Contribution to the problem of precipitation electricity

Summary

This paper is concerned with a study of the atmospheric electrical conditions and processes at 700 up to 3000 m a. s. l. during precipitations of the most varied kind.

The relation between potential gradientE or, respectively, point discharge currenti _po , and precipitation current densityI _pr may be represented by regression lines whose character during steady precipitations is independent of the kind of precipitation or altitude a. s. l. The precipitation rate plays only a subordinate part and does not control the character of the above mentioned relations.

During steady precipitations the polarities ofE,I _pr andi _po are determined by the physical state of the precipitations. During snowfall,E andi _po are positive,I _pr is negative; during rainfall, the opposite signs apply.

The sign reversal takes place when snow particles melt in free fall, which, as an average, takes place at +1.1° C. The well-known mirror image effect applies as a rule rather than an exact law. A number of observations regarding deviations from the strict mirroring of the values indicate that the theory cannot be valid which claims that high primary values ofE would trigger point discharges which, in turn, generate ions that are captured by precipitation, with the result thatE andI _pr proceed in a mirror-inverted manner. The truth is that by processes of precipitation electricity,E is primarily influenced, andi _po secondarily. The charge on cloud bases, except in thunderstorms, is irrelevant to precipitation electrical processes. In precipitation, the behavior of the atmospheric electrical quantities is governed by the precipitation physical processes in the most immediate vicinity of the observation site.

The above mentioned polarities of the atmospheric electric quantities during precipitation are applicable only to steady precipitations. If the atmospheric stability is decreased below a certain threshold value, polarity changes of the atmospheric electrical quantities will occur which have nothing to do with the physical state nor with the electric charge on the cloud base (except in thunderstorms).

The frequency of the polarity changes may be presented as a function of the exchange intensity above the station. This relation may be used for practical purposes of determining the degree of turbulence.

Zusammenfassung

Die Arbeit befaßt sich mit einer Untersuchung der atmosphärisch-elektrischen Zustände und Vorgänge in 700 bis 3000 m Höhe während Niederschlages verschiedenster Arten. Die Beziehung zwischen Potentialgradient (Feldstärke)E oder Spitzenentladungsstromi _po und NiederschlagsstromdichteI _pr läßt sich durch Regressionsgerade darstellen, deren Charakter bei gleichmäßigem Niederschlag unabhängig ist von der Art des Niederschlages und von der Höhe. Die Niederschlagsrate spielt nur eine nebensächliche Rolle und bestimmt nicht den Charakter der oben genannten Beziehungen.

Bei gleichmäßigem Niederschlag sind Polarität vonE,I _pr undi _po durch den Aggregatzustand des Niederschlages bestimmt. Bei Schneefall sindE,i _po positiv,I _pr negativ. In Regen gelten umgekehrte Vorzeichen. Der Vorzeichenwechsel erfolgt, wenn Schneepartikel im freien Fall schmelzen, was im Mittel bei +1,1°C erfolgt. Der bekannte Spiegelbildeffekt gilt als Regel, nicht jedoch als exaktes Gesetz. Eine Reihe von Beobachtungen über Abweichungen von der strengen Spiegelung der Werte weist darauf hin, daß die Theorie nicht gelten kann, welche darauf beruht, daß primär hohe Werte vonE Spitzenentladungen auslösen, die ihrerseits Ionen erzeugen, welche durch Niederschlag eingefangen werden, so daßE undI _pr spiegelbildlich verlaufen. Vielmehr werden durch niederschlags-elektrische Prozesse primärE und sekundäri _po beeinflußt. Die Ladung an Wolkenunterseiten ist — außer beim Gewitter — für niederschlags-elektrische Vorgänge ohne Belang. Im Niederschlag wird das Verhalten der luftelektrischen Größen durch die niederschlags-physikalischen Vorgänge in der allernächsten Umgebung vom Beobachtungspunkt bestimmt.

Die oben genannten Polaritäten der luftelektrischen Größen während Niederschlages gelten nur für gleichmäßigen Niederschlag. Nimmt die atmosphärische Stabilität unter einen gewissen Schwellenwert ab, so treten Polaritätswechsel der atmosphärisch-elektrischen Größen auf, die nichts mit dem Aggregatzustand und auch nichts mit der elektrischen Ladung an der Wolkenunterseite (außer im Gewitter) zu tun haben. Die Häufigkeit der Polaritätswechsel läßt sich als Funktion der Austausch-Intensität über der Station darstellen. Diese Beziehung kann für praktische Zwecke der Bestimmung des Turbulenzgrades verwendet werden.