Siehe Fluss.
Kalter Tag
Als kalten Tag im meteorologischen Sinne bezeichnet man Tage, an
denen die Höchsttemperatur unter 10 °C liegt.
Luftdruck
Als Luftdruck wird das
Gewicht bezeichnet, mit dem die Atmosphäre auf der Erdoberfläche
lastet. Im Mittel beträgt der Luftdruck etwa 1013 hPa, das entspricht
etwa 10 t pro m². Weitere Grundlagen siehe unter Druck.
Der Luftdruck an einem Ort auf der Erde ist ständigen Schwankungen
unterworfen. Da die Luftmasse der Atmosphäre über die Erdoberfläche
schwappt wie flaches Wasser in einer Schüssel (nur viel langsamer), befindet
sich mal mehr und mal weniger Luft über einem Ort. In
Wetterkarten werden diese Gebiete als Hoch- oder Tiefdruckgebiete
sichtbar. In unseren Breiten schwankt der Luftdruck zwischen
970 und 1050 hPa.
Niederschlag
Unter Niederschlag versteht man alles, was aus der Atmosphäre auf die
Erde fällt und aus Wasser besteht: kleine und große Wassertropfen,
feine Eiskristalle und große Eisklumpen. Korrekterweise nennt man
dies je nach Beschaffenheit dann Niesel, Regen, Schauer, Landregen,
Schnee, Eisnadeln, Reifgraupeln, Frostgraupeln, Hagel, Eiskörnchen,
Schneetreiben, Nebeltraufe, Raureif, Raueis, Interzeption oder
Glatteis (nicht zu verwechseln mit Eisglätte). Zur
Niederschlagsentstehung siehe unter Wolken.
Am Wettermast Hamburg messen wir die Niederschlagsmenge, die
Niederschlagsintensität und die
Niederschlagsdauer.
Niederschlagsdauer
Allein die Menge des Niederschlags sagt noch nicht
alles über die Wetter- und Klimabedingungen aus. So kann eine bestimmte
Niederschlagsmenge während
eines stundenlangen Landregens fallen oder nach einem sonnigen Sommertag
innerhalb von wenigen Minuten in einem Gewitterschauer. Die Zeiten, in
denen Niederschlag fällt, ergeben aufsummiert die Niederschlagsdauer.
Gerade bei feinem Niesel, der fast noch Nebel ist, ist der Übergang
zwischen Niederschlag und Trockenheit jedoch fließend. Wir haben unseren
Niederschlagssensor auf einen Wert von 5 Tropfen pro Minute auf
30 cm² eingestellt. Wenn dieser Wert überschritten wird, sprechen wir
von Niederschlag. An anderen Stationen kann dies durchaus anders definiert
sein.
Niederschlagsintensität
Neben der reinen Menge ist auch die Intensität eines Niederschlagsereignisses
zu beachten. Sie wird meist in Millimeter pro Minute (mm/min) oder
(hochgerechnet) in Millimeter pro Stunde (mm/h) angegeben. Die höchsten am
Wettermast Hamburg gemessenen Niederschlagsintensitäten
liegen bei 3 mm/min (180 mm/h). Solche extremen Ereignisse, z. B.
Gewitterschauer, dauern aber meist nur einige Minuten.
Die Messung der Niederschlagsintensität am
Wettermast Hamburg erfolgt mit einer Kippwaage.
Siehe auch Niederschlagsmenge
und Niederschlagsdauer.
Niederschlagsmenge
Die Niederschlagsmenge gibt die Menge des niederfallenden Wassers als
Höhe an, die das Wasser den Boden bedecken würde (wenn es nicht abfließen
oder versickern könnte). Schnee und Hagel werden vor der Messung geschmolzen.
Die Niederschlagsmenge wird üblicherweise in Millimeter (mm) angegeben.
1 mm entspricht 1 Liter pro Quadratmeter (l/m²).
Pro Jahr fallen in Hamburg etwa 750 mm Niederschlag,
meist als Regen. Regional sind allerdings deutliche Unterschiede festzustellen. So liegt der
langjährige Mittelwert für Fuhlsbüttel bei 770 mm, für Wandsbek bei
790 mm, für St. Pauli bei 783 mm und für Kirchwerder bei 706 mm. Die Schwankungen
zwischen den Jahren sind immens, z. B. Kirchwerder Minimum 464 mm (1996)
und Maximum 936 mm (1998). Generell nimmt die Niederschlagsmenge im
Großraum Hamburg von Nordwesten nach Südosten ab (Heide/Itzehoe 955 mm,
Hamburg 750 mm, Lüneburg 661 mm).
Die Messung der Niederschlagsmenge am Wettermast
Hamburg erfolgt mit einer Kippwaage.
Siehe auch Niederschlagsintensität
und Niederschlagsdauer.
Niederschlagsmessung
Die Niederschlagsmenge wird klassisch und
ganz direkt mit einem Auffangbehälter (Becher) gemessen. Die gesammelte
Wassermenge wird regelmäßig bestimmt und ergibt zusammen mit der Größe
der Öffnung die Niederschlagsmenge.
Auch die Niederschlagsintensität kann auf
diese Weise ermittelt werden, allerdings muss dann die aufgefangene
Wassermenge in entsprechend kurzen Abständen gemessen werden, z. B. einmal
pro Minute.
Zu diesem Zweck verwenden wir am Wettermast Hamburg einen Niederschlagsmesser
nach dem Kippwagenprinzip. Der Regen fällt zunächst in einen
(bei Schneefall beheizbaren) Auffangbehälter. Das Wasser wird dann auf
eine Kippwaage geleitet, die mit zwei kleinen Behältern versehen ist. Ist
ein Behälter voll, kippt die Waage um und gibt einen Messimpuls ab. Dieser
Impuls entspricht bei unserem Gerät 0,1 mm Niederschlag.
Die Niederschlagsdauer kann mit diesem
Gerät nicht zuverlässig gemessen werden, weil bei schwachem Niederschlag
die Kippwaage nur im Abstand von einigen Minuten einen Impuls liefert. Über
die Zeit dazwischen kann dann keine Aussage getroffen werden. Deshalb haben
wir am Wettermast Hamburg zusätzlich einen Niederschlagssensor
installiert, der immer dann Niederschlag meldet, wenn mindestens
5 Tropfen pro Minute durch eine 30 cm² große Fläche fallen. Technisch
ist dies durch eine Infrarot-Messstrecke realisiert, die durch Wassertropfen,
Hagelkörner und Schneeflocken (und leider auch durch andere Teilchen wie
Insekten oder Blätter) unterbrochen wird.
Siehe auch Niederschlagsmenge
und Niederschlagsdauer.
Potentielle Temperatur
Ein Grundgesetz der Thermodynamik besagt, dass ein Gas sich erwärmt, wenn
es adiabatisch, d. h. ohne Energieaustausch mit der Umgebung,
komprimiert wird. Dies kann z. B. durch schnelles Zusammenpressen der
Luft in einem Zylinder erfolgen. Bei einer Expansion kühlt sich das
Gas entsprechend ab. Dies ist z. B. beim Ausströmen eines Gases aus einer
Druckflasche zu beobachten.
Ähnliches passiert mit einem Luftvolumen in der Atmosphäre, wenn es
in eine andere Höhe und damit unter einen anderen Luftdruck gelangt.
Bewegt es sich nach oben, sinkt der Druck und das Luftvolumen kühlt sich
ab. Bewegt es sich nach unten, steigt der Druck und das Luftvolumen
erwärmt sich. Die potentielle Temperatur eines Luftvolumens ist nun
diejenige Temperatur, die es bekommt, wenn man es auf einen
Referenzdruck, z. B. 1000 hPa, bringt.
Mit Hilfe der potentiellen Temperatur lässt sich einfach ermitteln, ob
eine Schichtung stabil, neutral oder instabil ist.
Wenn nämlich die potentielle Temperatur mit der Höhe konstant ist,
ändert sich bei einer vertikalen Auslenkung eines Luftvolumens wegen der
Druckänderung zwar dessen Temperatur, sie ist aber stets gleich der
Umgebungstemperatur in der neuen Höhe. Dies ist die thermisch neutrale
Schichtung.
Nimmt die potentielle Temperatur mit der Höhe zu, so hat ein Luftvolumen,
wenn es nach oben ausgelenkt wird, anschließend eine niedrigere Temperatur
als die Umgebung. Da kalte Luft eine höhere Dichte hat als warme Luft
und damit „schwerer“ ist, sinkt sie wieder ab. Entsprechendes gilt bei einer
Auslenkung nach unten. Hier ist das Luftvolumen wärmer als die Umgebung
und wird damit wieder nach oben getrieben. Bei einer solchen
Temperaturschichtung werden vertikal ausgelenkte Luftvolumina also sofort
wieder in die Ausgangshöhe zurückgetrieben. Man nennt dies eine
thermisch stabile Schichtung.
Nimmt die potentielle Temperatur mit der Höhe ab, tritt der
entgegengesetzte Fall ein. Ein nach oben ausgelenktes Luftvolumen ist
wärmer als die Umgebung, was die nach oben gerichtete Auslenkung weiter
verstärkt. Ein nach unten ausgelenktes Luftvolumen ist
kälter als die Umgebung, was entsprechend die nach unten gerichtete
Auslenkung weiter verstärkt. Es kommt somit zu größeren Umwälzungen
von Luftmassen (Konvektion). Es liegt eine thermisch instabile Schichtung
vor.
Die am Wettermast Hamburg gemessenen Temperaturen in den verschiedenen Höhen
rechnen wir zu potentiellen Temperaturen mit einem Referenzdruck von
1000 hPa um. Trägt man diese als Höhenprofil (siehe unter Aktuelle
Daten) auf, so kann man auf einen Blick Höhenbereiche mit thermisch stabiler,
neutraler und instabiler Schichtung erkennen.
PMV-Wert
Der PMV-Wert ist die zentrale Größe in den thermischen Behaglichkeitsrechnungen
nach Fanger und gibt die Abweichung von thermisch behaglichen Bedingungen an.
Siehe gefühlte Temperatur.
PPD-Wert
Der PPD-Wert ist eine Größe in den thermischen Behaglichkeitsrechnungen
nach Fanger und gibt den Anteil der Personen an, die sich bei einem bestimmten
PMV-Wert im thermischen Diskomfort befinden. Siehe gefühlte Temperatur.
Pyranometer
Mit einem Pyranometer wird die Globalstrahlung,
also die gesamte aus dem oberen Halbraum einfallende kurzwellige Strahlung
gemessen. Die Messung erfolgt dabei über die Erwärmung eines (schwarzen)
Bauteils, die in die für die Globalstrahlung übliche Einheit W/m² umgerechnet
wird. Das Pyranometer ist zu unterscheiden vom Pyrheliometer.
Ein Pyranometer kann auch nach unten gerichtet montiert werden. Es misst dann
die vom Erdboden reflektierte kurzwellige Strahlung. Zusammen mit dem
nach oben gerichteten Pyranometer erhält man somit ein Albedometer, mit
dem die kurzwellige Strahlungsbilanz des Bodens
ermittelt werden kann.
Am Wettermast Hamburg messen wir nur die (von oben eintreffende) Globalstrahlung.
Da die Oberfläche des Bodens dort aus einer Wiese besteht, ist deren Albedo in der
Literatur nachzuschlagen und somit die kurzwellige Strahlungsbilanz zumindest
näherungsweise zu berechnen.
Pyrgeometer
Ein Pyrgeometer misst die gesamte aus dem (oberen oder unteren) Halbraum
einfallende langwellige (Wärme-, Infrarot-) Strahlung und
ist damit das langwellige Gegenstück zum Pyranometer.
Am Wettermast Hamburg ist ein Pyrgeometer zur Messung der langwelligen Strahlung
von oben installiert. Zur Berechnung der vom Erdboden abgegebenen langwelligen
Strahlung und damit der langwelligen Strahlungsbilanz könnte man ein zweites,
nach unten gerichtetes Pyrgeometer installieren. Da die Wärmestrahlung
jedoch nur vom Oberflächenmaterial (hier eine Wiese) und von dessen Temperatur
abhängt und diese Oberflächentemperatur mit einem Strahlungsthermometer
gemessen wird, kann man die nach oben gerichtete langwellige Strahlung und damit die
langwellige Strahlungsbilanz näherungsweise berechnen.
Pyrheliometer
Ein Pyrheliometer ist ein Gerät zur Messung der
direkten Sonnenstrahlung. Die Geräte
bestehen aus zwei Teilen, von denen eines der Sonne ausgesetzt ist und
das andere abgeschattet ist. Aus der unterschiedlichen Erwärmung bei
Sonnenschein kann die direkte Sonnenstrahlung, üblicherweise in W/m²,
errechnet werden.
Am Wettermast Hamburg besitzen wir leider kein Pyrheliometer, jedoch ein
Pyranometer.
Sommertag
Als Sommertag im meteorologischen Sinne bezeichnet man Tage, an
denen die Höchsttemperatur 25 °C oder mehr beträgt.
Siehe auch Heißer Tag.
Sonnenschein
Wenn die direkte Sonnenstrahlung den Schwellwert von 120 W/m² überschreitet,
spricht man in der Meteorologie von Sonnenschein. Im Falle von dichter
Bewölkung oder klarem Himmel wird dieser Wert meist eindeutig unter- bzw.
überschritten, so dass sich dieser meteorologische Sonnenschein mit der
üblichen Anschauung deckt. Wichtig wird dieser Schwellwert nur bei diffuser
Bewölkung. Er sorgt für eine Vergleichbarkeit von Messungen z. B. der
Sonnenscheindauer.
Sonnenscheinautograph nach Campbell-Stokes
Der Sonnenscheinautograph nach Campbell-Stokes ist ein klassisches
Gerät zur Registrierung von Sonnenschein und damit zur Messung der
Sonnenscheindauer. Eine Glaskugel von etwa 10 cm
Durchmesser fokussiert dabei das direkte Sonnenlicht und brennt eine Markierung
auf einem hinter der Kugel liegenden Messstreifen, der mit einer Zeitskala
versehen ist.
Sonnenscheindauer
Als Sonnenscheindauer wird die Zeitdauer bezeichnet, in der
Sonnenschein vorliegt. Die Sonnenscheindauer
wird üblicherweise in Stunden angegeben (z. B. pro Tag, Monat oder Jahr).
Die maximal mögliche Sonnenscheindauer ist durch die Zeit von Sonnenauf-
bis -untergang vorgegeben. Den Anteil der Zeit mit Sonnenschein zur
maximal möglichen Zeit nennt man relative Sonnenscheindauer.
Die maximal mögliche Sonnenscheindauer pro Jahr ist überall auf der
Erde gleich und beträgt genau ein halbes Jahr, also 4383 Stunden.
Modifiziert wird dieser (astronomische) Wert durch eine Verlängerung
des Tages um einige Minuten beim Sonnenauf- und -untergang aufgrund
von Brechung der Sonnenstrahlung in der Atmosphäre (Refraktion) und
natürlich von den örtlichen Begebenheiten wie Berge und Gebäude in der Umgebung.
In Hamburg schwankt die maximal mögliche Sonnenscheindauer von etwa
7 Stunden im Dezember bis fast 17 Stunden im Juni. Wirklich erreicht
wird, über das Jahr gerechnet, etwa ein Drittel.
Die Sonnenscheindauer wird klassisch mit einem Sonnenscheinautographen nach
Campbell-Stokes gemessen. Ein moderneres Verfahren läuft über die Registrierung
von Sonnenschein mit einem Pyrheliometer.
Sonnenstrahlung
Die Strahlung der Sonne gelangt auf zwei Wegen an die Erdoberfläche:
ungehindert oder an Wolken gestreut und reflektiert. Die Sonnenstrahlung,
die ungehindert aus Richtung der Sonne einfällt, nennt man auch
direkte Sonnenstrahlung, den gestreuten und reflektierten Anteil
diffuse Sonnenstrahlung. Die Summe aus direkter und diffuser
Sonnenstrahlung bildet die gesamte auf die Erdoberfläche eintreffende
Sonnenstrahlung. Dies ist im Prinzip die Globalstrahlung,
jedoch ist bei Rechnungen und Vergleichen die unterschiedliche Orientierung der
Bezugsflächen zu beachten: Die direkte Sonnenstrahlung bezieht sich auf
eine Fläche senkrecht zur Strahlrichtung, die Globalstrahlung auf
eine horizontale Fläche.
Zur Messung der direkten Sonnenstrahlung verwendet man ein Pyrheliometer,
angegeben wird sie meist in W/m². Liegt die direkte Sonnenstrahlung über
120 W/m², so spricht man von Sonnenschein.
Strahlung
Für den Energiehaushalt von Atmosphäre, Ozean und Erdboden spielen
Strahlungsvorgänge eine wichtige Rolle. Aus dem gesamten Spektrum der
elektromagnetischen Strahlung, das von den sehr langwelligen Radiowellen
über die Wärmestrahlung, das sichtbare Licht, die Ultraviolettstrahlung
und die Röntgenstrahlung bis zu der sehr kurzwelligen, aber energiereichen
Gammastrahlung reicht, sind in der Atmosphäre insbesondere das sichtbare
Licht und die Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung) wirksam.
In der Meteorologie nennt man diese beiden wichtigen Spektralbereiche, die sich kaum
überlappen, auch einfach kurzwellige und langwellige Strahlung.
Die gesamte für das Leben notwendige Energie erhält die Erde von der Sonne
in Form kurzwelliger Strahlung (Globalstrahlung,
Sonnenstrahlung).
Am Oberrand der Atmosphäre beträgt die
Strahlungsleistung 1360 W/m2 (Solarkonstante). Auf dem Weg durch die
Atmosphäre zum Erdboden unterliegt die kurzwellige Strahlung jedoch
zahlreichen Einflüssen. So wird sie z. B. an Gasmolekülen, Staub- und Aerosolteilchen
gestreut (je nach Farbe unterschiedlich stark, daher die blaue Farbe
des Himmels), von Wolken reflektiert (teils zurück in den Weltraum,
teils auf die Erde) und von Spurengasen absorbiert. Auf der Erde angekommen,
wird ein Teil vom Boden wieder nach oben reflektiert. Ein heller Boden, z. B.
Schnee, reflektiert dabei mehr als ein dunkler, z. B. Asphalt. Das Verhältnis
von reflektierter zu einfallender kurzwelliger Strahlung nennt
man Albedo.
Der nicht reflektierte Anteil führt zur Erwärmung des Erdbodens. Dadurch gibt
dieser, wie jeder Körper mit einer Temperatur über 0 K, Wärmestrahlung
nach oben ab. Auch diese gelangt nicht ungehindert durch die Atmosphäre
in den Weltraum, sondern wird von einigen Bestandteilen wieder zurück
zur Erde reflektiert (Treibhauseffekt). Hier ist vor allem das
Kohlenstoffdioxid CO2 zu nennen, dessen Konzentration
in der Atmosphäre in den vergangenen 100 Jahren durch menschliche
Einflüsse stark zugenommen hat und so den natürlichen Treibhauseffekt
verstärkt.
Trotz der komplizierten Vorgänge des Strahlungstransports in der Atmosphäre
gilt auf jeden Fall, dass die Erde genauso viel Strahlung abgibt, wie sie
von der Sonne erhält (die Strahlungsbilanz ist Null).
Dies wird dadurch sichergestellt, dass ein Körper
um so mehr Wärmestrahlung und damit Energie abgibt, je wärmer er ist. Eine
unbegrenzte Erwärmung der Erde ist also nicht möglich, gleichwohl kann es
zu einer Erhöhung der Durchschnittstemperatur kommen, wenn z. B. die
Zusammensetzung der Atmosphäre durch Mensch oder Naturgewalt verändert wird.
Für die Messung von kurz- und langwelliger Strahlung stehen uns am Wettermast
Hamburg ein Pyranometer und ein Pyrgeometer
zur Verfügung.
Strahlungsbilanz
Die Strahlungsbilanz ist die Differenz aus der gesamten von oben auf die Oberfläche
eintreffenden Strahlung und der gesamten vom Erdboden
nach oben abgegebenen Strahlung. Ist die Strahlungsbilanz positiv, z. B. an einem
sonnigen Tag, erhält der Erdboden mehr Energie als er abstrahlt, so dass er
sich erwärmt (wenn man andere Transportprozesse wie Wärmeleitung im Erdboden
vernachlässigt). Bei einer negativen Strahlungsbilanz (z. B. in einer klaren Nacht)
kühlt der Boden dagegen aus, weil er mehr Energie abstrahlt als er von oben erhält.
Die Strahlungsbilanz der Erde insgesamt ist Null. Bei uns in Billwerder liegt der
Jahresdurchschnitt bei etwa +55 W/m2.
Szintillometer
Ein Szintillometer misst die Schwankungen von Licht, das von einem entfernten
Sender Richtung Empfänger gestrahlt wird, und bestimmt daraus die Turbulenz
in der Atmosphäre.
Der eigentlich gerade Weg von Licht wird in der Atmosphäre wegen der immer
vorhandenen Dichteunterschiede gebrochen. Verändern und verlagern sich die
unterschiedlich dichten Luftmassen auch mit der Zeit, z. B. durch Turbulenz an
einem sonnigen Tag, so beginnt das Licht der Lichtquelle vom Empfänger aus
betrachtet zu flackern oder szintillieren. Diesen Effekt kann man auch
nachts sehr gut an den Sternen oder an den roten Positionsleuchten von hohen
Schornsteinen und Masten beobachten.
Am Wettermast Hamburg haben wir in 50 m Höhe den Sender eines Szintillometers
installiert, der auf das Dach des etwa 10 km entfernten Geomatikums
gerichtet ist, wo der Empfänger steht. Das Gerät strahlt sein infrarotes (und
damit unsichtbares) Licht also quer über die Innenstadt.
Dieses Szintillometer vom Typ BLS2000 ermittelt zum einen den vertikalen,
turbulenten, fühlbaren Wärmefluss über der Stadt, zum anderen auch den Wind
quer zur Messstrecke. Diese Werte sind Mittelwerte über die gesamte Messstrecke,
wobei die mittleren Bereiche etwas höher gewichtet sind.
Taupunkt
Der Taupunkt oder die Taupunkttemperatur ist diejenige Temperatur, auf
die feuchte Luft abgekühlt werden muss, um Sättigung des Wasserdampfs
zu erreichen. Kühlt man die Luft weiter ab, so kondensiert der
Wasserdampf je nach Temperatur als Tau (flüssiges Wasser) oder Reif (Eis).
Der Taupunkt ist ein Maß für den absoluten Wasserdampfgehalt der Luft und
somit unabhängig von der Lufttemperatur. Ändert sich die Lufttemperatur,
bleibt der Taupunkt unverändert.
Der Taupunkt kann direkt mit einem Taupunktspiegel
gemessen werden oder aus anderen Feuchtemaßen berechnet werden.
Näheres siehe unter Feuchte.
Taupunktspiegel
Ein Taupunktspiegel ist ein Gerät zur Messung der
Luftfeuchtigkeit, indem der Taupunkt
direkt gemessen wird. Dazu wird ein Spiegel ausgehend von der Lufttemperatur
kontinuierlich abgekühlt. Sobald die Taupunkttemperatur erreicht ist,
bildet sich ein Beschlag auf dem Spiegel, weil der Wasserdampf in der Luft
nun gesättigt ist und kondensiert. Die Beschlagen des Spiegels kann mit einer
Optik einfach erkannt werden.
Am Wettermast Hamburg waren in den ersten Jahren des digitalen Betriebs
in allen Höhen Taupunktspiegel installiert, die sich jedoch als zu
anfällig für den Dauerbetrieb unter den teilweise rauen und schadstoffbelasteten
Bedingungen am Mast erwiesen. Sie wurden inzwischen durch kapazitive
Feuchtesensoren ersetzt. Als Referenz ist jedoch seit Mitte 2004 ein
spezieller Taupunktspiegel in 110 m Höhe im Einsatz, der unter anderem
über eine automatische Spiegelreinigung verfügt und verlässliche Werte
liefert.
Temperatur
Temperaturen begegnen uns jeden Tag, eine genaue Definition des
Begriffs ist jedoch nicht einfach. Eine Notwendigkeit für
einen Temperaturbegriff ergibt sich aus der menschlichen Erfahrung,
dass sich Gegenstände „kalt“ oder „warm“ anfühlen. Die Temperatur
gibt quantitativ an, wie kalt (bzw. warm) ein Körper ist. Bringt man
zwei unterschiedlich warme Körper in engen Kontakt, beobachtet man zunächst
eine Änderung der Temperaturen beider Körper. Nach einer gewissen Zeit
ändern sich die Temperaturen nicht mehr, und man sagt, beide Körper
haben jetzt die gleiche Temperatur. Dies nutzt man aus, um
Temperaturmessgeräte (Thermometer) zu konstruieren. Hat man ein Thermometer
einmal geeicht, kann man damit die Temperatur jedes Körpers messen, indem
man Thermometer und Körper in Kontakt bringt. Dabei muss man natürlich
beachten, dass die Temperatur des Körpers nach dem erfolgten
Temperaturausgleich zwischen Thermometer und Körper nicht mehr dieselbe
ist, wie vor dem Messvorgang. Bei der Verwendung von kleinen Thermometern
für große Körper ist dieser Effekt aber zu vernachlässigen.
Wem diese Definition der Temperatur zu schwammig ist, findet in
der später entwickelten Thermodynamik eine klare Beziehung zwischen
der Temperatur und der Bewegungsenergie der Atome oder Moleküle im Körper:
T ist die Temperatur, E die mittlere kinetische Energie der beteiligten
Teilchen (Atome, Moleküle, ...), f eine Stoffkonstante und k eine
Naturkonstante. Da die kinetische Energie nur von der Geschwindigkeit der
Teilchen abhängt (E = mv² / 2), ist die Temperatur nichts anderes als ein
makroskopisches Maß für die mikroskopische Bewegung der Teilchen.
In der Meteorologie werden neben der „normalen“ Lufttemperatur noch andere
Temperaturen benutzt, die zusätzlich gewisse Eigenschaften der Luft oder
anderer Wetterparameter berücksichtigen oder vernachlässigen (Druck, Feuchte,
Wind, Sonnenstrahlung o. Ä.). Dazu
gehören die potentielle Temperatur,
die virtuelle Temperatur,
die gefühlte Temperatur,
die Windchill-Temperatur,
der Hitzeindex
und der Humidex.
Temperaturskalen
Will man die Temperatur eines Körpers oder Gases als Zahlenwert angeben,
hat man die Auswahl zwischen diversen Temperaturskalen:
Im alltäglichen Leben und oft auch in der Meteorologie verwendet man
die Celsius-Skala. Die Temperatur wird in Grad Celsius (°C) angegeben.
0 °C entspricht der Temperatur schmelzenden Eises, 100 °C der
Temperatur siedenden Wassers (jeweils unter „normalen“ Umgebungsbedingungen).
Für wissenschaftliche Zwecke besser geeignet ist die Kelvin-Skala oder
thermodynamische Skala, die die Temperatur in Kelvin (K) angibt.
0 K entspricht damit der tiefstmöglichen Temperatur, die dann erreicht
ist, wenn sich kein Atom mehr bewegt (absoluter Nullpunkt der Temperatur).
Auf der Celsius-Skala liegt dieser Punkt bei -273,15 °C. Zusätzlich
wird (willkürlich) der Temperaturabstand zwischen Schmelzpunkt und
Siedepunkt von Wasser in 100 gleiche Intervalle von je 1 K zerlegt.
Der Schmelzpunkt von Wasser liegt somit bei 273,15 K, der Siedepunkt
bei 373,15 K.
In den USA findet noch die Fahrenheit-Skala Verwendung. Dabei ist
0 °C = 32 °F und 100 °C = 212 °F.
Thermometer
Thermometer sind Geräte zur Messung der Temperatur eines
Körpers oder Gases. Je nach Anwendungsbereich greift man auf unterschiedliche
Funktionsprinzipien zurück:
Beim Ausdehnungsthermometer befindet sich eine Flüssigkeit, z. B.
Quecksilber oder gefärbter Alkohol, in einem geschlossenen Glasröhrchen.
Je nach Temperatur dehnt sich die Flüssigkeit mehr oder weniger aus
und der Zahlenwert kann an der Skala direkt abgelesen werden.
Ein Bimetallthermometer besteht meist aus einer Doppelmetallfeder, deren
Bestandteile sich bei Temperaturänderungen unterschiedlich stark ausdehnen.
Dadurch krümmt sich die Feder je nach Temperatur, der Wert kann z. B.
über einen angebrachten Zeiger auf einer Skala abgelesen werden.
Für genaue Messungen besonders geeignet sind Gasthermometer. Das
oft verwendete Helium kommt einem idealen Gas sehr nahe, so dass man sich
den grundlegenden thermodynamischen Zusammenhang zwischen
Druck, Volumen
und Temperatur eines Gases für die Temperaturmessung zunutze machen kann.
Am Wettermast Hamburg verwenden wir für die Messung der Lufttemperatur
Widerstandsthermometer. Hier wird ausgenutzt, dass sich der elektrische
Widerstand, z. B. eines dünnen Drahts, mit der Temperatur ändert.
Die für Wind- und Turbulenzmessungen installierten Ultraschallanemometer
dienen auch als Thermometer. Sie messen jedoch nicht die Lufttemperatur,
sondern die virtuelle Temperatur, die etwas davon abweicht.
Für berührungslose Temperaturmessungen verwendet man Strahlungsthermometer.
Diese empfangen die Wärmestrahlung eines Körpers und ermitteln daraus
die Temperatur. (Jeder Körper, der wärmer ist als -273,15 °C, das sind
0 K, sendet Wärmestrahlung aus. Bei Gegenständen, die kälter sind
als wir selbst, ist dies jedoch nicht fühlbar.) Am Wettermast Hamburg wird die
Oberflächentemperatur des Erdbodens mit einen Strahlungsthermometer
gemessen.
Tropennacht
Als Tropennacht im meteorologischen Sinne bezeichnet man Nächte, in
denen die Temperatur in 2 m Höhe nicht unter 20 °C fällt. Dies
ist in Norddeutschland ein sehr seltenes Ereignis.
Tropentag
Frühere Bezeichnung für einen heißen Tag.
Ultraschall-Anemometer
Ein Ultraschall-Anemometer ist ein Gerät zur Messung der
Windgeschwindigkeit.
Dabei wird zwischen zwei Sender-/Empfängerköpfen abwechselnd in beide
Richtungen ein Ultraschallsignal geschickt. Da sich bei Wind der Schall
mit der Luft mitbewegt, ergibt sich ein Laufzeitunterschied zwischen beiden
Richtungen, aus dem die Windgeschwindigkeit berechnet werden kann. Bei nur
einer Messstrecke ergibt sich allerdings nur der Anteil der Windgeschwindigkeit
in Richtung der Messstrecke. Weht der Wind quer durch die Anordnung, hat dies
keinen Effekt auf die Laufzeit.
Um die wirkliche, richtungsunabhängige Windgeschwindigkeit ermitteln zu können,
benötigt man mindestens zwei solcher Messstrecken, die in der Horizontalen so
angeordnet sind, dass sie in unterschiedliche Richtungen weisen. Dann kann
neben der Windgeschwindigkeit auch noch die
Windrichtung gemessen werden.
Fügt man noch eine weitere Messstrecke hinzu, die aus der
Ebene der ersten beiden heraus weist, kann sogar der dreidimensionale
Windvektor berechnet werden.
Auch wenn die Winkel zwischen den Messstrecken im Prinzip beliebig sind, solange
sie nicht alle in einer Ebene liegen, konstruiert man die Geräte in der Regel
so, dass alle Messstrecken senkrecht aufeinander stehen und keine Strecke
genau horizontal oder vertikal verläuft.
Die Messung kann mehrmals pro Sekunde durchgeführt werden, so dass auch
kleinste Schwankungen des Windes registriert werden können. Ein
dreidimensionales Ultraschall-Anemometer eignet sich deshalb auch zur
Messung von Turbulenzgrößen wie dem vertikalen Impulsfluss. Kombiniert
mit anderen Messgeräten können z. B. auch latente und sensible Wärmeflüsse
gemessen werden. Das für den sensiblen Wärmefluss nötige Thermometer ist
das Ultraschall-Anemometer bereits selbst, denn aus der Laufzeit des
Schalls von einem zum anderen Kopf lässt sich auch (näherungsweise) die
Lufttemperatur bestimmen. Solche Geräte sind also gleichzeitig auch ein
Ultraschall-Thermometer.
Am Wettermast haben wir, als Nachfolger von Schalensternanemometer und Windfahne,
zur Messung des Windes nur noch Ultraschall-Anemometer installiert.
Ultraschall-Thermometer
Die Schallgeschwindigkeit in einem Gas hängt im Wesentlichen nur von
der Temperatur ab. Die Messung der Schallgeschwindigkeit kann mit der
bei Ultraschall-Anemometern ohnehin
durchgeführten Laufzeitmessung von Ultraschallsignalen zwischen zwei
Sender-/Empfängerköpfen durchgeführt werden. Diese Geräte können also
auch als Thermometer verwendet werden.
Zu einem geringen Teil beeinflusst aber auch die molekulare Zusammensetzung
des Gases die Schallgeschwindigkeit, bei Luft speziell der variable Gehalt
an Wasserdampf. Ohne Kenntnis der Luftfeuchtigkeit kann die wahre
Lufttemperatur also nur näherungsweise gemessen werden. Ignoriert man
die Feuchte in der Berechnung und setzt sie gleich Null, so erhält man
aus der Schallgeschwindigkeit die so genannte
virtuelle Temperatur, die bei hoher
Feuchte durchaus einige Grad über der Lufttemperatur liegen kann.
Prinzipiell könnte man aus einer extern gemessenen Lufttemperatur und der
mit dem Ultraschall-Thermometer gemessenen virtuellen Temperatur die
Luftfeuchtigkeit bestimmen. Allerdings ist diese sehr stark von
der Genauigkeit beider Temperaturen abhängig, so dass bereits kleine
Fehler in der Temperaturmessung zu großen Schwankungen in der Feuchte führen.
Ultraschall-Anemometer-Thermometer, wie wir sie am Wettermast Hamburg
benutzen, verwenden die Temperaturmessung deshalb hauptsächlich für die
Berechnung des turbulenten Wärmeflusses. Da hierfür nur die Abweichungen der
einzelnen Temperaturmessungen von einem Mittelwert (z. B. über 5 min)
benötigt werden, ist der virtuelle Temperaturzuschlag irrelevant.
Virtuelle Temperatur
Die virtuelle Temperatur ist die diejenige Temperatur,
die trockene Luft besitzen muss, damit sie unter demselben
Druck dieselbe Dichte hat wie feuchte Luft mit
der spezifischen Feuchte s:
Für Berechnungen ist T in Kelvin anzugeben. Die virtuelle
Temperatur ist also stets etwas höher als die reale Lufttemperatur.
Mit Ultraschall-Thermometern
kann die virtuelle Temperatur direkt gemessen werden.
Wärmefluss
Siehe Fluss.
Wind
Als Wind bezeichnet man die Bewegung von Luftmassen. Hervorgerufen
wird diese hauptsächlich durch einen unterschiedlichen
Luftdruck an zwei voneinander entfernten Orten.
Um die Druckdifferenz auszugleichen, strömt Luft vom Gebiet hohen Luftdrucks
in das Gebiet niedrigen Luftdrucks. Dabei ist die Strömungsgeschwindigkeit
und damit die Stärke des Windes um so höher, je größer der Druckunterschied
ist (Druckgradient).
Dass die Luft in der Realität trotzdem nicht direkt vom Hoch ins Tief
strömt, liegt an weiteren Einflüssen. So sorgt z. B. die Drehung der
Erde für eine, von außen betrachtet scheinbare, für einen Beobachter auf
der Erde jedoch reale Ablenkung des Windes (Coriolis-Kraft).
Auf der Nordhalbkugel wird der Wind nach links, auf der Südhalbkugel
nach rechts abgelenkt.
Einen weiteren, vor allem lokalen Einfluss auf den Wind hat die
Reibung an der Erdoberfläche. So ist bei gleichem Wind in der Höhe
die Geschwindigkeit am Boden über offenem Wasser höher als z. B. in
bebautem Gebiet oder in einem Wald.
An sonnigen Tagen kommt es durch die starke Erwärmung der
bodennahen Luftschichten zu turbulenten Vertikalbewegungen ("Thermik").
Diese verursachen einen Impulsaustausch zwischen den Höhen und sorgen somit
für eine Angleichung der Windgeschwindigkeiten. In klaren Nächten mit
thermisch stabiler Schichtung sind die einzelnen Schichten voneinander
entkoppelt, der bodennahe Wind nimmt ab, der in der Höhe nimmt zu. Dies
ist in unseren Daten vom Wettermast Hamburg bei entsprechender Wetterlage deutlich
zu erkennen.
Der Wind ist eine vektorielle Größe. Bei zu vernachlässigendem Vertikalwind
besteht er aus zwei horizontalen Komponenten. Man kann den Windvektor
z. B. aufteilen in einen West-Ost- und einen Süd-Nord-Anteil
(u und v). Der Windvektor
ist zudem von Ort zu Ort verschieden und ändert sich natürlich auch mit
der Zeit. Man erhält somit für die mathematische Beschreibung des Windes
ein zeitlich veränderliches, zweidimensionales Vektorfeld, das
Windfeld V(x,y,t) = (u(x,y,t), v(x,y,t)).
Siehe auch Windgeschwindigkeit,
Windstärke, Windrichtung,
Böen.
