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Lexikon der Geographie: atmosphärische Elektrizität

atmosphärische Elektrizität, Luftelektrizität, in der Atmosphäre bestehendes elektrisches zur Erde hin gerichtetes Feld, das in der bodennahen Atmosphäre eine Feldstärke von ca. 130 V/m aufweist. Die Stärke nimmt in vertikaler Richtung nach oben ab, an der Tropopause sind es nur noch ca. 10 V/m. Die Erde ist negativ geladen, in der Atmosphäre befindet sich bis in ca. 10 km Höhe eine positive Raumladung. Beide Ladungen kompensieren sich ungefähr. Die Gegenelektrode zur Erdoberfläche ist die untere Ionosphäre in ca. 70 bis 80 km Höhe. Beide bilden einen großen Kugelkondensator, zwischen dessen inneren Elektrodenoberflächen eine Spannungsdifferenz von ca. 250 kV besteht.
Da in der höheren Atmosphäre durch die Absorption der kurzwelligen Strahlung und der Korpuskularstrahlung der Sonne ständig Ionen als Ladungsträger erzeugt werden und damit die Ionendichte hoch ist, nimmt die Leitfähigkeit der Atmosphäre nach oben zu. Der Vertikalstrom als Produkt aus Feldstärke und Leitfähigkeit bleibt dadurch in vertikaler Richtung konstant. Zwischen Erdoberfläche und Ionosphäre fließt im globalen Mittel ein Strom von ca. 1500 A, welcher innerhalb von ca. 30 Minuten zum Ladungsausgleich zwischen Ionosphäre und Erde führen würde, wenn nicht Ladungen in entgegengesetzter Richtung transportiert werden würden. Dieser gegenläufige Transport erfolgt durch Gewitter, deren Vertikalstrom dem normalen Ladungsstrom entgegengesetzt ist. Durch diesen Transport wird die Erde negativ aufgeladen und somit das elektrische Feld in der Atmosphäre aufrecht erhalten.
Die bei Untersuchungen der atmosphärischen Elektrizität gemessenen Parameter und ihre mittlere Größe in Mitteleuropa sind:
Feldstärke: 130 V/m
Leitfähigkeit: 2,5·10-14/(ω·m)
Vertikalstrom: 3·10-12/Am2.
Die Ionisierung der Luft wird durch die Kernzahl, die Anzahl der Ionen pro Volumeneinheit, angegeben. Sie weist in ihrer makro- und mesoskaligen Verteilung, auch durch die Herkunft der Luftmasse bedingt, große Unterschiede auf. Die geringsten Kernzahlen sind in Bodennähe in den Polargebieten, in der Atmosphäre über den Ozeanen und in den Hochgebirgen mit ca. 1000 pro cm3 zu finden, über unbesiedeltem Land sind es ca. 10.000 pro cm3 und in Ballungsräumen über 100.000 pro cm3.

JVo

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Grafik:
Mathias Niemeyer (Leitung)
Ulrike Lohoff-Erlenbach
Stephan Meyer

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