Meteorologische Messungen - brgkepler.atrath/fba/meteorologie_mayrhofer.pdf · Daniela Mayrhofer 2005 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 5 2. Einführung in die Meteorologie 7 2.1

Daniela Mayrhofer

Meteorologische Messungen Bau und Einsatz einfacher Wettermessgeräte im Physikunterricht

Diplomarbeit

zur Erlangung des akademischen Grades einer

Magistra

an der Naturwissenschaftlichen Fakultät der

Karl-Franzens-Universität Graz

Betreuer

Ass.-Prof. Mag. Dr. Erich Putz Institut für Physik

Mag. Dr. Gerhard Rath

Graz 2005

Danksagung

Mein Dank gilt Ass.-Prof. Mag. Dr. Erich Putz

und Mag. Dr. Gerhard Rath

für die fachliche Unterstützung und die aufgebrachte Zeit

An dieser Stelle bedanke ich mich herzlich bei meiner Familie, insbesondere meinen Eltern

Isabella und Dieter, für die Ermöglichung meines Studiums und

die Unterstützung während dieser Zeit

Ebenfalls bedanke ich mich bei meiner Schwester Sonja und ihrer Familie

für die liebevolle Aufnahme und das Verständnis

Ich danke all meinen Freunden, vor allem Nicki,

für eine wundervolle Zeit

Besonderer Dank gilt meinem Freund Seppi für seine aufmunternden Worte,

seine unendliche Geduld und seine Liebe

Daniela Mayrhofer 2005

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung 5 2. Einführung in die Meteorologie 7

2.1. Definition wichtiger Begriffe 7

2.2. Teilgebiete der Meteorologie 9

2.3. Die Atmosphäre 11

2.3.1. Zusammensetzung der Luft 11

2.3.2. Vertikaler Aufbau der Atmosphäre 13

3. Die meteorologischen Elemente 19 3.1. Luftdruck 19

3.1.1. Definition des Luftdrucks 20

3.1.2. Wichtige Gesetze zum Druck 20

3.1.3. Luftdruckverteilung an der Erdoberfläche 23

3.1.4. Luftdruckmessung 24

3.2. Lufttemperatur 28

3.2.1. Definition der Temperatur 28

3.2.2. Temperaturskalen 30

3.2.3. Messung der Lufttemperatur 31

3.3. Luftfeuchte 38

3.3.1. Definition der Luftfeuchte 38

3.3.2. Die verschiedenen Feuchtmaße 38

3.3.3. Messung der Luftfeuchte 42

3.4. Windgeschwindigkeit 45

3.4.1. Definition der Windgeschwindigkeit 45

3.4.2. Charakteristika des Windes 46

3.4.3. Messung der Windgeschwindigkeit 47

3.5. Niederschlag 53

3.5.1. Bildung von Niederschlag 53

3.5.2. Niederschlagsformen 54

3.5.3. Messung des Niederschlags 56


4. Einfache Wettermessgeräte 59 4.1. Bau eines Barometers 59

4.2. Bau eines Thermometers 62

4.3. Bau eines Hygrometers 64

4.4. Bau eines Windmessers 66

4.5. Bau eines Regenmessers 69

4.6. Messung 71

5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 75 5.1. Dynamisches Grundbildungskonzept nach IMST2 75

5.2. Planung des Unterrichtsablaufes 81

5.3. Planung der Unterrichtssequenz 83

5.4. Durchführung der Unterrichtssequenz 85 5.4.1. Durchführung der Unterrichtsstunde am 9.11.2004 86

5.4.2. Durchführung der Unterrichtsstunde am 10.11.2004 87

5.4.3. Durchführung der Unterrichtsstunde am 17.11.2004 90

5.5. Nachbetrachtung 92

6. Abbildungsverzeichnis 95 7. Literaturverzeichnis 96 Anhang 98

1. Einleitung 5


1. Einleitung Am Ende meines Studiums stand ich vor der Wahl, ein für mich geeignetes

Diplomarbeitsthema zu finden. Da mich die Meteorologie, insbesondere das Wetter,

schon immer interessiert hat, wollte ich mich mit diesem Thema beschäftigen. Ein

zusätzlicher Einsatz im Unterricht wäre eine gute Ergänzung. Ich unterbreitete

meinen Vorschlag Dr. Gerhard Rath und er zeigte sich bereit, diese Diplomarbeit zu

betreuen.

Die Meteorologie ist ein sehr großes Fachgebiet und nach reichlicher

Überlegung das Gebiet einzugrenzen, entschloss ich mich, mit Schülern

Wettermessgeräte zu bauen, mit ihnen Messungen durchzuführen und mit diesen

Daten auf das Wetter zu schließen. Im Detail bearbeite ich den Luftdruck

(Barometer), die Lufttemperatur (Thermometer), die Luftfeuchtigkeit (Hygrometer),

die Windgeschwindigkeit (Windstärkemesser und Windpfeil) und den Niederschlag

(Regenmesser).

Da es eine meteorologische Arbeit werden sollte, fragte ich Ass.-Prof. Mag.

Erich Putz, ob er meine Betreuung mit übernehmen würde. Er willigte ein und ich

konnte mit meiner Arbeit beginnen.

Nach reichlichen Recherchen in Büchern und dem Internet folgte der

praktische Teil – der Bau der Wettermessgeräte und die dazugehörige Messung. Die

detaillierte Beschreibung findet der Leser im 4. Kapitel. Den ganzen Sommer über

bastelte ich herum, verbesserte hier und da etwas und war dann endlich mit meinem

Ergebnis zufrieden.

Jetzt fehlte nur noch die didaktische Planung des Unterrichts. Dabei griff ich

auf das dynamische Grundbildungskonzept von IMST2 zurück, das im 5. Kapitel

beschrieben wird. Dieser Vorschlag der Planung gefiel mir sehr gut, denn er war sehr

aktuell, sprach mich inhaltlich an und ließ mir aber trotzdem genügend Freiraum für

meine eigenen Ideen.

Im November war es dann endlich soweit und ich konnte meine gesamte

bisherige Arbeit im Unterricht umsetzen. Diese drei Unterrichtsstunden, die mir Dr.

Rath zur Verfügung gestellt hat, waren sehr arbeitsintensiv, sowohl für die Schüler

als auch für mich, aber gerade dadurch konnte ich sehr viele Erfahrungen sammeln.

1. Einleitung 6


Meine ursprüngliche Idee mit den gesammelten Daten auf das Wetter zu schließen,

war mir leider nicht möglich. Diesen Teil gab ich eigentlich schon im Vorfeld auf, da

eine sinnvolle Wettervorhersage noch von vielen anderen Faktoren (z.B.: Bewölkung)

abhängt. Darüber hinaus Bedarf es einer genauen Untersuchung des

Zusammenspiels zwischen den einzelnen Elementen, die das Wetter beeinflussen.

Letzteres hätte theoretisch (Einführung in die Wettervorhersage) und praktisch

(genaues studieren der Messdaten) den Zeitrahmen gesprengt. Im Nachhinein

betrachtet war diese Entscheidung richtig, denn die Zeit war auch so schon ziemlich

knapp bemessen.

Bei der Beschreibung der meteorologischen Elemente (3. Kapitel) beschränkte ich

mich auf den Luftdruck, die Lufttemperatur, die Luftfeuchtigkeit und die

Windgeschwindigkeit. Das bedeutet, dass ich die Strahlung in dieser Arbeit nicht

berücksichtigt habe, sie aber dennoch für das Wettergeschehen eine wesentliche

Rolle spielt. Da ich aber einen Regenmesser gebaut habe, behandelte ich zusätzlich

den Niederschlag.

In meiner Diplomarbeit verwende ich aus Gründen der besseren Lesbarkeit und der

Erleichterung beim Schreiben nur die männliche Form bei Personen. Dabei ist aber

gleichzeitig auch die weibliche Form gemeint, auch wenn sie nicht jedes Mal explizit

angeführt ist.

Jetzt bleibt mir nur noch zu sagen, dass ich dem Leser viel Spaß beim Lesen

wünsche, und er hoffentlich ein paar Anregungen findet.

2. Einführung in die Meteorologie 7


2. Einführung in die Meteorologie 2.1. Definition wichtiger Begriffe Die Meteorologie ist definiert als die Wissenschaft von der Lufthülle der Erde. Sie

beschreibt verschiedene atmosphärische Prozesse, die sich in Raum und Zeit

abspielen. Das heißt also, dass jeder Vorgang eine zeitliche und räumliche

Ausdehnung besitzt. Aus diesem Grund führt man eine Raum- und eine Zeitskala

ein, wobei das Wort Skala in diesem Zusammenhang Größenordung bzw. Maßstab

bedeutet. Es gibt verschiedene Möglichkeiten diese Skalen einzuteilen.

Bei der räumlichen (horizontalen) Skala wird häufig folgende verwendet:1

• Makro-Skala: Ausdehnung über 2000 km

Beispiele: ausgedehntes Hoch/Tief

• Meso-Skala: Ausdehnung von 2 km bis 2000 km

Beispiele: Gewitter, kleines Hoch/Tief, Fronten

• Mikro-Skala: Ausdehnung kleiner als 2 km

Beispiele: Tornado, Cumulus Wolken

Diese grobe Unterteilung wurde von Isidoro Orlanski im Jahre 1975 verfeinert:

Skala Makro Meso Mikro

α β α β γ α β γ

von Erdumfang 10 000 km 2000 km 200 km 20 km 2 km 200 m 20 m

bis 10 000 km 2 000 km 200 km 20 km 2 km 200 m 20 m ↓

Tabelle 2.1.2: Feine meteorologische Skaleneinteilung

Durch die unterschiedliche Einteilung in räumliche und zeitliche Skalen entstanden

die Begriffe Wetter, Witterung, Großwetter und Klima, die im Folgenden erläutert

werden.

Wetter: Das Wetter beschreibt den Zustand der Atmosphäre an einem

bestimmten Ort zu einer bestimmten Zeit. Es variiert sowohl in

der Zeit, als auch im Raum sehr stark.

1 vgl. [1], S.11 2 vgl. [1], S.11



Witterung: Die Witterung beschreibt charakteristisch den Zustand der

Atmosphäre an einem bestimmten Ort über einen kurzen

Zeitraum. Sowohl der Ort kann ein größeres Gebiet (z.B.:

Obersteiermark) umfassen, als auch die Zeit von längerer Dauer

(wenige Tagen bis zu einer Jahreszeit) sein. Der Begriff

„charakteristisch“ bedeutet in diesem Fall, dass die Witterung mit

Hilfe statistischer Daten der einzelnen meteorologischen

Elemente (wie z.B.: Luftdruck, Lufttemperatur, Luftfeuchte,

Windgeschwindigkeit) beschrieben werden kann.

Großwetter: Unter Großwetter versteht man den Zustand der Atmosphäre

über einem größeren Gebiet (z.B.: Mitteleuropa) während eines

kurzen Zeitintervalls. Diese Zeitspanne beträgt meistens nur

wenige Tage.

Klima: Das Klima ist ein sehr vielschichtiger Begriff, der sich in zwei

wichtige Faktoren zerlegen lässt – einerseits in Bezug auf das

Klimasystem (siehe Abb.2.1.) und andererseits auf ein sehr

großes Zeitintervall.

Das Klimasystem besteht aus fünf Komponenten, die eine

starke Wechselwirkung untereinander aufweisen (durch die

Pfeile dargestellt). Sie lauten:

Atmosphäre (Lufthülle der Erde)

Hydrosphäre (Wasser der Erde, also Meere, Flüsse und

Seen)

Kryosphäre (Eis der Erde, kontinentale Eisflächen der

Arktis und Antarktis, das Schelfeis, das Meereis, die

Gletscher und der Schnee)

Biosphäre (alle pflanzlichen und tierischen Lebewesen,

insbesondere der Mensch)

Lithosphäre (feste Erde)

Beim Klima ist es nicht notwendig eine räumliche Ausdehnung

festzulegen, wichtig ist vielmehr, das Zeitintervall dem Raum



anzupassen. Bei der Betrachtung des globalen Klimasystems

wählt man meistens einen Zeitraum von 30 Jahren.

Kurz zusammengefasst ist das Klima der Zustand und die

Entwicklung des Klimasystems (oder auch nur einzelne Teile

daraus) charakteristisch erfasst für einen längeren Zeitraum.

Abb.2.1.: Bild des globalen Klimasystems

In diesem Zusammenhang sollte noch der Begriff der Klimaänderung besprochen

werden. Darunter versteht man eine Änderung des langzeit-statistischen Zustandes

des Klimasystems. Seit der Entstehung der Erde vor etwa 9105,4 ⋅ Jahren gab es

viele Klimaänderungen, z.B. betrug vor 700 Millionen Jahren der Sauerstoffgehalt nur

20 % der heutigen Konzentration und vor 2 Millionen Jahren begann die Eiszeit. Sie

sind also ganz natürliche Vorgänge.



2.2. Teilgebiete der Meteorologie Die Meteorologie beschäftigt sich mit der Atmosphäre der Erde, wobei einerseits der

physikalische (Hydrodynamik und Thermodynamik) und andererseits der chemische

(stoffliche Zusammensetzung der Luft) Zugang von wesentlicher Bedeutung ist.

Eine häufige Einteilung der Meteorologie ist folgende1:

Allgemeine Meteorologie beschäftigt sich mit den Grundgesetzen und

den Phänomenen und liefert einen guten

Gesamtüberblick

Theoretische Meteorologie bezieht sich auf die theoretische Physik (vor

allem Hydro- und Thermodynamik) und

Chemie bezüglich der Atmosphäre

Experimentelle Meteorologie beinhaltet Messungen und Experimente in der

Atmosphäre, sowie die Entwicklung von

Messinstrumenten

Angewandte Meteorologie beschäftigt sich mit verschiedenen

Teilgebieten, wie:

Synoptische Meteorologie (Wetteranalyse und Wettervorhersage)

Flugmeteorologie (Zusammenhang Atmosphäre-Flugkörper)

Technische Meteorologie (Zusammenhang mit technischen Prozessen)

Biometeorologie (Wechselwirkung zwischen Atmosphäre, Mensch,

Tier- und Pflanzenwelt)

Es gibt aber auch noch andere Möglichkeiten die Meteorologie zu gliedern, zum

Beispiel nach folgenden Gesichtspunkten:

Räumliche Gegebenheiten

Beispiele: Aerologie (Meteorologie der höheren Luftschichten)

Aeronomie (Meteorologie der Hochatmosphäre)

Grenzschicht-Meteorologie (Meteorologie der planetaren

Grenzschicht2)

Mikrometeorologie (Meteorologie auf kleinstem Raum)

Maritime Meteorologie (Meteorologie der Meeresgebiete

einschließlich der Wechselwirkung Ozean-Atmosphäre)

1 vgl. [1], S.15 2 siehe Kapitel 2.3.2., S.14



Alpine Meteorologie (Meteorologie der alpinen Gebiete

einschließlich der Wechselwirkung Gebirge-Atmosphäre)

Polare Meteorologie (Meteorologie der Polargebiete)

Raumskalen

Beispiele: Meso-Meteorologie (Meteorologie der mesoskaligen Prozesse)

Mikro-Meteorologie (Meteorologie der mikroskaligen Prozesse)

Experimentelle Techniken

Beispiele: Satelliten-Meteorologie

Radar-Meteorologie

2.3. Die Atmosphäre 2.3.1. Zusammensetzung der Luft Die Erde besitzt eine Lufthülle, die so genannte Atmosphäre. Sie setzt sich aus

verschiedenen chemischen Elementen und Verbindungen zusammen, die zu einem

ganz unterschiedlichen Anteil in der Luft vorhanden sind. Der Wasseranteil weist die

größten Schwankungen auf, weshalb meistens nur die Anteile der trockenen Luft,

also wasserdampffreie, berücksichtigt werden. Die Hauptbestandteile sind Stickstoff

(N2), Sauerstoff (O2), Kohlendioxid (CO2) und Spurengase, deren Volumenanteil

weniger als 5103 −⋅ beträgt – die genaue Zusammensetzung liefert Tabelle 2.2.



Gas chemisches Symbol

Molmasse 10-3 kg/mol

Siedepunkt bei p = 1013 hPa

°C

Volumenanteil = Druckanteil

Vi/v = pi/p Stickstoff N2 28,013 -196 0,7808

Sauerstoff O2 31,999 -183 0,2095

Argon Ar 39,948 -186 0,0093

Kohlendioxid CO2 * 44,010 -78 0,0004

trockene Luft nach Hauptbestandteilen

- 28,965 - 1,0000

Neon Ne 20,183 -246 1,8⋅10-5

Helium He 4,003 -269 5,2⋅10-6

Methan CH4 * 16,043 -161 1,8⋅10-6

Krypton Kr 83,80 -153 1,1⋅10-6

Wasserstoff H2 * 2,016 -253 5,6⋅10-7

Distickstoffoxid N2O * 44,013 -89 3,2⋅10-7

Kohlenmonoxid CO * 28,011 -191 9,0⋅10-8

Xenon Xe 131,30 -107 8,7⋅10-8

Ozon O3 * 47,995 -112 4,0⋅10-8

Tabelle 2.2.1: Zusammensetzung wasserdampffreier Luft. Die mit * gekennzeichneten Gase sind durch anthropogene Einflüsse heute (Stand 2000) gegenüber vorindustrieller Zeit deutlich erhöht.

Die Zusammensetzung der Hauptbestandteile der Luft hält sich sehr konstant. Die

Spurengase hingegen unterliegen stets örtlichen und zeitlichen Schwankungen.

Zusätzlich herrscht eine gute Durchmischung der Luft bis in eine Höhe von ca.

100 km. Aus diesen Gründen wird trockene Luft als ein Gas mit konstanter stofflicher

Zusammensetzung und konstanter Molmasse angesehen. Darüber hinaus wird Luft

als ein ideales Gas betrachtet. Dies ist möglich, weil die Siedepunkte der einzelnen

Bestandteile niedriger sind, als ihre aktuelle Temperatur (siehe Tabelle 2.2.).

Obwohl die Betrachtung trockener Luft einfacher ist, darf man den

Wasserdampfgehalt auf keinen Fall außer Acht lassen, denn dieser spielt für das

Wettergeschehen eine wesentliche Rolle. Der Volumenanteil des Wasserdampfes ist,

wie schon vorher erwähnt, sehr variabel und beträgt maximal vier Prozent der

gesamten Luft. Ein wichtiger Aspekt ist, dass Wasser in allen drei

Aggregatzuständen in der Atmosphäre vorkommt – in flüssiger Form als Regen, in 1 vgl. [1], S.24



gasförmiger Form als Wasserdampf und in fester Form als Hagel, Graupel oder

Schnee.

In der Meteorologie ist es üblich auch feuchte Luft als ideales Gas zu

betrachten, ohne dass dabei größere Fehler entstehen.

Bezüglich der gesamten stofflichen Zusammensetzung der realen Luft spielen

aber nicht nur Gase eine Rolle, sondern auch feste und flüssige Stoffe. Diese festen

beziehungsweise flüssigen Stoffe (Aerosole) stammen einerseits aus natürlichen

(z.B.: Vulkanen) und andererseits aus anthropogenen Quellen (z.B.: Industrie).

2.3.2. Vertikaler Aufbau der Atmosphäre

Die Atmosphäre gliedert sich in unterschiedliche Schichten, deren Bezeichnung auf

den Temperaturverlauf mit der Höhe zurückgeht. Im Folgenden werden diese

Atmosphärenschichten näher betrachtet und wichtige Merkmale diskutiert. Den

genauen Verlauf der Temperatur zeigt Abb.2.2., in dem auch schon die einzelnen

Namen der Schichten erwähnt sind.

Abb.2.2.: Temperaturverlauf in den einzelnen Atmosphärenschichten bis 100 km Höhe



Die Troposphäre ist die unterste Atmosphärenschicht, in der sich das

Wettergeschehen abspielt. Der Name geht auf das griechische Wort „trepein“, das

wenden, kehren bedeutet, zurück und deutet schon auf die starke Durchmischung

der Luft hin. Sie erstreckt sich bis in eine Höhe von ca. 10 km und beinhaltet 80 %

der gesamten Masse der Atmosphäre.

Ein wichtiger Bestandteil der Troposphäre ist die planetare oder

atmosphärische Grenzschicht. Sie reagiert direkt auf die Beeinflussung durch den

Erdboden und die Erdoberfläche (z.B.: Wärmeleitung, Reibung, Verdunstung) mit

einer Zeitverzögerung von ca. einer Stunde oder weniger. Typische

Grenzschichthöhen reichen von etwa 100 m bis ca. 3000 m – abhängig von vielen

Faktoren wie zum Beispiel der Tages- und Jahreszeit, der Bodenbeschaffenheit und

der Topographie. Innerhalb dieser Grenzschicht wird der Wind von den in größeren

Höhen vorherrschenden Winden und der Reibung am Boden beeinflusst – er weht

schräg zu den Isobaren.

Die Temperatur in der Troposphäre nimmt normalerweise mit zunehmender

Höhe ab, im Mittel um etwa 6,5°C pro Kilometer. Der Luftdruck sinkt ebenfalls.

Aufgrund des hohen Wassergehaltes kommt es hier zu Wolkenbildung und

Niederschlägen.

Ein sehr wichtiger Effekt ist die Inversion, eine Temperaturumkehr an einer

Luftschicht (d.h.: Temperaturzunahme mit der Höhe). Diese kann als Bodeninversion

oder als abgehobene Inversion in Erscheinung treten. Eine Bodeninversion liegt am

Erdboden auf und erreicht Höhen von wenigen Metern bis einige hundert Meter. Sie

entsteht aufgrund einer negativen Strahlungsbilanz, die zum Beispiel in klaren

Nächten zu beobachten ist und sich als Tau oder Reif an der betreffenden

Oberfläche bemerkbar macht. Im Gegensatz dazu liegt bei einer abgehobenen

Inversion die Inversionsschicht nicht auf dem Erdboden auf.

Über der planetaren Grenzschicht erstreckt sich die freie Atmosphäre (ist ein

Teil der Troposphäre), die durch die Erdoberfläche nicht mehr direkt beeinflusst wird.

Die obere Grenzschicht der Troposphäre ist die Tropopause, deren Höhe (im

Mittel etwa 10 km) je nach Jahreszeit und geographischer Breite variiert. An den

Polen ist sie etwa in 8 km Höhe, über den Tropen jedoch in ca. 18 km Höhe.



Die Stratosphäre befindet sich in einer Höhe von ca. 10 km bis etwa 50 km. Die

Bezeichnung stammt vom lateinischen Wort „stratus“ (= geschichtet), da man früher

annahm, dass diese gleichmäßig geschichtet und ruhig sei. Heute ist bekannt, dass

in dieser Schicht viele physikalische und chemische Prozesse stattfinden, die das

Wettergeschehen stark beeinflussen.

Der Temperaturverlauf in der Stratosphäre gliedert sich in zwei Teile – bis ca.

20 km Höhe bleibt die Temperatur nahezu gleich, darüber steigt sie stetig bis auf

einen Wert von ca. -3°C an. Im Gegensatz zur Troposphäre existiert hier ein sehr

geringer Anteil an Wasserdampf, weshalb es praktisch zu keiner Wolkenbildung

kommt. Die wenigen Wolken, die hier (in einer Höhe von 15 bis 25 km) noch

entstehen, heißen Perlmuttwolken und werden hauptsächlich in arktischen Bereichen

beobachtet.

Ein wesentlicher Teil der Stratosphäre ist die Ozonschicht, die die schädliche

kurzwellige, ultraviolette Strahlung der Sonne abschirmt. Das Ozonmaximum

befindet sich im globalen Mittel in einer Höhe von etwa 25 km. Die

Ozonkonzentration hält sich im photochemischen Gleichgewicht, deren

Reaktionsgleichungen im Folgenden dargestellt sind.

Bildung des Ozons:

O2 + hν → O + O (1)

2(O + O2 + M) → 2(O3 + M) (2)

Die Bildung von Ozon (O3) benötigt also zwei Schritte.

Die Gleichung (1) nennt man Dissoziation von molekularem

Sauerstoff O2 in atomaren Sauerstoff O. Sie entsteht durch Absorption

sehr kurzwelliger Strahlung (Wellenlänge λ ≤ 0,24 µm, die so genannte

Dissoziationsschwelle) durch die O2-Moleküle in ihren

Absorptionsbanden. hν bezeichnet ein Strahlungsquant, also ein

Photon der absorbierten Sonnenstrahlung.

Die Gleichung (2) heißt Rekombination von atomarem Sauerstoff

mit molekularem Sauerstoff und einem Katalysator M zu Ozon. Der

Katalysator behält seine chemischen Eigenschaften bei der Reaktion

bei und nimmt als Stoßpartner Energie und Impuls auf. Meistens ist M

Stickstoff (N2) oder Sauerstoff (O2).



Schreibt man die beiden Reaktionsgleichungen in einer an, ergibt sich:

3O2 + hν → 2O3

Zerfall des Ozons:

O + O3 → 2O2 (3)

O3 + hν → O + O2 (4)

Die Reaktionsgleichung (3) bezeichnet man als thermischen Zerfall, der

durch Stoßprozesse ausgelöst wird.

Die Gleichung (4) beschreibt die Dissoziation von O3. Dabei

zerfällt das Ozon aufgrund der Absorption in den O2-Banden bei

Wellenlängen λ ≤ 0,3 µm.

Schreibt man die beiden Reaktionsgleichungen in einer an, ergibt

sich:

2O3+ hν → 3O2

Diese Reaktionsgleichungen, auch „Chapman-Zyklus“ genannt, sind der Grund für

den Temperaturanstieg in der Stratosphäre. Sie kommen der Wirklichkeit sehr nahe

und genügen uns deshalb in diesem Zusammenhang.

Die Ozonkonzentration hat in den letzten 35 Jahren stark abgenommen, vor

allem über den Polargebieten. Der Grund liegt vor allem bei anthropogenen Gasen

(u.a. Fluorchlorkohlenwasserstoffe, kurz FCKW), die den Zerfallsprozess positiv

beeinflussen.

Das Ozonmaximum und das Temperaturmaximum in der Stratosphäre sind

eng miteinander verknüpft, da das Ozon die solare Strahlung absorbiert. Die

Abweichung in der Höhe kommt dadurch zustande, weil bereits bei niedrigerer

Ozonkonzentration ein großer Teil der Strahlung absorbiert wird.

Den Abschluss der Stratosphäre bildet die Stratopause in einer Höhe von ca.

50 km. Dort herrscht die höchste Temperatur (im Mittel -3°C) dieser Schicht.

Die Mesosphäre erstreckt sich bis in eine Höhe von 85 km und ist durch eine

starke Temperaturabnahme und Durchmischung charakterisiert.

Ein interessantes Phänomen in dieser Schicht stellen die so genannten

leuchtenden Nachtwolken dar. Diese bestehen aus Eiskristallen, die sich am



Meteoritenstaub (übernehmen die Funktion von Sublimationskernen) bilden und sich

im kältesten Teil der Atmosphäre befinden. Beobachtet werden leuchtende

Nachtwolken im Sommer in ca. 45° bis 70° geographischen Breite in einer Höhe von

über 80 km.

Die obere Grenzschicht nennt man Mesopause. Sie ist die kälteste Region der

Atmosphäre mit einer Temperatur von ca. -90°C.

Die unteren drei Atmosphärenschichten, Troposphäre, Stratosphäre und

Mesosphäre, fasst man zur Homosphäre zusammen. In diesem Teil wird die

trockene Luft aufgrund der guten Durchmischung als ein Gas mit konstanter

Molmasse betrachtet.

Den nächsten Teil bildet die Thermosphäre die sich von 85 km bis 500 km Höhe

erstreckt. In dieser Schicht steigt die Temperatur bis etwa 400 km auf 1000 K an und

bleibt dann nahezu konstant. Durch die Strahlungsabsorption und die geringe

Teilchendichte kommt es zu starken Temperaturschwankungen von mehreren 100 K

– je nach Sonneneinstrahlung.

Durch Absorption von UV-Strahlung, Röntgenstrahlung und

Korpuskularstrahlung aus dem Weltall werden die Gase dissoziiert und teilweise

auch ionisiert. Es entsteht ein Plasma, das aus Ionen, Elektronen und neutralen

Gasteilchen besteht, und elektrisch leitfähig ist. Man nennt diese Region daher auch

Ionosphäre.

Ein weiteres Charakteristikum besteht in der Entmischung der einzelnen Gase

bezüglich ihrer verschiedenen Molmassen aufgrund von Gravitationseffekten –

Diffusionseffekte wirken dagegen. Diese beiden Prozesse sind für die Molmasse der

Luft in jeder bestimmten Höhe verantwortlich – es existiert also keine

höhenkonstante Zusammensetzung der Gase mehr.

Die abschließende Atmosphärenschicht ist die Exosphäre. Sie beginnt in einer Höhe

von 500 km und besteht nur noch aus schnellen, geladenen und ungeladenen,

dissoziierten Atomen. Die ungeladenen Teilchen können in den Weltraum

entweichen, die geladenen hingegen (das ist der größere Teil) werden aufgrund des

Magnetfeldes der Erde in der Atmosphäre gehalten. Aus diesem Grund wird dieser

Teil der Exosphäre auch Magnetosphäre genannt.



Die Obergrenze unserer Atmosphäre bildet die Magnetopause, die sich auf der

Sonne zugewandten Seite in einer Höhe von ca. 10 Erdradien (das sind etwa

60 000 km) befindet.

Jenseits der Magnetopause erstreckt sich der interplanetare Raum, in dem

sich der solare Wind befindet. Dieser entsteht aufgrund von sich bewegenden

Sonnenwindteilchen (hauptsächlich schnelle Protonen und Neutronen aus der

Sonnenkorona).

Die beiden oberen Atmosphärenschichten werden zusammengefasst auch als

Heterosphäre, vom griechischen heteros, das verschieden bedeutet, bezeichnet.

3. Die meteorologischen Elemente 19


3. Die meteorologischen Elemente Die meteorologischen Elemente sind Luftdruck, Lufttemperatur, Luftdichte,

Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit und Strahlung. Diese physikalischen Grundgrößen

sind für die drei Raumkoordinaten x, y und z und für die zeitliche Komponente t

definiert. Aus diesem Grund werden sie als Feldgrößen bezeichnet.

In diesem Kapitel werden die meteorologischen Elemente beschrieben. Und

es werden wichtige Gesetze erklärt. Im Anschluss an jedes Teilkapitel wird auf die

verschiedenen Messmethoden eingegangen, weil diese einen wesentlichen Teil

meiner praktischen Arbeit darstellten.

Die Datenerfassung der meteorologischen Elemente erfolgt heute

hauptsächlich über elektronische Messfühler. In weiterer Folge werden die

gesammelten Werte auf den Computer übertragen und gespeichert.

3.1. Luftdruck 3.1.1. Definition des Luftdrucks Der Luftdruck ist definiert als das Gewicht einer Luftsäule an ihrer unteren

Begrenzungsfläche bezogen auf die Flächeneinheit, welches durch die

Schwerebeschleunigung verursacht wird. Dabei ist es wichtig zu beachten, dass der

Druck in alle Richtungen wirkt. Diese Tatsache folgt aus den einzelnen Bewegungen

und Stößen der frei beweglichen Gasmoleküle.

Aus dieser Definition ist auch ersichtlich, dass der Luftdruck höhenabhängig

ist und mit der Höhe abnehmen muss.

Die Einheit des Luftdrucks in der Meteorologie ist Hektopascal oder Millibar,

wobei zwischen den beiden Größen folgender Zusammenhang besteht:

1 hPa = 1 mbar = 100 N/m2



3.1.2. Wichtige Gesetze zum Druck Allgemeine Gasgleichung Die Luft ist ein Gasgemisch, das über die drei Zustandsgrößen Druck, Temperatur

und Dichte definiert wird.

Die allgemeine Gasgleichung beschreibt den Zusammenhang dieser drei Größen in

einem idealen Gas. Sie lautet:

TRnVp ⋅⋅=⋅

p ....... Druck [N/m2]

V ....... Volumen [m3]

n ....... Anzahl der Mole (es gilt n = m/M) [mol]

R ....... allgemeine Gaskonstante [J/(mol K)]

T ....... absolute Temperatur [K]

Die Dichte ρ steckt über die Zusammenhänge Mmn = (Masse m und Molmasse des

Gases M) und Vm

=ρ in der obigen Gleichung. Die allgemeine Gasgleichung schreibt

sich dann TRp L ⋅⋅ρ= ; wobei RL, mit RL = R/M, die speziellen Gaskonstante für

trockene Luft ist.

Ein Gas wird als ideal angesehen, wenn die Wechselwirkung zwischen den

einzelnen Gasmolekülen vernachlässigt werden kann.

Gesetz von Avogadro Das Avogadrosche Gesetz besagt, dass bei gleichem Druck und bei gleicher

Temperatur alle idealen Gase bei gleicher Teilchenzahl auch gleiches Volumen

besitzen. Dies beinhaltet, dass das Verhältnis der Teilchenzahl zweier Gase gleich

dem der Volumina ist, also

1

2

1

2

VV

nn

=

ni ....... Anzahl der Mole

Vi ....... Volumen der Einzelgase



Gesetz von Dalton Der Partialdruck jeder einzelnen Komponente eines Gemisches idealer Gase ist

unabhängig von der Anwesenheit der anderen Gase. Der Druck des Gemisches

ergibt sich aus der Summe der Partialdrucke der einzelnen Komponenten.

Es gilt also:

ppi =∑ und nn

VV

pp iii ==

Barometrische Höhenformel Die barometrische Höhenformel beschreibt mathematisch, wie sich der Luftdruck in

Abhängigkeit von der Höhe verhält. Die Herleitung erfolgt über die statische

Grundgleichung, die man aus der einfachen Darstellung einer Luftschicht (Abb.3.1.)

erhält.

Das Gas befindet sich zwischen den

beiden Niveaus mit den Höhenkoordinaten z1

und z2 und den dazugehörigen Druckwerten

p1 und p2 mit einer konstanten Dichte ρ und

übt im Niveau z1 einen im Vergleich zu p2

Abb.3.1.: Skizze zum Verständnis der statischen Grundgleichung

zusätzlichen Druck ∆p = p1 – p2 aus. Mit Hilfe der Schwerebeschleunigung g

berechnet man diesen Druck aus dem Gewicht der Luft pro horizontale

Flächeneinheit zwischen den beiden Niveaus, die den Abstand ∆z = z1 – z2 haben.

( ) ( ) zgzzgzzgppp 211221 ∆⋅⋅ρ−=−⋅⋅ρ−=−⋅⋅ρ=−=∆

gzp

zplim

0z⋅ρ−=

∂∂

=∆∆

→∆

Die letzte Formel bezeichnet man als statische Grundgleichung. Sie beschreibt die

Abnahme – durch das negative Vorzeichen ersichtlich – des Luftdrucks mit der Höhe.

Zusätzlich besagt sie, dass die Abnahme proportional zur Schwerebeschleunigung

und zur Dichte ist. Die statische Grundgleichung kann aber auch als ein

Kräftegleichgewicht zwischen der vertikalen Komponente der Druckgradientkraft und

der Schwerkraft verstanden werden.

0gzp1

=+∂∂

⋅ρ

Die einzelnen Terme der Gleichung bezeichnen Kräfte pro Masseneinheit, also

Beschleunigungen.



Zur Erläuterung nun kurz zur Schwerebeschleunigung g. Im Vergleich zu anderen

Beschleunigungen in unserer Atmosphäre hat g einen sehr großen Wert. Sie stammt

hauptsächlich von der Anziehungskraft der Erde und zu einem kleinen Teil aus der

Zentrifugalkraft der Erdrotation. Ein wichtiger Aspekt in diesem Zusammenhang ist,

dass die Schwerebeschleunigung überall auf der Erde einen anderen Wert aufweist.

Das hängt davon ab, dass g nicht nur eine Funktion der Höhe z ist, sondern auch der

geographischen Breite ϕ, da der Erdradius am Äquator um 21,4 km größer ist als an

den Polen. In der Meteorologie wird diese Tatsache vernachlässigt, da der

Unterschied verschwindend gering ist.

Die Schwerebeschleunigung auf Meeresniveau beträgt:

an den Polen g90 = 9,83257m/s2

in 45° Breite g45 = 9,80665 m/s2 (= gN)

am Äquator g0 = 9,78084 m/s2

Bei der Herleitung der barometrischen Höhenformel wird die Dichte ρ mit Hilfe der

Gasgleichung ersetzt, wodurch sich Folgendes ergibt:

gTR

pzp

L

×-=¶

¶

Diese Gleichung wird über die Höhe z integriert, um den Druck in Abhängigkeit von

der Höhe zu erhalten. Dabei ist darauf zu achten, dass sowohl Temperatur als auch

Schwerebeschleunigung eine Funktion von der Höhe sind. Letztere kann als

konstant angesehen werden, wie im Infokasten erläutert wurde. Die Temperatur ist

schwieriger zu betrachten, weshalb es zwei Ansätze gibt – einerseits wird die

Temperatur als konstant und andererseits als linear (Funktion der Höhe) angesehen.

Wird die Temperatur als konstant vorausgesetzt, handelt es sich um eine isotherme

Atmosphäre. Die Variablen p und z werden getrennt integriert, wodurch man

Folgendes erhält:

∫∫ −=z

zL

p

p 00

dzTR

gdpp1 ⇒ ( )

TRzzg

ppln

L

0

0

−⋅−= ⇒

( )TRzzg

0L

0

epp−⋅

−

⋅=

Die letzte Formel ist die barometrische Höhenformel für eine isotherme

Atmosphäre. Sie beschreibt die exponentielle Abnahme des Drucks p (mit der

Höhe z) ausgehend vom Druck p0 und dem Höhenniveau z0 mit der Höhendifferenz



(z – z0). Im Exponenten steht einerseits die potentielle Energie (oder die Differenz

der Geopotentiale gz und gz0) im Zähler und andererseits die thermische Energie

RLT im Nenner. Die Annahme, dass die Temperatur konstant bleibt, führt zu einer

Vereinfachung der Integration, wird der Realität aber nicht gerecht, da T mit der Höhe

abnimmt. Im Mittel beträgt diese Abnahme 0,65° pro 100 m. Aus diesem Grund

verwendet man die mittlere Temperatur zwischen den Höhenschichten z0 und z. Die

Temperatur muss in Kelvin (!) angegeben werden, da sich die barometrische

Höhenformel ja aus der allgemeinen Gasgleichung herleitet.

Der Ausdruck g

TRL ⋅ wird in der Meteorologie als Skalenhöhe H bezeichnet.

Sie beträgt ca. 8 km (bei T = 273 K), das heißt, dass in einer Höhe von 8 km der

Luftdruck nur noch 37% des Bodenluftdrucks beträgt.

Die barometrische Höhenformel wird zur Reduktion des Luftdrucks auf

Meeresniveau (Normal-Null oder NN) verwendet. Die auf verschiedenen Höhen

gemessenen Luftdruckwerte werden dadurch vergleichbar und können in einer

Bodenwetterkarte, die den Luftdruck auf Meeresniveau darstellt, eingezeichnet

werden.

Der Ansatz mit linearer Temperatur berücksichtigt die Höhenabhängigkeit von T,

wodurch die Integration um einiges komplizierter ausfällt. In der Praxis ist es

ausreichend von einer isothermen Atmosphäre auszugehen. Bei einer Berechnung

über mehrere Kilometer (z.B.: Aufstieg einer Radiosonde) sollte man allerdings eine

Aufteilung in mehrere dünnere Schichten vornehmen, um zu einem guten Ergebnis

zu gelangen.

3.1.3. Luftdruckverteilung an der Erdoberfläche Die an der Erdoberfläche gemessenen Luftdruckwerte werden in so genannten

Bodenwetterkarten eingetragen. Bei einer Bodenwetterkarte handelt es sich um eine

genaue Analyse des derzeitigen Wettergeschehens. Neben den Luftdruckwerten

werden auch noch andere meteorologische Daten eingezeichnet, auf die in diesem

Zusammenhang nicht näher eingegangen wird.

Der Luftdruck ist in einer Bodenwetterkarte auf Isobaren, das sind Linien

gleichen Luftdrucks, einzeichnet. Bevor die Luftdruckwerte eingetragen werden

können, müssen sie mit Hilfe der barometrischen Höhenformel auf Meeresniveau



reduziert werden. Ansonsten würden die Isobaren die Höhenschichtlinien

wiedergeben.

Im Folgenden wird auf einige Auffälligkeiten des Luftdrucks eingegangen,

wobei Mittelwerte herangezogen wurden:

• Die mittlere Bodendruckverteilung ist von der geographischen Breite

abhängig. Dabei ist diese Abhängigkeit auf der Südhalbkugel besser zu

beobachten, als auf der Nordhalbkugel. Diese Tatsache folgt aus der Land-

Wasser-Verteilung im Norden, wodurch mehr Störungen verursacht werden.

• Auf der Nordhalbkugel wird durch die Land-Wasser-Verteilung Folgendes klar

– im Winter herrscht hoher Luftdruck über den Kontinenten, im Sommer

hingegen tiefer Luftdruck.

• Die bodennahen Winde wehen meist schräg zu den Isobaren, und nicht

senkrecht.

• Die Luftdruckwerte in Mitteleuropa schwanken um die 1020 hPa, können aber

auch leicht Werte bis zu 1040 hPa erreichen. Die tiefsten Werte werden im

Kern von tropischen Wirbelstürmen gemessen (unter 900 hPa), aber auch im

Islandtief sind solche tiefen Werte möglich (bis ca. 910 hPa). Die höchsten

Werte treten oft im Kältehoch Innerasiens auf (bis ca. 1080 hPa).

3.1.4. Luftdruckmessung Der Luftdruck wird mit Hilfe von Barometern gemessen, die es in den

unterschiedlichsten Variationen gibt. Im folgenden Teilkapitel wird das

Flüssigkeitsbarometer, das Aneroidbarometer und das Siedepunktbarometer

vorgestellt. In der Meteorologie werden am häufigsten Quecksilber- und

Aneroidbarometer verwendet.

Flüssigkeitsbarometer Das Flüssigkeitsbarometer ist ein halboffenes gerades oder u-förmiges Rohr (siehe

Abb.3.2.), das mit Quecksilber (oder Wasser) gefüllt ist.



Das erste Messgerät stammt vom

Italiener Evangelista Toricelli (1644). Er

verwendete bei seinem Versuch ein

halboffenes gerades Rohr, das er

vollständig mit Quecksilber füllte, und

eine Wanne voller Quecksilber, in die er

das Rohr senkrecht hineinstellte. Dabei

sinkt die Quecksilbersäule und darüber

entsteht Unterdruck. Die Höhe der

Quecksilbersäule beträgt bei

Abb.3.2.: Flüssigkeitsbarometer: Links: u-förmiges Rohr Rechts: Toricelli-Rohr

Normalbedingungen (STP = Standard Temperature Pressure) 76 cm – gemessen

von der Oberfläche des Quecksilbers in der Wanne bis zum oberen

Quecksilberspiegel. Diese Stellung stellt ein Gleichgewicht des Quecksilbers auf dem

Niveau α zwischen dem von der Säule ausgeübten Druck und dem äußeren

Luftdruck dar. Der von der Säule ausgeübte Druck hängt von der Höhe

folgendermaßen ab:

hgp Hg ⋅⋅ρ=

Der Luftdruck lässt sich also mit Hilfe dieser Formel berechnen, wenn man die Dichte

von Quecksilber (ρHg = 13,595⋅103 kg/m3) und die Höhe (hHg = 0,76 m) kennt. Hierbei

ist zu beachten, dass es sich um den Luftdruck bei 0°C handelt. Für die

Schwerebeschleunigung wird gN1 verwendet. Auf Meeresniveau (also NN) erhält man

dann für den Luftdruck einen Wert von 1013,25 hPa. Dieselbe Überlegung gilt, wenn

man anstatt Quecksilber Wasser ( 33OH mkg10001

2/, ⋅=ρ und m332,10h OH2

= )

verwendet, wie es Otto von Guericke im Jahr 1654 versucht hat.

Früher verwendete man als Einheit für den Luftdruck das Torr, das sich auf

das Quecksilberbarometer bezieht. Ein Torr ist „1-mm-Quecksilbersäule“ oder der

Druck von 1 mm Quecksilbersäule bei 0°C und Normalschwere gN. In dieser Einheit

beträgt der mittlere Luftdruck auf Meeresniveau 760 Torr. Die Umrechnung zwischen

den Einheiten ist:

1 mm Hg = 1 Torr = 1,33322 hPa

In der heutigen Zeit wird das Torr noch zur Angabe von Blutdruckwerten verwendet.

1 siehe Kapitel 3.1.2., S.22 (Infokasten)



Beim Quecksilberbarometer mit geradem Rohr ist eine direkte Ablesung des

Luftdrucks möglich. Dafür bringt man eine feste Skala am Rohr an. Steigt oder fällt

nun der obere Quecksilberspiegel um die Länge ∆l, dann gilt für ∆h:

lQq1h ∆⋅

+=∆

In dieser Formel bezeichnet q den Flüssigkeitsquerschnitt im Rohr und Q den

inneren Querschnitt der Quecksilberwanne. Bei der direkten Ablesung muss

zusätzlich eine 1/(1+q/Q) reduzierte Skala angebracht werden. Dieser Wert beträgt

bei gebräuchlichen Quecksilberbarometern 0,98, wenn q = 0,5 cm2 und Q = 25 cm2

(typische Werte) sind.

Wie vorhin schon erwähnt, liefert das Quecksilberbarometer nur bei einer

Temperatur von 0°C und Normalschwere gN brauchbare Werte. Da diese

Bedingungen nur höchst selten auf eine Messung zutreffen, ist eine Korrektur

notwendig, um den wahren Luftdruck zu erhalten. Es gilt:

NC0,Hg

HgNC0,HgHg g

ghghgp ⋅ρ

ρ⋅⋅⋅ρ=⋅⋅ρ=

°

°

Ablesung Korrektur

Das Quecksilberbarometer erreicht mit dieser Korrektur eine sehr gute

Messgenauigkeit.

Aneroidbarometer In der Meteorologie wird ein

Aneroidbarometer oder Dosenbarometer

bei veränderlichem Messort und bei

geringen Messgenauigkeitsansprüchen

verwendet.

Das erste Aneroidbarometer

wurde vom Franzosen Lucien Vidie im

Jahr 1844 gebaut, weshalb die Dosen

auch Vidie-Dosen genannt werden.

Abb.3.3.: Prinzip eines Aneroidbarometers

Ein Dosenbarometer besteht aus einer teilevakuierten Metalldose, mit einem

Durchmesser von einigen Zentimetern und einer Höhe von weniger als 1 cm, in der

sich eine elastische Metallfeder befindet. Diese verhindert ein Zusammendrücken der



Dose. Das Prinzip beruht darauf, dass sich die Federkraft der Dose und der äußere

Luftdruck die Waage halten. Bei steigendem (fallendem) Luftdruck wird die Dose

zusammengedrückt (nach außen gebogen) und mittels eines Hebels, der mit der

Feder verbunden ist, wird die Längenänderung auf einer Skala angezeigt. Die

Längenänderung zeigt nur einen geringen Ausschlag, weshalb mehrere Dosen

miteinander verbunden werden, um den Effekt zu vergrößern.

Die Teilevakuierung der Metalldose ist erforderlich, damit die

Temperaturabhängigkeit des Messgerätes vernachlässigt werden kann. Unter der

Annahme gleichbleibenden Luftdrucks würde die ganz leer gepumpte Dose nämlich

bei niedrigen Temperaturen einen geringeren Ausschlag anzeigen, als bei hohen

Temperaturen. Das passiert, weil sich die Elastizität der Feder und der Metalldose

mit der Temperatur erhöhen. Wird also eine bestimmte Luftmenge in der Dose

belassen, dann wirkt die Elastizitätszunahme bei Temperaturzunahme der

gleichzeitigen Druckerhöhung des eingeschlossenen Luftvolumens entgegen.

Das Aneroidbarometer weist gegenüber dem Flüssigkeitsbarometer folgende

Vorteile auf:

• Durch die geringe Größe der Dose ist eine leichte Transportfähigkeit gegeben.

Aus diesem Grund wird das Aneroidbarometer auch als Höhenmesser

verwendet.

• Die Registrierung erweist sich als sehr einfach.

• Es sind keine Korrekturen der Messung notwendig, wenn man die

Temperaturabhängigkeit (zusätzlich zur Teilevakuierung) durch technische

Maßnahmen (z.B.: Verwendung bestimmter Materialien, Bimetall im

Übertragungsmechanismus) kompensiert.

Als großer Nachteil ist die geringere Messgenauigkeit zu erwähnen, die wegen der

kleinen Längenänderungen und der Lagerreibung von Übertragungsgliedern

zustande kommt.

Das Aneroidbarometer findet auch als Höhenmesser Verwendung. Dies ist

leicht zu verstehen, wenn man die barometrische Höhenformel1 nach z auflöst:

ppln

gTRzz 0L

0 ×=-

1 siehe Kapitel 3.1.2., S.22



Siedebarometer Das Siedebarometer, auch Siedethermometer oder Hypsometer genannt, beruht auf

dem Prinzip, dass der Siedepunkt von Wasser vom Luftdruck abhängt. Man versteht

unter dem Siedepunkt jene Temperatur, bei der der Sättigungsdampfdruck1 der

Flüssigkeit gleich dem äußeren Luftdruck ist. In Tabelle 3.1. werden einige

charakteristische Werte zwischen Luftdruck p und Siedepunkt TV über reinem

Wasseraufgezeigt.

P [hPa] 850 900 950 1000 1050

TV [°C] 95,16 96,71 98,20 99,63 101,00

Tabelle 3.1.2: Siedepunkt über reinem Wasser bei verschiedenen Luftdruckwerten

In der Meteorologie wird dieses Messgerät selten verwendet, obwohl es ein sehr

genaues Messgerät ist. Es ist einfach viel zu empfindlich und erfordert in seiner

Handhabung große Sorgfalt.

Wie das Aneroidbarometer wird auch das Siedebarometer zur Höhenmessung

verwendet.

3.2. Lufttemperatur 3.2.1. Definition der Temperatur Ursprünglich leitete man den Begriff der Temperatur aus der Wärme- bzw.

Kälteempfindlichkeit des Tastsinns ab – dies ist aber in der Thermodynamik nicht

ausreichend. Zur Definition verwendet man den Begriff des Gleichgewichtszustandes

eines Systems. Dazu vereinigt man zwei Systeme, die sich jeweils im

Gleichgewichtszustand befinden, zu einem Gesamtsystem. In beiden Systemen

laufen dann verschiedene Prozesse ab, bis sich das Gesamtsystem in einem

Gleichgewichtszustand befindet, dem so genannten thermischen Gleichgewicht.

Diese Tatsache ist im nullten Hauptsatz der Thermodynamik zusammengefasst.

Systeme, die sich miteinander im thermischen Gleichgewicht befinden,

haben eine gemeinsame Eigenschaft, sie besitzen dieselbe Temperatur.3

1 siehe Kapitel 3.3.2, S.39 2 vgl. [2], S.39 3 vgl. [6], S.8



Die Temperatur ist eine Zustandsgröße, die bereits bei der allgemeinen

Gasgleichung1 pV = nRT erwähnt wurde. Es wird deutlich, dass bei einer Temperatur

von 0 K ebenso p = 0 sein muss. Bei einem konstanten Volumen ergibt sich für die

relative Änderung des Druckes:

TTpT

VnRp

0

0 ∆⋅=∆⋅=∆ ⇒ 00 TT

pp ∆

=∆

Mit Hilfe eines Gasthermometers kann man die Temperatur über die Druckänderung

bei konstantem Volumen ermitteln. Der Druck wird dabei mit einem u-förmigen

Manometer bestimmt. Das Volumen des Gases wird mit Hilfe des beweglichen

Schlauches konstant gehalten, indem das rechte Rohr auf und ab bewegt wird,

sodass die obere Kante des Meniskus im linken Schenkel mit der Markierung (Pfeil)

übereinstimmt.

Es ist nun möglich mit dem

Gasthermometer den noch

unbekannten absoluten

Temperaturwert T0 zu bestimmen.

Man wählt dazu einen bestimmten

Temperaturunterschied (z.B.: 1

Grad in der Celsius-Skala) und

definiert den Nullpunkt dieser Skala

(z.B.: bei der Celsius-Skala den

Gefrierpunkt des Wassers bei 0°C).

Dann erhält man über den Wert von

∆p/p0, das dem ∆T von einem Grad

entspricht, den Wert der absoluten

Abb.3.4.: Skizze eines Gasthermometers

Temperatur des Nullpunktes (in unserem Beispiel ist dann T0 = 273,15 K). Mit der

Festlegung der Celsius-Skala kennt man auch die absolute Temperatur T0 bei 0°C

und die absolute Temperaturskala, die so genannte Kelvin-Skala. Man erkennt, dass

die Kelvin-Skala und die Celsius-Skala dieselbe Skaleneinteilung besitzen, wodurch

sich die Umrechnung sehr einfach gestaltet.

Dabei darf man nicht übersehen, dass diese Überlegungen nur bei einem

idealen Gas gültig sind.




3.2.2. Temperaturskalen Im Laufe der Zeit hat man verschiedene empirische Temperaturskalen entwickelt, die

sich in der Festlegung der Fixpunkte und der Unterteilung unterscheiden.

Celsius-Skala Diese Temperaturskala geht auf den schwedischen Physiker Anders Celsius zurück.

Er wählte als Fixpunkte einerseits den Schmelzpunkt von Wasser bei 0°C und

andererseits den Siedepunkt von Wasser bei 100°C – beides bei einem Luftdruck

von 1013,25 hPa. Mit der Kelvin-Skala steht die Celsius-Skala in folgender

Beziehung:

15,273TT CK +=

TK .......Temperatur [K]

TC...... Temperatur [°C]

International wird heute aufgrund der einfachen Umrechnung hauptsächlich die

Celsius-Skala verwendet.

Fahrenheit-Skala Der Physiker und Glasbläser Daniel Gabriel Fahrenheit, der unter anderem das erste

funktionierende Quecksilber-Thermometer entwickelte, wählte als unteren Fixpunkt

den Schmelzpunkt einer definierten Eis-Wasser-Ammoniumchlorid-Kältemischung

bei 0°F. Den oberen legte er mit Hilfe der normalen Körpertemperatur des Menschen

bei 100°F fest. Für die Umrechnung von Celsius- in Fahrenheit-Temperaturwerte

bzw. Fahrenheit- in Celsius-Temperaturwerte ergibt sich:

32T59T CF += bzw. ( )32T

95T FC −=

TF...... Temperatur [°F]

TC...... Temperatur [°C]

Diese Temperaturskala findet heute hauptsächlich im angelsächsischen Raum

Verwendung.



Vergleich der Fixpunkte zwischen den einzelnen Temperaturskalen:

Kelvin-Skala Celsius-

Skala

Fahrenheit-

Skala

Schmelzpunkt von Wasser 273,15 0° 32°

Siedepunkt von Wasser 373,15 100° 212°

Tabelle 3.2.: Vergleich der Temperaturskalen

3.2.3. Messung der Lufttemperatur Bei der Messung der Temperatur bedient man sich meistens der Einstellung des

thermischen Gleichgewichts zwischen dem Messfühler und der Umgebung. Mit

dieser Umgebung ist in der Meteorologie nicht nur die Luft gemeint, auch die

Temperatur des Bodens und des Wassers (hier vor allem der Ozeane) ist von

großem Interesse. Im Folgenden werden die Prinzipien der Messverfahren zur

Bestimmung der Lufttemperatur erläutert.

Die Temperaturmessung ist ein Basismessverfahren, was bedeutet, dass

andere meteorologische Elemente (z.B.: Luftfeuchte, Wind) indirekt über die

Temperatur ermittelt werden.

Bei der Messung der Temperatur muss eine gute Durchlüftung der

Messgeräte gewährleistet sein, damit es zu keiner Verfälschung der Ergebnisse

kommt. Weiters darf das Thermometer keiner Strahlung ausgesetzt sein – hier sei

vor allem die Sonnenstrahlung erwähnt. Um diesen beiden Faktoren gerecht zu

werden, werden Thermometer zur Messung der Lufttemperatur in einer Klimahütte

untergebracht.



Die Klimahütte oder „Englische Hütte“ ist

ein weiß angestrichenes Holzgehäuse mit

doppelten Jalousienwänden und einem

doppelten Dach. Der Boden besteht

ebenfalls aus Holzlatten. Durch diese

Bauweise ist eine gute Durchlüftung

gesichert. Die Klimahütte wird zwei Meter

über einer Wiese auf Latten befestigt. Die

Tür der Klimahütte ist nach Norden

ausgerichtet, damit beim Öffnen keine

direkte Sonnenstrahlung an die

Messgeräte gelangt.

Abb.3.5.: Klimahütte

Folgende Messgeräte befinden sich in einer Klimahütte:

• Thermograph (Thermometer, das mit einem Schreibarm verbunden ist, der die

Werte auf einer Papierrolle aufzeichnet)

• Hygrograph (Hygrometer, das mit einem Schreibarm verbunden ist, der die

Werte auf einer Papierrolle aufzeichnet)

• Feucht- und Trockenthermometer (Psychrometer1)

• Stationsthermometer

• Maximumthermometer2

• Minimumthermometer3

Zusätzlich befindet sich zur Belüftung ein Aspirator (mechanische Vorrichtung zum

Ansaugen von Luft) in der Klimahütte.

1 siehe Kapitel 3.3.3., S.42 2 siehe Kapitel 3.2.3., S.34 3 siehe Kapitel 3.2.3., S.34



Flüssigkeitsthermometer Das Flüssigkeitsthermometer beruht auf

dem Prinzip der Ausdehnung von

Flüssigkeiten bei Erwärmung. Die

Flüssigkeit befindet sich in einem

Vorratsgefäß und übernimmt in diesem

System die Aufgabe des Sensors. Erwärmt

sich nun das thermodynamische System,

wirkt sich dies auf den Sensor aus und es

stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein.

Man kann nun die Temperatur ablesen, da

sich die Flüssigkeit in einer dünnen

Kapillare (Anzeigeröhrchen), an der eine

geeichte

Abb.3.6.: Flüssigkeitsthermometer

Skala angebracht ist, nach oben ausdehnt.

Am häufigsten werden als Flüssigkeiten Quecksilber oder verschiedene

Alkoholarten verwendet. Der Einsatzbereich wird durch den unterschiedlichen

Schmelz- bzw. Siedepunkt der Flüssigkeiten bestimmt.

Schmelzpunkt [°C] Siedepunkt [°C]

Quecksilber -38,8 +356,7

Alkohol -117 +78

Tabelle 3.3.: Vergleich der Schmelz- und Siedepunkte von Quecksilber und Alkohol

In unseren Breiten ist die Verwendung des Quecksilberthermometers weit verbreitet

und ausreichend. Bei der Messung von sehr tiefen Temperaturen (z.B.: in Sibirien)

kommt das Alkoholthermometer zum Einsatz, da das Quecksilber in der Kapillare

gefrieren würde.

Den Trägheitsfehler versucht man mit schmalen Messfühlern herab zu

setzten.



Spezielle Formen von Flüssigkeitsthermometern:

• Das Maximumthermometer ist ein

Quecksilberthermometer in dessen

Glaskapillare, dicht oberhalb des

Thermometergefäßes, sich eine

Verengung befindet. Bei Erwärmung

steigt das Quecksilber durch die

Verengung nach oben. Sinkt die

Temperatur jedoch, ist das Quecksilber

nicht mehr imstande durch die

Verengung durchzukommen und der

Abb.3.7.: Prinzip eines Maximumthermometers

Quecksilberfaden reißt ab. Man kann somit die Höchsttemperatur ablesen

(meist Tageshöchsttemperatur). Durch kräftiges Schütteln bringt man das

Maximumthermometer wieder in seinen Ausgangszustand.

Das Maximumthermometer findet außerhalb der Meteorologie als

Fieberthermometer Anwendung.

• In einem Minimumthermometer verwendet man eine organische

Flüssigkeit (z.B.: Alkohol) als

Thermometersubstanz. In der Kapillare,

die etwas weiter ist, befindet sich ein

bewegliches Glasstäbchen. Bei

Temperaturzunahme bleibt das

Glasstäbchen in seiner Position liegen,

da die Reibung zwischen Glasstäbchen

und Flüssigkeit zu gering ist. Sinkt die

Temperatur jedoch wird das Stäbchen

Abb.3.8.: Prinzip eines Minimumthermometers

verschoben, da es den Flüssigkeitsfaden aufgrund der Oberflächenspannung

nicht durchstoßen kann. Durch Kippen des Thermometers, bis das

Glasstäbchen an der Flüssigkeitsoberfläche anschlägt, bringt man es wieder

in die Ausgangsposition und man kann von neuem die Tiefsttemperatur

messen.

Das Minimumthermometer wird waagrecht aufgestellt.



• Das Minimum-Maximum-Thermometer, nach

seinem Erfinder James Six auch Six-Thermometer

genannt, zeigt sowohl die Höchst- als auch die

Tiefsttemperatur an. Es besteht aus einer u-

förmigen Kapillare. An einem Ende befindet sich ein

mit Kreosot (das ist eine schwach gelbliche, ölige

Flüssigkeit) gefülltes Thermometergefäß und am

anderen Ende ein Ausdehnungsgefäß – ebenfalls

mit Kreosot gefüllt.

Dazwischen ist ein Quecksilberfaden, der an

seinen Enden jeweils ein bewegliches

Eisenstäbchen (der so genannte „Schwimmer“) vor

sich her schiebt. Auf dem Schwimmer befinden sich

feine Glaswimpern, die aufgrund ihrer Reibung an

Abb.3.9.: Prinzip eines Minimum- Maximum- Thermometers

der Kapillarenwand hängen bleiben, sobald das Quecksilber zurückgeht. Mit

Hilfe eines Magneten kann der Schwimmer wieder an das Quecksilber

herangeführt werden und man kann eine neue Messung durchführen.

Als Thermometerflüssigkeit fungiert das Kreosot (nicht das

Quecksilber). Dieses besitzt eine nichtlineare Wärmeausdehnung, weshalb bei

Minimum-Maximum-Thermometern die Skaleneinteilung zu höheren

Temperaturen hin weiter wird.

Bimetallthermometer Das Bimetallthermometer besteht aus zwei fest

miteinander verbundenen Metallen, die einen

unterschiedlichen thermischen

Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Die Metalle

verbiegen sich bei Erwärmung in eine

bestimmte Richtung – bei Abkühlung in die

entgegengesetzte. Die Stärke der Krümmung

gibt Auskunft über die Temperatur.

Abb.3.10.: Prinzip eines Bimetallthermometers

Anwendung findet das Bimetallthermometer bei mechanisch arbeitenden

Thermographen, aber auch in anderen Bereichen, wie zum Beispiel als Sensor bei

der thermostatischen Regelung in Kühlschränken und Bügeleisen.



Thermoelemente

Ein Thermoelement besteht ebenfalls

aus zwei Metallen, jedoch handelt es

sich hier um ein elektrisches

Messverfahren. Es beruht auf dem

Prinzip, dass zwischen den beiden

Metallen (z.B.: Kupfer und Konstantan)

eine Kontaktspannung entsteht, die von

Abb.3.11.: Skizze eines Thermoelementes

der Temperatur abhängt.

Zwei Drähte aus unterschiedlichem Material werden miteinander verlötet

(siehe Abb. 3.11.), sodass zwei Lötstellen (das sind die dicken Punkte) entstehen. An

jeder Lötstelle misst man nun die Temperaturdifferenz über die Differenz der

Kontaktspannung. Diese Temperaturdifferenz nennt man Thermospannung oder

Thermokraft. Der Wert der Thermospannung beträgt nur einige Zehntel Millivolt (bei

Kupfer und Konstantan 4,3 µV/K), deshalb verstärkt man diesen durch hintereinander

geschaltene Thermoelemente, einer so genannten Thermobatterie.

Die Messung mit einem Thermoelement wird durch Verunreinigung an der

Lötstelle und Veränderung der Metallstruktur beeinflusst.

Die Vorteile eines Thermoelements gegenüber anderen Temperaturmessverfahren

sind:

• Kleinheit der Messfühler (Lötstellen) – ermöglicht Temperaturmessungen, wo

andere aufgrund ihrer Größe ungeeignet sind (z.B.: unmittelbar an der

Oberfläche)

• geringer Strahlungseinfluss

• geringe Trägheit – ermöglicht Messungen bei turbulenten kurzperiodischen

Temperaturschwankungen



Widerstandsthermometer Der elektrische Widerstand von Metallen ist eine Funktion der Temperatur, weshalb

er zur Temperaturmessung eingesetzt wird. Die Abhängigkeit führt man über den

Temperaturkoeffizienten α des elektrischen Widerstandes ein. Er lautet:

dTdR

R1

0

⋅=α

R0 ....... Widerstand bei der Bezugstemperatur T0 = 0°C

R ...... Widerstand bei der Temperatur T

T ...... Temperatur

Daraus ermittelt man den elektrischen Widerstand, der in guter Näherung eine

lineare Funktion der Celsius-Temperatur TC ist, wie folgt:

( )C0 T1RR α+⋅=

In der Praxis werden am häufigsten Platindrähte (αPt = +4⋅10-3 (°C)-1) verwendet, da

dieses Metall sehr korrosionsbeständig ist und gute Messergebnisse liefert.

Heißleiter Heißleiter sind Halbleiter-Widerstandsthermometer, die Thermistoren (NTC-

Widerstände) enthalten.

Der Zusammenhang zwischen den beiden Größen Temperatur T und

elektrischer Widerstand R wird mit der Gleichung

( ) Tb

eATR ⋅=

beschrieben, wobei A und b Konstanten sind.

Für den Temperaturkoeffizienten a erhält man:

2Tb

dTdR

R1a −=⋅=

Die Temperaturabhängigkeit von Heißleitern ist größer, als bei einem

Widerstandsthermometer, wodurch eine genauere Messung ermöglicht wird.



3.3. Luftfeuchte 3.3.1. Definition der Luftfeuchte Die Luftfeuchte oder Luftfeuchtigkeit beschreibt den Wasserdampfgehalt der Luft.

Meteorologisch gesehen ist diese Größe sehr wichtig, da das Wasser bei einer

Vielzahl von meteorologischen Erscheinungen (z.B.: Wolken- und

Niederschlagsbildung, Nebel, Tau, Reif) eine wesentliche Rolle spielt. Wasser ist der

einzige Stoff in der Atmosphäre der in allen drei Aggregatzuständen vorkommt, also

fest (z.B.: Hagel), flüssig (z.B.: Regen) und gasförmig (z.B.: Wasserdampf).

Der Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre ist sehr variabel und kann

maximal 4 % der wirklichen Luft betragen. Je wärmer die Luft ist, desto mehr

Feuchtigkeit kann sie aufnehmen.

Beispiel: 1 m3 Luft kann bei 20°C 17,3 g Wasserdampf aufnehmen, bei 0°C lediglich

4,8 g

3.3.2. Die verschiedenen Feuchtmaße Dampfdruck Der Dampfdruck e bezeichnet den Partialdruck des Wasserdampfes. Er wird in

Hektopascal (hPa) angegeben und kann Werte zwischen 0 hPa (bei

wasserdampffreier Luft) und seinem Maximalwert (ca. 40 hPa) annehmen, dem

Sättigungsdampfdruck ∗e . Dieser hängt von der Temperatur ab, jedoch nicht vom

Luftdruck.

Der Partialdruck lässt sich mit Hilfe der Gasgleichung (für den Wasserdampf)

folgendermaßen beschreiben:

TRe VV ⋅⋅ρ=

ρV ....... Dichte des Wasserdampfes [kg/m3]

RV ....... spezielle Gaskonstante für den Wasserdampf [J/(kg K)]

(es gilt: RV = R/MV mit MV = 18,016⋅10-3 kg/mol)

T ....... Temperatur [K]

Über Eis herrscht ein niedrigerer Sättigungsdampfdruck, als über einer unterkühlten

Wasseroberfläche mit derselben Temperatur.



Der Sättigungsdampfdruck lässt sich in einem Phasendiagramm (Abb. 3.12.)

darstellen, welches die Abhängigkeit der Aggregatzustände Wasserdampf, flüssiges

Wasser und Eis von Druck und Temperatur zeigt.

Abb.3.12: Phasendiagramm von Wasser (nicht maßstabsgetreu)

Erklärung des Phasendiagramms:

• Wasser existiert in den drei großen Flächenstücken nur in einer Phase

• an den drei Kurven können zwei Phasen koexistent sein oder sich im

Gleichgewicht befinden, wobei

a .... Sättigungsdampfdruckkurve über flüssigem Wasser,

bW .... Sättigungsdampfdruckkurve über unterkühltem flüssigen Wasser,

bE .... Sättigungsdampfdruckkurve über Eis und

c .... Schmelzdruckkurve (besitzt in Wahrheit schwache Neigung) ist.

• an einem Punkt befinden sich alle drei Phasen im Gleichgewicht, der so

genannte Tripelpunkt (bei +0,0099°C und 6,11 hPa)

Die Sättigungsdampfdruckkurve wird mit Hilfe der Clausius-Clapeyron-Gleichung

beschrieben:

vTL

dTde*

W

∆=

L ....... spezifische Verdampfungswärme von Wasser (= 2,5⋅106 J/kg bei 0°C)

T ....... Temperatur

∆v ....... Differenz der spezifischen Volumina



Den Sättigungsdampfdruck über Wasser ∗We erhält man aus der direkten Integration

oder durch experimentelle Bestimmung, die zu empirischen Formeln zur Berechnung

von ∗We führen. Die Magnus-Formel sei in diesem Zusammenhang stellvertretend

erwähnt:

C

C

T235T1,17

*W e1078,6e +

⋅

⋅=

wobei TC die Temperatur in °C ist, damit man ∗We in hPa herausbekommt.

Absolute Luftfeuchte

Die absolute Feuchte a bezeichnet die Dichte des Wasserdampfes ρV, das bedeutet

die Masse des Wasserdampfes pro Volumeneinheit feuchter Luft. Die SI-Einheit

beträgt kg/m3, aber um handliche Zahlenwerte zu erhalten, gibt man die absolute

Feuchte meist mit g/m3 an.

Die absolute Luftfeuchte steht mit dem Dampfdruck durch die Gasgleichung

für den Wasserdampf in Verbindung:

TRe:a

VV ⋅

=ρ=

Die Umrechnung erfolgt durch:

15,273T1

e793,0V

+

⋅=ρ

Gibt man in der obigen Gleichung den Dampfdruck in hPa und die Temperatur T in

°C an, dann erhält man die absolute Feuchte in g/m3.

Spezifische Feuchte Die spezifische Feuchte q ist definiert als das Verhältnis der Masse des

Wasserdampfes mV zur Gesamtmasse mm der feuchten Luft des betrachteten

Volumens, oder einfacher das Verhältnis der Dichte des Wasserdampfes ρV zur

Dichte der feuchten Luft ρm.

m

V

m

V

mm:q

ρρ

==

Diese Größe ist dimensionslos, trotzdem gibt man sie häufig in g/kg an.



Für den Zusammenhang zwischen spezifischer Feuchte q, Partialdruck des

Wasserdampfes e und Gesamtdruck p erhält man:

p

eq

×e=

ε ....... Verhältnis der Gaskonstanten trockener und feuchter Luft (ε = RL/RV = 0,622)

Mischungsverhältnis Das Mischungsverhältnis m ist definiert als das Verhältnis der Dichte des

Wasserdampfes zur Dichte des Anteils der trockenen Luft dρ . Es gilt:

epe622,0:m

d

V

−⋅

=ρρ

=

Wie die spezifische Feuchte besitzt das Mischungsverhältnis keine Dimension.

Dennoch wird es häufig mit g/kg bezeichnet.

Beide Größen, die spezifische Feuchte q und das Mischungsverhältnis m,

beschreiben Verhältnisse von Massen im gleichen Volumen. Aus diesem Grund

ändern sich ihre Werte bei Druck- und Temperaturänderungen nicht. Dadurch sind

sie bei vielen meteorologischen Prozessen von großer Bedeutung.

Relative Feuchte Die relative Feuchte f gibt das Verhältnis zwischen Dampfdruck e und

Sättigungsdampfdruck ∗e über Wasser bei herrschender Lufttemperatur T an – sie

ist also ein Maß für den Grad der Sättigung.

)T(ee:f

W∗

=

Die relative Luftfeuchte ist eigentlich dimensionslos, wird meistens aber in %

angegeben.

Taupunkt

Der Taupunkt τ ist jene Temperatur, bei der der Sättigungsdampfdruck über Wasser

gleich dem vorhandenen Dampfdruck ist, d.h. ( )τ= ∗We:e . Dieser Zusammenhang

wird beim Taupunkthygrometer verwendet.



3.3.3. Messung der Luftfeuchte Geräte zur Messung der Lufttemperatur heißen im Allgemeinen Hygrometer. Die

Möglichkeiten der Verfahren sind vielfältig. Je nach Einsatzbereich wird das optimale

Messgerät verwendet.

Psychrometer Das Psychrometer beruht auf dem

Prinzip der Abhängigkeit der

Verdunstung von den

Feuchtverhältnissen der umgebenden

Luft – trockene Luft fördert die

Verdunstung und feuchte Luft hemmt

sie.

Das Messgerät besteht aus

zwei gleichen, dicht nebeneinander,

angebrachten Thermometern, wobei

eines trocken und das andere feucht

ist. Letzteres wird mit Hilfe eines in

destilliertem Wasser getränkten

Strumpfes feucht gehalten. Als

Thermometer kann man nicht nur das

Abb.3.13.: Skizze eines Psychrometers

Flüssigkeitsthermometer, sondern auch das Widerstandsthermometer verwenden.

Um eine genaue Messung zu gewährleisten, müssen folgende Faktoren erfüllt sein:

• verchromte Strahlungsschutzrohre über den Temperatursensoren

• gute Durchlüftung der Messfühler

• automatische Wassernachfüllung zum Strumpf



Erfüllt das Psychrometer die angeführten Faktoren für eine genaue Messung,

verwendet man die ideale Psychrometergleichung zur Ermittlung des Dampfdrucks

eL. Sie lautet:

( )FLFL TTAee −⋅−= ∗ ∗

Fe ....... Sättigungsdampfdruck bei feuchter Luft

A ....... Psychrometerkonstante (üblicherweise für 1000 hPa und unabhängig

von Temperatur und Feuchte mit einem Wert von 0,66 hPa/K angegeben)

TF ....... Temperatur des feuchten Thermometers (Feuchttemperatur)

TL ....... Temperatur des trockenen Thermometers (misst die Lufttemperatur)

Mit so genannten Psychrometertafeln kann man über die Feuchttemperatur und die

Lufttemperatur direkt die relative Luftfeuchtigkeit und den Taupunkt ablesen. Es ist

lediglich darauf zu achten, dass die Werte in der Tabelle für Normalluftdruck gelten

und daher bei einem davon abweichenden Luftdruck korrigiert werden müssen.

Das bekannteste und genaueste Psychrometer ist jenes nach Aßmann. Dabei

werden beide Thermometer von einem Aspirator1 belüftet. Zusätzlich sind die

Thermometer mit einem verchromten Gehäuse versehen, damit weitgehend eine

Abschirmung vor kurz- und langwelliger Strahlung gegeben ist.

Haarhygrometer Das Haarhygrometer beruht auf dem Effekt, dass Haare hygroskopisch sind, das

bedeutet sie verlängern sich bei Wasserdampfaufnahme. Horace Bénédict de

Saussure war der Erste, der das menschliche Haar als Sensor zur Messung der

Luftfeuchte verwendete (1783).

Der Wassergehalt des Haares ist ein Maß für die relative Luftfeuchtigkeit bei

herrschender Lufttemperatur. Die Verlängerung beträgt ca. 2,5 %, wenn sich die

relative Luftfeuchtigkeit von 0 auf 100 % verändert. Der Zusammenhang verläuft

nicht linear – die Längenänderung ist bei geringer Luftfeuchte größer, als bei hoher.

Haarhygrometer können bei einem Temperaturbereich von -20 bis +50°C

eingesetzt werden, da die Änderung der Länge von der Temperatur nahezu

unabhängig ist.




Haare, die in einem Messinstrument verwendet werden, müssen entfettet und

gereinigt sein; zusätzlich werden sie noch gebündelt (bis zu 50 Haare). Um

Messfehler zu vermeiden, sollte das Haar öfters gereinigt werden, da es sehr

empfindlich gegen Staub ist. Trotzdem erreicht das Haarhygrometer keine größere

Messgenauigkeit als 3 %.

Goldschlägerhaut Diese Verfahren zur Messung der Luftfeuchtigkeit beruht ebenfalls auf dem Prinzip

eines hygroskopischen Stoffes. In diesem Fall handelt es sich um eine entfettete

Rinderhaut, die in einem Rahmen eingespannt ist. Die Rinderhaut dehnt sich bei

Wasseraufnahme flächenmäßig aus. Das Durchbiegen in der Mitte des Rahmens ist

dann ein Maß für die Luftfeuchte.

Kohlefilm-Hygrometer Beim Kohlefilm-Hygrometer werden Kohleteilchen in einen hygroskopischen Stoff

eingebettet und ein dünner Film dieses Gemisches auf eine Glasplatte gegeben. Bei

erhöhter Luftfeuchtigkeit vergrößert sich der Abstand zwischen den einzelnen

Kohleteilchen, wodurch sich die elektrische Leitfähigkeit verändert. Diese wird

gemessen und somit die relative Luftfeuchte ermittelt.

Die Goldschlägerhaut und das Kohlefilm-Hygrometer verwendete man in

Radiosonden.

Taupunkthygrometer Das Taupunkthygrometer oder Kondensationshygrometer besteht aus einem kleinen

Spiegel, dessen Temperatur gemessen wird, sobald Kondensation auftritt. Dazu ist

ein Fotoelement eingebaut, das durch die reflektierte Strahlung merkt, ob der Spiegel

beschlagen ist oder nicht. Er sorgt zusätzlich dafür, dass der Spiegel bei starker

Kondensation geheizt wird bzw. bei fehlender Kondensation gekühlt wird. Der

Spiegel wird somit durch das Fotoelement auf Taupunkttemperatur gehalten, die in

weiterer Folge gemessen wird und somit die absolute Luftfeuchte bestimmt werden

kann.



3.4. Windgeschwindigkeit 3.4.1. Definition der Windgeschwindigkeit Die Windgeschwindigkeit wird als bewegte Luft definiert und ist eine vektorielle

Größe – sie besitzt also Betrag, d.h. Windstärke, und Richtung. Die Einheit der

Windgeschwindigkeit vr

gibt man in Meter pro Sekunde (m/s) an. Im alltäglichen

Gebrauch verwendet man oft die Bezeichnung Kilometer pro Stunde (km/h) oder

Knoten (kt).

In der Meteorologie stellt man die Windgeschwindigkeit in einem kartesischen

Koordinatensystem dar, in dem die x-Achse nach Osten, die y-Achse nach Norden

und die z-Achse nach oben (also entgegen der Schwerkraft) zeigt.

Abb.3.14.: Darstellung von v

r in einem

kartesischen Koordinatensystem

vr

...... Vektor der Windgeschwindigkeit

Hvr

...... horizontale

Windgeschwindigkeitsvektor

ϕ ...... Winkel der Zenitdistanz

λ ...... Azimutwinkel

u, v, w ...... Komponenten des Vektors vr

Aus dem obigen Bild ist ersichtlich, dass sich die Windgeschwindigkeit in eine

horizontale und in eine vertikale Komponente zerlegen lässt. Bei der Messung wird

häufig nur die Horizontalkomponente berücksichtigt und das aus folgenden zwei

Gründen:

• Die Vertikalkomponente weist meistens einen Wert auf, der um den Faktor 310 bis 410 kleiner ist als der Wert der Horizontalkomponente.

• Die Bestimmung der Vertikalkomponente erweist sich als äußerst schwierig.

Für das Wettergeschehen spielt die Vertikalkomponente trotzdem eine wesentliche

Rolle, wie zum Beispiel beim Absinken der Luft in einem Hochdruckgebiet.



Bei der Windrichtung definiert man eine

36-teilige Skala auf einer Windrose (siehe

Abb. 3.15.). Die Richtungsangabe erfolgt

immer aus der Herkunft des Windes.

Die Angabe 00 bedeutet Windstille (auch

Calmen genannt), in diesem Fall ist die

Windgeschwindigkeit zu gering, um eine

Richtung anzuzeigen.

Abb.3.15.: Angabe der Windrichtung mit Hilfe einer 36-teiligen Skala

3.4.2. Charakteristika der Windgeschwindigkeit Die Windgeschwindigkeit ist bewegte Luft und strömt von einem Ort höheren

Luftdrucks zu einem Ort niedrigeren Luftdrucks. Die Windstärke hängt von zwei

Faktoren ab, einerseits von der Höhe des auszugleichenden Druckunterschiedes und

andererseits von der Entfernung zwischen den beiden Orten. Es gilt immer, je höher

der Unterschied zwischen den Luftdruckwerten und je größer der Abstand, desto

stärker weht der Wind. Die Druckunterschiede entstehen aufgrund der

unterschiedlichen Erwärmung der Erde – die Luft über dem Festland heizt sich

schneller auf, als über dem Meer.

Windrichtung und Windstärke werden bei lokalen Winden allein vom

Druckunterschied bestimmt. Großräumige Luftströmungen hängen darüber hinaus

noch von folgenden Faktoren ab:

• Corioliskraft aufgrund der Erdrotation

• Reibung an der Erdoberfläche

• Krümmung der Windbahn

Die Ablenkung durch die Corioliskraft, deren Ursprung in der Trägheit sich

bewegender (Luft-)Massen und in den unterschiedlichen Erdumfängen (vom Äquator

bis zum Pol) liegt, nimmt mit der geographischen Breite zu. Am Äquator hat die

Corioliskraft den Wert Null. Zusätzlich hängt diese noch von der Windgeschwindigkeit

ab, also je größer die Windstärke, desto mehr wird sie abgelenkt. Auf der

Nordhalbkugel wird der Wind nach rechts (aus der Sicht des mit dem Wind

mitbewegten Beobachters) abgelenkt – auf der Südhalbkugel nach links.



3.4.3. Messung der Windgeschwindigkeit Die Messung des Windes erfolgt mit zwei getrennten Messfühlern – mit einem wird

die Windrichtung und mit dem anderen die Windstärke gemessen. Da der Wind keine

kontinuierliche Größe ist, mittelt man die Werte, die man über einen bestimmten

Zeitraum (meistens 10 Minuten) aufgezeichnet hat. Der Wind wird in einer Höhe von

10 m registriert, damit man Unregelmäßigkeiten, wie zum Beispiel Häuser,

ausschließen kann.

Am Ende dieses Teilkapitels sei die Beaufort-Skala angeführt, die Anwendung

fand, bevor es Messgeräte gab.

Windfahne Zur Registrierung der Windrichtung verwendet man häufig eine Windfahne. Sie zeigt

in die Richtung aus der der Wind kommt. Die Anzeige erhält man über ein

ringförmiges elektrisches Potentiometer, auf dem ein mit der Windfahne verbundener

Kontakt angebracht ist.

Schalenkreuzanemometer Das Schalenkreuzanemometer, auch

Schalensternanemometer genannt,

wird zur Registrierung der Windstärke

am häufigsten verwendet. Es besteht

aus drei, vier oder sechs

halbkugelförmigen oder konischen

Schalen, die auf einem Kreuz

angebracht sind und sich um eine

vertikale Achse drehen. Dabei wird die

Abb.3.16.: Schalenkreuzanemometer

Umdrehungsgeschwindigkeit u gemessen, die direkt proportional zur Windstärke ist.

Das Prinzip des Schalenkreuzanemometers wird im folgenden mit zwei Schalen

erläutert (siehe Abb. 3.17.). Die Reibung wird bei diesem Modell vernachlässigt,

ebenso wird auf die Vektorschreibweise verzichtet, da nur eine Richtung des Windes

berücksichtigt wird.



Abb.3.17.: Horizontaler Schnitt durch ein Schalen-reuzanemometer mit zwei Schalen zur Herleitung des Zusammenhangs zwischen Wind- und Umdrehungsgeschwindigkeit

Auf jede der beiden Schalen

wirkt bei anströmenden Wind

(mit einer Geschwindigkeit v) ein

Staudruck. Die konkave Schale

bewegt sich aufgrund ihres

größeren Widerstandsbeiwertes

C mit dem Wind, woraus sich

eine Relativgeschwindigkeit von

v – u ergibt. Die konvexe Schale

bewegt sich gegen den Wind,

wird also vom Wind umströmt,

die Relativgeschwindigkeit

beträgt dann v + u.

Aus diesem Grund beginnt sich das Schalenkreuzanemometer so zu drehen, dass

die konkave Schale vom Wind wegläuft und sich die konvexe Schale auf den Wind

zu bewegt.

Die Drehmomente der beiden Schalen müssen im Gleichgewichtszustand

entgegengesetzt gleich sein. Sie ergeben sich aus dem Produkt von Armlänge r, dem

Staudruck und der Querschnittsfläche F. Der Staudruck wird beschrieben durch:

( )2uvC21

±⋅ρ⋅⋅

Bei der konkaven Schale beträgt der Widerstandsbeiwert C1 etwa 1,3, bei der

konvexen ist C2 etwa 0,3.

Das Drehmomentengleichgewicht lautet

( ) ( ) rFuvC21rFuvC

21 2

22

1 ⋅⋅+⋅ρ⋅⋅=⋅⋅−⋅ρ⋅⋅

Nach dem Kürzen ergibt sich

( )( ) q

CC

uvuv 2

1

2

1 ±=

±=

−+

Da v>u gilt, ist nur das positive Vorzeichen relevant, und es folgt:

ukv ⋅= mit 31q1qk ≈

−+

=



Mit diesen einfachen Überlegungen haben wir bewiesen, dass sich die Windstärke

direkt aus der Umdrehungsgeschwindigkeit ergibt.

Nachteile des Schalenkreuzanemometers:

• Das Schalenkreuz dreht sich erst ab einer bestimmten Anlaufgeschwindigkeit,

die zwischen 0,2 m/s und 1 m/s liegt. Man versucht mit Hilfe von leicht

laufenden Lagerungen, optische Umdrehungszähler und Gewichtsreduktion

der Schalen diese zu minimieren.

• Bei böigem Wind macht sich die Trägheit bemerkbar. Windspitzen werden

abgeschliffen, weil sich das Anemometer nachdreht.

• Das Schalenkreuzanemometer passt sich zunehmenden Windstärken

schneller an als abnehmenden. Das bedeutet bei böigem Wind, dass die

angezeigte mittlere Geschwindigkeit höher ist als die tatsächliche mittlere

Geschwindigkeit.

Ein wesentlicher Vorteil des Schalenkreuznanemometers liegt in der Unabhängigkeit

der Messung von der Windrichtung.

Staurohr Bei einem Staurohr wird der

Staudruck gemessen. Am häufigsten

wird das Prandtlsche Staurohr

verwendet. Es besteht aus zwei

einseitig offenen Rohren, von denen

eines am Staupunkt, das ist der

Mittelpunkt des Staugebietes wo die

Strömung zum Stillstand kommt,

geöffnet ist. Das zweite Rohr ist durch

mehrere Löcher seitlich zur Strömung

geöffnet. Während diese seitlichen

Abb.3.18.: Skizze eines Prandtlschen Staurohrs

Öffnungen dem statischen Druck ausgesetzt sind, ist der Druck an der vorderen

Öffnung um den Staudruck erhöht. Daraus ergibt sich eine Differenz in den beiden

Rohren, der so genannte Staudruck.



Bei der Messung werden beide Rohre über ein mit Flüssigkeit gefülltes u-förmiges

Rohr verbunden. Der Niveauunterschied des Flüssigkeitsspiegels, der sich im u-

förmigen Rohr ergibt, entspricht der Druckdifferenz.

Da nur die Druckdifferenz von Bedeutung ist, bleibt die Windstärkemessung

vom statischen Druck unbeeinflusst.

Anwendung finden Staurohre bei der Kalibrierung von

Schalenkreuzanemometern und bei Messungen der Windgeschwindigkeit an Bord

von Flugzeugen.

Ultraschallanemometer Bei einem Ultraschallanemometer benutzt man

die Tatsache, dass der Schall eine

unterschiedliche Laufzeit bei Ausbreitung in

bzw. gegen die Windrichtung aufweist. Die

Schallgeschwindigkeit c hängt zusätzlich von

der Temperatur ab, weshalb man diese

ebenfalls bestimmt, um einen Wert für die

Windstärke zu erhalten. Die Ausbreitungszeit

eines Impulses wird entlang einer bestimmten

Messstrecke zwischen zwei Sende-Empfangs-

Sensoren, die den Abstand d voneinander

haben, in beide Richtungen gemessen. Für die

Abb.3.19: Ultraschallanemometer

Laufzeit ergibt sich:

v)T(cdt1 +

= und v)T(c

dt2 −

=

Daraus folgt die Windgeschwindigkeit v und die Schallgeschwindigkeit c:

−⋅=

21 t1

t1

2dv und

+⋅=

21 t1

t1

2d

c

Das Auflösungsvermögen und die Empfindlichkeit des Ultraschallanemometers

hängen von der Wahl des Abstandes zwischen den beiden Sende-Empfangs-

Sensoren und von der verwendeten Frequenz ab.



Ein erheblicher Vorteil des Ultraschallanemometers besteht in der Tatsache, dass die

Windgeschwindigkeit als Gesamtes (d.h.: die vertikale und die horizontale

Komponente der Geschwindigkeit, sowie die Windrichtung) ermittelt werden kann –

eine 3D-Messung ist also möglich.

Eingesetzt wird dieses Messgerät hauptsächlich bei turbulenten

Windgeschwindigkeits- und Temperaturschwankungen.

Hitzedrahtanemometer Bei einem Hitzedrahtanemometer misst man die Abkühlung eines Platindrahtes und

ermittelt somit die Windstärke. Diese Messmethode wird bei turbulenten

Schwankungen des Windes eingesetzt. Bei geringer Windstärke liefert das

Hitzedrahtanemometer, im Gegensatz zum Schalenkreuzanemometer, sehr gute

Werte.

Beaufort-Skala Die Beaufort-Skala ist eine Richtlinie zur Schätzung der horizontalen Windstärke

anhand seiner Auswirkungen an Land (z.B.: Bäumen) oder an der Wasseroberfläche.

Diese wurde 1806 von Admiral Sir Francis Beaufort entwickelt. In ihrer

ursprünglichen Form beinhaltet die Skala 12 Unterteilungen – mittlerweile wurde

diese auf 17 erweitert (13 bis 17 sind Orkanunterteilungen).

Die Umrechung von einem Beaufortgrad B in einen äquivalenten

Geschwindigkeitswert v (gemessen von einem Windmesser in 10 m Höhe) erfolgt

durch: 44,1B87,0v ⋅=



Beau-fort-grad

Bezeich-nung

Auswirkung des Windes im Binnenland Auswirkung des Windes auf See

Wind-stärke in

[m/s]

0 Windstille Windstille, Rauch steigt gerade empor. Spiegelglatte See. 0-0,2

1 leiser Zug Windrichtung nur angezeigt durch Zug des Rauches, aber nicht durch Windfahne.

Kleine schuppenförmig aussehende Kräuselwellen ohne Schaumkämme. 0,3-1,5

2 leichte Brise Wind am Gesicht fühlbar, Blätter säuseln, Windfahne bewegt sich.

Kleine Wellen, noch kurz, aber ausgeprägter. Kämme sehen glasig aus und brechen sich nicht.

1,6-3,3

3 schwache Brise

Blätter und dünne Zweige bewegen sich, Wind streckt einen Wimpel.

Kämme beginnen zu brechen, Schaum überwiegend glasig, ganz vereinzelt können kleine weiße Schaumköpfe auftreten.

3,4-5,4

4 mäßige Brise

Hebt Staub und loses Papier, bewegt Zweige und dünne Äste.

Wellen noch klein, werden aber länger. Weiße Schaumköpfe treten aber schon ziemlich verbreitet auf.

5,5-7,9

5 frische Brise

Kleine Laubbäume beginnen zu schwanken, Schaumkämme bilden sich auf Seen.

Mäßige Wellen, die eine ausgeprägte lange Form annehmen. Überall weiße Schaumkämme. Ganz vereinzelt kann schon Gischt vorkommen.

8,0-10,7

6 starker Wind

Starke Äste in Bewegung, Pfeifen in den Telegraphenleitungen, Regenschirme sind schwieriger zu benutzen.

Bildung großer Wellen beginnt. Kämme brechen sich und hinterlassen große weiße Schaumflächen. Etwas Gischt.

10,8-13,8

7 steifer Wind Ganze Bäume in Bewegung, fühlbare Hemmungen beim Gehen gegen den Wind.

See türmt sich. Der beim Brechen entstehende Schaum beginnt sich in Streifen in die Windrichtung zu legen.

13,9-17,1

8 stürmischer Wind

Bricht Zweige von Bäumen, erschwert erheblich das gehen gegen den Wind.

Mäßig hohe Wellenberge mit Kämmen von beträchtlicher Länge. Von den Kanten der Kämme beginnt Gischt abzuwehen. Schaum legt sich in gut ausgeprägte Streifen in die Windrichtung.

17,2-20,7

9 Sturm Kleinere Schäden an Häusern; Rauchhauben und Dachziegel werden abgeworfen.

Hohe Wellenberge, dichte Schaumstreifen in Windrichtung. Rollen der See beginnt, Gischt kann die Sicht schon beeinträchtigen.

20,8-24,4

10 schwerer Sturm

Entwurzelt Bäume, bedeutende Schäden an Häusern.

Sehr hohe Wellenberge mit langen überbrechenden Kämmen. See weiß durch Schaum. Schweres stoßartiges Rollen der See. Sichtbeeinträchtigung durch Gischt.

24,5-28,4

11 orkanartiger Sturm

Verbreitete Sturmschäden (sehr selten im Binnenland außer auf Bergen).

Außergewöhnlich hohe Wellenberge, durch Gischt herabgesetzte Sicht. 28,5-32,6

12 Orkan Verwüstende Wirkung.

Luft mit Schaum und Gischt angefüllt. See vollständig weiß. Sicht sehr stark herabgesetzt. Jede Fernsicht hört auf.

≥ 32,7

Tabelle 3.4.1: Beaufort-Skala

1 vgl. [1], S.39



3.5. Niederschlag 3.5.1. Bildung von Niederschlag Der Begriff „Niederschlag“ kann folgende Bedeutungen annehmen:

• Wasser- oder Eisteilchen, die sich aufgrund von Kondensation in der

Atmosphäre gebildet haben und sich auf der Erde „niederschlagen“

• den gesamten Prozess des Niederschlags, d.h. den Kondensationsvorgang

und das Herausfallen oder

• die verschiedenen Formen der Niederschlagsteilchen.

Im weiteren Verlauf der Arbeit verwende ich für den Niederschlag die erste der oben

genannten Bergriffserklärungen.

Bevor es überhaupt zu Niederschlag kommt, ist es wichtig die Bildung von

Wolkenteilchen zu erwähnen. Man spricht von diesen, wenn Wassertröpfchen oder

Eiskristalle einen Radius zwischen 1 µm und 100 µm haben und dadurch in der Luft

schweben. Die Entstehung geschieht durch Kondensation bzw. Sublimation des

Wasserdampfes an Kondensationskernen, welche sich in unterschiedlicher

Konzentration in unserer Atmosphäre befinden.

Eisteilchen können nur an Eiskernen direkt sublimieren. Da diese aber in der

Atmosphäre nur in sehr geringen Mengen vorhanden sind, entstehen Eisteilchen

selten. Aus diesem Grund kommt es bei Temperaturen unter 0°C zu Wolken mit

unterkühlten Wassertröpfchen.

Wassertröpfchen oder Eisteilchen mit einem Radius über 100 µm nennt man

Niederschlagsteilchen. Sie haben je nach Größe eine unterschiedliche

Fallgeschwindigkeit in ruhender Luft (siehe Tabelle 3.5.).

Tropfenradius [µm] 10 100 300 1000 5000

Fallgeschwindigkeit [m/s] 0,012 0,8 2,4 6,3 14,1

Tabelle 3.5.1: Fallgeschwindigkeit von Wassertropfen in ruhender Luft

1 vgl. [1], S.201



Aber wie werden Wolkenteilchen überhaupt zu Niederschlagsteilchen? Dafür gibt es

zwei Möglichkeiten:

• Durch Kollision und Vereinigung (Koaleszenz) von Wassertröpfchen kommt es

zur Bildung von Niederschlagsteilchen ohne Eisphase. Es entsteht so

genannter „warmer Regen“. Diesen Prozess nennt man Langmiur-Prozess.

• In einer Mischwolke, das heißt sie besteht aus Wassertropfen und Eisteilchen,

verdunstet der Wasserdampf aufgrund des unterschiedlichen

Sättigungsdampfdrucks1 über Wasser und Eis. Gleichzeitig treffen Eisteilchen

und Wassertropfen aufeinander, wodurch das Wasser auf dem Eis gefriert –

der Eiskristall wächst dadurch. Gelangen die Eiskristalle dann in Schichten mit

einer höheren Temperatur, schmelzen sie und Regen bildet sich. Diese Art der

Niederschlagsbildung bezeichnet man als Bergeron-Findeisen-Prozess.

3.5.2. Niederschlagsformen Die Niederschlagsformen werden in der Meteorologie als Hydrometeore bezeichnet.

Darüber hinaus zählen noch Wolken, Nebelerscheinungen, horizontaler

Niederschlag, Ablagerungen, die von der Oberfläche aufgewirbelten festen

Niederschläge und verschiedene Formen von Glätte an der Oberfläche zum Begriff

„Hydrometeor“. Im Folgenden werden die verschiedenen Arten von Niederschlägen

näher erläutert:2

Regen: Bei Regen fallen Wassertropfen auf die Erde,

deren Durchmesser über 0,5 mm beträgt (der

größte ca. 5 mm). Die Tropfengröße ist stark von

den Wetterereignissen abhängig, z.B.: große

Tropfen bei Schauern, kleine Tropfen am Rande

von Niederschlagsgebieten.

Unterkühlter Regen: Bei unterkühltem Regen beträgt die Temperatur

der Tropfen unter 0°C und beim Auftreffen auf

einer Oberfläche (Erdoberfläche oder Gegenstände

an der Erdoberfläche) gefrieren diese. Die

Temperatur der Oberfläche spielt dabei zusätzlich

eine Rolle.

1 siehe Kapitel 3.3.2., S.39 2 vgl. [1], S.204



Nieseln, Sprühregen: Der Tropfendurchmesser beträgt unter 0,5 mm und

der Niederschlag fällt sehr dicht und gleichmäßig.

Nieseln kann zu großen Niederschlagsmengen

führen (bis zu 1 mm/h). Die Tröpfchen scheinen in

der Luft zu schweben. Sie können leichte

Windbewegungen sichtbar machen.

Unterkühlter Sprühregen: Siehe unterkühlter Regen – nur mit kleineren

Tropfen.

Schnee: Schnee ist der Niederschlag von Eiskristallen. Bei

Temperaturen über -5°C fallen die Schneekristalle

meist verkettet als Schneeflocken.

Eiskörner: Dabei handelt es sich um durchsichtige bis

durchscheinende Körnchen aus Eis, die

regelmäßig geformt sind und einen Durchmesser

von weniger als 5 mm haben. Beim Auftreffen auf

eine harte Oberfläche springen sie auf, da sie

selbst sehr hart sind. Eiskörner entstehen, wenn

Regentropfen durch eine Bodenkaltluftschicht mit

einer Temperatur unter 0°C fallen und dabei

gefrieren.

Eisnadeln: Eisnadeln sind unverzweigte Eiskristalle, die die

Form von Stäbchen oder Plättchen annehmen. Sie

sind manchmal sehr klein, wodurch der Eindruck

entsteht, sie würden in der Luft schweben. Bei

Sonnenschein kann man sie am besten

beobachten, da sie glitzern. Eisnadeln können aus

einer Wolke oder von wolkenlosem Himmel fallen.

Meistens beobachtet man sie bei sehr großer Kälte

(z.B.: in Polargebieten). Eisnadeln sind an die

Existenz von Haloerscheinungen (optische

Lichterscheinungen in der Atmosphäre) gebunden.

Hagel: Hagel ist der Niederschlag von Eiskugeln oder

Eisstücken, die einen Durchmesser über 5 mm

aufweisen (bis über 15 mm). Die Eiskugeln



entstehen durch Zusammenfrieren von

Regentropfen und Eisteilchen und kommen bei

schweren Gewittern vor. Die Eiskugeln können

durchsichtig oder undurchsichtig sein oder

abwechselnd aus durchsichtigen und

undurchsichtigen Schichten bestehen.

Reifgraupel: Reifgraupel ist Niederschlag von weißen,

undurchsichtigen, leicht zusammendrückbaren,

runden und schneeähnlichen Körnchen, die einen

Durchmesser von 2 bis 5 mm haben. Sie kommen

bei Schauern und Temperaturen unter 0°C vor.

Reifgraupel ist mit dem Schneegriesel (siehe

unten) verwandt.

Frostgraupel: Frostgraupel sind halbdurchsichtige, meist runde

Körnchen aus Eis, die einen Durchmesser über

5 mm haben. Der Kern besteht meist aus

Reifgraupel, der mit einer dünnen Eisschicht

überzogen ist, die durch das Zusammentreffen mit

Niederschlagströpfchen entsteht. Die Körner

lassen sich schwer zusammendrücken und

brechen beim Aufprall auf eine harte Oberfläche

nicht auseinander. Frostgraupel ist der Übergang

zu Hagel.

Schneegriesel: Niederschlag von sehr kleinen (Durchmesser unter

1 mm), weißen und undurchsichtigen Eiskörnchen,

die meist flach oder länglich sind.

3.5.3. Messung des Niederschlags Man unterscheidet zwischen vertikalem und horizontalem Niederschlag. Fällt

Niederschlag schräg ein, betrachtet man seine horizontale und seine vertikale

Komponente. Die vertikale Komponente wird auf einer horizontalen Fläche erfasst –

man nennt sie vertikalen Niederschlag. Die horizontale Komponente setzt sich an

vertikalen Flächen (z.B.: Hauswände, Bäume) ab, und wird als horizontaler



Niederschlag bezeichnet. Dieser kann mitunter auch sehr große Mengen an Wasser

beinhalten.

Der gefallene Niederschlag wird entweder als Niederschlagsmenge in l/m2

oder als Niederschlagshöhe in mm angegeben. Die Niederschlagshöhe gibt an, wie

hoch der gefallene Niederschlag den Erdboden bedecken würde, wenn kein Tropfen

abfließt, verdunstet oder versickert. Es entspricht 1 l/m2 Niederschlagsmenge einer

Niederschlagshöhe von 1 mm.

Hellmann-Niederschlagsmesser Bei der Messung des

vertikalen Niederschlags

verwendet man den

Hellmann-Niederschlags-

messer. Er besteht aus

einem zylindrischen Auffang-

gefäß, mit einer 200 cm2

(Norm in Deutschland)

großen Auffangfläche. Darin

befindet sich ein Trichter über

Abb.3.20.: Hellmann-Niederschlagsmesser

den das Wasser in die Sammelkanne gelangt. Das Auffanggefäß ist durch eine

Luftschicht zwischen Innen- und Außenwand isoliert, damit die Verdunstung des

Wasser möglichst vernachlässigt werden kann. Der gesamte Behälter wird auf einem

Pfahl befestigt und zwar so, dass die Auffangfläche sich in einer Höhe von 1 m über

dem Erdboden befindet. Im Winter wird ein Schneekreuz in den Behälter eingesetzt,

wodurch das Herauswehen des Schnees verhindert wird.

Der Niederschlagsmesser muss möglichst frei von Hindernissen aufgestellt

werden und sollte vor Wind geschützt sein. Als Mindestanforderung gilt eine

waagrechte Entfernung von Hindernissen (z.B.: Gebäude, Bäume) zum

Niederschlagsmesser, die nicht geringer als die entsprechende Hindernishöhe ist.

Die Messgenauigkeit liegt bei 10 % des tatsächlich an diesem Ort, wo sich das

Messgerät befindet, gefallenen Niederschlags. Die Ursachen liegen in der räumlichen

Variabilität des Niederschlags, dem Windeinfluss und den Benetzungs- und

Verdunstungsverlusten.



Nachteile eines Hellmann-Niederschlagsmessers:

• keine Aussage über die Stärke des Niederschlags (Tropfengröße)

• keine Auskunft über den genauen Zeitpunkt des Niederschlags

Bei festem Niederschlag werden die gesammelten Teilchen zuerst vorsichtig

geschmolzen, damit man die Niederschlagsmenge bestimmen kann.

4. Einfache Wettermessgeräte 59


4. Einfache Wettermessgeräte Meine Vorstellung war es, dass Schüler mit einfachen Mitteln Wettermessgeräte

bauen und damit auch über einen kürzeren Zeitraum (eine Woche) Daten ablesen.

Dadurch sollen sie die Prinzipien der heute verwendeten Messgeräte verstehen

lernen. Die Angaben bei handelsüblichen (aber auch meteorologischen) Geräten

werden heute meistens digital angezeigt. Der Mechanismus, der dahintersteckt, ist

aber häufig noch immer wie bei analogen Messgeräten. Die folgenden

meteorologischen Elemente wurden von mir bearbeitet:

• Luftdruck

• Lufttemperatur

• Luftfeuchtigkeit

• Windstärke bzw. Windrichtung

• Niederschlag

Bevor dieses Vorhaben in die Tat umgesetzt werden konnte, baute ich selbst einmal

diverse Messgeräte zu den oben erwähnten meteorologischen Elementen, und

testete diese über einen längeren Zeitraum (ein Monat). In verschiedenen

Experimentierbüchern1, Schulbüchern2 und auch im Internet suchte ich nach

geeignetem Material. Aus den gesammelten Unterlagen entschied ich mich für die in

diesem Kapitel beschriebenen Versuche.

Dabei ging es mir nicht darum, exakte Messwerte zu erhalten, sondern

lediglich um Tendenzen – das Ziel war es ja eigentlich, dass die Schüler die

Messprinzipien kennen und verstehen lernen.

4.1. Bau eines Barometers Das erste Messgerät, das ich baute, war das Barometer, mit dem der Luftdruck

gemessen wird. Die Versuchsanordnung ähnelt einem Aneroidbarometer3. Zwar

verwendete ich keine Dose, aber das Prinzip ist trotzdem dasselbe. Im Gefäß bleibt

der Innendruck nahezu konstant, sofern auch die Temperatur konstant ist. Der

1 vgl. [8], [12], [13], [14], [15], [16] 2 vgl. [10] 3 siehe Kapitel 3.1.4., S.26



Außendruck hingegen unterliegt Schwankungen. Je nachdem ob der Luftdruck also

steigt oder fällt, entsteht eine Delle oder Wölbung. Bei der Herstellung des

Messgerätes ist es daher günstig, wenn mittlerer Luftdruck herrscht.

Verwendete Materialien

• großes Gurkenglas

• Luftballon

• dünner Strohhalm

• mehrere Gummiringe

• Klebeband und Klebstoff

• Karton von einer Packung Cornflakes

• Stift und Lineal

• Schere

• Steine

Bau des Barometers Den unteren Teil des Luftballons schnitt ich mit einer Schere weg und spannte

den übrigen Teil über die Öffnung des Gurkenglases. Dabei sollte der Luftballon

keine Falten werfen. Diese Konstruktion befestigte ich dann mit drei

Gummiringen und Klebeband, damit diese auch luftdicht verschlossen war.

Auf einem Stück Karton zeichnete ich eine Pfeilspitze auf und schnitt

diese mit einer Schere aus. In die Mitte der Basis des Dreiecks machte ich zwei

gerade Schnitte (im Abstand des Durchmessers des Strohhalmes). Dadurch

konnte die Pfeilspitze mühelos an ein Ende des Strohhalms gesteckt werden.

Der Zeiger war fertig.

Das andere Ende des Strohhalms befestigte ich in der Mitte des

gespannten Luftballons mit Klebstoff. Ein Stück Klebeband sorgte für die

zusätzliche Fixierung (siehe Abb.4.1.).



Abb.4.1.: Barometer Abb.4.2.: Skala des Barometers

Die Cornflakesschachtel schnitt ich so auseinander, dass lediglich die hintere

Wand, eine Seitenwand und der halbe Boden übrig blieben (siehe Abb.4.3.).

Der halbe Boden diente zur Stabilisation der „Schachtelkonstruktion“. Auf der

hinteren Wand zeichnete ich mit Stift und Lineal eine Skala mit einer Einteilung

von 5 mm (siehe Abb.4.2.).

Abb.4.3.: Barometer

Das Honigglas und die Cornflakesschachtel, die ich mit Steinen beschwert

habe, stellte ich an einen schattigen Platz im Zimmer (Temperatur sollte

konstant gehalten werden). Die Pfeilspitze zeigte genau auf die Skala, damit ich

den jeweiligen Wert ablesen konnte.

Anmerkung Die Schüler bauten ohne Unterschied das Barometer nach der selben

Versuchsanordnung.



4.2. Bau eines Thermometers Meinselbst gebautes Thermometerberuht auf dem Prinzip eines

Flüssigkeitsthermometers1. Beim Versuchsaufbau ist darauf zu achten, dass die

Temperatur der Flüssigkeit etwas geringer ist als die niedrigste (zur Zeit

herrschende) Außentemperatur. Dadurch kann sich bei Erwärmung die Flüssigkeit

entlang des Strohhalms nach oben ausdehnen und der Effekt ist gut sichtbar.


• Glasflasche mit Schraubverschluss

• dicker Strohhalm

• kaltes Wasser

• Eiswürfel

• Thermofühler

• Tinte

• Plastilin

• ein Stück Karton

• Klebeband (durchsichtig und breit)

• ein kleines Holzstäbchen

• Hammer und ein großer Nagel

• Schere


Bau des Thermometers Zuerst schlug ich den Nagel mit dem Hammer in den Schraubverschluss, damit

ein Loch entstand. Dieses sollte nicht größer sein als der Durchmesser des

dicken Strohhalms. Dann steckte ich den dicken Strohhalm zu ca. einem Drittel

in die Öffnung.

Die Glasflasche füllte ich vollständig mit Wasser, das vorher mit

Eiswürfeln gekühlt wurde. Mit einem Thermofühler überprüfte ich die

Temperatur des Wassers, die ca. 3°C betragen sollte. Damit das Ablesen des

Wasserstandes im Strohhalm erleichtert wurde, färbte ich das Wasser mit Tinte

ein wenig blau ein. 1 siehe Kapitel 3.2.3., S.33



Nun drehte ich den Schraubverschluss, in dem sich der Strohhalm befand, auf

die Flasche. Dabei stieg das Wasser im Strohhalm ein wenig nach oben. Um

die Flasche gut abzudichten, klebte ich großzügig breites Klebeband rund um

den Flaschenhals (beim Übergang zum Schraubverschluss) und befestigte das

Plastilin rund um das Loch. Durch diese Maßnahmen verhinderte ich das

Austreten des Wassers bei Erwärmung an unerwünschten Stellen – die

Flüssigkeit sollte schließlich im Strohhalm emporsteigen.

Mit einer Schere schnitt ich ein Stück Karton aus, das der Größe nach

genau hinter den Strohhalm passte. Darauf zeichnete ich mit Lineal und Stift

eine Skala. Die Einteilung betrug 2 mm. Den Karton befestigte ich oben und

unten mit durchsichtigem Klebeband (damit der Strohhalm an diesen Stellen

nicht verdeckt ist und somit eine Ablesung ermöglicht) am Strohhalm und einem

Holzstäbchen, das vorsichtig ins Plastilin gesteckt wurde (siehe Abb.4.5.).

Abb.4.4.: Thermometer Abb.4.5.: Skala des Thermometers

Das Thermometer stellte ich auf den Balkon, an einen schattigen und

wettergeschützten Platz, damit das Ergebnis nicht von der Sonne verfälscht

wurde.



Anmerkung Der einzige Unterschied zwischen dem Thermometer, das die Schüler bauten,

und meinem ist das Holzstäbchen. Dieses diente lediglich der Verstärkung, ist

aber nicht unbedingt notwendig.

4.3. Bau eines Hygrometers Diese Messanordnung beruht auf dem gleichen Prinzip wie das Haarhygrometer1.

Der einzige Unterschied besteht darin, dass ich nur ein Haar verwendete, wogegen

in meteorologischen Geräten meist Haarbündel mit bis zu 50 Haaren verwendet

werden. Ähnlich dem Barometer, ist es auch hier günstig das Messgerät bei mittlerer

Luftfeuchtigkeit zu bauen. Darüber hinaus sollte das Haar trocken (ansonst kann es

keine Feuchtigkeit mehr aufnehmen) und entfettet sein (waschen). Dies ermöglicht

eine optimale Längenänderung des Haares – bei steigender Luftfeuchtigkeit dehnt es

sich aus und bei sinkender Luftfeuchtigkeit zieht es sich zusammen.


• Pinnwand

• Stecknadel

• dünner Strohhalm

• langes blondes Haar

• Karton

• Pinnagel

• Schere


Bau des Hygrometers Den Anfang machte beim Hygrometer die Skala, die ich auf einen

zurechtgeschnittenen Karton schrieb (mit Stift und Lineal). Die Einteilung betrug

5 mm. Den Karton befestigte ich am rechten unteren Rand der Pinwand

(Abb.4.7.).




Als nächstes bastelte ich einen Zeiger nach dem gleichen Prinzip wie beim

Barometer.1

Nun kam das Haar ins Spiel, das ich im Vorfeld gewaschen habe und

danach gut trocknen ließ. Ich knotete das eine Ende des Haares an einen

Pinnagel und das andere Ende an den dünnen Strohhalm.

Mit einer Stecknadel befestigte ich den Strohhalm auf einer Pinwand, und

zwar genau so, dass die Pfeilspitze auf die Skala zeigte. Der Knoten des

Haares auf dem Strohhalm sollte sich ca. 4 cm vom Drehpunkt (das ist die

Stecknadel) entfernt befinden. Durch Verschieben ist dies leicht zu

bewerkstelligen. Senkrecht darüber steckte ich den Pinnagel (an dem das Haar

ebenfalls angeknotet war) so in die Pinwand, dass der Strohhalm waagrecht

war.

Abb.4.6.: Hygrometer Abb.4.7.: Skala des Hygrometers

Mein Hygrometer stellte ich auf den Balkon an einen schattigen und

wettergeschützten Platz.

Anmerkung Die Schüler brachten das Hygrometer nicht an einer Pinwand an, sondern an

einem dicken Karton. Da die Stecknadel bzw. der Pinnagel auf der Rückseite

des Kartons herausstand, steckten sie zusätzlich noch einen Korken darauf

(Verletzungsgefahr). Das Waschen des Haares ließ ich weg, damit ich davon 1 siehe Kapitel 4.3., S.60



ausgehen konnte, dass das Haar beim Anbringen auch trocken war. Abgesehen

von diesen beiden Änderungen war der Versuch gleich aufgebaut.

4.4. Bau eines Windmessers Der Bau des Windmessers forderte mich am meisten, denn ich wollte sowohl

Windstärke als auch Windrichtung messen. Ich baute ein Anemometer1 aus einem

hölzernen Drehkreuz und halbierten Tischtennisbällen als Schalen (Abb.4.8.).

Getrennt dazu fertigte ich einen Windpfeil2 (Abb.4.9.) an, den die SchülerInnen in

etwas abgewandelter Form im Unterricht auch bauten.

An dieser Stelle möchte ich noch einmal erwähnen, dass der Windpfeil immer

in die Richtung zeigt, aus der der Wind kommt.

Abb.4.8.: Anmemometer Abb.4.9.: Windpfeil

Das Problem beim Anemometer bestand darin, dass sich das Drehkreuz erst bei

größerer Windstärke zu drehen begann. Es war also für meine Zwecke unbrauchbar

und ich versuchte etwas Besseres zu finden.

Ich fand in einem Schulbuch3 einen Versuchsaufbau, der über den Ausschlag

(Winkel) die Windstärke misst. Daneben stand eine Tabelle, die den Zusammenhang

zwischen Grad und km/h zeigte. Dies probierte ich in etwas abgewandelter Form

aus.

1 siehe Kapitel 3.4.3., S.47 2 siehe Kapitel 3.4.3., S.41 (Windfahne) 3 [10], S.75




• dicke Plastikfolie

• dünner Holzstab (ca. 30 cm)

• dicker Holzstab (ca. 150 cm)

• Plastikstäbchen

• kleine Plastikflasche

• Korken

• Nägel

• Pinnagel

• Perle

• Zirkel, Lineal und wasserfester Stift

• Kompass

• Klebeband und Klebstoff (wasserfest)

• Hammer

• Holzsäge

• Schere

• Schraubenmutter

• Faden

Bau des Windmessers (Windstärke und Windrichtung)

In das dünne Holzstäbchen bohrte ich vorsichtig ein kleines Loch – ein wenig

größer als der Nagel und nicht genau in der Mitte – und schnitt zwei Kerben an

den Enden quer dazu mit einer Holzsäge ein.

Auf die Plastikfolie zeichnete ich eine Pfeilspitze, einen Windfänger,

einen Kreis und einen Viertelkreis. Die Pfeilspitze und der Windfänger waren für

den Windpfeil, der Kreis für die Windrose und der Viertelkreis für die Anzeige

der Windstärke vorgesehen (siehe Abb.4.10).

Die Pfeilspitze steckte ich an das vordere Ende des Holzstäbchens in die

dafür vorgesehene Kerbe und befestigte sie zusätzlich mit wasserfestem

Klebstoff. Am hinteren Ende geschah das gleiche mit dem Windfänger.

Den unteren Teil der Plastikflasche, der mit einer Schere abgeschnitten

wurde, befestigte ich mit einem Pinnagel an einem Ende des Plastikstäbchens.

Das Stäbchen sollte etwas länger sein als der Radius des Viertelkreises.



Auf den Viertelkreis zeichnete ich eine Winkeleinteilung (jeweils alle 5 Grad)

und klebte ihn mit Klebeband am hinteren Teil des Holzstäbchens fest. Mit

einem Nagel befestigte ich das Plastikstäbchen am Holzstäbchen, sodass es

bei der 0 Grad Marke senkrecht nach unten hing. Damit keine

Verletzungsgefahr bestand, entschärfte ich den herausstehenden Nagel mit

einem kleinen Stück Korken.

Der Windpfeil mit dem Windstärkemesser war nun fast fertig – er musste

nur noch auf einem dicken Holzstab befestigt werden. Zuerst klebte ich den

Kreis, auf den die acht Hauptwindrichtungen (Abb.4.11.) bereits aufgezeichnet

waren, auf dem dicken Holzstab fest. Ich schlug einen Nagel, an dem sich ein

kleines Stück Plastikfolie befand, durch das Loch des Holzstäbchens und einer

Perle in den dicken Holzstab. Die Perle diente dazu, dass sich der Pfeil leichter

drehen konnte, das Stück Plastikfolie als Schutz vor Regen. Das Holz quillt

nämlich bei Wasseraufnahme auf und der Windpfeil kann sich nicht mehr

ungehindert drehen.

Der hintere Teil war durch den Windstärkemesser viel schwerer als der

vordere Teil. Um ein Gleichgewicht herzustellen, band ich einfach

Schraubenmuttern mit einer Schnur auf den vorderen Teil.

Abb.4.10.: Windpfeil mit integriertem Wind- Abb.4.11.: Windrose auf dem Windmesser stärkemesser

Den Windpfeil mit integriertem Windstärkemesser bewahrte ich in der Wohnung

auf, damit bei starkem Regen oder Wind nichts kaputtgehen konnte. Die

Messung selbst führte ich auf einer freien Wiese durch. Es war vor jeder

Messung wichtig, die Windrose mit einem Kompass nach Norden (!)

auszurichten.



Anmerkung Auch mit der oben beschriebenen Vorrichtung ließ sich die Windstärke nur

schwer bis gar nicht messen. Da der Wind sehr böig ist, war es mir fast

unmöglich einen Wert abzulesen. Bei wenig Wind gab es keinen Ausschlag, da

das Ganze zu schwer war.

Daraufhin beschloss ich, mit den Schülern nur die Windrichtung zu

messen. Der Aufbau des Windpfeils blieb im Wesentlichen gleich, nur die

verwendeten Materialien waren etwas anders (z.B.: dünner Strohhalm anstatt

des dünnen Holzstäbchens).1

4.5. Bau eines Regenmessers Der Regenmesser war von allen Geräten am einfachsten zu bauen. Die

Versuchsanordnung ähnelt einem Hellmann-Niederschlagsmesser2.


• große Plastikflasche (Inhalt 2 l)

• Schere

• breites Klebeband

• mehrere Steine

• wasserfester Stift

• Lineal

• Wasser

Bau des Regenmessers Als erstes nahm ich die Plastikflasche zur Hand und schnitt diese im oberen

Drittel auseinander. Der untere Teil diente als Auffanggefäß – der obere als

Trichter. Die scharfen Kanten der Flasche, die durch das Auseinanderschneiden

entstanden, habe ich mit breitem Klebeband überklebt und somit entschärft.

1 siehe Anhang [8] 2 siehe Kapitel 3.5.3., S.57



Mit einem Lineal und einem wasserfesten Stift zeichnete ich eine Skala, mit

einer 2 mm Einteilung, auf das breite Klebeband. Dieses klebte ich auf den

unteren Teil der Flasche – ein wenig oberhalb des Bodens (siehe Abb.4.12.).

Nun gab ich die Steine in die Flasche, damit das Messgerät bei Wind nicht so

leicht umfallen konnte, und befüllte sie bis zur „1“-Markierung mit Wasser.

Als letztes steckte ich den oberen Teil verkehrt herum in die Flasche. Er

sollte fest verankert sein, damit bei Wind der Trichter auch nicht davon geweht

werden konnte.

Abb.4.12.: Regenmesser

Den Regenmesser stellte ich an einem ungeschützten Ort im Garten auf. Mit

ungeschützt meine ich, dass keine Bäume oder Häuser in der unmittelbaren

Umgebung stehen sollten, die den Niederschlag abhalten könnten und in

weiterer Folge das Messergebnis verfälschen. Zusätzlich band ich den

Regenmesser mit einer Schnur an einem Holzpfeiler fest, damit er nicht

umfallen konnte.

Nach jeder Messung vergewisserte ich mich, ob das Wasser auch bei

der „1“-Markierung stand. Bei Regen leerte ich den Behälter, und bei viel Hitze

musste ich Wasser nachgießen, da es verdunstete.



Anmerkung Beim Aufbau gab es keine Unterschiede zwischen meinem Messgerät und dem

der Schüler. Nur die Skala verbesserte ich, damit es beim Ablesen zu keinen

Verwirrungen kommen konnte – anstatt mit „1“ begann die Einteilung bei den

Schülern mit „0“.

Beim Aufstellen des Regenmessers ließ ich das zusätzliche Anbinden mit

einer Schnur an einen Holzpfeiler weg, da ich nicht davon ausgehen konnte,

dass die Schüler zu Hause die gleichen Möglichkeiten hatten wie ich.

4.6. Messung Die Messgeräte waren nun fertig gebaut und konnten ausprobiert werden. Jeden

Tag, und bei jedem Wetter, las ich um 7 Uhr früh und 18 Uhr am Abend die

jeweiligen Werte ab, notierte sie und verglich sie mit Werten einer Wetterstation in

Graz, die ich dem Internet entnahm. Man erkannte beim Luftdruck, bei der

Lufttemperatur und der Luftfeuchte eine Tendenz, wenn auch keine genauen Werte.

Die Windrichtung war bei der Messung zwar kein Problem, aber die Werte

stimmten so gut wie nie mit den Vergleichswerten überein. Das ist auch kein Wunder,

denn der Wind dreht ständig und ist eine Bestandsaufnahme zu einem ganz

bestimmten Zeitpunkt an einem ganz bestimmten Ort. Ich wollte trotzdem die

Windrichtung mit den Schülern messen, da sie auch diese Problematik kennen

lernen sollten.

Der Regenmesser bereitete auch keine Schwierigkeiten. Ich hoffte nur, dass

es in der Woche, in der die Schüler ihre Messgeräte ausprobierten, auch einmal

regnete.

In der Versuchswoche von 10.11. bis 17.11.2004 protokollierte ich ebenfalls

die Daten, die mir meine Wetterstation lieferte. Die erhaltenen Werte sind in

Tabelle 4.1. und Tabelle 4.2. angeführt. Darauffolgend ist jedes meteorologische

Element einzeln in einem Diagramm dargestellt (Abb.4.13. bis Abb.4.17.).



Datum Uhrzeit Druck Feuchte Temperatur Richtung Regen 11.11. 07:00 5,5 2,8 2,5 180 16 12.11. 07:00 5,6 2,8 2,3 0 0 13.11. 07:00 4,8 2,9 2,2 180 1 14.11. 07:00 5,2 3,5 1,5 45 0 15.11. 07:00 4,9 3,6 1,5 45 0 16.11. 07:00 5,3 2,8 1,7 0 0 17.11. 07:00 5,4 2,6 1,1 0 0

Tabelle 4.1.: Daten am Morgen

Datum Uhrzeit Druck Feuchte Temperatur Richtung Regen 10.11. 18:00 5,2 2,7 2,6 180 8 11.11. 18:00 5,7 2,9 2,9 360 0 12.11. 18:00 5,3 2,8 2,7 0 0 13.11. 18:00 4,9 3,6 2,3 135 0 14.11. 18:00 5,3 3,5 1,7 90 0 15.11. 18:00 4,9 3,7 1,5 135 0 16.11. 18:00 5,1 3 1,2 0 0 Tabelle 4.2.: Daten am Abend

Luftdruck

4,6

4,8

5

5,2

5,4

5,6

5,8

10.11. 11.11. 12.11. 13.11. 14.11. 15.11. 16.11. 17.11.

Datum

Luftd

ruck

wer

te

Morgen Abend

Abb.4.13.: Graphische Auswertung des Luftdrucks



Lufttemperatur

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

10.11. 11.11. 12.11. 13.11. 14.11. 15.11. 16.11. 17.11.

D a t um

Morgen Abend

Abb.4.14.: Graphische Auswertung der Lufttemperatur

Luftfeuchte

2,4

2,6

2,8

3

3,2

3,4

3,6

3,8

10.11. 11.11. 12.11. 13.11. 14.11. 15.11. 16.11. 17.11.

Datum

Luftf

euch

tew

erte

Morgen Abend

Abb.4.15.: Graphische Auswertung der Luftfeuchte



Windrichtung

0

45

90

135

180

225

270

315

360

10.11. 11.11. 12.11. 13.11. 14.11. 15.11. 16.11. 17.11.

Datum

Win

dric

htun

g in

[°]

Morgen Abend0°=windstill; 45°=NO; 90°=O; 135°=SO; 180°=S; 225°=SW; 270°=W; 315°°=NW; 360°=N

Abb.4.16.: Graphische Auswertung der Windrichtung

Niederschlag

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

10.11. 11.11. 12.11. 13.11. 14.11. 15.11. 16.11. 17.11.

Datum

Nie

ders

chla

gsm

enge

in [m

m]

Morgen Abend

Abb.4.17.: Graphische Auswertung des Niederschlags

5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 75


5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz

5.1. Dynamisches Grundbildungskonzept nach IMST2 In diesem Kapitel werde ich näher auf die mögliche Planung und Durchführung des

Unterrichts eingehen, wie er von IMST2 – Schwerpunkt Grundbildung (Bereich

Naturwissenschaften und Mathematik) – vorgeschlagen wird.1 IMST2 steht für

Innovations in Mathematics, Science and Technology Teaching.

In enger Zusammenarbeit zwischen Didaktikern und Lehrern entstand so unter

Berücksichtigung internationaler Studien (z.B.: PISA) das hier vorgestellte

Grundbildungskonzept – ein dynamisches. Dynamisch deswegen, weil durch die

vielseitige Anwendung der Unterricht verändert werden kann, je nach

Schwerpunktsetzung. Dabei geht es nicht darum den Unterricht in ein Korsett zu

drücken, sondern vielmehr durch gezielte Unterstützung Anhaltspunkte zu bieten. Die

Lehrer sind aufgefordert, sich mit dem Thema auseinander zu setzen und somit den

Schülern eine fundierte Grundbildung zu ermöglichen.

Grundbildung ist jener Wissensstand, in dem die Schüler befähigt sind

eigenständig Probleme zu erkennen und zu bearbeiten. Darüber hinaus sollen

Lösungen gefunden und bewertet werden. Bezogen auf Naturwissenschaften

und Mathematik bedeutet das, grundlegende Konzepte verstehen und

anwenden zu können. Zusätzlich ist die Bereitschaft und die Fähigkeit zu

lebensbegleitendem Lernen in diesem Bereich gegeben.

Ein erster Einstieg, um den Unterricht zu gestalten, ist die Auseinandersetzung mit

folgenden Fragen:

• Was sollen Schüler können? Welches Wissen und welche Fähigkeiten sollen

sie während ihrer Schullaufbahn erworben haben, und wie sollen sie damit

umgehen können?

• Wie sollen Schüler lernen, damit ihnen über die Schulzeit hinaus solides

mathematisches und naturwissenschaftliches Grundwissen verfügbar bleibt

1 vgl. [18]



und sie Kompetenzen erwerben, sich eigenständig weiterzubilden? Wie kann

Unterricht gestaltet werden, um Schüler dabei optimal zu unterstützen?

• Warum werden gerade diese Inhalte und Kompetenzen als unverzichtbar

angesehen? Warum verspricht man sich gerade von diesen Methoden den

gewünschten Erfolg?

Die inhaltliche und methodische Planung des Unterrichts wurde damit einmal grob

besprochen, aber auf keinen Fall darf der Lehrer die Voraussetzungen, die

Fähigkeiten und die Interessen der Schüler außer Acht lassen. Vor allem ist zu

beherzigen, den Schülern die Zuversicht zu vermitteln, die geforderten

Problemstellungen erfassen und bewältigen zu können. Darüber hinaus soll das

Gelernte von Bedeutung sein, damit es sich überhaupt lohnt Neues zu lernen.

Leitlinien für die Inhaltswahl Die Leitlinien für die Inhaltswahl bieten eine Hilfestellung für den Lehrer bei der

Suche nach geeigneten Sachverhalten, welche für die Grundbildung von Bedeutung

sind. Im Einzelnen lauten sie:

Weltverständnis Die Technik ist aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken, wodurch es

notwendig ist sich mit den Naturwissenschaften und der Mathematik

auseinander zu setzen. Die Darstellung von technischen Entwicklungen

und die Bearbeitung relevanter Themen soll den Schülern dabei helfen,

Zusammenhänge zu erkennen und ein Gespür für Dimensionen und

Größenverhältnisse zu bekommen.

Kulturelles Erbe Die Geschichte der Mathematik und Naturwissenschaften stellt ein

wichtiges kulturelles Erbe dar, das den Schülern vermittelt werden soll. Der

gesellschaftliche und politische Hintergrund führt zu einem kritischen

Hinterfragen des Gelernten und kann wesentlich zum Verständnis des

Themas beitragen.



Der Zugang zu diesem Bereich kann zum Beispiel durch

Forscherbiographien erfolgen.

Alltagsbewältigung Naturwissenschaften und Mathematik sind in unsere Welt unverzichtbare

Begleiter. Durch den Unterricht sollen die Schüler dazu befähigt werden,

gelernte Inhalte im alltäglichen Leben einzusetzen. Die Bearbeitung eines

Problems mit Hilfe des neu erworbenen Wissens soll dabei als

gewinnbringend empfunden werden.

Gesellschaftsrelevanz Die Schüler sollen durch geeignete Inhaltswahl darauf vorbereitet werden,

sich an den Entscheidungen und der Gestaltung der Gesellschaft aktiv zu

beteiligen. Einblicke in die Wichtigkeit der Naturwissenschaften und der

Mathematik sollen geboten werden, damit eine kritische

Auseinandersetzung in technischen Bereichen möglich ist. Eine Art der

Vorgehensweise besteht darin, Expertenmeinungen zu hinterfragen.

In weiterer Folge werden von den Schülern eigenständige

Meinungen gebildet und diese durch fundiertes Wissen begründet.

Wissenschaftsverständnis Die Themen der Wissenschaft im Unterricht mit einzubeziehen, soll einen

wesentlichen Teil des Unterrichts einnehmen. Darüber hinaus wird Einsicht

in naturwissenschaftliches und mathematisches Denken und Arbeiten

vermittelt. Dazu ist es notwendig, Einblicke in die Fachsprache zu geben

und die Fähigkeit der Abstraktion und Modellbildung zu schulen.

Berufliche Orientierung und Studierfähigkeit Dabei geht es darum, den Schülern eine Hilfestellung bei der

Berufsorientierung zu bieten. Dies geschieht durch gezielte Aufgaben, die

Einblicke in die Anforderungen und Erwartungen des jeweiligen Bereiches

der Wissenschaft geben. Die Schüler werden also dazu angeleitet, sich mit

ihren eigenen Interessen auseinander zu setzen und diese in der Zukunft

auch umzusetzen.



Leitlinien für die Methodenwahl Die Leitlinien für die Methodenwahl bieten einen Überblick über die Möglichkeiten der

Wissensvermittlung. Dabei soll einerseits die Neugierde der Schüler geweckt werden

und andererseits eine intensive Bearbeitung durch sie gewährleistet werden. Die

Mitarbeit der Schüler ist also gefordert, ansonsten besteht keine Möglichkeit wirklich

zu lernen. Das bedeutet, dass Lernen ein Prozess ist, an dem sich der Schüler aktiv

beteiligt und darüber hinaus problemorientiert und selbstständig arbeitet. Der Lehrer

unterstützt die Lernenden an geeigneten Stellen mit einer Methodenvielfalt und durch

Hilfestellungen.

Die Leitlinien für die Methodenwahl lauten:

An Voraussetzungen der Schüler anknüpfen Unter Voraussetzungen versteht man nicht nur das Vorwissen, sondern

auch Erfahrungen, Alltagsvorstellungen, Interessen und Gefühle. All diese

Faktoren beeinflussen den Lernprozess und bilden somit seine Grundlage.

Dadurch ist leicht einzusehen, dass Lernen sehr individuell passiert.

Das neue Wissen soll mit dem bereits vorhandenen verknüpft

werden, damit es nicht wirkungslos bleibt.

An authentischen Problemen und anwendungsbezogen lernen Realistische und relevante Probleme sollen die Schüler dazu motivieren

neues Wissen und neue Fähigkeiten zu erwerben. Authentische

Situationen eignen sich für realitätsnahes Lernen am besten. Aber auch

aktuelle Probleme, authentische Fälle und persönliche Erfahrungen

können herangezogen werden.

Der Schwierigkeitsgrad der Aufgaben richtet sich nach dem

Wissensstand der Schüler. Dies ist ein sehr wichtiger Punkt, denn bei zu

schwierigen Problemen kann es leicht zur Überforderung kommen.

Erfahrungsgeleitet lernen Den Schülern soll die Möglichkeit geboten werden eigene Erfahrungen zu

sammeln, indem sie selbst etwas erleben. In den Naturwissenschaften

bieten sich dazu Experimente an. Durch das Planen, Durchführen,

Dokumentieren und Deuten von Versuchen können die Schüler neue



Einsichten erwerben. Zusätzlich wird die Kreativität und die Motorik

gefördert.

Wissen in verschiedenen Kontexten anwenden lernen Diese Leitlinie besagt, dass dieselben Inhalte in verschiedenen Situationen

zum Einsatz kommen sollen. Dadurch verhindert der Lehrer, dass neu

Gelerntes nur in ganz speziellen Bereichen angewendet werden kann.

Ebenso lernen die Schüler unterschiedliche Sichtweisen kennen,

wodurch sie üben, das Gelernte in verschiedenen Zusammenhängen zu

nützen.

In sozialem Umfeld lernen Gemeinsames Lernen fördert nicht nur die Kommunikation innerhalb der

Klasse, sondern ist auch sehr wirkungsvoll. Aus diesem Grund sind

Gruppenarbeiten bei der Erarbeitung neuer Inhalte, aber auch bei der

Festigung des bereits Gelernten sehr hilfreich.

Mit instruktionaler Unterstützung lernen Der Inhalt wird vom Lehrer altersgerecht aufbereitet und den Schülern als

Information mitgeteilt. Diese Informationen werden als Instruktion

bezeichnet. Der Lehrer hat also die Aufgabe durch gezielte Anwendung

von Instruktionen den Schülern Unterstützung und Hilfestellung bei der

Bewältigung von Problemen zu bieten.

Die Instruktionen können aber auch durch den Einsatz moderner

Medien (z.B.: Internet) erfolgen oder von Mitschülern erteilt werden.

Sowohl die inhaltlichen, als auch die methodischen Leitlinien dienen der Orientierung

und sollen den Lehrer bei der Planung seines Unterrichts unterstützen. Das Ziel ist

es, den Schülern eine solide Grundbildung zu ermöglichen, die durch geeignete

Inhaltswahl und Methodenvielfalt gekennzeichnet ist.



Die folgende Übersicht liefert eine didaktische Strukturierung des Unterrichts

(Unterrichtsstunde bzw. Unterrichtssequenz).

Thema - bündelt und gewichtet den Inhalt - verbindet Fach- und Schülerperspektiven

Ziele - stellt Bezug zum Lehrplan1 her - stellt Bezug zum dynamischen Grundbildungskonzept her - im Lernzielkatalog niedergeschrieben - sollen für Schüler überprüfbar sein

Fachdidaktische Perspektive

- Ergebnisse der Lernforschung einfließen lassen

- Grundvorstellungen - Unterrichtskonzepte

Fachperspektive - beschreibt die

Sachstruktur innerhalb des Faches bzw. der Wissenschaft

- stellt Bezug zu grundlegenden Konzepten und Methoden des Faches her

- Darstellung der Fachbegriffe

Lehrerperspektive - beschreibt die eigene

Vorstellung über den Sinn des Unterrichts bzw. des Themas

- welche Erwartungen setzt man in die Schüler

Schülerperspektiven - geht auf die

Voraussetzungen der Schüler ein

- Einbeziehen des Vorwissens, der Vorerfahrungen und der Vorstellungen

- Überlegungen über Interesse, Einstellungen und Gefühle gegenüber dem Thema

Skizze der Unterrichtssequenz

Ablauf (Phasen)2 Methoden3

Begründung durch Leitlinien4

Erreichung der Ziele - Festlegung der Evaluationskriterien - Einsatz von Evaluationsmethoden

1 vgl. [22] 2 siehe Kapitel 5.2. 3 siehe S.78 4 siehe S.76



5.2. Planung des Unterrichtsablaufes1 Eine Unterrichtsstunde bzw. Unterrichtssequenz gliedert sich in verschiedene

Phasen. Die genaue Planung dieser Phasen erleichtert es dem Lehrer während des

Unterrichts einerseits den roten Faden bezüglich des Themas nicht zu verlieren und

andererseits für Abwechslung in der Methodenwahl zu sorgen. Ebenso profitieren die

Schüler von einer guten Strukturierung, denn sie wissen was gerade im Unterricht

geschieht – und dadurch lernt es sich leichter!

Darüber hinaus erhält jede Phase eine kleine Kapitelüberschrift. Diese soll den

jeweiligen Inhalt wiederspiegeln, und schülergerecht formuliert sein. Dabei darf das

eigentliche Thema nicht aus den Augen verloren werden – es müssen vielmehr die

Zusammenhänge klar werden.

Im weiteren Verlauf dieses Kapitels wird eine mögliche Gliederung der

Unterrichtsphasen vorgestellt. Dabei ist es nicht sinnvoll immer alle Punkte im

Unterricht umzusetzen, denn das würde schnell zu Überforderung führen. Vielmehr

stellt es eine Hilfestellung dar, den Unterricht abwechslungsreich und für die Schüler

gewinnbringend zu gestalten.

Ablauf (Phasen) 1. Warming Up

Der Stundeneinstieg dient dazu mit den Schülern Kontakt aufzunehmen

und gute Lernlaune zu schaffen. Letzteres ist sehr wichtig, denn nur mit

der richtigen Motivation kann auch gut gelernt werden.

2. Stundenprogramm In dieser Phase geht es darum den Schülern zu sagen, worum es in der

folgenden Unterrichtsstunde eigentlich geht. Darüber hinaus wird erklärt,

warum das Thema überhaupt wichtig ist. Dazu eignet sich eine

Problemstellung, die die Schüler interessiert und die zu bearbeiten bzw. zu

lösen sich lohnt.

Mit der Bekanntgabe der noch folgenden Themen der einzelnen

Phasen entsteht ein Rahmen, der für Klarheit und Verlässlichkeit sorgt.

1 vgl. [17]



Es ist stets darauf zu achten, dass die jeweiligen Erklärungen

schülergerecht formuliert und ansprechend sind. Auf keinen Fall darf das

Thema langweilig wirken, denn dann ist die nötige Motivation zu lernen für

die meisten Schüler verloren.

Zusammenfassend besteht das Stundenprogramm also aus der

Vorstellung des Themas der Unterrichtsstunde, der Begründung des

Lernstoffes und der Darlegung der einzelnen Phasen inklusive der

geplanten Dauer.

3. Wiederholung bzw. Vorwissen erfragen Mit einer kurzen Wiederholung wird der bereits gelernte Stoff

vergegenwärtigt. Dazu eignet sich ein Unterrichtsgespräch genauso gut

wie ein kleines Spiel (z.B.: Quiz), das für Abwechslung sorgt.

Bei der Behandlung eines neuen Themengebietes ist es sinnvoll,

das Vorwissen der Schüler zu erfragen. Auf dieses bereits vorhandene

Wissen soll in weiterer Folge eingegangen und aufgebaut werden.

Eine andere, aber mit Sicherheit weitaus schwierigere, nicht immer

anwendbare, Möglichkeit besteht darin, die Schüler mit ihrem Vorwissen

eigene Hypothesen formulieren zu lassen. Mit diesen Hypothesen soll im

Unterricht auch gearbeitet werden und den Schülern dadurch die

Möglichkeit geboten werden, diese zu überprüfen. Ansonsten machen sie

wenig Sinn.

4. Information Der Informationsinput kann vom Lehrer oder von einem Schüler (oder auch

Schülergruppe) vermittelt werden. Aber auch aus der Literatur oder aus

dem Internet können Informationen eingeholt werden.

Wichtig ist danach ein kurzes Unterrichtsgespräch zu führen, in dem

klar wird, was Neues gelernt wurde und was überhaupt bei den Schülern

angekommen und verstanden worden ist.

5. Arbeitsauftrag Der Arbeitsauftrag an die Schüler bedarf einer klaren Formulierung, damit

sie genau wissen, welche Aufgaben sie in weiterer Folge zu erfüllen



haben. Nach dem Motto „Was nicht gesagt wurde, wird auch nicht

gemacht“!

6. Selbstständige Arbeit Die selbstständige Arbeit der Schüler ist eine sehr wichtige Phase, die,

wenn möglich, auch in keiner Unterrichtsstunde fehlen soll. Es besteht die

Möglichkeit der Einzel- oder Gruppenarbeit. Hier soll nicht nur Platz für die

typische Übungsphase sein, sondern auch für das sinnvolle Austauschen

von Wissen und Ideen mit den Mitschülern.

Das Kontrollieren der Ergebnisse bei einer Trainingsphase kann den

Schülern selbst überlassen werden.

7. Präsentation der Ergebnisse Die Präsentation der Ergebnisse nach selbstständiger Arbeit gestaltet sich

oft als sehr schwierig, weshalb auch diese Phase einer genauen

Vorbereitung unterzogen werden soll. Vor allem genügend Zeit ist ein

wichtiger Aspekt, damit den Schülern die Möglichkeit geboten wird sich

nicht nur inhaltlich, sondern auch formal darauf vorzubereiten.

In manchen Unterrichtssituationen ist es allerdings zu überlegen, ob

eine Präsentation überhaupt Sinn macht (z.B.: bei arbeitsgleichen

Vorgängen).

8. Stundenschluss Der Stundenschluss soll klar das Ende der Unterrichtsstunde anzeigen. Ein

häufiges Ritual ist das Aufgeben der Hausübung. Ebenfalls eignet sich

dazu die Abgabe einer eigenständigen Arbeit (Einzeln oder in Gruppen).

5.3. Planung der Unterrichtssequenz Bei der Planung meiner Unterrichtssequenz „Meteorologie – Wie misst man ...?“

versuchte ich nach der, in Kapitel 5.1. vorgeschlagenen, didaktischen Übersicht

vorzugehen.



Thema Als Erstes legte ich das Thema genau fest, bei dem ich glaube, dass es für die

Schüler relevant ist, da sie schließlich täglich mit dem Wetter konfrontiert sind. Das

Thema beinhaltete die Messung der meteorologischen Elemente Luftdruck,

Lufttemperatur, Luftfeuchte, Windrichtung und Niederschlag. Im Titel „Meteorologie –

Wie misst man ...?“ fasste ich die Thematik kurz und prägnant zusammen, damit die

Schüler gleich wussten, was sie die nächsten drei Unterrichtsstunden inhaltlich

erwartete.

Ziele Bei den Zielen stellte ich einen Bezug zum Grundbildungskonzept1 her, indem ich

mich mit den drei Fragen „Was – Wie – Warum“ auseinander setzte.

Die Frage „Was sollen die Schüler können?“ formulierte ich in den Lernzielen. Sie

lauteten:

• meteorologische Messgeräte in der Fachsprache bezeichnen

• Einheiten der meteorologischen Elemente wiedergeben

• Messprinzipien der einzelnen meteorologischen Messgeräte erklären

• ein Messgerät selbst bauen und damit eine Messung über einen längeren

Zeitraum (eine Woche) durchführen

• Protokoll führen

• Messdaten mit dem PC bearbeiten

Darüber hinaus sollen die Ziele mit dem Lehrplan verknüpft sein. Dieser Punkt

stimmte in meiner Unterrichtssequenz nicht mit den Vorgaben überein, weil die

Meteorologie eigentlich Stoffgebiet der 7. Schulstufe2 ist. Genau genommen war das

aber ein Vorteil für mich, denn dadurch verfügten die Schüler schon über ein

Vorwissen (Schülerperspektive3), auf dem ich aufbauen konnte. Eine Einführung in

die Meteorologie zu geben, hätte meinen Zeitrahmen nämlich gesprengt und wäre

daher unmöglich gewesen.

1 siehe Kapitel 5.1., S.75 2 vgl. [22] 3 siehe Kapitel 5.1., S.80



Bezug zu den methodischen Leitlinien Wie sollte ich das Ganze umsetzen? Dieser Punkt war von Anfang an klar, da es ja

die Idee meiner Diplomarbeit war, meteorologische Messgeräte mit einfachen Mitteln

zu bauen, damit Messungen durchzuführen. Die Schüler durften also ihr eigenes

Messgerät basteln und damit ihre eigenen Erfahrungen sammeln – sie lernten also

an authentischen Problemen und anwendungsbezogen.

Als Methode kam nur das Experiment in Frage, da dies ja Teil meiner eigenen

Arbeit war. Die Schüler hatten dadurch auch die Möglichkeit sich in sozialem Umfeld

mit diesem Thema zu beschäftigen.

Ein geeigneter Abschluss war die Ausarbeitung der Messdaten mit dem PC.

Erstens sollten die erhaltenen Daten verwendet werden und zweitens ist die Arbeit

am Computer von enormer Wichtigkeit – auch für das Leben nach der Schule.

Bezug zu den inhaltlichen Leitlinien Die Frage nach dem „Warum“ ließ sich schwerer beantworten. Der ständige Umgang

mit dem Wetter, Messgeräte ebenso wie Messdaten, lieferte mir eine Antwort. Die

Schüler sollen einfach wissen, mit welchen Messgeräten sie es fast täglich zu tun

haben. Das beinhaltet auch das Verstehen der Messprinzipien. Dabei wird sowohl

das Weltverständnis, als auch die Gesellschaftsrelevanz im Unterricht eingebunden.

Das tägliche Ablesen der Messdaten gibt den Schülern einen Einblick in die

Arbeitsweise eines Meteorologen und welche Anforderungen in diesem Berufsfeld

gestellt werden.

5.4. Durchführung der Unterrichtssequenz Für meine Unterrichtssequenz „Meteorologie – Wie misst man ...?“ bekam ich von Dr.

Gerhard Rath drei Stunden in der 4.b Klasse des Bundesrealgymnasiums Kepler zur

Verfügung gestellt. Die Klasse besteht aus 30 Schüler – 19 Buben, 10 Mädchen und

eine russischen Austauschschülerin.

Der Physikunterricht in der 8. Schulstufe beträgt nur 1,5 Schulstunden pro

Woche. Daher wechselt die Anzahl der Unterrichtsstunden 14-tägig, d.h. in jeder

geraden Kalenderwoche finden zwei Physikstunden statt und in jeder ungeraden

Kalenderwoche lediglich eine. Ich legte meine Unterrichtssequenz so fest, dass die



Einführung in die meteorologischen Elemente und der Bau der Messgeräte in einer

Woche und die Auswertung der Messdaten in der darauffolgenden stattfand. Mit

dieser Einteilung hatten die Schüler sechs Tage Zeit ihre Messungen durchzuführen

und die Messdaten in einem Protokoll festzuhalten.

Bei der Durchführung der Unterrichtssequenz achtete ich darauf, verschiedene

Phasen einzusetzen und diese durch eine geeignete Methoden- und Inhaltswahl

umzusetzen. Die am häufigsten von mir angewandte Methode war sicherlich „an

authentischen Problemen und anwendungsbezogen lernen“. Die Inhaltswahl

umfasste da schon ein breiteres Spektrum. Sie reichte von Alltagsbewältigung (im

Alltag ist das Wetter immer von großem Interesse) über Gesellschaftsrelevanz („jeder

redet über das Wetter“) bis hin zur beruflichen Orientierung (Einblick in die Arbeit

eines Meteorologen).

5.4.1. Durchführung der Unterrichtstunde am 9.11.2004 1. Vorbereitung (in der Pause vor Unterrichtsbeginn)

Ich überprüfte den Overheadprojektor auf seine Funktionsfähigkeit und

legte meine Folien und Folienstifte auf dem Lehrertisch bereit.

2. Begrüßung (Zeitdauer ca. 2 Minuten)

Bei der Begrüßung wurde ich zunächst von Dr. Gerhard Rath den Schülern

vorgestellt. Danach stellte ich mich nochmals vor, und erklärte ihnen, dass

ich die folgenden drei Unterrichtstunden gestalten werde.

3. Übersicht (Zeitdauer ca. 8 Minuten)

In diesem Teil der Stunde verwendete ich eine Folie1, die eine Übersicht

über die kommenden Unterrichtseinheiten lieferte. Darüber hinaus wurden

die Bewertungsrichtlinien bekannt gegeben.

4. Informationsinput (Zeitdauer ca. 20 Minuten)

Dieser Unterrichtsteil diente der Einführung in die meteorologischen

Elemente, deren Messung und deren physikalischer Einheiten. Die Schüler

1 siehe Anhang [1]



erhielten eine Übersicht1, die ich ebenso auf Folie vorbereitet hatte. Dabei

versuchte ich die Schüler immer wieder durch gezielte Fragestellungen mit

einzubeziehen.

5. Arbeitsauftrag (Zeitdauer ca. 5 Minuten)

In dieser Phase erklärte ich den Ablauf der Gruppenarbeit, der wie folgt

aussah:

• Bildung von sechs Meteorologenteams zu je fünf Schülern

• jedes Team überlegt sich einen Namen (für das Plakat)

• jeder Schüler wählt ein Messgerät aus

• jedes Team schreibt die Namen der Schüler inklusive Messgerät auf

ein Blatt Papier, das am Ende der Unterrichtsstunde abgegeben

wird

• Schüler erhalten „Mitbringliste“2

6. Gruppenarbeit (Zeitdauer ca. 15 Minuten)

Die Schüler arbeiteten in Gruppen die im „Arbeitsauftrag“ vorgegebenen

Punkte durch. In dieser Zeit legte ich jedem Team die „Mitbringliste“ auf

den Tisch und beantwortete auftretende Fragen.

7. Stundenschluss (Zeitdauer ca. 1 Minute)

Das Abgeben des Blattes Papier mit den Namen der Schüler in einem

Team und der Angabe welches Messgerät von wem gebaut wird, beendete

die erste Unterrichtsstunde.

5.4.2. Durchführung der Unterrichtsstunde am 10.11.2004 1. Vorbereitung (einen Tag davor und in der Pause vor Unterrichtsbeginn)

Einen Tag vor dieser Unterrichtstunde bereitete ich Eiswürfel für das

Thermometer vor. Dr. Rath holte diese während meines Unterrichts (ca. 15

Minuten nach Beginn der Stunde) aus dem Chemiezimmer, damit diese

nicht vor ihrer Verwendung auftauten.

1 siehe Anhang [2] 2 siehe Anhang [3]



In der Pause legte ich die restlichen Utensilien1 , die für den Bau der

Messgeräte notwendig waren, auf den Lehrertisch.

Eine Liste mit wichtigen Punkten zur Durchführung der

Gruppenarbeit legte ich ebenso bereit.

2. Begrüßung (Zeitdauer ca. 1 Minute)

Bevor ich die Schüler begrüßte besprach Dr. Gerhard Rath noch ein paar

organisatorische Dinge mit den Schülern. Aus diesem Grund verzögerte

sich der Beginn meines Unterrichts um wenige Minuten.


In diesem Teil der Unterrichtstunde erklärte ich den Schüler sowohl den

Ablauf beim Bau der Messgeräte, als auch wichtige Details zur Messung

zu Hause.

Ablauf beim Bau der Messgeräte:

• jeder Schüler baut das von ihm angegebene Messgerät

• Vorsicht beim Bauen

• auftretende Fragen stellen

• die Schüler in einem Team sollen sich gegenseitig helfen

• Vorsicht beim Transport der Messgeräte (sollte dennoch ein

Schaden entstehen, bitte diesen wieder zu reparieren)

• jedes Team erhält die Versuchsanleitungen und fünf Protokollblätter

• restliche Materialen liegen am Lehrertisch bereit

• mitgebrachte Utensilien herausholen

Details zur Messung:

• Informationen über den Aufstellungsort sind der Versuchsanleitung

zu entnehmen

• 2 mal täglich den Messwert ablesen, und zwar um 7 Uhr früh und

um 18 Uhr am Abend

• die Messdaten in das Protokoll eintragen

1 siehe Anhang [4]



Am Ende dieses Blocks erhielt jedes Team die Versuchsanleitungen1 für

die verschiedenen Messgeräte und fünf Protokolle2 – für jeden Schüler

eines. Die Bauanleitungen sollten in der Gruppe an den Schüler

weitergegeben werden, der dieses Gerät am Vortag angegeben hat.

4. Bau der Messgeräte (Zeitdauer ca. 40 Minuten)

In dieser Phase des Unterrichts arbeiteten die Schüler am Bau der

Messgeräte. Ich stand für Fragen zur Verfügung und half bei

Schwierigkeiten weiter.

Abb.5.1.: Bau der Messgeräte im Unterricht Abb.5.2.: Bau der Messgeräte im Unterricht

Abb.5.3.: Bau der Messgeräte im Unterricht

1 siehe Anhang [5], [6], [7], [8], [9] 2 siehe Anhang [10]



5.4.3. Durchführung der Unterrichtsstunde am 17.11.2004 1. Vorbereitung (in der Pause vor der Unterrichtsstunde)

Ich bereitete in der Pause den Lehrercomputer vor, indem ich das nötige

Programm (Excel) öffnete. Darüber hinaus speicherte ich die gesammelten

Daten, einerseits meine eigenen und andererseits vom ORF-

Wetterdienst1, auf dem PC. Die Schüler hatten somit Zugriff zu den

Messwerten.

2. Begrüßung (Zeitdauer ca. 1 Minuten)

Ich begrüßte die Schüler zur letzten gemeinsamen Stunde.

3. Gespräch (Zeitdauer ca. 5 Minuten)

Hier war Platz für die Berichte der Schüler, wie es ihnen bei der Messung

ergangen war.


In diesem Unterrichtsteil erteilte ich den Schülern den Arbeitsauftrag, den

sie in der heutigen Unterrichtsstunde zu erfüllen hatten. Dieser beinhaltete

das Erstellen einer Tabelle und einer Grafik in Excel für jeden Schüler und

das Gestalten eines gemeinsamen Plakates für jedes Team.

In erster Linie sollten sie bei der Auswertung ihre eigenen

Messwerte verwenden, ansonsten stellte ich ihnen meine Daten oder

Daten des ORF-Wetterdienstes zur Verfügung. Ich projizierte meinen

Vorschlag einer Grafik an die Wand, damit die Schüler einen Anhaltspunkt

hatten. Wichtig war, dass eine Gegenüberstellung zwischen Morgen- und

Abendmessungen vorgenommen wurde.

Das Plakat sollten die Schüler am Ende der Stunde nach ihren

eigenen Vorstellungen (und je nach vorhandener Zeit) gestalten. Mir war

nur wichtig, dass der Teamname und alle Tabellen plus Grafiken

aufgeklebt wurden.

1 vgl. [19]



5. Arbeit am PC (Zeitdauer ca. 30 Minuten)

Es arbeiteten zwei bis drei Schüler an einem PC zusammen, da die Anzahl

der Schüler viel größer war als das Angebot an Computern.

Abb.5.4.:Auswertung der Daten von den Schülern am PC

6. Präsentation (Zeitdauer ca. 10 Minuten)

Die Präsentation umfasste das

Erstellen eines Plakates für jedes

Team. Diese wurden dann im

Physiksaal aufgehängt.

Abb.5.5.: Plakat eines Teams



Abb.5.6.: Plakat eines Teams

7. Stundenschluss (Zeitdauer ca. 1 Minute)

Die Abgabe der Plakate beendete die Unterrichtsstunde und die

Unterrichtssequenz.

5.5. Nachbetrachtung Rückblickend waren die drei Unterrichtseinheiten in der 4.b Klasse für mich ein

Erfolg. Die Schüler arbeiteten fleißig mit und dem Feedback nach zu urteilen hat

dieses Projekt der Mehrheit auch gut gefallen.

Die erste Stunde diente der Einführung in das Thema und der Vorbereitung für die

eigentliche Arbeit – dem Bau der Messgeräte. Die Phase des Informationsinputs

verlief sehr gut, denn die Schüler waren bereit ein Unterrichtsgespräch zu führen. Bei

der Gruppenarbeit fanden sich die Teams schnell zusammen, diskutierten die

Arbeitsaufteilung und suchten einen Teamnamen. Da ich dazu keine Vorgaben

machte, kamen einerseits (meiner Meinung nach) unpassende Namen und

andererseits fehlten die Ideen. Hier sollte der Bezug zur Meteorologie hergestellt

werden und im Teamnamen zum Ausdruck kommen.

Der Bau der Messgeräte war der zentrale Punkt der zweiten Unterrichtsstunde. Der

Arbeitsauftrag an die Schüler war sehr komplex, denn jeder Einzelne in der Gruppe

hatte einen anderen Versuchsaufbau und somit einer anderen Tätigkeit



nachzugehen. Ich entschied mich im Vorfeld trotzdem für diese Arbeitsweise, auch

wenn mir die Problematik bewusst war.

Die Gründe waren folgende:

• Die Schüler bekommen durch das gemeinsame Arbeiten an einem Tisch die

Herstellung der anderen Messgeräte mit.

• Der Bau der Messgeräte bedarf einem unterschiedlichen zeitlichen Aufwand.

Dadurch sind manche Schüler früher fertig, die dann den Kollegen helfen

können.

• In der Berufswelt ist es üblich eine Arbeitsteilung in einem Team vorzunehmen

und auf ein gemeinsames Ziel hinzusteuern. Diese Arbeitsweise sollten die

Schüler einmal ausprobieren.

Nach meinem eigenen Empfinden verlief der Bau der Messgeräte ein wenig

chaotisch. Die Schüler stellten sehr viele Fragen an mich, wodurch mir bewusst

wurde, dass nicht allen klar war, was sie zu tun hatten. Es wäre besser gewesen, die

Versuchsanleitungen mit den Schülern vor „Baubeginn“ zu besprechen – dazu fehlte

mir leider die Zeit und die Skizze auf der Versuchsanleitung war offensichtlich zu

wenig. Ich überlegte im Vorfeld, ob ich die Fotos meiner Messgeräte an die Wand

projizieren oder meine eigenen Messgeräte in den Unterricht mitbringen sollte, damit

die Schüler einen Anhaltspunkt hatten. Ich verwarf diese Idee aber wieder, weil ich

wollte, dass die Schüler ihre eigene Kreativität ins Spiel brachten. Einige taten sich

dabei aber schwer, und deshalb wäre es vielleicht besser gewesen eine der beiden

Möglichkeiten umzusetzen.

Die Schüler hatten selbst ein paar Utensilien mitzubringen (funktionierte sehr

gut), den Rest stellte ich zur Verfügung. Die Materialien legte ich auf dem Lehrertisch

bereit – alles auf einem „Haufen“. Das war ein Fehler, denn manche Schüler nahmen

einfach alles mit, was sie vielleicht benötigen könnten. Dadurch blieben andere auf

der Strecke, die dann erst die nötigen Materialen suchen mussten. An dieser Stelle

wäre es besser gewesen, für jede einzelne Gruppe einen „Warenkorb“

bereitzustellen. Dann wäre kein Durcheinander entstanden und die Schüler hätten

sich auch Zeit erspart.

Die größten Schwierigkeiten entstanden beim Bau des Thermometers, da das

Kühlen des Wassers fast die gesamte Zeit in Anspruch nahm. Dieses Projekt wäre



daher gegen Ende des 2. Semesters (z.B.: Mai, Juni) sinnvoller. Durch die höheren

Außentemperaturen zu dieser Zeit ist es nämlich nicht notwendig das Wasser so

stark zu kühlen.1

Die Zeit war wirklich sehr knapp bemessen. Die Schüler standen bei der

Herstellung der Messgeräte unter ständigem Zeitdruck. Trotzdem ist es der Mehrheit

gelungen, die Messgeräte im Unterricht fertig zu stellen. Um eine Verbesserung in

dieser Hinsicht zu erreichen, könnte man eine Zusammenarbeit mit dem Werklehrer

anstreben, oder einfach eine Doppelstunde einplanen.

In meiner dritten und letzten Unterrichtsstunde stand die Auswertung der Messdaten

auf dem Programm. Die meisten Schüler konnten mit ihren eigenen Werten arbeiten

– das war sehr erfreulich. Die Arbeit am Computer selbst bereitete keine größeren

Schwierigkeiten. Die meisten Schüler musste ich nochmals darauf Aufmerksam

machen, dass sie die Messwerte am Morgen den Messwerten am Abend gegenüber

stellen sollten.

Der Abschluss meiner Unterrichtssequenz bestand in der Erstellung der

Plakate. Diese Arbeit wurde von allen Gruppen sehr gut durchgeführt, auch wenn

den einzelnen Teams unterschiedlich viel Zeit zur Verfügung stand. Diese Tatsache

ergab sich daraus, dass die Schüler am PC nicht gleich schnell arbeiteten.

Die Bewertung der Schüler war für mich das Schwierigste. Geplant war eine

Beurteilung des Messgerätes, der Messung selbst und der Auswertung. Da der

Zeitmangel in der zweiten Unterrichtsstunde so groß war, konnte ich den ersten Teil

nicht erfüllen. Für den zweiten und dritten Teil nahm ich die Plakate der einzelnen

Gruppen unter die Lupe und bewertete so die Arbeit der Schüler.

Das Feedback der Schüler bestätigte mir, dass die Zeit beim Bau der Messgeräte

viel zu kurz war. Abgesehen davon kam mein Unterricht bei ihnen gut an, weshalb

ich meine praktische Arbeit als gelungen ansehe.

1 siehe Kapitel 4.2., S.62

6. Abbildungsverzeichnis 95


6. Abbildungsverzeichnis

2. Einführung in die Meteorologie Abb.2.1.: [1], S.13 Abb.2.2.: [1], S.137 3. Die meteorologischen Elemente Abb.3.1.: [1], S.26 Abb.3.2.: [1], S.29 Abb.3.3.: http://de.wikipedia.org/wiki/Barometer Abb.3.4.: [1], S.54 Abb.3.5.: [2], S.23 Abb.3.6.: http://www.lern-

online.net/physik/waermelehre/temperatur/bilder/thermometer/jpg Abb.3.7.: http://dutch.phys.strath.ac.uk/CommPhys2002Exam/Rachel_Kenne

dy/obstemp.htm Abb.3.8.: http://dutch.phys.strath.ac.uk/CommPhys2002Exam/Rachel_Kenne

dy/obstemp.htm Abb.3.9.: http://katalog.av-medien.net/html/katalog/waermelehre_1109-

beispiel.htm Abb.3.10.: http://www.physik.rwth-

aachen.de/~hebbeker/lectures/ph1_0102/bimetal.gif Abb.3.11.: [1], S.62 Abb.3.12.: [1], S.68 Abb.3.13.: http://de.wikipedia.org/wiki/Psychrometer Abb.3.14.: [1], S.34 Abb.3.15.: [1], S.34 Abb.3.16.: [1], S.35 Abb.3.17.: [1], S.35 Abb.3.18.: [2], S.86 Abb.3.19.: http://www.metek.de/produkte.htm Abb.3.20.: http://www.bayern.de/LFW/technik/gkd/kurzinfo/hydromet/niedersch

laege/welcome.htm

7. Literaturverzeichnis 96


7. Literaturverzeichnis Bücher: [1] Helmut Kraus: „Die Atmosphäre der Erde“ Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2004 3. erweiterte und aktualisierte Auflage [2] „Leitfaden zum meteorologischen Instrumenten-Praktikum“ Institut für Meteorologie und Klimatologie der Universität Hannover 9. Auflage, 2004 http://muk.uni-hannover.de [3] Gösta H. Liljequist, Konrad Cehak: „Allgemeine Meteorologie“ Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden 3. überarbeitete und erweiterte Auflage, 1984 [4] „Wie funktioniert das? – Wetter und Klima“ Meyers Lexikonverlag, Mannheim/Wien/Zürich 1989 [5] Fritz Möller: „Einführung in die Meteorologie“ Band 1 B.I. Wissenschaftsverlag, Mannheim/Wien/Zürich, 1973 Unveränderter Nachdruck 1991 [6] G. Wiesinger: „Teil B: Phänomenologische Thermodynamik“ Skriptum im Zuge der Verbundlehrveranstaltung Thermodynamik & Statistik Technische Universität Wien [7] Günter D. Roth: „Wetterkunde für alle“ BLV Verlagsgesellschaft mbH, München/Wien/Zürich 9. Auflage, 1999 [8] Michael Allaby: „Klima und Wetter“ Christian Verlag, München Deutschsprachige Ausgabe, 1996 [9] „Was ist Was – Das Wetter“, Band 7 Tessloff Verlag, 1999 [10] Theodor Duenbostl, Leopold Mathelitsch, Theresia Oudin, Thomas Brezina: “Physik erleben” Band 3 öbv & hpt VerlagsgmbH &Co. KG, Wien 1999 1. Auflage [11] Helmut Dahncke, Rainer Götz, Fritz Langensiepen: “Handbuch des

Physikunterrichts – Sekundarbereich 1“ Band 3 (Wärmelehre, Wetterkunde) Aulis Verlag Deubner & Co KG, Köln, 1986

7. Literaturverzeichnis 97


[12] Robert W. Wood: „Physics for Kids – 49 easy experiments with Heat“ Tab Books, 1990

[13] Robert W. Wood: „Physics for Kids – 49 easy experiments with Mechanics”

Tab Books, 1989 [14] Jane Bingham: „Science Experiments“

E.D.C. Publishing, 1992 [15] Werner Rentzsch: „Experimente mit Spass – Wärme“ Band 1

Aulis Verlag Deubner, 1998 [16] Norbert Treitz: „Spiele mit der Physik“

Verlag Harri Deutsch, 1983 Internetadressen:

[17] http://www.guterunterricht.de [18] http://imst2.uni-klu.ac.at [19] http://wetter.orf.at/oes/ [20] http://www.top-wetter.de [21] http://de.wikipedia.org/wiki/Hauptseite [22] http://www.bmbwk.gv.at/medienpool/791/ahs16.pdf

Anhang[1] 98


1. Stunde, 9.11.2004:

Übersicht der meteorologischen Elemente

Bildung von Meteorologenteams

2. Stunde, 10.11.2004:

Bau der Messgeräte

3. Stunde, 17.11.2004:

Auswertung der gesammelten Wetterdaten mit dem

Computer

Anhang[2] 99


Anhang[3] 100


Mitbringliste (am Mittwoch dem 10.11.2004)

Schere (alle)

Stift und Lineal (alle)

Großes Gurkenglas - für Barometer

Große Schachtel (z.B.: von Cerealien)- für Barometer

Mittelgroße Steine – für Barometer

Großer dicker Karton (ca. 40 x 40 cm) - für Hygrometer

8. Große Plastikflasche (z.B.: 2 l Flasche) - für Regenmesser

Glasflasche mit Schraubverschluss - für Thermometer

Flasche mit Korken - für Windpfeil

Zirkel – für Windpfeil

Kompass – für Windpfeil

Anhang[4] 101


Restliche Utensilien • dicke und dünne Strohhalme

• Plastilin

• Karton

• durchsichtiges und breites Klebeband

• Nägel

• Hammer

• Thermofühler

• Stecknadeln

• Korken

• Luftballone

• Gummiringerl

• Perlen

• wasserfeste Stifte

• Kompasse

• Klebstoff

Anhang[5] 102


Barometer Was benötigt wird: ein großes Gurkenglas ein Luftballon ein Strohhalm Gummiringerl Tixo und Klebstoff Karton Schere Stift und Lineal eine große Schachtel Wie man´s macht:

Schneide den unteren Teil des Luftballons mit der Schere weg und spanne den oberen Teil über die Öffnung des Gurkenglases. Fixiere den Luftballon zusätzlich mit Gummiringerl und Tixo.

Zeichne auf den Karton eine Pfeilspitze und schneide diese mit der Schere aus. Stecke die Pfeilspitze so an das Ende des Strohhalms, dass sie gut hält.

Befestige nun das andere Ende des Strohhalms mit Klebstoff in der Mitte des Luftballons. Zusätzlich klebe noch ein Stück Tixo darüber.

Zeichne auf die große Schachtel eine Skala (siehe Bild; 2mm-Einteilung) und stelle das Barometer so hin, dass der Pfeil genau auf die Skala zeigt.

Was zu tun ist:

Stelle das Barometer in deinem Zimmer auf. Achte dabei darauf, dass dein Messgerät nicht in der Sonne steht!!!

Lies jeden Tag um 7 Uhr und um 18 Uhr die Werte von der Skala ab und trage diese in das Protokoll ein.

Anhang[6] 103


Thermometer Was benötigt wird: eine Glasflasche mit Schraubverschluss ein dicker Strohhalm Wasser Plastilin Karton Stift und Lineal Schere Tixo Nagel und Hammer Eiswürfel Thermometer Tinte Wie man´s macht:

Schlage mit Hilfe des Hammers und des Nagels ein Loch in den Schraubverschluss, sodass gerade der Strohhalm durch die Öffnung passt.

Kühle das Wasser mit den Eiswürfeln, miss die Temperatur (sollte ca. 3° C betragen) und fülle es bis zum Rand in die Flasche. Damit das Ablesen erleichtert wird, gib ein paar Tropfen Tinte hinzu. Anschließend verschließe die Flasche und klebe zusätzlich noch Klebeband rundherum.

Stecke nun den Strohhalm zu ca. einem Drittel in die Öffnung. Dichte den Rest der Öffnung gut mit Plastilin ab!! Es darf auf gar keinen Fall Wasser neben dem Plastilin austreten.

Zeichne auf einen zugeschnittenen Karton eine Skala (2 mm-Einteilung) und befestige diese mit dem Tixo hinter dem Strohhalm (siehe Bild).

Was zu tun ist:

Stelle das Thermometer auf den Balkon. Achte dabei darauf, dass dein Messgerät nicht in der Sonne steht und wettergeschützt ist!!


Anhang[7] 104


Hygrometer Was benötigt wird: ein großer dicker Karton eine Stecknadel ein Pin Korken ein dünner Strohhalm ein langes blondes Haar Karton Schere Stift und Lineal Wie man´s macht:

Schneide aus dem Karton eine Pfeilspitze aus und befestige diese am Ende des Strohhalms. Zeichne auf den großen Karton eine Skala (2mm-Einteilung) im rechten unteren Bereich (siehe Bild).

Knote das blonde Haar am einen Ende an den Pinnagel und am anderen Ende an den Strohhalm.

Der Strohhalm wird mit einer Stecknadel am unteren Teil des Kartons befestigt. Achte darauf, dass die Pfeilspitze auf die Skala zeigt. Der Knoten des Haares (auf dem Strohhalm) sollte ca. 4 cm vom Drehpunkt entfernt sein.

Befestige den Pin am oberen Rand des Kartons, sodass der Pin sich genau über dem Knoten des Haares befindet. Zum Schluss stecke die Korken auf den Pin bzw. in die Stecknadel.

Was zu tun ist:

Stelle das Hygrometer auf den Balkon. Achte dabei darauf, dass dein Messgerät nicht in der Sonne steht und wettergeschützt ist!


Anhang[8] 105


Windpfeil

Was benötigt wird: dicke Plastikfolie ein dünner Strohhalm eine Stecknadel Perlen eine Flasche mit Korken Zirkel und Lineal wasserfester Stift Schere und Schnur Klebstoff Kompass

Wie man´s macht:

Zeichne auf die Plastikfolie einen Kreis (∅ 10 cm), eine Pfeilspitze und einen Windfänger (siehe Bild) und schneide sie mit der Schere aus.

Schneide den Strohhalm auf beiden Enden ein. Achte dabei darauf, dass die Schnitte gleich ausgerichtet sind. Danach klebe den Windfänger an das eine Ende und die Pfeilspitze an das andere Ende.

Fülle die Flasche mit Wasser und stopple sie mit dem Korken zu. Beschrifte deine Windrose mit dem wasserfesten Stift und klebe sie anschließend mit Klebstoff auf den Korken.

Stecke den Strohhalm und die Perle mit der Stecknadel in den Korken (siehe Bild). Befestige mit einer Schnur eine Perle auf dem Strohhalm und verschiebe diese, damit der Strohhalm nicht auf der Windrose schleift.

Was zu tun ist:

Lies jeden Tag um 7 Uhr und um 18 Uhr die Windrichtung (ist jene Richtung in die die Pfeilspitze zeigt) ab und trage diese in das Protokoll ein.

Führe deine Messung an einem ungeschützten Ort im Garten durch (es sollen keine Bäume, Hausmauern oder ähnliches die Messung beeinflussen). Stelle den Windpfeil dabei auf einen Hocker oder Ähnliches.

Vergiss nicht die Windrose bei jeder Messung mit dem Kompass nach Norden auszurichten!

Anhang[9] 106


Regenmesser Was benötigt wird: eine große Plastikflasche Schere oder Stanleymesser breites Klebeband Steine wasserfester Stift Wasser

Wie man´s macht:

Schneide die Plastikflasche vorsichtig im oberen Drittel auseinander. Klebe das Klebeband auf die Schnittstellen.

Zeichne auf ein Stück Klebeband eine Skala (2 mm-Einteilung) und befestige diesen auf dem unteren Teil der Plastikflasche (siehe Bild).

Gib nun ein paar Steine in die Flasche und befülle sie bis zur 0 mm-Marke mit Wasser.

Zum Schluss gib den oberen Teil der Flasche verkehrt herum in den unteren Teil.

Was zu tun ist:

Stelle den Regenmesser an einem ungeschützten Ort im Garten auf. Achte darauf, dass kein Laub oder Ähnliches den Trichter verstopft.


Vergiss nicht, den Regenmesser nach dem Ablesen zu entleeren. Achte darauf, dass das Wasser wieder bis zur 0 mm-Marke reicht.

Anhang[10] 107


Protokoll

Name:

Messgerät:

Datum Uhrzeit Messwert

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Meteorologische Messungen - brgkepler.atrath/fba/meteorologie_mayrhofer.pdf · Daniela Mayrhofer 2005 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 5 2. Einführung in die Meteorologie 7 2.1