Kapitel_8 - ETH E
Werbung
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
