Titel: Zehnder, über den Ursprung der atmosphärischen Elektricität.
Autor: Zehnder, L.
Fundstelle: 1883, Band 248 (S. 141–147)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj248/ar248056

Ueber den Ursprung der atmosphärischen Elektricität und deren Zusammenhang mit den elektrischen Erscheinungen auf der Erdkugel; von L. Zehnder in Basel.

Durch Reibung entsteht jederzeit Elektricität; dies ist eines der fundamentalsten Grundgesetze und zwar halte ich dafür, daſs nicht nur die sogen. Reibungselektricität, sondern auch der durch chemische Prozesse gewonnene Galvanismus, die Thermoelektricität, die Elektricität des aus einem Dampfkessel ausströmenden Dampfes u.s.w. ihren tiefsten Ursprung in der Reibung der kleinsten Theilchen haben werde.

Von der durch einen isolirten Dampfkessel entwickelten Elektricität will ich meine Betrachtungen weiter führen. Unzweifelhaft ist die intensive Reibung des mit einer Geschwindigkeit von einigen Hundert Meter in der Sekunde aus der Oeffnung austretenden Dampfes an den Wandungen jener Oeffnung die Ursache der Entstehung der Elektricität; denn wenn man von der äuſseren Form absieht, ist die Aehnlichkeit einer solchen Dampf-Elektrisirmaschine und einer gewöhnlichen Elektrisirmaschine mit Glasscheibe o. dgl. nicht zu verkennen. Ich behaupte nun, daſs aus einem Dampfkessel ebenfalls Elektricität zu gewinnen wäre, nur etwas weniger, wenn man statt reinen Dampfes ein Gemisch aus Luft und Dampf oder sogar einfach eine sehr feuchte Luft heftig ausströmen lieſse, und ferner, daſs jedes Mundstück der Ausströmungsöffnung zur Entwicklung der Elektricität helfen wird; nur wird je nach, der Natur desselben die Menge der nutzbaren Elektricität verschieden ausfallen; das Mundstück kann z.B. ganz gut in Holz, feuchtem leitendem Stein u. dgl. gewählt werden. Nun nehme ich statt des ruhenden Elektricitätsleiters (des Kessels) und der bewegten feuchten Luft umgekehrt einen sich bewegenden Leiter und ruhende feuchte Luft an: Ein aus irgend einem Leiter bestehender Körper werde sehr rasch in Wasser haltiger Luft bewegt, so wird sich an den Berührungsstellen dieser beiden Körper und zwar hauptsächlich an den sich am heftigsten reibenden Theilen Elektricität entwickeln. Sei speciell der Körper eine mit groſser Geschwindigkeit um ihre Achse rotirende Kugel, so wird sich hauptsächlich an deren Aequator die Elektricität entwickeln. Ist die Kugel ein guter Leiter, so sucht die in ihr sich ansammelnde Elektricität den Weg zu den Polen, weil sie von der an den Erregungsflächen neu entstehenden gleichartigen Elektricität abgestoſsen wird. Die mit Wasserdampf geschwängerte Luft selbst, die durch Reibung mit der Kugel elektrisch wurde, wird durch die Centrifugalkraft vom Aequator weggeschleudert und sucht nun ebenfalls die Pole der Kugel zur Ausgleichung der Elektricität zu gewinnen.

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Der Schritt ist nun kein groſser, unter dieser rotirenden Kugel sich die Erde vorzustellen, welche sich nicht nur um ihre Achse, sondern auch relativ in der sie umgebenden Atmosphäre dreht: Die Erde hat am Aequator eine Umfangsgeschwindigkeit von über 400m in der Sekunde. Die sie umgebende Luft wird zum Theile die Drehung mitmachen, kann aber begreiflicherweise als elastischer Körper nie mit der Erde gleichen Schritt halten, weil sie stets durch Reibung mit dem die Atmosphäre umgebenden, den Weltraum ausfüllenden Aether zurückgehalten wird. Denn es ist nicht anzunehmen, daſs die ganze Luftschicht und auch noch ein Theil des Aethers beständig mit der Erde herumgerissen werde. Im Gegentheil muſs unbedingt in der Nähe der Erdoberfläche, wo die Umfangsgeschwindigkeit noch viel kleiner ist als an einem gröſseren Radius, die gröſste Geschwindigkeitsreduction der Luft eintreten. Sobald aber eine Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Erde und Luft vorhanden ist, entsteht Reibung zwischen beiden und folglich Elektricität.

Die Vorgänge der Luftbewegung bei einer in ruhiger Luft drehenden Kugel und bei der Erde sind im groſsen Ganzen genau dieselben: Die Erde reiſst bei ihrer Drehung die umgebende Luft theilweise mit, durch die Rotation der die Erdoberfläche direkt berührenden Luft macht sich die Centrifugalkraft auf dieselbe geltend und zwar ganz besonders am Aequator, wo die Luft weggetrieben wird, sich anfänglich noch etwas in der Richtung der Erddrehung bewegt, bald aber diese Drehung mehr und mehr verliert und sich statt dessen immer weiter von der Erdoberfläche entfernt. Selbstverständlich muſs die vom Aequator weggejagte Luft ersetzt werden. Da aber die Luft über der ganzen Erdoberfläche mehr oder weniger das Bestreben hat, sich von der Erde zu entfernen, ausgenommen an den Polen, so bleibt derselben kein anderer Kreislauf übrig, als vom Aequator nach auſsen an den Rand der Atmosphäre, wo unzweifelhaft nur noch eine geringe Drehung der Luftmasse stattfinden kann; dort muſs sie der nachfolgenden Luft weichen und ist genöthigt, die Pole der atmosphärischen Kugel aufzusuchen, wo sie sich ungehindert der Erde nähert. Von den Polen aus streicht hierauf die Luft, von der allmählich auf sie einwirkenden Centrifugalkraft begünstigt, auf möglichst kurzem und widerstandslosem Wege über die Erde hin, um die am Aequator vertriebene Luft fortwährend wieder zu ersetzen. Es ist nicht anzunehmen, daſs die Luft im Allgemeinen direkt auf der Erdoberfläche jenen Weg von den Polen zum Aequator einschlage, da der Widerstand an den vielen Unebenheiten der Erde ein zu groſser wäre. Vielmehr wird sich dieser ziemlich regelmäſsige Luftzug besonders in bergigen Ländern erst in einer gewissen Entfernung von der Erdoberfläche geltend machen. Die auf die Luft einwirkende Schwerkraft ist nicht im Stande, dieser Bewegung entgegenzutreten, weil eben vermöge der auſserordentlichen Elasticität der Luft das Gleichgewicht derselben in Beziehung auf die Schwerkraft nie gestört wird.

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Für diese Anschauung sprechen die Beobachtungen über die besonders auf dem offenen Meere herrschenden Winde, wo sich der Luft sehr geringe Widerstände entgegenstellen und wo also die kalte, von den Polen zum Aequator strömende Luft sich ungehindert ganz nahe der Erdoberfläche bewegen kann. Auf der nördlichen Halbkugel sind die nordöstlichen, auf der südlichen Halbkugel die südöstlichen Winde im Allgemeinen die vorherrschenden, ganz besonders in der Nähe des Aequators. Zerlegt man diese Windrichtungen in Componenten nach dem Meridiane und Parallelkreise, so ergeben sich erstens zwei Componenten in der Richtung von Ost nach West; folglich bleibt wirklich die ganze Atmosphäre bei der Rotation hinter der Erdkugel selbst zurück; zweitens ergeben sich zwei Componenten von den Polen nach dem Aequator hin, ein Beweis, daſs die Luft am letzteren die Erdoberfläche verläſst und sich nach den äuſseren Schichten der Atmosphäre hinzieht, denn ohne dies wäre eine beständige und allgemeine Luftströmung gegen den Aequator hin unmöglich. Aehnlich verhält es sich ja auch mit den Meeresströmungen; am Aequator flieſst das Wasser von Ost nach West und sucht sich einen Rückweg möglichst weit vom Aequator entfernt, unter gleichzeitiger Aufsuchung eines immerhin nicht zu langen Weges mit geringen Widerständen. Wäre die ganze heiſse Zone rings um die Erde herum eine zusammenhängende Wasserfläche, so wären gar keine Gegenströme nöthig und der Zug des Wassers von Ost nach West wäre ein noch viel bedeutender. (Der Weg, den sich der Gegenstrom suchen muſs, ist von der Gestalt der die Meeresfläche umschlieſsenden Erdtheile abhängig.) Mit den Vorgängen im Erdinneren, den Erdbeben, den Lavaergüssen in den heiſseren und den Wasserergüssen in den kalten Zonen sind ebenfalls Analogien nachzuweisen.

Eine zweite die Luft bewegende Kraft ist die Sonnenwärme. Die Sonne erwärmt die Luft besonders an der Erdoberfläche; die warme leichtere Luft steigt empor und macht der kälteren schwereren Luft Platz. Weitaus der gröſste Unterschied findet aber zwischen den Temperaturen am Aequator und an den Polen statt, ein weiterer Grund, die Luft von den Polen in die heiſse Zone zu ziehen, und begreiflicherweise ist zur Ausgleichung der Luftzug in den höchsten Regionen vom Aequator zu den Polen unbedingt nothwendig. Für das Zusammenwirken der Centrifugalkraft und der Wärme auf die Luftbewegung im oben angedeuteten Sinne spricht ganz besonders das Eintreten der heftigen Passatwinde bei der Tag- und Nachtgleiche, weil in diesen Tagen jene beiden Ursachen sich addiren und genau an derselben Stelle ihre Maximalwirkung ausüben, während sie sich in der ganzen übrigen Zeit zu einem kleinen Theil entgegenwirken und aufheben können.

Wie oben aus einander gesetzt wurde, entsteht zwischen Erde und feuchter Luft Elektricität, wenn sich beide an einander reiben. Es ist nun theils die Reibung am Aequator die gröſste, theils auch ist in der |144| heiſsen Zone in Folge der groſsen Wärme die Wasserverdampfung und also der Wassergehalt der Luft (als Träger der Elektricität) am gröſsten, so daſs vorzüglich dort alle Bedingungen für eine starke Elektricitätsentwickelung vorhanden sind. Granz besonders wird diese Entwickelung heftig auftreten, wenn die Sonne über einer groſsen Erdfläche die Luft erwärmt, in die Höhe treibt und zu deren Ersatz neue Luft über ebenfalls stark erwärmtes See- oder Meerwasser heranzieht. Diese Luft wird ganz mit Wasserdämpfen angefüllt auf dem Lande ankommen und muſs wegen der groſsen Reibungsflächen ganz gewaltige Elektricitätsmengen erzeugen. Der elektrische Wasserdampf wird von der Erregungsfläche abgestoſsen und kann nur von der Erde sich entfernen und die äuſserste Schicht der Atmosphäre aufsuchen. Die Erde leitet die in ihr entwickelte Elektricität auf dem kürzesten Wege nach dem von der Erregungsfläche entferntesten Punkte, also in der Meridianrichtung nach den Polen. Da die beständige Ausgleichung der entwickelten ungleichartigen Elektricitäten unumgänglich nothwendig ist, so ist also auch der am Atmosphären-Aequator sich aufspeichernde elektrische Wasserdampf (und auch in Folge der Abstoſsung der neu anlangenden Elektricität) gezwungen, den Weg nach den Erdpolen zu suchen, so daſs auch diese elektrischen Kräfte eine beständige Luftbewegung in dem erwähnten Sinne begünstigen und befördern.

Entsprechend den Versuchen mit Dampfkesseln als Elektricitätserzeugern, bei welchen der Dampf positiv elektrisch ist, muſs bei der Reibung der mit Wasserdampf gesättigten Luft an der Erde der Wasserdampf ebenfalls positiv, die Erde aber negativ elektrisch werden. Die positive Elektricität des Wasserdampfes steigt also mit den Dampfbläschen in Folge der oben erwähnten Ursachen an die Oberfläche der Atmosphäre und verliert mehr und mehr die von der Erde herrührende Drehbewegung. Von hier aus theilt sie sich und sucht die beiden Pole zu erreichen. Denkt man sich nun die Erde festgehalten und die langsam hinter ihr hertreibende Luft statt dessen in entgegengesetzter Richtung bewegt, so dreht sich der elektrische Wasserdampf in der Richtung von Ost nach West um die Erde und hat gleichzeitig, wenigstens wenn er die oberen Lagen erreicht hat, Componenten gegen die Pole hin. Wenn nun die sogen, atmosphärische Normalelektricität positiv ist und wenn unaufhörlich Elektricität am Aequator bezieh. in der heiſsen Zone erzeugt wird, so ergibt sich daraus unmittelbar das Vorhandensein einer groſsen Zahl von Strömen positiver Elektricität vom Aequator zu den Polen mit starken Componenten von Ost nach West.

Es ist bekannt, daſs in der Erde eine groſse Menge von Eisen mehr oder weniger rein vorkommt. Auf dieses Eisen wirken nun die elektrischen Ströme ein, so zwar, daſs sich die einzelnen Eisenlager der Erde in lauter Elektromagnete bezieh. das Ganze sich in einen groſsen Elektromagnet verwandelt. Bei genauerer Betrachtung und bei Annahme des |145| Erdcentrums als Beobachtungspunkt ergibt sich leicht, daſs die in die Meridianrichtung fallenden Componenten sämmtlicher vom Aequator zu den Polen flieſsenden elektrischen Ströme stets eine gleich groſse entgegengesetzt gerichtete Componente in dem um 180° gedrehten Meridian, aber im gleichen Parallelkreise finden. Diese gleich groſsen und entgegengesetzt gerichteten Componenten heben sich auf in ihrer Einwirkung auf die Erde; es bleiben nur die anderen von Ost nach West gerichteten wirksam und verstärken sich alle zusammen, so daſs also notwendigerweise Nord- und Südpol der Erde auch gleichzeitig annähernd Pole des Erdelektromagnetes sein müssen.

Wie wir gesehen haben, ist die Elektricität des am Aequator aufsteigenden Wasserdampfes positiv, es dreht sich die positive Elektrizität in der Richtung von Ost nach West um die Erde herum. Wenn wir uns auf den Nordpol der Erde stellen, so bewegt sich somit die Elektricität in der Richtung des Uhrzeigers, der magnetische Pol im Norden muſs ein Südpol sein, im Süden dagegen ein Nordpol, was in der That eintrifft.

Wenn die Erde als bleibender Magnet, nicht als Elektromagnet, aufzufassen wäre, so lieſsen sich die periodischen Schwankungen der Magnetnadel und auch deren an jedem Orte verschiedene und beinahe nicht mehr gesetzmäſsige Ablenkung vom wirklichen Meridiane nicht erklären. Nord- und Südpol des Elektromagnetes, von den elektrischen Strömen beeinfluſst, sind überdies hauptsächlich von der Vertheilung des Eisens in der Erdkruste abhängig. Denkt man sich sämmtliches Eisen in eine Schwerlinie, ungefähr parallel der Erdachse, d.h. also in eisen dünnen, quer durch die Erde reichenden Stab concentrirt, so können die magnetischen Pole nur an den Enden dieses Stabes entstehen; fällt die Stabrichtung nicht genau mit der Erdachse zusammen, so können auch die magnetischen Süd- und Nordpole nicht mit den geographischen Polen zusammenfallen. Es ist nun auch nicht anzunehmen, daſs in der Erdkruste ein einziges Eisenlager ringsum gleich vertheilt sei: es werden im Gegentheil diese Lager sehr verschiedene Gestalt und Gröſse haben, zum Theil wahrscheinlich sogar nicht zusammenhängen. Ein ganz isolirtes Eisenlager z.B. wird unter dem Einflüsse des atmosphärischen Elektricitätsstromes magnetisch, erhält einen Nord- und einen Südpol, welche beide in den nächstliegenden Lagern entgegengesetzte Pole induciren und so indirekt doch zur Stärke der gemeinsamen magnetischen Pole mitwirken. Wird nun eine Magnetnadel in der Nähe eines solchen isolirten Lagers aufgehängt, so machen sich nicht nur die magnetischen Erdpole, sondern gewiſs auch die viel näheren Pole des Eisenlagers selbst geltend und diese letzteren sind es, welche die Nadel von der Richtung der magnetischen Erdpole abzulenken im Stande sind.

Die täglichen Schwankungen der Magnetnadel begreifen sich nun leicht. Je nachdem eine feste oder flüssige Erdoberfläche den heiſsesten, |146| senkrecht auffallenden Sonnenstrahlen ausgesetzt ist, wächst die erzeugte Elektricitätsmenge, oder sie nimmt ab. Es läſst sich kaum denken, daſs durch Reibung von feuchter Luft auf der Meeresoberfläche, also von zwei mehr oder weniger gleichartigen Körpern, eine beträchtliche Elektricitätsmenge erzeugt werde. Nach den oben angedeuteten Anschauungen wird z.B. im Sommer auf dem afrikanischen Continente die meiste Elektricität erzeugt und zwar ungefähr um ½1 Uhr central-europäischer Zeit, weil Centralafrika östlicher liegt. Rechnen wir noch etwa ½ Stunde hinzu für das Aufsteigen der elektrischen Dunstbläschen und für das allmähliche Zurückbleiben hinter der Drehung der Erde, also für die gesammte Ingangsetzung des elektrischen Stromes, so muſs ungefähr um 1 Uhr unserer Zeit der magnetische Südpol in Folge des sich bedeutend verstärkenden Magnetismus der Eisenmassen in Afrika sich etwas nach Osten bewegen; in Folge dessen muſs in Centraleuropa um diese Zeit der Nordpol der Magnetnadel ebenfalls nach Osten abweichen, was meines Wissens mit den Beobachtungen sehr gut übereinstimmt. Aehnlich kann gezeigt werden, daſs die gesammte auf der Erde erzeugte Elektricität ungefähr ein Maximum erreicht, wenn die Sonne über Centralamerika senkrecht steht, weil dort ebenfalls eine bedeutende Oberfläche wirkt und gleichzeitig am frühen Abend auch noch von Afrika und Südasien her eine beträchtliche Menge Elektricität geliefert wird. Es muſs folglich in einer späteren mitteleuropäischen Abendstunde die Gesammtintensität der erdmagnetischen Kraft am gröſsten sein, wenn man die Zeitdifferenz der Meridiane der betrachteten Erdtheile in Rechnung bringt. Selbstverständlich können diese beiden Beispiele nur sehr ungenaue Vergleiche sein; wohl aber dürfte es einer späteren Untersuchung vorbehalten bleiben, sogar durch Rechnungen einen Zusammenhang zwischen der Gestalt der Continente in der heiſsen Zone und den täglichen Schwankungen des Erdmagnetismus nachzuweisen.

Die jährlichen periodischen Schwankungen erklären sich ganz ähnlich ebenfalls nur aus der stets veränderlichen Wirkung der Sonne, weil diese nämlich im Sommer und Winter ganz verschieden gestaltete und verschieden groſse Erdoberflächen trifft. Beispielsweise bewirkt Afrika, wohl die gröſste Elektricitätsquelle als die gröſste zusammenhängende Fläche der heiſsen Zone, im Sommer bedeutende Schwankungen der Nadel; im Winter dagegen ist die den heiſsesten Sonnenstrahlen ausgesetzte afrikanische Fläche bedeutend kleiner, also auch die Schwankungen um jene Tageszeit in Europa geringer.

Als weniger einfach und übersichtlich erweisen sich die Säcularänderungen. Vermuthlich werden diese bewirkt durch innere gewaltsame Umwälzungen, indem z.B. bei Erderschütterungen gröſsere Eisenmengen sich in die feste Erdkruste, in entstandene Höhlungen drängen, dort erkalten und auf diese Weise den Wirkungen des Magnetismus neue Massen darbieten. Auch ist es denkbar, daſs durch starke Erderschütterungen |147| sich gröſsere Eisenlager dem glühenden Erdinneren nähern und dadurch wieder auf eine Temperatur gebracht werden, in welcher die elektrischen Ströme keinen Magnetismus mehr hervorrufen können. Die Ausbeutung des Eisens aus dem Erdinneren kann wohl auf die Stellung der Magnetnadel keinen wesentlichen Einfluſs ausüben. Immerhin ist es auffallend, daſs die isogonale Linie ohne Abweichung vor etwa 250 Jahren eine starke Ausbiegung nach Europa zeigte, während jetzt, nachdem in diesen Jahrhunderten eine bedeutende Ausbeutung von Eisen in Europa stattgefunden hat, jene Linie sich mehr und mehr gegen eine kürzere Verbindungslinie vom magnetischen Süd- und Nordpol zurückgezogen hat. Freilich geht das Eisen im Allgemeinen nicht für die betreffende Gegend verloren, da es selten weit transportirt wird; hingegen wird es doch in kleinere dichtere Formen, wie Maschinen, Brücken o. dgl., gebracht, welche Eisentheile nicht mehr wie in gröſseren zusammenhängenden Erdschichten Elektromagnete von groſsen Ausdehnungen zu bilden und den Magnetismus nicht mehr so leicht nach Norden zu transportiren im Stande sind, da sie stets viel zu weit aus einander liegen.

Auf welche andere Weise der Erdmagnetismus mit Grund erklärt werden könnte, ist mir nicht denkbar; wohl wird vielleicht behauptet werden, die Meteore bieten den Beweis dafür, daſs das Eisen im Universum aus anderen unbekannten Ursachen schon magnetisch sein müsse. Bekanntlich treten aber die Meteore mit rasender Geschwindigkeit in die Erdatmosphäre, erwärmen sich dort bis auf die Glühhitze, müſsten folglich ihren mitgebrachten Magnetismus verlieren. Es ist im Gegentheil nothwendig, daſs bei der Geschwindigkeitsreduction und der hernach eintretenden Abkühlung das Eisen des Meteors in Folge der Einwirkung des kräftigen Erdelektromagnetes einen ziemlich hohen Grad von Magnetismus annehme. Auch die ganze Erdkugel konnte in gleicher Weise ihren beständigen Magnetismus erst durch Ursachen erhalten, welche einwirkten, nachdem dieselbe aus dem flüssigen und glühenden Zustand in den wenigstens theilweise festen und zu niederen Temperaturen übergegangen war. – Die durch die Centrifugalkraft bewirkte Luftbewegung erzeugt durch Reibung eine constante, die von der Sonne auf die Erde überstrahlende Wärme hingegen eine variable Elektricitätsmenge. Nur dadurch werden so geringe tägliche und jährliche Schwankungen und ein so starker regelmäſsiger Erdmagnetismus erklärlich.

(Schluſs folgt.)

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