JNIVERSITAS Jeitschrift fiir Wissenschaft Kunst und LiteratllT

Heraugegeben (Ion Dr S erg e AI a i w a l d

SONDERDRUCK aus altrgang 4 Heft 8 1949

DOZENT DR HERMANN FLOHN

Neue Forsehungen

ber die HoehatmosphA~

ERLAG DR ROLAND SCHMIEDEL I STUTTGART

DOZENT DR HERMANN FLOHN BAD KISSINEGN

1

I

Neue Formungen tiber die HoehatlDophiire

Die Anforderungen wahrend des Kdeges haben als erfreuIiches Nebenshyergebnis unsere Kenntnisse vom Aufbau der Hochatmosphiire und der Luftstromungcn in diesen Schichten wesentlich bereichert Insbesonshydere die Ausdehnung des regelmiiBig meldenden Radiosondennetzes des Wetterdienstes (fUr die Schichten bis etwa 25 km Hohe) die Entwicklung der Raketen (bis in Schichten von 130 km heute sogar bis fiber 300 km) und die fUr den Kurzwellenempfang so ungeheuer wichtigen Sondierungen der Ionosphiire (bis etwa 400 km Hohe) haben die friiheren Auffassungen in vielen Punkten bestiitigt und erweiterl

Die schalenformige Aufteilung der Atmosphiire in Troposphiire Stramiddot tosphiire und Ionosphiire ist heute schon in weiten Kreisen geliiufig Es hat sich jedoch gezeigt daB sie in verschiedenen Punkten noch ausgeshybaut werden muB und daB klare Ahgrenzungen notwendig sind So komshymen wir auf Grund einer Synthese der Forschungsergebnisse der vershyschiedenen Fachgebiete zu einer Stockwerkgliederung (s Tabelle S 952)

Ober die Troposphiire in der sich unser Wetter abspielt und die durch die Reichweite des modemen Luftverkehrs und die von ihm geforderte dreidimensionale Ausdehnung des Netzes der Wetterslationen heute in allen Teilen der Erde gut bekannt ist soil hier nichl naher gesprochen werden Die Flugerfahrungen der letzten Jahrzehnte haben dazu gefiihrl die im Durchschnitt bis elwa 1500 m reichende Grundschicht (SchneidershyCarius) abzutrennen in der der ReibungseinfluB der Erdoberflache und der liigIiche Gang aller meteorologischen MeBgroBen eine ausschlaggeshybende Rolle spielen Diese Grundschichl entha1t und erhiill nahezu das gesamle Leben auf der Erde auch die VOgel pflegen nur sellen in hoshyhere Scbichten aufzusleigen Ober ihr ist der horizon tale Transporl (Adshyvektion) von Luftmassen verschiedener Herkunft und Eigenschaften entshyscheidend in dieser Advektionsschicht spielen sich die meisten fUr den Wetterablauf wesentlichen Vorgange abo Die Grenze zwischen Troposhysphiire unci Stratosphiire wurde meistens in der Hohe angenommen in der die nonnale Abnahme der Temperatur nach oben in eine Zunahme fibergeht die sogenannte Tropopause die der Franzose Teisserenc de Bort und der Deutsche AJmann fast gleichzeitig 1901 gefunden haben Nachdem heute taglich mehrere hundert Aufstiege diese Grenzschicht passieren hat es sich gezeigt daB sie sehr raschen Hohenanderu-ngell (3---4 km pro Tag) unterworfen sein kann und daB sie sehr Mufig dopshypelt oder gar mehrfach ausgebildet ist Die Hohenanderungen und Neushy

951

Stockwerke derAtmos phare (nam Flohn und Penndorf 1942 heziehungsweiFe 1949)

Zahlenangahen nur guhig fur mittlere Breiten

Tempertur~ TemperaturshyHOhlag

SchicM iDderuDr mit rreDzworte Sphire (km) (0 C)de Hoh

I tiber 800Dissi palionssehicht Exosphare

F-Sehicht 400-800AtomsehiehtIonosphire

+60bis+600 E-Sehicht

Zunahme200-400 - 80 w +100Zunahme80-200

Obere Durchmischshy

ungsschieht Stratosphire

+50 w -80 Warme Sehicht

Abnahme50-80 - 45 w +50

Isotherme Schicht Zunahme35-50

- 65 -45gering 12-35 middot- 35 w -75

Advektionssehicht 15-8 wechselndTropopausenschicht 8--12Troposphire Abnahme +30 -45

Grundschieht 0-15 +40 bull - 40wechselndI bildungen dcr Tropopause hiingen unmittelbar mit den Luftmassenvershyschiebungen innerhalb der unteren Troposphare zusammen und es ist daher zweckmaJ3ig die ganze Region innerhalb deren die Tropopause hin und her schwanken kann noeh der Troposphare zuzurechnen 1m Mittel Iiegt die Tropopause iiber Mitteleuropa in 9-11 km Hohe kann aber sowohl auf 15 km ansteigen als auch - tiber machligen Kaltluftshyausbriichen - bis auf 4 km absinken 1m Polargebiet Iiegt sie im Durchshyschnilt 7-9 km hoeh in den Subtropen und Tropen dagegen 15-18 km

Dber ihr nimmt die Temperatur meistens zunachst rasch zu bleibt aber dann 1- 2 km oberhalb der Tropopause weitgehend konstanl Dieshyses Gleichbleiben (Isothermie) der Temperatur ist einer der wichtigsten Befunde wir sprechen deshalb von der isothermen Sclzicht der Stratoshysphiire die in unsercn Breiten von etwa 12- 15 km ab mindestens his 30 wahrschcinlich bis 35 km Hohe reicht tiber der Aquatorialregion bemiddot ginnt sie erst ab etwa 22-24 km Nach allen bisherigcn Untersuchungen in Europa Indien und Nordamerika herrschen aul3erhalb der Polargeshybiele in dieser Schicht allgemein Temperaturen zwischen - 50deg und _ 60 deg C Die Polargebiete verhalten sieh jcdoch abweichend Dbe der Arklis wie tiber der Antarktis herrschen im Sommer Temperaturen zwimiddot schen - 380 und - 420 im Winter dagegen Temperaturen unter - 65deg ja tiber der Antarklis unter - 75deg Dieser iahreszeitliche Gegensatz in den Polarzonen ist fiir den Aufbau des Druck- und Stromungsfeldes der Hochatmosphare fundamental Seine Ursache kann nur in den Strahmiddot lungsverhaltnissen gesucht werden Von den Bestandteilen der Luft abo sorbieren Wasserdampf Kohlendioxyd und Ozon bestimmte eng bemiddot grenzte Bereiche des Sonnenspektrums mehr oder weniger vollstandig und bilden dadurch eine Warmequelle Diese Wiinnequelle erreicht im Bereich des Polartages ihre hochste Wirksamkeit Callt jedoch im Bereich der Polarnacht vollig aus Versucht man einen krilischen Dberblick

tiber die Temperaturverteilung - unter sorgfalliger Beriicksichtigung aller moglichen Messungsfehler - zu gewinnen so findet man daB eine geringfiigige Zunahme der Temperatur mit der Hohe (mit einem Betrag von nichl mehr als hochstens 05 0km) als recht gut gesicherl erscheinl Eine Ausnahme bildet der jeweilige Winterpol in dessen Bereich die Temperatur auch oberhalb der Tropopause weiler abnimmt Nach den Absorptionsmessungen von Regener herrscht in der isothermen Schicht - wie zu erwarten - nur sehr geringe Feuchtigkeit oberhalb der Troshypopause verschwinden zum Beispiel die Kondensfahnen der Flugzeuge vollkommen eine Tatsache die im Kriege militarische Bedeutung erlangt hat In den Schicbten zwischen der Tropopause und rund 25 km werden nonnalerweise nie Wolken beobachtet und erst die in rund 30 km auftremiddot tenden Perlmutterwolken (Stormer) deuten eine Feuchtezunahme an Dieser geringe Wasserdampfgehalt hat zur Folge dall die Temperatur der isothermen Schicht in erster Linie durch die Absorption der Kohshylensaro bestimmt wird (Moiler)

Von besonderer Bedeutung ist der innerhalb der Schicht zwischen 20 und 50 km Hohe nachgewiesene dreiwertige Sauerstoff das Ozon (03) als ein zwar nur in gcringster Verdtinnung (etwa 1 100 Millionell) vershytretener aber ungemein wiehtiger Bestandteil Die Absorption der Sonmiddot nenstrahlung im kurzwelligen Bereich des Spektrums (zwischen 02 und 029u) ist so stark dal3 das ultraviolette Ende des SOIUlenspektrums praktisch schon durch die oberste dunne Ozonschicht oberhalb 45 km vollig ausgelOscht wi rd Diese Energiemenge setzt sich in Warnle urn und so nimmt die Temperatur oberhalb 35 km sehr rasch zu urn in etwa 50 km + 35 bis 50 degC zu betragen Dies gilt natiirlich nur fUr den Teil der Atmosphare der von der Sonnenstrahlung erreicht wird 1m Bereich der Polarnacht fallt diese Wlirmequelle weg so daB der Winlerpol in 50 km Hohe ebenfalls tiefe Temperaturen (wahrschejnlich - 40 0 oder noch tie fer) aufweist Waren diese Ergebnisse die wir besonders den Ozonforschern F W P Gotz (Schweiz)Dobson (England) Vegard und Tonsberg (Norwegen) sowie dem Franzosen Vassy verdanken zunlichst noch der Kritik ullierworfen da sie nur indirekt erschlossen worden waren so haben inzwischcn die in Amerika durchgefUhrten Aufsliege millels der deutschen V 2-Raketen den unmittelbaren Nachweis dieser hohen Temperaturen erbracht Hierbei wurde zwar nieht die Temperatur gemessen sondem der Druck die strengen Beziehungen zwischen der vertikalen Temperalurverleilung und dem Druck in ciner besrimmten Hohe gestalten aber eine Berechllung der Temperalur aus den Druckshymessungen Wenn man bfdenkt dall diese Haketen mit Dberschallshygeschwindigkeit aufsteigen und die Hohe von 130 km in rund 90 Seshykunden errcichen so mull man das instrumentelle Geschick bewundenl hierbei noch Druckmessungen in verschiedenen Hohenstufen durchshyfuhren zu konnen Die deutschen Versuche wenigstens bis 50 km Hohe Mellwerte zu gewinnen (Koizer E Regener) sind gegen Ende des Krieshyges leider nicht mehr zum Ziele gelangt Aber die Ergebnisse der gemiddot lungenen Aufstiege stimmen so gut tiberein dall an der Existenz dieser Temperaturzunahme nieht mehr gezweifelt werden kann Damil ist aber die schon vor mehr als 25 Jahren theoretisch aus Schallbeobachtungen

952 953

(Gutenberg Wiechert) erschlossene warme Schicht in 35-50 km Hohe gegen aile Zweifel gesichert Ober Hue Anderungen mit der geograshyphischen Breite wissen wir bisher nur wenig doch ist es wahrscheinlich daS sie im Bereich des Winterpols iiberhaupt nicht oder nur sehr geshyring entwickelt ist

Die Zusammensetzung der Luft hat sich bis in diese Hohe nur sehr wenig geandert GewiS setzt in der isothermen Schicht in der keine vershytikale Durchmischung groSeren Ausma8es herrschen kann eine langmiddot same Entmischung mit der Hohe ein uod die Gase ordnen sich je nach ihrer Schwere ein Doch zeigen sowohl die Messungen von Regener (Deutschland) und Paneth (England) bis etwa 30 km Hohe wie die Rechnungen von Penndorf und Lettau daB in 30- 50 km Hohe das Vershyhliltnis zwischen Stickstoff und Sauerstoff sich erst um wenige Prozent gelindert hat

Die Obergrenze der Ozonschicht die wir als Ozonopause bezeichnen konnen stellt wiederum eine wichtige Schichtgrenze dar sie ist besonshyders abends und nachts sehr scharf ausgepragt und liegt in rziemlich genau 50 km Hohe (Penndorf) Oberhalb 50 km ist Ozon in nicht mehr meSbaren Mengen vorhanden Auch wenn keine direkten Messungen vorliegen so gibt doch die Photographie des Sonnenspektrums in 55 km Hohe die die V 2-Rakete gelieiert hat den einwandfreien Beweis fiir dieses Fehlen des Ozons Von den physikalischen Eigenschaften der obershyhalb der Ozonopause folgenden oberen Durchmischungsschicht wissen wir nur sehr wenig Wir wissen nur da8 in ihr die Temperatur wieder stark abnimmt in einem MaSe das dem der Troposphare (Advektionsshyschicht) etwa gleichzusetzen ist

Dagegen bUdet ihre Obergrenze eine fundamentale Schichtgrenze erster Ordnung die wir in Analogie zur Tropopause als obere Troposhypause bezeichnen konnen In rund 80 km Hohe wurden schon vor fast 70 Jahren leuchtende Nachtwolken beobacbtet und gemessen die farshybenprlichligen Dimmerungswolken die yom Krakatau-Ausbruch 1882 herriihren kreisten in dieser Hohe noch jahrelang um die Erde In dieshyser Hohe finden wir die scharfe Untergrenze fast aller N ordlich ter (StOrshymer) sowohl das Maximum des Verschwindens der Meteore (Hoffmeimiddot ster) Aus den verschiedensten Oberlegungen heraus wurde auf eine Temshyperatur von etwa - 70 0 in 80 km Hohe geschlossen in ausgezelchnetcr Obereinstimmung hiermit ergaben ltHe V 2-Mcssungen Temperaturen von _ 800 bis - 90 0 C DamU ist die Elistenz der oberen Tropopause einshywandfrei bestiitigt uod zugleich die Obergrenze der Stratosphare erreichl Wir verstehen unter Stratosphare eine Zusammenfassung der isothermen Schicht der warmen Schicht uod der oJ)eren Durchmischungsschicht

Oberhalb 80 km beginnt die lonosphiire deren wesentlichste Eigenshyschaft dadurch bedingt wird daS die Anzahl ionisierter Molekiile bezieshyhungsweise Atome die lonendichte so groB ist da8 elektrische Wellen von ihnen reflektiert werden Derartige Refle1ionen die fur die Hochfremiddot quenztechnik und fUr den Nachrichtenverkehr von grundlegender Bemiddot deutung sind werden gelegentlich auch in den tieferen Schichten beobmiddot achtet (ADSch-icht) spielen aber dort nur eine geringe Rolle Innerhalb der Ionosphare oberhalb 80 km Hohe unterscheiden wir drei Schichten

deren Hohen nicht festliegen sondem stirkeren jahres unci vor aHem tageszeitlichen Schwankungen unterliegen Diese drei Schichten maxishymaier Reflektion bezeichnen wir mit dem englischen Physiker Appleton als EmiddotSchicht in 100-110 km sowie die Flmiddot und F 2-Schicht in 200 bis 400 km Hohe Aus dem vertikalen Veriauf der Ionisationsdiehte wurde schon vor etwa 15 Jahren die Temperatur berechnet es ergaben sich ermiddot slaunlich Wene die zwischen + 60 0 und (in der F 2-Schicht) + 900 C schwanken Die fiir die E-Schicht angegebenen Temperaturen von + 60 0 b is 100 sind inzwischen durch die V2middotRaketen in vollem Ummiddot fange bestAtigt worden die in 130 km Hohe einen Wert von + 100 C ergaben Auch bier esistiert offenbar eine Abhiingigkeit der Temperatur von der Breite So ergeben sich aus den Nordlichtuntersuchungcn am Observatorium Tromso im Winter Temperaturen von - 30 his - 50 0

in der gleiehen Hohe so daB auch hier offenbar ein horizontales Temmiddot peraturgefiiUe vom Aquat~ zum Pol hin herrscht Die aHerneueslen iiber me ganze Erde ausgedehnten Sondierungen der IonisationsverhiU nisse durch die Amerikaner ergaben in Hohe der PmiddotSchichten gleicblalls groSe horizontale Temperaturunterschiede zwischen Tropenmiddot und Pomiddot larregion wobei die Werte zwischen + 1400 nnd negativen Temperamiddot turen schwanken

Bei der Bewertung dieser Temperaturangaben muS man Mch aber dar fiber klar sein daS es sich hier urn den Temperaturbegriff der kinetimiddot schen Wiinnetheorie der Gase handelt das heiBt urn eine slatislische GroSe die die Summe der geordneten Bewegungen der Molekfile darmiddot stellen Dieser Begriff verliert ampber in Hohen oberhalb 100 km wo die Diehte auBeroroentlich gering ist allmiihlich seinen Sinn Die Luftdiehle sinkt in knapp 50 km Hohe auf ein Tausendstel in 100 km auf an MIlshylionslel des Bodenwertes ab entsprechend sinkt auch die Zahl der Moshylekiile im ccm die am Boden noch rund 25 Trillionen (1018) berigt Je weniger Molekiile in der Raumeinheit vorhanden sind um so groBer wird dann ihre Bewegungsfreiheit Am Boden betragt die mittlere freie Wegmiddot linge eines Molekiils das heiSt die Strecke die es ohne einen ZusammenshystoS mit einem anderen Molekiil zUrUcklegen kann etwa ein Zehntaumiddot sendstel Millimeter In 100 km Hohe wachst diese Strecke bereits auf 10 em an Irgendwo oberhalb 500 km konnen wir eine Holte deftnieren in der nur noch 1 Molekiil pro CCnt vorhanden ist d iesel Molekill kann dann eine Streeke von 100 Millionen Kilometem ohne ZusammenstoS mit einem anderen Molekiil zurucklegen Es ist klar daS der Temperatur begriff der kinetischen Wannetheorie in den Hohen der Ionosphire zum mindesten in ihren oberen Teilen fragwiirdig wird Ein Mensch oder irgendein MeSkorper konnte hier nie die Temperatur der Luft in diesem Sinn annehmen sondern muBte sich entsprechend dem Strahmiddot lungshaushalt verhalten wiihrend er auf der Sonnenseite die volle Enermiddot gie der Sonnenstrahlung (Solarkonstante = 194 gcaVcml min) aufnimmt strahlt er auf der anderen Seite frei in den Weltraum hinaus ala schwarmiddot zer Korper Was wir hierin der Ionosphiire messeD sind eigenUich niehl die kinetischen Gastemperaturen sondern die Strahlungstemperaluren der angeregten Molekiile -

Solche Oberlegungen sind heute nicht mehr reines GedankeaspieI oaehshy

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DOZENT DR HERMANN FLOHN BAD KISSINEGN

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Neue Formungen tiber die HoehatlDophiire

Die Anforderungen wahrend des Kdeges haben als erfreuIiches Nebenshyergebnis unsere Kenntnisse vom Aufbau der Hochatmosphiire und der Luftstromungcn in diesen Schichten wesentlich bereichert Insbesonshydere die Ausdehnung des regelmiiBig meldenden Radiosondennetzes des Wetterdienstes (fUr die Schichten bis etwa 25 km Hohe) die Entwicklung der Raketen (bis in Schichten von 130 km heute sogar bis fiber 300 km) und die fUr den Kurzwellenempfang so ungeheuer wichtigen Sondierungen der Ionosphiire (bis etwa 400 km Hohe) haben die friiheren Auffassungen in vielen Punkten bestiitigt und erweiterl

Die schalenformige Aufteilung der Atmosphiire in Troposphiire Stramiddot tosphiire und Ionosphiire ist heute schon in weiten Kreisen geliiufig Es hat sich jedoch gezeigt daB sie in verschiedenen Punkten noch ausgeshybaut werden muB und daB klare Ahgrenzungen notwendig sind So komshymen wir auf Grund einer Synthese der Forschungsergebnisse der vershyschiedenen Fachgebiete zu einer Stockwerkgliederung (s Tabelle S 952)

Ober die Troposphiire in der sich unser Wetter abspielt und die durch die Reichweite des modemen Luftverkehrs und die von ihm geforderte dreidimensionale Ausdehnung des Netzes der Wetterslationen heute in allen Teilen der Erde gut bekannt ist soil hier nichl naher gesprochen werden Die Flugerfahrungen der letzten Jahrzehnte haben dazu gefiihrl die im Durchschnitt bis elwa 1500 m reichende Grundschicht (SchneidershyCarius) abzutrennen in der der ReibungseinfluB der Erdoberflache und der liigIiche Gang aller meteorologischen MeBgroBen eine ausschlaggeshybende Rolle spielen Diese Grundschichl entha1t und erhiill nahezu das gesamle Leben auf der Erde auch die VOgel pflegen nur sellen in hoshyhere Scbichten aufzusleigen Ober ihr ist der horizon tale Transporl (Adshyvektion) von Luftmassen verschiedener Herkunft und Eigenschaften entshyscheidend in dieser Advektionsschicht spielen sich die meisten fUr den Wetterablauf wesentlichen Vorgange abo Die Grenze zwischen Troposhysphiire unci Stratosphiire wurde meistens in der Hohe angenommen in der die nonnale Abnahme der Temperatur nach oben in eine Zunahme fibergeht die sogenannte Tropopause die der Franzose Teisserenc de Bort und der Deutsche AJmann fast gleichzeitig 1901 gefunden haben Nachdem heute taglich mehrere hundert Aufstiege diese Grenzschicht passieren hat es sich gezeigt daB sie sehr raschen Hohenanderu-ngell (3---4 km pro Tag) unterworfen sein kann und daB sie sehr Mufig dopshypelt oder gar mehrfach ausgebildet ist Die Hohenanderungen und Neushy

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Stockwerke derAtmos phare (nam Flohn und Penndorf 1942 heziehungsweiFe 1949)

Zahlenangahen nur guhig fur mittlere Breiten

Tempertur~ TemperaturshyHOhlag

SchicM iDderuDr mit rreDzworte Sphire (km) (0 C)de Hoh

I tiber 800Dissi palionssehicht Exosphare

F-Sehicht 400-800AtomsehiehtIonosphire

+60bis+600 E-Sehicht

Zunahme200-400 - 80 w +100Zunahme80-200

Obere Durchmischshy

ungsschieht Stratosphire

+50 w -80 Warme Sehicht

Abnahme50-80 - 45 w +50

Isotherme Schicht Zunahme35-50

- 65 -45gering 12-35 middot- 35 w -75

Advektionssehicht 15-8 wechselndTropopausenschicht 8--12Troposphire Abnahme +30 -45

Grundschieht 0-15 +40 bull - 40wechselndI bildungen dcr Tropopause hiingen unmittelbar mit den Luftmassenvershyschiebungen innerhalb der unteren Troposphare zusammen und es ist daher zweckmaJ3ig die ganze Region innerhalb deren die Tropopause hin und her schwanken kann noeh der Troposphare zuzurechnen 1m Mittel Iiegt die Tropopause iiber Mitteleuropa in 9-11 km Hohe kann aber sowohl auf 15 km ansteigen als auch - tiber machligen Kaltluftshyausbriichen - bis auf 4 km absinken 1m Polargebiet Iiegt sie im Durchshyschnilt 7-9 km hoeh in den Subtropen und Tropen dagegen 15-18 km

Dber ihr nimmt die Temperatur meistens zunachst rasch zu bleibt aber dann 1- 2 km oberhalb der Tropopause weitgehend konstanl Dieshyses Gleichbleiben (Isothermie) der Temperatur ist einer der wichtigsten Befunde wir sprechen deshalb von der isothermen Sclzicht der Stratoshysphiire die in unsercn Breiten von etwa 12- 15 km ab mindestens his 30 wahrschcinlich bis 35 km Hohe reicht tiber der Aquatorialregion bemiddot ginnt sie erst ab etwa 22-24 km Nach allen bisherigcn Untersuchungen in Europa Indien und Nordamerika herrschen aul3erhalb der Polargeshybiele in dieser Schicht allgemein Temperaturen zwischen - 50deg und _ 60 deg C Die Polargebiete verhalten sieh jcdoch abweichend Dbe der Arklis wie tiber der Antarktis herrschen im Sommer Temperaturen zwimiddot schen - 380 und - 420 im Winter dagegen Temperaturen unter - 65deg ja tiber der Antarklis unter - 75deg Dieser iahreszeitliche Gegensatz in den Polarzonen ist fiir den Aufbau des Druck- und Stromungsfeldes der Hochatmosphare fundamental Seine Ursache kann nur in den Strahmiddot lungsverhaltnissen gesucht werden Von den Bestandteilen der Luft abo sorbieren Wasserdampf Kohlendioxyd und Ozon bestimmte eng bemiddot grenzte Bereiche des Sonnenspektrums mehr oder weniger vollstandig und bilden dadurch eine Warmequelle Diese Wiinnequelle erreicht im Bereich des Polartages ihre hochste Wirksamkeit Callt jedoch im Bereich der Polarnacht vollig aus Versucht man einen krilischen Dberblick

tiber die Temperaturverteilung - unter sorgfalliger Beriicksichtigung aller moglichen Messungsfehler - zu gewinnen so findet man daB eine geringfiigige Zunahme der Temperatur mit der Hohe (mit einem Betrag von nichl mehr als hochstens 05 0km) als recht gut gesicherl erscheinl Eine Ausnahme bildet der jeweilige Winterpol in dessen Bereich die Temperatur auch oberhalb der Tropopause weiler abnimmt Nach den Absorptionsmessungen von Regener herrscht in der isothermen Schicht - wie zu erwarten - nur sehr geringe Feuchtigkeit oberhalb der Troshypopause verschwinden zum Beispiel die Kondensfahnen der Flugzeuge vollkommen eine Tatsache die im Kriege militarische Bedeutung erlangt hat In den Schicbten zwischen der Tropopause und rund 25 km werden nonnalerweise nie Wolken beobachtet und erst die in rund 30 km auftremiddot tenden Perlmutterwolken (Stormer) deuten eine Feuchtezunahme an Dieser geringe Wasserdampfgehalt hat zur Folge dall die Temperatur der isothermen Schicht in erster Linie durch die Absorption der Kohshylensaro bestimmt wird (Moiler)

Von besonderer Bedeutung ist der innerhalb der Schicht zwischen 20 und 50 km Hohe nachgewiesene dreiwertige Sauerstoff das Ozon (03) als ein zwar nur in gcringster Verdtinnung (etwa 1 100 Millionell) vershytretener aber ungemein wiehtiger Bestandteil Die Absorption der Sonmiddot nenstrahlung im kurzwelligen Bereich des Spektrums (zwischen 02 und 029u) ist so stark dal3 das ultraviolette Ende des SOIUlenspektrums praktisch schon durch die oberste dunne Ozonschicht oberhalb 45 km vollig ausgelOscht wi rd Diese Energiemenge setzt sich in Warnle urn und so nimmt die Temperatur oberhalb 35 km sehr rasch zu urn in etwa 50 km + 35 bis 50 degC zu betragen Dies gilt natiirlich nur fUr den Teil der Atmosphare der von der Sonnenstrahlung erreicht wird 1m Bereich der Polarnacht fallt diese Wlirmequelle weg so daB der Winlerpol in 50 km Hohe ebenfalls tiefe Temperaturen (wahrschejnlich - 40 0 oder noch tie fer) aufweist Waren diese Ergebnisse die wir besonders den Ozonforschern F W P Gotz (Schweiz)Dobson (England) Vegard und Tonsberg (Norwegen) sowie dem Franzosen Vassy verdanken zunlichst noch der Kritik ullierworfen da sie nur indirekt erschlossen worden waren so haben inzwischcn die in Amerika durchgefUhrten Aufsliege millels der deutschen V 2-Raketen den unmittelbaren Nachweis dieser hohen Temperaturen erbracht Hierbei wurde zwar nieht die Temperatur gemessen sondem der Druck die strengen Beziehungen zwischen der vertikalen Temperalurverleilung und dem Druck in ciner besrimmten Hohe gestalten aber eine Berechllung der Temperalur aus den Druckshymessungen Wenn man bfdenkt dall diese Haketen mit Dberschallshygeschwindigkeit aufsteigen und die Hohe von 130 km in rund 90 Seshykunden errcichen so mull man das instrumentelle Geschick bewundenl hierbei noch Druckmessungen in verschiedenen Hohenstufen durchshyfuhren zu konnen Die deutschen Versuche wenigstens bis 50 km Hohe Mellwerte zu gewinnen (Koizer E Regener) sind gegen Ende des Krieshyges leider nicht mehr zum Ziele gelangt Aber die Ergebnisse der gemiddot lungenen Aufstiege stimmen so gut tiberein dall an der Existenz dieser Temperaturzunahme nieht mehr gezweifelt werden kann Damil ist aber die schon vor mehr als 25 Jahren theoretisch aus Schallbeobachtungen

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(Gutenberg Wiechert) erschlossene warme Schicht in 35-50 km Hohe gegen aile Zweifel gesichert Ober Hue Anderungen mit der geograshyphischen Breite wissen wir bisher nur wenig doch ist es wahrscheinlich daS sie im Bereich des Winterpols iiberhaupt nicht oder nur sehr geshyring entwickelt ist

Die Zusammensetzung der Luft hat sich bis in diese Hohe nur sehr wenig geandert GewiS setzt in der isothermen Schicht in der keine vershytikale Durchmischung groSeren Ausma8es herrschen kann eine langmiddot same Entmischung mit der Hohe ein uod die Gase ordnen sich je nach ihrer Schwere ein Doch zeigen sowohl die Messungen von Regener (Deutschland) und Paneth (England) bis etwa 30 km Hohe wie die Rechnungen von Penndorf und Lettau daB in 30- 50 km Hohe das Vershyhliltnis zwischen Stickstoff und Sauerstoff sich erst um wenige Prozent gelindert hat

Die Obergrenze der Ozonschicht die wir als Ozonopause bezeichnen konnen stellt wiederum eine wichtige Schichtgrenze dar sie ist besonshyders abends und nachts sehr scharf ausgepragt und liegt in rziemlich genau 50 km Hohe (Penndorf) Oberhalb 50 km ist Ozon in nicht mehr meSbaren Mengen vorhanden Auch wenn keine direkten Messungen vorliegen so gibt doch die Photographie des Sonnenspektrums in 55 km Hohe die die V 2-Rakete gelieiert hat den einwandfreien Beweis fiir dieses Fehlen des Ozons Von den physikalischen Eigenschaften der obershyhalb der Ozonopause folgenden oberen Durchmischungsschicht wissen wir nur sehr wenig Wir wissen nur da8 in ihr die Temperatur wieder stark abnimmt in einem MaSe das dem der Troposphare (Advektionsshyschicht) etwa gleichzusetzen ist

Dagegen bUdet ihre Obergrenze eine fundamentale Schichtgrenze erster Ordnung die wir in Analogie zur Tropopause als obere Troposhypause bezeichnen konnen In rund 80 km Hohe wurden schon vor fast 70 Jahren leuchtende Nachtwolken beobacbtet und gemessen die farshybenprlichligen Dimmerungswolken die yom Krakatau-Ausbruch 1882 herriihren kreisten in dieser Hohe noch jahrelang um die Erde In dieshyser Hohe finden wir die scharfe Untergrenze fast aller N ordlich ter (StOrshymer) sowohl das Maximum des Verschwindens der Meteore (Hoffmeimiddot ster) Aus den verschiedensten Oberlegungen heraus wurde auf eine Temshyperatur von etwa - 70 0 in 80 km Hohe geschlossen in ausgezelchnetcr Obereinstimmung hiermit ergaben ltHe V 2-Mcssungen Temperaturen von _ 800 bis - 90 0 C DamU ist die Elistenz der oberen Tropopause einshywandfrei bestiitigt uod zugleich die Obergrenze der Stratosphare erreichl Wir verstehen unter Stratosphare eine Zusammenfassung der isothermen Schicht der warmen Schicht uod der oJ)eren Durchmischungsschicht

Oberhalb 80 km beginnt die lonosphiire deren wesentlichste Eigenshyschaft dadurch bedingt wird daS die Anzahl ionisierter Molekiile bezieshyhungsweise Atome die lonendichte so groB ist da8 elektrische Wellen von ihnen reflektiert werden Derartige Refle1ionen die fur die Hochfremiddot quenztechnik und fUr den Nachrichtenverkehr von grundlegender Bemiddot deutung sind werden gelegentlich auch in den tieferen Schichten beobmiddot achtet (ADSch-icht) spielen aber dort nur eine geringe Rolle Innerhalb der Ionosphare oberhalb 80 km Hohe unterscheiden wir drei Schichten

deren Hohen nicht festliegen sondem stirkeren jahres unci vor aHem tageszeitlichen Schwankungen unterliegen Diese drei Schichten maxishymaier Reflektion bezeichnen wir mit dem englischen Physiker Appleton als EmiddotSchicht in 100-110 km sowie die Flmiddot und F 2-Schicht in 200 bis 400 km Hohe Aus dem vertikalen Veriauf der Ionisationsdiehte wurde schon vor etwa 15 Jahren die Temperatur berechnet es ergaben sich ermiddot slaunlich Wene die zwischen + 60 0 und (in der F 2-Schicht) + 900 C schwanken Die fiir die E-Schicht angegebenen Temperaturen von + 60 0 b is 100 sind inzwischen durch die V2middotRaketen in vollem Ummiddot fange bestAtigt worden die in 130 km Hohe einen Wert von + 100 C ergaben Auch bier esistiert offenbar eine Abhiingigkeit der Temperatur von der Breite So ergeben sich aus den Nordlichtuntersuchungcn am Observatorium Tromso im Winter Temperaturen von - 30 his - 50 0

in der gleiehen Hohe so daB auch hier offenbar ein horizontales Temmiddot peraturgefiiUe vom Aquat~ zum Pol hin herrscht Die aHerneueslen iiber me ganze Erde ausgedehnten Sondierungen der IonisationsverhiU nisse durch die Amerikaner ergaben in Hohe der PmiddotSchichten gleicblalls groSe horizontale Temperaturunterschiede zwischen Tropenmiddot und Pomiddot larregion wobei die Werte zwischen + 1400 nnd negativen Temperamiddot turen schwanken

Bei der Bewertung dieser Temperaturangaben muS man Mch aber dar fiber klar sein daS es sich hier urn den Temperaturbegriff der kinetimiddot schen Wiinnetheorie der Gase handelt das heiBt urn eine slatislische GroSe die die Summe der geordneten Bewegungen der Molekfile darmiddot stellen Dieser Begriff verliert ampber in Hohen oberhalb 100 km wo die Diehte auBeroroentlich gering ist allmiihlich seinen Sinn Die Luftdiehle sinkt in knapp 50 km Hohe auf ein Tausendstel in 100 km auf an MIlshylionslel des Bodenwertes ab entsprechend sinkt auch die Zahl der Moshylekiile im ccm die am Boden noch rund 25 Trillionen (1018) berigt Je weniger Molekiile in der Raumeinheit vorhanden sind um so groBer wird dann ihre Bewegungsfreiheit Am Boden betragt die mittlere freie Wegmiddot linge eines Molekiils das heiSt die Strecke die es ohne einen ZusammenshystoS mit einem anderen Molekiil zUrUcklegen kann etwa ein Zehntaumiddot sendstel Millimeter In 100 km Hohe wachst diese Strecke bereits auf 10 em an Irgendwo oberhalb 500 km konnen wir eine Holte deftnieren in der nur noch 1 Molekiil pro CCnt vorhanden ist d iesel Molekill kann dann eine Streeke von 100 Millionen Kilometem ohne ZusammenstoS mit einem anderen Molekiil zurucklegen Es ist klar daS der Temperatur begriff der kinetischen Wannetheorie in den Hohen der Ionosphire zum mindesten in ihren oberen Teilen fragwiirdig wird Ein Mensch oder irgendein MeSkorper konnte hier nie die Temperatur der Luft in diesem Sinn annehmen sondern muBte sich entsprechend dem Strahmiddot lungshaushalt verhalten wiihrend er auf der Sonnenseite die volle Enermiddot gie der Sonnenstrahlung (Solarkonstante = 194 gcaVcml min) aufnimmt strahlt er auf der anderen Seite frei in den Weltraum hinaus ala schwarmiddot zer Korper Was wir hierin der Ionosphiire messeD sind eigenUich niehl die kinetischen Gastemperaturen sondern die Strahlungstemperaluren der angeregten Molekiile -

Solche Oberlegungen sind heute nicht mehr reines GedankeaspieI oaehshy

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Stockwerke derAtmos phare (nam Flohn und Penndorf 1942 heziehungsweiFe 1949)

Zahlenangahen nur guhig fur mittlere Breiten

Tempertur~ TemperaturshyHOhlag

SchicM iDderuDr mit rreDzworte Sphire (km) (0 C)de Hoh

I tiber 800Dissi palionssehicht Exosphare

F-Sehicht 400-800AtomsehiehtIonosphire

+60bis+600 E-Sehicht

Zunahme200-400 - 80 w +100Zunahme80-200

Obere Durchmischshy

ungsschieht Stratosphire

+50 w -80 Warme Sehicht

Abnahme50-80 - 45 w +50

Isotherme Schicht Zunahme35-50

- 65 -45gering 12-35 middot- 35 w -75

Advektionssehicht 15-8 wechselndTropopausenschicht 8--12Troposphire Abnahme +30 -45

Grundschieht 0-15 +40 bull - 40wechselndI bildungen dcr Tropopause hiingen unmittelbar mit den Luftmassenvershyschiebungen innerhalb der unteren Troposphare zusammen und es ist daher zweckmaJ3ig die ganze Region innerhalb deren die Tropopause hin und her schwanken kann noeh der Troposphare zuzurechnen 1m Mittel Iiegt die Tropopause iiber Mitteleuropa in 9-11 km Hohe kann aber sowohl auf 15 km ansteigen als auch - tiber machligen Kaltluftshyausbriichen - bis auf 4 km absinken 1m Polargebiet Iiegt sie im Durchshyschnilt 7-9 km hoeh in den Subtropen und Tropen dagegen 15-18 km

Dber ihr nimmt die Temperatur meistens zunachst rasch zu bleibt aber dann 1- 2 km oberhalb der Tropopause weitgehend konstanl Dieshyses Gleichbleiben (Isothermie) der Temperatur ist einer der wichtigsten Befunde wir sprechen deshalb von der isothermen Sclzicht der Stratoshysphiire die in unsercn Breiten von etwa 12- 15 km ab mindestens his 30 wahrschcinlich bis 35 km Hohe reicht tiber der Aquatorialregion bemiddot ginnt sie erst ab etwa 22-24 km Nach allen bisherigcn Untersuchungen in Europa Indien und Nordamerika herrschen aul3erhalb der Polargeshybiele in dieser Schicht allgemein Temperaturen zwischen - 50deg und _ 60 deg C Die Polargebiete verhalten sieh jcdoch abweichend Dbe der Arklis wie tiber der Antarktis herrschen im Sommer Temperaturen zwimiddot schen - 380 und - 420 im Winter dagegen Temperaturen unter - 65deg ja tiber der Antarklis unter - 75deg Dieser iahreszeitliche Gegensatz in den Polarzonen ist fiir den Aufbau des Druck- und Stromungsfeldes der Hochatmosphare fundamental Seine Ursache kann nur in den Strahmiddot lungsverhaltnissen gesucht werden Von den Bestandteilen der Luft abo sorbieren Wasserdampf Kohlendioxyd und Ozon bestimmte eng bemiddot grenzte Bereiche des Sonnenspektrums mehr oder weniger vollstandig und bilden dadurch eine Warmequelle Diese Wiinnequelle erreicht im Bereich des Polartages ihre hochste Wirksamkeit Callt jedoch im Bereich der Polarnacht vollig aus Versucht man einen krilischen Dberblick

tiber die Temperaturverteilung - unter sorgfalliger Beriicksichtigung aller moglichen Messungsfehler - zu gewinnen so findet man daB eine geringfiigige Zunahme der Temperatur mit der Hohe (mit einem Betrag von nichl mehr als hochstens 05 0km) als recht gut gesicherl erscheinl Eine Ausnahme bildet der jeweilige Winterpol in dessen Bereich die Temperatur auch oberhalb der Tropopause weiler abnimmt Nach den Absorptionsmessungen von Regener herrscht in der isothermen Schicht - wie zu erwarten - nur sehr geringe Feuchtigkeit oberhalb der Troshypopause verschwinden zum Beispiel die Kondensfahnen der Flugzeuge vollkommen eine Tatsache die im Kriege militarische Bedeutung erlangt hat In den Schicbten zwischen der Tropopause und rund 25 km werden nonnalerweise nie Wolken beobachtet und erst die in rund 30 km auftremiddot tenden Perlmutterwolken (Stormer) deuten eine Feuchtezunahme an Dieser geringe Wasserdampfgehalt hat zur Folge dall die Temperatur der isothermen Schicht in erster Linie durch die Absorption der Kohshylensaro bestimmt wird (Moiler)

Von besonderer Bedeutung ist der innerhalb der Schicht zwischen 20 und 50 km Hohe nachgewiesene dreiwertige Sauerstoff das Ozon (03) als ein zwar nur in gcringster Verdtinnung (etwa 1 100 Millionell) vershytretener aber ungemein wiehtiger Bestandteil Die Absorption der Sonmiddot nenstrahlung im kurzwelligen Bereich des Spektrums (zwischen 02 und 029u) ist so stark dal3 das ultraviolette Ende des SOIUlenspektrums praktisch schon durch die oberste dunne Ozonschicht oberhalb 45 km vollig ausgelOscht wi rd Diese Energiemenge setzt sich in Warnle urn und so nimmt die Temperatur oberhalb 35 km sehr rasch zu urn in etwa 50 km + 35 bis 50 degC zu betragen Dies gilt natiirlich nur fUr den Teil der Atmosphare der von der Sonnenstrahlung erreicht wird 1m Bereich der Polarnacht fallt diese Wlirmequelle weg so daB der Winlerpol in 50 km Hohe ebenfalls tiefe Temperaturen (wahrschejnlich - 40 0 oder noch tie fer) aufweist Waren diese Ergebnisse die wir besonders den Ozonforschern F W P Gotz (Schweiz)Dobson (England) Vegard und Tonsberg (Norwegen) sowie dem Franzosen Vassy verdanken zunlichst noch der Kritik ullierworfen da sie nur indirekt erschlossen worden waren so haben inzwischcn die in Amerika durchgefUhrten Aufsliege millels der deutschen V 2-Raketen den unmittelbaren Nachweis dieser hohen Temperaturen erbracht Hierbei wurde zwar nieht die Temperatur gemessen sondem der Druck die strengen Beziehungen zwischen der vertikalen Temperalurverleilung und dem Druck in ciner besrimmten Hohe gestalten aber eine Berechllung der Temperalur aus den Druckshymessungen Wenn man bfdenkt dall diese Haketen mit Dberschallshygeschwindigkeit aufsteigen und die Hohe von 130 km in rund 90 Seshykunden errcichen so mull man das instrumentelle Geschick bewundenl hierbei noch Druckmessungen in verschiedenen Hohenstufen durchshyfuhren zu konnen Die deutschen Versuche wenigstens bis 50 km Hohe Mellwerte zu gewinnen (Koizer E Regener) sind gegen Ende des Krieshyges leider nicht mehr zum Ziele gelangt Aber die Ergebnisse der gemiddot lungenen Aufstiege stimmen so gut tiberein dall an der Existenz dieser Temperaturzunahme nieht mehr gezweifelt werden kann Damil ist aber die schon vor mehr als 25 Jahren theoretisch aus Schallbeobachtungen

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(Gutenberg Wiechert) erschlossene warme Schicht in 35-50 km Hohe gegen aile Zweifel gesichert Ober Hue Anderungen mit der geograshyphischen Breite wissen wir bisher nur wenig doch ist es wahrscheinlich daS sie im Bereich des Winterpols iiberhaupt nicht oder nur sehr geshyring entwickelt ist

Die Zusammensetzung der Luft hat sich bis in diese Hohe nur sehr wenig geandert GewiS setzt in der isothermen Schicht in der keine vershytikale Durchmischung groSeren Ausma8es herrschen kann eine langmiddot same Entmischung mit der Hohe ein uod die Gase ordnen sich je nach ihrer Schwere ein Doch zeigen sowohl die Messungen von Regener (Deutschland) und Paneth (England) bis etwa 30 km Hohe wie die Rechnungen von Penndorf und Lettau daB in 30- 50 km Hohe das Vershyhliltnis zwischen Stickstoff und Sauerstoff sich erst um wenige Prozent gelindert hat

Die Obergrenze der Ozonschicht die wir als Ozonopause bezeichnen konnen stellt wiederum eine wichtige Schichtgrenze dar sie ist besonshyders abends und nachts sehr scharf ausgepragt und liegt in rziemlich genau 50 km Hohe (Penndorf) Oberhalb 50 km ist Ozon in nicht mehr meSbaren Mengen vorhanden Auch wenn keine direkten Messungen vorliegen so gibt doch die Photographie des Sonnenspektrums in 55 km Hohe die die V 2-Rakete gelieiert hat den einwandfreien Beweis fiir dieses Fehlen des Ozons Von den physikalischen Eigenschaften der obershyhalb der Ozonopause folgenden oberen Durchmischungsschicht wissen wir nur sehr wenig Wir wissen nur da8 in ihr die Temperatur wieder stark abnimmt in einem MaSe das dem der Troposphare (Advektionsshyschicht) etwa gleichzusetzen ist

Dagegen bUdet ihre Obergrenze eine fundamentale Schichtgrenze erster Ordnung die wir in Analogie zur Tropopause als obere Troposhypause bezeichnen konnen In rund 80 km Hohe wurden schon vor fast 70 Jahren leuchtende Nachtwolken beobacbtet und gemessen die farshybenprlichligen Dimmerungswolken die yom Krakatau-Ausbruch 1882 herriihren kreisten in dieser Hohe noch jahrelang um die Erde In dieshyser Hohe finden wir die scharfe Untergrenze fast aller N ordlich ter (StOrshymer) sowohl das Maximum des Verschwindens der Meteore (Hoffmeimiddot ster) Aus den verschiedensten Oberlegungen heraus wurde auf eine Temshyperatur von etwa - 70 0 in 80 km Hohe geschlossen in ausgezelchnetcr Obereinstimmung hiermit ergaben ltHe V 2-Mcssungen Temperaturen von _ 800 bis - 90 0 C DamU ist die Elistenz der oberen Tropopause einshywandfrei bestiitigt uod zugleich die Obergrenze der Stratosphare erreichl Wir verstehen unter Stratosphare eine Zusammenfassung der isothermen Schicht der warmen Schicht uod der oJ)eren Durchmischungsschicht

Oberhalb 80 km beginnt die lonosphiire deren wesentlichste Eigenshyschaft dadurch bedingt wird daS die Anzahl ionisierter Molekiile bezieshyhungsweise Atome die lonendichte so groB ist da8 elektrische Wellen von ihnen reflektiert werden Derartige Refle1ionen die fur die Hochfremiddot quenztechnik und fUr den Nachrichtenverkehr von grundlegender Bemiddot deutung sind werden gelegentlich auch in den tieferen Schichten beobmiddot achtet (ADSch-icht) spielen aber dort nur eine geringe Rolle Innerhalb der Ionosphare oberhalb 80 km Hohe unterscheiden wir drei Schichten

deren Hohen nicht festliegen sondem stirkeren jahres unci vor aHem tageszeitlichen Schwankungen unterliegen Diese drei Schichten maxishymaier Reflektion bezeichnen wir mit dem englischen Physiker Appleton als EmiddotSchicht in 100-110 km sowie die Flmiddot und F 2-Schicht in 200 bis 400 km Hohe Aus dem vertikalen Veriauf der Ionisationsdiehte wurde schon vor etwa 15 Jahren die Temperatur berechnet es ergaben sich ermiddot slaunlich Wene die zwischen + 60 0 und (in der F 2-Schicht) + 900 C schwanken Die fiir die E-Schicht angegebenen Temperaturen von + 60 0 b is 100 sind inzwischen durch die V2middotRaketen in vollem Ummiddot fange bestAtigt worden die in 130 km Hohe einen Wert von + 100 C ergaben Auch bier esistiert offenbar eine Abhiingigkeit der Temperatur von der Breite So ergeben sich aus den Nordlichtuntersuchungcn am Observatorium Tromso im Winter Temperaturen von - 30 his - 50 0

in der gleiehen Hohe so daB auch hier offenbar ein horizontales Temmiddot peraturgefiiUe vom Aquat~ zum Pol hin herrscht Die aHerneueslen iiber me ganze Erde ausgedehnten Sondierungen der IonisationsverhiU nisse durch die Amerikaner ergaben in Hohe der PmiddotSchichten gleicblalls groSe horizontale Temperaturunterschiede zwischen Tropenmiddot und Pomiddot larregion wobei die Werte zwischen + 1400 nnd negativen Temperamiddot turen schwanken

Bei der Bewertung dieser Temperaturangaben muS man Mch aber dar fiber klar sein daS es sich hier urn den Temperaturbegriff der kinetimiddot schen Wiinnetheorie der Gase handelt das heiBt urn eine slatislische GroSe die die Summe der geordneten Bewegungen der Molekfile darmiddot stellen Dieser Begriff verliert ampber in Hohen oberhalb 100 km wo die Diehte auBeroroentlich gering ist allmiihlich seinen Sinn Die Luftdiehle sinkt in knapp 50 km Hohe auf ein Tausendstel in 100 km auf an MIlshylionslel des Bodenwertes ab entsprechend sinkt auch die Zahl der Moshylekiile im ccm die am Boden noch rund 25 Trillionen (1018) berigt Je weniger Molekiile in der Raumeinheit vorhanden sind um so groBer wird dann ihre Bewegungsfreiheit Am Boden betragt die mittlere freie Wegmiddot linge eines Molekiils das heiSt die Strecke die es ohne einen ZusammenshystoS mit einem anderen Molekiil zUrUcklegen kann etwa ein Zehntaumiddot sendstel Millimeter In 100 km Hohe wachst diese Strecke bereits auf 10 em an Irgendwo oberhalb 500 km konnen wir eine Holte deftnieren in der nur noch 1 Molekiil pro CCnt vorhanden ist d iesel Molekill kann dann eine Streeke von 100 Millionen Kilometem ohne ZusammenstoS mit einem anderen Molekiil zurucklegen Es ist klar daS der Temperatur begriff der kinetischen Wannetheorie in den Hohen der Ionosphire zum mindesten in ihren oberen Teilen fragwiirdig wird Ein Mensch oder irgendein MeSkorper konnte hier nie die Temperatur der Luft in diesem Sinn annehmen sondern muBte sich entsprechend dem Strahmiddot lungshaushalt verhalten wiihrend er auf der Sonnenseite die volle Enermiddot gie der Sonnenstrahlung (Solarkonstante = 194 gcaVcml min) aufnimmt strahlt er auf der anderen Seite frei in den Weltraum hinaus ala schwarmiddot zer Korper Was wir hierin der Ionosphiire messeD sind eigenUich niehl die kinetischen Gastemperaturen sondern die Strahlungstemperaluren der angeregten Molekiile -

Solche Oberlegungen sind heute nicht mehr reines GedankeaspieI oaehshy

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(Gutenberg Wiechert) erschlossene warme Schicht in 35-50 km Hohe gegen aile Zweifel gesichert Ober Hue Anderungen mit der geograshyphischen Breite wissen wir bisher nur wenig doch ist es wahrscheinlich daS sie im Bereich des Winterpols iiberhaupt nicht oder nur sehr geshyring entwickelt ist

Die Zusammensetzung der Luft hat sich bis in diese Hohe nur sehr wenig geandert GewiS setzt in der isothermen Schicht in der keine vershytikale Durchmischung groSeren Ausma8es herrschen kann eine langmiddot same Entmischung mit der Hohe ein uod die Gase ordnen sich je nach ihrer Schwere ein Doch zeigen sowohl die Messungen von Regener (Deutschland) und Paneth (England) bis etwa 30 km Hohe wie die Rechnungen von Penndorf und Lettau daB in 30- 50 km Hohe das Vershyhliltnis zwischen Stickstoff und Sauerstoff sich erst um wenige Prozent gelindert hat

Die Obergrenze der Ozonschicht die wir als Ozonopause bezeichnen konnen stellt wiederum eine wichtige Schichtgrenze dar sie ist besonshyders abends und nachts sehr scharf ausgepragt und liegt in rziemlich genau 50 km Hohe (Penndorf) Oberhalb 50 km ist Ozon in nicht mehr meSbaren Mengen vorhanden Auch wenn keine direkten Messungen vorliegen so gibt doch die Photographie des Sonnenspektrums in 55 km Hohe die die V 2-Rakete gelieiert hat den einwandfreien Beweis fiir dieses Fehlen des Ozons Von den physikalischen Eigenschaften der obershyhalb der Ozonopause folgenden oberen Durchmischungsschicht wissen wir nur sehr wenig Wir wissen nur da8 in ihr die Temperatur wieder stark abnimmt in einem MaSe das dem der Troposphare (Advektionsshyschicht) etwa gleichzusetzen ist

Dagegen bUdet ihre Obergrenze eine fundamentale Schichtgrenze erster Ordnung die wir in Analogie zur Tropopause als obere Troposhypause bezeichnen konnen In rund 80 km Hohe wurden schon vor fast 70 Jahren leuchtende Nachtwolken beobacbtet und gemessen die farshybenprlichligen Dimmerungswolken die yom Krakatau-Ausbruch 1882 herriihren kreisten in dieser Hohe noch jahrelang um die Erde In dieshyser Hohe finden wir die scharfe Untergrenze fast aller N ordlich ter (StOrshymer) sowohl das Maximum des Verschwindens der Meteore (Hoffmeimiddot ster) Aus den verschiedensten Oberlegungen heraus wurde auf eine Temshyperatur von etwa - 70 0 in 80 km Hohe geschlossen in ausgezelchnetcr Obereinstimmung hiermit ergaben ltHe V 2-Mcssungen Temperaturen von _ 800 bis - 90 0 C DamU ist die Elistenz der oberen Tropopause einshywandfrei bestiitigt uod zugleich die Obergrenze der Stratosphare erreichl Wir verstehen unter Stratosphare eine Zusammenfassung der isothermen Schicht der warmen Schicht uod der oJ)eren Durchmischungsschicht

Oberhalb 80 km beginnt die lonosphiire deren wesentlichste Eigenshyschaft dadurch bedingt wird daS die Anzahl ionisierter Molekiile bezieshyhungsweise Atome die lonendichte so groB ist da8 elektrische Wellen von ihnen reflektiert werden Derartige Refle1ionen die fur die Hochfremiddot quenztechnik und fUr den Nachrichtenverkehr von grundlegender Bemiddot deutung sind werden gelegentlich auch in den tieferen Schichten beobmiddot achtet (ADSch-icht) spielen aber dort nur eine geringe Rolle Innerhalb der Ionosphare oberhalb 80 km Hohe unterscheiden wir drei Schichten

deren Hohen nicht festliegen sondem stirkeren jahres unci vor aHem tageszeitlichen Schwankungen unterliegen Diese drei Schichten maxishymaier Reflektion bezeichnen wir mit dem englischen Physiker Appleton als EmiddotSchicht in 100-110 km sowie die Flmiddot und F 2-Schicht in 200 bis 400 km Hohe Aus dem vertikalen Veriauf der Ionisationsdiehte wurde schon vor etwa 15 Jahren die Temperatur berechnet es ergaben sich ermiddot slaunlich Wene die zwischen + 60 0 und (in der F 2-Schicht) + 900 C schwanken Die fiir die E-Schicht angegebenen Temperaturen von + 60 0 b is 100 sind inzwischen durch die V2middotRaketen in vollem Ummiddot fange bestAtigt worden die in 130 km Hohe einen Wert von + 100 C ergaben Auch bier esistiert offenbar eine Abhiingigkeit der Temperatur von der Breite So ergeben sich aus den Nordlichtuntersuchungcn am Observatorium Tromso im Winter Temperaturen von - 30 his - 50 0

in der gleiehen Hohe so daB auch hier offenbar ein horizontales Temmiddot peraturgefiiUe vom Aquat~ zum Pol hin herrscht Die aHerneueslen iiber me ganze Erde ausgedehnten Sondierungen der IonisationsverhiU nisse durch die Amerikaner ergaben in Hohe der PmiddotSchichten gleicblalls groSe horizontale Temperaturunterschiede zwischen Tropenmiddot und Pomiddot larregion wobei die Werte zwischen + 1400 nnd negativen Temperamiddot turen schwanken

Bei der Bewertung dieser Temperaturangaben muS man Mch aber dar fiber klar sein daS es sich hier urn den Temperaturbegriff der kinetimiddot schen Wiinnetheorie der Gase handelt das heiBt urn eine slatislische GroSe die die Summe der geordneten Bewegungen der Molekfile darmiddot stellen Dieser Begriff verliert ampber in Hohen oberhalb 100 km wo die Diehte auBeroroentlich gering ist allmiihlich seinen Sinn Die Luftdiehle sinkt in knapp 50 km Hohe auf ein Tausendstel in 100 km auf an MIlshylionslel des Bodenwertes ab entsprechend sinkt auch die Zahl der Moshylekiile im ccm die am Boden noch rund 25 Trillionen (1018) berigt Je weniger Molekiile in der Raumeinheit vorhanden sind um so groBer wird dann ihre Bewegungsfreiheit Am Boden betragt die mittlere freie Wegmiddot linge eines Molekiils das heiSt die Strecke die es ohne einen ZusammenshystoS mit einem anderen Molekiil zUrUcklegen kann etwa ein Zehntaumiddot sendstel Millimeter In 100 km Hohe wachst diese Strecke bereits auf 10 em an Irgendwo oberhalb 500 km konnen wir eine Holte deftnieren in der nur noch 1 Molekiil pro CCnt vorhanden ist d iesel Molekill kann dann eine Streeke von 100 Millionen Kilometem ohne ZusammenstoS mit einem anderen Molekiil zurucklegen Es ist klar daS der Temperatur begriff der kinetischen Wannetheorie in den Hohen der Ionosphire zum mindesten in ihren oberen Teilen fragwiirdig wird Ein Mensch oder irgendein MeSkorper konnte hier nie die Temperatur der Luft in diesem Sinn annehmen sondern muBte sich entsprechend dem Strahmiddot lungshaushalt verhalten wiihrend er auf der Sonnenseite die volle Enermiddot gie der Sonnenstrahlung (Solarkonstante = 194 gcaVcml min) aufnimmt strahlt er auf der anderen Seite frei in den Weltraum hinaus ala schwarmiddot zer Korper Was wir hierin der Ionosphiire messeD sind eigenUich niehl die kinetischen Gastemperaturen sondern die Strahlungstemperaluren der angeregten Molekiile -

Solche Oberlegungen sind heute nicht mehr reines GedankeaspieI oaehshy

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II dem sich die Ministerien der fUhrenden Staaten schon mit dem Gedanken beschliftigen mittels Raketen den inneren Bereich der Atm05phiire zu

verlassen und selbstiindig rotierende Stfitzpunkte aullerhalb des unmittelshybaren Schwerefeldes der Erde zu schaffen WeIche Moglichkeiten sich hier ergeben dufUr zeugt ein ganz kleines Beispiel Die soeben verOffentshyichten pnotographischen Aufnahmen der V 2 aus 130 km Holte fiber dem Siidwesten der Vereinigten Staaten zeigen in wunderbarer Klarheit die Wolkenverteilung einer bestimmten Vetterlage iiber einem Umkreis von mehr als 900 km Radius Die theoretische Sichtweite in 130 km Hohe betragt etwa 1350 km so dall man von dort eine Fliiche von mehr als 5 Millionen qkm das heillt II von Europa iiberblicken kann Wenn auch die durch die Weltpresse gegangenen Plane fiber die Errichtung eines Stiitzpunktes im inlerplanetarischen Raum der in Form eines Mishyniaturmondes urn die Erde kreist sicher nicht so rasch verwirklicht werden konnen wie es die fibereifrige Phattasie mancher Journalisten wahrhaben mochte so ist doch an der grundsiitzlichen Moglichkeit kaum zu zweifeln mit Hilfe von sehr stark beschleunigten Raketen den Beshyreich der Erdanziehung zu verlassen

Ffir unser Wetter sind die Vorgiinge in der Hochatmosphiire bestimmt nicht gleichgfiltig so wenig konkrele Tatsachen wir dariiber wissen Die Gesamtmenge des Ozons in der Atmosphiire hangt zweifclos mit der Welterlage zusammen man hat Ozonwolken und andere wetterhafte Vorgiinge in Schichten zwischen 10 und 20 km Hohe verfolgen kOIUlen die zum Teil noch in die untere Troposphare hineingreifen Inzwischen ist von Curry die Auffassung vertreten worden daB das bis in bodennahe Schichten herabsinkende lind dort rascher Zerstorung unterliegende Ozon fUr die Gesamtheit der biologischen Wetterwirkungen an Mensch und Tier verantwortlich gemacht werden muB Ober diese Auffassung kann erst dann ein begrfindetes Urleil abgegeben werden wenn neue Messunshygen vorliegen Ajler auch die ionosphiirischen Vorgiinge sind nicht gleich giiltig Von del ~onne aus werden in den Flecken und Fackeln der Sonshynenoberflache kurzwellige Strahlen und Korpuskeln ausgesendet die sich in erdmagnetischen und Funkempfangs-Storungen sowie in Nordshylichtern bemerkbar machen In den Jahren nach dem grollen Sonnenshyfleckenmaximum von 19471948 dem sHirksten seit mehr als 150 Jahren nimmt die Nordlichthiiufigkeit in unseren Breiten aullerordentlich zu so dati wir immer wieder (wie zum Beispiel am 2526 Januar 1949) diese prachtigen Erscheinungen und ihrc unangenehmen Folgen fiir den Funkshyverkehr beobachten konnen Es hat sich herausgestellt dall (wenigstens in den Jahren mit miiBiger und geringer FleckenUiligkeit) die von dcr Sonne ausgehenden Korpuskularausbrfiche die Gewittertiitigkeit auf der Erde merklich (urn 20-30deg0) steigern konnen Die inzwischen festgeshystellte Doppelschwankung des Grollwetters innerhalb der im Durchshyschnitt elfjahrigen Sonnenfleckenperiode (Baur) stimmt mit der von dem italienischen Geophysiker ~ verbreitet nachgewiesenen 51zmiddotjahrishygen PeI1iode iiberein leider ist diese Beziehung so locker daB sie hochshystens in Ausnahmefallen eine stichhaltige Vorhersage der jahreszeitlishychen WiUerung geslattet Immerhio bevorzugten strenge Winter uod trokshykene Sommer eindeutig bestimmte Stellen im SonnenOeckenzyklus Die

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Erforschungen dieser wichligen Zusammenhllnge ist eine der dankbarshysten amiddotber auch schwierigsten Aufgaben der Zukunft bull

Von besonderem Interesse ist das Verhalten der Hochatmosphire in bezug auf die Stromung Hier haben die Untersuchungen der letzten Jahre wichtige neue Erkenntnisse geliefert An erster Stelle sind hierbei die Untersuchungen von Scherhag ru nenen der mit Hilfe seiner tliglich entshyworfenen Hohenwetterkarten bis 22 km Hohe nachgewiesen hat daB in Europa und auf dem Atlantik die herrschende Weststromung - die in Hohe der Tropopause also in 10-12 km Hohe ihr Maximum hat shyim Sommer oberhalb 18-20 km von einer Oststromung abgelOst wird die schon fruher aus den Erscheinungen der anormalen Schallausbreishytung erschlossen worden ist Diese sommerliche Oststromung in der isoshythermen Schicht der Stratosphare ist durch direkte Messungen fiber Jashypan und China sowie fiber Vorderasien und Nordamerika bestatigt worshyden Englische Versuche mittels Rauchraketen die Stromung in 30 km Hohe zu ermitteln ergaben das gleiche Resu)tat Sie stehl im Einklang mit der vertikalen Temperatur- und Dichteverteilung da - wie wir oben sahen - die isotherme Schicht der sommerIichen Polarregion weshysentlich warmer ist als in niedrigeren Dreiten so daB der Druck dort hober wird als fiber dem Aquator 1m WInter sind stratosphlirische Ostshywinde bisher nicht einwandfrei beobachtet worden Da fiber der wintershylichen Polarregion keine Warmequelle durch die unmittclbare Absorpshytion der Sonnenstrahlung existiert miillte das Temperaturgeflille vom Aquator zum Winterpol hin mindestens bbl in Hohe der warmen Schicht konstant bleiben In Obereinstimmung damit zeigt sich daB im Winter die Weststromung im Bereich der isothermen Schicht nach oben nieht abnimmt sondern im Gegenteil noch zunimmt 1m Friihjahr und Herbst Iiegt der Obergang von West- zu Ostwinden offenbar etwas hoher als im Sommer im Winter kann er dagegen nicht unterhalb 50 wahrscheinshyHch nieht llnterhalb 80 km Hohe Iiegen Die sommerlichen stratosphlishyrischen Ostwinde stehen offensichtlich in direktem Zusammenhang mit den in der Aquatorialregion oberhalh 20 km mehrfach - fiber Batavia und dem Atlantik (Meteor-Expedition) sowie durch die Krakatau-Erupshylion - bestiitigten Ostwinden des Oberpa~sats der somit als eine allgeshymeine planetarische Erscheinung nachgewiesen wird

Wiihrend wir fiber die Stromungsverteilung in der oberen Durchmishyschungssehicht nur unvollkommen unterrichtet sind - die Schweife von tagsuber beobachteten Meteoren beweisen auch hier eine Oststroshymung - kennen wir neuerdings etwas besser die Stromungsverteilung im Gebiet der E-Schicht der lonosphare Die Schweife der nachts beshyobachteten Meteore in 90-100 km Hohe zeigen eine sehr weehselnde Windverteilung wobei westliche Stromungen vorwiegen Der Sonnebershyger Astronom Hoffmeister hat die als Leuchtstreifen bekannten schwashychen Aufhellungen des Nachthimmels verfolgt und nndet hier im Sommer cine recht besHindige Sfid- bis Siidweststromung im Winter eine westIishyche und daneben eine nordIiche Stromung Diese starken meridionalen Stromungsanteile werden erst verstandIich wenn wir sie im Zusammenshyhang mit den grollen tageszeitlichen Anderungen der Temperaturverteishylung in der lonosphiire betrachten Der jedem Rundfunkhorer bekannte

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Dammerungseffekt zeigt daB zwisehen Tag und Nacht in der Ionosphire auBerordentlich groile Temperaturunterschiede auftreten Damit mussen aber Druckunterschiede in Richtung der Breitenkreise und entsprechend auch meridional gerichtete Stromungen auftreten deren Richtung tagesshyzeitlich wechselt Eine solche Abhiingigkeit von der Tageszeit laBt sich auch aus den wenigen vorliegenden Richtungsbestimmungen wahrschein shylich Machen In Anbetracht der raschen zeitlichen Temperatur- und Druckanderungen durfen wir in diesen Hohen nieht mehr damit rechshynen daB die in der freien Atmosphiire mit nur geringen Abweichungen giiltige Beziehung zwischen Wind- und Druckverteilung (Gradientwindshygesetz) noch zutrifft

So sehen wir daB die physikalischen Verhaltnisse der Hoehatmoshysphare mindeslens bis in den Bereich der E-Schichl in 100 his 130 km Hohe heule schon mit recht groBer Vollstiindigkeit bekannl sind aUe wichtigen physikalischen GroBen liegen bier mindeslens in ihrer GroshyBenordnung fest Es durfte eine Frage weniger Jahre sein bis wir die Grenzen dieses Wissens his vielleicht 400 km hinaus abstecken konnen Dariiber wissen wir bisher nur wenig Die friiheren Annahmen unbekannshyler Elemente in den Schichten der Hoehatmosphiire haben sich nicht beshystatigt Es isl bedauerlleh daB in neuesten Darstellungen fUr die Schule heute noeh das hypothetisehe Geokoronium behandelt wird dem Vershydienste Alfred Wegeners wird mit der Feststellung kein Abbrueh getan daB dieses sowie das Nebullum uberhaupt nieht existiert Vielmehr ergibt sieh da8 aueh in der unleren Ionosphare die Zusammensetzung der Luft im Grunde noeh iihnlieh der am Boden ist wenn aueh das Vershyhiiltnis zwischen Stickstoff und Sauerstoff sieh elwas verschoben haben mag Die modernen spektralanalytischen Untersuchungen der Nordlichshyter und des sehwachen Nachthimmelslichtes Machen es wahrscheinlich da8 hier die Gase neben den Molekiilen auch in atomarer Form vorhanshyden sind insbesondere konnte im Nordlichtspektrum (Gotz) atomarer Stickstoff nacbgewiesen werden Es ist sehr wahrseheinlich da8 der obere Teil der Ionosphiire ab etwa 400 km nur noeh Atome und keinc Molekiile mehr enthiilt Wir bezeichnen sie deshalb als Atomschicllt

Dariiber moaus muB eine Hohe existieren in der das Schwerefeld der Erde nichl mehr ausreichl die Parlikel der Almosphiire festzuhalten Obersleigl ein Teilchen eine krilische Geschwindigkeit so kann es aus dem Bereich der Erdanziehulliskrafl heraustreten und in den freien Weltraum hinaus dissipieren Andererseits treten aus dem Weltraum stindig Partikel (kosmischer Staub Meteore solare Korpuskeln und Masonen) in die Atmosphiire ein Eine Obergrenze der Atmosphiire ist durch Messungen Dichl festzulegen wir konnen sie deftnieren als die Hohe in der im Durchschnitt ebensoviel Teilchen die Erdatmosphiire verlassen wie in sie eintreten Da der Luftdruck als Ganzes auf der Erde gleichbleibt mussen wir ein solches Gleichgewichtsverhiiltnis an der Obergrenze der Atmosphiire voraussetzen Wir bezeichnen die oberste Sehicht in der bereits atmosphiirische Teilchen den Bereich des Schweshyrefeldes der Erde verlassen konnen als Dissipationsschieht oder als iiuBere Atmosphiire (Exosphare) Sie leitel ohne seharfe Grenze in den interplanelarischen Raum iiber

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Dammerungseffekt zeigt daB zwisehen Tag und Nacht in der Ionosphire auBerordentlich groile Temperaturunterschiede auftreten Damit mussen aber Druckunterschiede in Richtung der Breitenkreise und entsprechend auch meridional gerichtete Stromungen auftreten deren Richtung tagesshyzeitlich wechselt Eine solche Abhiingigkeit von der Tageszeit laBt sich auch aus den wenigen vorliegenden Richtungsbestimmungen wahrschein shylich Machen In Anbetracht der raschen zeitlichen Temperatur- und Druckanderungen durfen wir in diesen Hohen nieht mehr damit rechshynen daB die in der freien Atmosphiire mit nur geringen Abweichungen giiltige Beziehung zwischen Wind- und Druckverteilung (Gradientwindshygesetz) noch zutrifft

So sehen wir daB die physikalischen Verhaltnisse der Hoehatmoshysphare mindeslens bis in den Bereich der E-Schichl in 100 his 130 km Hohe heule schon mit recht groBer Vollstiindigkeit bekannl sind aUe wichtigen physikalischen GroBen liegen bier mindeslens in ihrer GroshyBenordnung fest Es durfte eine Frage weniger Jahre sein bis wir die Grenzen dieses Wissens his vielleicht 400 km hinaus abstecken konnen Dariiber wissen wir bisher nur wenig Die friiheren Annahmen unbekannshyler Elemente in den Schichten der Hoehatmosphiire haben sich nicht beshystatigt Es isl bedauerlleh daB in neuesten Darstellungen fUr die Schule heute noeh das hypothetisehe Geokoronium behandelt wird dem Vershydienste Alfred Wegeners wird mit der Feststellung kein Abbrueh getan daB dieses sowie das Nebullum uberhaupt nieht existiert Vielmehr ergibt sieh da8 aueh in der unleren Ionosphare die Zusammensetzung der Luft im Grunde noeh iihnlieh der am Boden ist wenn aueh das Vershyhiiltnis zwischen Stickstoff und Sauerstoff sieh elwas verschoben haben mag Die modernen spektralanalytischen Untersuchungen der Nordlichshyter und des sehwachen Nachthimmelslichtes Machen es wahrscheinlich da8 hier die Gase neben den Molekiilen auch in atomarer Form vorhanshyden sind insbesondere konnte im Nordlichtspektrum (Gotz) atomarer Stickstoff nacbgewiesen werden Es ist sehr wahrseheinlich da8 der obere Teil der Ionosphiire ab etwa 400 km nur noeh Atome und keinc Molekiile mehr enthiilt Wir bezeichnen sie deshalb als Atomschicllt

Dariiber moaus muB eine Hohe existieren in der das Schwerefeld der Erde nichl mehr ausreichl die Parlikel der Almosphiire festzuhalten Obersleigl ein Teilchen eine krilische Geschwindigkeit so kann es aus dem Bereich der Erdanziehulliskrafl heraustreten und in den freien Weltraum hinaus dissipieren Andererseits treten aus dem Weltraum stindig Partikel (kosmischer Staub Meteore solare Korpuskeln und Masonen) in die Atmosphiire ein Eine Obergrenze der Atmosphiire ist durch Messungen Dichl festzulegen wir konnen sie deftnieren als die Hohe in der im Durchschnitt ebensoviel Teilchen die Erdatmosphiire verlassen wie in sie eintreten Da der Luftdruck als Ganzes auf der Erde gleichbleibt mussen wir ein solches Gleichgewichtsverhiiltnis an der Obergrenze der Atmosphiire voraussetzen Wir bezeichnen die oberste Sehicht in der bereits atmosphiirische Teilchen den Bereich des Schweshyrefeldes der Erde verlassen konnen als Dissipationsschieht oder als iiuBere Atmosphiire (Exosphare) Sie leitel ohne seharfe Grenze in den interplanelarischen Raum iiber

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