Atmosphärische Strömungs-Querschnitte

Zusammenfassung Für die Flugplanung gewinnen derzeit Vertikalschnitte durch die atmosphärische Strömung vermehrte Bedeutung. Obwohl die fliegerischen Ansprüche g gesteigert sind, wird man sich mit der Bestimmung geostrophischer Winde begnügen müssen. Zur Konstruktion aktueller Querschnitte aus wenigen Angaben wird die Verteilung der geostrophischen Winde berechnet. Ein praktisches Verfahren setzt die Tabellierung der Ergebnisse voraus. Die prognostischen Querschnitte gehen aus der Veränderung der örtlichen Temperaturschichtung hervor. Diese wird im zweiten Teil behandelt. Ein routinemässiges Verfahren ist nur im Zusammenhang mit graphischer oder numerischer Prognostik denkbar.

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Summary For the purpose of flight-planning in the upper levels the preparation of cross-sections esp. through jet-streams (actual and forecast) are discussed. A procedure for completing the isotachs if few data are available is given. The forecast cross-section implies the future temperatur-field. A relation involving the advective terms arising in numerical forecasting completes this investigation, and shows that a small forecast-center will not be able to prepare reliable cross-sections.

     

Atmosphärische und ozeanische lange Wellen und Wirbelstörungen und ihre Ähnlichkeit mit Trägheitsbewegungen

Zusammenfassung Die völlige Gleichheit der für die äquatoriale Zone der Erde abgeleiteten Trägheitsbewegungen bei F. J. W. Whipple mit den C. G. Rossbyschen langen Wellen in einem breiten stabilen Oststrom und mit den Wirbelstörungen in einer nach W gehenden instabilen Strömung erfordert eine Erklärung, um so mehr als die physikalischen Grundlagen in beiden Fällen völlig verschieden liegen. Eine solche Erklärung wird hier gegeben. Außerdem wird die Trägheitsbewegung auf der rotierenden Erde von solchen Bewegungen abgeleitet, die sich ganz auf einer Hemisphäre abspielen. Sie gelingt in mathematisch einfacher Form. Schließlich wird auf die verschiedene Strömungsstabilität westwärts und ostwärts gehender ozeanischer Ströme hingewiesen und ihr Zusammenhang mit den erwähnten langen Wellen und Wirbelstörungen nach Rossby hervorgehoben.

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Long waves and vorticity in the atmosphere and in the ocean and their resemblance to inertia motions

Summary The complete correspondence of the inertia motions, as derived by F. J. W. Whipple for the equatorial zone of the earth, with Rossby's long waves in a broad stable eastward setting current and with the vorticity phenomena in a westward directed instable current calls for an explanation, especially so as in both cases the underlying physical conditions are of a different nature. This explanation is given in the present paper. Besides, the inertia motion on the revolving earth is derived from motions occurring on one hemisphere only and a mathematically simple formula of this is given. Finally, in drawing attention to the different current stability of westward and eastward setting currents, emphasis is laid on their relation to the afore mentioned long waves and vorticity phenomena after Rossby.

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Ondes longues et le phénomène de vorticity dans l'atmosphère et dans l'océan et leur ressemblance avec des mouvements d'inertia

Résumé Il s'est montré nécessaire d'éclaircir la correspondance entre les mouvements d'inertia dérivés par F. J. W. Whipple pour la zone équatoriale de la terre d'une part, et les ondes longues d'après C. G. Rossby dans un large et stable courant orienté vers l'Est et entre le phénomène devorticity dans un courant instable orienté vers l'ouest, d'autre part. Cette explanation est d'autant plus nécessaire que les conditions physiques fondamentales en sont tout à fait différentes. Le travail suivant offre une telle explanation. En outre, on dérive des mouvements qui ne se produisent que sur un seul hémisphère le mouvement d'inertia sur la terre rotatoire et on réussit à trouver une solution mathématiquement simple. Enfin, on discute la forte différence en stabilité qui se présente dans des courants océaniques orientés vers l'Est et ceux orientés vers l'Ouest en soulignant leur relation avec des ondes longues et le phénomène devorticity d'après. Rossby.

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Herrn Professor Dr. Gerhard Schott zum 90. Geburtstag gewidmet.     

Grundschicht und Nullschicht der Atmosphäre

Zusammenfassung NachdemSchneider-Carius die von ihm in mehreren Untersuchungen behandelte und von ihm so bezeichnete «Grundschicht» als das Hauptausgleichniveau für die Druckgegensätze zwischen Hoch und Tief in den unteren Luftschichten nachgewiesen hat, entstand naturgemäß die Frage, wie und in welcher Höhensicht der notwendige Massenfluß vom Tief zum Hoch erfolgt. Ohne denselben würden sich die Druckgebilde wegen der ageostrophischen Windkomponente vom Hoch zum Tief in der Grundschicht binnen kürzester Zeit auflösen.H. Faust fand diese Schicht über Mitteleuropa in 10 km Höhe. Sie ist identisch mit dem Sitz des hochtroposphärischen Windmaximums und weist das Maximum des ageostrophischen Massenflusses vom Tief zum Hoch auf. Da in ihr die für das Wettergeschehen so fundamental wichtigen Vertikalbewegungen Null sind, nannteFaust die Schicht «Nullschicht». In der Grundschicht und der Nullschicht sind somit zwei atmosphärische Schichten gefunden, die in polarer Wechselwirkung miteinander für die Dynamik der Wettervorgänge von entscheidender Bedeutung sind.

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Summary Especially whenSchneider-Carius had shown in several papers the ground layer to be the main levelling layer of pressure contrasts, the question arose where the seat of mass transport from low to high pressure is located. ThenFaust found a layer 10 kms above Central Europe, where vertical motion in highreaching cyclones and anticyclones averages zero. Because of the fundamental significance of vertical motion, he called it the «zero layer». This zero layer, which is identical with the wind maximum in the upper troposphere, turned out to be the principal seat of ageostrophic mass transport from low to high pressure. Also, the angle between true and geostrophic wind (the ageostrophic component) has its maximum in the zero layer. As the processes in the zero layer produce and/or increase pressure contrasts, it is the direct counterpart of the ground layer. It is shown that both layers are exercising reciprocal effects upon each other, with action in one layer producing the appropriate reaction in the other layer. As both layers are the principal seat of ageostrophic mass transport between areas of high and low pressure, their mutual action proves to be of basic importance for the dynamics of the whole weather trend.

     

Der sphärische Kegelschnitt und das Rotationsellipsoid in der Nautik

Zusammenfassung Der sph?rische Kegelschnitt hat geringe Bedeutung in der Nautik. Seine geometrischen Eigenschaften sind l?ngst gründlich untersucht worden. Ein Analogon zu ihm, die Lorankurve auf dem Rotationsellipsoid, ist interessant und wichtig.

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Sphero-conics and spheroids in navigation

Summary The sphero conic section has little nautical significance. Its geometrical nature has been thoroughly discussed long ago. On the other hand, its analogue on the spheroid, viz. the Loran line, is interesting and important.

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La section sphéro-conique et le sphéro?de

Résumé La section sphéro-conique est à peu près sans importance dans le champ nautique. Son caractère géométrique a été profondément discuté il y a long temps. Cependant, son analogue, c'est à dire la courbe Loran sur le sphéro?de, est aussi intéressant qu'il est important.

     

Nordhemisphärische Niederschlags-und Temperaturschaukeln

Zusammenfassung Als Niederschlagsschaukeln erweisen sich die Gebiete mit vorwiegenden Konvektionsregen und die benachbarten Bereiche mit häufigeren Advektionsniederschlägen. Erstere befinden sich vorzugsweise im Lee advektiver Luftströmungen. Als Temperaturschaukeln sind im nordhemisphärischen Sommer die Gebiete: nordamerikanische Eismeerküste-mittlere Alaskahalbinsel, nördliches Westsibirien-Gebiet westlich des Nordural anzusehen. Die Ursache liegt in der konträren thermischen Wirkung der zyklonalen Störungen.Summary The regions of prevailing rains of convection and the neighbouring areas with more frequent precipitation of advection prove as «swings of precipitation». The former are to be found preferably in the lee of advectiv winds of air. As «swings of temperature» are to be regarded the following areas in the northern hemispheric summer: Northamerican Polarsea coast-central part of Alaska-Peninsula Northern Westsiberian region westward off the Northern Ural. The cause is to be found in the contrary thermic effect of cyclonic disturbances.     

Die sphärische Hyperbel

Zusammenfassung Es wird das Ergebnis einer mathematischen Untersuchung über sphärische Hyperbeln und Ellipsen mitgeteilt, nach denen solche Hyperbeln und Ellipsen mit gleichen Breenpunkten ein System rechtwinkliger hyperbolischer Koordinaten auf der Erde ergeben. Dabei sind Hyperbeln, deren Brennstrahldifferenzu beträgt, zugleich Ellipsen mit der Brennstrahlsummes=180°-u in einem System, das sich ergibt, wenn man statt des einen Brennpunktes seinen Gegenpunkt auf der Erde wählt. Ordnet man auf der Erde Sender so an, daß sie die Ecken eines Oktaeders auf der Kugel bilden, so läßt sich durch geeignete Empfangsgeräte überall auf der Erde eine laufende Ortung für Schiffe und Luftfahrzeuge durchführen, die von jedem Wettereinfluß frei ist und bei Tag und Nacht angewendet werden kann. Das hyperbolische Koordinatennetz kann, unabhängig von der Zeit, in Karten eingezeichnet werden und die geographischen Koordinaten ersetzen, so daß für die Praxis jede Ortsberechnung überflüssig ist.

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The spherical hyperbola

Summary As a result of a mathematical investigation of spherical hyperbolae and ellipses it is shown in the following paper that these curves, when confocal, form a system of rectangular coordinates on the globe. Hyperbolae whose difference of focal radii isu are identic with ellipses whose sum of focal radii iss=180°-u in the system that results if one of the focuses is replaced by its antipodal point. A world-wide network of sending stations arranged on the solid angles of an octahedron will allow the ascertaining of position by ships and aircraft independent of weather at all hours of day and night. Independent of time the grid of hyperbolic coordinates can be entered on charts and replace the geographical,coordinates, practically superseding any calculation of position.

     

Über das Verhalten und die Herkunft der in den Gewässern und in der Atmosphäre vorhandenen himmelblauen Fluoreszenz

Zusammenfassung Überall in der Natur im Bereich der Erdrinde findet sich ein im ultravioletten Licht hellblau fluoreszierender Stoff. Nachgewiesen wurde er bisher in der Atmosphäre, in allen in der Natur vorhandenen Wasservorkommen: im Nebel, Schnee, Regen, Rauhreif, Gletschereis, in Quellen, Bächen, Flüssen, Seen und im Oberflächen- und Tiefenwasser des Weltmeeres. Ferner ließ er sich nachweisen im Staub, in Gesteinen und in Filtrierpapier (reiner Cellulose), wie er überhaupt ein ständiger Begleitstoff der in der Natur weit verbreiteten Kohlenhydrate ist. Aus der Atmosphäre schlägt er sich bereits in wenigen Tagen in merklichem Maße an gereinigten Glasoberflächen nieder. Durch eingehende Versuche wird wahrscheinlich gemacht, daß der Fluoreszenz zwei organische Verbindungen zu Grunde liegen, die sich spontan aus den langsam in der Natur sich bildenden Zerfallsprodukten der Kohlenhydrate (Methylglyoxal) durch Eigenkondensation aufbauen. Auf die Bildung der fluoreszierenden Stoffe wirken ähnlich wie bei dem verwandten Vorgang der Melanoïdin-Bildung (Maillard-Reaktion) neben der Erhöhung der Temperatur und der Erhöhung der Konzentration der Ausgangssubstanzen (beispielsweise beim Verdunstungsvorgang der atmosphärischen Wassertröpfchen) alkalische Reaktion und in besonderem Maße die Gegenwart von Stickstoff-Verbindungen (Ammonium-Ion, Aminosäuren) fördernd ein.

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On the behaviour and the origin of the azure fluorescence present in all kinds of waters and in the atmosphere

Summary Everywhere in nature and in the vicinity of the earth's crust there is a substance to be found from which a light blue fluorescence is emanating when it is exposed to ultraviolet radiation. Until now this substance has been verified in the atmosphere and in all the manifestations of water, viz. in fog, snow, rain, soft rime, glacier ice, springs, brooks, rivers, lakes, and in the surface water and deep water of the oceans. Besides, the presence of this substance has been proved in dust, rocks and in filter paper (pure cellulose) and it has been revealed as a permanently attendant substance of carbon hydrates frequently occurring in nature. It is precipating to a considerable extent within a few days from the atmosphere on cleaned glass surfaces. From careful experiments it appears to be probable that the fluorescent substance is based on two organic compounds that are spontaneously springing by self-condensation from the dissociated constituents of carbonhydrates (metyhlglyoxal) that are slowly forming everywhere in nature. Similar to the related process of the formation of melanoidin (Maillard-reaction) and in addition to the increase in temperature and concentration of the initial substances (as e.g. is observed during the process of evaporation of atmospheric water drops), alkaline reaction and especially the presence of nitrogen compounds (ammonium-ion, amino-acids) are promoting the formation of fluorescent substances.

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Sur le comportement et l'origine de la fluorescence azure rencontrée dans les eaux et dans l'atmosphère

Résumé Partout dans la nature on trouve près de la croute terrestre une substance produisant de la fluorescence bleue claire lorsqu'on l'expose à la radiation ultra-violette. On a jusqu'ici démontré la présence de cette substance dans l'atmosphère et dans toutes les formes que l'eau peut adopter dans la nature, c.a.d. dans la brume, la neige, la pluie, le givre mou, dans la glace des glaciers, les sources, cours-d'eau, rivières, lacs et dans les eaux superficielles et profondes des océans. De plus, on peut prouver son existence dans la poussière, dans les roches et dans le papier à filtrer (cellulose pure); d'ailleurs, cette substance est surtout une matière d'accompagnement permanent des hydrates de carbon très répandus dans la nature. Venant de l'atmosphère, elle se précipite en quantité considérable sur des surfaces nettoyées de verre. Des essais approfondis nous font supposer que la substance fluorescente est basée sur deux combinaisons organiques qui se forment spontanément par condensation propre des produits de dissociation des hydrates carboniques (méthylglyoxal) qui se developpent lentement dans la nature. Comme dans le processus analogue de la formation du mélanoïdin (réaction Maillard) et à côté de l'élévation de la température et de la concentration des matières de départ (par exemple aux processus de l'évaporation des gouttes d'eau dans l'atmosphère) la réaction alcaline et surtout la présence des combinaisons de nitrogène (ammonium-ion, acides d'aminés) favorisent la production des substances fluorescentes.

     

Kontinuierliche Messungen von Atmosphärischen Kondensationskernen

Ohne Zusammenfassung     

Untersuchungen über atmosphärische Spurenstoffe und ihre Bedeutung für die Chemie der Niederschläge

Zusammenfassung Nach einer kurzen Einführung über die Methoden der chemischen Analyse atmosphärischer Spurenstoffe und einer Übersicht über die natürlichen Quellen der verschiedenen Spurengase wird über Meßergebnisse an verschiedenen kontinentalen Meßplätzen berichtet. Die Ergebnisse werden denjenigen vonJunge an maritimen Orten gegenübergestellt. Insbesondere wurden die in 3000 m Höhe auf der Zugspitze ermittelten Daten in Abhängigkeit von der vertikalen Temperaturschichtung ausgewertet. In einem zweiten Abschnitt wird die Beziehung zwischen atmosphärischen Spurenstoffen und der Chemie der Niederschläge behandelt. Dabei wird die Bedeutung der Spurengase für den Gehalt des Regenwassers an verschiedenen chemischen Komponenten herausgestellt. Abschliessend werden die Auswertungen über den Zusammenhang zwischen der Konzentration natürlicher Spurenstoffe im Regen und der Niederschlagshöhe besprochen.

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Summary After a short introduction on the methods of chemical analysis of atmospheric trace substances and a survey on the natural sources of the different atmospheric trace gases, new results of measurements carried out at different continental locations are communicated. The results are compared with those gained byJunge at maritime stations. In particular the data gained on the summit of Zugspitze at 3000 m altitude, were evaluated with respect to the vertical temperature gradient of the atmosphere. In a second chapter the relation between atmospheric trace substances and the chemistry of precipitation is discussed. In this connection the importance of gas-traces for the concentration of chemical matter in rainwater is stressed. Finally the relationship between the concentration of trace-substances in rain and the amount of precipitation of individual rainfalls is presented.

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The research reported in this article has been sponsored and supported in part by the Geophysics Research Directorate, Air Force Cambridge Research Center, under contract AF 61 (052)-249 through the European Office, ARDC.-Erweiterte Fassung eines Vortrags, gehalten auf der XII. Generalversammlung der IUGG in Helsinki 1960.     

Strahlstrom und der durch Turbulenz verursachte Transport der mechanischen Energie in der Atmosphäre

Zusammenfassung Es wird auf einige Einflüsse der Turbulenz auf die Konzentration der kinetichen Energie in der Atmosphäre hingewiesen. Die mechanische Energie (Enthalpie + potentielle Energie der Schwere + kinetische Energie) ist bei adiabatischen Bewegungen in der Atmosphäre eine konservative Grösse. Deswegen kann unter verschiedenen Bedingungen in der Atmosphäre zur Konzentration der kinetischen Energie auf Kosten, der gesamten potentiellen Energie kommen. Im Zusammenhang mit diesem wird gezeigt, dass die Dicke einer turbulenten stabilen Schicht einen Minimalwert erstrebt. Die entsprechenden Energietransformationen sind diskutiert.

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Summary Some influences of the turbulence on the concentration of the kinetic energy in the atmosphere are indicated. The mechanical energy (enthalpy + gravitational potential energy + kinetic energy) is for frictionless adiabatic motions in the atmosphere a conservative quantity. That is the reason why under different conditions in the atmosphere may appear a concentration of the kinetic energy on the count of the total potential energy. In connection with this it is shown that the thickness of a turbulent and stabil layer tends to a minimum. The corresponding energy transformations are discussed.

     

Zu den beziehungen für den fluktuativen und mittleren Wassertransport in der Atmosphäre

Zusammenfassung Die Gleichungen für den mikro- und makroturbulenten Austausch und Transport von Wasser in gasförmiger, flüssiger und fester Form werden unter Benutzung abgewogener Augenblicks- und Mittelwerte des Geschwindigkeitsvektors dargestellt. Fragwürdigkeiten bei der Behandlung des bodennahen Wasserdampfaustausches nach dem Vorgang vonWilh. Schmidt und einige Probleme bei der Ermittlung von Verdunstung minus Niederschlag größerer Gebiete aus dem atmosphärischen Wassertransport werden erörtet.

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Summary The equations concerning the micro- and macroturbulent «austausch» and transport of water in its three phases are represented by using weighted vectors of instantaneous and average velocities. Usual defects in treating the eddy diffusion of water vapour next to the bottom by applying the theory ofWilhelm Schmidt are discussed as well as some problems in the estimation of evaporation minus precipitation of large areas from the transport of water in the atmosphere.

     

Die Anlagerung von natürlichen Radionukliden an Aerosolpartikel und Niederschlagselemente in der Atmosphäre

Zusammenfassung Es wird die Anlagerung der Zerfallsprodukte des, Radons und Thorons an das atmosphärische Aerosol infolge von Diffusion und elektrostatischer Dipolanziehung diskutiert. Die berechnete Grössenverteilung, des gebildeten, radioaktiven Aerosols stimmt weitgehend mit den Ergebnissen von Diffusionsmessungen überein. Die Aktivierung von Wolken-und Niederschlagselementen erfolgt im wesentlichen durch die Anlagerung trägerfreier, frisch gebildeter RaA-Atome; nur bei langlebigen Zerfallsprodukten spielt die Koagulation mit dem radioaktiven Aerosol eine Rolle. Die Anlagerungsgeschwindigkeit von RaA und ThB an fallende Regentropfen wurde durch Modellversuche bestimmt. Hiernach ist der Auswascheffekt von Regentropfen klein gegenüber der primären Aktivierung der Wolkenelemente. Es wird ein, Verfahren zur kontinuierlichen Messung der RaB- und RaC-Aktivität im Niederschlag beschrieben; die gemessene, mittlere spezifische Aktivität von 3·10^–5 c/cm³ kann mit Hilfe der angegebenen Aktivierungsprozesse befriedigend erklärt werden.

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Summary The attach of Rn- and Tn-decay-products to the atmospheric aerosol is discussed, taking into account diffusion and electrostatic forces. The computed size distribution of the produced radioactive aerosol agrees with the results of diffusion measurements. The activation of cloud and rain droplets with short-lived decay products happens chiefly due to the diffusion of fresh, carrier-free RaA-atoms. The collection efficiency of falling rain droplets for RaA and ThB was measured in model experiments; it is small compared to the activation of cloud elements. A method for the continuous measurement of RaB- and RaC-activity during rainfall is described; the measured, mean specific activity of 3·10^–5 c/cm³ can be explained by the theory of activation processes.

     

Das diffuse Himmelslicht in der hohen Atmosphäre

Summary Devices developped in our laboratory for measurement of the diffuse sky light were shot with the French rocket Véronique into the sky over the Sahara. The measurements are discussed in detail. The final result is given in Fig. 6 with a plot of the diffuse sky light of a unit air mass as a function of altitude. At first the emission decreases to a minimum value in the tropopause due to the Rayleigh scattering of air molecules. Then the values increase to a maximum at an altitude of 25 km that is attributed to solid particles existing in a zone over the tropopause. The periods for rotation and precession of the rocket could be determined owing to the sun looking into the device.     

Kontinuierliche Zählung von Atmosphärischen Kondensationskernen in St. Moritz

Zusammenfassung 1)Mit dem automatischen Kondensationskernzähler sind Messungen in St. Moritz in den Jahren 1953–1954, während insgesamt 12 Monaten, durchgeführt worden. 2) Es wird der Tagesgang der Stundenmittel der Kernzahlen pro Monat, ferner dasselbe an trüben und sonnigen Tagen und an Tagen mit verschiedener Windrichtung untersucht. 3) Der Verlauf der Kernzahlkurve in 2 verschiedenen Stationen in Basel und in einer Station in St. Moritz wird verglichen.

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Summary 1) With the automatic Condensation Nucleus Counter the number of atmospheric condensation nuclei was recorded during 12 months in the years 1952, 1953 and 1954. 2) The daily variation in middle values per month, the daily variation on sunny and cloudy days, and the daily variation at different wind directions are described. 3) The records in two different places in Basel and in St. Moritz are compared.

     

Die Bildung ionosphärischer Schichten bei beliebiger Temperaturverteilung in der Atmosphäre

Zusammenfassung Die Theorie der Schichtbildung durch eine monochromatische Strahlung wird für beliebige Temperaturverteilungen in der Atmosphäre erweitert. Unter gewissen Voraussetzungen ergeben sich durch Ionisation einer einzigen Komponente des Luftgemisches bereits zwei Maxima der Ionenbildung. Es wird vermutet, daß dieser Vorgang bei der häufig beobachteten Aufspaltung der F-Schicht in dieF ₁- undF ₂-Schicht vorliegt; aus der Theorie ergibt sich dann, daß die Temperatur in derF ₂-Schicht tiefer sein muß als in derF ₁-Schicht, weiters können verschiedene bisher bestandene Schwierigkeiten hinsichtlich derF ₂-Schicht behoben werden.

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Summary The ion-production of a monochromatic radiation in an atmosphere with variable temperature in various heights is considered. A stratification ofF-layer intoF ₁-andF ₂-layer appears by a heat zone between these layers. But always the temperature of theF ₂-layer is lower as this ofF ₁-layer. Thus some difficulties ofF ₂-layer can be removed.