Das luftelektrische Erscheinungsbild des Südföhns in den Nordalpen nach synoptisch-klimatologischen Untersuchungen im Wettersteingebirge 1955 bis 1959

Zusammenfassung Die Arbeit bringt alle Erfahrungen über Föhn in luftelektrischer Hinsicht, die im Laufe von fünf Jahren durch Registrierungen, Messungen und Beobachtungen vor allem im Raum des Wettersteingebirges bei Garmisch-Partenkirchen gewonnen wurden. Es stand hierfür ein Netz von sieben ständig betriebenen Stationen zur Verfügung, zwei weitere Stationen wurden 1958 während einer zweimonatigen Exkursion auf dem Zugspitzplatt (2600 m NN) unterhalten. Diese neun Stationen lagen in einigermaßen gleichmäßiger Höhenstaffelung zwischen 675 und 2963 m NN. Ihre Basisentfernungen waren relativ gering. Alle neun Stationen registrierten den luftelektrischen Potentialgradienten, vier der sieben ständigen sowie eine der beiden vorübergehenden Stationen registrierten zusätzlich den luftelektrischen Leitungsstrom. Als weitere Elemente des Komplexes Luftelektrizität und Aerosol wurden registriert bzw. gemessen: positive und negative Kleinionen, positive und negative Luftleitfähigkeit, natürliche und künstliche Radioaktivität der Luft, Kondensationskerne (Aitkenkerne), Luftverunreinigung, Spitzenstrom und Atmospherics. Ein tragendes Grundprinzip der Arbeit ist die synoptische Verwertung der Daten des relativ dichten und auch in die Vertikale reichenden Stationsnetzes, mit dessen Hilfe ein dreidimensionaler Ausschnitt der Atmosphäre überschaubar wird. Die Einheitlichkeit der verwendeten Methoden sowohl in der räumlichen als auch in der über Jahre gehenden zeitlichen Erstreckung trägt zur Festigung der Ergebnisse und Schlüsse bei.Aus dem Beobachtungsmaterial wird abgeleitet, daß Föhnlagen sich nicht dadurch auszeichnen, daß sich bestimmte luftelektrische Einzelgrößen dabei besonders oder außergewöhnlich verhalten würden. Typisch für den Föhn ist vielmehr ein ganz bestimmter Akkord der luftelektrischen (und meteorologischen) Elemente, wobei sich innerhalb des Stationsnetzes wiederum typische Variationen bemerkbar machen.Luftelektrisch gesehen, konnten zwei Föhntypen unterschieden werden: Bei Typ I sind die Kurven des Potentialgradienten und des Leitungsstromes sehr glatt, der Potentialgradient ist anhaltend erniedrigt, die Werte des Leitungsstromes und der Kleinionendichte sind erhöht. Kennzeichnend für Föhntyp II ist ein extrem unruhiger Verlauf der Potentialgradient- und Leitungsstromkurven bei stark erhöhten Werten an den Talstationen; er ist immer mit dem Vorkommen von Schneefegen an den Gebirgskämmen mehr oder weniger weit südlich der Registrierstationen gekoppelt. Häufig besteht bei Föhntyp II eine Bodeninversion.Für beide Föhntypen werden repräsentative Einzelbeispiele gebracht. Außerdem wurde das gesamte Beobachtungsmaterial der Jahre 1955 bis 1958 statistisch verarbeitet, um für die sieben Stationen, d. i. im Schnitt durch die Atmosphäre bis rund 3000 m NN, das luftelektrische und meteorologische Bild eines mittleren Föhntages für beide Typen abzuleiten. Die bei Föhn gesammelten Ergebnisse sind übrigens nicht nur zur Erweiterung unserer Vorstellungen über den Föhn an sich von Bedeutung, sondern geben auch Hinweise zu anderen geophysikalischen Problemen, so etwa auf dem Gebiet der Wolkenphysik (z. B. durch die Erfahrungen hinsichtlich der Ladungstrennung beim Zusammenprall und Zerbrechen von Eiskristallen), zur Frage der atmosphärischen elektrischen und elektromagnetischen Wellenvorgänge (durch Registrierungen von Stationen, die sich gerade in der Grenzschicht zwischen Föhn und positiv geladener, schwingender Inversionsoberseite befinden) sowie zur Frage des Ionisationsgleichgewichtes und der Beziehungen zwischen Kleinionen- und Kondensationskerndichte, denn in der Föhnströmung sind ja die Kondensationskerndichten besonders niedrig und außerdem ist—in den Nordalpen—die natürliche Luftradioaktivität während des Föhns erhöht.Bioklimatische Gesichtspunkte werden lediglich angedeutet.

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Summary In this paper the author summarizes data, results of evaluations, and experiences in the field of atmospheric electricity, as far as connected with foehn situations. The observations were mainly made in the region of Garmisch-Partenkirchen (Wetterstein Mountains, Northern Alps) and cover a period of five years. Seven recording stations with heights between 675 and 2963 m above sea-level were operated permanently, two further stations were operated on the Zugspitzplatt (2600 m) during two months in 1958. All the nine stations have relatively small distances from each other. At each of the nine stations the atmospheric electrical potential gradient was recorded, at four of the permanent stations and at one of the temporary stations the air-earth current was recorded, too. Further there were recorded or measured positive and negative small ions, positive and negative conductivity, natural and artificial radioactivity of the air, condensation nuclei, air pollution, point discharge current, and sferics. A characteristic of this investigation is that a dense network of stations extending also in the vertical direction yields a synopsis of a small three-dimensional portion of the atmosphere, and that uniformly without interruptions through years.It is pointed out that a foehn situation is not distinguished by a special or extraordinary behaviour of single atmospheric electrical elements, but by a typical accord of the atmospheric electrical and meteorological elements, with typical spatial variations of them within the network.From the point of view of atmospheric electricity two main types of foehn were found: Type I shows lowered and smooth potential gradient curves at all stations, further increased and smooth curves of conduction current, increased concentrations of small ions, etc. Foehn of Type II, amongst other characteristics, shows increased and extremely agitated curves of potential gradient and conduction current at the valley stations. Type II is observed when there is drifting snow at the mountain ridges south of the recording stations and mainly in cases where the foehn current does not reach the bottom of the valley.Both types are illustrated here by examples. Beyond this, the data obtained at the seven permanent stations during four years were reduced to average foehn days of both types. The observations made during foehn, however, have interest not only for our knowledge of this weather situation itself but give results which are also important for studies on cloud physics (experience on charge separations caused by breaking and impact in drifting snow), on atmospheric electric and electromagnetic waves (records of stations just being in the boundary layer between foehn current and positively charged upper surface of an inversion), for the investigation of the ionization equilibrium and of the relations between the concentrations of small ions and condensation nuclei (there are special conditions because of the low concentrations of condensation nuclei in the foehn current and because of the increased natural radioactivity of air during foehn in our region), etc.Bioclimatological points of view are mentioned, only.

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Résumé La présente étude groupe les résultats obtenus depuis cinq ans au sujet de l'aspect électrique du foehn grâce à des mesures faites dans la région du Wetterstein près de Garmisch-Partenkirchen où se trouvait un réseau de 7 stations fixes ainsi que 2 stations installées pendant une excursion de deux mois au Zugspitzplatt (2600 m.). Ces 9 postes étaient répartis entre 675 et 2693 m. et se trouvaient peu éloignés les uns des autres; tous enregistraient le gradient de potentiel, 5 le courant de conductibilité en sus. En outre on enregistrait ou mesurait: les petits ions positifs et négatifs, la conductibilité positive et négative, la radioactivité naturelle et artificielle de l'air, les noyaux de condensation, la pollution et les parasites. Le principe de base est l'utilisation des données du point de vue synoptique. L'uniformité des méthodes et leur application à longue échéance donne du poids aux résultats.On constate que les situations de foehn ne se distinguent pas par des valeurs extraordinaires des différentes grandeurs de l'électricité de l'air. Les éléments électriques et météorologiques présentent entre eux, par foehn, un accord caractéristique, tandis qu'à l'intérieur du réseau il y a des variations typiques. On peut distinguer deux types de foehn. Type I avec courbe lisse du gradient de potentiel et du courant de conductibilité; le gradient de potentiel est anormalement faible, le courant de conductibilité est accru ainsi que la densité des petits ions. Type II avec marche très agitée du gradient de potentiel et du courant (valeurs accrues aux stations basses); le foehn de type II est toujours accompagné de chasse-neige sur les crêtes au Sud; il y a souvent inversion au sol.Exemples des deux types de foehn. En outre tout le matériel d'observation des années 1955 à 1958 a été traité de façon à obtenir une image de l'état moyen de l'atmosphère jusqu'à 3000 m. pour les deux types. Les résultats trouvent également leur application à d'autres problèmes tels que la rupture de charge par heurts et bris de cristaux, les phénomènes concernant les ondes électromagnétiques, l'équilibre d'ionisation, la relation entre les petits ions et la densité des noyaux de condensation. Les points de vue biologiques ne sont qu'esquissés.

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Mit 23 Textabbildungen

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The research reported in this document has been sponsored in part by the Geophysics Research Directorate of the Air Force Cambridge Research Center, Air Research and Development Command, United States Air Force, under Contract AF 61 (514)-732-C, AF 61 (514)-949 and AF 61 (052)-55, through the European Office, ARDC.Die Auswertungen der Schönwetter-Registrierungen wurden durch Sachbeihilfen seitens der Deutschen Forschungsgemeinschaft möglich gemacht.Die Luftradioaktivitätsmessungen wurden aus Zuschüssen des Bundesministeriums für Atomkernenergie und Wasserwirtschaft an das Institut für Gesteinskunde der Universität München bestritten.     

Die Steuerung des vertikalen Austauschkoeffizienten durch die Temperaturstruktur in der unteren Troposphäre

Zusammenfassung Zwei unabhängige Verfahren zur direkten Bestimmung des vertikalen Austauschkoeffizienten auf dem Wege über Aerosolmessungen werden über lange Zeiträume hinweg angewandt um gesicherte Beziehungen zwischen Austauschkoeffizient und meteorologischen Zustandsgrössen, vorallem des vertikalen Temperaturgrdienten, in der unteren Troposphäre zwischen 700 und 3000 m NN abzuleiten. Das eine Verfahren beruht auf der Messung der RaB-Konzentration in der Luft in 700, 1800 und 3000 m NN, das andere in der aerologischen Registrierung der totalen Luftleitfähigkeit zwischen 700 und 1800 m. Im ersten Falle können aus den mittleren Konzentrations gradienten die mittleren Austauschkoeffizienten direkt berechnet werden, im zweiten werden die Luftleitfähigkeitswerte zunächst in Partikelkonzentrationen umgerechnet. Diese gestatten die Be rechnung von differentiellen Austauschkoeffizienten über beliebig kleine Höhenintervalle. Die wichtigsten Ergebnisse sind: a) Der mittlere Austauschkoeffizient zwischen 700–800 und 1800–300 m lässt sich bei geringer statischer Streuung als Funktion des mittleren Temperaturgradienten in der jeweiligen Schicht angeben. Nebeneinflüsse: Luftkörperwechsel, Kondensationswärme, Windscherung. b) Der mittlere Austauschkoeffizient lässt sich als Funktion der Stabilitäenergie in der betrachteten Schicht darstellen, Nebeneinflüsse wie bei a). c) Der Austauschkoeffizient durch eine Inversionsschicht hindruch ist eine Funktion des grössten positiven Temperaturgradienten in der Inversion. d) Der vertikale Austausch durch eine beliebig dicke Schicht hindurch wird im wesentlichen durch den kleinsten differentiellen Austauschkoeffizienten innerhald dieser Schicht bestimmt. — Schliesslich werden Ergebnisse über Feinstrukturuntersuchungen im Bereich von Unstetigkeitsschichten mitgeteilt.

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Summary The vertical-mass-exchange coefficient was determined from aerosol measurements by two independent methods; the measurements were kept up for a considerable period of time. Thus, well-substantiated relationships between the exchange coefficient on the one hand and meteorological parameters — especially the lapse rate — on the other were found to exist in the lower troposphere between 700 and 1800 m.The first of the two methods is based on measurements of RaB concentration in air at 700, 1800 and 3000 m, the second on recordings of soundings of overall air conductivity between 700 and 1800 m a.s.l. In the first case, mean exchange coefficients were computed from RaB concentration gradients given as averages from RaB measurements at the above-specified levels; in the second, the air conductivity data were used to compute particle concentration profiles, from which incremental exchange coefficients can be computed for thin-layer increments. The latter may be made as thin as is consistent with the vertical resolution of the soundings. The major results obtained were the following: a) The mean exchange coefficient for the 700–1800 and the 1800–3000 m layer is found to be a function of the average temperature lapse rate in the respective layer; this relationship is subject only to some slight statistic alscatter, and is affected in some measure by air-mass changes, wind shear and heat of condensation. b) The mean exchange coefficient is a function of the stability energy of the layer concerned, subject to the influences listed in a). c) The exchange coefficient of an inversion layer is a function of the greatest inverse lapse rate existing in any part of the inversion. d) Vertical mass exchange in or through a layer of any thickness is primarily determined by the lowest incremental mass-exchange coefficient of any thinner layer contained therein. — The study is supplemented by results of fine-structure analyses of discontinuity layers and their surroundings.

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Die Beschaffung der Einrichtungen, die Durchführung und Auswertung der Messungen wurde durch Mittel der US Army, European Research Office (Verträge DA-91-591-EUC-3936, DAJA-37-67C-0254 und DAJA-37-68C-0331) und des Bundesministeriums der Verteidigung der Deutschen Bundesrepublik ermöglicht. Für die grosszügige Förderung der Arbeiten haben wir sehr zu danken.     

On radioactive equilibrium in atmospheric aerosols at 700 and 1800 m a.s.l., as influenced by particle size and vertical mixing activity

Summary Data from simultaneous measurements of RaB and RaC concentration in atmospheric aerosols, taken at sites located roughly 700 and 1800 m a.s.l., are used to elucidate the relation of the ratio of the specific activities of RaB and RaC in aerosol particles on the one hand to the intensity of vertical mixing and the size of the aerosol particles on the other. The empirical relationships as found from a 15-month period of uninterrupted measurements are presented. Radioactive equilibrium is more nearly approached in aerosol particles of more than one micron in diameter than in smaller ones (including the smallest measurable sizes); this holds invariably — and for all height levels. The degree of approach to RaB/RaC equilibrium is the lowest for low altitude (700 m) and negligible vertical mixing: 65% to 75%. At the low-altitude site this figure increases to 80%–90% as the intensity of vertical mixing reaches higher levels. At 1800 m a.s.l., the degree of approach to RaB/RaC equilibrium is nearly 100% when vertical mixing is negligible, and declines with increased vertical mixing activity to a level of only 60–70% for conditions involving strong vertical mass exchange.

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Zusammenfassung Simultane Messungen der RaB- und RaC-Konzentration des atmosphärischen Aerosols an benachbarten Stationen in ca 700 und ca 1800 m a.s.l. werden benutzt um die Abhängigkeit des Verhältnisses der spezifischen Aktivitäten RaB/RaC auf Aerosolpartikeln von der Stärke des Vertikalaustausches, und von der Grösse der Aerosolpartikel abzuschätzen. Es werden die während einer 15-monatigen kontinuierlichen Meßperiode gesammelten empirischen Erfahrungen dargestelit. Die Annäherung an das radioaktive Gleichgewicht ist an Aerosolpartikeln vonD>1 m stets und unabhängig von der Seehöhe weiter fortgeschritten, als an den kleineren und kleinsten Partikeln. Der Grad der Gleichgewichtseinstellung RaB/RaC ist in niedriger Höhe (700 m) bei sehr schwachem Austausch am geringsten (65–75%) und steigt mit wachsender Austauschstärke bis zu einem Maximum von 80–90% an. Umgekehrt nimmt in 1800 m der Grad der Gleichgewichts-einstellung RaB/RaC von nahe 100% bei sehr schwachem Austausch bis auf 60–70% bei starkem Austausch ab.

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The research reported in this paper has been sponsored by the European Research Office, United States Army under Contract DAJA 37 67C 0254, and the Department of Defense of the Federal Republic of Germany.

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Physikalisch-Bioklimatische Forschungsstelle of the Fraunhofer Gesellschaft, in Garmisch-Partenkirchen. (Director: Dr.R. Reiter.)     

Synoptisch-luftelektrische Daueruntersuchungen im Hochgebirge im Dienste der Meteorologie

Zusammenfassung Zur Erforschung von Beziehungen zwischen luftelektrischen Phänomenen in verschiedenen Höhenstufen und zahlreichen meteorologischen Vorgängen wurden seit einigen Jahren im Alpenbereich Dauerregistrierungen des statischen luftelektrischen Feldes ausgeführt. Es dienten hierzu das StationspaarOberstdorf (815 m) undNebelhorn (1930 m) im Allgäu sowie die StationenGarmisch-Partenkirchen (705 m),Eibsee (1000 m),Riffelriss (1640 m) undZugspitze (2963 m) im Wetter-steingebirge. — Anhand von typischen Kurvenbeispielen werden folgende Beziehungen besprochen: 1)Untersuchungen von Lokaleffekten an den Tal- Hang- und Gipfelstationen, ausgelöst durch:a) verschiedene Aerosole (Staub, Rauch, Dunst, Nebel usw.);b) orographisch bedingte Windsysteme (Berg-Talwind, Hangwind);c) Föhnerscheinungen. — 2)Synoptisch-Luftelektrische Beobachtungen, und zwar:a) Verhalten des luftelektrischen Feldes über und unter Inversionsschichten, Dunstgrenzen und Konvektionsgrenzen zum Studium des Verhaltens der Grundschicht (Schneider-Carius);b) Erforschung der vertikalen Ladungsverteilung in stratiformer Bewölkung (Untersuchungen über polarisierte Wolkenschichten);c) Erforschung der vertikalen Ladungsverteilung in Turbulenzbewölkung zum Studium des elektrischen Aufbaus von Schauer- und Gewitterwolken unter Berücksichtigung ihrer zeitlichen Entwicklung;d) Studien über den vertikalen Luftmassenaustausch;e) Studien über das Verhalten des luftelektrischen Feldes bei Niederschlägen verschiedener Art insbesondere bei Phasenwechsel.

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Summary In order to investigate the relations between atmospheric electric phenomena in different altitudes and various meteorological processes, continuous automatical recordings of the statical atmospheric potential gradient have been performed in the alpine region since several years. — Two stations in the Allgäu Mountains:Oberstdorf (815 m) andNebelhorn (1930 m) and four stations in the Wetterstein Mountains:Garmisch-Partenkirchen (705 m),Eibsee (1000 m),Riffelriss (1640 m) andZugspitze (2963 m) serve to this purpose. — Using typical curves, we demonstrate the results of the study of the following problems: 1) Local effects at both valley stations and mountain stations, caused bya) various aerosols (dust, smoke, vapour, fog, etc.),b) winds, conditioned by orographical circumstances,c) foehn; 2) Synoptical problems of the atmospheric electricity:a) the behaviour of the atmospheric potential gradient both above and below inversions and superior limits of convection in order to study the status of the fundamental layer of the atmosphere («Grundschicht»,Schneider-Carius),b) the vertical variation of the electric charge in sheet clouds (polarisations of sheet clouds),c) the vertical variation of electric charge in shower and thunderstorm clouds in order to study their electric structure and chronologic development.d) vertical exchange of air masses,e) the behaviour of the atmospheric potential gra- dient during various forms of precipitation, especially if there is a change of the phase.

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Vortrag gehalten auf der 3. Internationalen Tagung für Alpine Meteorologie in Davos, April 1954.     

Intercomparison of New Zealand filter ozonometer and Dobson spectrophotometer total ozone measurements

A commercial version of the prototype New Zealand narrowband interference filter instrument has been run at Garmisch-Partenkirchen since autumn 1977. The vicinity of the Dobson stations Hohenpeissenberg and Arosa permitted a check of the filter instrument's utility, reliability and long-term stability in total ozone measurement by (i) station to station-or short-range intercomparisons of daily means and (ii) a several days' direct intercomparison at Arosa in spring 1978.The regression analysis with the Hohenpeissenberg data-covering the five month autumn-winter 1977/78 period with highly variable ozone-shows that the filter instrument's direct-sun modeX _AD total ozone values were systematically too low by a conversion factor of 0.93. The excellent proportionality between the instruments is indicated by the standard deviation of only 1,3%. The (–7.0±1.3%) bias perfectly agrees with the result reported byBasher [1] for a similar, yet direct, intercomparison.During the direct Arosa intercomparison the filter instrument also tracked down short-time variations in a remarkable, though biased, parallelism with the Dobson instruments, and theX _AD daily means fit well into the prognostic relationship derived from the preceding autumn-winter short-range intercomparison.A creeping deterioration of the characteristics of the 305.5 nm double filter then prevented any furtherX _AD total ozone intercomparison. No final decision is possible whether this behaviour after a half year's run is typical or just an unusual exception. The otherwise excellent long-term stability is demonstrated by the comparison of theX _CD daily means with the HohenpeissenbergX _AD data for a 1 1/2 year's period (autumn 1977–spring 1979), resulting in the same bias relationship as for theX _AD total ozone measurements.