Ueber den Ursprung der atmosphärischen Elektricität und deren Zusammenhang mit den elektrischen Erscheinungen auf der Erdkugel; von L. Zehnder in Basel. (Schluſs der Abhandlung S. 141 d. Bd.) Zehnder, über den Ursprung der atmosphärischen Elektricität. Bei Tag- und Nachtgleiche, wenn die Sonne über dem Aequator senkrecht steht, wird die Elektricität sich nach beiden Polen hin ziemlich gleichmäſsig vertheilen. Im Sommer und Winter dagegen besteht auf den beiden Halbkugeln ein bedeutender Unterschied. Im Sommer muſs beispielsweise die heiſse Zone zwischen dem nördlichen Wendekreise und dem Aequator die hauptsächlich Elektricität erzeugende Fläche sein. Ferner wird in Folge der Wärme die Luft besonders von dieser Fläche aus aufsteigen und die elektrischen Dampfmoleküle nach oben transportiren. Da nun die an allen Stellen gleichartige Elektricität der Erde in Folge der Abstoſsung an dem von der Erzeugungsfläche entferntesten Punkte die gröſste Dichte herzustellen sucht, so sammelt sich in dieser Jahreszeit am Südpole der gröſsere Theil der Erdelektricität an. Die Luftbewegung wird ebenfalls nach dem im Sommer bedeutend kälteren Südpole eine viel lebhaftere sein, so daſs sich nun der weitaus gröſste Theil der entwickelten Elektricität am Südpole ausgleichen muſs. Auf der nördlichen Halbkugel herrscht im Sommer mit der Wärme auch der gröſsere Wassergehalt der Luft vor. Da die gemäſsigte Zone zur Erregung der Elektricität bedeutend weniger beiträgt als die heiſse, somit auch auf die (positive) Normalelektricität kaum als Erregungsfläche abstoſsend zu wirken im Stande sein wird, da zudem von ihr beständig mit Wasserdampf erfüllte, nur wenig Elektricität haltende Luft, vielleicht sogar manchmal, wenn keine intensive Reibung stattgefunden hat, mit der Elektricität der Erde, also negativ geladene Luft in die höheren Regionen aufsteigen kann, so ist der Normalelektricität ein Weg geboten, sich mit der entgegengesetzten Elektricität der Erde auszugleichen, bevor sie den Nordpol erreicht hat, sei es daſs sie von ihrer höchsten Höhe direkt durch die stark Wasser haltige und in einen guten Leiter umgewandelte Luft bis auf die Erde niedersteigt, sei es daſs sie vorerst nur eine zwischenliegende Wolke erreicht, um von dieser später den Weg auf die Erde zu suchen. In der dunstigen Atmosphäre der gemäſsigten Zone wird sich die nach Norden geströmte Elektricität in raschen und in langsamen Entladungen ausgleichen und nur ein Theil derselben wirklich zum Nordpol gelangen. Auch auf der südlichen Halbkugel ist die heiſse Zone noch ein starker Elektricitätserreger; die gemäſsigte hingegen ist kalt, hält in Folge dessen weniger Wasserdampf und ist dadurch ein schlechter Leiter geworden, in noch höherem Grade die kalte Zone. Wenn nun gleichwohl aus den angeführten Gründen die Elektricität besonders das Bestreben hat, sich im Sommer gerade am Südpole auszugleichen, so kann dies nur durch eine immerwährende Entladung am Südpole geschehen, indem theils in Folge der natürlichen Luftbewegung, theils in Folge der Anziehung der beiden verschiedenen Elektricitäten die elektrisch geladene Luft am Pole niedersteigt, bis die Elektricität stetig überzuspringen im Stande ist. Diese gewissermaſsen langsame Entladung einer ungeheuren Fülle von Elektricität stellt das Südlicht und ähnlich im Winter am Nordpole das Nordlicht her. Daſs ganz besonders im Winter unsere nördliche Atmosphäre eine starke Elektricitätsfülle aufweist, zeigen die vielfachen Versuche und Nachrichten darüber. Danach erreicht im Januar die Normalelektricität eine Maximalspannung, ebenso die Elektricität des von der Erde emporsteigenden Nebels, welch letzterer ebenfalls durch Reibung an der Erdoberfläche elektrisch geworden ist. Wäre irgend eine Wolke völlig unelektrisch, so werden sich die kleinsten Theilchen derselben, seien es Dunstbläschen oder äuſserst kleine Wasserkügelchen, in Folge der Anziehung auf einander sehr rasch zu gröſseren Tropfen vereinigen und auf die Erde niederfallen. Es erklärt sich nur aus dem elektrischen Zustande der Wolke ihr länger andauerndes Bestehen. Zur Erklärung der im Inneren der Wolke wirkenden Kräfte betrachte ich kleine Wasserkügelchen als kleinste Theilchen. Die Wirkungen übertragen sich nachher leicht auf die neuerdings bevorzugte Hypothese von Dunstbläschen. Jedes Wasserkügelchen übt auf die benachbarten eine anziehende Kraft (Gravitation) aus, deren Angriffspunkt bei geringer Entfernung der beiden Körperchen doch noch sehr nahe seinem Schwerpunkte und Mittelpunkte liegt. Gleichzeitig wirkt aber die Elektricität des Kügelchens, welche sich auf der alleräuſsersten Umhüllung desselben ansammelt, als abstoſsende Kraft, deren Angriffspunkt bei geringen Entfernungen viel näher an der Oberfläche des Kügelchens liegt als der Angriffspunkt der vorhin erwähnten Anziehungskraft. Wenn man bei den in Betracht kommenden sehr geringen Entfernungen bedenkt, daſs die einander näher liegenden Halbkugeln von zwei benachbarten Kügelchen die bei weitem gröſsere Einwirkung auf einander ausüben und daſs die Elektricität nur auf der Oberfläche dieser Halbkugel gleichmäſsig vertheilt ist, während das Wasser die ganze Halbkugel ausfüllt, so ist obige Behauptung bewiesen, weil der Schwerpunkt einer Halbkugeloberfläche stets weiter vom Mittelpunkte der Kugel entfernt liegt als der Schwerpunkt der vollen Halbkugel. Sobald nun die gesammte elektrische abstoſsende Wirkung eines jeden Wasserkügelchens auf die benachbarten kleiner ist als dessen anziehende Kraft auf dieselben, so muſs ein Gleichgewichtszustand sich herstellen und es ist ein Sichzerstreuen der Wolke gar nicht möglich. Ist die abstoſsende Wirkung der Elektricität sehr gering, so nähern sich die Kügelchen bis zur Berührung, es beginnt Tropfenbildung und Niederschlag. Wirkt aber die elektrische, aus einander treibende Kraft stärker als die anziehende, so entfernen sich die Kügelchen immer weiter von einander; bei sehr bedeutender elektrischer Spannung zertheilen sie sich sogar selbst noch in so kleine Theile, daſs sie dem bloſsen Auge nicht mehr sichtbar bleiben. Ganz ähnlich verhält es sich, wenn man statt Wasserkügelchen die Dunstbläschen betrachtet. Die Wirkungen sind genau dieselben, weil die letzteren als Hohlkugeln mit einer endlichen Wandstärke anzunehmen sind, während die Elektricität sich gewissermaſsen auf einer das Dunstbläschen einhüllenden Hohlkugel mit unendlich dünner Wandstärke befindet. Die oben erläuterte Differenz der Angriffspunkte der anziehenden und abstoſsenden Kraft muſs etwas geringer sein; aber ein Unterschied bleibt bestehen und folglich auch die Wirkungen. Nur das Vorhandensein dieser elektrischen Kräfte läſst es begreifen, daſs auch der aus einem Schornsteine aufsteigende Dampf, welcher sich in der Luft rasch abkühlt und dessen kleinste Theilchen durch Berührung unter einander sich zu gröſseren Tröpfchen vereinigen und wieder zurückfallen müſsten, in Wirklichkeit sich in der Luft immer mehr zerstreut und zuletzt wieder unsichtbar wird. Auch die oft seltsame und nach starker Ortsveränderung sich doch gleichbleibende Gestalt der Wolken läſst sich nur durch das Vorhandensein eines absoluten Gleichgewichtszustandes erklären. Unter Zugrundelegung der oben nachgewiesenen Thatsachen will ich auf die Gewittererscheinungen näher eintreten und stelle mir deshalb einen sehr heiſsen, schwülen Sommertag in der gemäſsigten nördlichen Zone vor: Die Sonne erwärmt eine gröſsere, von Wolken nicht bedeckte Fläche Landes sehr stark, die erhitzte Luft steigt mit den Dämpfen des verdunsteten Wassers empor und macht die Atmosphäre zu einem guten Leiter, wodurch elektrische Entladungen von oben nach der Erde begünstigt werden. Durch die erzeugte heftige Luftbewegung nach oben ist ferner die auf der Erde ruhende Luft genöthigt nachzuströmen und es werden die Wolken, welche die stark erwärmte Fläche umgeben, über die letztere getrieben werden. Es begünstigt nun die entstandene leitende Luftsäule in erster Linie ein langsames Ueberströmen der negativen Erdelektricität nach solchen in die Säule hineingetriebenen Wolken und macht dieselben negativ elektrisch, wenn sie es nicht vorher schon waren. Bei einem langsamen Uebergang der positiven in negative Elektricität im Inneren der Wolke tritt aber einmal ein neutraler Zustand ein, in welchem sich Regen bilden muſs, der seinerseits die Leitung der Luftsäule noch verbessert und das Ueberströmen der Erdelektricität in die Wolke beschleunigt. (Der kurze schwächere Regenguſs, welcher sehr oft noch vor den heftigen plötzlichen Entladungen eintritt.) Nach genügender Ansammlung von negativer Elektricität in jener Wolke erfolgt nun aus den obersten Schichten eine Entladung positiver Normalelektricität nach der Wolke hin und, je nachdem diese dadurch selbst positiv elektrisch wurde, oder nur angenähert neutralisirt, wird sich entweder noch im gleichen Augenblicke die Wolke nach der Erde hin entladen oder nicht. Es ist sogar denkbar, daſs sich die Erde nach der neutralen Wolke hin gewaltsam entlade, wenn die Spannungsdifferenz groſs genug ist. In jedem auch nur angenähert neutralen Zustande der Wolke nimmt die aus einander treibende Kraft im Inneren derselben ab; zugleich wirkt auſser der Gravitation die bei jeder plötzlichen Entladung hervorgerufene bedeutende Lufterschütterung auf die Dunstbläschen ein, vereinigt sie zu Wassertropfen, welche selbstverständlich wegen ihres Gewichtes zur Erde fallen und so das Ausgleichen der Elektricitäten und auch das Ueberströmen der Erdelektricität nach den Wolken hin auf jede Weise erleichtern, geschehe dies durch langsame oder hier und da sogar durch plötzliche Entladungen. In der That beobachtet man seltener Blitzschläge der negativen Erdelektricität nach den Wolken hin als der positiven Normalelektricität nach der Erde. Unter allen Umständen werden also die obersten Schichten ihre positive Elektricität nach der zwischen ihr und der Erde liegenden Wolke hin entladen und dieselbe positiv machen; die Erde ihrerseits macht sie abwechselnd wieder negativ, so daſs ein lang dauernder beständiger Wechsel der Elektricitäten jener Zwischenwolke statthaben wird, so lange eben der ungeheure Vorrath von Elektricität in den obersten Regionen und deren Spannung die gewaltsamen Entladungen ermöglicht. Danach kann es bei einem stärkeren Gewitter kaum vorkommen, daſs sich der Regen ergieſse, bevor nur die betreffende Wolke ihre Elektricität zum groſsen Theile durch langsame oder gewaltsame Entladung abgegeben hat. Höchstens einem sehr intensiven und unregelmäſsigen Winde wäre in dieser Beziehung einige Wirksamkeit zuzumuthen. Der Umstand, daſs besonders nach sehr lange anhaltendem heiſsem Wetter, nach welchem man einen warmen Regen vermuthen könnte, umgekehrt Hagel, also Eisklümpchen auf die Erde niederfallen, ist nun ebenfalls kein Räthsel mehr: Bei dem schwülsten Wetter sind keine tief liegenden vermittelnden Wolken in der Nähe, die leitende, mit Wasserdampf erfüllte Luftsäule erhebt sich bis in bedeutend höhere Regionen und leitet die Blitze von dieser Höhe, in welcher die Elektricität eine viel gröſsere Spannung besitzt, auf die Erde hinab. Nach den Entladungen, welche unter solchen Umständen auch viel stärker sein werden, bilden sich sofort die Wassertropfen, sie gefrieren in der niederen Temperatur jener Regionen und fallen als Hagel nieder, indem sie alle unterwegs aufgefangenen Regentropfen mitreiſsen und ebenfalls gefrieren machen. Nur die Annahme einer vermittelnden Wolke zwischen der stark positiven Normalelektricität der obersten Atmosphäre und der stark negativen Elektricität der Erde macht die beobachteten Unregelmäſsigkeiten und raschen Aenderungen der positiven in negative Elektricität und umgekehrt in den Gewitterwolken erklärlich. Es drängt sich nun die Frage auf, warum bei sehr starken Gewittern niemals eine Wolke sich vollständig entleere, so daſs während des Regens sich der Himmel allmählich mehr und mehr lichten würde. Im Gegentheile sieht man stets und überall nach dem Gewitter, wenn ringsum der Regen aufgehört hat, noch schwarze Wolken am Himmel hangen, oft beinahe so dunkle wie vor dem Gewitter. Auch dieser Vorgang läſst sich nun aus dem Vorangehenden erklären: Die Entladungen von den obersten Schichten nach der Wolke hin dauern so lange, bis die Spannung der obersten Normalelektricität etwas nachgelassen, oder bis sich die Wolke so weit auf die Erde gesenkt hat, daſs jene Entladungen in Folge der gröſseren Entfernung aufhören müssen. Der Regen aber wird sich länger ergieſsen; er fängt im Gegentheile erst recht an, wenn sich die Elektricität der Wolke möglichst neutralisirt hat; er wird nun auch ein sehr starkes Ueberströmen der negativen Erdelektricität in die Wolke befördern und die letztere gelangt wieder in einen elektrischen Zustand mit so groſser Spannung, daſs die Regenbildung aufhören muſs. Die negative Wolke wird nun von der negativen Elektricität der Erde abgestoſsen, erhebt sich und setzt ihren Weg weiter fort so lange, bis sie in eine Höhe gelangt, nach welcher hin die Normalelektricität sich neuerdings entladen kann, so daſs dort das Spiel von Neuem beginnt. Bei Gewittern hat man sich sonach ein sehr oft wiederholtes Auf- und Absteigen der Wolken, verbunden mit jeweiligen Entladungen und Ergüssen zu denken, während diese Wolken über die Erde streichen, so daſs sie also bei ihrem Zuge sich bald entladen, bald ohne Erguſs über einen Ort fliehen. Bei den stärksten, mit Hagel verbundenen Gewittern ist es am leichtesten nachzuweisen, daſs wirklich der Erguſs sich auf kleine Flächen beschränkt, die betreffende Wolke nachher, ohne zu schaden, weiter zieht und erst an einem entfernteren Orte wieder neue heftigere Ergüsse stattfinden. Da die Beschaffenheit der oft erwähnten leitenden Luftsäule einen groſsen Einfluſs hat, so kann eine und dieselbe Wolke ganz wohl eine zweite Entladung heftiger werden lassen als die erste; im Allgemeinen wird aber doch die Intensität einer jeden Wolke allmählich abnehmen, weil durch den Regen ihr Wassergehalt abnimmt. Jene Luftsäule kann eine schwach positive Wolke langsam entladen und ihr die negative Elektricität der Erde beibringen, bevor nur Blitzschläge erfolgen. Beweis hierfür sind die vor Gewittern aus der Erde ausströmende Elektricität, das St. Elmsfeuer u. dgl. Danach bleibt es durchaus nicht ausgeschlossen, daſs sich auch in der gemäſsigten Zone durch Reibung der Wolken an der Erde Elektricität entwickle; es wird dies stets der Fall sein und mehr bei der Hitze als bei der Kälte, weil die warme Luft mehr Wasser aufnehmen kann. Es sind aber die Erregungsflächen keine so groſsen, weshalb die Elektricitäten auſserhalb derselben leicht sich wieder vereinigen können; auch die Luftströmungen sind selten so direkt nach oben strebende, daſs jene Ausgleichung nicht leicht statthaben könnte, besonders bei der stark Feuchtigkeit haltenden Luft des Sommers. Die Nebel mit ihrer positiven Elektricität sprechen dafür, daſs sich auch bei der geringsten Reibung von Wasser haltiger Luft an der Erde in ersterer die positive Elektricität: entwickelt, wenn auch nur schwach. Und wie jene Wolken und die oberste Schicht der Atmosphäre so kann auch der Nebel die Elektricität im Winter besser zurückhalten, weil nur die ganz warme Wasser haltige Luft leitend wird, nicht die kältere Luft, bei welcher sich die Nebel bilden. Bekanntlich ist die Elektricität der Niederschläge bald positiv, bald negativ. Daſs bei Gewittern die positive Elektricität vorherrscht, weil während der Entladungen die Wolke gröſstentheils einen Ueberschuſs an positiver Elektricität aufweist, liegt auf der Hand, ebenso der häufige Wechsel der elektrischen Spannungen, welche sich beim Gewitterregen äuſsert. Bei gewöhnlichem Regen ohne gewaltsame Entladungen macht sich hingegen mehr eine negative Spannung bemerkbar. Der Grund hiervon ist folgender: Die negative Elektricität der Niederschläge kommt in der Regel von Wolken her, welche bereits einmal ein Gewitter mitgemacht haben, aber so weit nach Norden getrieben wurden, daſs keine plötzlichen Entladungen mehr möglich sind, wegen des geringeren Wassergehaltes der Luft und der Spannungsabnahme der Normalelektricität. Nach den vorangehenden Erläuterungen muſs nämlich angenommen werden, daſs durch die Gewittererscheinungen die Normalelektricität gröſstentheils aufgebraucht werde und daſs nur ein geringer Theil derselben auch im Sommer bis zum Nordpole gelange, so daſs hier unter gewöhnlichen Verhältnissen kein Nordlicht mehr entstehen kann. Wenn nun die Spannung in der obersten Region unter einem gewissen Breitegrade schwach genug geworden ist und doch noch Wolken sich so weit nach Norden verloren haben, so müssen eben diese ihre von früheren Gewittern hergenommene negative Elektricität in Folge anderer Ursachen, wie der Temperaturunterschiede, der Winde u.s.w., abgeben und es werden deshalb die meisten Regen mit negativer Elektricität von Süden kommen. Die positiven Regen kommen häufiger von Norden und führen offenbar ihre durch Reibung an der Erde erzeugte positive Elektricität mit sich. Sehr häufige Ausnahmen von diesen Regeln ergeben sich aus der Mannigfaltigkeit der Winde, welche in verschiedenen Regionen ganz entgegengesetzte Richtungen haben können, auch aus dem Umstände, daſs die Einwirkung der Gebirgszüge und der sehr oft durch diese wieder beeinfluſsten Winde auf die Bildung der Niederschläge eine bedeutende, ja sogar eine vorherrschende sein muſs, wenn keine gewaltsamen elektrischen Entladungen stattfinden können. Auf die periodischen Schwankungen der Normalelektricität will ich nur kurz zu sprechen kommen. Der Zusammenhang derselben mit dem Erdmagnetismus bestätigt sich in auffallender Weise durch die Aehnlichkeit ihrer periodischen Schwankungen. Beide haben in ihren täglichen Variationen 2 Maxima und 2 Minima aufzuweisen und sie haben ihre jährlichen Perioden. Die betreffenden Maxima und Minima können uns deswegen nicht gleichzeitig offenbar werden, weil der Erdmagnetismus nicht von der Normalelektricität eines Beobachtungsortes, sondern von der auf der gesammten Erdoberfläche befindlichen abhängig ist. Als weiteren Nachweis der Entstehung der Elektricitäten durch die Reibung von Wasserdämpfen an der Erde und gleichzeitig zur deutlicheren Vergleichung mit der Dampfkessel – Elektricität erwähne ich noch einen Vulkanausbruch, bei welchem nachgewiesenermaſsen sehr heftige elektrische Entladungen dem Ausbruche auf dem Fuſse folgen und auch sofort starke Regengüsse stattfinden. Hier liegen Ursache und Wirkung einander auſserordentlich nahe. Weil die Erregungsfläche, der Krater, sehr klein ist, kann die Wiederausgleichung in sehr geringer Entfernung von derselben und sehr rasch stattfinden. Wenn aber bei so kleiner Erregungsfläche schon Elektricität für so bedeutende Gewitter sich entwickeln kann, wie auſserordentlich groſs muſs erst die Fülle der auf der gesammten Erdoberfläche durch Reibung entwickelten Elektricität sein! Noch eine wichtige Beobachtung muſs hier kurz berührt werden: die Einwirkung der Sonnenflecken auf das Nordlicht, die Magnetnadel u.s.w. Wenn ich daran erinnere, daſs die Sonnenfleckenjahre die heiſsesten Sommer und die mildesten Winter, aber auch die stärksten Temperaturänderungen bringen (in Folge der abwechselnd frei werdenden und gebundenen Verdampfungswärme der die Sonnenflecken bildenden Niederschläge) und daſs in heiſseren Tagen auch mehr Elektricität erzeugt wird, in genügender Spannung und Menge, um auch. in wärmeren Monaten ein Nordlicht zu erzeugen und um einen sehr fühlbaren Einfluſs auf den Erdmagnetismus auszuüben, so erklären sich alle Unregelmäſsigkeiten aus dem Vorangehenden ohne Weiteres. Folgenden Einwand gegen meine Hypothese sehe ich noch voraus: Wenn wirklich die Elektricität der Atmosphäre in der heiſsen Zone in so auſserordentlichen Mengen erzeugt und von dort durch die höchsten Regionen hindurch nach den Polen getragen wird, warum bilden sich denn von dem vielen Wasserdampfe keine Wolken, welche den immerwährenden Luftzug jener Schichten sichtbar machen? Die Antwort lautet einfach: Weil die Spannung der an diesen Wassertheilchen haftenden Elektricität so stark ist, daſs die auf dieselben wirkenden abstoſsenden elektrischen Kräfte gröſser sind als die anziehenden (Gravitations-) Kräfte, wie es bei der Wolkenbildung erklärt wurde. Die elektrische Spannung des Wasserdampfes ist eine so starke, daſs die Concentration des Dampfes in Bläschen oder gar in Tropfen unmöglich wird; dieselbe muſs im Gegentheile das Wasser in die allerfeinste Zertheilung bringen, die Schicht wird sich über die ganze Atmosphärenoberfläche ausdehnen und vollständig durchsichtig werden. Nach sehr bedeutenden Entladungen, nach den Gewittern, muſs der Wasserdampf allerdings beim Spannungsverluste sich concentriren, in niedere Regionen fallen und als helle Wolke sichtbar werden, die um so dunkler wird, je tiefer sie fallt und je gröſser die Wassertröpfchen werden. Durchsichtig nannte ich die oberste Schicht der Atmosphäre, welche Trägerin der Normalelektricität ist, jedoch nicht unsichtbar. Wem anders als dieser obersten stark Wasser und Elektricität haltenden Region verdanken wir die prachtvolle blaue Farbe des Himmels, welche Farbe sich um so entschiedener ausprägt, je gröſser die Spannung der Normalelektricität ist? Die Sichtbarkeit des die Normalelektricität bergenden Wasserdampfes wird überdies bestätigt durch die Beobachtungen des lebhafteren Funkeins der Sterne in Sonnenfleckenzeiten u. dgl. Ohne solche Ströme von feinst getheiltem Wasserdampfe auch beim klarsten Himmel müſste gar kein Funkeln stattfinden. Ganz unbegründet wäre der Einwurf, warum sich die Elektricität überhaupt bis an die Pole in der obersten Region behaupten könne und sich nicht schon vorher durch Anziehung mit der negativen Erdelektricität ausgleiche? Wo die Erdoberfläche mehr oder weniger erhitzt ist und die Luft auch nur einigermaſsen leitend wird, ohne daſs aber jene als Erregungsfläche stark abstoſsend wirken würde, da werden die Entladungen, wenn auch unter Umständen nur langsam, stattfinden. Wo aber, wie auf der entgegengesetzten Erdhälfte, dieser Zustand des Leitungsvermögens der Luft in Folge von zu gröſser Kälte fehlt, da ist die gesammte Atmosphäre als nichtleitende Kugel mit einer leitenden dünnen Schicht auf der Oberfläche anzusehen. Die gleichartige Elektricität dieser Schicht stöſst sich überall ab und sie würde sich von jedem Punkte aus nach der Erde ganz gleich entladen können, wenn nicht noch andere mitwirkende Ursachen, die oben beschriebenen, den Ort der Entladungen genauer bestimmen würden.