Elektrostatisches Feld der Erde

Grundprinzip des elektrostatischen Erdfeldes

Das elektrostatische Feld der Erde entsteht durch eine Trennung elektrischer Ladungen: Die gut leitende Erdoberfläche besitzt lokal eine negative Überschussladung von einigen hundert Kilocoulomb, entsprechend einer Größenordnung von 1 pC/m². Die Ionosphäre ist gleich stark positiv geladen. Vereinfacht wirken Erdoberfläche und Ionosphäre wie die beiden Platten eines großen Kondensators. Die dazwischenliegende, elektrisch schlecht leitende Erdatmosphäre bildet das Dielektrikum, also den isolierenden Zwischenraum.

Im zeitlichen und räumlichen Mittel beträgt die elektrische Feldstärke in der Luft einige Meter über dem Erdboden 130 V/m. Bei wolkenlosem Himmel und in ebenem Gelände werden gewöhnlich Feldstärken von 100 V/m bis 300 V/m gemessen. Das Feld ist von oben nach unten gerichtet.

Ladungsverteilung in der Atmosphäre

Nahe der Erdoberfläche befinden sich etwa 1000 Ionen je Kubikzentimeter. Ionen sind elektrisch geladene Atome oder Moleküle. Zum Vergleich enthält ein Kubikzentimeter Luft bei Normaldruck 3·10¹⁹ Moleküle. Die untere Atmosphäre ist daher nur sehr schwach ionisiert. Sie enthält sowohl positive als auch negative Ionen, wobei die positiven Ionen zahlenmäßig überwiegen.

Mit zunehmender Höhe steigt die Ionendichte an und erreicht in der Ionosphäre ihr Maximum. Dort wird ein erheblicher Teil der Gasmoleküle durch die UV-Strahlung der Sonne ionisiert. Der Überschuss positiver Ladungen in den unteren Atmosphärenschichten schirmt das elektrische Feld teilweise ab. Deshalb nimmt die Feldstärke mit der Höhe deutlich schneller ab, als es einem 1/r²-Zusammenhang entsprechen würde. In der Höhe der Ionosphäre und Magnetosphäre beträgt sie nur noch einige Volt pro Kilometer.

Elektrische Ströme und Erhaltung des Feldes

Die Erdatmosphäre ist kein vollkommener Isolator, unter anderem weil ionisierende Strahlung ständig Ionen erzeugt. Aufgrund dieser Leitfähigkeit verursacht die Ladungstrennung einen sogenannten Schönwetterstrom. Seine Stromdichte liegt in der Größenordnung von pA/m².

Ohne einen Ausgleich würde dieser Strom das elektrische Erdfeld innerhalb weniger Sekunden zum Verschwinden bringen. Verschiedene Mechanismen werden dafür diskutiert, wie die beobachtete Ladungstrennung fortlaufend erneuert wird. Einen wesentlichen Beitrag liefern Blitze zwischen Gewitterwolken und Erde, die negative Ladung zur Erdoberfläche transportieren. Insgesamt bleibt das elektrische Feld dadurch stationär, das heißt, seine gemittelten Eigenschaften ändern sich nicht dauerhaft.

Abschätzung der Erdladung

Die negative Überschussladung der Erde lässt sich aus der gemittelten Feldstärke abschätzen. Verwendet wird der Zusammenhang

Q = −ε₀ εᵣ E A.

Dabei bezeichnet Q die elektrische Ladung der Erde, ε₀ die elektrische Feldkonstante, εᵣ die Dielektrizitätskonstante beziehungsweise relative Permittivität der Luft, E den Betrag der in der Luft gemessenen und gemittelten Feldstärke und A die Erdoberfläche. Für A wird 5,1·10¹⁴ m² und für E der Mittelwert 130 V/m eingesetzt. Daraus ergibt sich eine zeitlich gemittelte Erdladung von Q = −0,6 Megacoulomb.

Wirkung auf Ionen und Messung

Das elektrische Erdfeld beschleunigt Ionen zusätzlich zur Schwerkraft. Für die durch das elektrische Feld verursachte Beschleunigung gilt

a⃗ = E⃗ Q/m.

Dabei ist a⃗ die Beschleunigung des Ions, E⃗ die elektrische Feldstärke, Q seine Ladung und m seine Masse. Bei einem einfach positiv geladenen Sauerstoffatom, wie es etwa aufgrund der Sonnenwinde in der Ionosphäre entstehen kann, ist die Beschleunigung durch das elektrostatische Erdfeld ungefähr 80 Millionen Mal so groß wie die lokale Schwerebeschleunigung. Zusammenstöße mit anderen Atomen in der Atmosphäre bremsen die Ionen jedoch ab. Üblicherweise erreichen sie deshalb Geschwindigkeiten von etwa 100 m/s beziehungsweise 360 km/h.

Gemessen wird das Feld unter anderem mit Potentialsonden, mit um eine horizontale Achse drehbaren Plattenkondensatoren oder mit Rotationsvoltmetern. Während bei wolkenlosem Himmel im ebenen Gelände Werte zwischen 100 V/m und 300 V/m auftreten, kann die Ladungstrennung in Gewitterwolken wesentlich höhere Feldstärken erzeugen. Am Boden lassen sich bei Gewittern 25 bis 35 kV/m beobachten.