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Um uns mit dem wissenschaftlichen Problem vertraut zu machen, mit dem die
Erforschung der Kosmischen Strahlung ihren Anfang nahm, wollen wir
ein kurzes, einführendes Beispiel betrachten:
Ein naturwissenschaftlicher Forscher des ausklingenden
19. Jahrhunderts beschäftigt sich aus verschiedenen Gründen mit
der Elektrizität der Atmosphäre. Nach einigen Mühen ist es ihm
gelungen, einen Metallzylinder herzustellen, der durch eine findige Konstruktion
aus Naturkautschuk und Ebonit hervorragend gegen die Erde isoliert ist und eine
elektrische Ladung zu halten im Stande sein sollte. Der Forscher lädt nun
den Körper elektrisch auf und stellt zu seiner Überraschung fest, dass
der Metallzylinder, sich selbst überlassen, seine elektrische Ladung doch
wieder verliert. Der Forscher weiß sich darauf keinen Reim, da er ja selbst
dafür gesorgt hat, dass der Zylinder hervorragend isoliert ist. Daher macht
er sich daran, eine Erklärung dafür zu finden, was mit der elektrischen
Ladung geschehen ist, die er seinem Metallzylinder anvertraut hatte.
Bereits im Jahre 1785 zeigte Coulomb, dass jeder in Luft aufgestellte metallische
Leiter seine Ladung allmählich verliert, und dass dieser Effekt, den er
Elektrizitätszerstreuung nannte, nicht womöglich auf eine
mangelhafte Isolierung der den Leiter tragenden Einrichtung, sondern auf eine
wenn auch geringe Fortführung oder Leitung der Elektrizität durch die
Luft zurückzuführen ist.
Bis in die achtziger Jahre des 19. Jahrhunderts lagerte dieses Phänomen
im Schatten des Interesses der allgemeinen Forschungstätigkeit, weshalb sich
lange die abwegige Annahme hielt, dass feuchte Luft besser leite als trockene.
Eine Annahme, die auf einen Analogieschluss vom verbesserten Leitvermögen
benetzter Kontaktstellen gegenüber trockenen auf die Bedingungen in der
Atmosphäre zurückzuführen sein mag.
F. Linss fand 1887 erstens, dass ganz im Gegensatz zur landläufigen Annahme
die Elektrizitätszerstreuung bei klarem Wetter und daher bei trockener Luft am
größten ist, und zweitens fand er eine regelmäßige Schwankung
der elektrischen Zerstreuung, also des Ladungsverlustes pro Zeiteinheit. Beim
damaligen Stand des Wissens um die elektrische Leitfähigkeit von Gasen konnte man
keine befriedigende Erklärung der Elektrizitätszerstreuung finden, bis die
Erforschung der Röntgen- und Becquerelstrahlung, also der Radioaktivität,
einen gehörigen Fortschritt brachte. Radioaktivität, so erfasste man bald,
kann die Leitfähigkeit aller Gase auffallend anheben. Diese verbesserten
Leitungseigenschaften führte man auf eine Erzeugung freier Ladungsträger
zurück. Die neuen Ladungsträger entstanden, indem die energiereiche radioaktive
Strahlung die elektrisch neutralen Atome und Moleküle der Atmosphäre in positive
und negative Ionen aufspaltete; diese spezielle Fähigkeit der radioaktiven
Strahlung brachte ihr auch den Namen ionisierende Strahlung ein. Auf jeden Fall
führten diese Erkenntnisse zu einer Neudeutung des Leitungsmechanismus in Gasen:
der Ionenleitung. Nach dieser neuen Auffassung sind wie in Elektrolyten so
auch in Gasen stets positive und negative Teilchen, die sogenannten Ionen,
vorhanden (z.B. Elektronen und positiv geladene Atome). Wenn jetzt ein elektrisches
Feld vorhanden ist, so beginnen die Ionen je nach ihrem Vorzeichen entlang der
elektrischen Feldlinien zu wandern (der Name Ion ist dem Griechischen
entlehnt und bedeutet etwa Wanderer). Der Analogieschluss von der Ionenleitung
im Elektrolyten auf die Ionenleitung im Gas war ein ähnlich großer
Verdienst, wie dann die Anwendung der Lehre von den Gasionen auf die Verhältnisse
in der atmosphärischen Luft durch die beiden deutschen Forscher Julius Elster und
Hans Geitel, indem sie eine befriedigende Deutung des Vorganges der
Elektrizitätszerstreuung brachten. [2,3]
Coulomb hatte ja das Phänomen der Elektrischen Zerstreuung noch so
gedeutet, dass sich kleinste Teilchen wie Staubpartikel, Aerosole genannt,
durch Kontakt mit einer elektrisch geladenen Oberfläche an dieser aufladen, dann
im elektrischen Feld von dieser Oberfläche weggestoßen werden und so die
Ladung abtransportieren. Daher nahm man auch an, dass feuchte Luft, in der
größere Mengen von Wassertropfen (zum Beispiel bei Nebel) und anderen
Verunreinigungen vorhanden sind, verbesserte Leitungseigenschaften aufweist. Aber
jetzt wusste man um die stete Präsenz geladener Ionen in der Luft, die auch
dann gegeben war, wenn kein geladener Metallzylinder aufgestellt wurde. Diese Ionen
entstanden durch die ladungstrennende Wirkung der ionisierenden Strahlung. Die
Zerstreuung der Elektrizität, wie man sie bis dahin bildhaft bezeichnete,
wurde also nicht dadurch verursacht, dass Staubpartikel die Ladung des Metallzylinders
abtransportierten. Vielmehr wurden bereits vorhandene Ionen durch das elektrische Feld
des Zylinders angezogen. So zieht ein positiv geladener Zylinder Elektronen und
negative Ionen (Atome und Moleküle, die ein zusätzliches Elektorn gebunden
haben) an, ein negativ geladener Zylinder zieht positive Ionen (Atome, denen Elektronen
fehlen) an. Die Ladung des Zylinders wird durch die ungleichnamig geladenen Ionen mit
der Zeit ausgeglichen.
Das Forschungsgebiet der Luftelektrizität war um 1900 ein sehr
großes. Schon seit den Versuchen von Le Monnier im 18. Jahrhundert wusste
man um eine elektrische Spannungsdifferenz zwischen der Erde und der Atmosphäre.
Der Potentialunterschied zwischen Erde und Luft beträgt je Meter Höhendifferenz
etwa 100 bis 300 V. Dieser Gradient des Erdpotentials ergibt das elektrische
Feld der Erde. Das gleichzeitige Bestehen einer elektrischen Spannung in der
Atmosphäre und der Leitfähigkeit der Atmosphäre ergibt durch die Wanderung
der freien Ladungsträger einen ständigen vertikalen Strom, der über die
gesamte Erdoberfläche summiert etwa 100 Ampere beträgt. Die Beschäftigung
mit dieser Leitfähigkeit der Luft führte dann in fast direkter Folge zur
Entdeckung der Kosmischen Strahlung. Darum sei diesem so beschrittenen Weg
zunächst die Aufmerksamkeit geschenkt. [4]
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