Einführung in die Geophysik II: Erdmagnetismus und Polarlicht Wärme- und Temperaturverhältnisse der Obersten Bodenschichten Luftelektrizität

398 Pages·1929·15.445 MB·German

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

NATURWISSEN SCHAFTLICHE
MONOGRAPHIEN LEHRBUCHE
UND
HERAUSGEGEBEN VON
DER SCHRIFTLEITUNG DER "NAT URWISSENSCHAFTEN"
ACHTER BAND
EINFUHRUNG IN DIE GEOPHYSIK
II
ERDMAGNETISMUS UND POLARLICHT
WARME- UND TEMPERATURVERHALT
NISSE DER OBERSTEN BODENSCHICHTEN
LUFTELEKTRIZIT AT
VON
A. NIPPOLDT . J. KERANEN· E. SCHWEIDLER
BERLIN
VERLAG VON JULIUS SPRINGER
1929
EINFUHRUNG
IN DIE GEOPHYSIK
II
ERDMAGNETISMUS UND POLARLICHT
WARME- UND TEMPERATURVERHALT
NISSE DER OBERSTEN BODENSCHICHTEN
LUFTELEKTRIZITAT
VON
PROFESSOR DR. A. NIPPOLDT . POTSDAM
J.
DR. KERANEN . HELSINKI
PROFESSOR DR. E. SCHWEIDLER . WIEN
MIT 130 TEXTABBILDUNGEN
BERLIN
VERLAG VON JULIUS SPRINGER
1929
ALLE RECHTE, INSBESONDERE DAS DER UBERSETZUNG
IN FREMDE SPRACHEN, VORBEHALTEN.
ISBN 978-3-7091-9591-8 ISBN 978-3-7091-9838-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-7091-9838-4
COPYRIGHT 1929 BY JULIUS SPRINGER IN BERLIN.
Softcover reprint of tho hardcover 1st edition 1929
Vorwort.
Dem ersten Bande der "Einfiihrung 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 TemperaturverhaItnisse der obersten Bodenschichten"
und die "Luftelektrizitiit" behandelt.
Wieder haben die drei Telle verschiedene Verfasser. Es entspricht
dies dem Werdegang der Geophysik als Wissenschaft. Urspriinglich aus
weit voneinander liegenden Sondergebieten bestehend, mit verschiedenen
Aufgaben und 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
Einfiihrung 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 Tell des vorliegenden Bandes wird der Erdmagne
tismus mit seinen ihm enger verbundenen Nebengebieten, dem Erd
strom und den Polarlichtern, besprochen. In dem Abschnitt iiber das
Instrumentelle sind vor allem die allgemeinen Grundlagen ausfiihrlich
behandelt, wabrend die Einzelheiten kiirzer gefaBt sind. Von Appa
raten werden nur die neuesten Ausfiihrungen gebracht. Der Haupt
wert ist auf eingehende Darstellung unseres sachlichen Wissens iiber
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 enthiillten Beziehungen
auf die Physik des Kosmos.
Der zweite Tell behandelt die Warme- und TemperaturverhaItnisse
der Erdoberflache und der obersten Bodenschichten, bespricht ein
gehend die physikalischen Erscheinungen und fiihrt aus den Beob
achtungsergebnissen diejenigen an, die fiir 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 fiir die wissen
schaftliche Untersuchung der Erscheinungen gew6hnlich angewendet wird.
VI Vorwort.
Die Darstellung des dritten Teiles bestrebt sieh, im Sinne einer
"Einfiihrung in die Geophysik" dem Nichtspezialisten einen Uberbliek
iiber die luftelektrisehen Erseheinungen zu versehaffen. Die Probleme,
welche vorliegen, die Prinzipien der angewandten Untersuehungs
methoden, die allgemeinen Ergebnisse, die bisher gewonnen wurden,
und die theoretisehen ErkHirungsversuehe 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
reichen Originalliteratur. Diesbeziiglich muB auf ausfiihrlichere, auch
fiir 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 betrachtliche
Zahl teils ganz neuer Abbildungen hergestellt, teils solche aus sonst
schwer zuganglichen Originalarbeiten iibernommen, sodaB das ganze
Werk einen in sich zusammenhangenden und iibersichtlichen Charakter
erhalten hat. Zahlreiche 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 Veroffentlichung gelangen wird.
A. NIPPOLDT
Potsdam, Helsinki, Wien,
J.
KERANEN
im Oktober 1929.
E. SCHWEIDLER
Inhaltsverzeichnis.
ERSTER TElL.
Erdmagnetismus und Polarlicht. Von Professor Dr. A. Nippoldt.
Seite
Einleitung. . . .
Instrumentelles .
Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .... I
N atiirliche Magnete, kiinstliche Magnete und kiinstliche Magnetfelder 6
Die gegenseitige Einwirkung zweier Magnete . . . . 9
Grundlagen der Messung der erdmagnetischen Elemente. 18
Die Bestimmung der Deklination . . . . 22
Die Bestimmung der Inklination. . . . . 24
Die Bestimmung der Rorizontalintensitat. 28
Absolute und relative Messungen .... 33
Beobachtung der zeitlichen Variationen. 41
Das beharrliche Magnetfeld der Erde. . . . 46
Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . 46
Kartographische Darstellung. . . . . . . 47
Darstellung durch Reihenentwicklungen . . 55
Das quasi-homogene Magnetfeld der Erde . 60
Das Feld der hoheren Glieder. . . . . . . 62
Das iiberbleibende Feld . . . . . . . . . . . . 65
Die sakulare Variation des beharrlichen Feldes. 67
Innere und auBere Krafte . . . . . . . . . . .
72
Der potentiallose Anteil des Gesamtfeldes . . . 73
Erklarungsversuche des erdmagnetischen Feldes ...... . 75
Das beharrliche Feld in einzelnen Uindern. Allgemeines iiber
Landesaufnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Verteilung des Erdmagnetismus in Europa ......... . 84
Zusammenhang der Anomalien mit dem Bau des Untergrundes 88
Ursachen der Anomalien .... '. ...... . 91
Die Fernwirkung storender magnetischer Massen 93
Praktische Losungen der Aufgabe . . . . . . 95
Magnetische Storungen und Schwerestorungen 102
Der Magnetismus der Sonne .
107
Die zeitlichen Variationen 109
Allgemeines. . . . . 109
Der tagliche Gang. . II2
Die Mondvariationen 120
Die Storungen. . . . . . . . . . . . . . . . 122
Theorie der Elektronenbahnen nach der Erde . . . . . . 126
Aktivitat, Ringstrom, auBerer Anteil der Sakularvariation. 133
Zusammenhang mit der Sonnentatigkeit . . . . . . . . . 135
Der innere Anteil der Variationen; Erdstrom ......... . 137
Dber dieV erbindung erdmagnetischerVariationen mit erdelektrischen 144
Das Polarlicht ....... . 148
Allgemeines. . . . . . . . . . 148
Verteilung iiber die Erde ...
152
Verteilung am Himmelsgewolbe 154
.......
Verteilung in der Rohe .... 154
BIRKELAND-STORMERsche Theorie des Polarlichts 157
Spektrum des Polarlichts . . . 160
BIRKELANDS Versuche . . . . . 162
vrn
lnhaltsverzeichnis.
ZWElTER TElL.
Warme- und Temperaturverhaltnisse der obersten Bodenschichten.
Von Dr. J. Keranen.
Seite
I. Der Wa.rmehaushalt auf der Bodenoberflache 169
I. Warmeeinnahme .........•.......... 169
2. Warmeausstrahlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
3. DerVerbrauch der Warme zu{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
I. Die Warmefaktoren des taglichen Temperaturganges. . 188
2. Die Messung der Temperatur der ErdoberHache ..... 191
3. Der EinfluB der Bedeckung auf die Oberflachentemperatur 193
4. Nachtfrosterscheinung ................. . 196
III. Die Temperatur in den obersten Schichten des Erdbodens . . 201
I. Allgemeine Bemerkungen iiber die Beobachtungen und
MeBmethoden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
2. Die allgemeinen Ziige des Temperaturverlaufes im Erdboden 204
3. Der tagliche Temperaturgang im Boden. . . . . . . . . 207
4. Der jiihrliche Temperaturgang im Boden. . . . . . . . . 212
IV. Die theoretischen Grundlagen fUr die Temperatur- und Warme-
bewegung im Erdboden. . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
I. Die Grundgleichungen der Temperatur- und Wiirmeleitung 221
2. Die periodischen Temperaturbewegungen im Erdboden. . 223
3. Die trigonometrischen Reihen fUr Wiirmestromung und
Wiirmegehalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
4. Die Anwendung der periodischen Reihen auf die Boden-
temperaturbeobachtungen .............. . 234
5. Unzulanglichkeit der einfachen Temperaturbeobachtungen
des Bodens fUr Wiirmebewegung. . . . . . . . . . . . 237
6. Der Wiirmeaustausch im Erdboden . . . . . . . . . . . 239
7. Temperaturintegral ................... . 242
8. Die Auswertung des Warmeaustausches und Temperatur-
integrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
V. Der EinfluB der Bodenbedeckung auf die Temperatur und den
Warmehaushalt in den oberen Bodenschichten. . . . . . . 249
VI. Die Bodenfrosterscheinung . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
I. Die Rolle der 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
I. Die Temperaturverhiiltnisse der Schneeoberflache. . . . . 278
2. Die Eigenschaften einer winterlichen Schneedecke und deren
Dichte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
3. Wiirme- und Temperaturleitfiihigkeit des Schnees . . 284
4. Die mittleren Temperatur- und Warmeverhaltnisse in der
Schneedecke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
Inhaltsverzeichnis. IX
DRlTTER TElL.
Luftelektrizitat. Von Professor Dr. E. Schweidler. Seite
I. Einleitung . . . . . . . 291
I. Vorbemerkung ............ 291
2. Historische Ubersicht . . . . . . . . . 291
3. Die Problernstellung ............ 295
II. Der IonisationsZllstand der Erdatmosphare. . . . . 297
I. Grundziige der Gasion~ntheorie im allgemeinen ... 297
2. Die lonenerzeugung in der Atmosph1l.re •........ 306
a) Die im Erdkorper enthaltenen radioaktiven Stoffe als
lonisatoren . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . 307
b) Die in der Atmosph1l.re enthaltenen radioaktiven Stoffe
als lonisatoren . . . . . . . . . . • . . . . . . . 3 II
c) Die HEsssche Hohenstrahlung als lonisator . . • . . 3 I 5
d) Anderelonisatoren der Atmosphare. . . . . . . . . 318
e) Ubersicht iiber die lonenerzeugung in der Atmosph1l.re 320
3. Die lonenvernichtung . . . . . . . . . 321
4. Die Zahl der lonen . . . . . . . . . . 322
5. Die Beweglichkeit der lonen ..... 326
6. :pie Leitf1l.higkeit der Atmosphare . . . 327
Ergebnisse von Leitf1l.higkeitsmessungen 330
III. Das elektrische Feld der Erde. . . . . . . . 331
I. 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
I. Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . .343
2. Die Verschiebungsstrome in der Atmosph1l.re 344
3. Die Leitungsstrome in der Atmosph1l.re. . . • 344
4. Die Konvektionsstrome infolge Luftbewegung. 350
5. Die Niederschlagsstrome . . . . . . . . . . . 351
6. Erdstrome. . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
7. Der Zustrom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
a) Der aufw1l.rts 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
£) 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 Storungsfeld 369
a) Spitzenentladung . . . . . 369
b) Elmsfeuer. . . . . . . . . . 370
c) Fl1l.chenblitze . . . . . . . . 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 zuruckzu
fuhrenI• Als solche bekannte alte haben hier die Kenntnisse einzutreten,
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 zuruckgefUhrt 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 Karper und den Beziehungen zwi
schen ihm und elektrischen Vorgangen voraus.
Trotzdem mussen wir auf einige Grundbegriffe aus diesem Wissens
zweig hier zuruckkommen, 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 uberall auf der Erde eine bestimmte Richtung
einhalt und das Bestreben zeigt, in dieser Richtung zu beharren, wenn
er durch auBere Krafte aus ihr vorubergehend entfernt worden ist.
Das erdmagnetische Feld ist bekannt, wenn wir fUr jeden Ort zu jeder
Zeit bestimmen kannen, welches die Richtung ist, und wie stark die
richtende Kraft ist.
Wir bedurfen dazu demnach eines Magneten, auf den die Richtkraft
wirkt, und der die Richtung einschlagen wilL Beide Elemente, Kraft
und Richtung, uberall zu messen, ist die Aufgabe der "erdmagnetischen
I SCHLICK, M.: Allgemeine Erkenntnislehre. 2. Aufl. Berlin: Julius Springer.
1925.
Einfiihrung in die Geophysik II.
Erdmagnetismus und Polarlicht.
2
Vermessung" der Erde, oder - da man nieht die ganze Erde auf einmal
vermiBt - der "magnetischen Landesaufnahmen". Dies Herumreisen
auf der ErdoberfHiche 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
oberfHiche ist, und zwar der Oberflache, wie sie durch Berg und Tal,
Festland und Meer gegeben ist. Es ist das zunachst niehts 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 messen direkt oder indirekt das Feld mit einer Probenadel aus,
wollen uns daher innerhalb der Grenzen, die wir uns oben gesteckt haben,
einBild von demWesen einer solchen, d. h. von dem Magnetstab, machen.
1m Gegensatz zu den natiirlichen Magneten - den magnetischen
Mineralien - besitzen die zum Beobachten benutzten kiinstlichen eine
regelmaBige Gestalt und heiBen daher "regulare" Magnete. Das auf der
nordliehen magnetischen Halbkugel der Erde bei freier Beweglichkeit
in der Wagerechten sich nach Norden einstellend,e Ende nennen wir
nordmagnetisch, das entgegengesetzte siidmagnetisch magnetisiert.
Umlaufen wir den Stab seinerseits wieder mit einer Probenadel, so finden
wir, daB in jedem Ende etwas einwarts von dem korperliehen Ende eine
Gegend starkster Wirksamkeit besteht, und annahemd in der Mitte
zwischen ihnen ein Gebiet gar keiner Anziehung; erstere Punkte heiBen
die "Pole", bezugsweise der Nordpol und der Siidpol des Magneten,
letzterer der "Indifferenzpunkt". Was hier in die Erscheinung tritt,
ist aber nieht der wirkliche magnetische Zustand, sondem nur die AuBe
rung des sogenannten "freien" Magnetismus; so ist in Wahrheit gerade
die Indifferenzzone das Gebiet der starksten Magnetisierung und nieht
jene der Pole. Entsprechend dem Gesetz der Anziehung zwischen un
gleichmaBigen Magnetismen, konnte eine Scheidung zwischen Nord
und Siidmagnetisierung in ein und demselben Stabe sich gar nieht 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 £fihrt, daB er immer schwacher wird: er
"altert" magnetisch. Da nun aIle 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. Erschiitterungen, Anderungen seiner Temperatur, Induktion