Zur Entstehung der solar-terrestrischen Physik

Von Wilfried Schröder

I

Kürzlich hat Cliver [1] die verschiedenen historischen Wurzeln der solar-terrestrischen Physik erörtert. Dabei geht er insbesondere auf den anglo-amerikanischen Einfluss ein, was durchaus verständlich ist. Indessen zeigt sich, dass die Entwicklung der solar-terrestrischen Physik doch wesentlich durch deutsche Gelehrte entscheidend mitbestimmt, wenn nicht gar initiiert wurde. Nachfolgend soll deshalb dieses interessante Gebiet, das ein Bindeglied zwischen Astronomie und Geophysik darstellt, aufgearbeitet werden.

II

In dieser Zeitschrift hat Hamel [2] vor kurzem die interessante Diskussion um die Vorstellungen der Kometen behandelt. Ähnliches kann auch über die Polarlichter gesagt werden: Sie gehören zu jenen Himmelserscheinungen, die über Jahrhunderte hinweg theologisch interpretiert und verstanden wurden [16]. Ihre Deutung, ihre Überführung in die exakte naturwissenschaftliche Darstellung sollte erst im 18. Jahrhundert gelingen, nachdem das große Polarlicht vom März 1716 die Menschen Deutschlands nachhaltig beeindruckte.

Für die wissenschaftliche Erforschung ist zunächst die Rolle von Johann Wilhelm Ritter (1776-1810) hervorzuheben. Er beschäftigte sich u. a. mit Feuerkugeln sowie magnetischen Gewittern, wie damals auch Polarlichter genannt wurden. Dabei wurden die Ursachen bzw. Zusammenhänge stets tellurisch verstanden. Man sah sie als reine Erscheinungen der Atmosphäre bzw. des Erdmagnetismus an, wobei letzterer eine angeborene Eigenschaft der Erde war. Wie F. W. J. Schelling (1775-1854) verstand auch Ritter unter Magnetismus die Wechselbeziehungen bzw. Ursache der einzelnen erwähnten Erscheinungen (vgl. z. B. [4, 9, 15]).

In den Jahren 1803/04 veröffentlichte Ritter in Gilberts Annalen eine Arbeit unter dem charakteristischen Titel „Einiges über Nordlichter und deren Periode, und über den Zusammenhang des Nordlichts mit dem Magnetismus und des Magnetismus mit den Feuerkugeln, den Blitzen und der Elektricität.“ Von einem extraterrestrischen Einfluss findet sich noch kein Hinweis. Dennoch machte Ritter an anderer Stelle einige Bemerkungen, die zum Vorfeld der späteren solar-terrestrischen Physik gezählt werden müssen: So spricht er von den „überreifen Gewittern“ bzw. den „unreifen Nordlichtern“ in seinem Brief an Karl v. Hardenberg. Damit ist zumindest deutlich, dass eine bloße Beschreibung der Erscheinung überwunden ist: Man fragt nach deren Ursachen, auch wenn die Erklärungen noch spekulativer Natur sind und bleiben müssen (vgl. [3]).

Ritter untersuchte den Zusammenhang zwischen dem Magnetismus und dem „Galvanismus“ (d. h. den elektrischen Strömen), den Ritters Freund und Briefpartner H. C. Oerstedt (1777-1841) sowie A. M. Ampère (1775-1836) und M. Faraday (1797-1867) durch ihre Experimente 1820, 1821 und 1831 schließlich quantitativ nachwiesen (Dies führte zur Maxwellschen Theorie des Elektromagnetismus).

Jedoch gelang Ritter zu einer wichtigen Schlussfolgerung: 1803 machte er darauf aufmerksam, dass die Polarlichter mit einer bestimmten Periode häufiger auftreten. In Tabelle 1 sind die von Ritter angegebenen Maxima der Polarlichter mit den heute bekannten Sonnenfleckenmaxima zusammengestellt.

Tabelle 1       Ritters Polarlichtmaxima im Vergleich zum Sonnenfleckenzyklus (Jahre)

Damals war der Sonnenfleckenzyklus noch nicht entdeckt worden, so dass Ritter diesbezügliche Betrachtungen nicht anstellen konnte. Zieht man jedoch die inzwischen bekannten Werte heran, so ergeben sich interessante Übereinstimmungen. Außerdem war Ritter klar, dass Veränderungen im Auftreten der Polarlichter zurückzuführen seien auf allgemeine Störungen der magnetischen Ordnung.

Ritters Bemerkungen - so unvollkommen sie sind - kennzeichnen einen allmählichen Wandel in der Anschauung.

Alexander von Humboldt stellte im 4. Band seines „Kosmos“ den Zusammenhang zwischen den magnetischen Gewittern und Polarlichtern dar, dem er seit 1805 systematisch nachgegangen war. Humboldt verwies dabei auf die Beobachtungen in hohen Breiten (vor allem verwies er auf die Arbeiten von Sabine, s. weiter unten). Für Humboldt waren „magnetische Gewitter“ und Polarlichter zwei Erscheinungen eines Phänomens. Er wies darauf hin, dass bereits 1716 E. Halley (1650-1742) anlässlich des großen Polarlichtes vom März 1716 diesen Zusammenhang bemerkte. Übrigens hat das Polarlicht von 1716 auch deshalb zu einer Neubewertung geführt, weil kein geringerer als der Philosoph Ch. Wolff in Halle eine öffentliche Lesung für die beunruhigte Bevölkerung hielt. Darin machte er klar, dass es sich um ein Naturphänomen handelte - eine Aussage, die seinerzeit völlig neuartig war (vgl. [16, 17]).

In seinen Briefwechseln mit C. F. Gauß sowie H. C. Schumacher kommt Humboldt auf den Zusammenhang von Polarlicht und magnetischem Gewitter zurück. Ausdrücklich bittet er um Hinweise auf große Nordlichter und beobachtete magnetische Störungen. Humboldt behält aber auch noch den Begriff des „magnetischen Ungewitters“ bei und schließt selbst nicht auf einen Zusammenhang Sonne - Erde.

Die weitere Entwicklung ist eng mit Untersuchungen der Sonne sowie mit geomagnetischen Beobachtungen verknüpft: Dies ist ein komplexer Zusammenhang, wobei verschiedene Forscher unterschiedliche Wege beschritten. Alexander von Humboldt sowie später auch Arago haben einen guten Einblick in diese Geburtszeit gegeben [5,8]. Eine Beobachtung gelang Humboldt mit dem Polarlicht vom 20. 12. 1806: Die Abweichungen von bekannten Daten der Deklination erreichten in dieser Nacht Werte von 26'29", d. h. eine Beziehung der geomagnetischen Störungen und des Polarlichtes lag mehr als nahe (vgl. [5-7,13]).

Aus Bestimmungen des Magnetfeldes kamen zu Beginn des 19. Jahrhunderts der Geophysiker J. v. Lamont (1805-1879) sowie E. Sabine (1788-1883) zu neuen Vorstellungen (Humboldt referierte dies im „Kosmos“ (vgl. [14]). Beide fanden einen Zusammenhang zwischen den geomagnetischen Veränderungen und einer möglichen Variabilität der Sonne. Lamont machte auf eine mögliche Periode von 10 1/3 Jahren in den magnetischen Deklinationsdaten aufmerksam. Unabhängig von Lamont hatte Sabine eine periodische Magnetfeldänderung angenommen, die eine rein kosmische Ursache haben müsste. Diese sah er in den periodischen Veränderungen der Sonne. Beide Entdeckungen fielen in jene Zeit, als der Dessauer H. Schwabe seine Ergebnisse der Sonnenbeobachtungen vorlegte. Er kam zu dem Schluss, dass es eine Häufigkeitsperiode von etwa 10 Jahren gibt (vgl. [5, 14]).

III

Die Ergebnisse von Lamont, Sabine und Schwabe legten einen irdisch-kosmischen Zusammenhang im Erscheinungsbild des Geomagnetismus dar. Es wurde deutlich, dass die Variationen des geomagnetischen Feldes ihre Ursache in Variationen auf der Sonne haben. War dies bereits die Geburtsstunde der solar-terrestrischen Physik? Man muss das Problem wohl noch etwas näher beleuchten, um eine exakte Antwort zu bekommen. Zwar waren Zusammenhänge gesehen und ausgesprochen worden, es fehlten aber noch weitere empirische Studien. Sie sollten von den Schweizer Astronomen Rudolf Wolf und Hermann Fritz im Detail geliefert werden (vgl. [10-12, 19]).

Die Aufgabe bestand darin, den kausalen Zusammenhang von irdischem und solarem Geschehen nachzuweisen. Dazu bedurfte es besonderer Verfahren sowie langjähriger Aufzeichnungen. Den entscheidenden Schritt hiezu leistete zunächst Rudolf Wolf (1816-1893). Er stellte die ihm zugänglichen Daten wie folgt zusammen (Tab. 2):

Tabelle 2       Sonnenfleckenmaxima und Minima nach Wolf

Daraus leitete er eine mittlere Sonnenfleckenperiode von 11,111 ± 0,038 Jahren ab. Ferner machte er darauf aufmerksam, dass die solaren maximalen Jahre eben mit jenen zusammenfallen, an denen auch „Nordlichterscheinungen... auffallend reich gewesen seien“ ([19] S. 659/670).

Wolf führte als Maß für die Fleckenhäufigkeit die Sonnenflecken-Relativzahl  ein, worin  die Zahl der an einem bestimmten Tag gezählten Einzelflecke bedeutet,  die Anzahl der Sonnenfleckengruppen und  einen von der Individualität des Beobachters abhängigen Faktor bezeichnen. Wolf verfolgte die Sonnenfleckenperioden weit zurück bis in das 18. Jahrhundert, so dass bis 1749 Daten verfügbar wurden. Seit 1849 sind die Tageswerte lückenlos erfasst.

Wolf war ständig um eine Verfeinerung seiner Resultate bemüht und setzte infolgedessen seine Untersuchungen konsequent fort. Hervorzuheben ist auch (dies war sicherlich auch ein Resultat seines historischen Interesses), dass Wolf 1857 ein Polarlichtverzeichnis publizieren konnte, das insgesamt 5500 Daten enthielt. Damit war der Boden für weitergehende Studien bereitet, um den Zusammenhang Sonne-Erde noch exakter zu erfassen.

Es war ein glücklicher Umstand, dass sich damals ein weiterer Gelehrter Wolfs Arbeiten anschloss. Es war der Professor für Maschinenbaulehre und technisches Zeichnen Hermann Fritz (1830-1893). Fritz war eigentlich Amateurastronom, der sich in seiner Freizeit mit geophysikalischen und astrophysikalischen Problemen befasste.

Hermann Fritz ergänzte Wolfs Polarlichtkatalog mit zahlreichen Beobachtungen. Das Resultat war das 1873 mit Unterstützung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften herausgegebene heute berühmte „Verzeichnis beobachteter Polarlichter“. Damit war eine empirische Grundlage für die weitere Forschung geschaffen. Fritz begann, mit Hilfe dieses Kataloges sowie anderer solarer und geomagnetischer Daten, die Frage nach dem möglichen kausalen Zusammenhang zwischen solarem und irdischem Geschehen exakt zu untersuchen. Bereits 1862 gelang ihm nachzuweisen, dass die Häufigkeit der Polarlichter und der Sonnenflecken korreliert ist und innerhalb der elfjährigen Periode Polarlichter gleichzeitig mit Sonnenflecken ihr Maximum bzw. Minimum erreichen.

Einen weiteren Fortschritt konnte Fritz über die geographische Ausbreitung der Polarlichter erzielen (Bereits Muncke - vg. [16,17] - hatte darauf aufmerksam gemacht, dass Polarlichter an bestimmten Orten (bzw. geographischen Breiten) mehr bzw. weiniger häufig auftreten). Er schlüsselte die Daten nach den Beobachtungsorten auf und leitete daraus ein mit der Bezeichnung Isochasmen ( , ungewöhnliche oder furchtbare Erscheinung) belegtes Kurvensystem für die Orte her, an denen die Polarlichter gleich häufig auftraten. Fritz’ Darstellungen aus den Jahren 1866 bzw. 1874 ließen entsprechend genau die geographische Häufigkeit der Polarlichter erkennen. Daraus folgte die Existenz einer Polarlichtzone.

Im Jahre 1876 hatte die Holländische Gesellschaft der Wissenschaften zu Haarlem eine Preisfrage gestellt. Fritz beteiligte sich daran und erhielt 1878 die „Goldene Medaille“. Im gleichen Jahr erschien sein Buch „Die Beziehungen der Sonnenflecken zu den magnetischen und meteorologischen Erscheinungen der Erde“. Darin behandelt er auch das Südlicht, also das Polarlicht der Südhemisphäre. Der Vergleich von Nord- und Südhalbkugel erbrachte bemerkenswerte Ähnlichkeiten.

Die Arbeiten von Fritz zum Polarlicht sowie Wolfs Studien der Sonne legten einen wichtigen Grundstein im Verständnis der solar-terrestrischen Beziehungen. Von der geomagnetischen wie der solaren Seite waren also zu diesem Zeitpunkt alle Voraussetzungen geschaffen worden, um zu einem auch tieferen Verständnis der physikalischen Ursachen zu gelangen.

IV

Der Fortschritt sollte von weiteren Ergebnissen der Sonnenüberwachung kommen. Am 1. September 1859 beobachtete Carrington eine chromosphärische Störung. Später stellte sich aus den Registrierungen des Observatoriums Kew heraus, dass sich zur gleichen Zeit alle drei Elemente des Erdmagnetfeldes plötzlich geändert hatten. Überdies bemerkte Marchand, dass die maximale magnetische Störung dann eintrat, wenn die Flecken den Zentralmeridian passierten. Es wurde rasch klar, dass hier Beziehungen bestehen müssen. Übrigens widmete sich etwa zu jener Zeit auch Wilhelm Foerster (1832-1921) diesen Problemen. So bemerkte er 1872, dass man die Ursachen dieser Störungen im solaren Umfeld suchen müsse. Physikalisch interessante Gedanken äußerte zu jener Zeit auch und besonders Johann Karl Friedrich Zöllner (1834-1882). Er sah z. B. den Ursprung des Erdmagnetismus in den Strömungen des flüssigen Erdkerns, durch deren Reibung elektrische Ströme entstehen sollten [20].

Tabelle 3     Fortschritte der solar-terrestrischen Physik im 18./19. Jahrhundert  

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                                               C. Wolff (1716)                         E. Halley (1716)

J: W. Ritter (1803)

A. v. Humboldt (1807)

J. Lamont (1845/1867)                                      H. Schwabe (1843)

E. Sabine (1852 ff)                                                           

A. Gautier (1869)          R. Wolf (1857, 1877)     H. Fritz (1862, 1873)

                                                                                                                      J. Lovering (1867)

                                                                                                                      J. Loomis (1860)

                                                                                                          W. Foerster (1872)

                                                           E. Goldstein (1879)                   O. Jesse (1872)

A. Angström (1867/68)                          F. Zöllner (1881)                       W. Boller (1898)

C. Vogel (1872)                                    K. Birkeland (1899/1911)           C. Störmer (1904/12)

Die Jahreszahlen kennzeichnen den Höhepunkt des Wirkens auf dem solar-terrestrischen Gebiet bzw. das Publikationsjahr

Bemerkenswert sind auch Zöllners Studien zum Polarlicht vom 25. Oktober 1870, als er erstmals die rote Polarlichtlinie registrierte. Die Lichtentwicklung des Polarlichtes sah er in „glühenden Gastheilchen unserer Atmosphäre“. Weiterhin formulierte Zöllner klar, dass enge physikalische Beziehungen zwischen den Vorgängen auf der Sonne und bestimmten Erscheinungen auf der Erde bestehen müssen. Zöllner hat besonders klar diesen kausalen physikalischen Zusammenhang zwischen Sonne und Erde ausgesprochen, eine Tatsache, die in der Literatur bisher weitestgehend übersehen wurde (so auch bei Cliver).

Der weitere Fortschritt in der Erkenntnis um die Wechselbeziehung von Sonne und Erde war vorgegeben durch die Anwendung spektroskopischer Methoden, die Ergebnisse der Kathoden- und Kanalstrahlenforschung (Goldstein), die Resultate der experimentellen Polarlichtforschung (Terella-Versuche) von Kristian Birkeland (1867-1917) sowie durch die Verwendung der Photographie für Höhenvermessungen der Polarlichter.

Zum Ausgang des 19. Jahrhunderts war deutlich geworden, dass das Polarlicht ein physikalisches Phänomen der hohen Erdatmosphäre war, das durch die solare Aktivität beeinflusst und kontrolliert wird.

Die „Geburtsstunde“ der solar-terrestrischen Forschung lag also etwa in der Mitte des 19. Jahrhunderts. Sie war nicht das Resultat der Studien eines Forschers oder einer Forschergruppe allein, sondern das Ergebnis eines vielfältigen Herangehens an das Problem. Beiträge aus dem Gebiet des Geomagnetismus waren ebenso notwendig wie jene der Solarphysik: dazu gehörten aber auch exakte Methoden der statistischen Auswertung und Aufarbeitung eines umfangreichen Datenmaterials. Erst aus dem Zusammenwirken vieler dieser Einzelschritte konnte es zu einer Neubewertung des Phänomens Polarlicht und zu einer vertieften Interpretation der Beziehungen Sonne-Erde kommen.

Literatur

[1]  Cliver, E. W.: Solar activity and geomagnetic storms: The corpuscular hypothesis.          EOS (Transactions AGU), 75 (1994) 609

[2]  Hamel, J.: Die Kometen in der deutschsprachigen astronomisch-astrologischen Kleinliteratur um 1600 - Tradition und Innovation. Die Sterne 71 (1995) 18

[3]  Ritter, J. W.: Briefe eines romantischen Physikers. Hrsg. von F. Klemm und A. Hermann, München, Moos 1966

[4]  Hardenberg, K. A.: Bemerkungen über Feuerkugeln und Nordlichter, so wie über den Magnetismus und den geheimen Organismen unserer Atmosphäre überhaupt. Magaz. F. d. neusten Zustand d. Naturkunde 8 (1804) 285

[5]  v. Humboldt, A.: Kosmos, Band IV. Stuttgart/Augsburg, Cotta’scher Verlag 1858

[6]  Biermann, K. R. (Hrsg): Briefwechsel zwischen Alexander von Humboldt und Carl Friedrich Gauß. Berlin, Akademie-Verlag 1977

[7]  Biermann, K. R. (Hrsg.): Briefwechsel zwischen Alexander von Humboldt und Heinrich Christian Schumacher. Berlin, Akademie-Verlag 1979

[8]  Arago, F.: Populäre Astronomie. Leipzig, Wigand 2. Aufl. 1865

[9]  Treder, H.-J.: Zum Einfluss von Schellings Naturphilosophie auf die Entwicklung der Physik. In: Natur und geschichtlicher Prozess. Hrsg. v. H.-J. Sandkühler, Frankfurt, Suhrkamp 1984

[10] Fritz, H.: Verzeichnis beobachteter Polarlichter. Wien 1873

[11] Fritz, H.: Das Polarlicht. Leipzig 1881

[12] Fritz, H.: Die Beziehungen der Sonnenflecken zu den magnetischen und meteorologischen Erscheinungen der Erde. Haarlem 1878

[13] v. Humboldt, A.: Die vollständigste aller bisherigen Beobachtungen über den Einfluss des Nordlichtes auf die Magnetnadel. Gilb. Ann. 29 (1808)

[14] Lamont, J.: Handbuch des Magnetismus. Leipzig 1867

[15] Ritter, J. W.: Einiges über Nordlichter und deren Periode, und über den Zusammenhang des Nordlichts mit dem Magnetismus, und des Magnetismus mit den Feuerkugeln, dem Blitze und der Electricität. Ann. Physik 15 (1803)

[16] Schröder, W.: Das Phänomen des Polarlichts. Wiss. Buchgesellschaft Darmstadt 1984

[17] Schröder, W.: Sunspot Cycles and Auroral Activity. Science Edition/IAGA Bremen 1995

[18] Störmer, C.: The polar aurora. Oxford 1955

[19] Wolf, R.: Geschichte der Astronomie. München 1877

[20] Zöllner, F.: Wissenschaftliche Abhandlungen mit zwei populären Vorträgen, Vierter Band. Leipzig 1881

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