Grundlagen der Aeorologie

Die Aerologie (gesprochen A-erologie) (von griech.: άέριος (aerios) „in der Luft befindlich, hoch“[1] und -logie), auch als Höhenwetterkunde bezeichnet, bildet den Zweig der Meteorologie, der sich mit dem Studium der höheren Schichten der Erdatmosphäre (Strato-, Meso-, Thermosphäre) beschäftigt. Der Begriff Aerologie wurde 1906 von Wladimir Köppen geprägt.

 Aerologie, Teilgebiet der Meteorologie, überwacht, erforscht und dokumentiert die freie Atmosphäre mit Hilfe von Ballons (Ballonsonde), Flugzeugen,Radiosonden, Raketen und Wettersatelliten sowie von bodengebundenem Radar (Windprofiler) , Lidar, Mikrowellenradar wobei all deren meteorologischen Meßgeräte die atmosphärischen Parameter aufzeichnen und über Funk übermitteln. Ohne eine fortwährende dreidimensionale Erkundung und Dokumentation des aktuellen Zustands der freien Atmosphäre, insbesondere der Troposphäre, wären weder eine effektive Beratung der Luftfahrt noch ein grundlegendes Verständnis und eine Vorhersage des Wetters möglich.

 

Deshalb unternimmt die internationale Staatengemeinschaft . die in der WMO vereinigten Länder, weiterhin große Anstrengungen, um durch einen Ausbau moderner aerologischer Beobachtungssysteme und Auswertungsstrategien die weltweit vorhandenen aerologischen Informationslücken zu schließen und damit die meteorologischen Beratungen und Vorhersagen zu optimieren.

adiosonde

Wasserstoffballon mit Reflektor

Eine Radiosonde dient der Meteorologie und Aerologie zur Messung von Parametern der Erdatmosphäre bis in Höhen von etwa 20 km bis 30 km (Stratosphäre). Sie wird von einem Wetterballon getragen und übermittelt per Datenfunk die Messwerte wie Lufttemperatur und ihr Gradient und Luftfeuchtigkeitan die Bodenstation. Bei Sonden mit integrierten GPS-Empfänger auch die Position der Sonde. Die Höhenbestimmung erfolgt bei manchen Typen durch laufende Messung des Luftdrucks und GPS.

Ballongetragene Sonden werden auch in anderen Fachgebieten verwendet - sieheBallonsonde (Messinstrument), die zum Teil noch größere Höhen erreichen. Der Höhenrekord für Radiosonden liegt bei etwa 39 km bzw. 2,5 hPa (Deutscher Wetterdienst).

Definition]

Eine Funk- oder Radiosonde (englisch radiosonde) ist – gemäß Definition der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) in derVO Funk[1] – ein selbsttätiger Funksender des Wetterhilfenfunkdienstes, der im Allgemeinen in einem Luftfahrzeug, einemFreiballon, an einem Fallschirm oder einem Drachen mitgeführt wird und der wetterkundliche Merkmale übermittelt.

Geschichte 

Seit den frühen 1890er Jahren trugen unbemannte Wetterballons, sogenannte Registrierballons, selbstregistrierende Messinstrumente in die freie Atmosphäre. Gegenüber bemannten Ballonfahrten hatten diese einen deutlichen Kostenvorteil. Außerdem waren Höhen erreichbar, die für Menschen im offenen Korb trotz Sauerstoffzufuhr nicht zugänglich waren. Die Messwerte konnten aber nur mit zeitlicher Verzögerung abgelesen werden und auch nur dann, wenn das zum Boden zurückgekehrte Instrument auch gefunden wurde. Einer der Pioniere der Atmosphärensondierung mit Wetterballons war der deutsche Meteorologe Hugo Hergesell. Als Leiter der Internationalen Kommission für wissenschaftliche Luftfahrtforderte er die Konstruktion leichter ballontauglicher Instrumente. Das Potential der drahtlosen Telegrafie frühzeitig erkennend stellte er bereits 1908 Versuche an, Aufzeichnungen registrierender Balloninstrumente per Funk zu übertragen, scheiterte aber an den noch unzureichenden technischen Möglichkeiten. Die Bezeichnung „Radiosonde“ geht auf Hergesell zurück.

Im Jahre 1917 gelang es Max Robitzsch und Friedrich Herath (1889–1974) in Deutschland und Pierre Idrac (1885–1935) in Frankreich, Messwerte von Instrumenten, die an Wetterdrachen angebracht waren, über den Drachendraht zum Boden zu senden. Drachen konnten aber nicht in die von Wetterballons erreichbare Höhe vordringen, und sie waren nicht bei jeder Wetterlage einsetzbar.

1921 begann Paul Duckert (1900–1966) am Aeronautischen Observatorium Lindenberg, dessen Leiter inzwischen Hergesell war, sich mit der Entwicklung der Radiosonde zu befassen. Ein erster Schritt war 1926 die Doppelanpeilung eines am Ballon befestigten Funksenders, um dessen Flugbahn und -geschwindigkeit zu bestimmen. Ähnliche Experimente wurden auch von William Blair in den Vereinigten Staaten durchgeführt. Am Ende der 1920er Jahre arbeiteten mehrere Meteorologen mit ersten Prototypen von Radiosonden.

Am 7. Januar 1929 gelang es Robert Bureau (1892–1965) in Trappes erstmals, die Signale einer Radiosonde zu empfangen, die Temperaturwerte aus der freien Atmosphäre übermittelte. Im Frühjahr desselben Jahres ergänzte er die Sonde um ein Barometer. Als Erfinder der Radiosonde wird aber häufig der sowjetische Meteorologe Pawel Moltschanow(1893–1941) angesehen, dessen erstmals am 30. Januar 1930 erfolgreich gestartete Radiosonde zum Standard für die künftige Entwicklung wurde. Die Sonde maß Temperatur und Druck und funkte die Werte kodiert als Morse-Zeichen zum Empfänger. Am 22. Mai 1930 folgte Duckert mit einer unabhängig entwickelten Sonde, die neben Temperatur und Druck auch die Luftfeuchte messen konnte. Die Sonde übermittelte Messwerte bis zum Platzen des Ballons in über 15 km Höhe.

Auf der Arktisfahrt des Zeppelins LZ 127 startete Moltschanow im Juli 1931 mehrere Radiosonden. Zu einem umfangreichen und systematischen Einsatz der neuen Technik kam es im Internationalen Polarjahr 1932/33. Der FinneVilho Väisälä, der am 30. Dezember 1931 seine erste Radiosonde gestartet hatte, begann 1936 mit der kommerziellen Produktion.

Eine Weiterentwicklung erfuhr die Radiosonde 1942 durch den Berliner Josef Graw. Die Umwandlung der Messwerte in Morse-Zeichen erfolgt in der Graw-Sonde dadurch, dass die Zeiger der Messgeräte ein Muster aus leitendem Material abtasten, das auf eine sich drehende Walze, die Grawsche Morsewalze, aufgebracht ist.[2]

Der rechts abgebildete Sensor- und Codierteil einer Radiosonde aus den 1960er Jahren zeigt

•Temperatursensor (oben, Bimetall)

•Druckmessdose (links unter dem Blechwinkel)

•Zeitbasis (Taschenuhrwerk, rechts außen)

•Codierer für Temperatur und Feuchte (roter PVC-Zylinder mit Kontaktdraht-Wendel)

•Codierer für Luftdruck (Hartpapier-Balken mit Kontaktstreifen, rechts hinter dem Zylinder)

Der Feuchtesensor (Haar-Hygrometer), die Batterie und der Telemetriesender (UHF-Röhrensender mit einer Triode) sind im Bild nicht zu sehen.

Technik 

Messfühler an der Radiosonde messen verschiedene Parameter wie Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit während der Ballon in die Höhe steigt und übermitteln diese Messdaten laufend per Datenfunk an die Bodenstation. Spezielle Ozonsonden können zusätzlich auch die Ozonkonzentration messen. Die Datenübertragung wird mit einer Bandbreite von ca. 20 kHz im Frequenzbereich von 400 MHz bis 410 MHz realisiert, die genaue Frequenz (Kanal) ist vor Abflug einstellbar. Es gibt auch Radiosonden welche im Frequenzbereich von 1,68 GHz die Daten übertragen.

Die Sonden und besonders die Batterien sind zur Wärmeisolation in einem Schaum-Polystyrol-Gehäuse untergebracht, außen sind lediglich eine Drahtantenne und Sensoren.

Heute kommen Einmal-Radiosonden zum Einsatz, für die kein Finderlohn gezahlt wird. Mögliche Finder werden manchmal durch auf die Sonden aufgebrachte Aufkleber aufgefordert, die Radiosonde mit Elektronik und Batterien zu entsorgen. Ein Radiosondenaufstieg kostet mit wasserstoffgefülltem Ballon und Radiosonde heute ca. 300 € und mit einer 1,8 m³ Heliumfüllung ca. 400 €.

Übliche Radiosonden nutzen zur Positionsbestimmung einen GPS-Empfänger, die Positionsdaten werden zyklisch per Funk übertragen. Damit lässt sich dieWindrichtung der Höhenwinde bestimmen. Alternativ kann auch per Radar die Position einer Radiosonde bestimmt werden. Die Sonde trägt dafür einen wegen des geringen Gewichts aus mit reflektierender Folie beschichteter Pappe bestehenden Radarreflektor, der den Radarimpuls zurückwirft und damit Rückschlüsse auf die Position zulässt. So verwendet die MeteoSchweiz resp. die Schweizer Armee keine GPS-Empfänger für ihre Wettersonde SRS400.

Damit die Sonde überhaupt fliegen kann, wird ein schlaff gefüllter großer Helium- oder Wasserstoffballon aus Latex daran befestigt. Mit zunehmender Höhe wird der Ballon durch den abnehmenden Luftdruck immer praller und platzt schließlich, da sich das Gas im Innern auf ein Vielfaches des Volumens am Boden ausgedehnt hat.

 Nun beginnt die Sonde wieder zur Erde zurückzufallen. Damit sie nicht einfach auf den Boden prallt, ist sie oft mit einem kleinen Fallschirm ausgerüstet. Es hat sich aber herausgestellt, dass der kleine Fallschirm meist wenig nützt und sich oft auch mit den Schnüren verknotet und sich nicht entfaltet. Es heißt, dass er aus Versicherungsgründen trotzdem verwendet werden muss.

 Ein Wetterballon ist ein Ballon, der in der Meteorologie zum Transport von Messgeräten und dabei speziell Radiosonden verwendet wird.

Typischer Missionsablauf[ 

Ein typischer Wetterballon besteht meist aus Gummi und hat ein Eigengewicht von lediglich etwa 200 Gramm. Die Haut des Wetterballons ist sehr empfindlich und fein, so dass sie nur mit Schutzhandschuhen berührt werden darf. Selbst minimale Beschädigungen, die am Boden folgenlos bleiben, können in großer Höhe bei zunehmend gespannter Haut zum vorzeitigen Platzen des Ballons führen.

Gefüllt wird der Ballon normalerweise mit Helium oder Wasserstoff. Letzterer ist im Gegensatz zum raren und teuren Helium billig und leicht verfügbar, das Problem der Entflammbarkeit wird bei den erforderlichen Mengen als beherrschbares Risiko eingeschätzt. Die Sonde wird am Wetterballon in genügend großem Abstand angebracht, um nicht in seinem Windschatten aufzusteigen. Da sich der Ballon wegen des mit zunehmender Höhe nachlassenden Luftdrucks auf einen Durchmesser von über zwölf Metern ausdehnt, würde der Windschatten so groß werden, dass die Verfälschungen der Messergebnisse enorm wären.

Der Wetterballon kann eine Höhe von 20–30 km erreichen bevor er platzt und die Sonde mit einem Fallschirm zum Boden zurückkehrt.

Geschichte[ 

Einer der ersten, die Wetterballons nutzen, war der französische Meteorologe Léon-Philippe Teisserenc de Bort. Ab 1896 führte er über 200 Ballon-Experimente durch, häufig bei Nacht, um Messfehler durch Strahlungswärme auszuschließen. Das Wissen um die Troposphäre und Stratosphäre als Schichten der Erdatmosphäre stammt aus dieser Zeit.

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