Müller-Pouillets Lehrbuch der Physik - Band V, 1. Teil: Physik der Erde [V/1, 11 ed.]

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Vorwort. Die Herausgabe dieses Halbbandes wurde durch zwei unglückliche Ereignisse verzögert. Das eine war der im Jahre 1925 erfolgte unerwartete Tod O. Lummers, der gemeinsam mit den Herren Eucken und Waetzm ann den Plan des Buches aufgestellt hatte und diesem Bande besonderes Interesse entgegenbrachte. Bei seinem Tode waren einige Manuskripte bereits abgeliefert, andere waren noch weit im Rückstande. Die Hauptredakteure des Lehrbuches, Prof. A. Eucken und E. W aetzmann, baten nun den Unterzeichneten, die Schriftleitung dieses Halbbandes an Stelle von O. Lummer zu übernehmen. Eine bei dieser Gelegenheit vorgenommene Durchsicht des Planes führte zu einer Erweiterung desselben durch Hinzufügung von zwei neuen Kapiteln über "Physik der Gletscher" und "Physik des Meeres". Prof. H. Hess-Nürnberg und Dr. H. Thorade-Hamburg sei besonders gedankt für ihre Bereitwilligkeit, diese Arbeit kurzfristig zu übernehmen und für die schnelle Fertigstellung ihrer Manuskripte. Leider trat nun aber eine sehr ernste weitere Verzögerung dadurch ein, daß Prof. E. W i echert-Göttingen, der das Kapitel "Physik der festen Erde" übernommen hatte, immer kränklicher wurde und schließlich am 19. März 1928 starb. Erst wenige Monate vorher war er, durch die Krankheit gezwungen, von seiner Mitarbeit zurückgetreten, nachdem ein kleiner Teil seines Kapitels schon geschrieben und auch gesetzt war. Dieser für die geophysikalische Wissenschaft so schwere Verlust schuf auch für die Herausgabe des vorliegenden Halbbandes eine recht schwierige Lage, zumal dieser im übrigen schon vollständig gesetzt war. Prof. B. Gu ten berg-Darmstadt gebührt ganz besonderer Dank dafür, daß er sich bereit erklärte, in die Lücke einzuspringen und das fehlende Kapitel, das er "Mechanik und Thermodynamik des Erdkörpers" zu nennen vorzog, an W iecherts Stelle zu übernehmen und in erfreulich kurzer Frist fertigzustellen. Die schon von W iechert geschriebenen Teile hat er, als solche gekennzeichnet, seinem Kapitel eingefügt. Wir hielten dies für das richtigste aus Pietät gegen unseren heimgegangenen deutschen Altmeister der Geophysik, um dessen letzte Arbeit es sich hier handeln dürfte. Um einen Teil des großen Zeitverlustes wieder einzubringen, wurde dies Kapitel, das planmäßig zwischen der Physik der Gletscher und dem Erdmagnetismus stehen sollte, an den Schluß des Halb bandes gesetzt.

VI

Vorwort.

Es war unter diesen Umständen nicht zu vermeiden, daß die einzelnen Kapitel zu recht ungleichen Zeiten abgeschlossen wurden. Einige sind schon seit Jahr und Tag ausgedruckt, so daß man in ihnen die allerjüngste Literatur naturgemäß nicht mehr berücksichtigt finden wird. Andere konnten noch durch Zusätze in der Korrektur auf das laufende gebracht werden, und noch andere sind erst vor wenigen Monaten abgeschlossen worden. Um nur einen Einzelfall hervorzuheben: im Kapitel "Physik des Meeres" konnten die Ergebnisse der inzwischen heimgekehrten "Meteor"-Expedition nicht mehr berücksichtigt werden. Der Halbband beginnt mit der Behandlung der Lufthülle der Erde. Zunächst gibt v. Ficker eine eingehende Darstellung des heutigen Standes der Meteorologie, darauf folgt ein kurzes Kapitel über das neue Gebiet der atmosphärischen Akustik und ein weiteres über atmosphärische Optik, beide von A. Weg e n e r. An die Behandlung der Lufthülle schließt sich naturgemäß die der Wasserhülle an. Sie wird von H. Thorade mit Hervorhebung der physikalischen Gesichtspunkte in neuartiger eise dargestellt. Weiter folgt die "Physik der Gletscher" von H. Hess, in der die mannigfachen neuen Fortschritte zum Ausdruck kommen, die die Gletscherkunde seit dem bekannten Lehrbuch dieses Verfassers erzielt hat. Die folgenden drei Kapitel behandeln die in vielfacher Wechselbeziehung zueinander stehenden elektromagnetischen Erscheinungen der Erde: zuerst schildert Ni pp 0 1d t den heutigen Stand der erdmagnetischen Forschung, dann bringt Angenheister einen Überblick über die in jüngster Zeit so rasch entwickelte Polarlichtforschung, und schließlich behandeln Benndorf und V. F. Hess gemeinsam die Luftelektrizität, deren in neuerer Zeit gewaltig angewachsene Ergebnisse eine eingehendere Behandlung nötig machten. Das Schlußkapitel. betitelt "Mechanik und Thermodynamik des Erdkörpers", entstammt, wie schon erwähnt, zum größeren Teil der Feder Gutenbergs, zum kleineren derjenigen Wiecherts und entwickelt den heutigen Stand der Forschung im Bereich der engeren Geophysik, wobei insbesondere auch die reichen neueren Ergebnisse der Erdbebenkunde dargestellt werden. Wir geben uns der Hoffnung hin, die uns schon durch die Namen der Mitarbeiter verbürgt erscheint, daß der Halbband "Geophysik" trotz der genannten Schwierigkeiten seiner Entstehung nunmehr in seiner fertigen Form seine Aufgabe erfüllen werde, ein zuverlässiges und eindringliches Bild unseres heutigen Wissens von der Physik der Erde einschließlich ihrer Wasser- und Lufthülle zu geben.

'V

Graz, im August 1928.

Alf'red Wegener.

INHALrrSVERZEICHNIS ZUl! FÜNFTEN BANDE (ERSTE HÄLFTE).

Physik der Erde. Erstes Ka pi tel.

Meteorologie.

Von H. v. Ficker in Berlin. Seite

Einleitung

I. Die meteorologischen Elemente, ihre Messung und Berechnung.

§ 1. Messungen. . . . . . . . . . . .

§ 2.

2 a) Messung der Strahlungsvorgänge 2 b) Messung der I.u Ettemperatur . . 5 c) Messung des Luftdruckes. . . . 7 d) :M:essung des Wasserdampf~ehaltes der Luft 9 e) Messung der Bewölkung und der Sonnenscheindauer 12 14 f) Messung der Niederschläge g) :M:essung des Windes . . . . 15 h) Hilfsmittel der Aerologie . . 17 i) Einige besondere Messungen 18 Berechnung der Beobachtungen 19 a) Mittelwerte . . . . . . . . 19 b) Reduktion der Mittelwerte auf gleiche Periode 20 c) Tägliche und jährliche Periode . . . . . 20 d) Graphische Darstellung der räumlichen Verteilung meteorologischer Elemente . . . . . . . . . 22 e) Berechnung der Korrelation. . . . . . . . . 23

11. Die solare Energiezufuhr• § 3. Übersicht über den Strahlungsvorgang . . . . § 4. Bestimmung der Solarkonstanten. . . . . . . § 5. Schwächung der Strahlung in der Atmosphäre

§ 6. § 7.

a) Diffuse Reflexion . . . . . . . b) Absorption in der Atmosphäre Ausstrahlung der Erdoberfläche und Wärmehaushalt der Erde . . . . .

. . . . . ..... Gegenstra.hlung der Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . .

24 25 28 28 30 31 34

VIII

Inhal tsverzeichnis. Seite

§ 8. Strahlungsgleichgewicht . . . . . . . . . . § 9. Wärmeumsatz an der Erdoberfläche . . . . . § 10. Erwärmung und Abkühlung der Atmosphäre

37 38 41

HI. Anwendung der Oasgesetze auf atmosphärische Vorgänge.

§ 11. Statik der Atmosphäre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a) b) c) d) e) f)

Zusammensetzung und Gewicht der Luft; Höhe der Atmosphäre Zustandsgleichung für Luft Statische Grundgleichung . . . . . . . . . . . . Barometrische Höhenformel . . . . . . . . . . . Verwendung der Höhenformel in der Meteorologie. Das Da I tonsche Gesetz; Zusammensetzung der Atmosphäre in großen Höhen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . g) Der Wasserdampf als Bestandteil der Luft . . . . . . . . . . . . . h) Temperaturgrenzbedingung für Gleichgewicht in vertikaler Richtung

43 43 44 45 46 47 48 50 52

§ 12.

Die Zustandsänderungen trockener und feuchter Luft mit und ohne Wärmezufuhr . . . . . . . . 52 a) Spezifische Wärme . . . . 52 b) Zustandsänderung trockener Luft 53 c) Potentielle Temperatur . . 55 d) Zustandsänderung gesättigt-feuchter Luft 55 e) Anwendungen . . . . . . . . . . . . 57 ce) Das Föhnprinzip . . . . . . . . . . 57 60 fJ) Das Schrumpfen und Strecken der Luftmassen. y) Gleichgewichtsbedingungen in der Atmosphäre 62

§ § § § § § § § § § §

Flächen gleichen Druckes; Wirkung regional verschiedener Wärmezufuhr 64 Druckdifferenz und Windgeschwindigkeit . . . . . . . 67 Ablenkende Kraft der Erdrotation und Zentrifugalkraft. . 69 Reibungslose, stationäre Bewegung . . . . . . . . . . . 71 Einfluß der Reibung; die Gleichungen von Guldberg und Mohn. 72 Turbulenz und Austausch 75 Vertikalbewegung der Luft. . . . . . . . . . . . . . . 76 Beispiele vertikaler Luftbewegung . . . . . . . . . . . 78 Stationäre Bewegung verschieden temperierter Luftströme 79 Wirbelbildung in der Atmosphäre . . . . . . . . . . 80 Oszillierende und Wellenbewegungen in der Atmosphäre . S2 a) Elastische Schwingungen der ganzen Atmosphäre . . . 82 b) Wellenbildung an den Grenzflächen verschieden dichter Luftmassen. 82 c) Stehende Wellen . . . . . . . . . . . 83 84 Zusammengesetzte Konvektionsströmungen . 84 a) Land- und Seewinde 84 b) Monsunwinde . . • . . . . . . . . . .

IV. Atmosphärische Bewegungen. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23.

§ 24.

V. Der Kreislauf des Wassers in der Atmosphäre. § 25. § 26. § 27.

Verdunstung . . . . . . . . . . . . . Kondensation . . • . . . . . . . . . . • Übersättigung und Niederschlagsbildung . a) Mischung . . . . . . . • . . . . . b) NiederschlagsbiIdung durch Abkühlung •

86 87 90 90

91

VI. Die tägliche und jährliche Periode der meteorologischen Elemente. § 28. § 29.

Sonnenstrahlung . . Lufttemperatur . . a) Täglicher Gang. b) Jährlicher Gang-

93 Q4

94 95

Inhaltsverzeichnis.

IX Seite

§ 30. §31. § 32. § 33.

§ 34.

Wasserdampfgehalt Bewölkung . . Niederschläge. . . Luftdruck . . . . a) Tägliche Luftdl'ucksch wankung . b) Jährliche Luftdruckschwankung . Windstärke und Windrichtung. a) Windstärke . b) Windrichtung . . .

98 99 99 102 102 103 104 104 105

VII. Die mittlere Verteilung der meteorologischen Elemente in horizontaler und vertikaler Richtung. § 35. § 36.

§ 37.

§ 38.

Die Verteilung der Sonnenstl'ahlung an der Erdoberfläche Die Verteilung der Temperatur . . . . . . . . . . a) Verteilung der Temperatur an der Erdoberfläche. . . b) Verteilung der Temperatur in vertikaler Richtung . . Die Verteilung des Luftdruckes und die allgemeine Zirkulation der Atmosphäre. • . . • . . . . . . . . . . . . . . a) Allgemeine Druckverteilung . . . . . . . . . b) Die allgemeine Zirkulation der Atmosphäre . . c) Druckverteilung und Winde in größeren Höhen d) Die Entstehung der Passate und des Windsystems höherer Breiten. Die Regen- und Wolkengürtel der Erde . . a) Dampfdruck und relative Feuchtigkeit. b) Niederschlag und Bewölkung. . . . .

107 109 109 114 117

117 120 121 122 124

124 125

VIII. Die atmosphärischen Störungen. § 39. § 40.

§41.

§ 42. § 43.

Lokale Wärmegewitter . . . . . . . Wirbelgewitter, Böen und Kältewellen a) Wirbelgewitter und Böen b) Kälte- und Wärme wellen . . . . . Staubwirbel, Tromben und Tornados. a) Staubwirbel b) Tromben . . . . . . • . . . . . c) Tornados . . . . . . . . . . . . Wirbelstürme (Zyklonen) der Tropen Tief- und Hochdruckgebiete mittlerer und hoher Breiten a) Zyklonen (Minima, Depressionen) • . . . . b) Antizyklonen (Maxima, Hochdruckgebiete) . c) Das Problem der Wettervorhersage • . . .

128

133 133 136 140 141 141

143 145 149

151 164 168

Z w e i te s Kap i tel. Akustik der Atmosphäre. Von A. Wegener in Graz. § 1.

Einleitung .

...

§ 2. Schallgeschwindigkeit und Strahlkurve .§ 3. Einfluß von Temperaturstörungen § § § § §

4. 5. 6. 7. 8.

Einfluß des Windes. Echo und Schallvervielfältigung Der Donner Meteordetonationen . Die äußere Hörbarkeitszone a) Nach Beobachtungen des Kanonendonners b) Nach Beobachtungen bei Explosionskatastrophen c) Nach Beobachtungen bei Sprengungen. d) Nach Beoba.chtungen bei Vulkanausbrüchen

171 172 176 177 180 181 183 184 184185 186 188

x

Inhaltsverzeichnis. Seite

§ 9.

Die Erkläruug der äußeren Hörbarkeitszone a) Durch Änderung des Molekulargewichts der Luft in großen Höhen b) Durch Windschichtung . . . . . c) Durch eine Temperaturinversion d) Durch die Luftdruckabnahme . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . .

190 191 193 194 194 195

Drittes Ka pi tel. Optik der Atmosphäre. Von A. Wegener in Graz.

I. Die Erscheinungen der Strahlenbrechung. A. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . § 1. Der Brechungsquotient in Gasen und die Brechungszahl § 2. Die Krümmung der Lichtstrahlen in der Atmosphäre § 3. Die Gleichung der Lichtkurve B. (§ 4.) Die astronomischp, Refraktion C. (§ 5.) Der grüne Strahl . . . . . . D. (§ 6.) Die Szintillation. . . . . . . E. (§ 7.) Die terrestrische Strahlenbrechung F. (§ 8.) Die Kimmtiefe G. Die Luftspiegelung nach oben § 9. Beschreibung . . . . . § 10. Theorie der Luftspiegelung nach oben § 11. Erklärung des dritten Bildes . . H. Die Luftspiegelung nach unten (Kimmung) § 12. Beschreibung . . . . . . . . . . . § 13. Theorie der Luftspiegelung nach unten J. Verzerrung vOn Sonne und Mond im Horizont § 14. Beschreibung . . . . . . . . . . . . § 15. Theorie der Zerrbilder der Sonne im Horizont. § 16. Zahlenbeispiel . . . . . . ....... . K. (§ 17.) Experimentelle Darstellung von Luftspiegelungen.

199 199 200 200 202 203 204 208 210 212 212 213 217 217 217 219 221 221 222 223 224

11. Diffuse Reflexion in der wolkenfreien Atmosphäre. A. Die Dämmerung. . . . . . . . . . § 18. Beschreibung der Dämmerung § 19. Theorie der Dämmerung. . . • B. (§ 20.) Die blaue Himmelsfarbe , . . C. (§ 21.) Die Extinktion des Lichtes in der Atmosphäre. D. Die Polarisation des Himmelslichtes § 22. Beschreibung § 23. Theorie. . . . . . . . . .

225 225 226 229 232 233 233 238

III. Lichterscheinungen in Kondensationsprodukten. A. Beuguugserscheinungen. . . . . § 24. Beschreibung der Kränze. § 25. Theorie der Kränze . . . § 26. Vergleich der Theorie mit beobachteten Kranzradien § 27. Der Bishopsche Ring. § 28. Irisierende Wolken § 29. Glorien. . . . . . . .

239 239 240 246 247 248 248

Inhaltsverzeicbnis.

XI Seite

B. Der Regenbogen. . . . . . . . . . . . . . § 30. Beschreibung. . . . . . . . . . . . . § 31. Descarte s' Erklärung des Regenbogens § 32. Youngs Theorie der Interferenz-Regenbogen § 33. Grundgedanke der Air y schen Regenbogentheorie § 34. Die Gleicbung des Schnittes durch die deformierte LicbtwellenfläcbQ § 35. Das Airyscbe Regenbogenintegral . . . . . . . . . . . . . . § 36. Auswertung des Regenbogenintegrals . . . . . . . . . . . . . § 37. Bestimmung des Tropfenradius durcb Messung am Regenbogen. § 38. Die Zusammensetzung der Farben im Regenbogen. C. Die Haloerscbeinungen . . . • . . . . . . . § 39. Allgemeines und Häufigkeit . . . . . . . . . . § 40. Form und Orientierung der Eiskristalle. . . . . § 41. Allgemeines über den Strablengang im Eiskristall § 42. Das System der Haloerscbeinungen . § 43. Der Nebensonnenbalo . . § 44. Der Zirkumzenitalbogen . . . . . . § 45. Der umschriebene Halo . . . . . . § 46. Die seitlich unteren Berührungsbogen des großen Ringes. § 47. Der kleine und der große Ring . . . . . § 48. Die Spiegelhalo3 . . . . . ..... § 49. Halos, die durch Spiegelung und Brechung entstehen § 50. Seltene Halos. . . . . . . . . . . . . . § 51. Experimentelle Darstellung von Haloerscheinu~pen

250 250 251 254 254 255 258 260 261 262 266 266 268 269 270

271 275 278 282 284 285 288 288 28~

Viertes Kapitel. Physik des Meeres. Von H. Thorade in Hamburg.

I. Die Ausdehnung des Weltmeeres und seine Zusammensetzung. § § § §

1. Form der Meeresbecken

2. Der Meeresspiegel . 3. Salzgehalt 4. Gasgehalt . . . . .

290 292 292 294

11. Physikalische Eigenschaften des Meerwassers. A Dichte . . . . . . . . . . . . § 5. Einfluß des Salzgehaltes . . § 6. Ausdehnung durch Wärme § 7. Zusammendrückbarkeit . § 8. Dichte und Gleichgewicht . B. Molekulareigenschaften . . . . . § 9. Innere Reibung und Turbulenz § 10. Osmotischer Druck. Elektrische Leitfähigkeit. § 11. Dampfdruck . . . . § 12. Gefrierpunkt . . . . . . C. Verhalten gegen Strahlung . . § 13. Brecbung und Spiegelung § 14. Absorption ..... .

295 295 295

297 298 300 300 301 302 302 303 303 305

111. Erwärmung und Abkühlung des Meeres. § 15. Die verfügbare Wärmemenge § 16. Ausbreitung der Wärme . . . . . . § 17. Beispiele zur Temppraturverteilung . § 18. Verdunstung . . . . . . § 19. Gefrieren und Schmelzen . . . . .

306 309 314 315 317

XII

Inhaltsverzeiohnis.

IV. M.eeresströmungen. § 20. § 21. § 22. § 23. § 24. § 25. § 26. ~ 27. § 28.

Allgemeines Kuftquellen E km ans reine Triftströme Ekmans Stauströme . . . Bjerknesscbe Kraftfelder. Anwendungen des Bjerknesschen Satzes. Ekmans Konvektionsströme . . . . . . . Satz von Ekman und Helland-Hansen Ekmans Tiefenströme . . . . . . . . .

Seite

318 320 321 324 326 327 :i29

331 331

V. Wellen und Gezeiten. A. Kurze Wellen . . . . . . . . . . . . . § 29. Bewegungsvorgänge in Wellen. . . § 30. Entstehung der Wellen durch Wind § 31. Die Ausbreitung der Wellen. . B. Lange Wellen . . . . . . . . . . . § 32. Geschwindigkeit langer Wellen. § 33. Einfluß veränderlicber Tiefe. . § 34. Brandungs- und Seebeben wellen § 35. Die Flußtiden § 36. Seiches § 37. Innere Wellen C. Gezeiten . . . . . § 38. Die fluterzeugenden Kräfte § 39. Die Tiden eines Ortes. . . § 40. Tiden in einem schmalen Kanal § 41. Tiden in breiteren Gewässern .

334 334 337 338 ä39 339 341 342 343 344 346 347 347 349 350 352

Fünftes Kapitel. Physik der Oletscher. Von H. He ss in Niirnberg.

§

1.

§ § § §

2.

Einleitung . . . . . Geschichtliches . . . 3. Physikalische Eigenscbaften des Eises 4. Arten des Eises . . . . . 5. Eis unter Druck . . . . . ~ 6. Die Ernährung der Gletscher § 7. Die Bewegung der Gletscher § 8. Die Temperatur des Gletschers § 9. Das Gletscherkorn § 10. Die Schichtung. . . . . . . §11. Spalten . . . . . . . . . . § 12. Die Auflösung der Gletscher § 13. Gletscbersch wankungen. . . a) Jahreszeitliche Schwankungen b) Schwankungen längerer Periode. c) Schwankungen durch außerordentliche klimatische Veränderungen d) Verlauf der Scbwundperiode e) Der Vorstoß . . . . . § 14. Eis und Fels. . . . . . § 15. Anordnung des Schuttes a) Bewegte Moränen . . b) Abgelagerte Moränen. § 16. Theorie der Gletscherbewegung

355 355 356 357 357 R60 363 368 369 371

373 :-174 378 378 378 379 380 381 3~2

385 385 387 388

XIII

Inhaltsverzeichnis.

Sec h s te s Kap i teL Der Erdmagnetismus. Von A. Nippoldt in Potsdam

§ § § § § § §

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

§ 8. § 9. § 10. §11. § 12. § 13. § 14. § 15. § 16. § 17. § 18. § 19. § 20. §21. § 22. § 23. § 24. § 25. § 26. § 27. § 28. § 29.

Seite

Allgemeines . . . . . . . . . . . . Die Erde ein Magnet . . . . . . . . Erdmagnetische Deklination; der Kompaß Magnetische Inklination. . . . . . • . . Richtende Kraft des Erdmagnetismus Die Elemente des Erdmagnetismus; ihr Zusammenhang Bestimmung der horizontalen Komponente des Erdmagnetismus nach absolutem Maß. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unterschied zwischen absoluten und relativen Messungen; Reisebeobachtungen . . . . . . . . . . . . • Lokalvariometer . . . . . . . . . . Die Messung der zeitlichen Veränderungen des Erdmagnetismus Formelmäßige Beziehungen der Variationen . . • . . . . . . Die Sichtung des Beobachtungsmaterials durch Ga u ß . . . . Die Grundzüge der Gau ß schen Theorie vom Erdmagnetismus Die Verteilung der erdmagnetischen Elemente über die Erde Normaler und abnormaler Magnetismus der Erde . . . . . . Beteiligung vertikaler elektrischer Ströme am magnetischen Felde auf der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verteilung des Erdmagnetismus in Mitteleuropa . . Die induzierende Kraft des Erdmagnetismus Der Schiffsmagnetismus ; Deviation des Kompasses. Die säkulare Variation des beharrlichen Magnetismus Der innere Aufbau der zeitlichen Variationen des Erdmagnetismus Der durchschnittliche Gang der erdmagnetischen Variationen. Das Kraftfeld der täglichen Variation Einfluß des Mondes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Störungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erklärung der zeitlichen Variationen durch die Elektronenstrahlung der Sonne Der innere Anteil der zeitlichen Variationen Der Erdstrom . . . . . . . . . . . Der Magnetismus der Sonne und Erde . . .

398 399 400 405 409 411 411 417 421 424 430 432 434 437 442

445 447 449

450 452 456 458

461 464 465 469 473 474 481

Sie ben tes Ka pi t e1. Das Polarlicht. VOn G. Angenheister in Potsdam. . . . . • • . . . 485

Einleitung . . . . . .

I. Beobachtungsergebnisse. § § § § § § §

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Formen der Polarlichter . . . . . . Farbe und Helligkeit . . . . . . . . . . Geographische Verteilung des Polarlichtes Richtung der Strahlen und Bogen . Höhe der Polarlichter. . . . . . . . . . Zeitliche Variation der Polarlichter Zusammenhang zwischen Polarlichtel'll und erdmagnetischen Störungen

486

486 487 48B

489 491 492

11. Theorie des Polarlichtes. § 8. § 9.

§ 10.

Theorie und die Versuche VOn K. Birkeland . . . . . . . . . 493 Bewegung einer elektrischen Ladung im Felde eines einzelnen Magnetpoles . . . . . . . . . . . . . . . . . 496 Theorie des Polarlichtes von C. Störmer . . . . . . . . . . . . . . 497

XIV

Inhaltsverzeichnis.

IJI. Vergleich der Theorien mit den Beobachtungen.

§ 11. § 12. § 13. § 14.

Poldistanz der Polarlichter . . . . . Perioden und Formen der Polarlichter Absorption und Höhe der Polarlichter Liebtverteilung im Polarlicht

Seite

502 503 505 510

IV. (§ 15.) Spektrum des Polarlichtes V. (§ 16.) Zusammenfassung . . .

511

516

Achtes Kapitel. Luftelektrizität. Von H. Benndorf und V. F. Hess in Graz.

I. Einleitung. § 1. Geschichtliches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519 ~ 2.

Mittlerer elektrischer Zustand der Atmosphäre

. . . . . . . . . . . . 521

§ 3. Die Aufrechterhaltung der Erdladung. Die primären Ursachen des Erdfeldes 523 11. Die Leitfähigkeit der Atmosphäre. § 4. Die Grundzüge der Lehre von den Gasionen § 5. Ionenerzeugung und Ionenvernichtung . . . § 6. Freier Strom und Sättigungsstrom . . . . . § 7. Die elektrische Leitfähigkeit der Atmosphäre § 8. Die Messung der Elektrizitätszerstreuung in Luft und ihre Verwertung

525 526 527 529

zur Bestimmung der Leitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Grundlagen der Ger die n sehen Methode zur Bestimmung der Leitfähigkeit (Aspirationsmethode) und deren Verbesserung durch Swann Resultate der Beobachtungen der Leitfähigkrit der Atmosphäre Die Ionenzählung (theoretische Grundlagen und Methoden) Resultate der Ionenzählungen . . . . . . . . . . . . . . Die Bestimmungen der mittleren Beweglichkeit der Ionen . Resultate der Messungen der mittleren Ionenbeweglichkeit . Die Messung der Beweglichkeit und der Zahl der großen Ionen

531

§

9.

§ 10. § 11. § 12. § 13. § 14. § 15.

532 536 539 541 544 544 545

III. Die Ionisatoren der Atmosphäre. § 16.

Übersicht üher alle in Betracht kommenden Ionisierungsquellen. Die Ionisatoren nicht-radioaktiven Ursprungs . . . . . . . . . . . . . 548 ........ 549 1. Der lichtelektrische Effekt (Hallwachs-Effekt) 2. Ionenerzeugung durch Zerspritzen von Wasser (Lenard-Effekt) und verwandte Erscheinungen . . . . . . . . . . . 549 550 3. Die Ionisation durch ultraviolettes Licht. . . . 4. Sonstige Ionisierungsquellen nicht-radioaktiven Ursprungs 550 ~ 17. Die Radioaktivität der Gesteine und der Gewässer. . . . 550 § 18. Die Radioaktivität und Ionisation der Bodenluft . . . . . 553 § 19. Die Zerfallsprodukte der Emanationen in der Atmosphäre 555 1. Qualitative Methoden.. ..... . 555 2. Quantitative Methoden . . . . . . . . . 557 3. Resultate der Messungen des Ra A-Gehaltes der Atmosphäre und Berechnung des Emantionsgehaltes daraus 558 § 20. Direkte Bestimmungen des Emanationsgehaltes der Atmosphäre 561 1. Methoden _ . . . . . . . . . . . . 561 2. Resultate . . . . . . . . . . . . . 562 §21. Der Emanationshaushalt der Atmosphäre 563 § 22. Radioaktivität der Niederschläge. . . . 564

xv

Inhaltsverzeichnis

Seite

§ 23.

Die durchdringende Strahlung in der Atmosphäre. 1. Historische Einleitung und Übersicht 2. Die Meßmethoden . . . . . . . . 3. Die Reststrahlung (Gefäßstrahlung) 4. Die Luft- und Erdstrahlung . . . . 5. Die Ultragammastrahlung (Höhenstrahlung) a) Die Entdeckung. . . . . . . . . . . . b) Absorption und Zusammensetzung der Höhenstrahlung c) Richtung und Schwankung der Höhenstrahlung . . . d) Hypothesen über den Ursprung der Ultragammastrahlung strahlung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e) Vergleich der Ionisation der Ultragammastrahlung mit übrigen drei Komponenten der Ionisation in geschlossenen

565 565 568 570 570 572 572 573 576

(Höhen. . . . 577 der der Gefäßen 579

IV. Die ionenvernichtenden Vorgänge.

§ 24. Die Adsorption und die Diffusion der Ionen § 25. Die Ionenvernichtung durch Wiedervereinigung . . . .

580 581

V. Die Ionisierungsbilanz der Atmosphäre.

§ 26.

§ 27.

Quantitative Betrachtungen über das Zusammenwirken der ionenerzeugenden und der ionenvernichtenden Prozesse. 1. Ionisierung8bilanz über Festland. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Ionisierungsbilanz über dem Meere . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Die Ionisation in der freien Atmosphäre bis zur Grenze der Troposphäre Die Hypothesen über die Quellen der Ionisation der höheren Luftschichten

584 585 586 587 588

VI. Das normale ungestörte Erdfeld.

§ 28. Einige Grundbegriffe und Sätze aus der Elektrostatik § 29. Allgemeines über das Erdfeld . . . . . . . . § 30. Methoden zur Messung des elektrischen Feldes der Erde. 1. Methode von C. T. R. Wilson

§31.

§ 32.

§ 33. § 34.

§ 35. § 36.

§

37.

§ 38.

.......... . 2. Feldmessung durch Ermittlung von Potentialdifferenzen. Die Wirkungsweise der Potentialsonden Die verschiedenen Arten von Potentialsonden 1. Die Tropfsonden . . . . 2. Die Flammensonden . . 3. Die radioaktiven Sonden 4. Mechanische Sonden 5. Elektronensonden Die Elektrometer. . . . . Ausführung der Messung des Potentialgradienten mit Potentialsonden ; Fehlerquellen. . . . . . . . . . . . . Messung des P. G. über der freien Ebene; Bestimmung des Reduktionsfaktors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messung des Potentialgradienten in der freien Atmosphäre. 1. Messung des Feldes vom Freiballon aus 2. Die Messung vom Flugzeug aus. . . . . . . . 3. Messungen mit Pilotballons . . . . . . . . . . Ergebnisse der Messungen des normalen Erdfeldes . 1. Die langperiodischen Veränderungen des Potentialgradienten . 2. Die örtlichen Verschiedenheiten des mittleren Potentialgradienten . 3. Der jährliche Gang des Potentialgradienten . . . 4. Der tägliche Gang des Potentialgradienten . . . . . 5. Der Potentialgradient in der frAien Atmosphäre 6. Zusammenhang mit meteorologischen Erscheinungen Die normale Raumladung in der Atmosphäre • . . 1. Mittlere Raumladungsdichte in der Atmosphäre. 2. Raumladungsdichte in der Nähe des Erdbodens .

592 597 601 602 603 605 608 608 609 609 609 610 610 616 618 620 621

622 622 622 623 623 626 628 630 630 631

631 632

XVI

Inhaltsverzeichnis.

VII. Das gestörte Erdfeld ; Oewitterfeld.

Seite

§ 39. § 40. § 41.

Theoretische Überlegungen über die von Raumladungen erzeugten Felder 635 Die Entstehung und das Vergehen von Raumladungen. 637 Messung von Gewitterfeldern . . . . . . . . . . . , . . . . . . 639

§ 42.

Der vertikale Leitungsstrom . . . . . . . . . . . a) Stabile Meßanordnungen . . . . . . . . . . . . . . . b) Der transportable Apparat von C. T. R. Wilson . . . . c) Die Resultate der Messungen des vertikalen Leitungsstromes Die Niederschlagselektrizität . a) Die Meßmethode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . b) Beobachtungsresultate ............ . Die Entstehung der eloktrischen Ladung der Niederschläge a) Die Entstehung der Ladung des GewitterregenR b) Die Entstehung der Ladung des Schnees. c) Entstehung der Ladung des Landregens Mechanismus der Gewitterbildung Leuchtende Entladungen; Blitze . a) St. Elmsfeuer . . . b) Das Andenleuchten c) Die Flächenblitze . d) Linien- oder Funkenblitze e) Kugel- und Perlschnurblitze Rückblick; die Aufrechterhaltung der Erdladung 1. Die Gegenstromtheorie von C. T. R. Wilson 2. Die Zustromtheorie . . . . . . . . . . . . .

VIII. Die elektrischen Ströme in der Atmosphäre.

§ 43.

§ 44.

§ 45. § 46.

§ 47.

642 643 643 645 646 646 647 648 648 650 650 651 653 654 654 654 654 657 658 658 660

Neuntes Kapitel. Mechanik und Thermodynamik des Erdkörpers. I. Die Entwicklung der Erde. Von B. Gut en b erg in Frankfurt a. M. § 1. § 2. § 3. § 4. § 5. § 6.

Die der Die Die Der Die Die

Entwicklung der Erde bis zur Bildung der Erdkruste und das Alter Erde. . . . . . . . . . . . . . . . . . Kristallisation . . . . . . . . . . . . . Abkühlung und die Temperatur der Erde Aggregatzustand im Erdinnern Bildung der Ozeane. . . . . Veränderungen der Erdkruste und die in ihr wirkenden Kräfte

§ 7. § 8. § 9. § 10. § 11. § 12. § 13. § 14. § 15. § 16. § 17.

Einleitung . . . . . . . . Schwerkraft . . . . • . . . . . . Potential der Schwerkraft. . . . . Gaußseher Satz; Laplacesche und Poissonsche Gleichung Feld der Gravitation und Massenverteilung Isostasie im Innern der Erde Geoid . . . . . . . . . Kugelfunktionen . . . . . . . . Normalgestalt des Geoids, normale Schwerkraftverteilung Formeln für die Gestalt der Erde und die Schwereverteilung auf ihr. Isostasie im Erdinnern . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . .

662 663 665 669 671 673

11. Theorie der Schwerkraft; Oeoid. Von E. Wie (' her t t in Göttingen. 681 682 683 684 687 688 689 689 692 693 695

111. Beobachtungen über Schwere und Isostasie. Von B. Gu ten berg in Frankfurt a. M. § 18. § 19. § 20.

Die Messung der Schwerebeschleunigung Die Normalschwere . . . . Die Schwere im Erdinnern . . . . . .

697 701 70]

Inhaltsverzeichnis.

XVII Seite

§ 21. § 22. § 23.

Die Bestimmung der 8chwerestörungen . Die Größe der Sch werestörungen Die "isoatatische Ausgleichsfläche" . . .

702 703 705

IV. Bewegungen der Erdachse und Pol wanderungen. Von B. Gutenberg in Frankfurt a. M. § 24. § 25. ~ 26. § 27. S 28.

Arten der Polbewegungen . Die Präzession . . . . . . Die Nutation . . . . . . . Die Polhöhenschwankungen Polwanderungen und Klimaänderungen .

§ 29. § 30. § 31. § 32.

Die Die Die Die

§ 33. § 34. § 35. § 36. § 37.

Die Entstehung der Erdbebßn . . . Die Wirkungen der Erdbeben . . . . . . . "Seebeben" und "seismische Wogen" . . . . Schall- und Lichtcl'scheinungen bei Erdbeben Die Energie dl'r Erdbeben. . . . . . . . .

709 709 710 711

715

V. Oezeiten des Erdkörpers. Von B. Gut e n b erg in Frankfurt a. M. Grundlagen der Beobachtungen Grundlagen der Theorie. . . . . Beobachtungen und ihre Deutung Gezeitenreibung

719 720 721 723

VI. Die Erdbeben. Von B. Gutenberg in Frankfurt a. M. 725 728 731 732 734

VII. Seismometrie. Von B. Gutenberg in Frankfurt a. M. § 38. § 39. § 40. §41. § 42.

§ 43. § 44. § 45. § 46. § 47. § 48. § 49. § 50.

Erdbebenmeßinstrumente . . . . . . Aus der Theorie der Seismometer . . . Die Seismogramme und ihre Deutung . Aus der Theorie der Erdbebenvorläufer Wirkungen vOn Unstetigkeitsflächen im Erdinnern sowie der Erdoberfläche auf die Erdbebenvorläufer . Die Herdtiefe Oberflächenwellen. . . . . . . . Theorie der Oberflächenwellen ohne Berücksichtigung der Schwere nach Uller . . . . . . . . . . . . . . . . . Theorie der Oberflächen wellen von Je ans . . . . . Die Oberflächen wellen in Herdnähe . . . . . Beobachtungen über Oberflächenwellen bei Fernbeben Seismische Aufschlußmethoden . Die seismische Bodenunruhe . . . . . . . . . .

737 741 743 747 751 759 763 765 769 773 774 779

785

VIlI. Oeodäsie. Von E. Wiechert t in Göttingen. § 52. § 53. § 54. § 55. § 56. § 57. § 58. § 59.

Höhere und niedere Geodäsie . . . . . . Referenzfläche ; Lotabweichungen Mittlerer 1