Institut für Astronomie und Astrophysik Abteilung Astronomie Sand 1, D-72076 Tübingen, Germany
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Dissertation Horst Riekert

Untersuchungen zur Beweglichkeit in der freien Atmosphäre

Summary.
Die Schwerpunkte der vorliegenden Arbeit lagen zum einen auf der Messung der Konzentration der Kleinionen als Funktion der Höhe, zum anderen auf der Bestimmung der mittleren Beweglichkeit der Kleinionen ebenfalls als Funktion der Höhe aus gleichzeitigen Messungen der Luftleitfähigkeit und der Ionenkonzentration. Ferner sollten die gemessenen Werte mit theoretischen Beweglichkeitswerten verglichen werden, die sich aufgrund der neuesten Hypothesen über Clustermodelle berechnen lassen.
Bei den 9, mit Radiosonden gemessenen, Profilen stieg die Ionenkonzentration von einigen hundert pro cm³ in Bodennähe mit der Höhe an, erreichte zwischen 15 und 20 km ein Maximum mit Ionenzahlen von 6000 bis 9000 pro cm³ und fiel dann wieder leicht ab. Bei der Messung der Ionenkonzentration traten große Schwankungen auf, die eindeutig auf Schwankungen des Luftdurchsatzes infolge variabler Aufstiegsgeschwindigkeitsschwankungen zurückgeführt werden konnten. Die Ursache für diese Geschwindigkeitsschwankungen liegt in Instabilitäten in der Strömungsgrenzschicht an der Ballonoberfläche. Eine Theorie dieses Effektes liefert Aussagen, die qualitativ mit dem experimentellen Befund übereinstimmen.
Zur Abschätzung der Meßfehler mußte der Einfluß der Luftzähigkeit auf den Luftdurchsatz durch das Gerdiensystem ausführlich theoretisch behandelt werden. Es zeigt sich, daß insbesondere in Höhen über ca. 15 km dieser Einfluß nicht mehr vernachläßigt werden darf; er wurde deshalb bei der Auswertung der Aufstiege berücksichtigt.
Der Zähigkeitseinfluß auf die Messung der Leitfähigkeit wurde ebenfalls berechnet. Da er von der Beweglichkeit der Ionen und der Aufstiegsgeschwindigkeit abhängt und normalerweise 10% nicht übersteigt, wurde er bei der Auswertung der 4 Leitfähigkeitsprofile außer Acht gelassen.
Bei 3 Aufstiegen konnten Leitfähigkeit und Ionenkonzentration gleichzeitig gemessen und daraus die mittlere Beweglichkeit berechnet werden. Die auf Normalbedingungen von Luftdruck und Temperatur reduzierte Beweglichkeit ging von dem auf Bodenhöhe extrapolierten Wert von l,2 cm² /(V x sec) auf l,0 in 20 km Höhe zurück. Dieser Rückgang deutet auf eine geringe Zunahme der Clustergröße hin. Innerhalb der abgeschätzten Fehlergrenzen erscheint auch ein höhenkonstanter Verlauf noch möglich.
Bei einem Aufstieg wurde außer der positiven Leitfähigkeit auch noch die luftelektrische Feldstärke gemessen. Der daraus berechnete positive Anteil der Vertikalstromdichte ist innerhalb der Fehlergrenzen höhenkonstant und betrug 0,86x10^-12 A/m².
Einen breiten Raum dieser Arbeit nahmen Überlegungen über den Aufbau der atmosphärischen Kleinionen ein. Die positiven Ionen bestehen einheitlich aus hydratisierten Protonen der Form H⁺ • (H₂O)_n. Mit vorliegenden Werten der Konstanten für das dynamische Gleichgewicht konnte die Abhängigkeit der Werte für die Zahl n der angelagerten Wassermoleküle von Temperatur und relativer Feuchte berechnet werden. Das Massenspektrum verschiebt sich in Richtung schwerer Ionen, d.h. die mittlere Beweglichkeit wird geringer, wenn die Temperatur fällt oder der Wasserdampfgehalt steigt. Da der Sättigungsdampf ebenfalls von der Temperatur abhängt, ändert sich bei konstanter relativer Feuchte das Massenspektrum nur wenig. Bei einer Temperatur von +20 C und einer relativen Feuchte von 100% ergibt sich ein Mittelwert von n=8; aber auch die Werte 7 und 9 kommen häufig vor.
Für die negativen Ionen konnte nur der Aufbau aus der neuesten Literatur referiert werden. Danach bestehen sie aus folgenden Clustern: in der Troposphäre hauptsächlich aus O₂^- • (H₂O)_n, in der unteren Stratosphäre bis zum Beginn der Ozonschicht aus CO₄^- • (H₂O)_n und darüber aus CO₃^- • (H₂O)_n, NO₂^- • (H₂O)_n und NO₃^- • (H₂O)_n. Eine theoretische Berechnung des Massenspektrums und der Beweglichkeit ist nicht möglich, da die Gleichgewichtskonstanten der entsprechenden Reaktionen nicht bekannt sind.
Dagegen konnten aus der Langevin-Theorie unter Berücksichtigung der Overhausergleichung für veränderliche Ionen die Beweglichkeit der positiven Kleinionen in Funktion von Feuchte und Temperatur berechnet werden. Diese Werte sind etwas größer als die gemessenen; betragen beispielsweise bei 0°C und 20% relativer Feuchte ca. l,5 cm² / (V x sec) und hängen praktisch nur von der relativen Feuchte ab.
 

Dissertation (120,74 Mb PDF file including figures)

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| Impressum Last modified 08 Aug 2011