Elektrisches Feld der Erde

Etwa seit Mitte des 18. Jahrhunderts weiß man, dass die Erde neben einem magnetischen Feld auch ein elektrisches Feld besitzt. Seine Existenz wurde 1752 von L.G. LEMONNIER nachgewiesen. Mit Sonden kann man seine Stärke in unterschiedlichen Höhen messen.
Da die Erdoberfläche negativ gegenüber der umgebenden Atmosphäre geladen ist, verlaufen die Feldlinien im Idealfall senkrecht zur Erdoberfläche und zu dieser hin (Bild 1). Die Atmosphäre um die Erde hat also insgesamt eine positive Ladung, obwohl in ihr sowohl positive als auch negative Ladungsträger vorhanden sind.
Das elektrische Feld der Erde kann näherungsweise als Radialfeld angesehen werden. Die Feldstärke in Erdbodennähe beträgt im Durchschnitt 130 V/m, nimmt aber mit der Höhe schnell ab und hat in 10 km Höhe nur noch etwa 10 % und in 20 km Höhe nur noch 1 % des genannten Wertes. Insbesondere in Erdbodennähe unterliegen die Werte aber beträchtlichen Schwankungen und sind u.a. abhängig von der Wetterlage, der Tageszeit und der Oberflächenbeschaffenheit. Aus der durchschnittlichen Feldstärke von 130 V/m folgt eine negative Oberflächenladung der Erde von etwa $6\cdot {10}^5\text{C}$.

Durch Bebauung, Bäume und natürliche Unebenheiten treten erhebliche Deformationen des elektrischen Feldes der Erde auf, die durchaus auch von praktischer Bedeutung sind, etwa im Hinblick auf den Blitzschutz und das Auftreten weiterer luftelektrischer Erscheinungen wie Elmsfeuer.
Bild 2 zeigt die Äquipotenziallinien um ein Haus und einen Baum. Eng zusammenliegende Potenziallinien bedeuten eine große Feldstärke. Diese große Feldstärke an Spitzen bewirkt, dass sich an solchen Stellen bevorzugt Entladungskanäle ausbilden, mit anderen Worten: Das sind Stellen, an denen Blitze bevorzugt „einschlagen“. Durch Gewitter treten auch in erheblichem Umfange Störungen des elektrischen Feldes auf.

Spannend ist die Frage, warum das elektrische Feld der Erde überhaupt bestehen bleibt und nicht innerhalb kürzester Zeit zusammenbricht, gibt es doch in der Erdatmosphäre durch radioaktive Strahlung, Höhenstrahlung und UV-Strahlung eine ständige Ionisation. Dem Abbau des elektrischen Feldes der Erde muss also ein mehr oder minder ständiger Aufbau entgegenstehen. Dabei spielen Gewitter die entscheidende Rolle. In Bild 3 ist ein stark vereinfachtes Ersatzschaltbild des luftelektrischen Stromkreises dargestellt. Die entscheidenden elektrischen Vorgänge spielen sich in einem Bereich zwischen der Erdoberfläche und ca. 70 km Höhe über ihr ab und lassen sich so kennzeichnen:

• In Schönwettergebieten der Erde fließt ständig ein Strom positiver Ladung zur Erde. Für die gesamte Erde beträgt dieser Strom etwa 1.000 A, die Luft der Atmosphäre wirkt als elektrischer Widerstand.
• Wenn ein Gleichgewicht bestehen soll, muss in umgekehrter Richtung im Mittel ein gleich großer Strom fließen. Das ist tatsächlich der Fall, wobei sich dieser Strom aus drei Komponenten zusammensetzt.
  Diese Komponenten sind erstens die durch den Niederschlag transportierte Ladung, der Niederschlagsstrom . Bei Niederschlägen überwiegen die positiven Ladungen.
  Zweitens sind das die Ströme, die weltweit bei Gewittern auftreten, der sogenannten Blitzstrom . Es geht hierbei nur um die Blitze zwischen Wolken und Erde. Die Blitze zwischen Wolken spielen dabei keine Rolle.
  Drittens kommt ein mit Gewittern verbundener Vertikalstrom hinzu, zum Beispiel durch Spitzen und Koronaentladungen. Abschätzungen haben ergeben, dass der Niederschlagsstrom im Mittel etwa +500 A, der Blitzstrom durch die ständig rund 2000 Gewitter weltweit etwa -400 A und der Vertikalstrom zwischen -1000 A und -1600 A beträgt. Insgesamt ergeben sich damit im Mittel etwa 1000 A, wobei dieser Strom dem „Schönwetterstrom“ entgegengerichtet ist.