Spaltprodukt-Radioaktivität in Niederschlägen,auf Gletscherflächen,in Gräsern und Tierorganen nach Messungen in verschiedenen Höhenlagen der Nordalpen in den Jahren 1957 bis 1960

Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit gibt einen Überblick über Messungen der künstlichen Beta- und Gamma-Radioaktivität (Spaltproduktaktivität) in Niederschlägen, auf einer Gletscherfläche und in Gras- und Tierorganproben. Das Wesentliche der Untersuchung liegt nicht allein in der lückenlosen zeitlichen Erfassung aller dieser Größen seit 1957/58, sondern vor allem in der synchronen Bestimmung der Aktivitätswerte in Proben, die gleichzeitig in verschiedenen Höhenlagen gewonnen worden sind (Niederschlag, Grasaschen). Diesem Zwecke dient ein alpines Stationspaar mit relativ großem Höhenunterschied (1,1 km) bei kleinem Basisabstand (2,5 km). Die Sammlung von Gletschereisproben erfolgte in Höhen von etwa 2600 m NN. Zusätzlich zu den Bestimmungen der Gesamt-, Beta- und Gamma-Radioaktivität der Proben wurden chemisch-radiologische Isotopenanalysen ausgeführt.Aus dem Vergleich der in verschiedenen Höhen gewonnenen Proben ergibt sich, daß, während die spezifische Niederschlags-Radioaktivität auf dem letzten Kilometer Fallweg noch um im Mittel 20% ansteigt, die mittlere Zufuhr von Aktivität zum Boden an der Bergstation etwa gleich der an der Talstation (wegen unterschiedlicher Niederschlagsmengen) ist. Die spezifische Radioaktivität in den Grasaschen nimmt mit steigender Höhenlage des Probenahmeortes stark zu; diese Höhenabhängigkeit der Kontamination kann nicht durch unterschiedliche Aktivitätszufuhr zum Boden in Abhängigkeit von der Höhe erklärt werden. Auch zeigen die Gräser aus verschiedenen Höhen keine Unterschiede bezüglich Wasser- und Mineraliengehalt, die den Höheneffekt der Kontamination erklären könnten. Die auf Gletscherflächen gefundene Konzentration an Kernspaltprodukten ist sehr hoch (maximal mehrere 1000·10^–7 C/cm³). Ihre zeitlichen und örtlichen Abhängigkeiten werden studiert.Eine besonders eingehende Auswertung erfahren die in Niederschlägen gefundenen Werte der Radioaktivität, vor allem auch in bezug auf meteorologische Bedingungen (z. B. Labilität), den zeitlichen Abfall der Aktivität (Bestimmung der Explosionszeitpunkte) und die Beziehung zur Luftradioaktivität (wash out-Effekt). Es zeigt sich, daß die Niederschläge sehr oft Aktivität zur Erdoberfläche zurückführen, die, an Feinstaub gebunden, durch Luftbewegung vom Boden aufgewirbelt worden war; dadurch entsteht eine Verfälschung der Aktivitätsmessung im Niederschlag. Niederschläge, die an Hochstationen aufgefangen werden, liefern verläßlichere Werte in bezug auf künstliche Radioaktivität aus dem Wolkenniveau, da sich die Aufwirbelungsvorgänge nur in den untersten 100 m der Atmosphäre abspielen.

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Summary Measurements of artificial and radioactivity in precipitation, on glacier surfaces, and in samples of grass and animal matter are described. The observations have been carried out regularly since 1957/58. Samples from different altitudes have been taken simultaneously at two alpine stations (altitude difference 1,1 km, horizontal distance 2,5 km). Glacier ice was sampled at an altitude of 2600 m. In addition to the determinations of radioactivity, analyses of radio-isotopes were carried out.Comparison of the results from different altitudes shows that the specific radioactivity of precipitation during the last kilometre of its fall increases by about 20%, while the mean addition of radioactive matter to the ground is about equal at the upper and lower station (due to the different amounts of precipitation). The specific radioactivity of grass ashes shows a marked increase with altitude which cannot be explained by a different supply of radioactive matter to the ground. The grass in different altitudes shows no differences in water and mineral content which might otherwise explain the dependence on altitude of radioactive contamination. The concentration of nuclear fission products found on glacier surfaces is very high (maximum several 1000·10^–7 C/cm³).The radioactivity of precipitation with respect to the general meteorological conditions (e. g. instability), the decrease with time (after date of nuclear explosion), and the relationship to radioactivity of the air (wash-out effect) are discussed in detail. Measurements of the radioactivity of precipitation are often biased by radioactive dust carried off the ground by turbulence. Therefore, the most reliable determinations of radioactive contamination from the cloud level are obtained by using the precipitation at high altitude stations.

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Résumé Des mesures de la radioactivité et artificielle (produits de fission) de la précipitation, de la surface d'un glacier, de l'herbe et d'organes animaux faites depuis 1957/58 de façon continue ont fourni des valeurs provenant simultanément d'altitudes différentes. Elles ont été faites à deux stations alpines distantes de 2,5 km et à 1,1 km l'une au-dessus de l'autre; la glace fut récoltée á 2600 m. L'analyse des échantillons porta sur la teneur radioactive et la présence d'isotopes.Alors que la radioactivité de la précipitaton augmente de 20% au cours du dernier kilomètre de chute, l'activité fourni au sol est la même aux deux stations d'en haut et d'en bas. La radioactivité spécifique des cendres d'herbe augmente avec l'altitude, mais cela ne peut tenir à des différences de l'apport d'activité au sol ni à la teneur en sels minéraux ou en eau. Sur le glacier la concentration en produits radioactifs est très élevée.Il arrive que la précipitation ramène au sol des produits de fission souleveés de terre avec de fines poussières ce qui fausse les mesures relatives aux précipitations. Celles-ci sont plus sûres lorsqu'on les effectue à la montagne puisque les enrichissements par les poussières soulevées sont limités aux premiers cent mètres de l'atmosphère.

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Mit 17 Textabbildungen

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Zur Zeit Farchant bei Garmisch, Oberbayern, Bundesrepublik Deutschland.     

Die elektrische Ladung eines ausgedehnten,isolierten Cirrus nothus

Zusammenfassung Bis heute vorliegende direkte Messungen von Grösse und Polarität elektrischer Ladungen in verschiedenen Stockwerken von Gewitterwolken mittels Sondierungen verschiedener Art liefern noch kein widerspruchsfreies Bild. Unter gewissen günstigen Umständen erlauben kontinuierliche synoptisch-luftelektrische Registrierungen an Stationen in verschiedenen Höhen wertvolle ergänzende Einblicke. Es wird über Meßergebnisse unter einem weit ausladenden, vom inzwischen abgestorbenen Gewitterherd abdriftenden Amboßschirm (Cirrus nothus) berichtet. Seine Ladung war einheitlich positiv und betrug maximal 2.5·10^–8 Cb/m² (die Wolke als sehr dünne Schicht betrachtet). Sie schwankte jedoch stark als Folge von Turbulenz und der Inhomogenität der Ladungsverteilung. In Übereinstimmung mit anderen, ähnlichen Beobachtungen kann der Amboß einer Gewitterwolke als grundsätzlich positiv geladen gelten. Als Gesamtladung des Cirrus nothus über dem Generator können +150 Cb geschätzt werden.

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Summary The results of direct measurements of the magnitude and sign of electrical charges at different levels in thunderstorm clouds, as derived from soundings of various types, do not, as yet, furnish a consistent picture. Under specific favorable circumstances, valuable additional information may be gained by using continuous, synoptic atmospheric-electrical recordings made at fixed sites at different elevations. — Results of measurements below an extensive anvil cloud (cirrus nothus) are stated. This cloud was drifting away from its source — an extinct thunderstorm cell — at the time the observation was made. The charge of this sheet cloud was consistently positive with a maximum of 2.5·10^–8 Cb/m². — In this study, the cloud is treated as a very thin layer; we must, however, bear in mind that there are marked intracloud variations on account of turbulence and irregular charge distribution. As in other, similar cases, the anvil of a thunderstorm cloud may be regarded as bearing positive space charge. The total charge of the anvil cloud above the generator cell may be estimated to be +150 Cb.

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Physikalisch-Bioklimatische ForschungsstelleGarmisch-Partenkirchen der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung.     

Solar flares and their impact on potential gradient and air-earth current characteristics at high mountain stations

Summary Recordings of potential gradient and air-earth current in fair-weather conditions were made at high-elevation mountain stations; the latter were generally above the vertical-mixing layer and not disturbed by local sources. Both electrical quantities increased significantly from the day of appearance of a solar flare (or a maximum incidence of flares) till the fourth day after the event. Peak potential gradient and air-earth current exceed the normal levels measured during quiet-sun conditions by 50–60% in terms of averages. This result was compared with sferics incidence data and daily geomagnetic coefficients grouped around the selected (flare) dates. Both of the latter quantities show time histories (for the days preceding and following the selected dates) closely correlated with the atmospheric-electrical histories of the same intervals. We may conclude from these results that the total potential between the ground and the upper atmosphere increases for several days after solar flares. The results obtained by previous studies on Mauna Loa confirm this inference. The cause of the phenomenon is presumed to be enhanced thunderstorm activity attendant on solar disturbances.We wish to thank the Deutsche Forschungsgemeinschaft for a grant taht enabled us to carry out the studies described in this paper     

Registrierung des Potentialgradienten,Messung der polaren elektrischen Leitfähigkeit der Luft sowie der relativen Luftradioaktivität und Bestimmung des No2′-Gehaltes von Niederschlägen und Nebeln auf dem Zugspitzplatt (2580 m NN) im Sommer 1955

Zusammenfassung Es wird über die Ergebnisse einer Exkursion auf das Zugspitzplatt (2580 m NN, Wettersteingebirge, Nordalpen) im Sommer 1955 (15.August-21. . September) berichtet. Es wurden dort registriert: Potentialgradient, Temperatur, Feuchte, Windgeschwindigkeit, Sonnenstrahlung. Es wurden gemessen: totale, sowie positive und negative elektrische Leitf?higkeit der Luft (je 950 Messungen), Zahl der Kondensationskerne (1025 Messungen), relative Radioaktivit?t der Luft (70 Messungen über je 4 Stunden), Gehalt von Niederschl?gen und Nebeln (Wolken) an NO′₂-Ionen. Die Auswertung der Ergebnisse erfolgte nach synoptischen Gesichtspunkten unter Verwendung der station?ren luftelektrischen Registrierungen an 6 weiteren Stationen zwischen 3000 und 700 m NN. Es wird anhand von Beispielen gezeigt, dass luftelektrische Registrierungen an Stationen in gr?sserer H?he die M?glichkeit bieten, den elektrischen Aufbau der Atmosph?re in verschiedenartigen Wolken (Schichtwolken, Schauer, Gewitter) und w?hrend Niederschl?gen zu studieren. Das Verhalten des elektrischen Feldes und des Leitungsstromes in Wolken verschiedenen Typs sowie beim übergang des Niederschlages von der festen zur flüssigen Phase und umgekehrt wird beschrieben. Zahlreiche Messungen der elektrischen Leitf?higkeit geben Aufschluss über ihr Verhalten im Bereich sonnenbeschienener Nebel und Wolkenteile, im Bereich von Abwind aus Quellwolken-K?pfen und im Bereich von Abwind unter n?chtlichen Inversionen. Die gemessenen NO′₂-Konzentrationen in Niederschl?gen und Nebeln stehen in eindeutiger Korrelation zum elektrischen Aufbau und der elektrischen Aktivit?t der Wolken. Die Radioaktivit?t der Luft wird in den Nordalpen stark von der Windrichtung bestimmt; Maximum besteht bei Wind aus SE-SW (Herkunft der radioaktiven Stoffe: Eruptivgesteine der Zentralalpen). Zahlreiche meteorologische Einflüsse auf die Luftradioaktivit?t werden diskutiert. Es wird nachgewiesen, dass zum Verst?ndnis der Beziehung zwischen luftelektrischen Gr?ssen und Konvektion allein die Erfassung meteorologischer Indikatoren (Dampfdruck, Kernzahl) nicht ausreicht. Der Zusammenhang wird durch die schwankende Luftradioaktivit?t stark modifiziert. Dies gilt nicht nur für die reine Konvektion sondern auch für den Durchgang von Inversionen. An der Oberseite von Inversionen fanden wir eine dünne Schicht mit sehr hoher Leitf?higkeit. Auch in der Inversionsschicht selbst ist die Leitf?higkeit trotz grossem Kerngehalt relativ hoch. Bei Darstellung des Zusammenhanges zwischen Leitf?higkeit der Luft und Kernzahl ist die Luftradioaktivit?t als Parameter einzuführen. Die Tagesg?nge luftelektrischer Gr?ssen (7 Stationen) und meteorologischer Gr?ssen (3 Stationen) an Strahlungstagen werden synoptisch betrachtet.

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Summary The results of an excursion are reported, which was carried out to the ?Zugspitzplatt? (2580 m NN; Wetterstein Mountains, Northern Alps) from 15 August to 21 September 1955. Potential gradient, temperature, humidity, wind velocity, and solar radiation were recorded there, and moreover measurements were carried out of the magnitudes: total as well as positive and negative electric conductivity of the air (950 measurements each), number of condensation nuclei (1025 measurements), relative radioactivity of the air (70 measurements, each covering four hours), and NO′₂-ion contents of precipitations and fogs (clouds). For the synoptic evaluation of the results, the records of 6 further atmospheric electric stations were used, which are situated at fixed places between 700 and 3000 m NN. Examples are given to show that atmospheric electric recordings at high level stations enable us to study the electric structure of the atmosphere during precipitations and in clouds of different kind (sheet clouds, shower and thunderstorm clouds). The behaviour of electric field and conduction current in clouds of different types is described as well as in cases where precipitation changes from the solid into the liquid state and vice versa. Numerous measurements give information about the behaviour of the electric conductivity of the air in the areas of: fogs and cloud fragments irradiated by the sun, downward currents from cumulus congestus tops, and downward currents below nocturnal inversions. There is a clear correlation between the NO′₂-ion concentration measured in precipitations and fogs, and the electric structure and electric activity of the clouds. In the Northern Alps, the radioactivity of the air is highly influenced by the wind; the maximum of radioactivity is found when the wind comes from SE-SW (origin of the radioactive substances: igneous rocks in the Central Alps). Numerous meteorological influences on the atmospheric radioactivity are discussed. It is shown that the consideration of meteorological indicators alone, as pressure of water vapour and number of nuclei, is not sufficient to account for the correlation between atmospheric electric magnitudes and convection. This correlation is modified, to a high degree, by the fluctuations of atmospheric radioactivity. This is true not only of convection processes but also of inversion passages. On the upper surface of inversions we found a thin layer of very high conductivity. In the inversion layer itself, the conductivity is also relatively high, though there are many nuclei. When the correlation between atmospheric conductivity and number of nuclei is represented, the atmospheric radioactivity has to be introduced as a parameter. - The diurnal variations of atmospheric electric (7 stations) and meteorological (3 stations) magnitudes, on radiation days, are studied synoptically.

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The research reported in this article has been sponsored by the Geophysics Research Directorate 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.

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Dr. rer. nat.Reinhold Reiter,München, 9, Ravennastrasse, 62.     

Spontane Bildung negativer Raumladungen in einem maritimpolaren Luftkörper mit hoher Aerosolkonzentration

Zusammenfassung In einem maritim-tropischen Luftkörper wurde während mehrerer Tage beobachtet, dass sich in 50–200 m über dem Boden spontan negative Raumladungen ausbilden, wenn kalte Hangabwinde in die bodennahe Luftschicht eindringen und sich mit der vorher vorhanden gewesenen erwärmten Luft turbulent vermischen. Der «luftelektrisch aktivierbare» Luftkörper zeichnete sich durch extrem hohe Aerosolkonzentration aus. Das Partikelspektrum war in Richtung auf grobe Aerosolkomponenten verschoben.

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Summary Spontaneous formation of negative space charges 50–200 m above the ground has been observed for several consecutive days in a warm maritime (mT) air mass penetrated by cold mountain-slope winds; the cold air underwent turbulent mixing with the pre-existing warm air. The electrifiable airspace was characterized by an extremely high aerosol concentration, with the size distribution spectrum shifted from the normal toward a significantly increased incidence of coarse particles.

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Physikalisch-Bioklimatische ForschungsstelleGarmisch-Partenkirchen der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung.     

On the computation of area probabilities based on a spatial stochastic model for precipitation cells and precipitation amounts

A main task of weather services is the issuing of warnings for potentially harmful weather events. Automated warning guidances can be derived, e.g., from statistical post-processing of numerical weather prediction using meteorological observations. These statistical methods commonly estimate the probability of an event (e.g. precipitation) occurring at a fixed location (a point probability). However, there are no operationally applicable techniques for estimating the probability of precipitation occurring anywhere in a geographical region (an area probability). We present an approach to the estimation of area probabilities for the occurrence of precipitation exceeding given thresholds. This approach is based on a spatial stochastic model for precipitation cells and precipitation amounts. The basic modeling component is a non-stationary germ-grain model with circular grains for the representation of precipitation cells. Then, we assign a randomly scaled response function to each precipitation cell and sum these functions up to obtain precipitation amounts. We derive formulas for expectations and variances of point precipitation amounts and use these formulas to compute further model characteristics based on available sequences of point probabilities. Area probabilities for arbitrary areas and thresholds can be estimated by repeated Monte Carlo simulation of the fitted precipitation model. Finally, we verify the proposed model by comparing the generated area probabilities with independent rain gauge adjusted radar data. The novelty of the presented approach is that, for the first time, a widely applicable estimation of area probabilities is possible, which is based solely on predicted point probabilities (i.e., neither precipitation observations nor further input of the forecaster are necessary). Therefore, this method can be applied for operational weather predictions.     

Evaluating Models of The Neutral, Barotropic Planetary Boundary Layer using Integral Measures: Part I. Overview

Data for the cross-isobaric angle ₀, the geostrophic drag coefficient C_g, and the functions A and B of Rossby number similarity theory, obtained from meteorological field experiments, are used to evaluate a range of models of the neutral, barotropic planetary boundary layer. The data give well-defined relationships for ₀, C_g, and the integrated dissipation rate over the boundary layer, as a function of the surface Rossby number. Lettau's first-order closure mixing-length model gives an excellent fit to the data; other simple models give reasonable agreement. However more sophisticated models, e.g., higher-order closure, large-eddy simulation, direct numerical simulation and laboratory models, give poor fits to the data. The simplemodels have (at least) one free parameter in their turbulence closure that is matched toatmospheric observations; the more sophisticated models either base their closure onmore general flows or have no free closure parameters. It is suggested that all of theatmospheric experiments that we could locate violate the strict simplifying assumptionsof steady, homogeneous, neutral, barotropic flow required by the sophisticated models.The angle ₀ is more sensitive to violations of the assumptions than is C_g.The behaviour of the data varies in three latitude regimes. In middle and high latitudes the observed values of A and B exhibit little latitudinal dependence; the best estimates are A = 1.3 and B = 4.4. In lower latitudes the neutral, barotropic Rossby number theory breaks down. The value of B increases towards the Equator; the determination of A is ambiguous – the trend can increase or decrease towards the Equator. Between approximately 5° and 30° latitude, the scatter in the data is thought to be primarily due to the inherent presence of baroclinicity. The presence of the trade-wind inversion, thermal instability and the horizontal component of the Earth's rotation _H also contribute.Marked changes in the values of A and B occur in the region between the Equator andapproximately 5° latitude, as the Coriolis parameter |f| approaches zero. Although the variation of A and B with latitude suggests some similarity to the results obtained from the direct numerical simulations, the presence of additional complexities in the real atmosphere that are not included in the numerical model, precludes a meaningful direct comparison.     

The role of phosphorus in rhyolitic liquids as determined from the homogeneous iron redox equilibrium

The redox ratio of iron is used as an indicator of solution properties of silicate liquids in the system (SiO–Al₂O₃–K₂O–FeO–Fe₂O₃–P₂O₅). Glasses containing 80–85 mol% SiO₂ with 1 mol% Fe₂O₃ and compositions covering a range of K₂O/Al₂O₃ were synthesized at 1400°C in air (fixed fO₂). Variations in the ratio FeO/FeO_1.5 resulting from the addition of P₂O₅ are used to determine the solution behavior of phosphorus and its interactions with other cations in the silicate melt. In 80 mol% SiO₂ peralkaline melts the redox ratio, expressed as FeO/FeO_1.5, is unchanged relative to the reference curve with the addition of 3 mol% P₂O₅. Yet, the iron redox ratio in the 85 mol% SiO₂ potassium aluminosilicate melts is decreased relative to phosphorus-free liquids even for small amounts of P₂O₅ (0.5 mol%). The redox ratio in peraluminous melts is decreased relative to phosphorus- free liquids at P₂O₅ concentrations of 3 mol%. In peraluminous liquids, complexing of both Fe⁺³–O–P⁺⁵ and Al⁺³–O–P⁺⁵ occur. The activity coefficient of Fe⁺³ is decreased because more ferric iron can be accommodated than in phosphorus-free liquids. In peralkaline melts, there is no evidence that P⁺⁵ is removing K⁺ from either Al⁺³ or Fe⁺³ species. In chargebalanced melts with 3 mol% Fe₂O₃ and very high P₂O₅ concentrations, phosphorus removes K⁺ from K–O–Fe⁺³ complexes resulting in a redox increase. P₂O₅ should be accommodated easily in peraluminous rhyolitic liquids and phosphate saturation may be suppressed relative to metaluminous rhyolites. In peralkaline melts, phosphate solubility may increase as a result of phosphorus complexing with alkalis. The complexing stoichiometry may be variable, however, and the relative influence of peralkalinity versus temperature on phosphate solubility in rhyolitic melts deserves greater attention.