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Institut für Astronomie und Astrophysik

Abteilung Astronomie

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Dissertation Wolfgang Gringel


Untersuchungen zur elektrischen Luftleitfähigkeit unter Berücksichtigung der Sonnenaktivtät und der Aerosolteilchenkonzentration bis 35 km Höhe

Summary.
Die Schwerpunkte der vorliegenden Arbeit bildeten zum einen die Messung der elektrischen Leitfähigkeit der Luft in Funktion der Höhe bei unterschiedlicher solarer Aktivität und zum anderen die experimentelle Bestimmung von effektiven Anlagerungskoeffizienten ß aus gleichzeitigen Messungen der Luftleitfähigkeit und der Aitkenkernkonzentration in der freien Atmosphäre. Schließlich sollte aufgezeigt werden, ob und inwieweit sich Luftleitfähigkeitsmessungen als Indikator für Aerosol in der freien Atmosphäre verwenden lassen.
Bei insgesamt 32 erfolgreichen Ballonaufstiegen wurde die erwartete starke Zunahme der Leitfähigkeit mit der Höhe beobachtet. Die relative Leitfähigkeitszunahme wird mit zunehmender Höhe bis etwa lO km geringer und bleibt darüber bis zur erreichten Gipfelhöhe von 35 km konstant.
Drei Leitfähigkeitsprofile, die in Zeiten stark erhöhter Sonnenaktivität gemessen wurden, zeigten oberhalb von 12 km bzw. 16 km Höhe deutlich niedrigere Werte als das mittlere Profil bei ruhigen solaren Bedingungen. Im Extremfall betrug am 3. August 1972 die lonisationsrate durch die kosmische Strahlung in 12 km Höhe nur 70% und nahm bis 32 km Höhe auf 45% der lonisationsrate bei ruhiger Sonne ab.
Das Verhältnis von positiver zu negativer Leitfähigkeit ändert sich im Verlauf der Höhe. Wahrend in der Troposphäre die negative Leitfähigkeit im Mittel um 14% höher ist als die positive, sind zwischen 15 km und etwa 20 km Höhe die Werte für beide Polaritäten gleich groß. Über 20 km Höhe ist die negative Leitfähigkeit im Mittel etwas geringer (5%) als die positive Leitfähigkeit. Unter Voraussetzung gleicher Konzentrationen negativer und positiver Kleinionen gilt dies analog für die Beweglichkeiten der negativen und positiven Kleinionen.
Bei 5 Aufstiegen über dem Nordatlantik wurde neben den polaren Leitfähigkeiten auch die luftelektrische Feldstärke gemessen. Die daraus berechneten Profile der vertikalen Leitungsstromdichte zeigen zwischen l km und 16 km Höhe den erwarteten höhenkonstanten Verlauf. Die Mittelwerte der Vertikalstromdichte lagen bei den einzelnen Aufstiegen zwischen 1,77 pA/m2 und 3,15 pA/m2. Diese Werte schwanken um etwa ± 25% um eine mittlere Vertikalstromdichte von 2,5 pA/m2; diese Schwankungen werden vor allem durch den Tagesgang und die Tag-zu-Tag Variation des Ionosphärenpotentials VI verursacht.
Gleichzeitige Messungen der Leitfähigkeit und der Aitkenkernkonzentration bei 2 Ballonaufstiegen, gemeinsam mit Herrn Käselau, Köln, gestatteten es, effektive Anlagerungskoeffizienten ß für die Anlagerung von Kleinionen an Aitkenkerne für den Höhenbereich zwischen 5 km und 13 km erstmals experimentell zu bestimmen. Die Werte ßexp(h) stimmen für Höhen bis 10 km und Aitkenkernkonzentrationen über 100 Kerne/cm3 mit theoretischen Werten von ZIKMUNDA und HÖHNEN (1972) für einen effektiven Teilchenradius von 0,07 µm gut überein. Die Anlagerungskoeffizienten ßexp(h) liegen in diesem Bereich zwischen 4x10-6cm3/s und 10-5cm3/s. Für größere Höhen und Aitkenkernkonzentrationen unter 1OO Kerne/cm3 tendieren die Werte ßexp(h) zu theoretischen Werten, die größeren Teilchenradien (ca. 0,2 µm) entsprechen.
Aus zwei über dem Nordatlantik gemessenen Leitfähigkeitsprofilen konnten Abschätzungen des Saharastaubteilchen-Transports und dessen Höhenverteilung gemacht werden. In l400 km bzw. 2200 km Abstand von der westafrikanischen Küste wurden in einer Schicht zwischen 1,2 km (bzw. l,7 km) und 3,7 km Höhe etwa 100 Staubteilchen pro cm3 oder 1000 µg Staub pro m3 Luft (bzw. 1200 µg/m3 Luft) gefunden. Daraus errechnet sich eine Gesamtstaubmenge von 4 g (bzw. 2,5 g) Saharastaub pro Quadratmeter vertikaler Luftsäule. Mit diesen Ergebnissen, die gut zu Modellvorstellungen aufgrund von Bordmessungen und Beobachtungen vom Schiff aus passen, konnte gezeigt werden, daß mit Luftleitfähiglceitsmessungen Informationen über den Aerosolgehalt in der freien Atmosphäre gewonnen werden können.
Es soll an dieser Stelle aber nochmals betont werden, daß sich im allgemeinen keine spezifischen Angaben über das Aerosol selbst machen lassen, da der Koeffizient für die Anlagerung von Kleinionen an Aerosolteilchen vom Radius und Ladungszustand des Aerosols abhängt. Demgegenüber sind aber Radiosonden zur Leitfähigkeitsmessung und die Aufstiege selbst wesentlich billiger als die viel schwereren Sonden zur direkten Messung der Aerosolteilchenkonzentration, deren Start aus Gründen der Flugsicherheit nur unter sehr engen Beschränkungen erfolgen kann. In der Praxis sind Luftleitfähigkeitsmessungen als Aerosolmonitoren für gewisse Fragestellungen durchaus denkbar. Dies gilt insbesondere für Aufstiegsserien, die nach dem ersten Erkennen hoher Aerosolteilchenkonzentrationen - wie etwa hoher Aitkenkernkonzentrationen an der Tropopause - Aussagen über das Auftreten und die zeitliche Dauer solcher Schichten, etwa in Abhängigkeit von der großräumigen meteorologischen Situation, geben könnten.
 

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Last modified 09 Aug 2011
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