Elektrostatisches Erdfeld

Das elektrostatische Feld der Erde (auch als elektrostatisches Erdfeld, elektrisches Feld der Erde oder elektrisches Erdfeld bezeichnet) resultiert daraus, dass die Erdoberfläche eine elektrische Überschussladung von -6·10⁵ C aufweist. Diese Überschussladung entsteht durch ionisierende Strahlung aus dem Weltraum (d. h. kosmische Strahlung und Sonnenwind). Dabei werden positiv ionisierte Teilchen in Richtung der Erde beschleunigt. Die negativ geladenen Teilchen werden von der Erde weg beschleunigt.

Verteilung der elektrischen Ladung

In der Nähe der Erdoberfläche kann man etwa 10³ Ionen je Kubikzentimeter feststellen, wobei ein Kubikzentimeter bei Normaldruck 3·10¹⁹ Moleküle je Kubikzentimeter enthält. Die Atmosphäre enthält sowohl positive als auch negative Ionen, wobei jedoch die Anzahl der positiven Ionen überwiegt. Die Ionendichte nimmt mit der Höhe zu und hat ihr Maximum in der Ionosphäre.

Diese positive Raumladung bewirkt durch Influenz eine Konzentration negativer Ladung an der Erdoberfläche. Zwischen dieser und der positiven Raumladung entsteht das Feld.

Ermitteln der Erdladung

Im messtechnisch ermittelten Mittel beträgt die Feldstärke in der Luft 130 V/m. Aus dem Zusammenhang

$Q=-\varepsilon_0\,E\,A$

lässt sich die Überschussladung der Erde berechnen. Hierbei ist Q die elektrische Ladung der Erde, ε₀ ist die Dielektrizitätskonstante und damit etwa die Permittivität von Luft, E die in der Luft gemessene und gemittelte Feldstärke und A ist die Erdoberfläche mit 5,1·10¹⁴ m².

Beschleunigung von Ionen

Ionen werden durch das Erdfeld – zusätzlich zur Schwerebeschleunigung – beschleunigt. Die Beschleunigung erhält man aus der Gleichung

$a = \frac{E\,Q}{m}$

wobei a die Beschleunigung des Ions aufgrund der des Erdfeldes und m die Masse des Ions ist.

Beispielsweise ist die Beschleunigung eines einfach positiv geladenen Sauerstoffatoms, welche etwa aufgrund der Sonnenwinde in der Ionosphäre entstehen, wegen des elektrostatischen Erdfeldes etwa 80 Millionen mal so groß wie die lokale Schwerebeschleunigung. Jedoch werden die so beschleunigten Ionen durch die Kollision mit anderen Atomen in der Atmosphäre gebremst, weshalb die so beschleunigten Ionen üblicherweise Geschwindigkeiten von 100 m/s (360 km/h) aufweisen.

Auswirkung

Bei wolkenlosen Himmel im ebenen Gelände lassen sich in der Luft elektrische Feldstärken zwischen 100 V/m und 300 V/m von oben nach unten mit Potenzialsonden oder mit um die horizontale Achse drehbaren Plattenkondensatoren, sogenannten Rotationsvoltmetern, feststellen. Bei Gewittern entstehen aufgrund der Ladungstrennung in den Wolken jedoch auch wesentlich höhere Feldstärken von 25 bis 35 kV/m, die man am Boden beobachten kann. Ab diesen Feldstärken kommt es auch in Form von Blitzen zu Entladungen (Ladungsausgleich).

Körper im elektrostatischen Feld der Erde.

Wenn man einen elektrisch leitfähigen Körper in das elektrostatische Feld der Erde einführt, so bildet die Oberfläche dieses Körpers aufgrund von Influenz eine Äquipotenzialfläche. Daraus resultiert, dass ein leitfähiger Körper das elektrostatische Feld quasi um sich herum führt. Er bleibt auf Grund der Influenz dadurch selbst spannungsfrei. Wird der elektrisch leitfähige Körper mit der Erde verbunden, so weist dieser das gleiche Potenzial wie die Erde auf, was man etwa im Fall des Blitzableiters nutzt.

Dass sich das elektrische Potenzial auf der Oberfläche eines leitfähigen Körpers gleichmäßig verteilt, führt auch dazu, dass etwa der leitfähige menschliche Körper keine Spannungsdifferenzen in der Luft fühlen kann, sondern bestenfalls eine geringe Kraft zwischen Körpern mit unterschiedlicher Ladung.

Die direkte biologische Beeinflussung durch das elektrostatische Feld ist in Folge der Influenz sehr gering. Dennoch kann eine indirekte Beeinflussung stattfinden, da die Luftionisierung die Anfälligkeit gegenüber Erkältungs- und Infektionskrankheiten erhöhen sowie die körperliche und geistige Leistungsfähigkeit reduzieren kann. Große Abweichungen der normalen Ionenkonzentration in der Luft – etwa aufgrund einer Hochspannungsleitung, von Bürogeräten (Elektrosmog), von Gewittern bzw. Gewitterfronten, Zigarettenrauch, etc. – können sich im Falle längerer Aufenthaltsdauern im betroffenen Gebiet durchaus negativ auf einen biologischen Organismus auswirken. Extrembeispiele von Luftionisation sind Ionisationswolken, hervorgerufen durch den NEMP (~50 kV/m) bei der Detonation von Nuklearwaffen, oder den EMP reiner EMP-Waffen (bzw. anderer EMP verursachender Effekte).

Literatur

• Adalbert Prechtl; Vorlesungen über die Grundlagen der Elektrotechnik I; Springer Verlag; Wien 1999; ISBN 3-211-82553-3 und ISBN 978-3-211-82553-2

Siehe auch

• elektrisches Feld
• Feld (Physik)
• Erdmagnetfeld
• Erdstrahlung