Einführung in die Geophysik: Erdmagnetismus und Polarlicht Wärme- und Temperaturverhält Nisse der Obersten Bodenschichten Luftelektrizität

398 Pages·1929·13.506 MB·German

by  Professor Dr. A. Nippoldt, Dr. J. Keränen, Professor Dr. E. Schweidler (auth.)

NATURWISSENSCHAFTLICHE
MONOGRAPHIEN LEHRBUCHER
UND
HERAUSGEGEBEN VON
DER SCHRIFTLEITUNG DER "NATURWISSENSCHAFTEN"
ACHTER BAND
EINFOHRUNG IN DIE GEOPHYSIK
II
ERDMAGNETISMUS UND POLARLICHT
WARME- UND TEMPERATURVERHALt
NISSE DER OBERSTEN BODENSCHICHTEN
LUFTELEKTRIZIT AT
VON
A. NlPPOLDT • J. KERANEN. E. SCHWEIDLER
BERLIN
VERLAG VON JULIUS SPRINGER
EINFOHRUNG
IN DIE GEOPHYSIK
II
EROMAGNETISMUS UNO POLARLICHT
WARME- UNO TEMPERATURVERHALT
NISSE OER OBERSTEN BOOENSCHICHTEN
LUFTELEKTRIZITAT
VON
PROFESSOR DR. A. NIPPOLDT . POTSDAM
J.
DR. KERANEN . HELSINKI
PROFESSOR DR. E. SCHWElDLER . WIEN
MIT 130 TEXTABBILDUNGEN
BERLIN
VERLAG VON JULIUS SPRINGER
1929
ISBN 978-3-642-89451-0 ISBN 978-3-642-91307-5 (eBook)
DOl 10_1007/978-3-642-91307-5
ALLE RECHTE, INSBESONDERE DAS DER UBERSETZUNG
IN FREMDE SPRACHEN, VORBEHALTEN.
COPYRIGHT 1929 BY JULIUS SPRINGER IN BERLIN.
SOFTCOVER REPRINT OF THE HARDCOVER 1ST EDITION 1929
Vorwort.
Dem ersten Bande der "EinfUhrung in die Geophysik'; folgt hiermit
ein zweiter Band, der in drei Abschnitten den "Erdmagnetismus mit
seinen Nebengebieten, dem Erdstrom und den Polarlichtern", die
"Warme- und Temperaturverhaltnisse der obersten Bodenschichten"
und die "Luftelektrizitat" behandelt.
Wieder haben die drei Teile verschiedene Verfasser. Es entspricht
dies dem Werdegang der Geophysik als Wissenschaft. Ursprlinglich aus
weit voneinander liegenden Sondergebieten bestehend, mit verschiedenen
Aufgaben ~nd verschiedenen Arbeitsweisen, fangt die Geophysik erst
in unseren Tagen an, zu einem einheitlichen Wissensgebiet zu ver
schmelzen. Noch sind wir Zuschauer dieses Vorganges, noch bahnt
sich die Verschmelzung erst an, und so ware es vorzeitig, jetzt schon
das an Umfang so sehr gewachsene Feld von einem einzigen Be
arbeiter darstellen lassen zu wollen.
Der aufmerksame Leser wird jedoch leicht finden, wie die ver
schiedenen Einzelzweige sich schon innerhalb der Darstellung unserer
EinfUhrung in die Geophysik begegnen. Es ist das Ziel der einzelnen
Verfasser und des Verlages, ein Werk zu schaffen, das auf dem Wege
zur Verschmelzung aller Einzelfacher einen neuen Ausgangspunkt ab
geben kann. Dementsprechend werden besonders die neuesten Fragen
und Probleme behandelt, und die Richtung gezeigt, in der sich die
heutige Wissenschaft weiter bewegt.
In dem ersten Teil des vorliegenden Bandes wird der Erdmagne
tismus mit seinen ihm enger verbundenen Nebengebieten, dem Erd
strom und den Polarlichtern, besprochen. In dem Abschnitt liber das
Instrumentelle sind vor allem die allgemeinen Grundlagen ausfUhrlich
behandelt, wahrend die Einzelheiten klirzer gefaBt sind. Von Appa
raten werden nur die neuesten AusfUhrungen gebracht. Der Haupt
wert ist auf eingehende Darstellung unseres sachlichen Wissens liber
das geophysikalisch Tatsachliche gelegt, das beharrliche Feld des Erd
magneten, das ihn umgebende Variationsfeld und das Zusammenspiel
beider mit dem Erdstrom und den Polarlichtern. Ein SchluBkapitel
zeigt die Ausdehnung der durch diese Tatsachen enthlillten Beziehungen
auf die Physik des Kosmos.
Der zweite Teil behandelt die Warme- und Temperaturverhiiltnisse
der Erdoberflache und der obersten Bodenschichten, bespricht ein
gehend die physikalischen Erscheinungen und fUhrt aus den Beob
achtungsergebnissen diejenigen an, die fUr die Klarlegung der Vorgange
am wichtigsten sind. Besonderer Wert ist auf die Einwirkung der
Bodenbedeckung wie der Pflanzen- und der Schneedecke gelegt. Die
mathematische Behandlung geht nur so weit, wie sie fUr die wissen
schaftliche Untersuchung der Erscheinungen gew6hnlich angewendet wird.
VI Vorwort.
Die Darstellung des dritten Telles bestrebt sieh, im Sinne einer
"Einfiihrung in die Geophysik" dem Niehtspezialisten einen 'Oberblick
iiber die luftelektrischen Erscheinungen zu verschaffen. Die Probleme,
welche vorliegen, die Prinzipien der angewandten Untersuchungs
methoden, die allgemeinen Ergebnisse, die bisher gewonnen wurden,
und die theoretischen ErkUirungsversuche bilden daher ihren wesent
lichen Inhalt. Dagegen ist abgesehen von einer genauen Beschreibung
der Apparate und des MeBverfahrens, von einer tabellenmaBigen Zu
sammenstellung der bisweilen sehr zahlreichen Einzelresultate, von der
ins Detail gehenden mathematischen Ableitung bestimmter theoreti
scher Satze und endlich von der Zitierung der auBerordentlich umfang
reiehen Originalliteratur. Diesbeziiglich muB auf ausfiihrlichere, auch
fUr den Spezialisten bestimmte Werke iiber Luftelektrizitat hingewiesen
werden. Eine Zusammenstellung der wichtigsten zusammenfassenden
Werke dieser Art ist am Schlusse dieses Beitrages zu finden.
Mit groBer Miihe hat die Verlagsbuchhandlung eine betrachtliehe
Zahl teils ganz neuer Abbildungen hergestellt, tells solche aus sonst
schwer zuganglichen Originalarbeiten iibernommen, sodaS das ganze
Werk einen in sieh zusammenhangenden und iibersiehtlichen Charakter
erhalten hat. Zahlreiehe FuBnoten gestatten jederzeit die Originale
zur eigenen Kritik heranzuziehen.
Es sei noch bemerkt, daB ein dritter Band von der Hand des
Herrn Professor DEFANT, die Ozeanographie darstellend, sich anschlieBt
und ebenfalls jetzt zur Veroffentliehung gelangen wird.
A. NIPPOLDT
Potsdam, Helsinki, Wien,
J.
KERANEN
im Oktober I929.
E. SCHWEIDLER
Inhaltsverzeichnis.
ERSTER TElL.
Erdmagnetismus und Polarlicht. Von Professor Dr. A. Nippoldt.
Seite
Einleitung 0 0 0 0 0 I
Instrumentelles
0 0
Grundbegriffe I
0 • 0 0 0 0 • • 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 • 0 0 0
N atiirliche Magnete, kiinstliche Magnete und kiinstliche Magnetfelder 6
Die gegenseitige Einwirkung zweier Magnete 9
0 0 0 0
Grundlagen der Messung der erdmagnetischen Elemente 18
0
Die Bestimmung der Deklination 22
0 0 0 0
Die Bestimmung der lnklination 24
0 0 0 0 0
Die Bestimmung der Horizontalintensitat 28
0
Absolute und relative Messungeno 33
0 0 0
Beobachtung der zeitlichen Variationeno 41
Dasbeharrliche Magnetfeld der Erde 46
0 0 0 0
Aligemeines 46
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Kartographische Darstellung 47
0 0 0 0 0 0
Darstellung .durch Reihenentwicklungen 55
0 0
Das quasi-homogene Magnetfeld der Erde 60
0
Das Feld der hoheren Glieder 62
0 0 0 0 0 0 0
Das iiberbleibende Feld 65
00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Die sakulare Variation des beharrlichen Feldes 67
0
lnnere und au6ere Krafte 72
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Der potentiallose Anteil des Gesamtfeldes 73
0 0 0
Erklarungsversuche des erdmagnetischen Feldes 75
0 0 0 0 • 0 0
Das beharrliche Feld in einzelnen Landern. Aligemeines iiber
Landesaufnahmen 78
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Verteilung des Erdmagnetismus in Europa 84
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Zusammenhang der Anomalien mit dem Bau des Untergrundes 88
Ursachen der Anomalien 91
0 0 0 0 0 • 0 0 • 0 0 0
Die Fernwirkung storender magnetischer Massen 93
Praktische Losungen der Aufgabe 95
0 0 0 0 0 0
Magnetische Storungen und Schwerestorungen !O2
Der Magnetismus der Sonne !O7
0
Die zeitlichen Variationen 109
0
Allgemeines 109
0 0 0 0 0 0
Der tagliche Gang. II2
0 0
Die Mondvariationen 120
Die Storungeno 0 122
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Theorie der Elektronenbabnen nach der Erde . 126
0 0 0 0 0
Aktivitat, Ringstrom, au6erer Anteil der Sakularvariation 133
0
Zusammenhang mit der Sonnentatigkeit 135
0 0 0 •• 0 0 0 0
Der innere Anteil der Variationen; Erdstrom 137
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Vber dieV erbindung erdmagnetischerVariationen mit erdelektrischen 144
Das Polarlichto 148
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Allgemeines 148
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Verteilung iiber die Erde 152
0 0 0
Verteilung am Himmelsgewolbe 154
Verteilung in derHohe 154
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
BIRKELAND-STORMERsche Theorie des Polarlichts 157
Spektrum des Polarlichts 160
0 0 0 0 0 0 0 • 0 0 0
BIRKELANDS Versuche 162
0 0 0 0 0 0 0 0 0 • 0 0 0
VIII lnhaltsverzeichnis.
ZWElTER TElL.
Warme- und Temperaturverhaitnisse der obersten Bodenschichten.
Von Dr. J. Keranen.
Seite
I. Der Warmehaushalt auf der Bodenoberflache 169
1. Warmeeinnahme 10
2. Warmeausstrahlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
3. Der Verbrauch der Warme zur Verdunstung und Schmelzung 182
4. Die Reflexion der Strahlung auf der Erdoberflache. 183
5. Das Durchdringen der Strahlung durch die Vegetation. 186
II. Die Temperaturverhaltnisse auf der Erdoberflache . 187
1. Die Warmefaktoren des taglichen Temperaturganges . 188
2. Die Messung der Temperatur der Erdoberllache . 191
3. Der EinfluB der Bedeckung auf die Oberflachentemperatur 193
4. Nachtfrosterscheinung. 196
III. Die Temperatur in den obersten Schichten des Erdbodens 201
1. Allgemeine Bemerkungen uber die Beobachtungen und
MeBmethoden . 201
2. Die allgemeinen Zuge des Temperaturverlaufes im Erdboden :204
3. Der tagliche Temperaturgang im Boden. 207
4. Der jahrliche Temperaturgang im Boden. 212
IV. Die theoretischen Grundlagen fUr die Temperatur- und Warme-
bewegung im Erdboden . 22 I
1. Die Grundgleichungen der Temperatur- und Warmeleitung 221
2. Die periodischen Temperaturbewegungen im Erdboden . 223
3. Die trigonometrischen Reihen fur Warmestromung und
Warmegehalt . . . . . .. 232
4. Die Anwendung der periodischen Reihen auf die Boden-
temperaturbeobachtungen . .... .. 234
5. Unzulanglichkeit der einfachen Temperaturbeobachtungen
des Bodens fur Warmebewegung . 237
6. Der Warmeaustausch im Erdboden 239
7. Temperaturintegral 242
8. Die Auswertung des Warmeaustausches und Temperatur·
integrals 244
V. Der EinfluB der Bodenbedeckung auf die Temperatur und den
Warmehaushalt in den oberen Bodenschichten. 249
VI. Die Bodenfrosterscheinung 257
1. Die Rolleder latenten Warme bei dem Bodenfrost 257
2. Das Fortschreiten des Bodenfrostes nach der Tiefe hin. 259
3. Der EinfluB der Warmestromung aus den ungefrorenen
Schichten auf den Bodenfrost 260
4. Das Auftauen des Bodenfrostes im Friihjahr . 262
5. Mehrere Bodenfrostschichten 264
6. Dber die Struktur des Bodenfrostes . 265
7. Die theoretischen Behandlungen des Bodenfrostes 267
8. Einige Einwirkungen des Bodenfrostes auf die Pflanzenkultur 275
9. Eisboden und Bodeneis . 276
VII. Die Temperatur- und Warmeverhaltnisse der Schneedecke. . 277
1. Die Temperaturverhaltnisse der Schneeoberflache. . . . . 278
2. Die Eigenschaften einer winterlichen Schneedecke und deren
Dichte. 280
3. Warme- und Temperaturleitfahigkeit des Schnees 284
4. Die mittleren Temperatur- und WarmeverhaJtnisse in der
Schneedecke. 285
lnhaltsverzeichnis. IX
DRITTER TElL.
Luftelektrizitat. Von Professor Dr. E. Schweidler. Seite
I. Einleitung . . . . . . . 291
I. Vorbemerkung ............ 291
2. Historische Dbersicht . . . . . . . . . 291
3. Die Problemstellung ......... 295
II. Der Ionisationszustand der Erdatmosphare. . 297
1. Grundziige der Gasionentheorie im allgemeinen 297
2. Die lonenerzeugung in der Atmosphare ......... 306
a) Die im Erdkorper enthaltenen radioaktiven Stoffe als
lonisatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
b) Die in der Atmosphare enthaltenen radioaktiven Stoffe
als lonisatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 II
c) Die HEsssche Hohenstrahlung als lonisator . . . . . 3 I 5
d) Andere lonisatoren der Atmosphare. . . . . . . . . 318
e) Dbersicht iiber die lonenerzeugung in der Atmosphare 320
3. Die lonenveruichtung . . . . . . . . . 321
4. Die Zahl der lonen . . . . . . . . . . 322
5. Die Beweglichkeit der lonen ..... 326
6. Die Leitfahigkeit der AtmospMre 327
Ergebnisse von Leitfahigkeitsmessungen 330
III. Das elektrische Feld der Erde. . . . . . . . 33 I
1. Die Methoden zur Messung der Feldstarke . 331
a) Methode der Potentialsonden (Kollektoren) 332
b) Methode der Ladungsmessung. . . . . . . . . 334
2. Beobachtungsresultate betreffend das elektrische Feld 336
3. Raumladungen in der Atmosphare . . . . . 340
Ergebnisse beziiglich der Raumladungen. . 342
IV. Die elektrischen Strome in der Atmosphare . . 343
1. Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . 343
2. Die Verschiebungsstrome in der Atmosphare 344
3. Die Leitungsstrome in der Atmosphare. . . . 344
4. Die Konvektionsstrome infolge Luftbewegung. 350
5. Die Niederschlagsstrome . . . . . . . . . . . 35 I
6. Erdstrome. . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
7. Der Zustrom. . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. 356
a) Der aufwarts gerichtete Leitungsstrom in Storungsgebieten 357
b) Die Niederschlagsstrome. . . . . . . . . 359
c) Der vertikale Konvektionsstrom. . . . . 359
d) Zustrom durch Korpuskularstrahlen . . . 360
e) Spontane Vernichtung positiver Ladungen 361
f) Die BAuERschen Strome. . . . . . . . . 362
V. Die Storungen des elektrischen Feldes. . . . . . . . . .. 363
1. Die Raumladungen und elektrischen Felder bei Storungen. 363
2. Die Entstehung der Storungs-Raumladungen . . . 366
a) Die WILsoN-GERDIENsche Kondensationstheorie. 366
b) ELSTERS und GEITELS lnfluenztheorie 367
c) SIMPSONS Gewittertheorie . . . 368
3. Entladungsformen im St6rungsfeld 369
a) Spitzenentladung . . . . . 369
b) Elmsfeuer. . . . . . . . . 370
c) Flachenblitze . . . . . . . 370
d) Andenleuchten . . . . . . 370
e) Funkenblitze (Linienblitze). 370
f) Perlschnur- und Kugelblitze 372
VI. Zusammenfassung . . . . . . . 373
Literaturverzeichnis zum dritten Teil 375
Namenverzeichnis . . . . . . . . . 376
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . 380
Erster T eil.
Erdmagnetismus und Polarlicht.
Von Professor Dr. A. Nippoldt, Potsdam.
Einleitung.
Die Aufgabe der erdmagnetischen Forschung ist es, die Erscheinun
gen des Erdmagnetismus zu erklaren.
Erklaren heiBt, die neuen Tatsachen auf bekannte alte zurtickzu
fUhren Als solche bekannte alte haben hier die Kenntnisse einzutreten,
I•
welche wir in der Physik und Chemie vorfinden, wobei wir es in diesem
Buche offen lassen, ob sie ihrerseits erklart sind, d. h. ob sie fUr sich
auf allgemeine Grundlagen zurtickgefUhrt sind. So nehmen wir die
Begriffe Magnetismus, Elektrizitat, Temperatur, Zeit, Masse usw. als
gegebene bekannte Dinge an. Wir setzen insbesondere Vertrautheit
mit der Lehre yom Magnetismus aller K6rper und den Beziehungen zwi
schen ihm und elektrischen Vorgangen voraus.
Trotzdem mtissen wir auf einige Grundbegriffe aus diesem Wissens
zweig hier zurtickkommen, da sie fUr die erdmagnetische Forschung
in teilweise neuem Lichte erscheinen.
Instrumentelles.
Grundbegriffe.
Das erdmagnetische Feld verrat sich dadurch, daB ein frei beweglich
aufgehangter Magnet tiber all auf der Erde eine bestimmte Richtung
einhalt und das Bestreben zeigt, in dieser Richtung zu beharren, wenn
er durch auBere Krafte aus ihr vorlibergehend entfernt worden ist.
Das erdmagnetische Feld ist bekannt, wenn wir fUr jeden Ort zu jeder
Zeit bestimmen k6nnen, welches die Richtung ist, und wie stark die
richtende Kraft ist.
Wir bedtirfen dazu demnach eines Magneten, auf den die Richtkraft
wirkt, und der die Richtung einschlagen will. Beide Elemente, Kraft
und Richtung, tiberall zu messen, ist die Aufgabe der "erdmagnetischen
I SCHLICK, M.: Allgemeine Erkenntnislehre. 2. Aufl. Berlin: Julius Springer.
1925.
Einfiihrung in die Geophysik II.
2 Erdmagnetismus und Polarlicht.
Vermessung" der Erde, oder - da man nicht die ganze Erde auf einmal
vermiBt - der "magnetischen Landesaufnahmen". Dies Herumreisen
auf der Erdoberflache entspricht der Ausmessung eines magnetischen
Feldes eines bestimmten Magneten im Laboratorium durch eine soge
nannte "Probenadel".' Was wir damit bekommen, ist die Festlegung
der Gestalt und GroBe des magnetischen Feldes so, wie es auf der Erd
oberflache ist, und zwar der Oberflache, wie sie durch Berg und Tal,
Festland und Meer gegeben ist. Es ist das zunachst nichts anderes als
irgendeine in sich allseitig geschlossene Bezugsflache, von der es vorerst
noch vollkommen offen steht, ob sie in bezug auf das magnetische Feld
irgendwie ausgezeichnet ist, insbesondere ob gar die Erdoberflache die
Mantelflache eines Magneten ist.
Wir mess en direkt oder indirekt das Feld mit einer Probenadel aus,
wollen uns daher innerhalb der Grenzen, die wir uns oben gesteckt haben,
einBild von dem Wesen einer solchen, d. h. von dem Magnetstab, machen.
1m Gegensatz zu den naturlichen Magneten - den magnetischen
Mineralien - besitzen die zum Beobachten benutzten kunstlichen eine
regelmaBige Gestalt und heiBen daher "regulare" Magnete. Das auf der
nordlichen magnetischen Halbkugel der Erde bei freier Beweglichkeit
in der Wagerechten sich nach Norden einstellende Ende nennen wir
nordmagnetisch, das entgegengesetzte sudmagnetisch magnetisiert.
Umlaufen wir den Stab seinerseits wieder mit einer Probenadel, so finden
wir, daB in jedem Ende etwas einwarts von dem korperlichen Ende eine
Gegend starkster Wirksamkeit besteht, und annahernd in der Mitte
zwischen ihnen ein Gebiet gar keiner Anziehung; erstere Punkte heiBen
die "Pole", bezugsweise der Nordpol und der Sudpol des Magneten,
letzterer der "lndifferenzpunkt". Was hier in die Erscheinung tritt,
ist aber nicht der wirkliche magnetische Zustand, sondern nur die AuBe
rung des sogenannten "freien" Magnetismus; so ist in Wahrheit gerade
die Indifferenzzone das Gebiet der starksten Magnetisierung und nicht
jene der Pole. Entsprechend dem Gesetz der Anziehung zwischen un
gleichmaBigen Magnetismen, konnte eine Scheidung zwischen Nord
und Sudmagnetisierung in ein und demselben Stabe sich gar nicht halten.
Dies verrat sich denn auch dadurch, daB durch seinen freien Magnetis
mus jeder Stab unter einem Zwange steht. Solange sich der Magnet
in auBerlicher Ruhe befindet, sprechen wir davon als von der "entmagne
tisierenden Kraft", die dazu fiihrt, daB er immer schwacher wird: er
"altert" magnetisch. Da nun alle zu Messungen gebrauchten Stabe aus
abgeschrecktem, gehartetem Stahl bestehen, also sich auch noch auf
andere Weise unter einem Zwangszustand befinden, der seinerseits mit
der Zeit sich andert - "elastisch" altert - so ist es verstandlich, daB
alle Magnetstabe stets geneigt sind, sich zu andern. Kommen auBere
Krafte hinzu, so wird dies beschleunigt. Solche auBere Krafte sind
z. B. Erschutterungen, Anderungen seiner Temperatur, Induktion