Unsere elektrische Erde
Erdaufgang vom Mond aus gesehen. (Bild: NASA)
Unsere Erde ist elektrisch!
Über die Plasmasphären und die Double Layer, welche die Planeten Donut-förmig umgeben, haben wir im letzten Kapitel bereits gesprochen. Es folgen nun weitere Details zur elektrischen Erde, welche einerseits auf tatsächlichen Beobachtungen basieren und anderseits aus dem EU-Modell abgeleitet werden können.
Die Plasmasphäre der Erde ist auf der Sonnen-abgewandten Seite stark in die Länge gezogen (Plasmaschweif, vgl. Nr. 6 im Bild nebenan). Der Mond besitzt keine solche Plasmasphäre und -hülle, weil er im Spannungs-Gleichgewicht mit dem umgebenden Sonnenplasma ist. Dennoch penetriert der Mond die Plasmahülle der Erde, wenn er sich in Zeiten um den Vollmond herum durch den erwähnten Plasmaschweif der Erde bewegt: Das elektrische Gleichgewicht der Erde wird gestört. Wahrscheinlich ist dies der Grund, weshalb viele Menschen und Tiere auf den Vollmond reagieren.
Ansonsten scheinen wir Menschen auf der Erde nicht viel zu merken von der Plasmasphäre, abgesehen von Polarlichtern und Blitzen.
Die Erdatmosphäre spielt eine wichtige Rolle im elektrischen Austausch mit dem umgebenden Solarplasma. Sie setzt sich aus den folgenden Schichten zusammen:
– Troposphäre (ca. 0 – 15 km über der Erdoberfläche): Sie besteht primär aus neutralem Stickstoff und Sauerstoff und nur wenigen Ionen. Hier findet hauptsächlich das Wetter statt und Flugzeuge bewegen sich in dieser Schicht.
– Stratosphäre (ca. 15 – 50 km): Der atmosphärische Druck nimmt mit zunehmender Höhe laufend ab. Einige Flugzeuge gelangen in den unteresten Bereich der Stratosphäre, und Forschungsballone sind schon bis 35 km hoch geflogen.
– Mesosphäre (50 – 80 km): Über diese Schicht wissen wir nur wenig, weil sie für Flugzeuge und Forschungsballone zu hoch, für Satelliten jedoch zu tief ist. An der oberen Grenze hat der Luftdruck auf unbedeutende Werte abgenommen. Sie ist im Wesentlichen eine Übergangsschicht zwischen der nicht-ionisierten Stratosphäre und der Ionosphäre. Elektrische Phänomene wie Sprites finden in dieser Zone statt (mehr zu Blue Jets, Sprites und Elves später).
– Ionosphäre (80 – 1’000 km): Die Ionosphäre ist die letzte Schicht und gleichzeitig der Übergang zur Plasmasphäre der Erde. Sie enthält nur noch wenige Gasmoleküle, die durch Teile der Sonnenstrahlung (bestehend aus Infrarot IR, sichtbarem Licht, Ultraviolett UV, Röntgenstrahlung X-Ray) ionisiert werden. Die Ionisierung ist nicht gleichmässig, sondern hängt von den verschiedenen Gasen in verschiedenen Höhen, von der Jahres- und der Tageszeit ab.
Das Plasma-Universum beginnt also rund 80 km über unseren Köpfen.
Mehrere tausend Kilometer über der Ionosphäre befinden sich zwei Torus-förmige Gebiete mit geladenen Teilchen, welche die Erde umkreisen und durch das Erdmagnetfeld zusammengehalten werden. Diese Gebiete werden innerer und äusserer Van Allen-Gürtel genannt. Der innere Gürtel enthält vor allem positiv geladene Ionen, während der äussere Gürtel primär aus Elektronen besteht.
Interessanterweise bewegen sich diese Partikel in Ost-West-Richtung: Positive Ionen tendieren horizontal (bezogen auf den Äquator) nach Westen zu fliessen, die Elektronen nach Osten. Es entsteht ein sogenannter Ringstrom rund um die Erde von Ost nach West. Warum dieser Strom existiert, ist nicht genau bekannt. Die Stromfliessrichtung ist aber konsistent mit dem Erdmagnetfeld.
Blue Jets, Sprites und Elves
Die Van Allen-Gürtel sind mit der Ionosphäre (elektrisch) verbunden und es besteht ein permanenter Ladungsaustausch zwischen diesen beiden Regionen.
Gemäss dem heutigen Wissensstand scheint es so, dass elektrische Ladung vom Solarplasma zu den Van Allen-Gürteln transportiert wird und von dort weiter zur Ionosphäre. Blitzähnliche Entladungs-Erscheinungen wie Elves (Elfen), Sprites (Kobolde) und Blue Jets (Blaue Strahlen, vgl. Abbildung nebenan) in der Stratosphäre und Mesosphäre leiten die Ladungen weiter nach unten, wo sie dann mit den uns bekannten Blitzen zur Erde gelangen.
Zusammen mit den polaren Birkelandströmen (siehe nächster Abschnitt) wird eine direkte Verbindung zwischen der Erdoberfläche und dem Elektrischen Universum hergestellt.
Elektrisches Feld der Atmosphäre
Zwischen der Ionosphäre und der Erdoberfläche herrscht ein elektrisches "Schönwetter"-Potential von 240'000 Volt, manchmal sogar über 400'000 Volt. Während Gewittern kann der Potentialunterschied auf Millionen Volt ansteigen.
Auf der Erdoberfläche messen wir ein statisches elektrisches Feld, dessen Feldstärke an einem schönen Tag (abhängig von der Jahreszeit und vom Ort) zwischen 100 V/m und 300 V/m schwankt. Es entsteht durch die grosse Spannungsdifferenz zwischen Ionosphäre und Erdoberfläche von bis zu 400’000 Volt! (Man kann sich das System Ionosphäre-Erde als Plattenkondensator vorstellen) Dieses Feld wird auch Schönwetterfeld genannt und es fliesst ein permanenter Strom mit jedoch sehr kleiner Stromdichte. Summiert auf die ganze Erdoberfläche beträgt dieser Schönwetterstrom rund 1’800 Ampère.
In diesen Stromkreis sind auch alle Pflanzen, Tiere und wir Menschen eingebunden. Weil biologische Zellen recht gute Leiter darstellen, wird das natürliche elektrische Feld der Luft gestört, und wir können zwischen Kopf und Füssen eines Menschen die zu erwartende Spannung von rund 300 V nicht direkt abgreifen. Dennoch durchfliesst uns ein ganz kleiner Körperstrom, sofern wir leitfähig mit der Erde verbunden sind. Es macht also durchaus Sinn, wenn wir Menschen uns immer wieder durch Barfusslaufen auf der Erde, über eine taunasse Wiese oder auf weichem Waldboden elektrisch mit dem Boden verbinden und den Körperstrom ungehindert fliessen lassen.
Während Gewittern, die eine elektrische Ursache haben (siehe Kapitel Wetter & Klima), können regional extrem viel höhere Spannungsunterschiede auftreten – bis zu 100 Millionen Volt. Wird eine bestimmte Schwelle überschritten, so tritt schlagartig eine elektrische Entladung auf: Es blitzt und donnert!
Polarlichter
Polarlichter, die wunderschönen tanzenden Lichterscheinungen in der Nähe des Nord- und Südpols, erscheinen auf allen Planeten. Sie sind auf die Birkeland-Ströme zurückzuführen, welche die Planeten jeweils an den Polregionen direkt mit der Sonne verbinden (Birkeland-Ströme siehe Kapitel Plasma als Grundlage). Auf der Erde treten die Polarlichter in einer Höhe zwischen etwa 100 und 250 km in der Ionosphäre auf. Auf der Nordhemisphäre werden sie Nordlichter oder Aurora Borealis genannt, auf der Südhemisphäre entsprechend Südlichter oder Aurora Australis.
Der norwegische Physiker Kristian Birkeland (1867-1917) hatte in seinem Labor ein Modell der Erde – er nannte sie Terrella – nachgebildet und konnte im kleinen Massstab Polarlichter erzeugen.
Die Birkeland-Ströme an den Polen sind im Prinzip immer vorhanden, sie variieren aber je nach Sonnen-Aktivität in der Stärke, und die Richtung kann ändern. Überschreitet die Stromdichte eine bestimmte Schwelle, so schaltet das Plasma vom Dunkel- in den Glüh-Modus, und das Leucht-Spektakel am Nachthimmel beginnt. Je nach Höhe und den beteiligten Atomen – hauptsächlich Sauerstoff und Stickstoff – leuchtet das Polarlicht in grünen, eher rötlichen oder blauen Farbtönen.
Der Ladungsaustausch und insbesondere die starken Birkeland-Ströme an den Polen sind auch für Wettererscheinungen und das Klima verantwortlich. Diese Aussage gilt für alle Planeten, nicht nur die Erde! So ist die aktuelle Klima-Erwärmung auch auf anderen Planeten zu beobachten – mehr dazu im Kapitel Wetter & Klima.
Der norwegische Physiker Kristian Birkeland (1867-1917) hatte in seinem Labor ein Modell der Erde – er nannte sie Terrella – nachgebildet und konnte im kleinen Massstab Polarlichter erzeugen.
Die Birkeland-Ströme an den Polen sind im Prinzip immer vorhanden, sie variieren aber je nach Sonnen-Aktivität in der Stärke, und die Richtung kann ändern. Überschreitet die Stromdichte eine bestimmte Schwelle, so schaltet das Plasma vom Dunkel- in den Glüh-Modus, und das Leucht-Spektakel am Nachthimmel beginnt. Je nach Höhe und den beteiligten Atomen – hauptsächlich Sauerstoff und Stickstoff – leuchtet das Polarlicht in grünen, eher rötlichen oder blauen Farbtönen.
Der Ladungsaustausch und insbesondere die starken Birkeland-Ströme an den Polen sind auch für Wettererscheinungen und das Klima verantwortlich. Diese Aussage gilt für alle Planeten, nicht nur die Erde! So ist die aktuelle Klima-Erwärmung auch auf anderen Planeten zu beobachten – mehr dazu im Kapitel Wetter & Klima.
Wie im Kapitel Plasma als Grundlage beschrieben, fliessen diese Birkeland-Ströme auf ineinander verschachtelten, zylinderförmigen Bahnen zur Erde hin und von ihr weg. Im Bild unten ist eine künstlerische Darstellung davon zu sehen. Durch die Rotation und Bewegung dieser stromführenden Zylinderflächen entstehen die typischen tanzenden Vorhänge der Polarlichter.
Zusätzlich bewegen sich die Planeten mit ihren je eigenen Plasmasphären (Plasmahüllen, welche die Planeten umgeben und durch die jeweilige Magnetosphäre als Double-Layer gegen die Plasmasphäre der Sonne trennen) in der Plasmasphäre der Sonne. Via Ionosphäre und den vorhin erwähnten Elves, Sprites und Blue Jets tritt ein grossflächiger Austausch an elektrischer Ladung, Energie und Information zwischen Erde und Umgebung auf.
Elektrische Erdbeben und anderes
Elektrische Ströme machen nicht Halt auf der Erdoberfläche, sondern fliessen im Erdinneren weiter. Es bauen sich innerhalb der Erdkruste riesige Ladungsunterschiede auf, welche sich schlagartig entladen können, ähnlich wie ein „durchbrechender“ Kondensator. Ein solcher innerirdischer Blitz hat Erdbeben zur Folge. Die im Vorfeld von Erdbeben entstehenden Entladungen (analog zu Elmsfeuern auf der Erdoberfläche) können z. B. von Tieren wahrgenommen werden; dazu gibt es dokumentierte Augenzeugenberichte. Nicht nur im Zusammenhang mit Erdbeben sondern auch mit vulkanischer Aktivität wird zudem von vermehrter Blitzaktivität, dem Auftreten von Elmsfeuern und Kugelblitzen berichtet.
Dr. Kongpop U-yen beschäftigt sich mit der Erforschung der Vorhersage von Naturkatastrophen (wie Erdbeben, Tsunamis etc.). Er hat herausgefunden, dass die Sonnen-Aktivität einen Einfluss hat auf das Auftreten von Erdbeben oder den Klimawandel (hier gehts zum Kapitel Wetter & Klima).
Ein einfach zu beobachtender Indikator ist dabei die Anzahl der Sonnenflecken, welche bereits seit Jahrhunderten akribisch erfasst wird. Eine grosse Zahl korrespondiert mit einer hohen Sonnenaktivität, welche verbunden sind mit koronalen Massenauswürfen (CME) oder Magnetstürmen. Interessanterweise treten unmittelbar nach solchen Ereignissen gehäuft Erdbeben (Vorbeben) auf, welchen 2-3 Tage später noch stärkere Erdbeben folgen (Hauptbeben). Diese Zeitspanne entspricht genau der Zeit, welche die von der Sonne ausgeworfenen Teilchen benötigen, um zur Erde zu gelangen (Sonnenwind).
Das bisherige Erklärungsmodell der Plattentektonik wird damit ergänzt durch das elektrische Modell. Ein weiteres äusserst spannendes Forschungsgebiet …
Über tellurische Ströme, Ley-Linien etc. wird zu einem späteren Zeitpunkt berichtet.
