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
Daniela Mayrhofer 2005
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
Daniela Mayrhofer 2005
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
Daniela Mayrhofer 2005
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
Daniela Mayrhofer 2005
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
2. Einführung in die Meteorologie 8
Daniela Mayrhofer 2005
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
2. Einführung in die Meteorologie 9
Daniela Mayrhofer 2005
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. Einführung in die Meteorologie 10
Daniela Mayrhofer 2005
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
2. Einführung in die Meteorologie 11
Daniela Mayrhofer 2005
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.
2. Einführung in die Meteorologie 12
Daniela Mayrhofer 2005
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
2. Einführung in die Meteorologie 13
Daniela Mayrhofer 2005
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
2. Einführung in die Meteorologie 14
Daniela Mayrhofer 2005
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.
2. Einführung in die Meteorologie 15
Daniela Mayrhofer 2005
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).
2. Einführung in die Meteorologie 16
Daniela Mayrhofer 2005
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
2. Einführung in die Meteorologie 17
Daniela Mayrhofer 2005
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.
2. Einführung in die Meteorologie 18
Daniela Mayrhofer 2005
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
Daniela Mayrhofer 2005
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. Die meteorologischen Elemente 20
Daniela Mayrhofer 2005
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
3. Die meteorologischen Elemente 21
Daniela Mayrhofer 2005
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.
3. Die meteorologischen Elemente 22
Daniela Mayrhofer 2005
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
3. Die meteorologischen Elemente 23
Daniela Mayrhofer 2005
(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
3. Die meteorologischen Elemente 24
Daniela Mayrhofer 2005
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.
3. Die meteorologischen Elemente 25
Daniela Mayrhofer 2005
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)
3. Die meteorologischen Elemente 26
Daniela Mayrhofer 2005
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
3. Die meteorologischen Elemente 27
Daniela Mayrhofer 2005
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
3. Die meteorologischen Elemente 28
Daniela Mayrhofer 2005
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
3. Die meteorologischen Elemente 29
Daniela Mayrhofer 2005
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.
1 siehe Kapitel 3.1.2., S.20
3. Die meteorologischen Elemente 30
Daniela Mayrhofer 2005
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.
3. Die meteorologischen Elemente 31
Daniela Mayrhofer 2005
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.
3. Die meteorologischen Elemente 32
Daniela Mayrhofer 2005
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
3. Die meteorologischen Elemente 33
Daniela Mayrhofer 2005
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.
3. Die meteorologischen Elemente 34
Daniela Mayrhofer 2005
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.
3. Die meteorologischen Elemente 35
Daniela Mayrhofer 2005
• 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.
3. Die meteorologischen Elemente 36
Daniela Mayrhofer 2005
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
3. Die meteorologischen Elemente 37
Daniela Mayrhofer 2005
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. Die meteorologischen Elemente 38
Daniela Mayrhofer 2005
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.
3. Die meteorologischen Elemente 39
Daniela Mayrhofer 2005
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
3. Die meteorologischen Elemente 40
Daniela Mayrhofer 2005
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.
3. Die meteorologischen Elemente 41
Daniela Mayrhofer 2005
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. Die meteorologischen Elemente 42
Daniela Mayrhofer 2005
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
3. Die meteorologischen Elemente 43
Daniela Mayrhofer 2005
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.
1 siehe Kapitel 3.2.3., S.32
3. Die meteorologischen Elemente 44
Daniela Mayrhofer 2005
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. Die meteorologischen Elemente 45
Daniela Mayrhofer 2005
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.
3. Die meteorologischen Elemente 46
Daniela Mayrhofer 2005
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. Die meteorologischen Elemente 47
Daniela Mayrhofer 2005
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.
3. Die meteorologischen Elemente 48
Daniela Mayrhofer 2005
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 ≈
−+
=
3. Die meteorologischen Elemente 49
Daniela Mayrhofer 2005
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.
3. Die meteorologischen Elemente 50
Daniela Mayrhofer 2005
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.
3. Die meteorologischen Elemente 51
Daniela Mayrhofer 2005
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 ⋅=
3. Die meteorologischen Elemente 52
Daniela Mayrhofer 2005
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. Die meteorologischen Elemente 53
Daniela Mayrhofer 2005
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
3. Die meteorologischen Elemente 54
Daniela Mayrhofer 2005
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
3. Die meteorologischen Elemente 55
Daniela Mayrhofer 2005
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
3. Die meteorologischen Elemente 56
Daniela Mayrhofer 2005
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
3. Die meteorologischen Elemente 57
Daniela Mayrhofer 2005
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.
3. Die meteorologischen Elemente 58
Daniela Mayrhofer 2005
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
Daniela Mayrhofer 2005
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
4. Einfache Wettermessgeräte 60
Daniela Mayrhofer 2005
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.).
4. Einfache Wettermessgeräte 61
Daniela Mayrhofer 2005
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. Einfache Wettermessgeräte 62
Daniela Mayrhofer 2005
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.
Verwendete Materialien
• 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
• Stift und Lineal
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
4. Einfache Wettermessgeräte 63
Daniela Mayrhofer 2005
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.
4. Einfache Wettermessgeräte 64
Daniela Mayrhofer 2005
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.
Verwendete Materialien
• Pinnwand
• Stecknadel
• dünner Strohhalm
• langes blondes Haar
• Karton
• Pinnagel
• Schere
• Stift und Lineal
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.).
1 siehe Kapitel 3.3.3., S.43
4. Einfache Wettermessgeräte 65
Daniela Mayrhofer 2005
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
4. Einfache Wettermessgeräte 66
Daniela Mayrhofer 2005
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
4. Einfache Wettermessgeräte 67
Daniela Mayrhofer 2005
Verwendete Materialien
• 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.
4. Einfache Wettermessgeräte 68
Daniela Mayrhofer 2005
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.
4. Einfache Wettermessgeräte 69
Daniela Mayrhofer 2005
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.
Verwendete Materialien
• 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
4. Einfache Wettermessgeräte 70
Daniela Mayrhofer 2005
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.
4. Einfache Wettermessgeräte 71
Daniela Mayrhofer 2005
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.).
4. Einfache Wettermessgeräte 72
Daniela Mayrhofer 2005
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
4. Einfache Wettermessgeräte 73
Daniela Mayrhofer 2005
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
4. Einfache Wettermessgeräte 74
Daniela Mayrhofer 2005
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
Daniela Mayrhofer 2005
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]
5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 76
Daniela Mayrhofer 2005
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.
5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 77
Daniela Mayrhofer 2005
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.
5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 78
Daniela Mayrhofer 2005
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
5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 79
Daniela Mayrhofer 2005
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.
5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 80
Daniela Mayrhofer 2005
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. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 81
Daniela Mayrhofer 2005
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]
5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 82
Daniela Mayrhofer 2005
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
5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 83
Daniela Mayrhofer 2005
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.
5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 84
Daniela Mayrhofer 2005
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
5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 85
Daniela Mayrhofer 2005
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
5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 86
Daniela Mayrhofer 2005
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]
5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 87
Daniela Mayrhofer 2005
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]
5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 88
Daniela Mayrhofer 2005
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.
3. Arbeitsauftrag (Zeitdauer ca. 10 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]
5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 89
Daniela Mayrhofer 2005
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. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 90
Daniela Mayrhofer 2005
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.
4. Arbeitsauftrag (Zeitdauer ca. 5 Minuten)
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. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 91
Daniela Mayrhofer 2005
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
5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 92
Daniela Mayrhofer 2005
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
5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 93
Daniela Mayrhofer 2005
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
5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 94
Daniela Mayrhofer 2005
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
Daniela Mayrhofer 2005
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
Daniela Mayrhofer 2005
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
Daniela Mayrhofer 2005
[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
Daniela Mayrhofer 2005
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
Daniela Mayrhofer 2005
Anhang[3] 100
Daniela Mayrhofer 2005
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
Daniela Mayrhofer 2005
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
Daniela Mayrhofer 2005
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
Daniela Mayrhofer 2005
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!!
Lies jeden Tag um 7 Uhr und um 18 Uhr die Werte von der Skala ab und trage diese in das Protokoll ein.
Anhang[7] 104
Daniela Mayrhofer 2005
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!
Lies jeden Tag um 7 Uhr und um 18 Uhr die Werte von der Skala ab und trage diese in das Protokoll ein.
Anhang[8] 105
Daniela Mayrhofer 2005
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
Daniela Mayrhofer 2005
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.
Lies jeden Tag um 7 Uhr und um 18 Uhr die Werte von der Skala ab und trage diese in das Protokoll ein.
Vergiss nicht, den Regenmesser nach dem Ablesen zu entleeren. Achte darauf, dass das Wasser wieder bis zur 0 mm-Marke reicht.
Anhang[10] 107
Daniela Mayrhofer 2005
Protokoll
Name:
Messgerät:
Datum Uhrzeit Messwert