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Atmosphärische
Elektrizität. [* 2] Die Erwägung, daß der Blitz nur durch Größe, aber nicht im Wesen der Erscheinung verschieden sei von dem künstlich erzeugten elektrischen Funken, führte dazu, daß man die in der Luft vermutete Elektrizität durch geeignete Vorrichtungen zum Erdboden herabzuleiten und hier wahrnehmbar zu machen suchte. Abbé Mazeas (1751), Benjamin Franklin (1751), De Romas (1752) stellten zuerst solche Experimente an, indem sie Drachen an leitenden Schnüren aufsteigen ließen und bei Gewittern das Vorhandensein erheblicher elektrischer Spannungen in den höhern Luftschichten nachwiesen.
Diese Versuche erregten vielfaches Interesse und fanden zahlreiche Ergänzungen durch andre Forscher. Le [* 3] Monnier (1752) und bald darauf Musschenbroek (1756) entdeckten, daß beständig und nicht bloß zur Zeit von Gewittern Elektrizität in der Luft vorhanden sei, und der erstere vermochte bereits eine regelmäßig mit der Tageszeit stattfindende Änderung in der Stärke [* 4] der elektrischen Erscheinungen zu erkennen. Weil aber der an leitender Schnur aufgestiegene Drache [* 5] zwar ganz deutliche elektrische Funken hergab, Messungen hingegen bei der Veränderlichkeit seiner Stellung nicht wohl zuließ, so wurde zum Aufsammeln der Elektrizität von Beccaria (1758) ein fest und isoliert in der Luft ausgespannter Draht [* 6] ¶
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angewandt, von welchen durch einen Verbindungsdraht die Ladung dem Meßapparat zugeführt wurde. Cavallo (1777) verwandte zum Aufsaugen die in veränderlicher Höhe anzubringende Spitze einer Metallstange, mit welcher auch Saussure (1786) viele Versuche, namentlich auf Reisen, anstellte. Durch Volta (1788) wurde das Strohhalmelektroskop eingeführt, welches eine wirkliche exakte Messung gestattete, und zugleich ersetzte er die Metallspitze durch eine brennende Lunte oder Flamme, [* 8] von welcher ein Draht isoliert zum Elektroskop [* 9] führte.
Bei diesen und vielen andern Versuchen, so z. B. den bekannten von Schübler in Tübingen, [* 10] ging man von der Meinung aus, daß es wirklich die Luft selbst sei, deren elektrische Ladung man zu bestimmen suchte. Daß dies irrig sei, zeigte Erman (1803) durch folgende Thatsachen: Wird der Aufsaugapparat (Lunte, Flamme) zuerst zur Erde abgeleitet, dann isoliert und nun eine kleine Strecke emporgehoben, so zeigt das Elektroskop eine Ladung an, und zwar bei klarem, ruhigem Wetter [* 11] von positivem Vorzeichen;
letzteres ist negativ, wenn der Apparat auf gleiche Weise nicht gehoben, sondern gesenkt wird.
Die Wirkung blieb indessen aus, wenn der Apparat nur horizontal verschoben und weder dem Boden, noch einem darauf stehenden Gegenstand (Haus, Baum) genähert oder davon entfernt wurde. War der ganze Apparat in eine Glashülle eingeschlossen und somit völlig vor einem Kontakt mit der äußern Luft bewahrt, so zeigte sich der Verlauf hierdurch nicht beeinflußt. Demnach konnte nicht eine elektrische Ladung der Luft die beobachteten Erscheinungen hervorrufen, sondern dieselben waren als Folge der Induktion [* 12] seitens des elektrisch geladenen Erdballes zu betrachten.
Ähnlich beobachteten Peltier (1836), Quetelet (1849), Dellmann (1853), Palmieri (1854), Secchi (1861), Hankel (1856), W. Thomson (1856), Mascart (1883), Dufour (1883), Roiti (1884) u. a. Thomson führte neue exaktere Meßapparate sowie den Wasserkollektor ein, bei welchem aus einem isolierten Gefäß [* 13] ein sehr feiner Wasserstrahl austritt und durch seine aufsaugende Wirkung das im Gefäß befindliche Wasser sowie den damit verbundenen Meßapparat ladet. Pellat (1885) fand, daß von den verschiedenen Aufsaugapparaten die Flammen am besten, Lunten am schlechtesten wirken.
Wie Erman, so sprach auch Peltier die Meinung aus, daß die Erde eine, und zwar negative, elektrische Ladung habe, und daß
man deshalb beim Emporheben des Aufsaugapparats denselben positiv elektrisch im Vergleich zur Erde finden
müsse. Dellmann dagegen behauptete (1861), es sei die Erde nur elektrisch durch Influenz von seiten der Wolken und der Luft.
In den letzten Jahren sind zahlreiche Messungen der
atmosphärischen Elektrizität durch L. Weber, F. Exner, Elster
[* 14] und Geitel
u. a. ausgeführt worden, und es ist hierdurch eine beträchtliche Menge von Erfahrungen gewonnen, aus
denen ein wenn auch noch lückenhaftes Gesamtbild hergeleitet werden kann.
Man bedient sich nach Exner eines mit zwei dünnen Aluminiumblättchen versehenen Elektrometers, um aus der Divergenz der Blättchen die elektrische Spannungsdifferenz zwischen dem Boden und einem höhern Punkt oder auch zwischen zwei verschieden hohen Stellen in der Luft zu messen. Dabei werden die isoliert im Gehäuse des Elektrometers hängenden Blättchen mit einer Flamme oder einem Wasserkollektor verbunden und das Gehäuse mit dem Boden oder eventuell mit einem zweiten in andrer Höhe befindlichen Aufsaugapparat.
Die Divergenz der Blättchen ist dann ein Maß für die Spannungsdifferenz an den beiden zu vergleichenden Stellen und ergibt das »Potenzialgefälle« am Beobachtungsort, d. h. die Zunahme der Spannung mit wachsender Höhe über dem Boden. Ist z. B. ein Spannungsunterschied von 3000 Volts in 5 m Höhe gegen den Boden gefunden, so beträgt das Potenzialgefälle für je 1 m 600 Volts; man sagt alsdann, es sei gleich 600 »Voltmeter«. Es wird als positives oder negatives Potenzialgefälle bezeichnet, je nachdem die höhern Stellen positiv oder negativ elektrisch gegen die tiefern erscheinen.
Die bisherigen ältern und neuern Messungen stimmen nun darin überein, daß das Potenzialgefälle bei normalem Wetter, d. h. bei klarem Himmel [* 15] und ruhiger Luft, stets positiv zu sein pflegt, entsprechend der erwähnten Annahme, nach welcher die Erde negative Ladung besitzt und also beim Entfernen von ihr ein Körper der abnehmenden Wirkung jener negativen Ladung unterliegt und positiv elektrisch erscheinen muß. Untersucht man die Flächen gleicher Spannung (Niveauflächen), so sind sie über ebenem Boden diesem parallel; den Unebenheiten schmiegen sie sich derartig an, daß z. B. eine Erhebung (Fels, Haus) von einer lokalen Emporwölbung der Niveauflächen begleitet ist.
Da aber solche Wirkung nur bis zu einer gewissen begrenzten Höhe hinaufreicht, so müssen über dieser Höhe die Niveauflächen in regelmäßiger Form verlaufen und sich der Umgebung anschließen. Demnach sind die untern und lokal aufwärts verschobenen Niveauflächen dichter aneinander gerückt als in der Umgebung; mit andern Worten: es erscheint das Potenzialgefälle über einer solchen Erhöhung größer, weil mehr Niveauflächen in der gleichen Höhenschicht liegen, als in der Ebene. So fand Exner auf der Spitze des 1780 m hohen, isoliert stehenden Schafbergs ein Potenzialgefälle von 318 Voltmeter, während nahe dabei am Ufer des St. Wolfgangsees nur 68 Voltmeter gemessen wurden. An einer steilen Felswand von etwa 200 m Höhe überzeugte er sich gleichfalls davon, daß die Niveauflächen hier der Bodenform folgten, denn dicht neben dem Fels, in 5 m Abstand, war ein Potenzialgefälle überhaupt nicht zu bemerken, weil die Niveaufläche hier der Wand parallel und also senkrecht verlief, so daß man in verschiedenen Höhen immer die gleiche Spannung fand. In 35 m seitlichem Abstand betrug am Boden das Potenzialgefälle 2, in 100 m Abstand 10 Voltmeter. Zu diesen Versuchen dienten kleine, mit Wasserstoff gefüllte Ballons, welche, mit einer Lunte versehen, an einem sehr feinen Messingdraht aufstiegen, während das untere Drahtende mit einem Elektrometer [* 16] verbunden war.
Der jährliche Gang [* 17] der Luftelektrizität bei normalem Wetter ist vielfach untersucht worden und zeigt immer eine derartige Schwankung, daß ein Maximum im Winter, ein Minimum im Sommer stattfindet. In Tübingen (Schübler), Brüssel [* 18] (Quételet), Kew (Thomson), Kreuznach [* 19] (Dellmann), Neapel [* 20] (Palmieri), St. Louis (Wislicenus), Melbourne [* 21] (Neumayer), Moncalieri (Denza), Paris [* 22] (Descroix), Gent [* 23] (Duprez), Perpignan (Fines) hat man den gleichen Sinn dieser Schwankung, wiewohl in verschiedenem Betrage, gefunden. Das Verhältnis der Werte von Winter und Sommer betrug z. B. in Brüssel 13:1, in St. Louis in Nordamerika [* 24] nur 5:1, überall indessen schwankt die Stärke der Luftelektrizität während des Jahres umgekehrt wie die Temperatur.
Weniger gut, obwohl auf viel zahlreichern ¶
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Messungen beruhend, stimmen unsre Kenntnisse vom täglichen Gang der Luftelektrizität miteinander überein. Meistens bemerkte man ein deutliches Maximum am Abend bald nach Sonnenuntergang, ein schwächeres am Morgen, jedoch sind nicht bloß die Beträge der Doppelschwankung sehr verschieden, sondern es kommen auch erhebliche Abweichungen vor. So fand sich in St. Louis nur ein Maximum am Morgen, ebenso in Paris und in Wolfenbüttel [* 26] (Elster und Geisel). Exner führt Messungen an, welche gleichzeitig in St. Wolfgang und auf dem 1780 in hohen Gipfel des Schafbergs angestellt wurden.
In der untern Station traten beide Maxima ganz deutlich auf, während oben keine Andeutung davon zu bemerken war. Derselbe Forscher konstatierte auf einer Tropenreise, daß dort die tägliche Periode der Luftelektrizität überhaupt nicht deutlich ausgeprägt ist, jedenfalls nicht annähernd so scharf, wie in unsern Gegenden. Am Meer waren zuweilen zwei Maxima und zwei Minima, zuweilen auch gar keine zu bemerken, in Ceylon [* 27] in den Vormittagsstunden mancher Tage ein flaches Maximum.
Neben der im jährlichen Gang ausgeprägten Beziehung zur Temperatur hat man noch sonstige Beziehungen zu meteorologischen Elementen gesucht. Soweit der tägliche Gang der Luftelektrizität die erwähnte zweimalige Schwankung zeigt, ist er vergleichbar mit dem Gang des Luftdruckes. Dies tritt z. B. in den Beobachtungen der schwedischen Polarstation zu Kap Thordsen auf Spitzbergen (1882-1883) mit einiger Deutlichkeit hervor und ist auch an andern Orten bemerkt worden.
Nach Beobachtungen von Quételet in Brüssel zeigt ferner die Luftelektrizität im Jahreslauf, die entgegengesetzten Änderungen wie die Häufigkeit der Gewitter und die Stärke der Sonnenstrahlung, gemessen im Aktinometer. Auf diese letztere Beziehung macht namentlich Arrhenius aufmerksam, um darauf seine später zu erwähnende Theorie der Luftelektrizität zu stützen. Ein Zusammenhang mit der relativen Feuchtigkeit der Luft scheint nicht zu bestehen. Dagegen hat Exner eine Abhängigkeit der Luftelektrizität von der absoluten Luftfeuchtigkeit herzuleiten gesucht.
Aus 1123 Messungen, welche in Wien, [* 28] St. Gilgen am Wolfgangsee, Bombay, [* 29] Ceylon und Wolfenbüttel (an diesem Ort von Elster und Geisel) in der Zeit von 1885 bis 1890 ausgeführt wurden, ergibt sich eine Abhängigkeit, welche mit zunehmendem Dunstdruck das Potenzialgefälle abnehmen läßt, und umgekehrt. Stellt man diese Abhängigkeit graphisch dar, so erhält man eine Kurve von hyperbolischer Form; eine aus den Beobachtungen von Wien und von Wolfenbüttel hervorgehende Unregelmäßigkeit der Kurve im Sinn vermehrten Potenzialgefälles zwischen 3 und 4 mm Dunstdruck entspricht einer mittlern Temperatur von 0° und kann vielleicht auf Mangelhaftigteit der Psychrometerangaben in der Nähe des Eispunktes oder aus Ansammlung von Wasserdampf in den untern Luftschichten zurückgeführt werden.
Setzt man voraus, daß über einem ebenen Terrain mit freiem Horizont [* 30] und ruhiger Luft der Wasserdampf in horizontalen Schichten von weiter Erstreckung und nach oben hin in normaler Verteilung angeordnet ist, so kann aus der eben erwähnten Beziehung das Potenzialgefälle für jeden beliebigen Wert des Dunstdruckes ausgerechnet werden. Die Konstanten der Formel sind aus den Beobachtungen bestimmt und gestatten noch die folgenden Berechnungen: Ist der Dunstdruck gleich Null, d. h die Luft absolut trocken, so beträgt unter den genannten Voraussetzungen das Potenzialgefälle am Boden 1410 Voltmeter;
die negative Ladung der Erde wird alsdann durch ein Potenzial von -9,109 Volt, die Flächendichte in absoluten elektrostatischen Einheiten durch -0,00388, die Gesamtladung der Erde in denselben Einheiten durch -2,1016 dargestellt.
Einem Dunstdruck von 5, 10, 15, 20 mm entspräche ein Potenzialgefälle von 180, 110, 75, 60 Voltmeter.
Sehr häufig zeigt die Verteilung der
atmosphärischen Elektrizität Abweichungen von den vorstehend geschilderten normalen
Verhältnissen. Solche Störungen können z. B. durch Staub herbeigeführt werden, welcher vom Erdboden
negativ geladen emporgeführt wird und das normale positive Potenzialgefälle verringert, oft sogar in negatives umwandet.
So erzählt W. Siemens von einer ungewöhnlich starken elektrischen Erscheinung, welche bei Besteigung der Cheops-Pyramide bei
Kairo
[* 31] 1859 beobachtet wurde.
Durch eine Steigerung in der Stärke des Windes wurde der Wüstenstaub bis zur Pyramidenspitze emporgewirbelt,
und sobald dies geschehen, merkte man an einem zischenden Geräusch sowie an einem prickelnden Gefühl in den aufwärts gestreckten
Fingern das Vorhandensein kräftiger elektrischer Spannung. An einer gefüllten Weinflasche wirkte der Inhalt mit der Stanniolbekleidung
des Kopfes wie die innere Belegung, Etikette und Hand
[* 32] des Beobachters wie die äußere Belegung einer Leidener Flasche,
[* 33] und es gelang die Ansammlung und plötzliche Entladung erheblicher
Elektrizitätsmengen.
Wenn es bei dieser Gelegenheit aus Mangel an Apparaten nicht thunlich war, das Vorzeichen der Elektrizität festzustellen, so konnte man dies ganz sicher in einem andern Fall. Elster und Geisel unternahmen 1890 eine Reihe von Messungen, welche den täglichen Gang des Potenzialgefälles auf dem Hohen Sonnblick in den Tauern (3100 m) und in dem benachbarten Kolm-Saigurn (1600 m ü. M.) sollten erkennen lassen. Auf dem Berggipfel erhielt man auch die erwarteten positiven Werte, welche zwischen 188 und 244 Voltmeter lagen.
Dagegen betrug in Kolm-Saigurn das Potenzialgefälle -300 bis -600 Voltmeter trotz des schönen »normalen« Wetters. Und daß die zahlreichen in das Thalbecken von Kolm-Saiguru herabstürzenden Wasserfälle mit ihren zerstäubt herumfliegenden Tröpfchen die Ursache der Abweichung bildeten, fand man bei Annäherung an einen Wasserfall, wobei das negative Potenzialgefälle auf -1000 Voltmeter stieg, während es an einer gegenüberliegenden und von Wasserfällen freien Thalwand -50 Voltmeter betrug. Endlich beobachtete Exner 1888 am Lido in Venedig, [* 34] daß bei glatter See das Potenzialgefälle im unmittelbaren Bereich der flachen Wellen [* 35] die nämliche Größe hatte, wie 100 m landeinwärts; wenn aber bei bewegter See durch das Überstürzen der Wellen viel Wasserstaub in die Luft kam, so war das positive Potenzialgefälle am Ufer kleiner, als landeinwärts, ein Beweis, daß dieser Wasserstaub negativ elektrisch war.
Ein fernerer Anlaß zu Störungen des normalen Potenzialgefälles zeigt sich in der Bildung von Wolken und Niederschlägen. Dieselben pflegen negativ elektrisch zu sein, so daß das normale positive Potenzialgefälle durch Auftreten von Gewölk vermindert oder in negatives verwandelt wird. Dabei darf aber die Wolke nicht wie ein leitender Körper angesehen werden, denn in einem solchen müßte überall die gleiche elektrische Spannung herrschen, während man im Nebel, also innerhalb einer Wolle, stets ein deutliches Potenzialgefälle beobachten kann. Es muß ¶