckwelle zu verschiedenen Zeiten
beim Beobachter ein. Ist die Entfernung des Beobachters zum Blitz zu gross, dann wird der
Donner nicht mehr wahrgenommen und man beobachtet nur noch ein Wetterleuchten.
Im einfachsten Fall kann die Entfernung des Blitzes vom
Beobachter sehr einfach bestimmt werden: Es sei t die Zeit
in Sekunden, welche zwischen der Beobachtung des
Blitzes und der akustischen Wahrnehmung des Donnerknalls verstreicht. Dann ist die Entfernung des Blitzes
vom Beobachter gegeben durch d = v*t . Ist z.B. t = 10 s,
dann ist d = 340 m/s * 10 s = 3’400 m = 3.4 km. Diese Abschätzung gilt aber nur, wenn alle oben erwähnten
Komplikationen vernachlässigt werden können.
Zeus, der griechische Gott des
Himmels und des Donners
343
Akustische Emissionen von Blitzen
Bei einem Bodenblitz schlägt der Blitz von
der Wolke senkrecht zum Boden ein , (p.
340, Figur a)). In diesem Fall ist die
Blitzerichtung im wesentlichen senkrecht
zum Beobachter, der dann einen lauten
Knall hört.
Ist die Blitzrichtung annähernd parallel zur
Sichtlinie des Beobachters (p. 340, Figur
b)), dann hört dieser das bekannte
Donnergrollen. Diese Situation liegt dann
vor, wenn es sich um einen Wolke-zuWolke Blitz handelt.
Bei einer Kombination von Bodenblitz und
Wolke-zu-Wolke Blitz hört der Beobachter
sowohl einen scharfen Knall als auch das
Donnergrollen.
344
8–5
8.1.4
Gefahren von Blitzen und Blitzschutz
Opfer eines Blitzschlages
Tote Kühe nach Blitzeinschlag
Brennendes Haus
nach Blitzeinschlag
345
Ölraffinerie in Venezuela: Speichertank steht
nach Blitzeinschlag in Flammen
Blitzschutz durch Blitzableiter und Erdung
Benjamin Franklin (1706 – 1790) gilt al der Erfinder des Blitzableiters. Er fand heraus, dass elektrische
Ladungen von Metallspitzen angezogen werden. Im April 1749 beschreibt er seine Beobachtungen:
«Wenn elektrische Wolken über ein Land, hohe Berge, grosse Bäume, hochaufragende Türme
…ziehen, dann ziehen diese das elektrische Feuer auf sich und die gesamte Wolke entlädt sich dort».
Er montierte auf hohen Türmen Eisenstangen als Blitzableiter.
Ein Blitzableiter ist ein bis an eine exponierte Stelle geführter, geerdeter elektrischer Leiter (Aluminium
oder Kupfer- Leiter mit Durchmesser zwischen 8 und 10 mm). Ein Blitzableiter vermeidet in erster
Linie, dass ein Blitz in das geschützte Gebäude einschlägt. Der Einschlag findet stattdessen in der
Blitzschutzanlage statt. Im Falle eines Einschlages bietet die Blitzschutzanlage einen definierten,
niederohmigen Strompfad, womit Beschädigungen am geschützten Objekt vermieden werden sollen.
Damit die hohen Blitzströme sicher in die Erde abgeleitet werden können, muss die FundamentErdung eine niedrige Impedanz haben. Die Wahrscheinlichkeit, dass Blitzableiter zusätzlich Blitze
anziehen, ist so gering, dass sie sich statistisch nicht nachweisen lässt.
a) Benjamin Franklin
b) Blitzableitersystem eines Hauses
346
8–6
c) Blitzableiter an einer Statue
auf dem Bayrischen Landtag
Blitzschutz durch Faraday - Käfig
Michael Faraday (1791 - 1867) war ein englischer Naturforscher, der als
einer der bedeutendsten Experimentalphysiker gilt. Er ist u.a. der
Entdecker des Influenz- bzw. Ladungsverschiebungsgesetzes, auf welchem
der «Faradaysche Käfig» beruht (s. Figur unten links). Durch das äussere
elektrische Feld E12 der Kondensatorplatten 1 und 2 werden am
metallischen Rand 3 und 4 des Käfigs Ladungen verschoben (Influenz).
Das Gegenfeld im Innern, E34, hebt das Feld E12 auf: E12 + E34 = E = 0.
So wäre im idealen Faradayschen Käfig, der allseits geschlossen und aus
elektrisch leitendem Material besteht, zum Beispiel kein Mobilfunk oder
Radioempfang möglich. Auf diesen Grundlagen ist man bei einem Blitzschlag im Innern eines Autos am sichersten, da der Innenraum relativ
feldfrei bleibt. (s. Bild rechts unten). Aus dem gleichen Grund ist auch der
Innenraum von Flugzeugen gegen Blitzschlag gut geschützt.
Michael Faraday
Entgegengesetes
Elektrisches Feld Feld E im Faraday34
E12 im PlattenKäfig eines Plattenkondensator
kondensators
E12
2
Resultierendes
Elektrisches Feld
E12 + E23 = E = 0
im Faraday-Käfig
E = 0:
feldfreier
Raum
E34
1
3
4
2
3
4 1
347
Blitzeinschlag auf ein
geschlossenes Auto
8.1.5 Fraktale Eigenschaften von Blitzen
Das Wort fraktal stammt aus dem lateinischen «fractus» und bedeutet dort «gebrochen»
(in der Medizin gibt es ein ähnliches Wort: Fraktur). Fraktale Strukturen zeichnen sich
durch einen hohen Grad von Selbstähnlichkeit aus. Das ist z.B. der Fall, wenn ein Objekt
aus mehreren kleinen Kopien seiner selbst besteht. Dabei muss diese Selbstähnlichkeit
nicht perfekt sein, d.h. es können erhebliche Abweichungen auftreten, indem die kleinen
Strukturen nur Ähnlichhkeiten mit den grösseren Strukturen aufweisen.
In den untenstehenden Bildern sind die fraktalen Strukturen von Blitzen ersichtlich. Die
linke Figur zeigt sehr eindrücklich die fraktale Verästelung eines Bodenblitzes. In der
rechten Figur ist eine künstlich erzeugte elektrische Entladungen abgebildet.
Fraktale Struktur eines Blitzes
Elelktrische Entladungen (Lichtenberg-Figuren),
welche die natürliche Schönheit der
fraktalen Struktur zeigen.
348
8–7
8.1.6
Kugelblitze - Beobachtungen
Diese extrem seltene Blitzform sieht aus wie eine sich langsam fortbewegende Kugel. Ihr
Durchmesser ist normalerweise im Bereich zwischen 20 bis 40 cm. Photographische Belege gibt es
bis jetzt nicht.
Nicht nur Berühmtheiten wie der römische Philosoph Seneca, Plinius der Ältere, Karl der Grosse oder
Heinrich II von England und in neuerer Zeit die Physik- Nobelpreisträger Niels Bohr und Piotr Kapitza
wollen sie beobachtet haben. Auch weniger namhafte Personen berichten von unerwarteten
Begegnungen mit Kugelblitzen; im Internet sind hierzu mehr als eine Million Einträge zu finden (z.B.
Kugelblitz von Neuruppin). Andererseits scheint die Erscheinung doch so selten, dass bis jetzt keine
zuverlässigen Daten ermittelt werden konnten.
Augenzeugen berichteten, dass die Kugelblitze verschiedene Farben annehmen können, inklusive
blau, gelb und rosa bis orange. Diese Blitzkugeln kommen normalerweise während oder unmittelbar
nach einem heftigen Gewitter vor.
Kugelblitze können für mehrere Sekunden bis zu ca. einer Minute anhalten, aber sie richten
normalerweise keine Schäden an. Charakteristisch ist die Beweglichkeit dieser Erscheinungen:
Innerhalb von 2 bis 8, maximal 30 Sekunden ändern sie oft ihre Richtung, offenbar nicht vom Wind getragen, sondern sie orientieren sich an sichtbaren
Objekten. Dabei durchdringen sie auch feste
Hindernisse unverändert und oft ohne Spuren zu
hinterlassen, und der Regen fällt unbeeinflusst
hindurch. Manche Zeugen berichten von Funkenschlag
oder von einem Ende mit einem lauten Knall, der
teilweise auch Verletzungen und Beschädigungen
verursacht haben soll.
Die Existenz von Kugelblitzen wird von Wissenschaftern kontrovers beurteilt. Trotz vieler Bemühungen
wurde
kein
Mechanismus
gefunden,
der
die
Beobachtungen zu vereinen weiss. Trotzdem wird die
Existenz von Kugelblitzen zunehmend akzeptiert.
Besobachtung eines Kugelblitzes aus dem 19. Jahrhundert
349
Kugelblitze - Experimente
Kugelblitze im Labor – genauer gesagt kugelblitz-ähnliche
Plasmawolken – haben Wissenschaftler der Arbeitsgruppe
des Max-Planck Instituts für Plasma-Physik (IPP) und der
Berliner Humboldt-Universität (HUB) erzeugt. Mit einer
Unterwasserentladung wurden über einer
Wasseroberfläche leuchtende Plasmabälle erzeugt, deren Lebensdauer
knapp eine halbe Sekunde und deren Durchmesser 10 bis 20
cm beträgt.
Im Labor erzeugte kugelblitzähnliche Plasmawolke
HVSchalter
- Schalter
HVHV - Netzteil
Kondensatorbank
Der Versuchsaufbau
Parallel zu diesen Experimenten konnte von einer
Arbeitsgruppe in St. Petersburg mit elektrischen Entladungen über Wasseroberflächen kugelförmige Leuchtgebilde produziert werden, die dem Naturphänomen deutlich
näher kommen. Es gilt als wahrscheinlich, dass Gewitterblitze und Wasser bei der Geburt eines Kugelblitzes zusammen wirken müssen.
Abgesehen von der Energieversorgung durch eine Kondensatorbatterie (U = 5 kV, C = 0.5 mF) ist der Versuchsaufbau
ziemlich einfach: in ein mit Salzwasser gefülltes Becherglas
ragen zwei Elektroden, wobei eine durch ein Tonröhrchen
vom umgebenden Wasser isoliert ist. Wird Hochspannung
angelegt, so fliesst für 0.15 s ein bis zu 60 A starker Strom
durch das Wasser. Durch einen Überschlag vom Wasser aus
gelangt der Strom in das Tonröhrchen, wobei das dort
enthaltene Wasser verdampft. Nach dem Stromimpuls zeigt
sich ein leuchtendes Plasmoid aus ionisierten Wassermolekülen (s. Bild oben).
350
8–8
8.2 Erdmagnetfeld, Sonnenwind,
Magnetosphäre und Polarlichter
Ohne Abschirmung des Sonnenwindes
durch das Erdmagnetfeld wäre kein
Leben auf der Erde möglich !!
351
8.2.1 Innerer Aufbau der Erde und Erdmagnetfeld
Der innerer Erdkern erstreckt sich zwischen 5’100 km
und 6’378 km unter der Erdoberfläche. Er besteht
vermutlich aus einer festen Eisen-Nickel Legierung.
Der äussere Erdkern liegt in einer Tiefe zwischen 2’900
km und etwa 5’100 km unter der Erdoberfläche. Bei einer
Temperatur zwischen 3’000 0C und etwa 5’000 0C ist
dieser Teil des Kerns flüssig. Er besteht aus einer
Nickel-Eisen Schmelze. Im Zusammenhang mit der
Erdrotation ist die bewegliche Eisenschmelze aufgrund
ihrer elektrischen Leitfähigkeit für das Erdmagnetfeld
verantwortlich.
Innerer Aufbau der Erde
Ungestörtes Magnetfeld der Erde
(für Details s. Anhang: p. 8-A-2-1)
Das Erdmagnetfeld ist sehr schwach (0.2 bis 0.7 Gauss).
Ausserdem ist es sowohl kurz- als auch langzeitigen
Schwankungen unterworfen. Der Begriff Erdmagnetismus bezeichnet das magnetische Feld, das im
unmittelbaren Bereich der Erde und in Abwesenheit
äusserer Störungen durch den Sonnenwind beobachtet
werden kann (ungestörtes Magnetfeld). Dieses ist in
erster Näherung das Feld eines magnetischen Dipols.
Das Feld erstreckt sich aber weit in den Raum hinaus.
Dieser Raumbereich wird auch Magnetosphäre genannt
und ist stark durch den Sonnenwind gestört. (pp 353356). Zur Entstehung des Magnetfeldes (Geodynamo)
und zu seiner möglichen Umpolung s. Anhang 8-A-2-1
und 8-4-2-2.
[Zum Vergleich: Das Magnetfeld eines kleinen Stabmagneten in einem Abstand von 20 cm ist ca. 0.1 Gauss]
352
8–9
8.2.2 Sonnenwind und Magnetosphäre - 1
Der Sonnenwind ist ein Strom geladener Teilchen, der ständig von der Oberfläche der
Sonne in alle Richtungen abstrahlt.
Der Sonnenwind besteht aus geladenen Teilchen sehr hoher Energie, nämlich aus
Protonen und Elektronen sowie aus Heliumkernen (Alphateilchen); andere Atome und
nichtionisierte (elektrisch neutrale) Atome sind kaum enthalten, weshalb der
Sonnenwind ein sog. Plasma darstellt.
In Erdnähe hat der Sonnenwind eine Dichte von ≈ 5*106 Teilchen pro Kubikmeter und
eine sehr grossen Geschwindigkeit zwischen 300 bis 700 km/s! Die Sonne verliert
durch den Sonnenwind pro Sekunde etwa eine Million Tonne ihrer Masse (die
Sonnenmasse beträgt etwa 1.99»1027 Tonnen). Ohne Abschirmung des Sonnenwindes
durch das Erdmagnetfeld wäre kein Leben auf der Erde möglich!! (s. Ref. R.8.2.4, e)).
Sonnenwind: Abschirmung durch
Magnetfeld der Erde (Figur nicht massstäblich)
353
Sonnenwind und Magnetosphäre - 2
Da der Sonnenwind ein Plasma darstellt, verformt er sowohl das Magnetfeld der
Sonne als auch das der Erde (s. untenstehende Figur). Das irdische Magnetfeld hält
den Teilchenschauer zum grössten Teil von der Erde ab. Nur bei einem starken
Sonnenwind können die Teilchen in die hohen Schichten der Erdatmosphäre
eindringen und dort durch eingedrungene Sonnenwindteilchen in die Plasmaschicht
die sog. Polarlichter hervorrufen (pp 358-361). Starke Sonnenwinde können auch den
Kurzwellenfunk stören (s. Abschnitt 8.3).
Verformung des irdischen Magnetfeldes durch Sonnenwind
354
8 – 10
Sonnenwind und Magnetosphäre - 3
Wie auf pp 353 und 354 erwähnt, trifft der Sonnenwind auf seiner Reise durch das Sonnensystem
auf ein Hindernis, und zwar auf das riesige, dipolare Magnetfeld der Erde. Dieser heranströmende,
aufgeladene Partikelstrom presst das Erdmagnetfeld auf der sonnenzugewandten Seite zusammen
und dehnt es auf der sonnenabgewandten Seite zu einem langen Schweif (pp 353-356 und Bild
unten). Auf diese Weise entsteht die Magnetosphäre der Erde.
Die Berandung bzw. die äussere Begrenzung des länglichen, kometenartigen Körpers gegen den
interplanetaren Raum, ein ca. 100 km dicker Mantel, wird Magnetopause genannt. Durch seinen
hohen kinetischen Druck komprimiert der Sonnenwind die Magnetosphäre auf der Morgenseite (M)
auf eine Distanz von ca. 6*104 km von der Erde, während die Magnetosphäre auf der Abendseite (A)
zu einem Schweif mit einer Länge bis ca. 6*106 km ausgedehnt wird (p. 354, 356 und Bild unten).
Auf der sonnenzugewandten Seite entsteht im Sonnenwind durch den Übergang von einer
Überschall- in eine Unterschallströmung eine sog. stehende Schockfront bzw. Bugstosswelle. Diese
Bugstosswelle ist ca. 18’000 km von der Magnetopause entfernt. Durch die starke Abbremsung des
Sonnenwindes in der Bugstosswelle erfährt der Sonnenwind eine sog. Thermalisierung, d.h. es
kommt zu einer Umwandlung eines Grossteils seiner kinetischen Energie in thermische Energie d.h.
er erwärmt sich.
Beim Auftreffen der Sonnenwindpartikel auf
die Magnetopause kommt es aufgrund der
sog. Lorentzkraft zu einer Trennung der
Elektronen und der Protonen: Von der Erde
aus betrachtet werden die Protonen p nach
rechts, die Elektronen e nach links abgelenkt.
Sie bilden somit einen positiven Pol auf der
Morgenseite (M) und einen negativen Pol auf
der Abendseite (A). Im leitfähigen Plasma der
Magnetosphäre kann zwischen diesen Polen
ein elektrischer Strom fliessen.
p
e
M
A
Drei-dimensionale Darstellung der Magnetosphäre
355
Sonnenwind und Spiralbahnen der Ladungen an den Polen
Dieses zu p. 354 ergänzende Bild zeigt zusätzlich zur Verformung des Magnetfeldes durch den
Sonnenwind die in der Umgebung des Nordpols eindringenden Elektronen (blau unterlegter
Ausschnitt oben rechts). Dieser Ausschnitt zeigt schematisch, wie dort die Elektronen auf
Spiralbahnen um die Magnetfeldlinien in die Erdatmosphäre eindringen und durch chemische
Reaktionen mit dem Sauerstoff und Stickstoff der Luft das Polarlicht auslösen.
In dieser Figur wird gemäss den älteren Vorstellungen angenommen, dass die geladenen Teilchen
überwiegend vom Sonnenwind und der kosmischen Strahlung stammen. Die neuen Untersuchungen haben indessen ergeben, dass die Teilchen hauptsächlich in den sog, Van-Allen-Gürtel
entstehen (s. p. 357).
Bugstosswelle
magn. Pol
Sonnenwind
Sonnenwind
Sonnenwind
Spiralbahnen der Ladungen um Magnetfelder
356
8 – 11
Der Van - Allen - Strahlungsgürtel
Der Van-Allen-Strahlungsgürtel (benannt nach James Van Allen) ist ein Ring (Torus) energiereicher geladener Teilchen, die durch das magnetische Feld der Erde eingefangen werden.
Bisher wurde angenommen, dass diese Teilchen überwiegend vom Sonnenwind und der kosmischen Strahlung stammen (s. p. 356). Neueste Untersuchungen der Sonden «Van-Allen A»
und «Van-Allen B» haben jedoch gezeigt, dass der überwiegende Anteil der Teilchen im Gürtel
selbst entstehen, indem dort Atome durch elektromagnetische Felder quasi zerrissen und so
Elektronen herausgelöst werden.
Der Gürtel besteht im Wesentlichen aus zwei Strahlungszonen: Die innere von ihnen erstreckt
sich in niedrigen geographischen Breiten in einem Bereich von etwa 700 bis 6’000 km über der
Erdoberfläche und besteht hauptsächlich aus hochenergetischen Protonen. Die zweite befindet
sich 15’000 bis 25’000 km Höhe und enthält vorwiegend Elektronen.
Bedeutung für die Raumfahrt: Die Intensität der Strahlung innerhalb des Van-Allen-Gürtels kann
räumlich und zeitlich begrenzt gesundheitsgefährdende Werte annehmen. Daher darf der
Aspekt des Strahlungsschutzes bei bemanntem Raumfahrtmissionen im Erdorbit nicht vernachlässigt werden.
357
8.2.3 Das Polarlicht - Entstehung
Da die elektromagnetischen Prozesse, die für die Entstehung der Polarlichter kompliziert sind,
begnügen wir uns hier mit einer qualitativen Beschreibung.
Das Polarlicht (als Nordlicht am Nordpol, wissenschaftlich «Aurora borealis», als Südlicht am
Südpol «Aurora australis») genannt, ist eine Leuchterscheinung (genauer ein Elektrometeor), die
beim Auftreffen geladener Teilchen des Sonnenwindes (pp 353 – 355) auf die Erdatmosphäre in
den Polargebieten der Erde hervorgerufen wird. Die untenstehende Photographie zeigt ein
Polarlicht in Nordnorwegen (Referenz R.8.2.7 c)).
Die Sonnenwindpartikel (Elektronen und Protonen) besitzen eine durchschnittliche Geschwindigkeit von 500 bis 830 km/s (bis ca. 3 Millionen km/h) und ihre Dichte beträgt ca. 5 MillionenTeilchen
pro m3. Die Sonnenwindteilchen werden vom Magnetfeld der Erde gegen die magnetischen Pole
der Erde gelenkt (pp 354, 356). In der Nähe der magnetischen Pole verläuft das Magnetfeld
praktisch senkrecht zur Erdoberfläche, sodass die Teichen in die Erdatmosphäre eintreten
können (gelbe Pfeile in der Plasmaschicht der Figur auf p. 354). In der Erdatmosphäre stossen die
Sonnenwindpartikel auf die Gasmoleküle der Erde (O2 und N2) und regen diese (teilweise über
komplizierte Reaktionsketten) zum Leuchten an. Diese Reaktionen finden in einer Höhe von 100 300 km über dem Erdboden statt; dort erscheint dann das Polarlicht. Zur Entstehung der
verschiedenen Farben der Polarlichter s. Anhang 8-A-2-3.
358
8 – 12
Polarlichter - Formen und Farben - 1
1) Corona in voller Pracht
Als Corona (nicht zu verwechseln mit
der Sonnen-Corona) bezeichnet man eine
Polarlichtform, die der Beobachter genau
im Zenith sieht.
Die einzelnen Strahlen scheinen hier
in einem Zentrum zusammenzulaufen.
2) Ruhiger Polarlichtbogen
Bei ruhigen Bedingungen, d.h. in Abwesenheit grosser «Böen» des Sonnenwindes, beobachtet man innerhalb des
Polarlichtovals den sogenannten
«ruhigen» Bogen».
Nördlichesr Polarlichtbogen über
Kattfjordeidet bei Tromsø - Norway
Er erstreckt sich in ost - westlicher
Richtung über den Himmel und kann
über 10 Minuten lang ruhig stehen.
359
Polarlichter - Formen und Farben - 2
3) «Bänder» - Polarlichter
Treten Störungen im Sonnenwind auf,
dann verformt sich der «ruhige» Bogen
und es können Beulen oder Falten
entstehen.
Man spricht dann von «Bändern», weil
diese Erscheinungen wie Leuchtbänder
über den Himmel fliessen. Sie wechseln
schnell ihre Farbe, Form und Helligkeit.
4) «Vorhang» - Polarlichter
«Vorhänge» nennt man schliesslich
dünne, schleierförmige Polarlichter, die
bis zu mehreren 100 km Höhe
hinaufreichen.
Oft scheinen helle Sterne durch sie
hindurch (in der vorliegenden
Fotographie nicht vorhanden).
360
8 – 13
Polarlichter – Formen und Farben - 3
b) Nordlicht von Kanada
(Northern light of Canada)
a) Aurora über dem Otertind (Norwegen)
c) Polarlicht in Island
d) Polarlicht in der Nähe von München
361
8 – 14
8.3 Heaviside – Schicht
und Kurzwellenrundfunk
362
8.3.1 Die Ionosphäre mit Kennelly - Heaviside - Schicht
Die Ionosphäre ist ein Teil der Thermosphäre. Sie enthält eine grosse Menge von
Ionen und freien Elektronen (s. Figur). Sie
beginnt oberhalb der Mesosphäre in einer
Höhe von ca. 100 km und geht letztlich in
den interplanetaren Raum über (s. Kapitel 1,
pp 7, 9; Kapitel 2, pp 35, 44).
Die Ionosphäre entsteht durch Absorption
ionisierender solarer Strahlung, vor allem
durch
energiereiche
elektromagnetische
Wellen (UV- und Röntgenstrahlung) aber auch
durch Teilchenstrahlung, hauptsächlich Elektronen und Protonen (p. 354).
F
E
Die Ionosphäre der Erde erlangte ihre
praktische Bedeutung für den weltweiten
Funkverkehr, weil sie Kurzwellen reflektiert
und damit weltweite Verbindungen ermöglicht
und weil ihre freien Elektronen und Ionen die
Ausbreitung von Radiowellen mit wachsender Wellenlänge zunehmend dämpfen.
Temperatur der Atmosphärenschichten mit Elektronendichte (E- und F-Schichten) der Ionosphäre
363
8 – 15
Die Figur zeigt auch die E-Schicht, die sog.
Kennelly-Heaviside-Schicht der Ionosphäre.
Sie befindet sich in einer Höhe zwischen 110 130 km. Diese ist für den weltweiten Funkverkehr von grosser praktischer Bedeutung,
weil sie Kurzwellen reflektiert (s. p. 364).
8.3.2 Die Kennelly - Heaviside – Schicht und Kurzwellenrundfunk
Arthur Edwin Kennelly (1861 – 1939) und
Oliver Heaviside (1850 – 1925) entdeckten
in der Ionosphäre die sog. KennellyHeaviside-Schicht, die auch als E-Schicht
bezeichnet wird. Die E_Schicht wurde
1902 von den beiden Forschern unabhängig entdeckt. Daneben gibt es auch die
prominente F-Schicht (s. pp 363 und 365).
Auf dieser Seite betrachten wir nur die
Reflexion an der E- Schicht.
Oliver Heaviside
Arthur Edwin Kennelly
An der E-Schicht werden Radiowellen im
Kurzwellenbereich mit Frequenzen zwischen 3 MHz bis 30 MHz, d.h. im Wellenlängenbereich von 100 m bis 10 m
reflektiert und können nach MehrfachReflexionen am Boden sehr weite
Strecken rund um die Erde zurücklegen.
[Ist f die Frequenz in Hz = 1/s und λ die
Wellenlänge in m, dann gilt λ = c/f, wobei c
= 3*108 m/s die Lichtgeschwindigkeit ist].
Reflexion von Kurzwellen an
der E-Schicht der Ionosphäre
364
Reflexion von Kurzwellen an den E- und F- Schichten
Die Figur auf p. 363 zeigt, dass das Maximum der E- Schicht bei ca. 120 km liegt und dass die
maximale Elektronendichte etwa 6*104 Elektronen pro cm3 beträgt. Die F- Schicht hat ihr Maximum bei
ca. 300 km mit einer Elektronendichte von ca. 106 Elektronen pro cm3. Die Brechungsindizes in den
Tropo-, Strato- und Mesosphären (p. 363) sind praktisch gleich 1, n ≈ 1. Wegen den verhältnismässig
guten elektrischen Leitfähigkeiten in den E- und F- Schichten (bedingt durch die quasi-freien
Elektronen und Ionen) sind die Brechungsindizes nE und nF in diesen Schichten kleiner als 1.
Ist der Einfallswinkel a der Kurzwellen grösser als ein kritische Winkel aC, dann wird wegen nE < 1
und nF < 1 die Welle an den leitenden Schichten reflektiert, und die Kurzwelle trifft nach einer
bestimmten Strecke wieder auf die Erdoberfläche (s. Figur und Ref. R.8.3.3 (e)). Ein grosser Teil des
Erdbodens absorbiert sehr wenig Strahlung, d.h. er ist verlustarm, insbesondere bei Reflexion an den
leitfähigen Meeren, aber auch bei Reflexion am feuchten Boden (Grundwasser). Aus diesen Gründen
besitzen Kurzwellensignale durch Mehrfachreflexionen oft weltweite Reichweiten. Dies wurde schon
im 1. und 2. Weltkrieg zwecks Propaganda und Informationsaustausch intensiv eingesetzt. Im 2.
Weltkrieg sowohl von den Deutschen (Nazi- Propaganda-Minister Dr. Joseph Goebbels) als auch von
den Alliierten.
F
E
a
a
365
8 – 16
8.4 Weitere Atmosphärische Phänomene
366
8.4.1 Der Regenbogen
Ein Regenbogen ist ein Phänomen der atmosphärischen Optik , das als kreis bogenfarbiges Lichtband mit vielen Spektralfarben in einer charakteristischen
Farbreihenfolge wahrgenommen wird .
Ein Regenbogen entsteht durch das Wechselspiel annähernd kugelförmiger
Wassertropfen mit dem Sonnenlicht , welches bei Ein - und Austritt aus dem
Tropfen wellenlängenabhängig gebrochen und an der rückwärtigen inneren
Oberfläche des Tropfens richtungsabhängig reflektiert wird .
Regenbogen: ausführliche Darstellung in «WASSER» von P. Brüesch; Ref. R.0.B, Abschnitt 7.2
367
8 – 17
8.4.2 Halos: Entstehung und Form
Ein Halo ist ein Sammelbegriff für Lichteffekte der atmosphärischen Optik, die durch Brechung und
Reflexion von Licht an kleinen Eiskristallen in der Atmosphäre entstehen. Damit Halos entstehen
können, müssen die hexagonalen Eiskristalle
möglichst regelmässig gewachsen und durchsichtig sein. Meist bilden sie sich in einer Höhe
von 8 bis 10 km, können aber auch bei der
untergehenden Sonne entstehen.
Kleine Eiskristalle von wenigen Zehntel Millimeter Durchmesser können lange in der Luft schweben und
nehmen dabei keine bevorzugte Orientierung ein.
Das Sonnenlicht wird beim Eindringen in solche Kristallite gebrochen und tritt in Abhängigkeit von der Orientierung der Kristalle und dem
Einfallswinkel des Lichtes nach (mehrfacher
Reflexion im Innern der Kristalle) wieder aus.
Phantastischer Sonnen-Halo der unter
Beim Austritt wird es ein weiteres Mal gebrochen.
gehenden Sonne über Stockholm
Die in der Abbildung links gezeigten zwei
Ein Halo kann auch
Brechungen mit Lichteintritt auf Fläche 1 und
durch das Mondlicht
Lichtaustritt auf übernächster Fläche 3 erzeugen
entstehen: s. p. 8-A-4-3
eine minimale Lichtbrechung von 22o bezüglich
des einfallen-den Sonnen- oder Mondlichtes.
(s. Anhang 8-A-4).
Eeintredendes
1
Sonnenlicht
2
Eiskristall
3
220 Winkel
Eaustretendes
Sonnenlicht
Lichtbrechung an einem Eiskristall
368
22 Grad Halo durch Lichtbrechung an Eiskristallen
8.4.3 Das Elmsfeuer: Allgemeines und Geschichte
Ein Elmsfeuer (Sankt-Elms-Feuer) ist eine seltene, durch elektrische Ladungen hervorgerufene
Lichterscheinung. Erasmus Elmo ist nach dem heiliggesprochenen Bischof und Märtyrer Erasmus
von Antiochia (ca. 240-303 n. Chr., italienisch Elmo) benannt, den die Seeleute anrufen, wenn sie
durch einen Sturm in Not geraten.
Bei einem Elmsfeuer handelt es sich um eine kontinuierliche Korona-Entladung in der Atmosphäre,
die bei gewittrigen Wetterlagen mit elektrischen Feldstärken von mehr als 100 kV/m auftritt. Das
Elmsfeuer kann unter diesen Bedingungen an hohen, spitzen Gegenständen, wie z.B.
Schiffsmasten, Kirchtürmen, Bergspitzen und Stacheldrahtzäunen beobachtet werden. Es tritt auch
an Frontscheiben von Flugzeugen auf. Es handelt sich in der Regel um eine sog. Spitzenentladung.
Sant Elmo oder
Hl. Erasmus
369
8 – 18
St. Elmo’s Feuer an
Schiffsmasten
Das Elmsfeuer: Physikalische Aspekte
Physikalisch gesehen könnte man das Elmsfeuer als eine Art kontinuierlichen
schwachen Blitz bezeichnen. Während oder kurz vor einem Gewitter ist die Luft
stark elektrisch aufgeladen und diese Spannung erzeugt in der Nähe von
exponierten Gegenständen hohe elektrische Feldstärken.
Wenn die Spannung genügend hoch ist, fliesst Strom zwischen der geladenen
Luft und z.B. der Mastspitze eines Schiffes, der Nase eines Flugzeuges oder einer
Bergspitze. Die Luft wird ionisiert und ein flammenähnlicher, blassblau
flackernder Lichtschein entsteht. Die büschelförmige Lichtererscheinung kann
eine Länge von 30 bis 50 cm erreichen und länger als eine Minute anhalten.
St. Elms-Feuer von einem
Flugzeug aus beobachtet
370
8.4.4 Das Purpurlicht
Das Purpurlicht ist eine Dämmerungserscheinung, die am Himmel purpurfarben leuchtet. Es
beginnt etwa 15 Minuten nach Sonnenuntergang über dem Westhorizont, wenn die Sonne etwa 2o
unter dem Horizont steht. Es entsteht durch Streuung und Reflexion an kleinen Staubpartikeln und
Dunst in der Atmosphäre. In der Dämmerungsphase ist der Leuchteinfallswinkel sehr günstig, weil
in die unteren Schichten kein direktes Sonnenlicht einfällt und Streulicht produziert. Das Streulicht
der Staubteilchen wird dadurch weniger überstrahlt und dann sichtbar.
Das Auftreten, die Sichtbarkeit und die Stärke des Purpurlichtes sind stark von den Wetter- und
Beobachtungsbedingungen abhängig; sie hängen vom Luftdruck und den Windverhältnissen in der
Stratosphäre ab. Ursache für starke Purpurlichter können grosse Waldbrände, Vulkanausbrüche
und Luftverschmutzung über Großstädten sein.
Das Purpurlicht ergibt sich durch die überlagerte Wahrnehmung des roten Streulichtes aus den
unteren dunstigen Schichten und dem blauen Streulicht aus den hohen Schichten der Atmosphäre.
Durch Rayleigh-Streuung [s. Ref. R.8.4.5 c)] an den Luftmolekülen des weissen Sonnenlichtes
gelangen die blauen Anteile zum Beobachter. Die Dunstanteile in den unteren Schichten
verursachen eine Mie-Streuung [s. Ref. R.8.4.5 e)].
Das Purpurlicht ist eine
Dämmerungserscheinung
Purpur und violett sind ähnlich, obwohl
Purpur näher bei rot ist. In der Optik
besteht aber ein wichtiger Unterschied:
Purpur ist eine zusammengesetzte
Farbe aus rot und blau. Violett ist
dagegen eine spektrale Farbe mit einem
Wellenlängenbereich l im sichtbaren
Spektrum: 400 nm < l < 450 nm.
371
8 – 19
8.4.5 Nachthimmelsleuchten - Airglow
Airglow bzw. Nachthimmelsleuchten bezeichnet ein schwaches Leuchten höherer AtmosphärenSchichten. Es wurde 1868 vom Astronom und Physiker Anders Ångström entdeckt.
Die Resthelligkeit eines mondlosen Nachthimmels resultiert nicht allein aus künstlichen Lichtquellen am Boden, der indirekten Streuung von Sonnenlicht und dem Licht der Sterne, sondern
auch aus Prozessen in der Ionosphäre (pp 363, 364). Die Gasatome und Gasmoleküle (vor allem
Sauerstoff und Stickstoff) werden durch die solare UV-Strahlung ionisiert und dissoziiert. Bei der
Rekombination der Teilchen wird Strahlung im sichtbaren Bereich ausgesandt, die noch bis lange
nach Sonnenuntergang anhält.
Das bei Tag durch diesen Prozess entstehende Licht ist wesentlich intensiver als das nächtliche,
wird jedoch durch das Licht der Sonne überstrahlt. Von ausserhalb der Erdatmosphäre erscheint
das Airglow als leuchtende Ringe in einer Höhe von ca. 90 bis 500 km über der Erdoberfläche
wobei vor allem ein grünes Band in 90 bis 100 km Höhe dominiert.
Durch Untersuchungen mit Raumsonden soll festgestellt werden, ob in Zukunft Satelliten nach
dem «Airglow» ausgerichtet werden können statt wie bisher nach der Sternenkarte.
Satelliten-Beobachtung des «Airglow»
«Airglow»: Science and Analysis Laboratory / NASA
372
8.4.6 «Rote Kobolde» - «Elfen» und «Blaue Strahlen»
Rote Kobolde (Red Sprites), Blaue Strahlen (Blue Jets) und Elfen (Elves) sind Himmelserscheinungen, die alle mit starken Gewittern verbunden sind.
Rote Kobolde erscheinen als rötliche oder leuchtend rote Entladungen, die stramm aufwärts verlaufen, und deren Blitzkanäle meist kurz nach Austritt aus der Wolkendecke zerfallen. Rote Kobolde
treten in Höhen von bis zu 75 km auf und erreichen Längen von bis zu 20 km. Das sich zerteilende
Kopfende dehnt sich bis auf 50 km aus. Ab 1991 werden Red Sprites gezielt während verschiedener
Space-Shuttle-Missionen aufgezeichnet. Die Beobachtungen durch Radarstationen am Boden ergaben, dass Red Sprites stets nur über der Wolkendecke von besonders heftigen Tropengewittern im
Bereich der Mesosphäre (55 – 85 km Höhe) erscheinen. Ihre Lebensdauer liegt im Bereich von einigen
Millisekunden. Zur Entstehung von Red Sprites gibt es unterschiedliche Theorien (s. Ref. 3.8.4.7).
Thermosphäre
Blaue Strahlen: In rund 40 km Höhe entstehen
auf ähnliche Weise auch weiss-bläuliche, stichflammenähnliche Entladungen, sog. Blue Jets,
die einige Zehntelsekunden dauern und im Berreich der Stratosphäre aus der Wolkenoberdecke
regelrecht herausspringen. Sie ragen bis zu 25
km in die Höhe, bevor sie sich auflösen. Sie
scheinen von Wolken-Boden Entladungen unabhängig zu sein.
100
Elfe
Mesosphäre
Roter
Kobold
50
Blaue
Strahlen
Troposphäre
Elfen: Ein weiteres Ereignis sind sog. Elven, die
in einer Höhe von 60 bis 105 km (Mesosphäre
und Thermosphäre) erscheinen und oft mit Roten
Kobolden auftreten. Sie sind ringförmig und
breiten sich in einem Radius von bis zu 500 km in
Bruchteilen einer Sekunde flächendeckend aus.
Erste Beobachtungen von Elfen konnten 1992
dokumentiert werden.
Höhe (km)
Stratosphäre
10
Blitz
Roter Kobold – Elfe – Blaue Strahlen
373
8 – 20
Anhang : Kapitel 8
8-A-0
Magnetfeld der Erde: Geographische Erdpole und Magnetpole
a) Querschnitt durch die Erde
b) Erde mit Magnetfeld (Nahfeld)
Magnetfeld in Erdnähe
(ungestörtes Magnetfeld)
- Flüssiger äusserer Kern (2900 - 5150 km):
Temperatur: 3700 – 4600 0C; Dichte ca. 12.1 g/cm3;
- Druck: 1500 – 3400 kbar;
- Fester innerer Kern (5150 - 6371 km):
Temperatur: 4600 – 6000 0C; Dichte ca. 12.5 g/cm3,
Druck: 3400 – 3600 kbar
(3600 kbar = 3.6 Millionen bar !)
8-A-2-1
8 – 21
Abnahme des Erdmagnetfeldes - Pol – Umkehr - 1
Magnetisches Dipolmoment m (1022 Am2)
Aufgrund der Rekonstruktion des Paläomagnetfeldes anhand erstarrten Magmas der ozeanischen
Kruste weiss man, dass sich das Erdmagnetfeld im Mittel etwa alle 250’000 Jahre umkehrt. Zuletzt hat
sich dies allerdings vor etwa 780’000 Jahren ereignet. Der Polsprung, also die magnetische
Feldumkehr, dauerte etwa 4’000 bis 10’000 Jahre (Computersimulationen ergeben etwa 9’000 Jahre).
Da das Magnetfeld abnimmt, könnte in nicht allzu ferner Zukunft eine Umpolung bevorstehen
(Schätzung: Jahr 3’000 bis 4’000); diese Vermutung ist wissenschaftlich jedoch noch nicht gesichert.)
Allgemein ist zu beobachten, dass die Häufigkeit solcher Polumkehrungen in den letzten 120
Millionen Jahren zugenommen hat.
Es gibt einige Anzeichen für eine
bevorstehende Polumkehr. So gibt
8.4
es Stellen in der Kern-Mantel-Zone,
in denen die Richtung des Magnet8.3
flusses umgekehrt ist als für die
jeweilige Hemisphäre üblich. Diese
8.2
Bereiche vergrössern sich messbar
und bewegen sich immer weiter
8.1
polwärts. Mit diesem Phänomen
lässt sich die Schwächung und anschliessende Umkehrung des Di8.0
polfeldes erklären. Die nebenstehende Figur zeigt, dass das
7.9
magnetische Dipolmoment m zwischen 1’900 und 2’000 um 6.4%
7.8
abgenommen hat. Im Jahr 2014 war
m ≈ 7.72*1022 Am2. Geologische
7.7
Untersuchungen
von
Keramik1900
1920
1940
1960
1980
2000
Proben haben ergeben, dass sich
Jahr
m in den letzten 4’000 Jahren um
Abnahme des magnetischen Dipolmomentes
ca. 50% abgeschwächt hat.
im Zeitbereich zwischen 1900 und 2000
8-A-2-2
Abnahme des Erdmagnetfeldes - Pol – Umkehr - 2
Während der Phase der Umpolung wäre die Erde dem Sonnenwind stärker ausgesetzt (pp 353355; p. 8-A-1-1). Das korrespondiert mit der Beobachtung, dass in den entsprechenden
Sedimentschichten ein Artenwechsel von Kleinorganismen festgestellt werden konnte.
Möglicherweise war daher die Oszillation des Erdmagnetfeldes und die damit einhergehenden
DNA-Mutationen durch hochenergetische Strahlung ein Schrittmacher und zugleich bedeutender
Antrieb der Evolution. Allerdungs entstehen wohl durch die Wechselwirkung der Ionen des
Sonnenwindes in der Ionosphäre magnetische «Schläuche», die von der sonnenzugewandten
Seite zur Schattenseite der Erde führen. Diese Selbstmagnetisierung
führt zu einer
magnetischen Abschirmung von ähnlicher Wirkung wie das heutige Magnetfeld.
Simulation des Magnetfeldes der Erde.
Die vereinfachte Dipolnäherung ist nur im
näheren Aussenbereich der Erde gültig.
Chaotische Störung des Erdmagnetfeldes.
Das Aussenfeld lässt sich nicht mehr als
Dipolfeld beschreiben.
Das Magnetfeld der Sonne kehrt sich viel häufiger um, etwa alle 11 Jahre. Es verschwindet aber
während der Umpolung nie ganz, sondern wird chaotisch.
8-A-2-3
8 – 22
ZDie Farben der Polarlichter
Die Entstehung der verschiedenen Farben der Polarlichter ist relativ komplex. Als
Ergänzung zu p. 358 begnügen wir uns hier mit einer qualitativen Diskussion.
Die aus der Magnetosphäre in die Atmosphäre eindringenden Sonnenwindteilchen
stossen mit den Sauerstoff- und Stickstoffatomen und Molekülen der Luft zusammen.
Dadurch werden diese angeregt, d.h. durch den Zusammenstoss wird ein äusseres
Elektron eines Luftteilchens auf eine höhere Bahn (Quantenzustand) angehoben. Beim
Zurückfallen des Elektrons in den Grundzustand wird die aufgenommene Energie in
Form von Licht abgestrahlt.
Polarlichter entstehen also, wenn elektrisch geladene Teilchen des Sonnenwindes auf Sauerstoff- und Stickstoffatome oder Moleküle in den oberen Schichten der Erdatmosphäre treffen und diese ionisieren. Von der Art des
angeregten Atoms oder Moleküls der Luft hangt die Farbe
des abgestrahlten Lichtes ab. Sauerstoff sendet grünes und
rotes Licht aus, Stickstoff dagegen überwiegend blaues
Licht. Da das vom Sauerstoff abgestrahlte Licht besonders
intensiv ist, herrscht bei Polarlichtern häufig ein grüner
Farbton vor. Dabei ist das grüne Licht auf einer Höhe von
120 km bis 140 km am intensivsten, das rote Licht dagegen
meist erst oberhalb von 200 km.
Polarlicht in Island
Je nach den gerade vorliegenden Gegebenheiten beobachtet man eine oder mehrere
Grundfarben oder Mischfarben des sichtbaren Spektralbereichs. Die auf den Seiten 358 –
361 abgebildeten Fotographien zeigen die Vielfalt und Schönheit der entstehenden
Farben von Polarlichtern.
8-A-2-4
Gewisse Vögel können das Erdmagnetfeld wahrnehmen
Gewisse Vögel können das Erdmagnetfeld wahrnehmen und sich mit der
Leichtigkeit einer Kompassnadel orientieren. Es handelt sich hier um eine
ausserordentliche Fähigkeit der Zugvögel, sich auf dem rechten Weg zu halten.
Dieser unglaubliche Sinn ist eng mit einem alltäglicher Sinn verbunden – nämlich
der Sicht. Dank eines speziellen Moleküls in der Netzhaut, können Vögel wie z.B.
das europäische Rotkehlchen (s. Bild) im wahrsten Sinne des Wortes das
Erdmagnetfeld sehen. Das Magnetfeld erscheint als Lichtmuster und Schatten,
oder sogar als Farben, welche der normalen Sicht überlagert sind. Katrin Stapput
von der Goethe Universität in Frankfurt hat gezeigt, dass diese Fähigkeit zur
«Magnetorezeption» durch ein klares Bild des rechten Auges erzeugt wird.
[Für weitere Informationen: s. Referenz R.A.2.5 / Referenzen b) und c)].
8-A-2-5
8 - 23
Zum Halo: Lichtbrechung am hexagonalen Eiskristall - 1
Die untenstehende Figur zeigt die Brechung eines Lichtstrahls der Sonne an einem in
der Atmosphäre schwebenden kleinen Eiskristall (s. p. 368) (das zusätzliche Dreieck
ABC wurde aus didaktischen Gründen beigefügt). Der Winkel g beträgt 60o. In der Figur
wurde angenommen, dass der (rote) Lichtstrahl horizontal (parallel zur Seite AB) auf
den Kristall fällt und im Punkt P1 zum ersten Mal gebrochen wird. Nach seinem Weg
durch den Kristall wird er im Punkt P2 zum zweiten Mal gebrochen.
C
a : Einfallswinkel auf Kristall
1
b 1: Brechungswinkel nach Eintritt
g
n1 = 1
(Luft)
A
b 2: Einfallswinkel vor Austritt
a2: Brechungswinkel aus Kristall
d: Ablenkungswinkel:
B
a1
Brechungsindizes:
P1
b1
b2
a2
n1 = 1 (Luft); n2 = n = 1.310 (Eis)
d
P2
d = (a1 + a2) – (b 1 + b 2)
g

b1 + b2 = g
(1)
d = a1 + a2 – g
(2)
Brechungsgesetze:
n2 = n
Eiskristall
Brechung des Lichtes am Eiskristall
sin(a1) = n sin(b 1)
(3)
n sin(b 2) = sin(a2)
(4)
8-A-4-1
Zum Halo: Lichtbrechung am hexagonalen Eiskristall - 2
Im Folgenden berechnen wir mit Hilfe der Gleichungen (1) bis (4) von p. 8-A-4-1 den
Ablenkungswinkel d als Funktion von a1, g und n: Mit den trigonometrischen Formeln
sin(g-b 1) = sing cosb 1 – cosg sinb 1 sowie mit cosb 1 = (1 – sin2b 1)½ folgt zunächst nach
einfachen Umformungen:
a2 = arc sin(n sinb 2) = arc sin[sing (n2 – sin2a1)1/2 – cosg sina1]
(5)
Setzt man Gleichung (5) in Gleichung (2) ein, dann erhält man die gesuchte Beziehung:
d(a1,g,n)) = a1 – g + arc sin[sing (n2 – sin2a1)1/2 – cosg sina1]
d
n = 1.31, g = 600
a
dmin
(6)
Man kann beweisen, dass der Ablenkungswinkel d minimal ist wenn a1 = a2 =
a und b 1 = b 2 = b, d.h. bei symmetrischem Durchgang, bei dem der Lichtweg in der Figur von p. 8-A-4-1 von P1
nach P2 parallel zu AB ist. Der minimale
Ablenkungswinkel ist dann
dmin = 2 arc sin[n sin(g/2)] – g .
Für hexagonale Eiskristalle d.h. für g =
600 und n = 1.310 (gelbe Na-D Linie)
folgt: dmin = 21.80 und a = 40.90. Der Halo
hat dann bei dmin seine maximale Intensität (s. nebenstehende Figur und Halo
a1
auf p. 368).
8-A-4-2
8-A-4-2
8 – 24
Ein Mond Halo in Mandan, Nord Dakota – Februrary 2015
von Marshall Lipp
8-A-4-3
Leuchtende Nachtwolken
«Leuchtende Nachtwolken» (engl. «Noctilusent clouds» – NLC) sind silberigweisse dünne Wolken, die
in manchen Sommernächten in Nordrichtung am Horizont gesehen werden können. Im Gegensatz zu
anderen Wolkenarten, die in mittleren Breiten maximal eine Höhe von 13 km erreichen, treten die
Leuchtenden Nachtwolken in einer Höhe von ca. 83 km auf (s. Kapitel 2, p. 44). Sie können nur
gesehen werden, wenn die Sonne zwischen 60 und 160 unter dem Horizont steht. Dann werden die
«Leuchtenden Nachtwolken» noch von der Sonne beschienen, während der Himmel sonst bereits
dunkel ist. Für die Entstehung der «Leuchtenden Nachtwolken» muss die Temperatur der Mesopause
(p. 44) sehr niedrig sein. Diese tiefe Temperatur stellt sich zwischen Mitte Mai und Mitte August ein.
Bei uns erreichen die «Leuchtenden Nachtwolken» eine Höhe von ca. 200 über dem nordwestlichen
bis nordöstlichen Horizont.
«Leuchtende Nachtwolken» bestehen aus Wassereis. Um in den Höhen von 83 km bei den sehr geringen Wasserdampfkonzentration überhaupt Eis zu bilden, bedarf es sehr niedriger Temperaturen
(unter 140 K). Ferner sind entweder Staubpartikel als Kondensationskerne erforderlich oder es bilden
sich aufgrund des Dipolcharakters der Wassermoleküle sog. Wassercluster - Ionen.
«Leuchtende Nachtwolke» vom 04.07.2014
über Deutschland
8-A-4-4
8 - 25
«Noctilucent clouds» photographed by
the crew of ISS
Referenzen: Kapitel 8
R-8-0
8.1 Entstehung und Eigenschaften von Gewittern und Blitzen
R.8.1.0
p. 335: Gewitterwolken - Blitz und Donner
R.8.1.1
p. 336: (*) Anmerkung: Gewitter-aktive Fläche auf der Erdoberfläche
a) Die ca. 1600 Gewitter, welche auf der Erdoberfläche gleichzeitig auftreten, beanspruchen eine Fläche
von ca. 0.3% der Erdoberfläche. Die Erdoberfläche beträgt ca. 510 Millionen km2. Daraus ergibt sich eine Gewitter-aktive Fläche von ca. 1.53 Millionen km2 . Das entspricht etwa der Fläche des Golfs von
Mexiko mit einer Fläche von ca. 1.54 Millionen km2 b) Gewitter: http://de.wikipedia.org/wiki/Gewitter
[Enthält Bild von «Gewitterwolke eines kräftigen Hagelgewitters am Bodensee»]
R.8.1.2
p. 337: Gewitter
a) http://de.wikipedia.org/wiki/Gewitter
pp 336, 337: Thunderstorm
b) http://en.wikipedia.org/wiki/Thunderstorm
R.8.1.3
p. 338: Wärmegewitter_und_Kaltfrontgewitter
a) Informationen über die Entstehung von Gewittern, Hagel und Tornados
http://www.sturmwetter.de/texte.gewitterinfos.htm
b) Referenz R.8.1.2 a)
c) Wetter- Wärmegewitter
Front- und Luftmassengewitter: Das Wärmegewitter gehört zu der letzteren Gruppe
http://www.xn-froschkoenig-keb.info/Wetter/hotzescheiss.htm
R.8.1.4
p. 339: Entstehung elektrischer Ladung in einer Gewitterwolke
a) Blitz - http://de.wikipedia/org/wiki/Blitz
b) Lightning - http://en.wikipedia.org/wiki/Lightning
c) Wissen + Schulungsforum >> Blitz und Donner – Wie entsteht er eigentlich ?
http://www.stormhunters-germany.de/t67f37-Blitz-und-Donner-Woe-entsteht-er-eigentlich.html
d) Die Entstehung von Gewittern
10.06.2008/ Autor: Alexandra Doll – on June 16 2008 - Letzte Aktualisierung Jul. 09 2013
suite 101.de/article/die-entstehung-von-gewittern-146220
R-8-1
8 – 26
R.8.1.5
p. 340: Anatomie oder Typen von Blitzen
a)
b)
c)
d)
e)
R.8.1.6
Wolke-zu_Boden Blitz: WB
Wolke-zu-Wolke Blitz: WW
Intra-Wolken Blitz: IW
Boden-zu-Wolke Blitz: BW
Wie entlädt sich ein Blitz bei einem Gewitter?
http://www.asklubo.com/de/garten-natur/wie-entlädt-sich-ein-blitz-bei-einem-gewitter - [Bilder aus Internet]
p. 341: Leitblitz – Fangentladungen und Hauptblitz
a) Referenz R.8.1.4
b) Fangentladung - http://de.wikipedia.org/wiki/Rangentladung
c) Bild: Die drei wesentlichen Phasen einer Blitzentladung - http: kurios.at/wetter/entl.html
d) Lithtning flashes and strokes - [enthält Informationen über «Return strokes», d,h, Fangentladungen}
http://en.wikipedia.org/wiki/Lightning
R.8.1.7
p. 342: Eigenschaften von Blitzen
a) Blitz und Gewitter - http://www.ping.de/schule/pg-herne/p-wetter/bkutze/internet.htm
b) Zur Hauptentladung - Referenz R.8.1.4
c) Wärmeenergie von Heizöl.
Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr und Kommunikation (UVEK)
[PDF] Umrechnungsfaktoren / Facteur de conversation
www.erdgas.ch/fileadmin/customer/…/Data/…/umrechnungsfaktoren.pdf
d) Lightning Part 3: The Lightning Bolt
http://scexplorer.blogspot.ch/2013/01/lightning-part-3-lightning-bolt.html
R.8.1.8
p. 343: Entstehung und Eigenschaften des Donners
a) Donner - http://de.wikipedia.org/wiki/Donner
b) Thunder - http://en.wikipedia/org/wiki/Thunder
R.8.1.9
p. 344: Environment Canada – Weather and Meteorology
The Sound of Thunder: Drei Bilder von Donner mit entsprechendem Knall und Geräuschen
http://ec.gc.ca/foudre-lihghtning/default.asp?lanng-En&n=4EFD3A52-1
R-8-2
R.8.1.10
p. 345: Opfer und Brände durch Blitzeinschläge - aus: Bilder: www. Google.ch
Oelraffinerie in Venezuela: Speichertank steht nach Blitzeinschlag in Flammen
http://www.spiegel.de/panorama/venezuela-raffinerie-brennt-nach-blitzeinschlag-a-915996,htm
R.8.1.11
p. 346: Benjamin Franklin (1706 – 1790)
a) Erfindung des Blitzableiters : Benjamin Franklin - http://de.wikipedia.org/wiki/Benjamin:Franklin
b) Der Blitzableiter / Benymin Franklin - http://www.gymmuenchen.ch/stalder/klassen/sa/rev_d/blitz.html
c) Blitzableiter mit Bild von blitzableitender Statue - http://de.wikiprdia.otg/wiki/Blitzableiter
d) Blitzschutzerdung - http://de.wikipedia.org/wiki/Blitzschutzerdung
e) Lightning rod - http://en.wikipedia.org/wiki/Lightning_rod
R.8.1.12
p. 347: Blitzschutz durch Faraday – Käfig
a)
b)
c)
d)
Michael Faraday: http://de.wikipedia.org/wiki/Michael:Faraday
Elektrische Ladung / Feld: http://fehertamas.com/2009/elektrische-ladung
Faradayscher Käfig - R.8.1.8 - http://www.abi-physik.de/buch/das-elektrische-feld/faradayscher-Käfig
Elektrisches Feld und elektrische Spannung
http://www-med-physik.vu-wien.ac.at/physik/ws95/w95e0dir/w95e2000.htm
e) Faraday- Käfig: Figur aus: www.google.ch.search under «Faraday – Käfig im Feld des Plattenkondensators
(Die Figur wurde von P. Brüesch durch die Angabe der elektrischen Felder E12 und des entgegengesetzten
inneren Feldes E34 ergänzt: E12 + E23 = E = 0, wobei E das im Käfig verschwindende Feld ist)
f) Figur von Blitzschlag auf Auto: gefunden unter Bilder: «Blitschlag auf Auto-Käfig»
R.8.1.13
p. 348: Fraktale Eigenschaften von Blitzen
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Fractal Dimension of Dielectric Breakdown - L. Niemeyer, L. Pietronero, and H,J, Wiesmann
Physical Review Letters, Vol. 52, 19 March 1984, pp 1033 – 1036
Fraktal: http://de.wikipedia.org.wiki/Fraktal
Fractal: http://en.wikipedia.org/wiki/Lichtenberg/Fractal
Fractal dimension of lightning discharches - Nonlinear Processes in Geophysics (1995) 2: 101 – 106
Jacket Interview - Ben Lerner - (right-hand Figure) - http://jacketmagazine,com/26/john-lern.html
Bild links auf p. 348: Fraktale Struktur eines Blitzes - Fraktale in der Natur:
http://www.natur-struktur.ch/fraktale/fraktalnatur,html
R-8-3
8 – 27
R.8.1.14
p. 349: Kugelblitze: Beobachtungen
a)
b)
c)
d)
R.8.1.15
Kugelblitz - http://de.wikipedia.org/wiki/Kugelblitz
Ball Lightning - http://en.wikipedia.org/wiki/Ball_lightning
Arten von Blitzen – Library - library.thinkquest/org.03oct/01352/gr_ForkedLightning.htm
Kugelblitz über Neuruppin - http://www.met.fu-berlin.de/~manfred/Kugelblitz.htmk
p. 350: Kugelblitze: Experimente
a). Im Labor erzeugte kugelblitz-ähnliche Plasmawolke
gefunden unter «Kugelblitz im Labor»: www.google.ch - Bild
b) Kugelblitze im Labor IPP: Max-Plank Institut für Plasmaphysik
http://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/presse/archiv/05_06:pi.html
8.2 Erdmagnetfeld – Sonnenwind – Magnetosphäre und Polarlichter
R.8.2.0
p. 351: Erdmagnetfeld, Sonnenwind, Magnetosphäre und Polarlichter (Titel)
R.8.2.1
p. 352: Innerer Aufbau der Erde und Erdmagnetfeld
a) Bild oben: Innerer Aufbau der Erde
http://www.goruma,de/Wissen&Naturwissenschaft/Geologie/Aufvau_der_Erde.html
b) Text zu Bild oben: Innerer Aufbau der Erde
http://de.wikipedia.org/wiki/Innerer_Aufbau:der_Erde
c) Bild und Text unten - Einfluss des Erdmagnetfeldes auf Lebewesen - Magnetfeld der Erde
http://www.vitatec.com/grundlagen/einfluss-erdmagnetfeld
d) Erdmagnetfeld - http://de.wikipedia.org/wiki/Erdmagneteld
e) Earth’s magnetic field - http://en.wikipedia.org/wiki/Earth’s_magnetic:field
R.8.2.2
p. 353: Sonnenwind und Magnetosphäre – 1
a) Sonnenwind
http://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenwind
b) Solar wind - http://en.wikipedia/wiki/Solar:wind
c) Sonnenwind und Weltraumwetter - www.mps.mpg.de/dolumente/.../pa/pa_0107_Weltraumwetter.pdf
R-8-4
R.8.2.3
p. 354: Sonnenwind und Erdraumwetter – 2
a) Magnetsturm – Kosmos- GEO.de - Eine Beule im Magnetfeld der Erde
http://www.geo.de/GEO/natur/kosmos/neue-explosionen-auf-der-sonne-1686.html?p=2
b) Magnetosphere - http://en.wikipedia.org/wiki/Nagnetosphere
c) Die Magnetosphäre der Erde - Max.Planck-Institut für Sonnensystemforschung
[PDF] www.mps.mpg.de/dolumente/.../pa/pa_0110_Weltraumwette
R.8.2.4
p.
355: Sonnenwind und Erdatmosphäre – 3
a)
b)
Die Magnetosphäre - www.pluslucis.univie,ac.at/FBA/FBA99/Biemat/4.pdf
Earth’s magnetic field - Bild: more realistic model of Earth’s Magnetosphere
[Die Bezeichnungen: p (Proton), e (Elektron); M (Morgenseite), A (Abendseite) wurde von P. Brüesch beigefügt]
http://www,ucalgary.ca/above/science/mag:fiekd
Lorentzfeld - http://de.wikipedia.org/wiki/Lorentzkraft
The Earth’s Magnetosphere
http://www.enchantedlearning.com/subjects/astronomy/planets/eart/Magnetosphere.shtml
Das Magnetfeld der Erde - Bodensee-Sternwarte
http://www.bodensee-sternwarte.de/grundlagen/das-magnetfeld-der-erde.htm
Ohne das vor dem Sonnenwind schützende Magnetfeld der Erde, wäre kein Leben auf der Erde möglich!
c)
d)
e)
R.8.2.5
p. 356: Sonnenwind und Spiralbahnen der Ladungen an den Polen
a) Text und : Referenz R.8.2.7 d)
(Zur besseren Lesbarkeit wurde der Figurentext von P. Brüesch retouchiert)
b) Bewegte Ladungen im Magnetfeld
3.5 Bewegte Ladungen im Magnetfeld - [PDF]
e3.physik.uni-dortmund.de/~suter/.../3.5_Ladungen_im_B-Feld.pdf
Text und Figur rechts; mit Erklärungen zur Lorentzkraft
(Zur besseren Lesbarkeit wurde der Figurentext von P. Brüesch retouchiert)
c) Umwelt im All: Weltraumwetter
http://www.erkenntnishorizont.de/raumfahrt/weltraumwetter.c.php?screen=800
d) Entstehung der Polarlichter - http://home.arcor.de/klaus.lampen/endstehung.html
R-8-5
8 – 28
R.8.2.6
p. 357: Van Allen Strahungsgürtel
a) Van-Allen-Strahlungsgürtel - www.de.wikipedia.org/wiki/Van-Allen_Gürtel/
b) Van-Allen-Gürtel: Forscher lösen Geheimnis der irdischen Strahlungsringe
SPIEGEL ONLINE – WISSENSCHAFT (26. 06. 2013)
http://www.spiegel.de/wissenschaft/weltall/van-allen-guertel-lokale-teilchensind-quelle-fuer-strahlung-um-erde-a-91325…
Laut der neuen Theorie sind es elektrische Felder innerhalb des Gürtels, die umherwandernde Atome
zerreisen und ihre Elektronen abtrennen. Diese werden dann bis zu 99% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt.
c) Van Allen radiation belt - www.en.wikipedia.org/wiki/Van-Allen-radiation-belt
d) Mystery of Earth’s radiation belts solved
«Van Allen belts accelerate their own particles rather than trapping them» - Ron Cowen - 25 July 2013
http://ww.nature.com/news/mystery-of-erth-s-radiation-belts-solved-1.13452
e) Forces on a Moving Charge in a Magnetic Field: Examples and Applications
on pages 67 of this contribution; Short discussion with two Figures of magnetic field of the Earth
including the «Inner and Outer Van Allen belt - cnx.org>Content>College Physics
R.8.2.7
p. 358: Das Polarlicht - Entstehung
a) Polarlicht - http://de.wilipedia.org/wiki/Polarlicht
b) Aurora (Astronomy) - http://en.wikipedia.org/wiki/Aurora(astronomy)
c) Polarlichtseite: Foto auf p. 358)
von Katja Gottschweski (2002) - http://home.online.no/~/khgott(Polarlichseite.html
d) Deutsche Physikalische Gesellschaft – Fachverband Didaktik der Physik
Beitrag aus der Reihe; Karl-Heinz Lotze, Werner B. Schneider (Hrsg)
Wege in der Physikdidaktik - Band 5 - Naturphänomene und Astronomie
[PDF] Schlegel Kristian - Polarlicht - Solstice
www.sokstice-de/cms/upload/wege/band5/wege5-p2-70-81.pdf
R-8-6
R.8.2.8
pp 359 – 361: Fotos von Polarlichtern - Formen und Farben
a) Polarlicht: Referenz R.8.2.7 a)
b) pp 359, 360: Fotos aus Internet unter: Polarlichter - Formen und Farben
p. 360: Foto 4): - «Vorhang» - Nordlicht: Nordlicht aus den Lofoten: Erleben sie das Nordlicht
aus den Lofoten - www.rundstykke.com/nordlicht-auf-den-lofoten
c) p. 361: Foto a): Aurora über dem Otertind (Norwegen) aus: www.gogle.ch – Polarlichter
Foto b): Northern light of Canada – aus: www,google.ch – Northern light
d) p. 361: Foto c): Polarlicht in Island (aus BLOG!)
www.davidkoester.de/.../bild-des-monats-polarlichter-ueber-joekulsarien...
e) p. 361: Foto d): Polarlicht in der Nähe von München – Sonnenwinde wenden sich von Erde ab
http://www.swissinfo.ch/spa/index/Sonnenstürme_wenden_sich_von_Erde_ab.html?cid=3602258
R.8.2.9
pp 358 – 361: Polarlichter (Text) - von Dr. Otto Braumandle; Verein Antaras. NÖ Amateurastronomen
[PDF] Polarlichter – Verein Antras
www.noe-sternwarte.at/best/lib/exe/fetch.php?media...polarlichter
[Diese Arbeit enthält eine sehr gute Zusammenfassung der wichtigsten Inhalte über das Thema der Nordlichter]
8.3 Heaviside-Schicht, Kurzwellensender und Verschiedenes
R:8.3.0
p. 362: Heaviside-Schicht, Kurzwellensender und Verschiedenes
R.8.3.1
p. 363: Ionosphäre mit Kennelly – Heaviside – Schicht
a) Ionosphäre - http://de.wikipedia/wiki/Ionosph%C3%A4re
b) Ionosphere - http://en.wikipedia/org/wiki/Ionosphere
c) Die Ionosphäre und Plasmosphäre der Erde [PDF]
webdoc.sub.gwdg.de/ebook/diss/2003/fu-berlin/2002/273/kap2.pdf
R.8.3.2
p. 364: Heaviside-Schicht und Kurzwellensender
a) Kennelly – Heaviside – Schicht - http://de.wikipedia.org/wiki/Kennelly-Heaviside-Schicht
b) Fotos von Heaviside und Kennelly aus www.google.ch
Bild: «Reflexion von Kurzwellen an der E-Schicht der Ionpsphäre»
aus www.google.ch unter Bilder von «Reflexion von Kurzwellen»
c) Text: aus Referenzen von R.8.3.1
R-8-7
8 – 29
R.8.3.3
p. 365: Reflexion von Kurzwellen an den E- und F - Schichten
a) Kurzwelle - http://de.wikipedia.org/wiki/Kurzwelle
b) Kurzwellenrundfunk - http://de.wikipedia.org/wiki/Kurzwellenrundfink
c) L. Bergmann und C. Schaefer:: Lehrbuch der Experimentalphysik
Editor: De Gruyter - Band 2: Elektrizitätslehre - s. auch unter:: books.google.ch/books?isbn_3111442881; p. 382
d) Bild: Reflexion von Kurzwellen an E- und F- Schichten
Introduction to HF - Radio Propagation - http://www.ipx.gov.au/Educational/5/2/2
e) Ionospheric Wave Propagation (by David Jenn) - www.dejenn.com/EC3630/Ionosphe(v1.5).pdf
8.4 Weitere Atmosphärische Phänomene
R.8.4.1
p . 367 : Der Regenbogen - http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter12/rainbowmeadow.jpg
(Eine ausführliche Darstellung des Regenbogens findet man im Buch über «WASSER» von P. Brüesch,
Kapitel 7, Abschnitt 7.2, pp 327 – 339).
R.8.4.2
p. 368: Halos: Entstehung und Form
a) Halo (Lichteffekt) - http://de.wikipedia.org/wiki/Halo_(Lichteffekte)
b) Halo (optical phenomena) - http://en.wikipedia.org/wiki/Halo_(optical:Phenomenon)
[enthält physikalische Grundlage für minimalen Winkel von 220]
c) 22 Degree Halo: A ring of light 22 degrees from the sun or moon
http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/mtr/opt/ice/halo/22.rxml
[Bilder von Eiskristall und 22 Grad Halo; Bild unten links (Brechung an Einkristall)
von P. Brüesch retouchiert; Englische Beschriftung  Deutsche Beschriftung, etc]
d) Beautiful sun halo over Stockholm today
Bild des Sonnen-Halos über Stockholm; Photo von Tomas Oneborg
http://www.ufoeyes.com/2010/08/beautiful-sun-halo-over-stockholm-foday
Bild des Sonnen-Halos der untergehenden Sonne über Stockholm
R.8.4.3
p. 369: Das Elmsfeuer: Allgemeines und Geschichte
a) Erasmus von Antiochia - http://de.wikipedia.org/wiki/Erasmus_von_Antiochia - Bild von St. Elmo
b) Elmsfeuer - http://de.wikipedia.org /wiki/Elmsfeuer:
Bild von Schiff in Not mit Elm’s Feuer an den Mastenspitzeh
c) St. Elmo’s fire - http://en.wikipedia.org/wiki/St._Elmo’s_fire
R-8-8
R.8.4.4
p. 370: Das Elmsfeuer . Physikalische Aspekte
a) Am Rhein - Elmsfeuer: http://www,marnach,info/masurenrein/rhein/elmsfeuer,html
b) Was ist das Elmsfeuer ? http://www,pm-magazin.de/r/gute.frage/was-ist-das-elmsfeuer
c) What causes the strange glow knowm as St. Elmo’s Fire? Is this phenomenon related to ball lightning?
http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=quotwhat-causes –the-stran
R.8.4.5
p. 371: Das Purpurlicht
a) Purpurlicht - http://de.wikipedia.org/wiki/Purpurlicht
b) Purple light - http://glossary.ametsoc.org/wiki/Purüle_light
c) Rayleigh-Streuung - http://de.wikipedia.org/wiki/Rayleigh.Streuung
[Als Rayleigh Streuung bezeichnet man die elastische Streuung des Lichtes an Teilchen, deren Durchmesser d
klein im Vergleich zur Wellenlänge l des Lichtes ist, also z.B. die Streuung des Sonnenlichtes an Sauerstoffund Stickstoffmolekülen der Luft. Für Purpurblau ist l ≈400nm und d(O2) = 0,121 nm, d(N2) = 0,11 nm].
d) Rayleigh scattering - http://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering
e) Mie-Streuung - http://de.wikipedia.org/wiki/Mie-Streuung
[Als Mie-Streuung bezeichnet man die elastische Streuung des Lichtes an Objekten, deren Durchmesser d
im Wellenlängenbereich 0.2 l < d < 2 l liegen. Für eine Wellenlänge l = 400 nm (Purpurblau) ergeben sich
Durchmesser der kleinen Staub- oder Dunstpartikel im Bereich 80 nm < d < 800 nm].
f) Mie-scattering - http://en.wikipedia.otg/wiki/Mie_scattering
R.8.4.6
p. 372: Nachthimmelsleuchten – Airglow
a) Airglow - http://de.wikipedia.org/wiki/Airglow
b) Airglow - http://en.wikipedia.org.wiki/Airglow
c) Fotographie links: Astro Bob - Is there true darkness ?
http://astrobob.areavoices.com/2009/02/25/is-there-true-darkness/
d) Fotographie rechts aus: Science and Analysis Laboratory / NASA
in: Frankfurter Allgemeine: «Globale Erkältung (in der Mesosphäre»
R.8.4.7
p. 373: Kobolde, Elfen und Blue Jets
a) Sprite (Wetterphänomene) - Text und Bild aus: http://de.wikipedia/org/wiki/Nlue:Jet
b) Capital Weather Gang - Red Sprites, blue Jets and Elves: What are these mysterious, elusive phenomena ?
http://www.washingonpost.com/blogs/capital-weather-gang/post/red-sprites-blie-jets-and elveswhat-are-these-mysterio…
R-8-9
8 – 30
Referenzen zu Anhang – Kapitel 8
R-A-1-1
p. 8-A-1-1: Querschnitt und Magnetfeld der Erde: Geographische Erdpole und Magnetpole
a) Bild links: Querschnitt durch die Erde - aus: www.google.ch
b) Bild rechts: Das Magnetfeld der Erde (Nahfeld) - http://www.zum.de/dwu/pma101vs.htm
c) Innerer Aufbau der Erde - http://de.wikipedia.org/wiki/Innerer_Aufbau_der_Etde
R-A-2-1
p. 8.A-2-1: Abnahme des Erdmagnetfeldes – Pol- Umkehr – 1
a) «Bilder»: unter: Decraesing magnetic field of the Earth
b) Reversals: Magnetic Flip - http://www.geomag.bgs.ac.uk/edication/reversals.html
Nach Ansicht von P. Brüesch ist diese kurze Zusammenfassung sehr klar, instruktiv,
differenziert und sachlich geschrieben. Ausserdem enthält sie auch die Figur von p. 8-A.2-1,
R.A.2-2
p. 8.A-2-2: Abnahme des Erdmagnetfeldes – Pol- Umkehr . 2
a) s. Referenz R.8.2.1 d) von p. 352: Erdmagnetfeld
b) Earth’s Magnetic Poles May Be About To Switch - http://www.rense.com/general26/poles.htm
Bilder von p. R-A-2-2: gefunden unter: www.Googel.ch – «Magnetfeld der Erde – Umpolung – Bilder»
c) Zum Polsprung des Erdmagnetfeldes: Polsprung – Erdachse verschiebt sich nach Osten
http://pravdatvcom.wordpress.com/2012/07/09/polsürung-erdachse-verschiebt-sich-nach-osten/
R.A.2.3
p.
8-A-2-3: Erdmagnetfeld - http://de.wikipedia.org/wiki/Erdmagnetfeld
R.A.2.4
p. 8-A-2-4
Die Farben der Polarlichter (engl: Aurora)
a) Polarlichter - http://www.schreiben10.com/referate/?hysik/7/Polarlichter---Aurora.reon.php
b) Colors of the Aurora - http://www.webehibits.org/causesofcolor/4D.html
R.4.2.5
p. 8-A-2-5: Zur Orientierung von Zugvögel durch das Magnetfeld der Erde
a) «Robins can literally see magnetic fields, but only if their vision is sharp»
«Gewisse Vögel, z.B. das Rotkehlchen, können das Magnetfeld der Erde wahrnehmen»
http://blogs.discovermagazine.com/notrocketscience/2010/07/08/robins-can-literally-see-magnetic-fieldsbut-only-if-their-vision-is-sharp/#.VX1_erY983g
b
Mechanisms of Magnetic Orientation in Birds - http://icb/oxforfjournal.org/content/45/3/565.full
c) Warum verlieren Zugvögel nicht die Orientierung ?
http://www.simplyscience.ch/teens-liesnach-archiv/articles/warum-verlieren-zugvögel-nicht-die orientierung.html
R-8-10
R.A.4.1
pp 8-A-4-1 und 8-A-4-2:
a) Lichtbrechung in der Atmosphäre
Universität Regensburg - von Florian Albrecht zum Seminar «Phänomene der klassischen Optik»
(Sommersemester 2008) - www.physik.uni-regensburg.de/forschung/schwarz/1-Atmosphäre.pdf
b) Die Brechung des Lichtes - Chemgapedia
http:/www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ph/14/ep/einfuehrung/geooptik/
brechung.vlu/Page/vsc/de/ph/14/ep/einfuehrung/geooptik/brechung4.vscml.h…
Die Arbeit enthält die grundlegenden Gleichungen zur Berechnung der Brechung am hexagonalen Eis-Einkristall
Figur des hexagonalen Eiskristalls mit Dispersionsprisma von p. 8-A-4-1 von P. Brüesch
c) Halo - [PDF] Lie. «Ein Halo ist ein heller Ring um die Sonne, die …
[PDF] Lie. «Ein Halo ist ein heller Ring um die Sonne, die … - physik.li/beispiele/Halo/Halo.pdf
Enthält Figur des Ablenkungswinkels als Funktion des Einfallswinkels von p. 8-A.4.2
R-A-4-2
p. 8-A-4-3: What makes a halo around the Sun or Moon ?
Ein Mondhalo in Mandan, Nord Dakota (von Marshall Lipp, Februar, 2015)
«A moon halo in Mandan, North Dakota (by Marshall Lipp, February, 2015)
http://earthsky.org/space/what-makes-a-halo-around-the-moon
R.A.4.3
p. 8-A-4-4: Leuchtende Nachtwolken
a) Leuchtende Nachtwolken
http://www.deutscher-wetterdienst.de/lexikon/index,htm?ID=L&DAT_Leuctende_Nachtwolken ( Text und Bild links)
b) Noctilucent cloud - http://en.wikipedia-otg/wiki/Noctilucent_cloud
(Bild rechts: Photograph by the crew of the ISS)
c) Leuchtende Nachtwolken - http://www.meteoros.de/themen/nlc
d) Leuchtende Nachtwolke - http://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtende_Nachtwolke
R-8-11
8 – 31