551. 594.21

(Institut fiir theoretisehe Physik der Teehnisehen tIoehsehule Karlsruhe)

Zum Anteil des Faraday-Sohncke-Effekts am Zustandekommen der Gewitterelektrizitiit

V o n

Franz Wolf

Mit 4 Textabbildungen

Zus~mmenfassung. Eine Crbersieht fiber die bisher vorgesehlagenen Quellen for die Gewitterelektrizitgt zeigt, dab diese den Erfordernissen der Wirklichkeit kaum geniigen. Daher wird der Versueh gemacht, das Zustande- kommen des unteren positiven Raumladungsgebiets im Gewitter auf die Aufladung zuriiekzuf/ihren, die I-IagelkSrner wghrend ihres Wachstums aus Wolkentr6pfchen im Aufwind dureh den Faraday-Sehnekesehen Tropfen- zerreil3effekt erfahren. Quanti tat ive Ausreehnung der Ladung eines Hagels und der gesamten Ladungsproduktion ether aktiven Gewitterzelle sowie Absehgtzung aller wesentlichen Einfliisse im wirkliehen Cumulonimbus fiihren zu Gesamtleistungen des Effekts, mittels deren gerade eben der Blitz- meehanismns eines beseheidenen Gewitters erkl/irt werden kann. Der Vor- gang ist aber in der gewahlten Form einstweilen viel zu sehwaeh, um aueh fiir die aul3erordentlieh grogen Verluststr6me dureh Niedersehlag und Ionen- abwanderung aufkommen zu k6nnen.

Summary. A survey of the sources of thunderstorm electricity taken into consideration up to now shows that they are scarcely sufficient when confronted with the requirements of reality. An a t tempt has been made, therefore, to account for the origin of the lower positive space-charge region in thunderstorms by the fact that hailstones accept an electric charge by the Faraday-Sohneke-effeet when growing from cloud droplets in upwind. Quanti tat ive calculation of the charge of a hailstone and of the total production of electricity in an active thunderstorm cell and estimation of all essential in- fluences in a real cumulonimbus lead to a total energy of the effect by which just the lightning mechanism of a modest thunderstorm can be covered. For the present, the process as considered above is much to weak to be made respon- sible also for the extraordinarily great losses of electricity by precipitation and migration of ions.

ttgsumg, Les sources de l'gleetrieitg orageuse considgrges jusqu'iei song insuffisantes en regard des fairs observ6s. On tente iei de ramener la charge spatiale positive de la partie infgrieure d u n u a g e orageux ~ la charge dont

F. WoLF: Anteil des Faraday-Sohncke-Effekts bei Gewitterelektrizitgt 243

sont le si~ge les gr61ons au cours de leur croissance dans le vent ascendant par suite de l'effet Faraday-Sohncke. Le calcul de la charge d'une gr61e en formation et de la charge totale d'une cellule orageuse active, ainsi que l'estimation de tousles effets produits au sein du cumulonimbus, conduisent

une valeur correspondant aux d6charges d'un modeste orage. Le processus invoqu6 est toutefois beaucoup trop faible pour tenir compte des pertes consid6rables dues aux pr6cipitations et au transport d'ions.

I. Die Ladungsver te i lung im f iewit ter Auf Grund yon Feldmessungen am Boden und vom Flugzeug aus

sowie vor allem durch die yon SIMl'SO~r SCl~ASE und RoB12cso~v durch- gefiihrten Ballonaufstiege bei Kew steht heute lest, dab eine ganz be- stimmte rgumliche Anordnung yon Ladungsgebieten verschiedener Vorzeichen unbedingte Voraussetzung ftir das Auftreten aktiver Ge- wittertgtigkeit ist [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Im obersten Teil des Cumulonimbus, in dem charakteristischen Eisschirm oberhalb 8000 m fiber dem Boden, bei Temperaturen unter - -20 ~ C findet sich eine welt ansgedehnte positive L~dungsschicht, darunter, noch mgchtiger an Ausdehnung und E]ektrizi- tiitsmenge, ein Gebiet negativer Ladung, das teilweise, besonders in den nachfolgenden Teilen des ziehenden Gewitters, bis an die Wolkenunter- grenze herabreicht (Abb. 1 a). Klein an Volumen und daher schwer auf- zufinden und oft wenig beachtet ist demgegentiber ein Gebiet konzen- trierter positiver Ladung, das nahe der Wolkenuntergrenze dort in die negative Ranmladung eingelagert ist, wo der im Aufwindsehlot zungchst hochgetriebene Niederschlag am stiirksten ausfgl]t.

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Abb. 1. a) LadungsverteiIung in einem ziehenden Frontgewil~ter mit einem kktivit~ttszentrum b) Schematische Anordnung der Doppelschichten bzw. Ladungsdipole

Nach der wohl allgemein anerkannten Theorie yon M. To~l'lml~ [1, 2, 7] nehmen Blitzentladungen ihren Ausgang yon Orten besonders grol~er Feldsti~rke in der Grenzfliiche zwischen Ladungsgebieten ent- gegengesetzter Vorzeiehen und wachsen von da aus nach beiden l~iehtun- gen in die entgegengesetzten Ladungsgebiete hinein bzw. (s. hierzu auch H. W. KASEMIa [3, S. 112]) auch dariiber hinaus bis zum Erdboden. Dient die Grenze zwischen der kleinen unteren positiven Raumladung und der darfiberliegenden negativen als Ausgang, so verlangt TOEPLEI~S

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Mechanismus, dal3 ein bis herunter vorstoBender Blitz negative Ladung zur Erde triigt. Beim Ausgang yon der anderen Grenzfl~che zwischen oberer positiver Ladung und darunterliegender negativer ist es umgekehrt. Die Erfahrung zeigt, dal3 60 bis 95~o Mler Blitze eines Gewitters negative Ladung zur Erde tragen, dag sie ihren Ursprung also in der un teren Grenzfls oberhalb des kleinen positiven Gebiets haben. Man sieht, dal3 dieses offenbar yon fundamentMer Bedeutung ist, es bildet das Zen- t rum der elektrisehen Aktiviti~t [1, 2, 4]. Nut in grSBeren Zeitabst~nden, besonders im spgteren Stadium des Gewitters, folgen auch einige wenige Blitze umgekehrten Vorzeiehens aus der oberen Grenzfl~ehe.

H. Kritik bisher vorgeschlagener Elektrizit~itsquellen

IJber den 5fechanismus, durch den die drei Ladungsgebiete auf- gebaut und trotz groger Verluste dureh gegen, ionenabwanderung und Blitze aufrechterhalten werden, besteht noeh keine Klarheit. Man hat zwar eine ganze l%eihe yon VorgSmgen in Erwagung gezogen [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Aber mlr wenige sind so eingehend bekannt, dab man sieh ein branch- bares Bild yon ihrer Wirksamkeit im Gewitter maehen kann, und dann befriedigen sie meist nicht. Auf jeden Fall kommen nur Meehanismen in Frage, die vorhandene oder erst neu zu sehaffende Ladungen beiderlei Vorzeiehen r~umlieh trennen, in Doppelschiehten aufspalten, und zwar im Oberteil der Wolke so, dal3 die positive Elektrizit~t oben, die negative darunter angesammelt wird, w~thrend im Unterteil der Wolke positive Ladungen unten und negative dartiber gesehiehtet werden (Abb. lb). Nieht die einzelnen Ladungsgebiete sondern ihre Obereinandersehieh- tung zu Paaren, das Auftreten yon elektrisehen Doppelsehiehten oder Dipolen ist das Wesentliehe, in deren Feld der Blitz seinen Ausgang nimmt. Der Untersehied in der Anordnung dieser Dipole sowie vor allem aueh die soeben hervorgehobene ganz verschiedene Haufigkeit der Blitze beiderlei Ursprungs dr/~ngen zu dem Schlug, dab es sieh bei der Ent- stehung der oberen und der nnteren Ladungsdoppelschicht um wesentlieh versehiedene Mechanismen handeln wird. Der obere, weit ausgedehnte Dipol mit @ oben kann sich allms entwiekeln und braueht Ladungs- verluste durch Blitze nur selten zu ergi~nzen. Der kleine untere Dipot mit -t- unten dagegen mug raseh arbeiten und Ladung zur Verfiigung stellen, die auch viel haufiger als oben 5rtlieh stark konzentriert sein muB, um die ffir den Blitzbeginn n6tige, ftir gew6hnlieh nieht vorhandene [4, 8] erh6hte Ausbruehsfeldst~rke zu liefem. Man beaehte in diesem Zusammenhang aueh, dab beide Gebiete unter ganz verschiedenen mete- orologisehen Bedingungen stehen, was ebenfalls fiir versehiedene elektri- sehe Mechanismen sprieht. In ni~ehster Nachbarsehaft des unteren Dipols haben wit den Aufwindsehlot, in dem die wachsenden Nieder- sehlagselemente hoehgeweht werden. Danaeh fallen diese - - in der I-Iaupt- phase begleitet yon s tarkem Abwind - - mit grof~er Diehte durch alas positive Ladungsgebiet selbst mitten hindureh. Alles in allem handelt es sich um einen Bereich stiirkster Aktivit/it, in dem unter heftigen Luft-

Anteil des Faraday-Sohncke-Effekts bei Gewitterelektrizit~t 245

bewegungen Wolkenelemente, grebe Wassertropfen und Eis in hSchsten Konzentrat ionen durcheinanderjagen: Demgegeniiber zeigt das Gebiet der oberen Ladungsdoppelschicht nut unmit telbar fiber einem Aufwind- schlet noeh etwas st~rkere Luftbewegung, indem die aufgestiegenen Luft- massen sich seitw~rts ausbreiten und allm~hlich zur l~uhe kommen. i m grolten ganzen sind die hier oben vorhandenen Eiskrist~llehen und kleineren Sehneeflocken sich selbst fiberlassen und sinken nur infolge ihres Gewichtes langsam abw~rts.

Merkwfirdigerweise ist fiber die mSglichen Ursachen des unteren, im Aktivit~tsgebiet liegenden elektrisehen Dipols nur sehr wenig, fiber diejenigen des oberen aber sehr viel diskutiert worden. Sehen wir yon maneherlei phantastischen Vorstellungen ab, so erachtet man oben als brauehbaren Meehanismus beispielsweise den auf ELSTER und GEITEL [9] zurfi~kgehenden, yon C. T. 1%. W~LSON [10] weiterentwickelten Influenz- effekt. Bei den bier vorhandenen niedrigen Temperaturen w~re an einen Eiskristal] oder ein Graupelkorn zu denken, das beim Fallen im elektri- sehen Seh5nwetterfe]d oder in einem schon verst~rkten Feld gleicher Orientierung (Feldvektor yon oben nach unten) zum Dipol wird und dabei zw~r auf der Vorderscite begegnende negative Ionen auff~ngt, ws positive seine Rfickseite beim Davoneilen nicht erreichen. So wird negative Ladung nach unten getragen und das vorhandene Feld und die Doppel- schicht verst~rkt. Genaue Untersuchungen fiber den Vorgang [11, 12, 13] zeigen allerdings, dal~ er nut unter sehr engen Voraussetzungen wirksam ~rbeitet, so dal~ er kaum als einzige Qnelle ffir die obere Doppelschicht ausreiehen dfirfte.

Sehr ernst zu nehmen ist der erst kfirzlich entdeckte Effekt yon ~VORXMAI~ lind I~EYlqOLDS [14], der unter geeigneten Bedingungen recht gro~e Elektrizit~tsmengen liefert. Die Autoren ]iel3en im Laboratorium durch best immte Zusgtze verunreinigtes Wasser unter W~rmeentzug dutch eine Seitenfl~che des GefgBes langsam gefrieren, wodurch erreicht wurde, dal~ die C-Achsen der entstehenden Eiskristalle sich geordnet senkrecht zur Kfihlfl~che und gleichzeitig senkrecht zur Trennfl~che zwischen Eis und restlichem Wasser orientierten. Hierbei bildeten sich grebe Potentialdifferenzen zwischen Eis und Wasser aus, und man konnte w~hrend des fortschreitenden Gefriervorgangs dem Wasser gro~e positive Elektrizit~tsmengen entnehmen, w~hrend das Eis zunehmend negativ zuriickblieb. Bilden kleine Mengen Na C1 die Verunreinigung, so beruht der Effekt darauf, da~ bevorzugt Cl--Ionen in das Eis eingebaut werden, w~hrend ein Uberschu~ yon Na§ beim Wasser bleibt.

WORK~AZ~ und REYZr nehmen hiernach folgenden Prozel~ zur Erzeugung der oberen elektrischen Doppelschicht im Gewitter an: Jedes fallende Graupelkorn wird im Bereich zwischen den Isothermen yon - -10 ~ und 0 ~ durch auftreffende WolkentrSpfchen in der Weise wachsen, dal3 wegen der freiwerdenden Schmelzwarme nur ein Teil jedes Tropfens festfriert, w~hrend der lgest yon der vorbeistreiehenden Luft fortge- blasen wird. Setzt man den richtigen Verunreinigungsgrad des Wassers voraus, so entwickelt sich beim Gefriervorgang wie oben E]ektrizit~it.

246 F. WoLF:

Der vereisende Graupel lgdt sieh zunehmend negativ auf, wghrend die fortfliegenden Wasserfetzen positive Ladung mit sieh fiihren. Fgllt jedoeh die zu Hagel geworden e Eiskugel weiter hinab in wgrmeres Gebiet, so hSrt der Gefriervorgang und damit die Fghigkeit zu weiterer Etektrisitgts- entwieklung auf, der Hagel sehmilzt. Je tz t werden aLfftreffende und spgter im Lufts trom wieder abgestreifte Tropfen stets nur negative Ladung yon der Kugel fortnehmen und in die Umgegend zerstreuen. Man sieht, ohne dag auf weitere interessante Einzelheiten eingegangen zu werden braneht, dab sieh auf diese Weise oben eine positive und unten eine negative I{aumladung entwickelt, die Elektrizitgtsverteilung der oberen Doppelsehieht kommt zustande.

Allerdings erheben sieh aueh bei dieser Theorie gewisse Zweifel. Nehmen wir zungehst an, das Hagelkorn falle im 2gahbereich des Au/- windschlots herab. Dann sind in grSgeren HShen die Bedingungen fiir den ersten Tell des WORKMA~-R~Y~OLDs-Prozesses, d. h. Abstreifen positi- ver TiSpfehen yon fallendem, zunehmend negativem Hagel, durehaus vorhanc?en. K o m m t der t tagel aber sehlieBlich im untersten Tell der Wolke, wo dle Temperatur die Nullgradgrenze iibersehritten hat, zum Sehmelzen, so durehlS, uft er gerade denjenigen Bereieh des Gewitters, in dem experi- mentelle Messungen das Vorhandensein des unteren positiven t~aum- ladun sgebiets feststellten. Da der ~OI~KMAN-t~EYNOLDS-ProzeB hier im Widersprueh zu den T~tsachen negative I~aumladung produzieren wiirde, ist die Annahme seines Wirkens im Nahbereieh des Aufwind- sehlots offenbar nieht mSglich.

Setzen wir also umgekehrt voraus, der ProzeB spiele sieh welt abseits vom Alctivitgtszentrum ab, und zwar zun~ehst in ~bereinst immung mit WOnKMAN und I~Eu beginnend mit der HShe der --10~ d. h. mit ca. 5000 Metern; dann werden die hier abgestreiften positiven Wassertr6pfchen erstens einmal in viel zu geringer HShe befreit und miigten, urn ~Ibereinstimmung mit der Ladungsverteilung der Erfah- rung zu ergeben, erst noeh um 2000 bis 3000 m hSher gehoben werden. Dazu fehlt bier aber der nStige Aufwind. Zweitens macht der fehlende Aufwind es aueh zweifelhaft, ob fiberhaupt rasch genug WassertrSpfehen mit positiver Ladung abgestreift werden k6nnen, ehe die stets vorhandene Leitfiihigkeit die beim Gefrieren zwisehen Hagel und Wasserhaut ent- stehende Potentialdifferenz ausg]eieht; denn der dutch den Fall des tIagels in Luft verursaehte Fahrwind ist klein, da die Fallgeschwindig- keit der Niedersehlagselemente hier erfahrungsgemi~g kaum 3 m/see be- tr/~gt. - - Verlegt man aber, um die Entstehung der positiven l~aumladung yon vornherein in die richtige HShe zu bringen, den Vorgang naeh ca. 7000 his 8000 m, so befindet man sieh bei Temperaturen unter --20~ wo naeh F. H. LUDLAYI [15] auf Eis auftreffende WolkentrSpfchen ganz festfrieren, so dab tiberhaupt kein Wasser zur Fortnahme positiver Ladung zur Verfiigung steht. - - Es ist also mindestens zweifelhaft, ob der WORKMAN-I~]~J~NOLDS-ProzeB wirklieh imstande ist, genfigend La- dungen zu entwiekeln, um die obere Doppelschieht des Gewitters zu erkli~ren.

Anteil des Faraday-Sohneke-Effekts bei Gewitterelektrizit~tt 247

Ein anderer Deutungsversueh ftir den oberen Dipol yon SI~SON und SCaASE [8] erinnert sieh der Erfahrung, dab oft grebe elektrisehe Felder in Sehneestiirmen entstehen. Die Forseher nehmen an, dag hoeh oben im Gipfelbereieh der Gewitterwolke Eisteilehen aneinanderstogen und dadureh Ladungen sehaffen. Wenn allerdings verlangt wird, dab dabei die Luft positiv werde, wS~hrend negative Eisteilehen abw~rts- sinken, so ist dies sehwer vorzustellen. Durehaus mSglieh ist aber der yon W. FrxI)EIS~ [16, 17] gefundene und yon A. K~N~ [18] im hiesigen Insti tut quantitativ untersuehte ~hnliehe Effekt, bei dem yon grSgeren Eiskrist~llehen infolge innerer meehaniseher Spannungen beim Waehsen bzw. Verdampfen feinste Splitter abbreehen, wobei diese im allgemeinen positiv geladen in h6ehsten HShen sehweben bleiben, w~hrend die negativ gewordenen gr6geren Kristi~llehen abw~rts sinken. Die SehluBfolgerung, die KI:MN am Ende seiner Arbeit zieht, dab dieser Absplitterungseffekt nieht imstande sei, allein die fiir ein Gewitter notwendigen Ladungen zu liefern, beruht auf einer Abseh~tzung yon F~DmSEg, naeh der 8 Split- ter je m a und see im oberen Teil der Gewitterwolke zustandek~men. Wenn diese Seh~tzung mSglieherweise falseh ist, k6nnte der Effekt immer- hin einen wesentlieheren Beitrag znm Zustandekommen der oberen Dop- pelsehieht leisten.

Wenn wit nun endlieh naeh Elektrizit/~tsquellen ffir den unten im Gewitter steekenden umgekehrten Dipol mit - - oben und -[- unten fragen, so sind die bisherigen Vorsehl~ge noeh unbefriedigender als diejenigen ftir den oberen. Ein Erkli~rungsversueh yon MALAN und SCEONLA~D [19, 20] stellt sieh vor, dab positive Ionen, die aus Spitzen- entladungen an der Erdoberfl~ehe stammen, im Aufwind hoehgetragen und dann yon den WolkentrSpfehen eingefangen werden, um so das untere positive Ladungsgebiet darzustellen. - - E. W ~ L [21] denkt u. a. an zwei einander entgegenlanfende elektrisehe Str6me in der Wolke, deren einer dureh fMlenden negativen Niedersehlag, der andere dutch aufsteigende positive Ionen gebildet wird. In gr6Beren t t6hen kann dabei dureh geeignete Teilehenanzahlen die negative Ladung als Raum- ladung iiberwiegen, w~hrend fief unten bei viel grSger gewordener Fall- gesehwindigkeit des Niedersehlags seine l~aumladungsdiehte zuriiekgeht, so dab d~s positive L~dun~svorzeiehen hervortritt . - - Ein anderer yon D I ~ G ~ und Ross GUN~ [22] angegebener Prozeg will die Ladungen nutz- bar maehen, die auftreten, wenn Eis sehmilzt, in das LuftblS, sehen ein- gefroren sind. Aber gegen alle diese Vermutungen lassen sieh Bedenken geltend maehen (s. aueh [6] S. 131), so dag man nieht reeht an ihre Braueh- barkeit glauben m6ehte.

Ernster zu erw~gen ist jedoeh der LEx~D-SINPSoNsehe Tropfen- zerreigeffekt in turbulentem Aufwind [8, 23, 24], bei dem, falls die Ver- unreinigungen nieht zu grog sind, feinste negative Wasserfetzen yon positiv zuriiekbleibenden, naeh unten fallenden Tropfen abgerissen wer- den. Dieser Vorgang war frfiher, solange man die obere Doppelsehieht damit erkl/~ren wollte, sehon wegen verkehrter Vorzeiehen als unbraueh- bar verworfen worden. Er konnte dann aueh ftir den unteren Dipol nieht

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dienen, da man bei genauerer Uberlegung seine Wirksamkeit in HShen oberhalb der Nullgrad-Isotherme fordern mul3te, w~hrend man tange Zeit dort nur an das Vorhandensein fester Niedersehlagselemente glaubte. Seitdem abet in den letzten Jahren Mar wurde, dab l~egen aueh unmittel- bar, ohne notwendige Zwisehenschaltung der Eisphase entstehen kann [15], ist dieser Einwand hinf~llig. Allerdings bleibt unsieher, wie weir die naeh LENAI~D unerl~iNiche starke Turbnlenz zur Verfiigung steht.

III. Faraday-Sohncke-Effekt und Hagelentwicklung im Gewitter

Das unbefriedigende Ergebnis der vorangehenden Krit ik dr~ngt uns, da es Gewitter dennoeh tats~ehlieh gibt, naeh einer anderen, braueh- bareren Ladungsquelle fiir den unteren Dipol zu suehen, dem wie gesagt wohl zentrale Bedeutung far das elektrisehe Gesehehen zukommt. Man kann sieh dabei, wie dies besonders immer wieder yon H. WIORMAx~r betont wird [2, 4], dem Eindruek nieht entziehen, dal~ ein Zusammenhang zwisehen dem Dipol nnd dem aus dem Aufwindsehlot ausfallenden Starkniedersehlag besteht. Erst wenn der l~egen sehon eine Weile aus der Wolke niedergeht, setzt bekanntlieh die elektrisehe T/~tigkeit des Gewit- ters ein. Wie oft beobaehtet man ferner im sp~teren Verlauf, dug erneutes Ansehwellen des Niedersehlags yon neuen Blitzentladungen begleitet wird! Und die l~lugzeuge des amerikanisehen Thunderstorm Projects [#] wiesen erst dana dutch ihre Feldmessungen yon oben her das Auftreten des unteren positiven Ladungsgebiets hath, wenn mindestens 5 bis 10 Minuten lung starker Niedersehlag naeh unten gegangen ist, und das Gebiet finder sieh genau an der Stelle, wo Regen und Abwind am st~rk- sten waren. Mit Naehlassen des Niedersehlags versehwindet naeh diesen Flugzeugmessungen aueh das positive Ladungsgebiet wieder, w~hrend die negative Ladung ringsum (wohl verursaeht dutch den langsameren Meehanismus des oberen Dipols) noeh weiter zunimmt. An einem engsten Zusammenhang zwischen Niedersehlagsgesehehen und Ladungsbiidung kann naeh allem kein Zweifel sein.

W. FI~DEISEN hat geglaubt [16, 17], im Waehstum von im Aufwind hoehgetriebenen und dann ausfallenden Graupeln die wahre Quelle gefunden zu haben. Naeh seinen Laboratoriumsversuehen sollten beim Anfrieren yon Wolkentr6pfehen auf kalter Unterlage um Zehnerpotenzen grSgere Elektriziti~tsmengen entstehen als bei den weiter vorn erw~hnten Eisabsplitterungsvorg~ngen, was physikaliseh freilieh sehwer vorstellbar ist, da keinerlei Tr~ger naehgewiesen werden, die die Gegenladung fortsehaf- fen k6nnten. Bei einer Naehpriifung dureh C. KI%~l~ER [25] fanden sieh nur noeh zehnmal so kleine Mengen. Gleiehzeitig hat im hiesigen !nsti tut A. KuM~ [18] den F I s D m s ~ s c h e n Vergraupelungsvorgang unter stren- ger Einhaltung der Forderung wiederholt, dab keine StSrung dureh Ver- lust geladener ]~eifsptitter auftreten darf; unter diesen Umstanden zeigte sieh im l~ahmen der gegebenen Mel3empfindliehkeit iiberhaupt kein Effekt mehr.

Anteil des Faraday-Sohncke-Effekts bei Gewitterelektrizi tat 249

W i r k a m e n dama l s auf die Vermutung , da~ es sich bei FII~DEISENS Versuchen, ohne da~ er es wahrnahm, um einen anderen Vorgang gehande l t haben kSnnte, d e r n u r gelegent l ieh fiir Gewi t te r vorgeschlagen [4, S. ]88], im a l lgemeinen abe r n ich t erns t genommen wl~rde. Dies is t der sogenannte FA~AnAY-SoHNcKE-Effekt [26], ein Wasserfalleffek~, bei dem Trepfen speziel l be im Aufsehlag auf Eis zerrissen werden. I )e r wegfliegende Was- sers taub, de r so fein ist, da~ er sich bei wei tem der Beobaeh tung ent- zieht, tr~igt dabei , wenn die Verunre in igungen n ich t zu gro[~ sind, nega- t ive Ladung mi t sich fort , w~hrend das getroffene Eis pos i t iv zuri ick- b le ib t . Die .vor l iegende Abhand]ung h a t zum Ziel, mSglichst e ingehend zu untersuchen, wie wel t dieser Vcrgang bei der Erzeugung der Gewit ter- elel~trizit~t be te i l ig t sein kann ; dabe i wird sieh zeigen, da[3 er e rns thaf t als Quelle in Be t r ach t gezogen zu werden verdient . Als wesentl iehes Hi]fs- m i t t e l benu tz t die ~ b e r l e g u n g dabe i einige quan t i t a t i ve Er fahrungen , die yon G~A~ und WOLF fiber den Effekt im L u b o r a t o r i u m gewonnen sind [27]. Die Grundzfige der Unte r suehung wurden fibrigens bere i ts ~m 4. J a n u a r 1953 in Tfibingen [28] zum 65. Gebur t s t ag yon W. KOSSEL vorget ragen. ~

I )er FAa~D~u dfirf te auf t re ten , wenn aus einem

1 t i le r ist noch eine Arbei t yon H. LUEDEI~ [29] ZU erwahnen, die ebenfalls versucht, den Aufschlag yon Wassertropfen auf Eis quant i ta t iv zur Erklarung der Gewitterelektrizit~t heranzuziehen. In ihr wird die Auf ladung eines wie ein Propeller rotierenden Metallstabs untersucht, die entsteht, wenr~ dieser bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt auf vorbeistreichende natiirliehe Nebeltr6pfchen schl~igt, die dabei im wesentliehen anfrieren. Der Autor fmdet

aul~erordentlich gro2e Ladungswerte und glaubt, diese der Wirkung des weiter vorn er6rterten WOaK~-I~EY~OLDS-Effekts [14] mit unterkiihl tem Wasser zuschreiben zu sollen. Gegen diese Deutung mfissen aber ernste Zweifel erhoben werden. WORKMAN und I~E~2"NO:LDS betonen selbst ausdriick- lieh die Notwendigkeit eines behutsamen Gefriervorgangs mit geordneter Krista]lorientierung. I)ieser ist aber bei den fiberaus grol3en Drehzahlen yon LUEDEI~ sicher nicht m6glich, und damit geht der Effekt auf Null zuriiek. lYnseres Erachtens handel t es sich bei den auftretenden Ladungen gewi_~ urn eine Wirkung des FA~AI)~:f-SomUc~E-Effekts, der bei der gewahlten Versuchsanlage gar nicht zu vermeiden ist. Freilich sollte dann, falls nieht s tark verschrnutztes Wasser wirksam war, das Vorzeichen umgekehrt heraus- kommen. Aber das Verfahren ist so indirekt und die Sehlul3weise vielfaeh so verwiekelt, dal~ die Vorzeiehenbestimmung nicht iiberzeugt. Ftir den F_~ADAY- So~cF~E-Effekt ware die betraehtl iche Gr61~e der gefundenen Ladung nieht iiberraschend. Zwar unterscheidet sieh die Wirkung unterkiihlten Wassers naeh [27] nicht sprunghaft yon derjenigen gew6hnlichen Wassers. Abet man rnul~ zur Beurteilung der entstehenden Ladung naeh [27] ihre Abhangigkeit yon der Tropfenenergie beachten und dar f sie nicht wie bei LUEDER einfach nur der Tr6pfchenzahl proport ional ansetzen. Bei seinen Messungen benutzt LV-EDEB gr613enordnungsmal~ig gr61~ere Relativgesehwindigkeiten zwischen vereisendem Stab und Nebeltr6pfchen, als sie im Gewitter vorkommen. ])ie Ladungen werden deshalb viel gr613er als je im natiirl ichen Gewitter. Urn auf dieses anwendbar zu sein, miil3ten die Messungen zuvor noch auf kleinere Tropfenenergien reduziert werden.

Arch. Met. Geoph. Biokl. A. ]~d. 9, ~. 2. 17

250 F. WoL~:

Graupelkorn dutch Au~ra l len und Zerspritzen yon WolkentrSpfehen bei Temperaturen unter Null Grad ein Hagel w~ehst. Dieser Vorgang mug sieh im Aufwindsehlot einer aktiven Gewitterzelle abspielen und wiederholt sieh wahrseheinlieh dort zu unzS~hligen Nalen. Der I-Iagel li~dt sieh dabei immer welter positiv auf, wghrend der nega.tive Wasser- staub veto Wind naeh oben fortgeweht wird. Zwar haben die Flugzeuge des Thunderstorm Projects nur selten Hagel gefunden, doeh diirfte dies einfaeh darauf zuriiekzufiihren sein, dab d e r n u r 100 m dieke Aufwind- sehlaueh beim Durehqueren des Gewitters sehwer anffindbar ist. WORK- ~ a ~ und REYNOLDS konnten denn auch n~ehtr~glich noeh dazu ermi~- teln [lg], dab die Flugzeuge immerhin in 2i yon 38 untersuehten Gewit- tern tats~chlieh Hagel feststellten. Nnr jeweils in ein und demselben Gewitter verliefen oft viele Durchfliegungen ohne Begegnung mit dem offensichtlieh eng lokalisierten ttagel. Demgegeniiber wurde bei den yon Segelflugzeugen untersuchten Rh6ngewittern unmittelbar im Aufwind- sehlaueh ausnahmslos in jedem Fall Hagel beobaehtet, dessen GrSfte noeh mit der H6he zunahm [4]. Es seheint uns deshalb aueh heute noeh nieht abwegig, wenigstens in unsern Breiten mit der wesentliehen Be te l ligung yon Hagel zu reehnen, und die Ladungserzeugung bei seinem Waehsen wfirde aufs beste die obige Annahme bestS~tigen, daft die Ent- stehung des unteren Dipols mit dem Niedersehlagsgeschehen eng ver- knfipft ist.

Das Wachstum yon HagelkSrnern versehiedener Diehte ist van F. H. LVDLA~ quanti tat iv bereehnet und in Kurven dargestellt worden [15]. Wit werden uns im folgenden fiir die hier durehzufiihrende Ab-

sehi~tzung der dutch den F~mADAY- SoH~cKE-Effekt erzeugten Ladnng der

- ~ 2" - z ~ 1 7 6

�9 g s j T e l o , f e j e n ~ r162

Abb. 2. ARrive Oewitterzelle im I~aupt- stadium, vgI. H. WIC~tMAIgI~ [4] 3640 m einen Radius yon 50 # hat.

erst nur langsam gr613er, in 5920 m ttShe betrS~gt der Radius erst 150 #. D~nn ~ber w~ehst es wegen des zunehmenden Querschnittes, der viele

Unterlagen yon LtOLAM f/Jr den tIagel mit der (grSfteren) Dichte yon 0,6 gr/cm ~ bedienen. Zuni~ehst sei aber der ganze Vorgang qualitativ beschrieben.

Die zugrundegelegteWolke (s. Abb. 2) beginnt in der H6he yon etwa 900 m t~ber dem Erdboden bei + 10~ und enth~lt 106 Wolkentr6pfchen je Gramm Luft. I m Aufwindschlaueh w~chst die Windgesehwindigkeit yon 5 m/see an der Basis linear an bis zu 10 m/see bei 3500 m tiber der Erde und bleibt yon da an aufw~rts konstant. Urn einen im Aufwind hochgewehten Gefrierkern be- ginnt sieh bei - -5~ aus Wasserdampf ein EiskSrnchen zu bilden, das bei

Beim weiteren Aufsteigen wird es zu-

Anteil des Faraday-Sohncke-Effekts bei Gewitterelektrizit/~ 251

unterkfihlte WolkentrSpfehen aus dem aufsteigenden Lufts trom abfgngt und anfriert, immer raseher, es entsteht ein riehtiger Hagel. Bald wird das Gewicht so groB, dab der Aufstieg im Aufwindstrom - - bei 7150 m - - zum Stehen kommt, und nun sinkt der noch immer wachsende I-Iagel entgegen dem Lufts~rom immer rascher naeh unten, his er in 6180 m H5he bei einmn l%adius yon 0,6 cm nab zu werden beginnt, da jetzt mehr Wassertr61ofehen auf ihn auftreffen, a.ls er anfrieren kann, wail die freiwerdende Sehmelzwgrme nieh~ mehr raseh genug an die Umgebung abgegeben werden kann. Damit ist das Waehstum beendet.

Die bei diesem Entstehungsvorgang vom Hagel durehlaufenen HS- hen h sind in Abb. 3 fiber der fortsehreitenden Zeit gra- 80oo phisch dargestellt. Die Kur- ve ist einem Diagramm yon L v z ) L ~ [15] quanti tat iv ent- nommen. Man sieht, dM~ ffir 7000

das ganze Ereignis etwa 10 .s Minu~en benStigt werden. In dieselbe Abb. 3 ist auch der Ver]auf der Relativgeschwin- digkeit vr zwischen dem Ha- 6ooo / gel und dem vorbeistreiehen- den Lufts trom eingetragen, die sieh aus der H6henkurve mittels der obigen Angaben ~ooo leicht berecbnen lgBt. Solange / das Wachstnm noch langsam / vorangeht, etwa bis zur Zeit t = 600 sec, ist v~ klein (An- 4ooo

fangswert links 17 cm/sec). / Danach, mit zunehmendem /

t Gewicht, k~nn das Hagelkorn / immer weniger vom Wind J getragen werden, vr nimmt 300o - - - - - steil zu (bis 18,4 m/sec am Ende), und hierbei schlagen die Wolkentr5pfchen immer heftiger auf und geben An-

/ / ~l..r

7

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JO0 400 500 500 700 8 ~ $00 r f 4 ~

Ze[t t la .~er

Abb. 3. HOhe (nach LU])~A~) und Relativgeschwindig- keit des Hagels gegen die umgebende Luft in Abhiingig-

keit yon der Zeit

lab zu zunehmender Entwicklung elek~riseher Ladungen, die wir im ngchsten Kapitel berechnen werden.

Uber das weitere Schicksal yon Hagel und Ladungen wird ebenfMls spgter zu spreohen sein (Kap. VI). Vorlgufig is~ nur noeh zu beaehten, dab ein Anfwindschlot im Mlgemeinen gegen die Vertikale geneigt ist [2, 4]. Dies hat zur Folge, dab jeder t Iagel nnter Einwirkung der sehrgg nach oben gerichteten Windkraft und seines Gewiehts, das ihn senk- recht nach unten zieht, schliel31ich an den Rand des Schlots gdang t und aus ihm herausf~llt. Dies braucht nicht erst naeh Beendigung des Wachs-

17"

252 F. WoLF:

turns beim endgiiltigen Herabfallen zu sein, sondern der Hagel kann aueh vor Erreichen des Endes der LUDLaMschen Bahn (Abb. 3) bereits aus dem Sehlot ausseheiden und bleibt damit kleiner als der LvDLA~asehe Hagel. Ebenso bleibt die erzeugte Ladung geringer als bei diesem. Wit werden in den folgenden l~eehnungen zwei derartige Fglle unvollstgndiger Ent- wicklung mitbehandeln.

Man wird auf die Notwendigkeit der Betraehtung kleinerer Hagel uuch yon der Seite des am Erdboden beobaehteten Niedersehlags geftihrt, der ja - - mit seltenen Ausnahmen - - gesehmolzen als l~egen eintrifft. Hierbei ist der Trolafendurehmesser aueh yon Starkregen im allgemeinen nut 3 mm, d. h. viel kleiner als einem gesehmolzenen LvDLa~-I-Iagel entsprechen wfirde. Man mug annehmen, dag der t~egen im allgemeinen aus kleineren ttageln stammt (oder aueh; dab der LvDr~A~-Hagel nach dem Schmelzen in eine l~eihe kleinerer Tropfen zerrissen wird, vergleiehe spgter). Um den Hagel anzusetzen, der am Erdboden die Starkregen- tropfen yon 0,3 cm Durehmesser, bzw. vom Volumen V~ = 14,13'10 -a cm a hervorruft, nehmen wir an, dag yon dem gesehmolzenen Hagel beim [-Ierabfallen bis zur Erde noeh das halbe Volumen verdampft ist, dab fer- n e r d e r Hagel selbst zuvor wie der LvDLa~-I-Iagel die Diehte 0,6 gr/em a

2 hatte. Dies ftihrt zum Hagelvolumen VB = 0 ~ g - V n = 4,71"10 -~ cm a.

Wir wollen im folgenden aueh einen derartigen zu friih aus dem Schlot ausgefallenen Hagel betraehten und bezeiehnen ihn ein ffir allemal als Hagel I. Daneben soil ein weiterer Hagel I I mit doppeltem Volumen und sehlieglieh der obige LuDnar~-Hagel als Hagel I I I betraehtet werden. Wir haben es im folgenden also zu tun mit:

t~adius golumen

1-Iagel I . . . . . . . . 0,224 em 4,71.10 -e em a !{agel I I . . . . . . . 0,282 cm 9,42.10 -e em a I-Iagel I I I . . . . . . 0,600 em 90,5 �9 10 -2 em a

(LUDLA3/I)

Radius des Regentropfens an der Erde

0,150 em 0,189 em 0,401 cm

DasAusseheiden dieser Hagel aus der oben besehriebenen Entwieklung ist auf den Kurven yon Abb. 3 dureh entspreehende Punkte gekennzeieh- net.

IV. Berechnung der Ladung eines Hagels

Die bei der Entstehung eines Hagelkorns auftretende Elektrizitgts- menge Q lggt sieh bereehnen als Summe aller Einzelladungen q, die ent- stehen, wenn einzelne unterktihlte Wolkentr6pfchen mit Wucht auf den Hagel au~%ehlagen und unter Verlust feinsten negativen Wasserstaubs, dessen Volumen vernachlgssigbar ist, festfrieren. Zur Gewinmmg dieser q verhilft die Erfahrung yon G~A~ und WOLf [27], dab die beim Aufprall eines Tropfens auf Eis entwickelte Ladung mit guter Anngherung der Tropfenenergie W proportional ist. Bedeutet m die Masse der Wolken- tr6pfehen, deren Durchmesser wit einheitlich zu 0,03 mm annehmen, und vr die schon eingefiihrte t~elativgeschwindigkeit, mit der auch die

An/Deft des Faraday-Sohncke-Effekts bei Gewitterelektrizit/it 253

TrSpfchen auf den Hage] prallen, dana kann man ansetzen q/b 2 q = I ' W = l ' . y v r . (])

Ein zu best immten Versuchsbedingungen gehSriger Wert ffir die Kon- staate F i s t in [27] angegeben. Aul]erdem ist dort - - f f i r das folgende wichtig - - eingehend untersucht, wie der FAI~ADAY-SoItNCKE-Eftekt yon verschiedenen Versuchsbedingnngen abh~ingt. Wir lassen hier im Interesse der AllgemeingiiltigkeR unserer Betrachtung den Wert y o n / ~ einstwei]en ganz often.

Die Anwendung der G1. (1) wird dadurch erschwert, dal~ w/~hrend des Hagelwachstums vr nicht konstant ist. Man erh~lt die Gesamt]adung eines Hagels vielmehr durch Summation fiber variable Summanden:

Z Z lrT ~'b ~" 2 Q= ~ q~=~ ~- ~lvr~, , (2)

wobei vr nach der in Abb. 3 gegebenen Abh~ngigkeit w/ichst. Die Lauf- zahl 2~ geht dabei fiber alle Wo]kentrSpfchen, die nacheinander unter Elektrizit~tserzeugung am Hagel festfrieren. Ihre Gesamtzahl ist mit Z bezeichnet. Auch mit diesem Aasatz l~Bt sich unmit telbar nichts anfangen, weft man nicht weiB, wie die GeschwiadigkeR vr den einander folgenden TrSpfchen zuzuordnen ist. - - Unmit te lbar fibersehen kann man nut, wie das wachsende Hagelvolumen V~ mit den ankommenden TrSpfehen zusammeahs Es w~ehst n~mlich einfach linear mit der Anzahl auf- genommener TrSpfchen. Bezeichnet man mit Vw das Volumen eines WolkentrSpfchens und mit VHA alas Volumen, das der Hagel zu Anfang des Wachstums aus WolkentrSpfchen hat, ferner mit ~o den Zahlenwert der Massendiehte (0,6 gr/em ~) des Hagels, so wird nach Aafnahme des A-ten Tr6pfchens, d. h. yon insgesamt )~ TrSpfchen

V~ = VH~ + V w . )~. (3)

[Nun braucht man eine :Bezieh~mg zwischen dem Hage lvohmen V/~ und der Rela~ivgeschwindigkeit yr. Dann kann der in G]. (2) geforderte Zusammenhang zwischen der l~elativgeschwindigkeit und der I~ummer des )~-ten ankommenden TrSpfchens hergestellt werden. Tatsiichlich besteht eine solche ]3eziehang infolge der Reibung des falleaden Hagels an der umgebenden Luft. Die Fallgeschwindigkeit dutch die Luft unter ]~eibung, eben vr, h/~ngt yore Hagelgewicht und-vom Hagelquerschnitt ab, die sich - - Kugelform vorausgesetzt - - aus dem in (3) zur Verffigung stehenden HageNolumen ja leieht ableiten lassen. Zu einer quanti tat iven :Beziehung kommt man aber erst, wenn man das hier anzuwendende Reibungsgesetz kennt.

Hierzu prfift man leicht naeh, dal] das einfache STOKEssche Gesetz, bei dem die Reibungskraft proportional der Gesehwindigkeit angenommen wird, nur auf einem kurzen Stfick, am Anfangder Entwicklungsbahn des Hagels, GfiRigkeit hat. Bei der sp~teren groBen Hagelkugel, die sich zu- letzt mit fiber 18 m/see dutch den Aufwind bewegt, muB die Reibung proportional zu vr 2 sein. Streng genommen hat man es also auf dem Eat -

254 F. WOLF:

wicklungsweg des Hagels mit einem v&riablen P~eibungsgesetz zu tun. 3'Ian kann sieh aber zur Vereinfachung aus LVDLAMS Daten ein mitt- leres Reibungsgesetz ableiten, das dann woh] mit hinreiehender Zuver- liissigkeit ffir die ganze Bahn anwendbar ist. Driiekt man in diesem Sinrt im geibungsgesetz Hagelgewieht und Querschnitt durch VH gus und reehnet sieh, was fiir die Verwendung in G1. (2) notwendig ist, vr 2 aus, so erh~lt man mit dem

linearen l~eibungsgesetz Vr ~ = konst 1 " VH % quadrat ischen geibungsgesegz v~ e = konst~. VB'h.

Das angestrebte mitt lere Gesetz liefere demnach eine Beziehung der Form ~ = K . V~. (4)

Die zwei unbekannten Kons tan ten K und x lassen sich sofort ausrechnen, wenn man die Gleiehung ffir irgend zwei yon den drei bei LW)LA~I gegebe- nen Wertepaaren

(bei t = 360 sec) vr = 17,0 em/sec V/t = 5,24. ]0 -7 cm 3 (bei t = 5 9 5 sec) v ~ = 4 9 , 8 em/sec V n = 1 , 4 1 " 1 0 - ~ c m 3 (bei t = 994 see) vr = 1840 cm/sec VH = 9 ,05.10 -1era a

a nsetzt und aufl6st. Das dri t te Wer tepaar kann zur Kontrol le der gefun- denen Beziehung dienen. Auf diese Weise ergibt sich

] J ~aae! s

, /

i

I

,/ / I

300 400 500 600

I 700 800 .000 fO00 frO0

Zeit t in see

Abb. 4. Das t[agelvolumen in Abhiingigkeit yon der Zeit

K = 3,618 �9 106 em 2-3z sec -~, x = 0,6524,

womit G1. (4) ffir die obige Aub gabe verwendbar wird.

Zuvor sei die l~iehtigkeit der le tzten ]~echnung noch dureh Hinweis auf die Abb. 4 belegt. I n ihr i s t - wegen der grogen Ausdehnung des fiberstriehenen IntervMls mi t t t i lfe logarithmi- sehen OrdinatenmM~stabs-- das Hagelvolumen als Kurve fiber der Zeit dargestellt, wie es sieh auf Grund der in Abb. 3 abge- leiteten Gesehwindigkeitswerte mit Hilfe der umgekehr t auf- gelSstsen G1. (4) berechnen li~Bt. Die soeben zitierten, von LUDLAM vorgegebenen Volumenwerte sind dagegen Ms Kreuze ein- gezeiehnet. Man sieht, dab die Kurve sie quant i ta t iv erffillt. I m fibrigen is~ es nicht un- interessant, denVolumenver lauf yon Abb. 4 dem Gesehwindig- keitsverlauf yon Abb. 3 gegen-

Anteil des Faraday-Sohneke-Effekts bei Gewitterelektrizit/~t 255

fiberzustellen. Die Endpunkte der Entwicklung yon Hagel I, II , I I [ sind auoh bier besonders gekennzeiehnet.

Wir k5nnen jetzt endlioh G1. (4) in die GI. (2) ffir die Gesamtladung eines tIagels einffihren und dabei noeh g u mittels G1. (3) ausdrficken. So entsteht

Z

Die Summe erstreekt sieh fiber alle Z elektriseh wirksamen Tr6pfehen, die das Vohmen yon VHA bis zum Endvolumen aufffillen. Da hierin das Volumen VHx, bei dem die eigentliehe Itagelbildung beginnt, reehne- riseh unbequem ist, formen wir den Ausdruek noeh etwas urn. Wir nehmen an, die Hagelbildung und ElektrizitS~tsentwieklung beginne mit dem Vo- lumen Null und ziehen yon der so entstehenden zu grogen Ladung die- jenige wieder ab, die ein vom Volumen Null nur bis zum wJrkliehen VHA waehsender ttagel erwerben wfirde. Wenn wir die Gesamtzahl der im gro- gen I-Iagel enthaltenen WolkentrSpfehen mit N, diejenige des kleinen mit n bezeiehnen und (Vw/@) x noeh herausziehen, so ergibt sieh

U,=i k = l t

Da die oberen Grenzen der Summen grog sind, kann man diese bequem dureh Integrationen gewinnen, z. B.

N 2V

z=z o x + 1 Nx+I'

und es ergibt sich

m t V w I x 1 {Nx+ 1 nx+l, Q = r ~ - K \ ~ I ~ - - , . (5)

Zur Ermittlung der Zahl der in den verschiedenen Hageln enthaltenen WolkentrSpfehen ist das (wegen geringerer Diehte mit 0,6 multiplizierte) tiagelvolumen dutch das Wo]kentrSpfehenvolumen Vw = 1,414.10-Sere 3 zu dividieren. So ergibt sieh mit frfiher definierter ~umerierung der Hagel

NI = 1,971 �9 166, N n : 3,941 �9 1G 6, Ar m : 3,840 �9 107.

Die Anzahl n fttr den abzuziehenden fingierten kleinen Hagel h/~ngt davon ab, bei we!them Anfangsvolumen VHA m a n die eigentliche Hagel- bildung einsetzen l~gt. Die Angaben yon LIYDLAlV[ legen daffir das Anfangs- stadium der in den Abb. 3 und 4 dargestellten Entwiek]ung nahe, d. h. den Radius yon 0,005 em bzw. das Volumen Vs~i = 5,24.10 -7 cm s. Hierin sind (mit Faktor 0,6)

n = 22,2 WolkentrSpfchen enthalten. Ffir das sich ergebende Q maeht es aber praktisch nichts aus, wenn man vorsichtiger den eigentlichen Hagel erst bei einem 10- bis 100- oder sogar ann/thernd 1000fachen Volumen zu waehsen beginnen

256 F. WoLF:

1/~13t, da auch dann noeh n ~+l gegentiber _~-~+1 in G1. (5) vernachl~ssig- bar klein bleibt. Man hat also endlieh zur Ausrechnung der Gesamt- ]adung eines Hagels die einfaehere Gleiehung

Q = r ~ - K ~-~-I (6)

V. Diskussion von Fehlerm(iglichkeiten, Festlegung der wahr- scheinlichsten Zahlenwerte

Mit der Endgleiehung der Arbeit [27] wird fiir die Elektrisierungs- konstante • ~ 2,75.10 -16 Coulb/erg angegeben. Dieser Wert gilt ftir den Fall, daft Tropfen yon -~ 20~ auf Eis yon 0~ prMlen, wobei Wasser yon ziemlieh grofier l%einheit, etwa yon der Leitf~higkeit 7 . 1 0 - a ~ - l m - 1

benutzt ist. Die obige Gleichung (6) liefert hiermit fiir die drei in Frage stehenden Hagel die Ladungen

Ha g e l I : QI -~ 1,133.10 -12 Coulb, Hagel I I : QII = 3,561 - 10 -~2 Coulb, Hagel I I I : Q I I I = 1,532 �9 10 -1~ Coulb.

Wit haben nun die Aufgabe, zu untersuehen, wie weit der bisher betraeh- tete 5Ieehanismus m5glieherweise dutch Nebenerscheinungen im Gewitter gest6rt wird, bzw. wie weir die soeben erhaltenen Ladungswerte infolge ver~nderter Bedingungen im Gewitter abge~ndert werden miissen. Es werden sich dabei verringernde und verst/~rkende Einfltisse herausstellen, die sehliefilieh gegeneinander abzuwiegen sind. Allerdings karm es sich nut mehr um eine Abseh~tzung der riehtigen Gr6Benordnung handeha.

a) Da gibt es zunfiehst Bedenken elektrostatischer Art. Der FARADAY- SoHNc~zE-Effekt kann nur solange arbeiten, als es dem beim Zusammen- wa l l erzeugten Wasserstaub mSglich ist, seine negative Ladung wirklieh fortzutragen. Mit waehsender Aufladung des Hagels muB dabei gegen elektrostatisehe Anziehungskrgfte eine Abtrennungsarbeit geleistet wer- den. Diese l~Bt sieh in Annaherung dureh die Potentialdifferenz angeben, die die aufgeladene Hagelkugel gegen das Unend]iche annimmt. Mit der bekannten Formel U = ~ z eo" Q/r ergibt sieh ftir die Endzust~nde

UI = 4,6 Volt, UII = 11,3 Volt, UIII = 230 Volt.

Bei unseren in [27] besehriebenen elektrometr isehen Messungen waren irgendwelehe Hemmungen infolge zu groBer Aufladung nicht zu bemerken; Dagegen gibt H. LUEDER [29] an, dab sein im unter- kiihlten Nebe] raseh rotierender Metallstab sich bei der Vereisung asym- ptotisch bis auf das Endpotential von 96 Volt auflud. Da hier die l~elativ- geschwindigkeit zwisehen vereistem Stab und Nebe]tr5pfehen viel grSBer war als zwischen Hagel und Wolkene]ementen in unserm Gewitter, ergibt sich, dab der LUDLAY~-Hagel I I I seine oben bereehnete voile Aufladung wegen ihrer zurfiekhaltenden Wirkung auf den negativen Wasserstaub

Anteil des Faraday-Sohneke-Effekts bei Gewitterelektrizitgt 257

niemals erreiehen kann. Vorsichtig gesch~tzt wird man annehmen dfir- fen, dab zwar Hage] I und I I auf seine volle, Hagel I I I aber h6ehstens auf ~t seiner im Vorangehenden bereehneten Endladung kommen wird.

b) Eine weitere Gefahr besteht darin, dab der Aufwind in gr6geren It6hen erhebliehe Mengen negativen Wasserstaubs enth~lt, der yon anderen FA~ADAu s tammt und dureh Aufschlag auf nnsern I-Iagel diesen wieder entladen kSnnte. Die Frage, wie welt derartige Begegnungen stattfinden, ist derjenigen naeh der Wirksamkeit des C.T.I~. WiLsoNsehen Influenzeffekts ~hnlieh. Aber man hat es hier ve t allem nieht mit molekularen Ionen sondern mit Wasserfetzen erhebliehen AusmaBes, schon um Tr6pfehen yon etwa 0,8" 10 -6 em Durehmesser zu tun [23]. Bei kleiner Ladung und groBer Masse ist ihre spezifisehe Ladung wohl um Zehnerpotenzen kleiner als bei Ionen, und sie haben innerhalb der Atmospharenluft nur eine sehr kleine elektrische Bewegliehkeit. Man mug die Aufgabe dann hydrodynamiseh sehen und fragen, wie welt derartige TrSpfehen aus den um den Ha, gel herumlaufenden Str6mungs- linien der Luft heraustreten und infolge ihrer Trggheit nnd elektriseher Anziehung am Hagel h~ngenbleiben werden. Zur Beantwortnng der meehanisehen Frage kann man die ~berlegungen yon F. ALbReChT [30] heranziehen, der die Abseheidung kleiner Teilehen aus der umstrSmenden Guft auf einem Hindernis - - allerdings yon der Form eines langen Zylin- ders - - untersueht. Wendet man diese Theorie auf unseren negativen Wasserstaub an, so ergibt sieh, dag am zylindrisehen I-Iindernis iiberhanpt kein TrSpfehen yon nur 10 -8 em Durehmesser h~ngen bleibt. (Die viel diekeren Wolkentr6pfehen dagegen werden, wit dies sein mug, zum gr6Bten Teil festgehalten). Wenn abet ein langer Zylinder niehts abfgngt, so mul3 dies ffir das kugelige tIindernis unseres Hagels erst reeht gelten. Und hieran dfirfte sieh auch niehts Wesentliehes ~ndern, wenn man die Aufladungen der Partner berfieksiehtigt, da die elektrische Ablenkbarkeit mit der geringen spezifisehen Ladung und der kleinen Bewegliehkeit auBerordentlieh klein bleibt. Der Vorgang dfirfte s unseren Gegenstand ohne wesentliehe Bedeutung sein.

e) Wir mfissen nun weiter absehiitzen, was es ausmaeht, dab beim Hagelwaehstum im Gewitter ganz andere als die oben mit dem Labo- ratoriumswert ffir JU angegebenen Temperaturen herrsehen. I m Laborato- r ium b etrug j a die Tropfentemperatur ~ 20 ~ die Eis temperatur 0 ~ wghrend im Gewitter beide Werte sehr viel kleiner sind. Der obere Umkehrpunkt der Entwieklungsbahn yon LUDLAMS Hagel befindet sich 7150 m fiber der Erde. Die - -20~ zeichnet LUDLAM, erstaunlieh niedrig, bei 5800 m ein. Demgegenfiber liegt sie bei S~M]?so~- und SCRASE [8] und andern Autoren bei 7500 m. Es wird sieher einigermaBen riehtig sein, die H6he der Bahnumkehr mit derjenigen der - -20~ zu identifizieren. Dies heil3t abet nicht, dag der t Iagel wirklich bis auf diese Temperatur abgekfih]t wird. Denn er selbst wie die umgebende Luft steigen aus w/~r- meren Regionen auf. Man hat daher ira Aufwindschlot eine Ausstfilpung der Isothermen naeh oben, zudem bleibt der Hagel selbst wegen der

258 F. WoLr:

Tr~gheit allen Temperaturausgleiehs w~rmer als seine Umgebung. Als ganz wesentlieh kommt noeh, besonders gegen Ende der Bahn, die immer mehr anwaehsende Entwieklung yon Sehmelzw~rme hinzu, die sehlieg- lieh die Oberfl~iehe sogar nab werden liiBt. YVir seh~tzen daher, dag der Hagel nieht weiter als bis auf - - 1 5 ~ abgekiihlt wird.

Fiir diese Temperatur gibt die Tabelle 1 yon [27] an, dag der FAaADAu SoK~cKE-Effekt auf etwa 85% des Wertes zuriiekgeht, der fiir die Tem- peratur 0 ~ des Eises gilt. Ebenfalls in [27] wird iiberlegt, dal~ aber die Herabsetzung der Tropfentemperatur auf Werte wesentlieh unter 0 ~ ein leiehtes Ansteigen des Effekts zur Folge hat. tIiernaeh wgren die 85% sogar wieder etwas zu vergr6Bern. Beide Einfliisse maehen sieh iibri- gens nut mehr im Gipfelbereieh der Hagelbahn geltend.

d) Ganz wesentlieh h~ngt der FA~ADAY-SoExCKE-Effekt vom t~ein- heitsgrad des mitwirkenden Wassers ab. Mit waehsender Konzentration eines Zusatzes nimmt seine Wirkung ab, bis sieh sehlieglieh sogar das Vorzeiehen umkehrt, das Eis negativ und der fortfliegende Wasserstaub positiv wird. Die Dinge liegen ~hnlieh wie beim WORKMa~-REY~OLDS- Effekt [14], nut sind dessen Umkehrkonzentrationen offenbar sehr viel kleiner als diejenigen des FAl~aDAY-So~c~-Effekts. W~hrend dort die Vorzeiehenumkehr fiir eine NaC1-LSsung bereits mit der Konzen- tration yon 10 - t normal eintritt, finder dieser Umsehlag ftir dieselbe LS- sung beim Tropfenzerreil3effekt erst zwisehen 2-10-an und 10-1n start [23]. Die Umkehrkonzentration ist hier noeh vom speziellen Meehanis- mus abh~ngig, der den Wasserstaub abreiBt. Sie waehst mit der Heftig- keit des Prozesses [23]. Bei der grcgen Wueht, mit der in unserem Fall der Aufwind die WolkentrSpfehen gegen den Hagel sehleudert, diirfte 10 -~ normal ein vorsiehtiger, sieher nieht zu hoeh gegriffener Wert ftir die Konzentration sein, bei der der FARADAY-SoH~CKE-Effekt dureh Null geht. Er kann gleiehzeitig aueh als Grenze fiir andere Verunreinigungen dienen, da gerade NaCI unseren Effekt besonders stark beeintrgehtigt.

Der t~einheitsgrad yon Niedersehl~gen aus Gewittern ist yon WOaK- ~A~ und R~Y~OLDS [14] untersueht worden. Sie geben Verunreinigun- gen yon etwa 10 -~ normal, haupts~ehlieh aus NaCI und CaCO a an. ~ber- nehmen wit dieses Ergebnis, so ist noeh zu beaehten, dal3 es sieh hier um die Endkonzentration am Erdboden handelt, die sieher gr6ger ist als der Verunreinigungsgrad hoeh oben in der Wolke, wenn der Hagel unter Wirksamkeit des FARADAY-SoE~CK~-Effekts erst im Waehstum begriffen ist. Denn weitere Sehmutzaufnahme und sehliel31ieher Wasserverlust dureh Verdampfung auf dem unteren Teil des Fallweg s vergrSgern die Konzentration der Beimengungen fortgesetzt bis zum Sehlul3. Eine Sehmutzkonzentration yon im 5littel 5 . 1 0 -a normal beim Waehstum des Hage]s scheint demnaeh angemessen. Mit ihr ist man dann abet noeh so weit yon der oben festgelegten Umkehrkonzentration yen 10-2n entfernt, dag man - - aus nieht sehr vielen Mel3werten (vgl. [23]) graphiseh ermi t te l t - - wohl noeh reiehlieh 50~o der Ladung erh~lt, die der FA~D~Y-So~CKE- Effekt mit reinem Wasser ergeben wiirde.

Anteil des Faraday-Sohneke-Effekgs bei Gewitterelektrizit/it 259

e) Neben den im Vorhergehenden diskutierten sehgdliehen Einflfissen gibt es nun abet aueh Gesiehtspunkte, die ffir eine VergrSBerung der wirk- lichen Gesamtladung eines Hagels spreehen. Der erste bes~eht darin, dab wit beim Waehstum des Hagels unter Vernaehlgssigung des wegspritzen- den Wasserstaubs angenommen haben, jedes Wolkentr6pfchen friere mit seinem vollen Vohmen am tIagel lest. Da dies in Wirkliehkeit nieht zu- trifft, werden mehr Wolkentr6pfehen gebraueht als in unserer Bereehnung, um das Gesamtvolumen des I-Iagels aufzubauen, und entspreehend mehr Ladung wird dabei erzeugt. Der Effekt mag immerhin einige Prozente der Gesamtladung ausmaehen.

f) t~erner mug daran erinnert werden, dal3 der in G1 (1) vorliegender Arbeit herangezogene lineare Zusammenhang zwisehen TrSpfehenenergie und freiwerdender Ladung, die Endgleiehung der Arbeit [27], nut ein Ngherungsgesetz ist. Die Messungen yon [27] deuten vielmehr darauf hin, dag gerade in dem meBteehniseh sehwer zuggnglichen Gebiet kleiner Tropfenenergien, wit sic aueh bei den Wolkentr61ofehen vorliegen, die erzeugte Ladung wahrseheinlieh erheblieh grSBer ist, als das lineare Gesetz sie bereehnen lggt.

Man kommt also sehliel31ieh zu folgender Bilanz: Die Effekte c) and d) drfieken die zu Anfang dieses Kaloitels angegeBenen Ladungswerte auf 85 bzw. 50~o herunter. Falls man ihre Wirkungen einfaeh iiberlagern daft, bleiben also stark 40~o der bereehneten Ladung fibrig. Auf der andern Seite bewirken die zuletzt behandelten Zusammenhgnge e) und f) eine Ladungsvermehrung um einen zwar sehwer genauer angebbaren, aber sieher nieht unerhebliehen Faktor. Aus diesen Grfinden seheint es uns richtig, die eingangs zusammengestellten Ladungswerte QI, Qn, QIII als einigermagen wahrseheinliehe Sehgtzungswerte unvergndert ffir die folgenden Sehlugfiberlegungen beizubehalten.

Auf den Einflug a) wird noeh zurfiekzukommen sein.

VI. Weiteres Schieksal der Ladung, elektrisehe Gesamtleistung, Sehluttbetrachtung

Wit haben bereits friiher festgestellt, da~3 der Waehstumsprozeg des LtrDLA•-tIagels zum Stillstand kommt, wenn infolge zu raseher Anlage- rung yon ~:olkentrSpfehen - - sehon beim Iterabfallen - - zu viel Sehmelz- wgrme auftritt , so dab die Oberflgehe nag wird. Wenn Wasser anstatt Eis als Unterlage wirkt, geht aueh der FA~ADAsr-So~xoJ~E-Effekt zurfiek und wird fiber die bisher abgesehgtzte Ladung hinaus nieht mehr viel zur Elektrizitgtserzeugung beitragen. Seine Wirksamkeit lggt besonders dann naeh, wenn aueh der Hagel III , wie wir dies yon den I-Iageln I und I I voraussetzten und was aueh ffir I I I wahrseheinlieh ist, ans dem Auf- windsehlot dutch sine turbulente lgandzone herausfgllt und ohne Gegen- wind in ruhigerem Gebiet unter weiterer Erwgrmung weniger zahlreichen WolkentrSpfehen begegnet. Wenn erst im I-Iauptstadium des Gewitters der Fallwind einsetzt, werden die Begegnungen noeh seltener.

Beim Nagwerden der IIageloberflgehe mug man abet mit der MSglieh- keit reehnen, dag der WORKMAX-REYNOLDs-Effekt in Gang kommt, der

260 F. WOLF:

vorher beim Hagelwaehstum ganz verhindert war, well alles Wasser sofort festfror. Da der Vorgang wahrend des Gefrierens dem ents~ehenden Eis positive Ladung entzieht, die danaeh vom abgestreiften Wasser in dem Raum fortgetragen wird, bedeutet er eine Entladung unseres posi- riven Hagels. Der Effekt wird aber wenig wirksam sein, da der Gefrier- vorgang mit dem weiteren Fallen des t tagels rasch ganz aufhSrt. An- n~hernd diirften der abklingende FARADAY-SoH~cKE-Effekt und der ab- nehmende WOU~Z~A~--t~EYsOLDS-Effekt sieh gerade gegenseitig kompen- sieren, so dab auf diesem Stfiek des Fallwegs fiberhanpt kein Ladungs- fiberschufi eines Vorzeichens im Raum zuriiekgelassen wird.

Erst tiefer unten, wo der Hagel kr~iftig zu sehmelzen beginnt und so- wohl eingefangene TrSpfehen als aueh eigene Bestandtei/e in grSfierer Zahl verliert, wird seine positive Ladung wirksam anseinandergetragen und weithin in die Umgebung zerstreut. So bildet sieh dureh zahlreiehe Wiederholung desselben Vorgangs an vielen sehmelzenden HagelkSrnern im Gebiet des ausfallenden Starkniedersehlags die positive Raumladungs- wolk% naeh deren Entstehungsursaehe wir suehten. Der Niedersehlag selbst beh~lt sehlieglieh einen Rest positiver Ladung und f~llt mit dieser zur Erde aus, dnrehaus im Einklang mit dem experimentellen Refund (etwa SIMPSON und SCRASE, vgl. aueh unsere Abb. l a). Die von der positiven ttagelladung oben in der Wolke dutch den FA~ADAY-So~CKE- Effekt mit feinem Wasserstaub getrennte negative Gegenladung wird inzwisehen vom Aufwind weitergetragen nnd naeh oben and zur Seite auseinandergestreut. Sie sinkt im weiten Raum der Gewitterwolke langsam herab und stellt einen Tell des grogen negativen Raumladungsgebiets dar, aus dem dann aueh - - abseits vom AktivitS~tszentrum - - negativer sehwaeher Niedersehlag ausfgllt. So entwiekelt sieh alles in sehSner UberGinstimmung mit dem Bild, das wit uns auf Grund der Erfahrung yon der Ladungsverteilung maehen.

Wie sehen dig Dinge aber quanti tat iv aus .~ Es ist zur Beantwortung zweekm/~13ig abzuseh/~tzen, welehe Elektrizit~tsmengen laufend dureh den FAttADAY-SoI:INCKE-Effekt in einem Aktivit~tszentrum des Gewitters erzeugt werden kSnnen. Wir beziehen die UbGrlegung auf die Zeiteinheit, fragen also zun~ehst naeh der Zahl der pro Sekunde produzierten ttagel-

d H kSrner, d. h. naeh dem I-[agelstrom ~ , und gehen yon ihm dann dureh

IVlultiplikation mit der Einzelladung Q eines ttagels zur elektrisehen d H

Stromsti~rke I = Q ~ fiber, die der Gewittergenerator liefert. Den

Hagelstrom des Anfwindsehlots kann man annghernd aus dem Nieder- sehlagsstrom am Erdboden ersehliegen. Wit nehmen an, dab der ganze aus dem Aufwindsehlot s tammende Starkniederschlag sieh bei seiner Ankunft auf der Erde auf eine Fl~ehe yon 1 km ~ ausgebreitet hat. Setzen wir die l~egenstromdiehte yon 10 Tropfen/dm 2 see Gin, so erh/~lt 1 km 2 den Gesamtregenstrom 10 Tr/dm~see �9 l0 s dm 2. Ihn identifizieren wit mit dem gesamten Hagelstrom einer Gewitterzelle, setzen also

d H - - 10 9 IIagel/see.

dt

Anteil des Faraday-Sohneke-Effekts bei Gewitterelektrizit/~t 261

Wenn wir jetzt zum elektrisehen Ss fibergehen, so lassen sich die frfiher ffir Hagel I bzw. I I angegebenen Ladungen QI bzw. Qn ohne weiteres als Multiplikatoren einsetzen. Der Wert QnI ffir den L~ZD- LA~-Hagel bedarf abet noeh einer Korrektur in zweifacher Hinsieht. Einmal stellten wir unter V. a) lest, dab die Aufladung des tIagels sehs weise bei ~ des berechneten Wertes stehen bleibt, weil das waehsende elektrisehe Feld den negativen Wasserstaub sehlieBlieh zurfickh/~lt. Ferner sahen wir in Kap. I I I , dal3 Tropfen yon einer dem L~:DLAM-Itagel entspreehenden GrSl3e im Niedersehlag fiberhaupt nieht beobachtet werden. Wir miissen annehmen, dag sie lgngst, ehe sie die Erde erreiehen, in eine Anzahl kleinerer Tropfen zerfallen sind. Legen wir ffir diese ein Volumen (oben in der Wolke) yon 1,12 �9 10 -1 em a zu Grunde, bei dem sie eben im ~Tind nicht weiter zerreiBen [15], so bedeutet dies eine Aufteilung des LVDLA~-Hagels in 5 gegentropfen. In diesem Fall darf der am Beden beobachtete Regenstrom nieht mit dem Hagelstrom in der Aktivitiits- zel]e identifiziert werden, sondern es kommt hier ein weiterer Faktor 1/5 herein. Das frfihere Qm ist also insgesamt nur mit 1 / . 1/5 _ 1/2 ~ seines Wertes einsetzbar. So entsteht unter Annahme der drei verschiedenen t~agelsorten

I i --~ 1,13 �9 10 - 3 A m p I n = 3,56 �9 10 -3 Amp / I n = 7 ,66 .10 -3 Amp.

Weiter interessiert die Frage, nclit weleher Elektrizitgtsmenge unser geladener I-Iagelstrom den Bereieh des unteren positiven l~aumladungs- gebiets zu erffillen vermag, wenn er dutch die untere Wolke hindureh- f~llt. Als konstante l%l]gesehwindigkeit seien ffir Tropfen 3 m/set ange- nommen, und das positive Gebiet reiehe yon der Wolkenuntergrenze 1,5 km hoeh bis nahe an die 0~ heran. Ohne seinen horizonta]en Quersehnitt kennen zu mfissen, sehlieBt man auf die in ihm enthaltene l~aumladung yore Erdboden aus. Wenn dort ira gesamten Starknieder- sehlag zwisehen Beginn und Ende einer Sekunde 109 Tropfen eintreffen, so mfissen diese bei vorgegebener Fallgesehwindigkeit zu Beginn dieser Zeit in einem t~aumgebiet yon 3 m HShe unm~ttelbar fiber der Erde ent- halten gewesen sein. Wenn abet 3 m ttShe 109 Tropfen enthalten, so entfa]len auf die H6he yon 1,5 km der unteren positiven Raumladung insgesamt 5.10 u Tropfen bzw. im Sehmelzen begriffene Hagel. Mit den drei versehiedenen Ladungswerten eines einzelnen Hage]s, im Fall I I I unter der oben angegebenen l~eduktion, erhglt man also ffir die gesamte l~aumladung R des unteren positiven Gebiets einer Aktivit~tszelle

RI = 0,567Coulb R n = 1,78 Cou]b R m = 3,83 Coulb.

Dies sind fibrigens Anfangswerte, die dann erreicht werden, wenn der im Fallen begriffene Niedersehlag das l~aumgebiet eben ganz erffillt. L~13t er den grSBeren Teil der Ladung auf kleinen Tr6pfehen zurfiek und f~llt weiterer Hagel naeh, so wird die Gesamt]a.dung des Gebiets fortgesetzt

262 F. WoLF:

vergr6gert. Es ist durchaus denkbar, dab ein schmelzender Hage! gegen Ende mehr TrSpfehen verliert, als er Wolkenelemente aufnimmt, so daft aueh im Fall .II und I I I schlieglich Tropfen yon zulgssigem, nieht zu groftem Volumen an der Erde eintreffen.

Wie lange Zeit t braueht der Meehanismus zur Naehlieferung yon 1 Coulomb ? Die Antwort erhg~lt man mittels der Gleiehung Q = It aus den Stromstgrken. Es wird

tz = 8,83 �9 102 sec = 14,7 3/Iin tix = 2 , 8 1 . 102 s e e = 4,71Vfin t g i = 1,30.102 s e e = 2,2Min.

Unter Voraussetzung der groften IIagel I I I kommt man also in der durehaus mSgliehen Zeit yon einer knappen halben Stunde auf die Ge- samtraumladung yon 10 Coulomb, die - - sehr grog - - yon IV[ALAZr [20] als Inhalt des unteren positiven Gebiets geseh~tzt wurde. Ansehliegend kSnnten mittlere Blitze, die jeweils 1 Coulomb benStigen, in Abst~nden yon jeweils zwei Minuten einander folgen.

Man sieht aus allen diesen Zahlenangaben, dab unsere Gewittermasehine tats/iehlieh funktionieren kann. Sie ist gerade imstande, die Elektrizitgts- mengen fiir den Blitzmeehanismus eines beseheidenen Gewitters zu lie- fern. t~reilich diirfen ihr keine Ladungen fiir andere Zweeke entzogen werden. - - Ftir die Wirkliehkeit ist ihre Leistungsf~higkeit deshalb noeh zu gering. Zwar arbeiten meist mehrere derartige Zellen gleiehzeitig nebeneinander. Aber dies bedeutet noeh immer wenig neben der empiri- sehen Sehi~tzung [5], dag im Gesamtgewitter fiir Blitze, Ionenabwanderung und Ladungsverluste dureh Niedersehlag st~ndig etwa 4 Ampere auf- gebraeht ~erden. Wenn hiervon aueh der grSgere Tell yon dem oberen Dipol geliefert werden mag, so sollte doch wohl aueh die Leistung des unteren, den wir mittels des FAt~ADAY-SOI-ZNCKE-Effekts zu betreiben suehen, mindestens um 1 bis 2 Zehnerpotenzen grSfter sein. - - Anderer- seits darf man das erreiehte Ergebnis aueh nicht unterseh~tzen. Der FARADAY-SoKNCKE-Effekt~ beim Hagelwaehstum erweist sich immerhin als der erste Vorgang, dem es gelingt, wenigstens den :Blitzmeehanismus selbst im unteren Dipol einigermagen quantitativ zu bestreiten. Man mug sich zudem erinnern, dag die vorgenommene Abseh~tzung vieler im Gewitter maBgebender Einfliisse zwar nach bestem Wissen dureh- gefiihrt wurde, aber mangels genauerer Kenntnis vielfaeh doch reeht unsioher bleiben mugte. Es ist durchaus denkbar, daft kleine Verschie- bungen einzelner Einfltisse in der Wirkliehkeit den behandelten Effekt ganz wesentlich heraufsetzen. Weitere Laboratoriumsmessungen sollen hierzu Aufsehliisse bringen.

Wir wollen aueh noeh einmal darauf hinweisen, dab Niedersehlag in den Tropen vielfaeh iiberhaupt ohne Durehlaufen der Eisphase zu- stande kommt und dal~ man aueh bei unseren Gewittem heute diese MSgliehkeit in Betraeht zieht [15]. Die Ladungen im unteren Dipol miissen also mindestens unter gegebenen Bedingungen aueh noeh auf anderem Weg zustandekommen kSnnen als dureh das Hagelwachstum,

Anteil des Faraday-Sohncke-Effekts bei Gewitterelektrizit/~t 263

h~ufig ents tehen sie wahrscheinlieh durch Zusammenwirken beider Vor- gi~nge. Unseres Eraehtens sollte es sich beim zweiten um einen Effekt yon dem unsr igen sehr i~hnlichen Eigensehaften handeln, t t ier lieg~ der LE~AnD-Sr~PSO~sche Tropfenzerreigeffekt nahe, ffir den die Voraus- setzungen im t~aum der Aktivi ts durehaus gfinstig sind. Hinweise darauf ha t E. WIC~A~5" [4, S. 211] gefunden. Wi t beabsieh~igen, anch diesen Fa l l genauer zu priifen.

Her rn Kollegen M. D I ~ , der rnich mi t meteorologisehen Auski inf ten und Zahlenangaben freundliehs~ unters t i iz t hat, m6ehte ich auch hier meinen besten Dank aussprechen. Herr cand. phys. W. M~JzLgOR~ hag mir bei den numerischen Rechnungen geholfen.

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