Case study concerning the impact of solar activity upon potential gradient and air earth current in the lower troposphere

Summary From the years of 1968 and 1969, five periods were selected which are distinguished by the fact that at the recording site for potential gradientE and air earth currentI (at 3000 m a.s.l.), pure fine weather prevailed for 7 up to 20 days, and the site was persistently situated above the exchange layer. Thus, favorable conditions existed for the investigation of solar impact on the behavior ofE andI. The following parameters were compared withE andI during said periods: solar flares bursts of very high frequency waves,X and proton bursts, solar wind velocity, geomagnetic disturbances and storms, and solar 10 cm radiation flux. It became very apparent that a maximum of 10 cm flux was followed, after a few days, by a maximum ofE xI. This correlation is more pronounced than that existing betweenE xI and solar flares. The correlation ofE xI with other geophysical and astrophysical parameters is loose by comparison. The investigations have revealed that fine analyses such as have been attempted here, might be suited for clearing up, step by step, the actual causal relationship between a solar event and the behavior of the atmospheric electrical parameters.

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Zusammenfassung Aus den Jahren 1968 und 1969 wurden 5 Perioden ausgewählt, die sich dadurch auszeichnen, dass an der in 3000 m a.s.l. liegenden Registrierstation für PotentialgradientE und air earth currentI über 7–20 Tage hinweg reines Schönwetter herrschte und sich die Station anhaltend über der Austausch-Schicht befand. Günstige Voraussetzungen für das Studium solarer Einflüsse auf das Verhalten vonE undI waren damit gegeben. Mit dem Zeitverlauf dieser Grössen wurde während dieser Perioden verglichen: solar flares, Ultrakurzwellen bursts,X- und proton bursts, solar wind velocity, geomagnetische Störungen und Stürme, und solar 10 cm flux. Es zeichnete sich schr klar ab, dass wenige Tage nach einem Maximum des 10 cm flux ein Maximum vonE xI flogt. Diese Korrelation ist ausgeprägter als die zwischenE xI und solar flares. Die übrigen geo- und astrophysikalischen Parameter lassen eine vergleichsweise lose Korrelation mitE xI erkennen. Die Untersuchungen zeigen, dass sich Feinanalysen, wie sie hier versucht worden sind, dazu eignen könnten, die eigentlichen Kausalbeziehungen zwischen solarem Ereignis und Verhalten der atmosphärischelektrischen Parametern Schritt für Schritt aufzuklären.

     

Traces of NO 3 ′ ions contained in ice crystals influence charge separation upon crystal fragmentation

Summary If needle-shaped ice crystals are grown in an atmosphere containing traces of nitrous gases, the amount of electrical charge generated when sharp crystal points break away, is between 10 and 50 times as high as in the case of crystals grown in absence of nitrous gases A definite relation has been found to exist between the NO ₃ ion concentration of the ice crytals and the amount of charge (average value 2.7×10^–8, maximum value 13×10^–8 coulombs per gram of ice splinters) generated upon fragmentation. The relation found is possibly of importance with respect to thunderstorm electricity generation.Physikalisch-Bioklimatische Forschungsstelle der Fraunhofer-Gesellschaft, Garmisch-Partenkirchen.     

Ergebnisse luftelektrischer Messungen auf dem Zugspitzplatt in 2500 m Seehöhe

Zusammenfassung Zur Klärung spezieller Fragen wurde zusätzlich zu unseren laufenden synoptisch-luftelektrischen Registrierungen im Zugspitzgebiet (Wettersteingebirge, Bayerische Alpen) eine Meßexkursion in das «Zugspitzplatt» ausgeführt (August 1954). Es wurden auf dieser Hochfläche in 2500 m NN Registrierungen des Potentialgradienten, sowie Messungen der polaren Luftleitfähigkeiten mit Hilfe tragbarer Geräte ausgeführt. Durch eingehenden Vergleich der Potential-Registrierungen auf dem Zugspitzgipfel (Z) mit denen auf dem Zugspitzplatt (P) konnte festgestellt werden, dass die auf dem Berggipfel gewonnenen Messwerte, trotz ausgesetzter Lage der Station, als repräsentativ und frei von störenden Nebenerscheinungen angesehen werden können.Die frühere Feststellung, dass während Schneefall das luftelektrische Feld positiv, während Regen aber negativ gerichtet ist, wurde auch für diese Seehöhe (StationP) bestätigt. An Tagen mit ausgeprägter Konvektion ist das austauschbedingte Hochtragen von Kernen und Grossionen bis in die Höhe von 2500 m deutlich an der Abweichung des Tagesganges der Feldstärke beiP von dem am Gipfel gemessenen Gang festzustellen. Bei Nebel, der aus tiefer liegenden Wolkenniveaus (Str, Str-cu) hochgetragen wird, verhalten sich Potentialgradient und polare Leitfähigkeiten an StationP wie in geringen Seehöhen. Kommt die StationP in den Bereich abwärtsgerichteter Strömungen, so treten gelegentlich deutliche, isolierte Anstiege allein der negativen Leitfähigkeit auf. Es wurde festgestellt, dass die Unterseite einer stehenden, linsenförmigen Hinderniswolke negative Raumladungen, deren Oberseite jedoch wahrscheinlich positive Raumladungen trägt. An der Ober- bzw. Vorderseite dieser Wolke konnten deutlich isolierte Anstiege der negativen Leitfähigkeit festgestellt werden.

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Summary Besides our continuous synoptic records of the air-electric elements in the region of the Zugspitze (Wetterstein Mountains, Bavarian Alps) a measuring excursion has been undertaken to the «Zugspitzplatt» in order to clarify some special questions (August 1954). On this plateau, 2500 meters above sea level, readings of the potential gradient have been recorded with a transportable instrument and the polar conductivities of the air have been measured. Comparing exactly the readings recorded on the Zugspitze-Peak (Z, 2963 meters above sea level) with those recorded on the Zugspitzplatt (P) we could show that the values measured on the peak — in spite of the exposed situation of this station — have to be considered as representative and free from disturbing secondary phenomena.Our former observation that the accessory potential gradient during snow-fall has a positive sign, and during rain shows a negative one, has been confirmed. On days when convection prevails, the deviation of the diurnal variation of the potential gradient onP from the diurnal variation onZ indicates distinctly the elevation up to 2500 m, caused by the exchance, of nuclei and large ions. During fog lifted up from lower cloud levels (stratus, stratocumulus) potential gradient and polar conductivities on stationP show the same behaviour as in low altitudes. If stationP is reached by descending currents, the negative conductivity sometimes is clearly observed to rise separately. It has been noticed that on the base of a standing lenticular crest cloud there are free electric charges of negative sign, and on the upper surface, probably, positive ones. On the surface or fore part of these clouds a separate increase of the negative conductivity could be measured distinctly.

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Aus der Physikalisch-Bioklimatische Forschungsstelle München AB 830. The research reported in this article has been sponsored by the Geophysics Research Directoriate of the Air Force Cambridge Research Center,Air Research and development Command, United States Air Force, under contract AF (514)-732-C, through the European Office, ARDC.     

New results regarding the influence of solar activity on the stratospheric-tropospheric exchange

Summary The dependence of stratospheric intrusions on solar events is analyzed on the basis of 8-years' recordings of the concentration of stratospheric radionuclides and the ozone at 3 km altitude, as well as of the atmospheric profile of the ozone concentration and the total ozone.A significant, even though weak influence of solar magnetic sector structure boundary passages of type-/+ can be identified, a seasonal influence, however, is also observed. The strong 50 to 80% increase in the frequency of stratospheric intrusions after solarH -flares is significant and completely independent of the phase of the solar cycle and season. The total atmospheric ozone shows also a correlation with solar flares: A well defined maximum on the day preceding the flare. The neutron density clearly shows the Forbush decrease on theH -key day. Using key days with Forbush minimum for the superposed epoch analysis reveals a significant maximum of the Be 7-concentration on the day before the flare (rise by about 45 to 60%).Notable is the following sequence: Approximately 3 days before the solar flare the neutron density begins to decrease, 1 to 2 days before the flare the total atmospheric ozone maximizes, and 2 to 3 days after the flare one finds the maximum of the Be 7 in the troposphere as a consequence of the stratospheric intrusion.Around days with maximum Be 7-concentration the reliability of weather forecasts is clearly reduced — a fact, which at this point is obviously indicative of an acute activation of a labile atmospheric condition.We selected some characteristic individual cases to demonstrate by means of tables the time lapse of typical solar atmospheric and geophysical variables associated with solar flares. The attendant structures of the vertical ozone profile are discussed.Some preliminary reflections on a physical link are set forth.

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Neue Ergebnisse über den Einfluß der Sonnenaktivität auf den stratosphärisch-troposphärischen Austausch

Zusammenfassung Anhand 8jähriger Registrierungen der Konzentration stratosphärischer Radionuklide und des Ozon in 3 km Höhe sowie des atmosphärischen Profils der Ozon-Konzentration und des Gesamt-Ozon wird die Abhängigkeit stratosphärischer Lufteinbrüche in die Troposphäre von solaren Ereignissen analysiert.Ein signifikanter, wenn auch schwacher Einfluß von Sektordurchgängen des interplanetarischen Magnetfeldes beim Polaritätswechsel vom Typ-/+ läßt sich nachweisen, jedoch geht ein jahreszeitlicher Einfluß mit ein.Signifikant und völlig unabhängig von der Phase des solaren Zyklus und der Jahreszeit ist die starke Zunahme der Häufigkeit bzw. der Stärke von stratosphärischen Lufteinbrüchen 2 bis 3 Tage nachH -Eruptionen (Zunahme um 50 bis 80%). Das atmosphärische Gesamt-Ozon zeigt ebenfalls eine Korrelation mitH -Eruptionen: Ein gut ausgeprägtes Maximum am Tag vor der Eruption wird festgestellt. Die Neutronendichte zeigt amH -Stichtag deutlich den Forbush-Effekt. Verwendet man Stichtage mit einem Forbush-Effekt für die Überlagerungs-Analyse, so findet man am Tage vor dem Stichtag ein signifikantes Maximum der Be 7-Konzentration (Anstieg um 45–60%). Auffallend ist die folgende Zeitfolge: Etwa 3 Tage vor derH -Eruption beginnt die Neutronendichte abzusinken, 1 bis 2 Tage vor der Eruption erreicht das atmosphärische Gesamt-Ozon das Maximum, 2 bis 3 Tage nach derH -Eruption findet man das Maximum des Be 7 in der Troposphäre als Folge der stratosphärischen Lufteinbrüche.Um Tage mit maximaler Be 7-Konzentration ist die Treffsicherheit von Wetterprognosen eindeutig reduziert. Man hat es also zu diesem Zeitpunkt offensichtlich mit der akuten Aktivierung eines labilen atmosphärischen Zustandes zu tun.Anhand von Tabellen wird der zeitliche Ablauf von charakteristischen solaren atmosphärischen und geophysikalischen Größen im Zusammenhang mit solaren Ereignissen für einige charakteristische Einzelfälle dargelegt. Die zugehörigen Strukturen des vertikalen Ozon-Profiles werden besprochen.Einige vorläufige Gedanken über einen Kausalzusammenhang werden dargelegt.

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With 12 Figures