meteorologie_mayrhofer

Daniela MayrhoferMeteorologische 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 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Einführung in die Meteorologie 2.1. Definition wichtiger Begriffe 2.2. Teilgebiete der Meteorologie 2.3. Die Atmosphäre 2.3.1. Zusammensetzung der Luft 2.3.2. Vertikaler Aufbau der Atmosphäre 5 7 7 9 11 11 13 3. Die meteorologischen Elemente 3.1. Luftdruck 3.1.1. Definition des Luftdrucks 3.1.2. Wichtige Gesetze zum Druck 3.1.3. Luftdruckverteilung an der Erdoberfläche 3.1.4. Luftdruckmessung 19 19 20 20 23 24 3.2. Lufttemperatur 3.2.1. Definition der Temperatur 3.2.2. Temperaturskalen 3.2.3. Messung der Lufttemperatur 28 28 30 31 38 38 38 42 45 45 46 47 53 53 54 56 3.3. Luftfeuchte 3.3.1. Definition der Luftfeuchte 3.3.2. Die verschiedenen Feuchtmaße 3.3.3. Messung der Luftfeuchte 3.4. Windgeschwindigkeit 3.4.1. Definition der Windgeschwindigkeit 3.4.2. Charakteristika des Windes 3.4.3. Messung der Windgeschwindigkeit 3.5. Niederschlag 3.5.1. Bildung von Niederschlag 3.5.2. Niederschlagsformen 3.5.3. Messung des Niederschlags Daniela Mayrhofer 2005 2.4. Abbildungsverzeichnis 7.11.1.3. Messung 5. Planung der Unterrichtssequenz 5. Bau eines Windmessers 4. Durchführung der Unterrichtsstunde am 17.2004 5.2004 5. Einfache Wettermessgeräte 4.4. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 5. Durchführung der Unterrichtsstunde am 10.2.3.11.4. Nachbetrachtung 6.1.2. Bau eines Barometers 4.2004 59 59 62 64 66 69 71 75 75 81 83 85 86 87 90 5. Bau eines Regenmessers 4.6. Bau eines Hygrometers 4. Durchführung der Unterrichtsstunde am 9.4.5. Durchführung der Unterrichtssequenz 5.11. Dynamisches Grundbildungskonzept nach IMST2 5. Literaturverzeichnis Anhang 92 95 96 98 Daniela Mayrhofer 2005 .3. Planung des Unterrichtsablaufes 5.1. Bau eines Thermometers 4.4.4.5. Ich unterbreitete meinen Vorschlag Dr. sowohl für die Schüler als auch für mich. Nach reichlichen Recherchen in Büchern und dem Internet folgte der praktische Teil – der Bau der Wettermessgeräte und die dazugehörige Messung. Ein zusätzlicher Einsatz im Unterricht wäre eine gute Ergänzung. Da mich die Meteorologie. Diese drei Unterrichtsstunden. Die Meteorologie ist ein sehr großes Fachgebiet und nach reichlicher Überlegung das Gebiet einzugrenzen. die mir Dr. ob er meine Betreuung mit übernehmen würde. entschloss ich mich. Mag. die Lufttemperatur (Thermometer). Da es eine meteorologische Arbeit werden sollte. Er willigte ein und ich konnte mit meiner Arbeit beginnen. mit ihnen Messungen durchzuführen und mit diesen Daten auf das Wetter zu schließen. Daniela Mayrhofer 2005 . Kapitel. Erich Putz. die Windgeschwindigkeit (Windstärkemesser und Windpfeil) und den Niederschlag (Regenmesser). Dabei griff ich auf das dynamische Grundbildungskonzept von IMST2 zurück. sprach mich inhaltlich an und ließ mir aber trotzdem genügend Freiraum für meine eigenen Ideen. Im Detail bearbeite ich den Luftdruck (Barometer). Dieser Vorschlag der Planung gefiel mir sehr gut. Einleitung Am Ende meines Studiums stand ich vor der Wahl. Den ganzen Sommer über bastelte ich herum. Rath zur Verfügung gestellt hat. denn er war sehr aktuell. Gerhard Rath und er zeigte sich bereit. mit Schülern Wettermessgeräte zu bauen. verbesserte hier und da etwas und war dann endlich mit meinem Ergebnis zufrieden. Einleitung 5 1. diese Diplomarbeit zu betreuen.1. schon immer interessiert hat. Kapitel beschrieben wird. wollte ich mich mit diesem Thema beschäftigen.-Prof. aber gerade dadurch konnte ich sehr viele Erfahrungen sammeln. insbesondere das Wetter. Im November war es dann endlich soweit und ich konnte meine gesamte bisherige Arbeit im Unterricht umsetzen. das im 5. Die detaillierte Beschreibung findet der Leser im 4. ein für mich geeignetes Diplomarbeitsthema zu finden. die Luftfeuchtigkeit (Hygrometer). fragte ich Ass. waren sehr arbeitsintensiv. Jetzt fehlte nur noch die didaktische Planung des Unterrichts. denn die Zeit war auch so schon ziemlich knapp bemessen.: Bewölkung) abhängt. die Lufttemperatur. dass ich die Strahlung in dieser Arbeit nicht berücksichtigt habe. behandelte ich zusätzlich den Niederschlag. da eine sinnvolle Wettervorhersage noch von vielen anderen Faktoren (z. Bei der Beschreibung der meteorologischen Elemente (3. Im Nachhinein betrachtet war diese Entscheidung richtig. dass ich dem Leser viel Spaß beim Lesen wünsche. Diesen Teil gab ich eigentlich schon im Vorfeld auf. sie aber dennoch für das Wettergeschehen eine wesentliche Rolle spielt. und er hoffentlich ein paar Anregungen findet. Daniela Mayrhofer 2005 . Einleitung 6 Meine ursprüngliche Idee mit den gesammelten Daten auf das Wetter zu schließen. Letzteres hätte theoretisch (Einführung in die Wettervorhersage) und praktisch (genaues studieren der Messdaten) den Zeitrahmen gesprengt. Jetzt bleibt mir nur noch zu sagen. Dabei ist aber gleichzeitig auch die weibliche Form gemeint. Da ich aber einen Regenmesser gebaut habe. Das bedeutet. Darüber hinaus Bedarf es einer genauen Untersuchung des Zusammenspiels zwischen den einzelnen Elementen. die das Wetter beeinflussen. Kapitel) beschränkte ich mich auf den Luftdruck. war mir leider nicht möglich. auch wenn sie nicht jedes Mal explizit angeführt ist. In meiner Diplomarbeit verwende ich aus Gründen der besseren Lesbarkeit und der Erleichterung beim Schreiben nur die männliche Form bei Personen.B.1. die Luftfeuchtigkeit und die Windgeschwindigkeit. Maßstab bedeutet. Einführung in die Meteorologie 2. Fronten Ausdehnung kleiner als 2 km Beispiele: Tornado. als auch im Raum sehr stark. Wetter: Das Wetter beschreibt den Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort zu einer bestimmten Zeit. 1 2 vgl. Bei der räumlichen (horizontalen) Skala wird häufig folgende verwendet:1 • • • Makro-Skala: Ausdehnung über 2000 km Beispiele: ausgedehntes Hoch/Tief Meso-Skala: Mikro-Skala: Ausdehnung von 2 km bis 2000 km Beispiele: Gewitter. [1]. Aus diesem Grund führt man eine Raum. die sich in Raum und Zeit abspielen. [1]. Sie beschreibt verschiedene atmosphärische Prozesse.2.1. Großwetter und Klima. Es gibt verschiedene Möglichkeiten diese Skalen einzuteilen. Das heißt also.und eine Zeitskala ein.11 vgl. S. die im Folgenden erläutert werden. Witterung. Cumulus Wolken Diese grobe Unterteilung wurde von Isidoro Orlanski im Jahre 1975 verfeinert: Skala α von bis Erdumfang 10 000 km Makro β 10 000 km 2 000 km α 2000 km 200 km Meso β 200 km 20 km γ 20 km 2 km α 2 km 200 m Mikro β 200 m 20 m γ 20 m ↓ Tabelle 2. S. dass jeder Vorgang eine zeitliche und räumliche Ausdehnung besitzt. kleines Hoch/Tief.2: Feine meteorologische Skaleneinteilung Durch die unterschiedliche Einteilung in räumliche und zeitliche Skalen entstanden die Begriffe Wetter. Einführung in die Meteorologie 7 2. Es variiert sowohl in der Zeit. Definition wichtiger Begriffe Die Meteorologie ist definiert als die Wissenschaft von der Lufthülle der Erde. wobei das Wort Skala in diesem Zusammenhang Größenordung bzw.1.11 2005 Daniela Mayrhofer . Flüsse und Seen) Kryosphäre (Eis der Erde. der sich in zwei wichtige Faktoren zerlegen lässt – einerseits in Bezug auf das Klimasystem (siehe Abb. das Zeitintervall dem Raum Daniela Mayrhofer 2005 .: Obersteiermark) umfassen. Sie lauten: Atmosphäre (Lufthülle der Erde) Hydrosphäre (Wasser der Erde. das Schelfeis. Einführung in die Meteorologie 8 Witterung: Die Witterung beschreibt charakteristisch den Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort über einen kurzen Zeitraum.B. also Meere.1. die eine starke Wechselwirkung untereinander aufweisen (durch die Pfeile dargestellt). Diese Zeitspanne beträgt meistens nur wenige Tage.B. das Meereis. dass die Witterung mit Hilfe statistischer Daten der einzelnen meteorologischen Elemente (wie z. insbesondere der Mensch) Lithosphäre (feste Erde) Beim Klima ist es nicht notwendig eine räumliche Ausdehnung festzulegen. Sowohl der Ort kann ein größeres Gebiet (z. kontinentale Eisflächen der Arktis und Antarktis. wichtig ist vielmehr.B. Windgeschwindigkeit) beschrieben werden kann. Der Begriff „charakteristisch“ bedeutet in diesem Fall. als auch die Zeit von längerer Dauer (wenige Tagen bis zu einer Jahreszeit) sein.: Luftdruck.2. Großwetter: Unter Großwetter versteht man den Zustand der Atmosphäre über einem größeren Gebiet (z.) und andererseits auf ein sehr großes Zeitintervall.2. Luftfeuchte.: Mitteleuropa) während eines kurzen Zeitintervalls. Das Klimasystem besteht aus fünf Komponenten. Lufttemperatur. die Gletscher und der Schnee) Biosphäre (alle pflanzlichen und tierischen Lebewesen. Klima: Das Klima ist ein sehr vielschichtiger Begriff. Einführung in die Meteorologie 9 anzupassen. Kurz zusammengefasst ist das Klima der Zustand und die Entwicklung des Klimasystems (oder auch nur einzelne Teile daraus) charakteristisch erfasst für einen längeren Zeitraum. z. 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.B.1. Bei der Betrachtung des globalen Klimasystems wählt man meistens einen Zeitraum von 30 Jahren.2. Seit der Entstehung der Erde vor etwa 4.: 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. Abb.5 ⋅ 10 9 Jahren gab es viele Klimaänderungen. Daniela Mayrhofer 2005 .2. 3.2. Angewandte Meteorologie beschäftigt sowie sich die mit Entwicklung von Messinstrumenten verschiedenen Teilgebieten.. Teilgebiete der Meteorologie Die Meteorologie beschäftigt sich mit der Atmosphäre der Erde. Tier.2. Mensch. S. S. 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 Experimentelle Meteorologie Hydround Thermodynamik) und Chemie bezüglich der Atmosphäre beinhaltet Messungen und Experimente in der Atmosphäre. wie: Synoptische Meteorologie (Wetteranalyse und Wettervorhersage) Flugmeteorologie (Zusammenhang Atmosphäre-Flugkörper) Technische Meteorologie (Zusammenhang mit technischen Prozessen) Biometeorologie (Wechselwirkung zwischen Atmosphäre. wobei einerseits der physikalische (Hydrodynamik und Thermodynamik) und andererseits der chemische (stoffliche Zusammensetzung der Luft) Zugang von wesentlicher Bedeutung ist.2.15 siehe Kapitel 2.und Pflanzenwelt) Es gibt aber auch noch andere Möglichkeiten die Meteorologie zu gliedern. Einführung in die Meteorologie 10 2.14 2005 Daniela Mayrhofer . zum Beispiel nach folgenden Gesichtspunkten: Räumliche Gegebenheiten Beispiele: Aerologie (Meteorologie der höheren Luftschichten) Aeronomie (Meteorologie der Hochatmosphäre) Grenzschicht-Meteorologie Grenzschicht2) Mikrometeorologie (Meteorologie auf kleinstem Raum) Maritime Meteorologie (Meteorologie der Meeresgebiete einschließlich der Wechselwirkung Ozean-Atmosphäre) 1 2 (Meteorologie der planetaren vgl. [1]. Zusammensetzung der Luft Die Erde besitzt eine Lufthülle.3. Die Hauptbestandteile sind Stickstoff (N2).2. Sie setzt sich aus verschiedenen chemischen Elementen und Verbindungen zusammen. Daniela Mayrhofer 2005 . also wasserdampffreie.3. Sauerstoff (O2). die zu einem ganz unterschiedlichen Anteil in der Luft vorhanden sind.2. Die Atmosphäre 2. die so genannte Atmosphäre.1. Der Wasseranteil weist die größten Schwankungen auf. deren Volumenanteil weniger als 3 ⋅ 10 −5 beträgt – die genaue Zusammensetzung liefert Tabelle 2. Einführung in die Meteorologie 11 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. Kohlendioxid (CO2) und Spurengase. berücksichtigt werden. weshalb meistens nur die Anteile der trockenen Luft. 013 31. Zusätzlich herrscht eine gute Durchmischung der Luft bis in eine Höhe von ca.183 4.0093 0.1: Zusammensetzung wasserdampffreier Luft. S.2.2⋅10-7 9.995 Siedepunkt bei Volumenanteil p = 1013 hPa = Druckanteil °C Vi/v = pi/p -196 0.948 44.0⋅10-8 Tabelle 2. Der Volumenanteil des Wasserdampfes ist. Darüber hinaus wird Luft als ein ideales Gas betrachtet. sehr variabel und beträgt maximal vier Prozent der gesamten Luft. wie schon vorher erwähnt. weil die Siedepunkte der einzelnen Bestandteile niedriger sind.003 16.013 28.011 131.8⋅10-6 1.8⋅10-5 5.30 47.). Die mit * gekennzeichneten Gase sind durch anthropogene Einflüsse heute (Stand 2000) gegenüber vorindustrieller Zeit deutlich erhöht.0004 1. als ihre aktuelle Temperatur (siehe Tabelle 2.80 2.6⋅10-7 3.2. in 1 vgl. denn dieser spielt für das Wettergeschehen eine wesentliche Rolle.016 44.7808 -183 -186 -78 -246 -269 -161 -153 -253 -89 -191 -107 -112 0. 100 km. dass Wasser in allen drei Aggregatzuständen in der Atmosphäre vorkommt – in flüssiger Form als Regen. Die Spurengase hingegen unterliegen stets örtlichen und zeitlichen Schwankungen.999 39. [1]. Obwohl die Betrachtung trockener Luft einfacher ist. Aus diesen Gründen wird trockene Luft als ein Gas mit konstanter stofflicher Zusammensetzung und konstanter Molmasse angesehen.0⋅10-8 8. Dies ist möglich.965 20.7⋅10-8 4.2095 0.043 83. Einführung in die Meteorologie 12 Gas Stickstoff Sauerstoff Argon Kohlendioxid trockene Luft nach Hauptbestandteilen Neon Helium Methan Krypton Wasserstoff Distickstoffoxid Kohlenmonoxid Xenon Ozon chemisches Symbol N2 O2 Ar CO2 * Ne He CH4 * Kr H2 * N2O * CO * Xe O3 * Molmasse 10-3 kg/mol 28. darf man den Wasserdampfgehalt auf keinen Fall außer Acht lassen. Die Zusammensetzung der Hauptbestandteile der Luft hält sich sehr konstant.24 2005 Daniela Mayrhofer .2⋅10-6 1.1⋅10-6 5. Ein wichtiger Aspekt ist.2.0000 1.010 28. 2. in dem auch schon die einzelnen Namen der Schichten erwähnt sind. Vertikaler Aufbau der Atmosphäre Die Atmosphäre gliedert sich in unterschiedliche Schichten.2.B. Graupel oder Schnee. 2. ohne dass dabei größere Fehler entstehen. In der Meteorologie ist es üblich auch feuchte Luft als ideales Gas zu betrachten. deren Bezeichnung auf den Temperaturverlauf mit der Höhe zurückgeht. Den genauen Verlauf der Temperatur zeigt Abb.2. Einführung in die Meteorologie 13 gasförmiger Form als Wasserdampf und in fester Form als Hagel.2. Diese festen beziehungsweise flüssigen Stoffe (Aerosole) stammen einerseits aus natürlichen (z.: Temperaturverlauf in den einzelnen Atmosphärenschichten bis 100 km Höhe Daniela Mayrhofer 2005 .: Vulkanen) und andererseits aus anthropogenen Quellen (z. Abb.2.B. Bezüglich der gesamten stofflichen Zusammensetzung der realen Luft spielen aber nicht nur Gase eine Rolle.3. Im Folgenden werden diese Atmosphärenschichten näher betrachtet und wichtige Merkmale diskutiert.: Industrie)..2. sondern auch feste und flüssige Stoffe. über den Tropen jedoch in ca. der Bodenbeschaffenheit und der Topographie. kehren bedeutet. 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. Verdunstung) mit einer Zeitverzögerung von ca. im Mittel um etwa 6. Diese kann als Bodeninversion oder als abgehobene Inversion in Erscheinung treten. Aufgrund des hohen Wassergehaltes kommt es hier zu Wolkenbildung und Niederschlägen. Im Gegensatz dazu liegt bei einer abgehobenen Inversion die Inversionsschicht nicht auf dem Erdboden auf. Die Temperatur in der Troposphäre nimmt normalerweise mit zunehmender Höhe ab.h. Sie entsteht aufgrund einer negativen Strahlungsbilanz. Ein wichtiger Bestandteil der Troposphäre ist die planetare oder atmosphärische Grenzschicht. eine Temperaturumkehr an einer Luftschicht (d. Ein sehr wichtiger Effekt ist die Inversion. Typische Grenzschichthöhen reichen von etwa 100 m bis ca. Sie reagiert direkt auf die Beeinflussung durch den Erdboden und die Erdoberfläche (z. Reibung. Eine Bodeninversion liegt am Erdboden auf und erreicht Höhen von wenigen Metern bis einige hundert Meter. 18 km Höhe. Die obere Grenzschicht der Troposphäre ist die Tropopause. deren Höhe (im Mittel etwa 10 km) je nach Jahreszeit und geographischer Breite variiert. Daniela Mayrhofer 2005 .5°C pro Kilometer. 10 km und beinhaltet 80 % der gesamten Masse der Atmosphäre.2. 3000 m – abhängig von vielen Faktoren wie zum Beispiel der Tages.: Wärmeleitung.B. Der Luftdruck sinkt ebenfalls. das wenden. einer Stunde oder weniger. Einführung in die Meteorologie 14 Die Troposphäre ist die unterste Atmosphärenschicht. in der sich das Wettergeschehen abspielt. Über der planetaren Grenzschicht erstreckt sich die freie Atmosphäre (ist ein Teil der Troposphäre). die zum Beispiel in klaren Nächten zu beobachten ist und sich als Tau oder Reif an der betreffenden Oberfläche bemerkbar macht. die durch die Erdoberfläche nicht mehr direkt beeinflusst wird. An den Polen ist sie etwa in 8 km Höhe.und Jahreszeit. Der Name geht auf das griechische Wort „trepein“. Sie erstreckt sich bis in eine Höhe von ca. zurück und deutet schon auf die starke Durchmischung der Luft hin.: Temperaturzunahme mit der Höhe). Sie entsteht durch Absorption sehr kurzwelliger Strahlung (Wellenlänge λ ≤ 0. Einführung in die Meteorologie 15 Die Stratosphäre befindet sich in einer Höhe von ca. die hier (in einer Höhe von 15 bis 25 km) noch entstehen. Meistens ist M Stickstoff (N2) oder Sauerstoff (O2). 10 km bis etwa 50 km. weshalb es praktisch zu keiner Wolkenbildung kommt. 20 km Höhe bleibt die Temperatur nahezu gleich. Die wenigen Wolken. hν bezeichnet ein Strahlungsquant. die das Wettergeschehen stark beeinflussen. Ein wesentlicher Teil der Stratosphäre ist die Ozonschicht. Heute ist bekannt. deren Reaktionsgleichungen im Folgenden dargestellt sind. -3°C an. Im Gegensatz zur Troposphäre existiert hier ein sehr geringer Anteil an Wasserdampf. die die schädliche kurzwellige. Die Ozonkonzentration hält sich im photochemischen Gleichgewicht. Bildung des Ozons: O2 + hν → O + O 2(O + O2 + M) → 2(O3 + M) Die Bildung von Ozon (O3) benötigt also zwei Schritte. heißen Perlmuttwolken und werden hauptsächlich in arktischen Bereichen beobachtet. darüber steigt sie stetig bis auf einen Wert von ca. Die Gleichung (2) heißt Rekombination von atomarem Sauerstoff mit molekularem Sauerstoff und einem Katalysator M zu Ozon.2. Der Katalysator behält seine chemischen Eigenschaften bei der Reaktion bei und nimmt als Stoßpartner Energie und Impuls auf. da man früher annahm. also ein Photon der absorbierten Sonnenstrahlung. Daniela Mayrhofer 2005 (1) (2) .24 µm. die so genannte Dissoziationsschwelle) durch die O2-Moleküle in ihren Absorptionsbanden. ultraviolette Strahlung der Sonne abschirmt. Das Ozonmaximum befindet sich im globalen Mittel in einer Höhe von etwa 25 km. dass diese gleichmäßig geschichtet und ruhig sei. Die Gleichung (1) nennt man Dissoziation von molekularem Sauerstoff O2 in atomaren Sauerstoff O. dass in dieser Schicht viele physikalische und chemische Prozesse stattfinden. Der Temperaturverlauf in der Stratosphäre gliedert sich in zwei Teile – bis ca. Die Bezeichnung stammt vom lateinischen Wort „stratus“ (= geschichtet). a. Schreibt man die beiden Reaktionsgleichungen in einer an. die den Zerfallsprozess positiv beeinflussen. sind der Grund für den Temperaturanstieg in der Stratosphäre. Sie kommen der Wirklichkeit sehr nahe und genügen uns deshalb in diesem Zusammenhang. auch „Chapman-Zyklus“ genannt. ergibt sich: 3O2 + hν → 2O3 Zerfall des Ozons: O + O3 → 2O2 O3 + hν → O + O2 (3) (4) Die Reaktionsgleichung (3) bezeichnet man als thermischen Zerfall. Der Grund liegt vor allem bei anthropogenen Gasen (u. Einführung in die Meteorologie 16 Schreibt man die beiden Reaktionsgleichungen in einer an. weil bereits bei niedrigerer Ozonkonzentration ein großer Teil der Strahlung absorbiert wird.2. Den Abschluss der Stratosphäre bildet die Stratopause in einer Höhe von ca. Das Ozonmaximum und das Temperaturmaximum in der Stratosphäre sind eng miteinander verknüpft. die sich am Daniela Mayrhofer 2005 . Ein interessantes Phänomen in dieser Schicht stellen die so genannten leuchtenden Nachtwolken dar. Die Mesosphäre erstreckt sich bis in eine Höhe von 85 km und ist durch eine starke Temperaturabnahme und Durchmischung charakterisiert. Die Ozonkonzentration hat in den letzten 35 Jahren stark abgenommen. Dort herrscht die höchste Temperatur (im Mittel -3°C) dieser Schicht. da das Ozon die solare Strahlung absorbiert. Fluorchlorkohlenwasserstoffe. der durch Stoßprozesse ausgelöst wird. Diese bestehen aus Eiskristallen. 50 km. Dabei zerfällt das Ozon aufgrund der Absorption in den O2-Banden bei Wellenlängen λ ≤ 0. ergibt sich: 2O3+ hν → 3O2 Diese Reaktionsgleichungen. kurz FCKW). Die Gleichung (4) beschreibt die Dissoziation von O3.3 µm. Die Abweichung in der Höhe kommt dadurch zustande. vor allem über den Polargebieten. -90°C. Man nennt diese Region daher auch Ionosphäre. Einführung in die Meteorologie 17 Meteoritenstaub (übernehmen die Funktion von Sublimationskernen) bilden und sich im kältesten Teil der Atmosphäre befinden. Sie beginnt in einer Höhe von 500 km und besteht nur noch aus schnellen. Elektronen und neutralen Gasteilchen besteht. dissoziierten Atomen. Es entsteht ein Plasma. Daniela Mayrhofer 2005 . fasst man zur Homosphäre zusammen. das aus Ionen. Durch die Strahlungsabsorption und die geringe Teilchendichte kommt es zu starken Temperaturschwankungen von mehreren 100 K – je nach Sonneneinstrahlung. Stratosphäre und Mesosphäre. Sie ist die kälteste Region der Atmosphäre mit einer Temperatur von ca.2. Diese beiden Prozesse sind für die Molmasse der Luft in jeder bestimmten Höhe verantwortlich – es existiert also keine höhenkonstante Zusammensetzung der Gase mehr. die geladenen hingegen (das ist der größere Teil) werden aufgrund des Magnetfeldes der Erde in der Atmosphäre gehalten. Die abschließende Atmosphärenschicht ist die Exosphäre. Die obere Grenzschicht nennt man Mesopause. Röntgenstrahlung und Korpuskularstrahlung aus dem Weltall werden die Gase dissoziiert und teilweise auch ionisiert. In dieser Schicht steigt die Temperatur bis etwa 400 km auf 1000 K an und bleibt dann nahezu konstant. Die ungeladenen Teilchen können in den Weltraum entweichen. Troposphäre. In diesem Teil wird die trockene Luft aufgrund der guten Durchmischung als ein Gas mit konstanter Molmasse betrachtet. und elektrisch leitfähig ist. 45° bis 70° geographischen Breite in einer Höhe von über 80 km. Aus diesem Grund wird dieser Teil der Exosphäre auch Magnetosphäre genannt. Ein weiteres Charakteristikum besteht in der Entmischung der einzelnen Gase bezüglich ihrer verschiedenen Molmassen aufgrund von Gravitationseffekten – Diffusionseffekte wirken dagegen. Den nächsten Teil bildet die Thermosphäre die sich von 85 km bis 500 km Höhe erstreckt. geladenen und ungeladenen. Die unteren drei Atmosphärenschichten. Durch Absorption von UV-Strahlung. Beobachtet werden leuchtende Nachtwolken im Sommer in ca. 10 Erdradien (das sind etwa 60 000 km) befindet. Die beiden oberen Atmosphärenschichten werden zusammengefasst auch als Heterosphäre. Jenseits der Magnetopause erstreckt sich der interplanetare Raum. Einführung in die Meteorologie 18 Die Obergrenze unserer Atmosphäre bildet die Magnetopause. Dieser entsteht aufgrund von sich bewegenden Sonnenwindteilchen (hauptsächlich schnelle Protonen und Neutronen aus der Sonnenkorona). das verschieden bedeutet. bezeichnet. Daniela Mayrhofer 2005 . vom griechischen heteros. die sich auf der Sonne zugewandten Seite in einer Höhe von ca. in dem sich der solare Wind befindet.2. Diese physikalischen Grundgrößen sind für die drei Raumkoordinaten x. Aus diesem Grund werden sie als Feldgrößen bezeichnet. Und es werden wichtige Gesetze erklärt. Definition des Luftdrucks Der Luftdruck ist definiert als das Gewicht einer Luftsäule an ihrer unteren Begrenzungsfläche bezogen auf die Flächeneinheit. In diesem Kapitel werden die meteorologischen Elemente beschrieben. Die Datenerfassung der meteorologischen Elemente erfolgt heute hauptsächlich über elektronische Messfühler. Luftdruck 3. Im Anschluss an jedes Teilkapitel wird auf die verschiedenen Messmethoden eingegangen. y und z und für die zeitliche Komponente t definiert. dass der Druck in alle Richtungen wirkt. Die meteorologischen Elemente 19 3. dass der Luftdruck höhenabhängig ist und mit der Höhe abnehmen muss. wobei zwischen den beiden Größen folgender Zusammenhang besteht: 1 hPa = 1 mbar = 100 N/m2 Daniela Mayrhofer 2005 . In weiterer Folge werden die gesammelten Werte auf den Computer übertragen und gespeichert.1. Luftfeuchte. Luftdichte. weil diese einen wesentlichen Teil meiner praktischen Arbeit darstellten. welches durch die Schwerebeschleunigung verursacht wird. Dabei ist es wichtig zu beachten. Diese Tatsache folgt aus den einzelnen Bewegungen und Stößen der frei beweglichen Gasmoleküle.3.1. 3.1. Die meteorologischen Elemente Die meteorologischen Elemente sind Luftdruck. Aus dieser Definition ist auch ersichtlich. Lufttemperatur. Windgeschwindigkeit und Strahlung. Die Einheit des Luftdrucks in der Meteorologie ist Hektopascal oder Millibar. ..1.. Sie lautet: p ⋅ V = n ⋅R ⋅ T p .... Volumen der Einzelgase Daniela Mayrhofer 2005 .. allgemeine Gaskonstante [J/(mol K)] T . also n 2 V2 = n1 V1 ni . Gesetz von Avogadro Das Avogadrosche Gesetz besagt. dass das Verhältnis der Teilchenzahl zweier Gase gleich dem der Volumina ist...... wenn die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Gasmolekülen vernachlässigt werden kann... Anzahl der Mole (es gilt n = m/M) [mol] R .... die speziellen Gaskonstante für trockene Luft ist. Die allgemeine Gasgleichung beschreibt den Zusammenhang dieser drei Größen in einem idealen Gas.. dass bei gleichem Druck und bei gleicher Temperatur alle idealen Gase bei gleicher Teilchenzahl auch gleiches Volumen besitzen... Volumen [m3] n .. absolute Temperatur [K] m (Masse m und Molmasse des M Die Dichte ρ steckt über die Zusammenhänge n = Gases M) und ρ = m in der obigen Gleichung..2...... Anzahl der Mole Vi ..3.. Temperatur und Dichte definiert wird. Die meteorologischen Elemente 20 3. wobei RL. Ein Gas wird als ideal angesehen........ Druck [N/m2] V ... das über die drei Zustandsgrößen Druck. mit RL = R/M.. Dies beinhaltet.... Die allgemeine Gasgleichung schreibt V sich dann p = ρ ⋅ R L ⋅ T . Wichtige Gesetze zum Druck Allgemeine Gasgleichung Die Luft ist ein Gasgemisch. 3.1. Die Herleitung erfolgt über die statische Grundgleichung.1. Der Druck des Gemisches ergibt sich aus der Summe der Partialdrucke der einzelnen Komponenten. dass die Abnahme proportional zur Schwerebeschleunigung und zur Dichte ist. ∆p = p1 − p 2 = ρ ⋅ g ⋅ (z 2 − z 1 ) = −ρ ⋅ g ⋅ (z 1 − z 2 ) = −ρ ⋅ g ⋅ ∆z ∆z →0 Abb. Sie beschreibt die Abnahme – durch das negative Vorzeichen ersichtlich – des Luftdrucks mit der Höhe.: Skizze zum Verständnis der statischen Grundgleichung lim ∆p ∂p = = −ρ ⋅ g ∆z ∂z Die letzte Formel bezeichnet man als statische Grundgleichung. also Beschleunigungen.) erhält.3. 1 ∂p ⋅ +g=0 ρ ∂z Die einzelnen Terme der Gleichung bezeichnen Kräfte pro Masseneinheit. 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 zusätzlichen Druck ∆p = p1 – p2 aus. Es gilt also: p i Vi n i = = p V n ∑p Barometrische Höhenformel i =p und Die barometrische Höhenformel beschreibt mathematisch. die den Abstand ∆z = z1 – z2 haben. Die meteorologischen Elemente 21 Gesetz von Dalton Der Partialdruck jeder einzelnen Komponente eines Gemisches idealer Gase ist unabhängig von der Anwesenheit der anderen Gase. Zusätzlich besagt sie. Die statische Grundgleichung kann aber auch als ein Kräftegleichgewicht zwischen der vertikalen Komponente der Druckgradientkraft und der Schwerkraft verstanden werden. wie sich der Luftdruck in Abhängigkeit von der Höhe verhält. Daniela Mayrhofer 2005 . Mit Hilfe der Schwerebeschleunigung g berechnet man diesen Druck aus dem Gewicht der Luft pro horizontale Flächeneinheit zwischen den beiden Niveaus. die man aus der einfachen Darstellung einer Luftschicht (Abb.3. Im Vergleich zu anderen Beschleunigungen in unserer Atmosphäre hat g einen sehr großen Wert.4 km größer ist als an den Polen. wodurch sich Folgendes ergibt: ¶ p ¶z = - p ×g RL T Diese Gleichung wird über die Höhe z integriert. Die Schwerebeschleunigung auf Meeresniveau beträgt: an den Polen g90 = 9. wodurch man Folgendes erhält: g ⋅ (z − z 0 ) 1 g p ∫ p dp = − R L T z∫ dz ⇒ ln p 0 = − R L T p0 0 p z g⋅( z − z 0 ) RL T ⇒ p = p0 ⋅ e − Die letzte Formel ist die barometrische Höhenformel für eine isotherme Atmosphäre.83257m/s2 in 45° Breite g45 = 9. dass die Schwerebeschleunigung überall auf der Erde einen anderen Wert aufweist. Die Variablen p und z werden getrennt integriert. weshalb es zwei Ansätze gibt – einerseits wird die Temperatur als konstant und andererseits als linear (Funktion der Höhe) angesehen. Letztere kann als konstant angesehen werden.78084 m/s2 Bei der Herleitung der barometrischen Höhenformel wird die Dichte ρ mit Hilfe der Gasgleichung ersetzt. In der Meteorologie wird diese Tatsache vernachlässigt. Ein wichtiger Aspekt in diesem Zusammenhang ist. Die meteorologischen Elemente 22 Zur Erläuterung nun kurz zur Schwerebeschleunigung g. sondern auch der geographischen Breite ϕ. dass g nicht nur eine Funktion der Höhe z ist. dass sowohl Temperatur als auch Schwerebeschleunigung eine Funktion von der Höhe sind. da der Unterschied verschwindend gering ist.80665 m/s2 (= gN) am Äquator g0 = 9. Wird die Temperatur als konstant vorausgesetzt. handelt es sich um eine isotherme Atmosphäre. Sie stammt hauptsächlich von der Anziehungskraft der Erde und zu einem kleinen Teil aus der Zentrifugalkraft der Erdrotation. Dabei ist darauf zu achten. Sie beschreibt die exponentielle Abnahme des Drucks p (mit der Höhe z) ausgehend vom Druck p0 und dem Höhenniveau z0 mit der Höhendifferenz Daniela Mayrhofer 2005 . da der Erdradius am Äquator um 21. Das hängt davon ab. Die Temperatur ist schwieriger zu betrachten. wie im Infokasten erläutert wurde.3. um den Druck in Abhängigkeit von der Höhe zu erhalten. um zu einem guten Ergebnis zu gelangen.: Aufstieg einer Radiosonde) sollte man allerdings eine Aufteilung in mehrere dünnere Schichten vornehmen. da sich die barometrische Höhenformel ja aus der allgemeinen Gasgleichung herleitet. Die Annahme. wodurch die Integration um einiges komplizierter ausfällt. 3. da T mit der Höhe abnimmt. Die meteorologischen Elemente 23 (z – z0). Der Ansatz mit linearer Temperatur berücksichtigt die Höhenabhängigkeit von T. das sind Linien gleichen Luftdrucks. Aus diesem Grund verwendet man die mittlere Temperatur zwischen den Höhenschichten z0 und z.65° pro 100 m. Der Luftdruck ist in einer Bodenwetterkarte auf Isobaren. dass die Temperatur konstant bleibt. Der Ausdruck RL ⋅ T wird in der Meteorologie als Skalenhöhe H bezeichnet. Bei einer Berechnung über mehrere Kilometer (z. Bevor die Luftdruckwerte eingetragen werden können. wird der Realität aber nicht gerecht. Neben den Luftdruckwerten werden auch noch andere meteorologische Daten eingezeichnet.1. g Sie beträgt ca. Bei einer Bodenwetterkarte handelt es sich um eine genaue Analyse des derzeitigen Wettergeschehens.3.3. Die barometrische Höhenformel wird zur Reduktion des Luftdrucks auf Meeresniveau (Normal-Null oder NN) verwendet. führt zu einer Vereinfachung der Integration. müssen sie mit Hilfe der barometrischen Höhenformel auf Meeresniveau Daniela Mayrhofer 2005 . In der Praxis ist es ausreichend von einer isothermen Atmosphäre auszugehen. Die Temperatur muss in Kelvin (!) angegeben werden.B. 8 km (bei T = 273 K). eingezeichnet werden. Im Mittel beträgt diese Abnahme 0. auf die in diesem Zusammenhang nicht näher eingegangen wird. Luftdruckverteilung an der Erdoberfläche Die an der Erdoberfläche gemessenen Luftdruckwerte werden in so genannten Bodenwetterkarten eingetragen. die den Luftdruck auf Meeresniveau darstellt. 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 auf verschiedenen Höhen gemessenen Luftdruckwerte werden dadurch vergleichbar und können in einer Bodenwetterkarte. einzeichnet. das heißt. dass in einer Höhe von 8 km der Luftdruck nur noch 37% des Bodenluftdrucks beträgt. Im Folgenden wird auf einige Auffälligkeiten des Luftdrucks eingegangen. Ansonsten würden die Isobaren die Höhenschichtlinien wiedergeben.1. • Auf der Nordhalbkugel wird durch die Land-Wasser-Verteilung Folgendes klar – im Winter herrscht hoher Luftdruck über den Kontinenten. • • Die bodennahen Winde wehen meist schräg zu den Isobaren. Aneroidbarometer werden Siedepunktbarometer Quecksilber- häufigsten Aneroidbarometer verwendet. In der Variationen das Meteorologie gibt. Im folgenden und das am Teilkapitel wird das und Flüssigkeitsbarometer. 1080 hPa). Luftdruckmessung Der Luftdruck wird mit Hilfe von Barometern gemessen. wodurch mehr Störungen verursacht werden. im Sommer hingegen tiefer Luftdruck. Die Luftdruckwerte in Mitteleuropa schwanken um die 1020 hPa. Die tiefsten Werte werden im Kern von tropischen Wirbelstürmen gemessen (unter 900 hPa). aber auch im Islandtief sind solche tiefen Werte möglich (bis ca. Die höchsten Werte treten oft im Kältehoch Innerasiens auf (bis ca. Die meteorologischen Elemente 24 reduziert werden. die es in den unterschiedlichsten vorgestellt. als auf der Nordhalbkugel. 910 hPa). das mit Quecksilber (oder Wasser) gefüllt ist.3. Dabei ist diese Abhängigkeit auf der Südhalbkugel besser zu beobachten. wobei Mittelwerte herangezogen wurden: • Die mittlere Bodendruckverteilung ist von der geographischen Breite abhängig. können aber auch leicht Werte bis zu 1040 hPa erreichen.3. Flüssigkeitsbarometer Das Flüssigkeitsbarometer ist ein halboffenes gerades oder u-förmiges Rohr (siehe Abb.4. und nicht senkrecht.). 3.2. Daniela Mayrhofer 2005 . Diese Tatsache folgt aus der LandWasser-Verteilung im Norden. Ein Torr ist „1-mm-Quecksilbersäule“ oder der Druck von 1 mm Quecksilbersäule bei 0°C und Normalschwere gN. Die meteorologischen Elemente 25 Das erste Messgerät stammt vom Italiener Evangelista Toricelli (1644). Hierbei ist zu beachten.. Die Höhe der Quecksilbersäule beträgt bei Normalbedingungen (STP = Standard Temperature Pressure) 76 cm – gemessen von der Oberfläche des Quecksilbers in der Wanne bis zum oberen Quecksilberspiegel. wie es Otto von Guericke im Jahr 1654 versucht hat. Die Umrechnung zwischen den Einheiten ist: 1 mm Hg = 1 Torr = 1.: Flüssigkeitsbarometer: Links: u-förmiges Rohr Rechts: Toricelli-Rohr p = ρHg ⋅ g ⋅ h Der Luftdruck lässt sich also mit Hilfe dieser Formel berechnen.2.00 ⋅ 10 3 kg / m 3 und hH2O = 10.33322 hPa In der heutigen Zeit wird das Torr noch zur Angabe von Blutdruckwerten verwendet.76 m) kennt.2. Für die Schwerebeschleunigung wird gN1 verwendet.22 (Infokasten) 2005 Daniela Mayrhofer . S. und eine Wanne voller Quecksilber. Diese Stellung stellt ein Gleichgewicht des Quecksilbers auf dem Niveau α zwischen dem von der Säule ausgeübten Druck und dem äußeren Luftdruck dar. dass es sich um den Luftdruck bei 0°C handelt. Dabei sinkt die Quecksilbersäule und darüber entsteht Unterdruck. 1 siehe Kapitel 3. Früher verwendete man als Einheit für den Luftdruck das Torr. das sich auf das Quecksilberbarometer bezieht. In dieser Einheit beträgt der mittlere Luftdruck auf Meeresniveau 760 Torr. wenn man die Dichte von Quecksilber (ρHg = 13. wenn man anstatt Quecksilber Wasser ( ρ H2O = 1. Auf Meeresniveau (also NN) erhält man dann für den Luftdruck einen Wert von 1013.25 hPa. Der von der Säule ausgeübte Druck hängt von der Höhe folgendermaßen ab: Abb. das er vollständig mit Quecksilber füllte. Dieselbe Überlegung gilt. in die er das Rohr senkrecht hineinstellte.332 m ) verwendet.3. Er verwendete bei seinem Versuch ein halboffenes gerades Rohr.1.595⋅103 kg/m3) und die Höhe (hHg = 0.3. um den wahren Luftdruck zu erhalten. weshalb die Dosen auch Vidie-Dosen genannt werden. Diese verhindert ein Zusammendrücken der Abb. Aneroidbarometer In der Meteorologie wird ein Aneroidbarometer oder Dosenbarometer bei veränderlichem Messort und bei geringen verwendet. ist eine Korrektur notwendig.0° C ⋅ gN ⋅ h ⋅ Ablesung Das Quecksilberbarometer erreicht Messgenauigkeit. Da diese Bedingungen nur höchst selten auf eine Messung zutreffen.5 cm2 und Q = 25 cm2 (typische Werte) sind.3. in der sich eine elastische Metallfeder befindet. Dieser Wert beträgt bei gebräuchlichen Quecksilberbarometern 0.: Prinzip eines Aneroidbarometers ρ Hg ρ Hg. Die meteorologischen Elemente 26 Beim Quecksilberbarometer mit geradem Rohr ist eine direkte Ablesung des Luftdrucks möglich. Steigt oder fällt nun der obere Quecksilberspiegel um die Länge ∆l.3.0° C ⋅ g gN Korrektur mit dieser Korrektur eine sehr gute Messgenauigkeitsansprüchen Daniela Mayrhofer 2005 . Bei der direkten Ablesung muss zusätzlich eine 1/(1+q/Q) reduzierte Skala angebracht werden. Das erste Aneroidbarometer wurde vom Franzosen Lucien Vidie im Jahr 1844 gebaut. liefert das Quecksilberbarometer nur bei einer Temperatur von 0°C und Normalschwere gN brauchbare Werte. Dafür bringt man eine feste Skala am Rohr an. Wie vorhin schon erwähnt.98. dann gilt für ∆h: q  ∆h = 1 +  ⋅ ∆l  Q In dieser Formel bezeichnet q den Flüssigkeitsquerschnitt im Rohr und Q den inneren Querschnitt der Quecksilberwanne. Es gilt: p = ρ Hg ⋅ g ⋅ h = ρ Hg. mit einem Durchmesser von einigen Zentimetern und einer Höhe von weniger als 1 cm. wenn q = 0. Ein Dosenbarometer besteht aus einer teilevakuierten Metalldose.3. Dies ist leicht zu verstehen. Das Aneroidbarometer weist gegenüber dem Flüssigkeitsbarometer folgende Vorteile auf: • Durch die geringe Größe der Dose ist eine leichte Transportfähigkeit gegeben. Als großer Nachteil ist die geringere Messgenauigkeit zu erwähnen.2.B. S. Aus diesem Grund wird das Aneroidbarometer auch als Höhenmesser verwendet. dann wirkt die Elastizitätszunahme bei Temperaturzunahme der gleichzeitigen Druckerhöhung des eingeschlossenen Luftvolumens entgegen. • • Die Registrierung erweist sich als sehr einfach. wird die Längenänderung auf einer Skala angezeigt. wenn man die barometrische Höhenformel1 nach z auflöst: z . Das Aneroidbarometer findet auch als Höhenmesser Verwendung.1. weshalb mehrere Dosen miteinander verbunden werden. Es sind keine Korrekturen der Messung notwendig. Wird also eine bestimmte Luftmenge in der Dose belassen. Bimetall im Übertragungsmechanismus) kompensiert. wenn man die Temperaturabhängigkeit (zusätzlich zur Teilevakuierung) durch technische Maßnahmen (z. weil sich die Elastizität der Feder und der Metalldose mit der Temperatur erhöhen.3. Das passiert. als bei hohen Temperaturen. Die meteorologischen Elemente 27 Dose. um den Effekt zu vergrößern.z0 = p0 RL T × ln g p 1 siehe Kapitel 3. Bei steigendem (fallendem) Luftdruck wird die Dose zusammengedrückt (nach außen gebogen) und mittels eines Hebels. damit die Temperaturabhängigkeit des Messgerätes vernachlässigt werden kann. Die Teilevakuierung der Metalldose ist erforderlich.: Verwendung bestimmter Materialien. Die Längenänderung zeigt nur einen geringen Ausschlag. Das Prinzip beruht darauf. die wegen der kleinen Längenänderungen und der Lagerreibung von Übertragungsgliedern zustande kommt.. der mit der Feder verbunden ist. Unter der Annahme gleichbleibenden Luftdrucks würde die ganz leer gepumpte Dose nämlich bei niedrigen Temperaturen einen geringeren Ausschlag anzeigen.22 2005 Daniela Mayrhofer . dass sich die Federkraft der Dose und der äußere Luftdruck die Waage halten. Systeme.1.16 900 96. dem so genannten thermischen Gleichgewicht.2: Siedepunkt über reinem Wasser bei verschiedenen Luftdruckwerten In der Meteorologie wird dieses Messgerät selten verwendet.00 Tabelle 3. Wie das Aneroidbarometer wird auch das Siedebarometer zur Höhenmessung verwendet. dass der Siedepunkt von Wasser vom Luftdruck abhängt. werden einige charakteristische Werte zwischen Luftdruck p und Siedepunkt TV über reinem Wasseraufgezeigt.8 Daniela Mayrhofer 2005 . [2].20 1000 99. S. Diese Tatsache ist im nullten Hauptsatz der Thermodynamik zusammengefasst. Lufttemperatur 3. Man versteht unter dem Siedepunkt jene Temperatur. die sich miteinander im thermischen Gleichgewicht befinden.71 950 98.2. S. zu einem Gesamtsystem. In Tabelle 3. Definition der Temperatur Ursprünglich leitete man den Begriff der Temperatur aus der Wärme. bis sich das Gesamtsystem in einem Gleichgewichtszustand befindet.39 vgl. In beiden Systemen laufen dann verschiedene Prozesse ab. auch Siedethermometer oder Hypsometer genannt.bzw. 3.3. sie besitzen dieselbe Temperatur. [6].3. bei der der Sättigungsdampfdruck1 der Flüssigkeit gleich dem äußeren Luftdruck ist.1.39 3 vgl.2. Dazu vereinigt man zwei Systeme.3 1 2 siehe Kapitel 3. die sich jeweils im Gleichgewichtszustand befinden. Zur Definition verwendet man den Begriff des Gleichgewichtszustandes eines Systems. obwohl es ein sehr genaues Messgerät ist. P [hPa] TV [°C] 850 95.2. S.1. Es ist einfach viel zu empfindlich und erfordert in seiner Handhabung große Sorgfalt. haben eine gemeinsame Eigenschaft.63 1050 101. beruht auf dem Prinzip. Die meteorologischen Elemente 28 Siedebarometer Das Siedebarometer. Kälteempfindlichkeit des Tastsinns ab – dies ist aber in der Thermodynamik nicht ausreichend. wodurch sich die Umrechnung sehr einfach gestaltet.B.: bei der Celsius-Skala den Gefrierpunkt des Wassers bei 0°C). die bereits bei der allgemeinen Gasgleichung1 pV = nRT erwähnt wurde.3. Dann erhält man über den Wert von ∆p/p0. den Wert der absoluten Temperatur des Nullpunktes (in unserem Beispiel ist dann T0 = 273. S. dass bei einer Temperatur von 0 K ebenso p = 0 sein muss. dass diese Überlegungen nur bei einem idealen Gas gültig sind.3.4. Es ist nun möglich mit dem Gasthermometer unbekannten den noch absoluten Temperaturwert T0 zu bestimmen. Es wird deutlich.15 K). Die meteorologischen Elemente 29 Die Temperatur ist eine Zustandsgröße. Bei einem konstanten Volumen ergibt sich für die relative Änderung des Druckes: ∆p = p nR ⋅ ∆T = 0 ⋅ ∆T V T0 ⇒ ∆p ∆T = p0 T0 Mit Hilfe eines Gasthermometers kann man die Temperatur über die Druckänderung bei konstantem Volumen ermitteln. Abb. sodass die obere Kante des Meniskus im linken Schenkel mit der Markierung (Pfeil) übereinstimmt.: Skizze eines Gasthermometers 1 siehe Kapitel 3.: 1 Grad in der Celsius-Skala) und definiert den Nullpunkt dieser Skala (z. indem das rechte Rohr auf und ab bewegt wird.2. Der Druck wird dabei mit einem u-förmigen Manometer bestimmt.20 2005 Daniela Mayrhofer . das dem ∆T von einem Grad entspricht. Mit der Festlegung der Celsius-Skala kennt man auch die absolute Temperatur T0 bei 0°C und die absolute Temperaturskala. Dabei darf man nicht übersehen. Man erkennt.. die so genannte Kelvin-Skala. Das Volumen des Gases wird mit Hilfe des beweglichen Schlauches konstant gehalten.1.B. dass die Kelvin-Skala und die Celsius-Skala dieselbe Skaleneinteilung besitzen. Man wählt dazu einen bestimmten Temperaturunterschied (z. ..in Fahrenheit-Temperaturwerte bzw.2. Fahrenheit.. Mit der Kelvin-Skala steht die Celsius-Skala in folgender Beziehung: TK = TC + 273.... Fahrenheit-Skala Der Physiker und Glasbläser Daniel Gabriel Fahrenheit...Temperatur [K] TC. Die meteorologischen Elemente 30 3.in Celsius-Temperaturwerte ergibt sich: TF = TF.2... 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... Daniela Mayrhofer 2005 . wählte als unteren Fixpunkt den Schmelzpunkt einer definierten Eis-Wasser-Ammoniumchlorid-Kältemischung bei 0°F. Temperaturskalen Im Laufe der Zeit hat man verschiedene empirische Temperaturskalen entwickelt... Temperatur [°C] International wird heute aufgrund der einfachen Umrechnung hauptsächlich die Celsius-Skala verwendet.15 TK .3.. Temperatur [°C] 9 TC + 32 5 bzw. Temperatur [°F] TC.. Celsius-Skala Diese Temperaturskala geht auf den schwedischen Physiker Anders Celsius zurück... Für die Umrechnung von Celsius. Den oberen legte er mit Hilfe der normalen Körpertemperatur des Menschen bei 100°F fest..25 hPa.. der unter anderem das erste funktionierende Quecksilber-Thermometer entwickelte. TC = 5 (TF − 32) 9 Diese Temperaturskala findet heute hauptsächlich im angelsächsischen Raum Verwendung. die sich in der Festlegung der Fixpunkte und der Unterteilung unterscheiden.. 3.B. Mit dieser Umgebung ist in der Meteorologie nicht nur die Luft gemeint.2. damit es zu keiner Verfälschung der Ergebnisse kommt. Weiters darf das Thermometer keiner Strahlung ausgesetzt sein – hier sei vor allem die Sonnenstrahlung erwähnt. auch die Temperatur des Bodens und des Wassers (hier vor allem der Ozeane) ist von großem Interesse. was bedeutet.3. Um diesen beiden Faktoren gerecht zu werden.: Luftfeuchte. Die meteorologischen Elemente 31 Vergleich der Fixpunkte zwischen den einzelnen Temperaturskalen: Kelvin-Skala Schmelzpunkt von Wasser Siedepunkt von Wasser 273. werden Thermometer zur Messung der Lufttemperatur in einer Klimahütte untergebracht. Im Folgenden werden die Prinzipien der Messverfahren zur Bestimmung der Lufttemperatur erläutert. Die Temperaturmessung ist ein Basismessverfahren. Daniela Mayrhofer 2005 .15 CelsiusSkala 0° 100° FahrenheitSkala 32° 212° Tabelle 3. dass andere meteorologische Elemente (z. Bei der Messung der Temperatur muss eine gute Durchlüftung der Messgeräte gewährleistet sein.15 373.: Vergleich der Temperaturskalen 3.2. Messung der Lufttemperatur Bei der Messung der Temperatur bedient man sich meistens der Einstellung des thermischen Gleichgewichts zwischen dem Messfühler und der Umgebung. Wind) indirekt über die Temperatur ermittelt werden. .3. das mit einem Schreibarm verbunden ist. Abb..3.3. Durch diese Bauweise ist eine gute Durchlüftung gesichert. S. das mit einem Schreibarm verbunden ist.3. der die Werte auf einer Papierrolle aufzeichnet) Feucht.3.3. S.und Trockenthermometer (Psychrometer1) Stationsthermometer Maximumthermometer2 Minimumthermometer3 Zusätzlich befindet sich zur Belüftung ein Aspirator (mechanische Vorrichtung zum Ansaugen von Luft) in der Klimahütte. Die Tür der Klimahütte ist nach Norden ausgerichtet.2.42 siehe Kapitel 3.34 Daniela Mayrhofer 2005 . S. 1 2 siehe Kapitel 3. Der Boden besteht ebenfalls aus Holzlatten. der die Werte auf einer Papierrolle aufzeichnet) Hygrograph (Hygrometer.: Klimahütte Folgende Messgeräte befinden sich in einer Klimahütte: • • • • • • Thermograph (Thermometer.. Die meteorologischen Elemente 32 Die Klimahütte oder „Englische Hütte“ ist ein weiß angestrichenes Holzgehäuse mit doppelten Jalousienwänden und einem doppelten Dach. damit beim Öffnen keine direkte Sonnenstrahlung an die Messgeräte gelangt.2. Die Klimahütte wird zwei Meter über einer Wiese auf Latten befestigt.34 3 siehe Kapitel 3.5. Daniela Mayrhofer 2005 .: Flüssigkeitsthermometer Kapillare (Anzeigeröhrchen). nach oben ausdehnt. Am häufigsten werden als Flüssigkeiten Quecksilber oder verschiedene Alkoholarten verwendet. da das Quecksilber in der Kapillare gefrieren würde.B. Erwärmt sich nun das thermodynamische System. Bei der Messung von sehr tiefen Temperaturen (z. Schmelzpunkt [°C] Quecksilber Alkohol -38. Die meteorologischen Elemente 33 Flüssigkeitsthermometer Das Flüssigkeitsthermometer beruht auf dem Prinzip der bei befindet Ausdehnung Erwärmung. Den Trägheitsfehler versucht man mit schmalen Messfühlern herab zu setzten.6.7 +78 Tabelle 3.8 -117 Siedepunkt [°C] +356. Siedepunkt der Flüssigkeiten bestimmt.3. Man kann nun die Temperatur ablesen.3.: Vergleich der Schmelz.und Siedepunkte von Quecksilber und Alkohol In unseren Breiten ist die Verwendung des Quecksilberthermometers weit verbreitet und ausreichend. wirkt sich dies auf den Sensor aus und es stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein.3.bzw. sich in von Die einem Flüssigkeiten Flüssigkeit Vorratsgefäß und übernimmt in diesem System die Aufgabe des Sensors. da sich die Flüssigkeit in einer dünnen Abb. an der eine geeichte Skala angebracht ist. Der Einsatzbereich wird durch den unterschiedlichen Schmelz.: in Sibirien) kommt das Alkoholthermometer zum Einsatz. Die meteorologischen Elemente 34 Spezielle Formen von Flüssigkeitsthermometern: • Das Maximumthermometer ist ein Quecksilberthermometer Glaskapillare. in sich durch Sinkt durch dessen des eine die die die Abb.: Prinzip eines Minimumthermometers . steigt das Quecksilber nach oben. bis das Glasstäbchen an der Flüssigkeitsoberfläche anschlägt. Durch kräftiges Schütteln bringt man das Maximumthermometer wieder in seinen Ausgangszustand. da es den Flüssigkeitsfaden aufgrund der Oberflächenspannung nicht durchstoßen kann. dicht Thermometergefäßes.: Prinzip eines Maximumthermometers oberhalb Verengung befindet. Sinkt die Temperatur jedoch wird das Stäbchen verschoben. bringt man es wieder in die Ausgangsposition und man kann von neuem die Tiefsttemperatur messen. Bei Erwärmung Verengung nicht mehr Temperatur jedoch. Durch Kippen des Thermometers. ist das Quecksilber imstande Verengung durchzukommen und der Quecksilberfaden reißt ab.: eine organische als Alkohol) verwendet Flüssigkeit Thermometersubstanz. Daniela Mayrhofer 2005 Abb. Das Maximumthermometer findet außerhalb der Meteorologie als Fieberthermometer Anwendung.7. Man kann somit die Höchsttemperatur ablesen (meist Tageshöchsttemperatur). befindet sich ein bewegliches Glasstäbchen.B.8.3. die etwas weiter ist.3. In der Kapillare. bleibt Bei das Temperaturzunahme Glasstäbchen in seiner Position liegen.3. da die Reibung zwischen Glasstäbchen und Flüssigkeit zu gering ist. Das Minimumthermometer wird waagrecht aufgestellt. • In einem Minimumthermometer man (z. Bimetallthermometer Das Bimetallthermometer besteht aus zwei fest miteinander verbundenen Metallen. die aufgrund ihrer Reibung an der Kapillarenwand hängen bleiben.: Prinzip eines Bimetallthermometers Abb.: Prinzip eines MinimumMaximumThermometers Skaleneinteilung höheren Ausdehnungskoeffizienten besitzen. wie zum Beispiel als Sensor bei der thermostatischen Regelung in Kühlschränken und Bügeleisen. Die Stärke der Krümmung gibt Auskunft über die Temperatur.3. sobald das Quecksilber zurückgeht. Auf dem Schwimmer befinden sich feine Glaswimpern. die einen unterschiedlichen verbiegen sich bei thermischen Erwärmung in eine Abb. nach seinem Erfinder James Six auch Six-Thermometer genannt. zeigt sowohl die Höchst. Dieses besitzt eine nichtlineare Wärmeausdehnung. aber auch in anderen Bereichen. Die Metalle bestimmte Richtung – bei Abkühlung in die entgegengesetzte. der an seinen Enden jeweils ein bewegliches Eisenstäbchen (der so genannte „Schwimmer“) vor sich her schiebt. Die meteorologischen Elemente 35 • Das Minimum-Maximum-Thermometer. ölige Flüssigkeit) gefülltes Thermometergefäß und am anderen Ende ein Ausdehnungsgefäß – ebenfalls mit Kreosot gefüllt. Als Thermometerflüssigkeit fungiert die das Kreosot (nicht zu das Quecksilber).3. Anwendung findet das Bimetallthermometer bei mechanisch arbeitenden Thermographen. Daniela Mayrhofer 2005 .9. An einem Ende befindet sich ein mit Kreosot (das ist eine schwach gelbliche.3.als auch die Tiefsttemperatur an. Dazwischen ist ein Quecksilberfaden. Es besteht aus einer uförmigen Kapillare. weshalb bei Minimum-Maximum-Thermometern Temperaturen hin weiter wird.10. Mit Hilfe eines Magneten kann der Schwimmer wieder an das Quecksilber herangeführt werden und man kann eine neue Messung durchführen. 3. Die Messung mit einem Thermoelement wird durch Verunreinigung an der Lötstelle und Veränderung der Metallstruktur beeinflusst.). An jeder Lötstelle misst man nun die Temperaturdifferenz über die Differenz der Kontaktspannung. Zwei Drähte aus unterschiedlichem Material werden miteinander verlötet (siehe Abb.B. einer so genannten Thermobatterie. sodass zwei Lötstellen (das sind die dicken Punkte) entstehen.B.: Skizze eines Thermoelementes Messverfahren.11.: unmittelbar an der Oberfläche) • • geringer Strahlungseinfluss geringe Trägheit – ermöglicht Messungen bei turbulenten kurzperiodischen Temperaturschwankungen Daniela Mayrhofer 2005 .3.3 µV/K).11. 3. die von der Temperatur abhängt. jedoch handelt es sich Prinzip. hier dass um Es ein beruht elektrisches auf dem den beiden Abb. Die Vorteile eines Thermoelements gegenüber anderen Temperaturmessverfahren sind: • Kleinheit der Messfühler (Lötstellen) – ermöglicht Temperaturmessungen. Die meteorologischen Elemente 36 Thermoelemente Ein Thermoelement besteht ebenfalls aus zwei Metallen. Diese Temperaturdifferenz nennt man Thermospannung oder Thermokraft. Der Wert der Thermospannung beträgt nur einige Zehntel Millivolt (bei Kupfer und Konstantan 4. wo andere aufgrund ihrer Größe ungeeignet sind (z.: Kupfer und Konstantan) eine Kontaktspannung entsteht. deshalb verstärkt man diesen durch hintereinander geschaltene Thermoelemente. zwischen Metallen (z. ..3. wobei A und b Konstanten sind.. Die meteorologischen Elemente 37 Widerstandsthermometer Der elektrische Widerstand von Metallen ist eine Funktion der Temperatur..... da dieses Metall sehr korrosionsbeständig ist und gute Messergebnisse liefert. Widerstand bei der Temperatur T T . Widerstand bei der Bezugstemperatur T0 = 0°C R ... wie folgt: R = R 0 ⋅ (1 + αTC ) In der Praxis werden am häufigsten Platindrähte (αPt = +4⋅10-3 (°C)-1) verwendet.. Er lautet: α= 1 dR ⋅ R 0 dT R0 .. Heißleiter Heißleiter sind Halbleiter-Widerstandsthermometer. Temperatur Daraus ermittelt man den elektrischen Widerstand. Für den Temperaturkoeffizienten a erhält man: b a= Die Temperaturabhängigkeit von 1 dR b ⋅ =− 2 R dT T Heißleitern ist größer. der in guter Näherung eine lineare Funktion der Celsius-Temperatur TC ist. Die Abhängigkeit führt man über den Temperaturkoeffizienten α des elektrischen Widerstandes ein. als bei einem Widerstandsthermometer. die Thermistoren (NTCWiderstände) enthalten.... wodurch eine genauere Messung ermöglicht wird. Daniela Mayrhofer 2005 .. Der Zusammenhang zwischen den beiden Größen Temperatur T und elektrischer Widerstand R wird mit der Gleichung R(T ) = A ⋅ e T beschrieben. weshalb er zur Temperaturmessung eingesetzt wird.. 2. Meteorologisch gesehen ist diese Größe sehr wichtig.B..3. Je wärmer die Luft ist. 40 hPa) annehmen...: Regen) und gasförmig (z. flüssig (z.3.. bei 0°C lediglich 4. Dieser hängt von der Temperatur ab. desto mehr Feuchtigkeit kann sie aufnehmen..3.: Wolkenund Niederschlagsbildung.1. Reif) eine wesentliche Rolle spielt... Dichte des Wasserdampfes [kg/m3] RV .. Beispiel: 1 m3 Luft kann bei 20°C 17.3..B. dem Sättigungsdampfdruck e ∗ .. Wasser ist der einzige Stoff in der Atmosphäre der in allen drei Aggregatzuständen vorkommt. Daniela Mayrhofer 2005 . Definition der Luftfeuchte Die Luftfeuchte oder Luftfeuchtigkeit beschreibt den Wasserdampfgehalt der Luft. da das Wasser bei einer Vielzahl von meteorologischen Erscheinungen (z.8 g 3. Er wird in Hektopascal (hPa) angegeben und kann Werte zwischen 0 hPa (bei wasserdampffreier Luft) und seinem Maximalwert (ca. Der Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre ist sehr variabel und kann maximal 4 % der wirklichen Luft betragen. Temperatur [K] Über Eis herrscht ein niedrigerer Sättigungsdampfdruck.... spezielle Gaskonstante für den Wasserdampf [J/(kg K)] (es gilt: RV = R/MV mit MV = 18.016⋅10-3 kg/mol) T . Die meteorologischen Elemente 38 3. als über einer unterkühlten Wasseroberfläche mit derselben Temperatur.. Der Partialdruck lässt sich mit Hilfe der Gasgleichung (für den Wasserdampf) folgendermaßen beschreiben: e = ρV ⋅RV ⋅ T ρV .: Wasserdampf)..3 g Wasserdampf aufnehmen... Nebel. jedoch nicht vom Luftdruck. Luftfeuchte 3.: Hagel).B.. Die verschiedenen Feuchtmaße Dampfdruck Der Dampfdruck e bezeichnet den Partialdruck des Wasserdampfes.B. Tau. also fest (z. ..5⋅106 J/kg bei 0°C) T .. Temperatur ∆v ...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. Sättigungsdampfdruckkurve über unterkühltem flüssigen Wasser... bW . wobei a .3. welches die Abhängigkeit der Aggregatzustände Wasserdampf.. spezifische Verdampfungswärme von Wasser (= 2. Abb.......... Differenz der spezifischen Volumina Daniela Mayrhofer 2005 .11 hPa) Die Sättigungsdampfdruckkurve wird mit Hilfe der Clausius-Clapeyron-Gleichung beschrieben: de * L W = dT T∆v L . an einem Punkt befinden sich alle drei Phasen im Gleichgewicht.. der so genannte Tripelpunkt (bei +0.3. Sättigungsdampfdruckkurve über flüssigem Wasser. Schmelzdruckkurve (besitzt in Wahrheit schwache Neigung) ist.) darstellen. 3.. Sättigungsdampfdruckkurve über Eis und c • . bE ... flüssiges Wasser und Eis von Druck und Temperatur zeigt......12..... Die meteorologischen Elemente 39 Der Sättigungsdampfdruck lässt sich in einem Phasendiagramm (Abb.0099°C und 6. W Absolute Luftfeuchte Die absolute Feuchte a bezeichnet die Dichte des Wasserdampfes ρV.15 e RV ⋅ T Gibt man in der obigen Gleichung den Dampfdruck in hPa und die Temperatur T in °C an. damit man e ∗ in hPa herausbekommt. dann erhält man die absolute Feuchte in g/m3. oder einfacher das Verhältnis der Dichte des Wasserdampfes ρV zur Dichte der feuchten Luft ρm. die zu empirischen Formeln zur Berechnung von e ∗ führen. Die Magnus-Formel sei in diesem Zusammenhang stellvertretend W erwähnt: e * W 17.3. das bedeutet die Masse des Wasserdampfes pro Volumeneinheit feuchter Luft. q: = mV ρV = mm ρm Diese Größe ist dimensionslos. 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.1⋅TC 235 + TC = 6. Die SI-Einheit beträgt kg/m3. Daniela Mayrhofer 2005 .793 ⋅ e T 1+ 273. trotzdem gibt man sie häufig in g/kg an. gibt man die absolute Feuchte meist mit g/m3 an. aber um handliche Zahlenwerte zu erhalten. Die absolute Luftfeuchte steht mit dem Dampfdruck durch die Gasgleichung für den Wasserdampf in Verbindung: a : = ρV = Die Umrechnung erfolgt durch: ρV = 0. Die meteorologischen Elemente 40 Den Sättigungsdampfdruck über Wasser e ∗ erhält man aus der direkten Integration W oder durch experimentelle Bestimmung.1078 ⋅ e wobei TC die Temperatur in °C ist. h. Dadurch sind sie bei vielen meteorologischen Prozessen von großer Bedeutung. bei der der Sättigungsdampfdruck über Wasser gleich dem vorhandenen Dampfdruck ist. Es gilt: m:= ρ V 0.. Dieser Zusammenhang W wird beim Taupunkthygrometer verwendet. die spezifische Feuchte q und das Mischungsverhältnis m. e : = e ∗ (τ) .3.. Aus diesem Grund ändern sich ihre Werte bei Druck.. Die meteorologischen Elemente 41 Für den Zusammenhang zwischen spezifischer Feuchte q. f := e e (T ) ∗ W Die relative Luftfeuchte ist eigentlich dimensionslos. beschreiben Verhältnisse von Massen im gleichen Volumen. wird meistens aber in % angegeben.. 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. Verhältnis der Gaskonstanten trockener und feuchter Luft (ε = RL/RV = 0. Beide Größen. Taupunkt Der Taupunkt τ ist jene Temperatur. Daniela Mayrhofer 2005 . d. Partialdruck des Wasserdampfes e und Gesamtdruck p erhält man: e ×e q = p ε ..622) Mischungsverhältnis Das Mischungsverhältnis m ist definiert als das Verhältnis der Dichte des Wasserdampfes zur Dichte des Anteils der trockenen Luft ρ d .und Temperaturänderungen nicht.. Dennoch wird es häufig mit g/kg bezeichnet.622 ⋅ e = ρd p−e Wie die spezifische Feuchte besitzt das Mischungsverhältnis keine Dimension. dicht nebeneinander. Um eine genaue Messung zu gewährleisten. Je nach Einsatzbereich wird das optimale Messgerät verwendet. Messung der Luftfeuchte Geräte zur Messung der Lufttemperatur heißen im Allgemeinen Hygrometer.3.3. Psychrometer Das Psychrometer beruht auf dem Prinzip der Abhängigkeit von Luft fördert der den die Verdunstung Luft sie.3. wobei eines trocken und das andere feucht ist. Die Möglichkeiten der Verfahren sind vielfältig. Die meteorologischen Elemente 42 3.13. angebrachten Thermometern. Thermometer kann man nicht nur das Flüssigkeitsthermometer.: Skizze eines Psychrometers Feuchtverhältnissen der umgebenden – trockene Verdunstung und feuchte Luft hemmt gehalten. sondern auch das Widerstandsthermometer verwenden. Letzteres wird mit Hilfe eines in destilliertem Strumpfes Wasser feucht getränkten Als Abb.3. Das Messgerät besteht aus zwei gleichen. müssen folgende Faktoren erfüllt sein: • • • verchromte Strahlungsschutzrohre über den Temperatursensoren gute Durchlüftung der Messfühler automatische Wassernachfüllung zum Strumpf Daniela Mayrhofer 2005 . Das bekannteste und genaueste Psychrometer ist jenes nach Aßmann... Haarhygrometer Das Haarhygrometer beruht auf dem Effekt. S.3.. Sie lautet: ∗ e L = e F − A ⋅ (TL − TF ) eF .. der das menschliche Haar als Sensor zur Messung der Luftfeuchte verwendete (1783)...3.. Es ist lediglich darauf zu achten.. Temperatur des feuchten Thermometers (Feuchttemperatur) TL .2.66 hPa/K angegeben) TF . Die Verlängerung beträgt ca..5 %. Haarhygrometer können bei einem Temperaturbereich von -20 bis +50°C eingesetzt werden.. Horace Bénédict de Saussure war der Erste. Der Zusammenhang verläuft nicht linear – die Längenänderung ist bei geringer Luftfeuchte größer. 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. dass die Werte in der Tabelle für Normalluftdruck gelten und daher bei einem davon abweichenden Luftdruck korrigiert werden müssen.... verwendet man die ideale Psychrometergleichung zur Ermittlung des Dampfdrucks eL. da die Änderung der Länge von der Temperatur nahezu unabhängig ist.32 2005 Daniela Mayrhofer . 2.. Zusätzlich sind die Thermometer mit einem verchromten Gehäuse versehen. als bei hoher.... damit weitgehend eine Abschirmung vor kurz.. Sättigungsdampfdruck bei feuchter Luft A .... wenn sich die relative Luftfeuchtigkeit von 0 auf 100 % verändert... das bedeutet sie verlängern sich bei Wasserdampfaufnahme. ∗ 1 siehe Kapitel 3.. dass Haare hygroskopisch sind. Psychrometerkonstante (üblicherweise für 1000 hPa und unabhängig von Temperatur und Feuchte mit einem Wert von 0. Der Wassergehalt des Haares ist ein Maß für die relative Luftfeuchtigkeit bei herrschender Lufttemperatur. Die meteorologischen Elemente 43 Erfüllt das Psychrometer die angeführten Faktoren für eine genaue Messung.. Dabei werden beide Thermometer von einem Aspirator1 belüftet.und langwelliger Strahlung gegeben ist. 3. sollte das Haar öfters gereinigt werden. Die meteorologischen Elemente 44 Haare. dass der Spiegel bei starker Kondensation geheizt wird bzw. Bei erhöhter Luftfeuchtigkeit vergrößert sich der Abstand zwischen den einzelnen Kohleteilchen. Der Spiegel wird somit durch das Fotoelement auf Taupunkttemperatur gehalten. ob der Spiegel beschlagen ist oder nicht. müssen entfettet und gereinigt sein. die in einem Messinstrument verwendet werden. Die Rinderhaut dehnt sich bei Wasseraufnahme flächenmäßig aus. In diesem Fall handelt es sich um eine entfettete Rinderhaut. die in weiterer Folge gemessen wird und somit die absolute Luftfeuchte bestimmt werden kann. Das Durchbiegen in der Mitte des Rahmens ist dann ein Maß für die Luftfeuchte. bei fehlender Kondensation gekühlt wird. Dazu ist ein Fotoelement eingebaut. dessen Temperatur gemessen wird. zusätzlich werden sie noch gebündelt (bis zu 50 Haare). Die Goldschlägerhaut und das Kohlefilm-Hygrometer verwendete man in Radiosonden. Um Messfehler zu vermeiden. Daniela Mayrhofer 2005 . wodurch sich die elektrische Leitfähigkeit verändert. sobald Kondensation auftritt. Diese wird gemessen und somit die relative Luftfeuchte ermittelt. Er sorgt zusätzlich dafür. Trotzdem erreicht das Haarhygrometer keine größere Messgenauigkeit als 3 %. das durch die reflektierte Strahlung merkt. Taupunkthygrometer Das Taupunkthygrometer oder Kondensationshygrometer besteht aus einem kleinen Spiegel. Goldschlägerhaut Diese Verfahren zur Messung der Luftfeuchtigkeit beruht ebenfalls auf dem Prinzip eines hygroskopischen Stoffes. da es sehr empfindlich gegen Staub ist. Kohlefilm-Hygrometer Beim Kohlefilm-Hygrometer werden Kohleteilchen in einen hygroskopischen Stoff eingebettet und ein dünner Film dieses Gemisches auf eine Glasplatte gegeben. die in einem Rahmen eingespannt ist. Vektor der Windgeschwindigkeit r v H . d.... dass sich die Windgeschwindigkeit in eine horizontale und in eine vertikale Komponente zerlegen lässt.1.4.4. Definition der Windgeschwindigkeit Die Windgeschwindigkeit wird als bewegte Luft definiert und ist eine vektorielle Größe – sie besitzt also Betrag..14. Bei der Messung wird häufig nur die Horizontalkomponente berücksichtigt und das aus folgenden zwei Gründen: • • Die Vertikalkomponente weist meistens einen Wert auf. horizontale Windgeschwindigkeitsvektor ϕ . Die meteorologischen Elemente 45 3. w . in dem die x-Achse nach Osten. r v . die y-Achse nach Norden und die z-Achse nach oben (also entgegen der Schwerkraft) zeigt. der um den Faktor 10 3 bis 10 4 kleiner ist als der Wert der Horizontalkomponente. v.. Winkel der Zenitdistanz λ . Die Bestimmung der Vertikalkomponente erweist sich als äußerst schwierig. Windgeschwindigkeit 3. Daniela Mayrhofer 2005 .... wie zum Beispiel beim Absinken der Luft in einem Hochdruckgebiet......: Darstellung von v in einem kartesischen Koordinatensystem r Aus dem obigen Bild ist ersichtlich.. und Richtung. Azimutwinkel r u. Windstärke.3... Für das Wettergeschehen spielt die Vertikalkomponente trotzdem eine wesentliche Rolle. Im alltäglichen Gebrauch verwendet man oft die Bezeichnung Kilometer pro Stunde (km/h) oder Knoten (kt).3.h... In der Meteorologie stellt man die Windgeschwindigkeit in einem kartesischen Koordinatensystem dar. Komponenten des Vektors v Abb. Die Einheit der r Windgeschwindigkeit v gibt man in Meter pro Sekunde (m/s) an........ Abb. Die Windstärke hängt von zwei Faktoren ab.3. Die meteorologischen Elemente 46 Bei der Windrichtung definiert man eine 36-teilige Skala auf einer Windrose (siehe Abb. einerseits von der Höhe des auszugleichenden Druckunterschiedes und andererseits von der Entfernung zwischen den beiden Orten. Auf der Nordhalbkugel wird der Wind nach rechts (aus der Sicht des mit dem Wind mitbewegten Beobachters) abgelenkt – auf der Südhalbkugel nach links. 3. nimmt mit der geographischen Breite zu. Die Angabe 00 bedeutet Windstille (auch Calmen genannt). Daniela Mayrhofer 2005 . deren Ursprung in der Trägheit sich bewegender (Luft-)Massen und in den unterschiedlichen Erdumfängen (vom Äquator bis zum Pol) liegt. als über dem Meer. desto mehr wird sie abgelenkt. 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. Windrichtung und Windstärke werden bei lokalen Winden allein vom Druckunterschied bestimmt. Die Richtungsangabe erfolgt immer aus der Herkunft des Windes.). Die Druckunterschiede entstehen aufgrund der unterschiedlichen Erwärmung der Erde – die Luft über dem Festland heizt sich schneller auf. Am Äquator hat die Corioliskraft den Wert Null. also je größer die Windstärke. in diesem Fall ist die Windgeschwindigkeit zu gering.15.3. um eine Richtung anzuzeigen. Es gilt immer. je höher der Unterschied zwischen den Luftdruckwerten und je größer der Abstand.: Angabe der Windrichtung mit Hilfe einer 36-teiligen Skala 3.4.15. Charakteristika der Windgeschwindigkeit Die Windgeschwindigkeit ist bewegte Luft und strömt von einem Ort höheren Luftdrucks zu einem Ort niedrigeren Luftdrucks. desto stärker weht der Wind.2. Zusätzlich hängt diese noch von der Windgeschwindigkeit ab. Die Reibung wird bei diesem Modell vernachlässigt. angebracht sind und sich um eine vertikale Achse drehen. auch Schalensternanemometer genannt. Es besteht aus drei. Da der Wind keine kontinuierliche Größe ist. Sie zeigt in die Richtung aus der der Wind kommt. ausschließen kann.3. Daniela Mayrhofer 2005 . Der Wind wird in einer Höhe von 10 m registriert. Die Anzeige erhält man über ein ringförmiges elektrisches Potentiometer. wird zur Registrierung der Windstärke am häufigsten verwendet. wie zum Beispiel Häuser. Das Prinzip des Schalenkreuzanemometers wird im folgenden mit zwei Schalen erläutert (siehe Abb.17. damit man Unregelmäßigkeiten. die Anwendung fand. mittelt man die Werte. Die meteorologischen Elemente 47 3.3. 3. auf dem ein mit der Windfahne verbundener Kontakt angebracht ist. da nur eine Richtung des Windes berücksichtigt wird. Am Ende dieses Teilkapitels sei die Beaufort-Skala angeführt. ebenso wird auf die Vektorschreibweise verzichtet. bevor es Messgeräte gab. Messung der Windgeschwindigkeit Die Messung des Windes erfolgt mit zwei getrennten Messfühlern – mit einem wird die Windrichtung und mit dem anderen die Windstärke gemessen.: Schalenkreuzanemometer halbkugelförmigen Schalen. Dabei wird die Umdrehungsgeschwindigkeit u gemessen. Schalenkreuzanemometer Das Schalenkreuzanemometer.).3.4. die man über einen bestimmten Zeitraum (meistens 10 Minuten) aufgezeichnet hat. die vier auf oder oder einem sechs konischen Kreuz Abb. Windfahne Zur Registrierung der Windrichtung verwendet man häufig eine Windfahne.16. die direkt proportional zur Windstärke ist. Aus diesem Grund beginnt sich das Schalenkreuzanemometer so zu drehen.17.3. dass die konkave Schale vom Wind wegläuft und sich die konvexe Schale auf den Wind zu bewegt. und es folgt: k= q+1 ≈3 q −1 Daniela Mayrhofer 2005 . Die konvexe Schale bewegt sich gegen den Wind. woraus sich eine Relativgeschwindigkeit von v – u ergibt. Die konkave Schale bewegt sich aufgrund ihres größeren Widerstandsbeiwertes C mit dem Wind. Der Staudruck wird beschrieben durch: 1 2 ⋅ C ⋅ ρ ⋅ (v ± u) 2 Bei der konkaven Schale beträgt der Widerstandsbeiwert C1 etwa 1. bei der konvexen ist C2 etwa 0. ist nur das positive Vorzeichen relevant. Sie ergeben sich aus dem Produkt von Armlänge r. Die meteorologischen Elemente 48 Auf jede der beiden Schalen wirkt bei anströmenden Wind (mit einer Geschwindigkeit v) ein Staudruck.3. wird also vom Wind umströmt.3. Abb. Die Drehmomente der beiden Schalen müssen im Gleichgewichtszustand entgegengesetzt gleich sein. Das Drehmomentengleichgewicht lautet 1 1 2 2 ⋅ C1 ⋅ ρ ⋅ (v − u) ⋅ F ⋅ r = ⋅ C 2 ⋅ ρ ⋅ (v + u) ⋅ F ⋅ r 2 2 Nach dem Kürzen ergibt sich 1 2 (v + u) = ± C1    (v − u)  C 2    v = k ⋅u mit = ±q Da v>u gilt.: Horizontaler Schnitt durch ein Schalenreuzanemometer mit zwei Schalen zur Herleitung des Zusammenhangs zwischen Windund Umdrehungsgeschwindigkeit die Relativgeschwindigkeit beträgt dann v + u.3. dem Staudruck und der Querschnittsfläche F. Staurohr Bei wird einem das Staurohr Prandtlsche Es besteht wird der Staudruck gemessen. Man versucht mit Hilfe von leicht laufenden Lagerungen. der so genannte Staudruck.3. Windspitzen werden abgeschliffen. Ein wesentlicher Vorteil des Schalenkreuznanemometers liegt in der Unabhängigkeit der Messung von der Windrichtung. Nachteile des Schalenkreuzanemometers: • Das Schalenkreuz dreht sich erst ab einer bestimmten Anlaufgeschwindigkeit. Die meteorologischen Elemente 49 Mit diesen einfachen Überlegungen haben wir bewiesen. Daraus ergibt sich eine Differenz in den beiden Rohren. Das Schalenkreuzanemometer passt sich zunehmenden Windstärken schneller an als abnehmenden. Während diese seitlichen Öffnungen dem statischen Druck ausgesetzt sind. Abb. von denen eines am Staupunkt. das ist der Mittelpunkt des Staugebietes wo die Strömung zum Stillstand kommt.3. dass sich die Windstärke direkt aus der Umdrehungsgeschwindigkeit ergibt.2 m/s und 1 m/s liegt. einseitig offenen Rohren. die zwischen 0. Das zweite Rohr ist durch mehrere Löcher seitlich zur Strömung geöffnet. weil sich das Anemometer nachdreht. • • Bei böigem Wind macht sich die Trägheit bemerkbar.: Skizze eines Prandtlschen Staurohrs geöffnet ist.18. Daniela Mayrhofer 2005 . ist der Druck an der vorderen Öffnung um den Staudruck erhöht. optische Umdrehungszähler und Gewichtsreduktion der Schalen diese zu minimieren. Am häufigsten Staurohr aus zwei verwendet. Das bedeutet bei böigem Wind. dass die angezeigte mittlere Geschwindigkeit höher ist als die tatsächliche mittlere Geschwindigkeit. in beide Richtungen gemessen. Die Schallgeschwindigkeit c hängt zusätzlich von der Temperatur ab.3. Anwendung von Flugzeugen. Die meteorologischen Elemente 50 Bei der Messung werden beide Rohre über ein mit Flüssigkeit gefülltes u-förmiges Rohr verbunden. bleibt die Windstärkemessung vom statischen Druck unbeeinflusst. die den Abstand d voneinander haben. Ultraschallanemometer Bei einem Ultraschallanemometer benutzt man die Tatsache. Für die Laufzeit ergibt sich: t1 = d c( T ) + v und t2 = d c(T) − v Abb. Der Niveauunterschied des Flüssigkeitsspiegels. weshalb man diese ebenfalls bestimmt. um einen Wert für die Windstärke zu erhalten.19: Ultraschallanemometer finden Staurohre bei der Kalibrierung von Schalenkreuzanemometern und bei Messungen der Windgeschwindigkeit an Bord Daraus folgt die Windgeschwindigkeit v und die Schallgeschwindigkeit c: v= d 1 1 ⋅ −  2  t1 t 2    und c= d 2 1 1  ⋅ + t   1 t2  Das Auflösungsvermögen und die Empfindlichkeit des Ultraschallanemometers hängen von der Wahl des Abstandes zwischen den beiden Sende-EmpfangsSensoren und von der verwendeten Frequenz ab. Die Ausbreitungszeit eines Impulses wird entlang einer bestimmten Messstrecke zwischen zwei Sende-EmpfangsSensoren. entspricht der Druckdifferenz. Da nur die Druckdifferenz von Bedeutung ist. gegen die Windrichtung aufweist. dass der Schall eine unterschiedliche Laufzeit bei Ausbreitung in bzw.3. Daniela Mayrhofer 2005 . der sich im uförmigen Rohr ergibt. h. im Gegensatz zum Schalenkreuzanemometer.B.und Temperaturschwankungen.44 Umrechung von einem Beaufortgrad B in einen äquivalenten Geschwindigkeitswert v (gemessen von einem Windmesser in 10 m Höhe) erfolgt Daniela Mayrhofer 2005 . Bei geringer Windstärke liefert das Hitzedrahtanemometer. Die durch: v = 0.: Bäumen) oder an der Wasseroberfläche. Diese Messmethode wird bei turbulenten Schwankungen des Windes eingesetzt. Hitzedrahtanemometer Bei einem Hitzedrahtanemometer misst man die Abkühlung eines Platindrahtes und ermittelt somit die Windstärke. sehr gute Werte. sowie die Windrichtung) ermittelt werden kann – eine 3D-Messung ist also möglich. Eingesetzt wird dieses Messgerät hauptsächlich bei turbulenten Windgeschwindigkeits. Diese wurde 1806 von Admiral Sir Francis Beaufort entwickelt. Beaufort-Skala Die Beaufort-Skala ist eine Richtlinie zur Schätzung der horizontalen Windstärke anhand seiner Auswirkungen an Land (z. Die meteorologischen Elemente 51 Ein erheblicher Vorteil des Ultraschallanemometers besteht in der Tatsache. In ihrer ursprünglichen Form beinhaltet die Skala 12 Unterteilungen – mittlerweile wurde diese auf 17 erweitert (13 bis 17 sind Orkanunterteilungen). dass die Windgeschwindigkeit als Gesamtes (d.: die vertikale und die horizontale Komponente der Geschwindigkeit.87 ⋅ B1.3. 3. Die meteorologischen Elemente Beaufortgrad 0 1 2 52 Windstärke in [m/s] 0-0,2 0,3-1,5 1,6-3,3 Bezeichnung Windstille Auswirkung des Windes im Binnenland Auswirkung des Windes auf See Spiegelglatte See. Kleine schuppenförmig aussehende Kräuselwellen ohne Schaumkämme. Kleine Wellen, noch kurz, aber ausgeprägter. Kämme sehen glasig aus und brechen sich nicht. Kämme beginnen zu brechen, Blätter und dünne Zweige schwache Schaum überwiegend glasig, ganz 3 bewegen sich, Wind streckt Brise vereinzelt können kleine weiße einen Wimpel. Schaumköpfe auftreten. Hebt Staub und loses Papier, Wellen noch klein, werden aber mäßige 4 bewegt Zweige und dünne länger. Weiße Schaumköpfe treten Brise Äste. aber schon ziemlich verbreitet auf. Mäßige Wellen, die eine Kleine Laubbäume beginnen zu ausgeprägte lange Form annehmen. frische schwanken, Schaumkämme Überall weiße Schaumkämme. Ganz 5 Brise vereinzelt kann schon Gischt bilden sich auf Seen. vorkommen. Starke Äste in Bewegung, Bildung großer Wellen beginnt. Pfeifen in den Kämme brechen sich und starker Telegraphenleitungen, 6 hinterlassen große weiße Wind Regenschirme sind schwieriger Schaumflächen. Etwas Gischt. zu benutzen. See türmt sich. Der beim Brechen Ganze Bäume in Bewegung, entstehende Schaum beginnt sich in 7 steifer Wind fühlbare Hemmungen beim Streifen in die Windrichtung zu Gehen gegen den Wind. legen. Mäßig hohe Wellenberge mit Kämmen von beträchtlicher Länge. Bricht Zweige von Bäumen, Von den Kanten der Kämme beginnt stürmischer erschwert erheblich das gehen 8 Wind Gischt abzuwehen. Schaum legt sich gegen den Wind. in gut ausgeprägte Streifen in die Windrichtung. Hohe Wellenberge, dichte Kleinere Schäden an Häusern; Schaumstreifen in Windrichtung. 9 Sturm Rauchhauben und Dachziegel Rollen der See beginnt, Gischt kann werden abgeworfen. die Sicht schon beeinträchtigen. Sehr hohe Wellenberge mit langen überbrechenden Kämmen. See weiß schwerer Entwurzelt Bäume, bedeutende durch Schaum. Schweres 10 Sturm Schäden an Häusern. stoßartiges Rollen der See. Sichtbeeinträchtigung durch Gischt. Verbreitete Sturmschäden (sehr Außergewöhnlich hohe Wellenberge, orkanartiger 11 selten im Binnenland außer auf durch Gischt herabgesetzte Sicht. Sturm Bergen). Luft mit Schaum und Gischt angefüllt. See vollständig weiß. Sicht 12 Orkan Verwüstende Wirkung. sehr stark herabgesetzt. Jede Fernsicht hört auf. Tabelle 3.4.1: Beaufort-Skala Windstille, Rauch steigt gerade empor. Windrichtung nur angezeigt leiser Zug durch Zug des Rauches, aber nicht durch Windfahne. Wind am Gesicht fühlbar, leichte Brise Blätter säuseln, Windfahne bewegt sich. 3,4-5,4 5,5-7,9 8,0-10,7 10,8-13,8 13,9-17,1 17,2-20,7 20,8-24,4 24,5-28,4 28,5-32,6 ≥ 32,7 1 vgl. [1], S.39 2005 Daniela Mayrhofer 3. Die meteorologischen Elemente 53 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] Fallgeschwindigkeit [m/s] 10 0,012 100 0,8 300 2,4 1000 6,3 5000 14,1 Tabelle 3.5.1: Fallgeschwindigkeit von Wassertropfen in ruhender Luft 1 vgl. [1], S.201 2005 Daniela Mayrhofer 3. Die meteorologischen Elemente 54 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 2 siehe Kapitel 3.3.2., S.39 vgl. [1], S.204 2005 Daniela Mayrhofer Schnee: Schnee ist der Niederschlag von Eiskristallen. Eiskörner: Dabei handelt es sich um durchsichtige bis durchscheinende Körnchen aus Eis. Eiskörner entstehen. da sie selbst sehr hart sind. die einen Durchmesser über 5 mm aufweisen (bis über 15 mm). Die Eiskugeln Daniela Mayrhofer 2005 . Sie sind manchmal sehr klein.: in Polargebieten). Beim Auftreffen auf eine harte Oberfläche springen sie auf.5 mm und der Niederschlag fällt sehr dicht und gleichmäßig. Die meteorologischen Elemente 55 Nieseln. wodurch der Eindruck entsteht. Unterkühlter Sprühregen: Siehe unterkühlter Regen – nur mit kleineren Tropfen.3.B. Eisnadeln: Eisnadeln sind unverzweigte Eiskristalle. da sie glitzern. die regelmäßig geformt sind und einen Durchmesser von weniger als 5 mm haben. Meistens beobachtet man sie bei sehr großer Kälte (z. sie würden in der Luft schweben. Eisnadeln können aus einer Wolke oder von wolkenlosem Himmel fallen. Sie können leichte Windbewegungen sichtbar machen. Eisnadeln sind an die Existenz Hagel: von Haloerscheinungen (optische Lichterscheinungen in der Atmosphäre) gebunden. Bei Sonnenschein kann man sie am besten beobachten. wenn Regentropfen durch eine Bodenkaltluftschicht mit einer Temperatur unter 0°C fallen und dabei gefrieren. Sprühregen: Der Tropfendurchmesser beträgt unter 0. Hagel ist der Niederschlag von Eiskugeln oder Eisstücken. Bei Temperaturen über -5°C fallen die Schneekristalle meist verkettet als Schneeflocken. Die Tröpfchen scheinen in der Luft zu schweben. die die Form von Stäbchen oder Plättchen annehmen. Nieseln kann zu großen Niederschlagsmengen führen (bis zu 1 mm/h). Schneegriesel: Niederschlag von sehr kleinen (Durchmesser unter 1 mm). die durch das Zusammentreffen mit Niederschlagströpfchen lassen sich schwer entsteht. der mit einer dünnen Eisschicht überzogen ist. und wird als horizontaler Daniela Mayrhofer 2005 .B. Frostgraupel ist der Übergang zu Hagel. die einen Durchmesser über 5 mm haben. 3.5. Die horizontale Komponente setzt sich an vertikalen Flächen (z. Die vertikale Komponente wird auf einer horizontalen Fläche erfasst – man nennt sie vertikalen Niederschlag. Reifgraupel ist mit dem Schneegriesel (siehe unten) verwandt. Bäume) ab. meist runde Körnchen aus Eis. Die Körner und zusammendrücken brechen beim Aufprall auf eine harte Oberfläche nicht auseinander. Messung des Niederschlags Man unterscheidet zwischen vertikalem und horizontalem Niederschlag. Die meteorologischen Elemente 56 entstehen durch Zusammenfrieren von Regentropfen und Eisteilchen und kommen bei schweren Gewittern vor. Sie kommen bei Schauern und Temperaturen unter 0°C vor.3. betrachtet man seine horizontale und seine vertikale Komponente. durchsichtigen von undurchsichtigen Schichten bestehen. weißen und undurchsichtigen Eiskörnchen.3.: Hauswände. Fällt Niederschlag schräg ein. Der Kern besteht meist aus Reifgraupel. runden und schneeähnlichen Körnchen. zusammendrückbaren. Niederschlag leicht undurchsichtigen. Die Eiskugeln können durchsichtig abwechselnd Reifgraupel: Reifgraupel ist oder aus undurchsichtig sein oder und weißen. Frostgraupel: Frostgraupel sind halbdurchsichtige. die meist flach oder länglich sind. die einen Durchmesser von 2 bis 5 mm haben. 3. Der Niederschlagsmesser muss möglichst frei von Hindernissen aufgestellt werden und sollte vor Wind geschützt sein. Dieser kann mitunter auch sehr große Mengen an Wasser beinhalten. wie hoch der gefallene Niederschlag den Erdboden bedecken würde. Der gefallene Niederschlag wird entweder als Niederschlagsmenge in l/m2 oder als Niederschlagshöhe in mm angegeben. Die Messgenauigkeit liegt bei 10 % des tatsächlich an diesem Ort. Niederschlags Hellmann-Niederschlagseinem zylindrischen Auffanggefäß. Im Winter wird ein Schneekreuz in den Behälter eingesetzt. Die Niederschlagshöhe gibt an. mit einer 200 cm2 (Norm in Deutschland) Abb. wodurch das Herauswehen des Schnees verhindert wird. dass die Auffangfläche sich in einer Höhe von 1 m über dem Erdboden befindet. damit die Verdunstung des Wasser möglichst vernachlässigt werden kann. Der gesamte Behälter wird auf einem Pfahl befestigt und zwar so. Hellmann-Niederschlagsmesser Bei der Messung man Er besteht des den aus vertikalen verwendet messer.: Hellmann-Niederschlagsmesser großen Auffangfläche. Die meteorologischen Elemente 57 Niederschlag bezeichnet.: Gebäude. Als Mindestanforderung gilt eine waagrechte Entfernung von Hindernissen (z.und Außenwand isoliert. Es entspricht 1 l/m2 Niederschlagsmenge einer Niederschlagshöhe von 1 mm. Daniela Mayrhofer 2005 .B. wenn kein Tropfen abfließt.20. Bäume) zum Niederschlagsmesser.und Verdunstungsverlusten. die nicht geringer als die entsprechende Hindernishöhe ist. Darin befindet sich ein Trichter über den das Wasser in die Sammelkanne gelangt. Die Ursachen liegen in der räumlichen Variabilität des Niederschlags. Das Auffanggefäß ist durch eine Luftschicht zwischen Innen. wo sich das Messgerät befindet. verdunstet oder versickert.3. dem Windeinfluss und den Benetzungs. gefallenen Niederschlags. Die meteorologischen Elemente 58 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. Daniela Mayrhofer 2005 .3. [13]. und testete diese über einen längeren Zeitraum (ein Monat). Windrichtung Niederschlag Bevor dieses Vorhaben in die Tat umgesetzt werden konnte.1. Schulbüchern2 und auch im Internet suchte ich nach geeignetem Material. [15]. Zwar verwendete ich keine Dose. Die Angaben bei handelsüblichen (aber auch meteorologischen) Geräten werden heute meistens digital angezeigt. sofern auch die Temperatur konstant ist.. Der 1 2 vgl. dass Schüler mit einfachen Mitteln Wettermessgeräte bauen und damit auch über einen kürzeren Zeitraum (eine Woche) Daten ablesen. Einfache Wettermessgeräte 59 4. [10] 3 siehe Kapitel 3. 4. [8]. [14].1. der dahintersteckt. das ich baute.4. In verschiedenen Experimentierbüchern1. [12].26 Daniela Mayrhofer 2005 .4. aber das Prinzip ist trotzdem dasselbe. exakte Messwerte zu erhalten. mit dem der Luftdruck gemessen wird. Die Versuchsanordnung ähnelt einem Aneroidbarometer3. baute ich selbst einmal diverse Messgeräte zu den oben erwähnten meteorologischen Elementen. sondern lediglich um Tendenzen – das Ziel war es ja eigentlich. Dabei ging es mir nicht darum. [16] vgl. ist aber häufig • • • • • noch immer wie bei analogen Messgeräten. Bau eines Barometers Das erste Messgerät. dass die Schüler die Messprinzipien kennen und verstehen lernen. S. Einfache Wettermessgeräte Meine Vorstellung war es. Im Gefäß bleibt der Innendruck nahezu konstant. Der Mechanismus. war das Barometer. Die folgenden meteorologischen Elemente wurden von mir bearbeitet: Luftdruck Lufttemperatur Luftfeuchtigkeit Windstärke bzw. Aus den gesammelten Unterlagen entschied ich mich für die in diesem Kapitel beschriebenen Versuche. Dadurch sollen sie die Prinzipien der heute verwendeten Messgeräte verstehen lernen. Je nachdem ob der Luftdruck also steigt oder fällt. Einfache Wettermessgeräte 60 Außendruck hingegen unterliegt Schwankungen.4. damit diese auch luftdicht verschlossen war. Bei der Herstellung des Messgerätes ist es daher günstig. wenn mittlerer Luftdruck herrscht. Dadurch konnte die Pfeilspitze mühelos an ein Ende des Strohhalms gesteckt werden. entsteht eine Delle oder Wölbung. 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. In die Mitte der Basis des Dreiecks machte ich zwei gerade Schnitte (im Abstand des Durchmessers des Strohhalmes). Daniela Mayrhofer 2005 . Auf einem Stück Karton zeichnete ich eine Pfeilspitze auf und schnitt diese mit einer Schere aus. Ein Stück Klebeband sorgte für die zusätzliche Fixierung (siehe Abb. Der Zeiger war fertig. Das andere Ende des Strohhalms befestigte ich in der Mitte des gespannten Luftballons mit Klebstoff.4. Dabei sollte der Luftballon keine Falten werfen. Diese Konstruktion befestigte ich dann mit drei Gummiringen und Klebeband.).1. Der halbe Boden diente zur Stabilisation der „Schachtelkonstruktion“. die ich mit Steinen beschwert habe.3.4. dass lediglich die hintere Wand.4.4.2.: Barometer Abb.).4. Die Pfeilspitze zeigte genau auf die Skala.2. Auf der hinteren Wand zeichnete ich mit Stift und Lineal eine Skala mit einer Einteilung von 5 mm (siehe Abb. stellte ich an einen schattigen Platz im Zimmer (Temperatur sollte konstant gehalten werden). Anmerkung Die Schüler bauten ohne Unterschied das Barometer nach der selben Versuchsanordnung.). damit ich den jeweiligen Wert ablesen konnte. eine Seitenwand und der halbe Boden übrig blieben (siehe Abb.3.4. Abb.: Barometer Das Honigglas und die Cornflakesschachtel.1. Daniela Mayrhofer 2005 .4.: Skala des Barometers Die Cornflakesschachtel schnitt ich so auseinander. Einfache Wettermessgeräte 61 Abb. einem Drittel in die Öffnung. die ca. Damit das Ablesen des Wasserstandes im Strohhalm erleichtert wurde.. Beim Versuchsaufbau ist darauf zu achten. färbte ich das Wasser mit Tinte ein wenig blau ein.2. 3°C betragen sollte. dass die Temperatur der Flüssigkeit etwas geringer ist als die niedrigste (zur Zeit herrschende) Außentemperatur. Mit einem Thermofühler überprüfte ich die Temperatur des Wassers. Die Glasflasche füllte ich vollständig mit Wasser.3.33 2005 Daniela Mayrhofer . S.4. Dann steckte ich den dicken Strohhalm zu ca. Bau eines Thermometers Meinselbst gebautes Thermometerberuht auf dem Prinzip eines Flüssigkeitsthermometers1. damit ein Loch entstand. Einfache Wettermessgeräte 62 4. 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.2. das vorher mit Eiswürfeln gekühlt wurde. Dieses sollte nicht größer sein als der Durchmesser des dicken Strohhalms. 1 siehe Kapitel 3. Die Einteilung betrug 2 mm. klebte ich großzügig breites Klebeband rund um den Flaschenhals (beim Übergang zum Schraubverschluss) und befestigte das Plastilin rund um das Loch. auf die Flasche.: Skala des Thermometers Das Thermometer stellte ich auf den Balkon. Darauf zeichnete ich mit Lineal und Stift eine Skala.: Thermometer Abb. in dem sich der Strohhalm befand.4.). Daniela Mayrhofer 2005 .4. 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.4. an einen schattigen und wettergeschützten Platz. Durch diese Maßnahmen verhinderte ich das Austreten des Wassers bei Erwärmung an unerwünschten Stellen – die Flüssigkeit sollte schließlich im Strohhalm emporsteigen.5.4. Um die Flasche gut abzudichten. Einfache Wettermessgeräte 63 Nun drehte ich den Schraubverschluss.4. damit das Ergebnis nicht von der Sonne verfälscht wurde.5. das vorsichtig ins Plastilin gesteckt wurde (siehe Abb. das der Größe nach genau hinter den Strohhalm passte. Mit einer Schere schnitt ich ein Stück Karton aus. Abb. Dabei stieg das Wasser im Strohhalm ein wenig nach oben. wogegen in meteorologischen Geräten meist Haarbündel mit bis zu 50 Haaren verwendet werden.4. dass ich nur ein Haar verwendete.3. Darüber hinaus sollte das Haar trocken (ansonst kann es keine Feuchtigkeit mehr aufnehmen) und entfettet sein (waschen).3.4. Dieses diente lediglich der Verstärkung.3.43 2005 Daniela Mayrhofer . ist aber nicht unbedingt notwendig.7.). Der einzige Unterschied besteht darin. und meinem ist das Holzstäbchen.. Einfache Wettermessgeräte 64 Anmerkung Der einzige Unterschied zwischen dem Thermometer. S. Den Karton befestigte ich am rechten unteren Rand der Pinwand (Abb. 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 Einteilung betrug 5 mm. Bau eines Hygrometers Diese Messanordnung beruht auf dem gleichen Prinzip wie das Haarhygrometer1. Dies ermöglicht eine optimale Längenänderung des Haares – bei steigender Luftfeuchtigkeit dehnt es sich aus und bei sinkender Luftfeuchtigkeit zieht es sich zusammen. 4. ist es auch hier günstig das Messgerät bei mittlerer Luftfeuchtigkeit zu bauen. das die Schüler bauten. die ich auf einen zurechtgeschnittenen Karton schrieb (mit Stift und Lineal). Ähnlich dem Barometer. 1 siehe Kapitel 3. steckten sie zusätzlich noch einen Korken darauf (Verletzungsgefahr). Anmerkung Die Schüler brachten das Hygrometer nicht an einer Pinwand an. der Pinnagel auf der Rückseite des Kartons herausstand.3.60 2005 Daniela Mayrhofer . Das Waschen des Haares ließ ich weg. Durch Verschieben ist dies leicht zu bewerkstelligen.. sondern an einem dicken Karton. und zwar genau so. dass der Strohhalm waagrecht war. Mit einer Stecknadel befestigte ich den Strohhalm auf einer Pinwand. S. Da die Stecknadel bzw. Abb. 4 cm vom Drehpunkt (das ist die Stecknadel) entfernt befinden.4.7. Senkrecht darüber steckte ich den Pinnagel (an dem das Haar ebenfalls angeknotet war) so in die Pinwand. das ich im Vorfeld gewaschen habe und danach gut trocknen ließ.: Skala des Hygrometers Mein Hygrometer stellte ich auf den Balkon an einen schattigen und wettergeschützten Platz. Einfache Wettermessgeräte 65 Als nächstes bastelte ich einen Zeiger nach dem gleichen Prinzip wie beim Barometer. damit ich davon 1 siehe Kapitel 4.1 Nun kam das Haar ins Spiel.4. dass die Pfeilspitze auf die Skala zeigte. Ich knotete das eine Ende des Haares an einen Pinnagel und das andere Ende an den dünnen Strohhalm.: Hygrometer Abb.6.4. Der Knoten des Haares auf dem Strohhalm sollte sich ca. 4. Einfache Wettermessgeräte 66 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 2 siehe Kapitel 3.4.3., S.47 siehe Kapitel 3.4.3., S.41 (Windfahne) 3 [10], S.75 Daniela Mayrhofer 2005 4. Einfache Wettermessgeräte 67 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. Daniela Mayrhofer 2005 4. Einfache Wettermessgeräte 68 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 Windstärkemesser Abb.4.11.: Windrose auf dem Windmesser 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. Daniela Mayrhofer 2005 Der untere Teil diente als Auffanggefäß – der obere als Trichter.1 4. Daraufhin beschloss ich. Die Versuchsanordnung ähnelt einem Hellmann-Niederschlagsmesser2. Die scharfen Kanten der Flasche.4.. habe ich mit breitem Klebeband überklebt und somit entschärft. mit den Schülern nur die Windrichtung zu messen.B. 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. Da der Wind sehr böig ist. war es mir fast unmöglich einen Wert abzulesen. Der Aufbau des Windpfeils blieb im Wesentlichen gleich.3.57 2005 Daniela Mayrhofer . Bau eines Regenmessers Der Regenmesser war von allen Geräten am einfachsten zu bauen.: dünner Strohhalm anstatt des dünnen Holzstäbchens). Einfache Wettermessgeräte 69 Anmerkung Auch mit der oben beschriebenen Vorrichtung ließ sich die Windstärke nur schwer bis gar nicht messen. S.5. 1 2 siehe Anhang [8] siehe Kapitel 3.5. die durch das Auseinanderschneiden entstanden. da das Ganze zu schwer war. nur die verwendeten Materialien waren etwas anders (z. Bei wenig Wind gab es keinen Ausschlag. Abb. damit bei Wind der Trichter auch nicht davon geweht werden konnte. dass keine Bäume oder Häuser in der unmittelbaren Umgebung stehen sollten.4. da es verdunstete. Er sollte fest verankert sein. damit er nicht umfallen konnte. damit das Messgerät bei Wind nicht so leicht umfallen konnte. Daniela Mayrhofer 2005 .12. und befüllte sie bis zur „1“-Markierung mit Wasser.4. und bei viel Hitze musste ich Wasser nachgießen. die den Niederschlag abhalten könnten und in weiterer Folge das Messergebnis verfälschen. Einfache Wettermessgeräte 70 Mit einem Lineal und einem wasserfesten Stift zeichnete ich eine Skala.12. Als letztes steckte ich den oberen Teil verkehrt herum in die Flasche. mit einer 2 mm Einteilung. ob das Wasser auch bei der „1“-Markierung stand. Bei Regen leerte ich den Behälter. Nach jeder Messung vergewisserte ich mich. Zusätzlich band ich den Regenmesser mit einer Schnur an einem Holzpfeiler fest. Mit ungeschützt meine ich. auf das breite Klebeband. Nun gab ich die Steine in die Flasche.: Regenmesser Den Regenmesser stellte ich an einem ungeschützten Ort im Garten auf.4. Dieses klebte ich auf den unteren Teil der Flasche – ein wenig oberhalb des Bodens (siehe Abb.). In der Versuchswoche von 10. bei der Lufttemperatur und der Luftfeuchte eine Tendenz.). 4. da ich nicht davon ausgehen konnte.6. da sie auch diese Problematik kennen lernen sollten.1. Daniela Mayrhofer 2005 . denn der Wind dreht ständig und ist eine Bestandsaufnahme zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt an einem ganz bestimmten Ort. angeführt. damit es beim Ablesen zu keinen Verwirrungen kommen konnte – anstatt mit „1“ begann die Einteilung bei den Schülern mit „0“. und Tabelle 4.2004 protokollierte ich ebenfalls die Daten. bis 17.11.17. Die Windrichtung war bei der Messung zwar kein Problem. Man erkannte beim Luftdruck. Ich hoffte nur. aber die Werte stimmten so gut wie nie mit den Vergleichswerten überein.4. wenn auch keine genauen Werte.4.13. die mir meine Wetterstation lieferte.2.11. und bei jedem Wetter. in der die Schüler ihre Messgeräte ausprobierten. Beim Aufstellen des Regenmessers ließ ich das zusätzliche Anbinden mit einer Schnur an einen Holzpfeiler weg.4. Das ist auch kein Wunder. bis Abb. Ich wollte trotzdem die Windrichtung mit den Schülern messen. Darauffolgend ist jedes meteorologische Element einzeln in einem Diagramm dargestellt (Abb. Der Regenmesser bereitete auch keine Schwierigkeiten. Jeden Tag. las ich um 7 Uhr früh und 18 Uhr am Abend die jeweiligen Werte ab. auch einmal regnete. Die erhaltenen Werte sind in Tabelle 4. Messung Die Messgeräte waren nun fertig gebaut und konnten ausprobiert werden. Nur die Skala verbesserte ich. notierte sie und verglich sie mit Werten einer Wetterstation in Graz. Einfache Wettermessgeräte 71 Anmerkung Beim Aufbau gab es keine Unterschiede zwischen meinem Messgerät und dem der Schüler. die ich dem Internet entnahm. dass die Schüler zu Hause die gleichen Möglichkeiten hatten wie ich. dass es in der Woche. 5 45 3.11.11.1 0 Regen 16 0 1 0 0 0 0 Tabelle 4. 15.4 Luftdruckwerte 5.3 135 3.11.7 0 2.3 4.13.5 45 2.11.3 4.: Graphische Auswertung des Luftdrucks Daniela Mayrhofer 2005 . 13. 16.8 5.: Daten am Morgen Datum 10.6 10.9 2. 13. 17.11.7 1. 17.9 5.9 5.4.8 2.: Daten am Abend Luftdruck 5.5 1.1.11. Uhrzeit 18:00 18:00 18:00 18:00 18:00 18:00 18:00 Druck 5.2 5. 12.2 0 Regen 8 0 0 0 0 0 0 Tabelle 4.2.8 2.3 5.6 180 2.11.8 1.7 0 3.2 4. Datum Morgen Abend 14.11.11.7 90 3.9 5.11. Abb. 15. 15.11.4 Feuchte Temperatur Richtung 2.6 5.11.11. 12. 16. 12.6 1. 11.5 5.6 2.11.7 5.2 5 4. 14.9 360 2. 14.3 0 2.7 2.11.4.2 180 3.8 2.1 Feuchte Temperatur Richtung 2.11.11.11.6 4. Einfache Wettermessgeräte 72 Datum 11.11.9 2. 11.8 5.6 1.5 135 3 1.11.5 1.11.11.5 180 2.8 4. 16. 13. Uhrzeit 07:00 07:00 07:00 07:00 07:00 07:00 07:00 Druck 5. 12.11.4 10.11.11.11.11.4.6 3. 13. 15.11.2 3 2.: Graphische Auswertung der Luftfeuchte Daniela Mayrhofer 2005 .11. 15. Abb. 11.11.11.5 1 0. 12. 16.11.5 2 1.15. 16.11.8 3.4. Da t um 14. 17.5 3 2. 11. 17.: Graphische Auswertung der Lufttemperatur Luftfeuchte 3.11. Morgen Abend Abb.11.5 0 10.11.14.4.11. 13.4 Luftfeuchtewerte 3. Datum Morgen Abend 14.11. Einfache Wettermessgeräte 73 Lufttemperatur 3.8 2.6 2. 11.17.11.11.11.11.4. 360°=N Abb.11. 13. Morgen Abend 0°=windstill.: Graphische Auswertung des Niederschlags Daniela Mayrhofer 2005 .11. 13. Einfache Wettermessgeräte 74 Windrichtung 360 315 270 Windrichtung in [°] 225 180 135 90 45 0 10. 11. 12. 15.4. 17. Datum 14. 135°=SO. 45°=NO. 12.11.11. 17. 180°=S. Morgen Abend Abb.4.16. 270°=W. 225°=SW. 11.11. 16. 315°°=NW.11. 90°=O.11.11. Datum 14. 15.11.: Graphische Auswertung der Windrichtung Niederschlag 18 16 14 Niederschlagsmenge in [mm] 12 10 8 6 4 2 0 10. 16.11.11. grundlegende Konzepte verstehen und anwenden zu können. Ein erster Einstieg. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 5. Dynamisch deswegen. wie er von IMST2 – Schwerpunkt Grundbildung (Bereich Naturwissenschaften und Mathematik) – vorgeschlagen wird. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 75 5. Bezogen auf Naturwissenschaften und Mathematik bedeutet das.: PISA) das hier kann.5. damit ihnen über die Schulzeit hinaus solides mathematisches und naturwissenschaftliches Grundwissen verfügbar bleibt 1 vgl.B. Science and Technology Teaching. um den Unterricht zu gestalten. Zusätzlich ist die Bereitschaft und die Fähigkeit zu lebensbegleitendem Lernen in diesem Bereich gegeben. Die Lehrer sind aufgefordert. in dem die Schüler befähigt sind eigenständig Probleme zu erkennen und zu bearbeiten. und wie sollen sie damit umgehen können? • Wie sollen Schüler lernen.1. Darüber hinaus sollen Lösungen gefunden und bewertet werden. [18] 2005 Daniela Mayrhofer . sondern vielmehr durch gezielte Unterstützung Anhaltspunkte zu bieten. Grundbildung ist jener Wissensstand. Dynamisches Grundbildungskonzept nach IMST2 In diesem Kapitel werde ich näher auf die mögliche Planung und Durchführung des Unterrichts eingehen. ist die Auseinandersetzung mit folgenden Fragen: • Was sollen Schüler können? Welches Wissen und welche Fähigkeiten sollen sie während ihrer Schullaufbahn erworben haben. vorgestellte je nach Grundbildungskonzept – ein dynamisches. Dabei geht es nicht darum den Unterricht in ein Korsett zu drücken. In enger Zusammenarbeit zwischen Didaktikern und Lehrern entstand so unter Berücksichtigung vielseitige internationaler der Studien (z. weil durch die Anwendung Unterricht verändert werden Schwerpunktsetzung.1 IMST2 steht für Innovations in Mathematics. sich mit dem Thema auseinander zu setzen und somit den Schülern eine fundierte Grundbildung zu ermöglichen. 5. 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. Leitlinien für die Inhaltswahl Die Leitlinien für die Inhaltswahl bieten eine Hilfestellung für den Lehrer bei der Suche nach geeigneten Sachverhalten. Vor allem ist zu beherzigen. den Schülern die Zuversicht zu vermitteln. Darüber hinaus soll das Gelernte von Bedeutung sein. sich eigenständig weiterzubilden? Wie kann Unterricht gestaltet werden. damit es sich überhaupt lohnt Neues zu lernen. die geforderten Problemstellungen erfassen und bewältigen zu können. wodurch es notwendig ist sich mit den Naturwissenschaften und der Mathematik auseinander zu setzen. Daniela Mayrhofer 2005 . Im Einzelnen lauten sie: Weltverständnis Die Technik ist aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 76 und sie Kompetenzen erwerben. die Fähigkeiten und die Interessen der Schüler außer Acht lassen. aber auf keinen Fall darf der Lehrer die Voraussetzungen. welche für die Grundbildung von Bedeutung sind. Der gesellschaftliche und politische Hintergrund führt zu einem kritischen Hinterfragen des Gelernten und kann wesentlich zum Verständnis des Themas beitragen. Die Darstellung von technischen Entwicklungen und die Bearbeitung relevanter Themen soll den Schülern dabei helfen. das den Schülern vermittelt werden soll. 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. Gesellschaftsrelevanz Die Schüler sollen durch geeignete Inhaltswahl darauf vorbereitet werden. Die Schüler werden also dazu angeleitet. Darüber hinaus wird Einsicht in naturwissenschaftliches und mathematisches Denken und Arbeiten vermittelt. Die Bearbeitung eines Problems mit Hilfe des neu erworbenen Wissens soll dabei als gewinnbringend empfunden werden. Einblicke in die Fachsprache zu geben und die Fähigkeit der Abstraktion und Modellbildung zu schulen.5. Expertenmeinungen zu hinterfragen. Daniela Mayrhofer 2005 . Berufliche Orientierung und Studierfähigkeit Dabei geht es darum. Wissenschaftsverständnis Die Themen der Wissenschaft im Unterricht mit einzubeziehen. die Einblicke in die Anforderungen und Erwartungen des jeweiligen Bereiches der Wissenschaft geben. Dazu ist es notwendig. Eine Art der Vorgehensweise besteht darin. Einblicke in die Wichtigkeit der Naturwissenschaften und der Mathematik sollen geboten werden. sich mit ihren eigenen Interessen auseinander zu setzen und diese in der Zukunft auch umzusetzen. In weiterer Folge werden von den Schülern eigenständige Meinungen gebildet und diese durch fundiertes Wissen begründet. gelernte Inhalte im alltäglichen Leben einzusetzen. sich an den Entscheidungen und der Gestaltung der Gesellschaft aktiv zu beteiligen. Dies geschieht durch gezielte Aufgaben. den Schülern eine Hilfestellung bei der Berufsorientierung zu bieten. damit eine kritische Auseinandersetzung in technischen Bereichen möglich ist. soll einen wesentlichen Teil des Unterrichts einnehmen. Alltagsbewältigung Naturwissenschaften und Mathematik sind in unsere Welt unverzichtbare Begleiter. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 77 Der Zugang zu diesem Bereich kann zum Beispiel durch Forscherbiographien erfolgen. Durch den Unterricht sollen die Schüler dazu befähigt werden. Erfahrungsgeleitet lernen Den Schülern soll die Möglichkeit geboten werden eigene Erfahrungen zu sammeln. sondern auch Erfahrungen. Alltagsvorstellungen. authentische Fälle und persönliche Erfahrungen können herangezogen werden. Dokumentieren und Deuten von Versuchen können die Schüler neue Daniela Mayrhofer 2005 . indem sie selbst etwas erleben. dass Lernen ein Prozess ist. Das bedeutet. Das neue Wissen soll mit dem bereits vorhandenen verknüpft werden. Durch das Planen. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 78 Leitlinien für die Methodenwahl Die Leitlinien für die Methodenwahl bieten einen Überblick über die Möglichkeiten der Wissensvermittlung. ansonsten besteht keine Möglichkeit wirklich zu lernen. Dadurch ist leicht einzusehen. Aber auch aktuelle Probleme. Die Leitlinien für die Methodenwahl lauten: An Voraussetzungen der Schüler anknüpfen Unter Voraussetzungen versteht man nicht nur das Vorwissen. Der Lehrer unterstützt die Lernenden an geeigneten Stellen mit einer Methodenvielfalt und durch Hilfestellungen. An authentischen Problemen und anwendungsbezogen lernen Realistische und relevante Probleme sollen die Schüler dazu motivieren neues Wissen und neue Fähigkeiten zu erwerben.5. In den Naturwissenschaften bieten sich dazu Experimente an. All diese Faktoren beeinflussen den Lernprozess und bilden somit seine Grundlage. Dies ist ein sehr wichtiger Punkt. an dem sich der Schüler aktiv beteiligt und darüber hinaus problemorientiert und selbstständig arbeitet. Interessen und Gefühle. Die Mitarbeit der Schüler ist also gefordert. Authentische Situationen eignen sich für realitätsnahes Lernen am besten. dass Lernen sehr individuell passiert. Der Schwierigkeitsgrad der Aufgaben richtet sich nach dem Wissensstand der Schüler. denn bei zu schwierigen Problemen kann es leicht zur Überforderung kommen. damit es nicht wirkungslos bleibt. Durchführen. Dabei soll einerseits die Neugierde der Schüler geweckt werden und andererseits eine intensive Bearbeitung durch sie gewährleistet werden. Mit instruktionaler Unterstützung lernen Der Inhalt wird vom Lehrer altersgerecht aufbereitet und den Schülern als Information mitgeteilt. In sozialem Umfeld lernen Gemeinsames Lernen fördert nicht nur die Kommunikation innerhalb der Klasse. Sowohl die inhaltlichen. Das Ziel ist es. Die Instruktionen können aber auch durch den Einsatz moderner Medien (z. wodurch sie üben.5. Wissen in verschiedenen Kontexten anwenden lernen Diese Leitlinie besagt. den Schülern eine solide Grundbildung zu ermöglichen. als auch die methodischen Leitlinien dienen der Orientierung und sollen den Lehrer bei der Planung seines Unterrichts unterstützen. Diese Informationen werden als Instruktion bezeichnet. Daniela Mayrhofer 2005 . dass dieselben Inhalte in verschiedenen Situationen zum Einsatz kommen sollen. aber auch bei der Festigung des bereits Gelernten sehr hilfreich.: Internet) erfolgen oder von Mitschülern erteilt werden. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 79 Einsichten erwerben. Der Lehrer hat also die Aufgabe durch gezielte Anwendung von Instruktionen den Schülern Unterstützung und Hilfestellung bei der Bewältigung von Problemen zu bieten.B. Zusätzlich wird die Kreativität und die Motorik gefördert. Ebenso lernen die Schüler unterschiedliche Sichtweisen kennen. sondern ist auch sehr wirkungsvoll. die durch geeignete Inhaltswahl und Methodenvielfalt gekennzeichnet ist. dass neu Gelerntes nur in ganz speziellen Bereichen angewendet werden kann. das Gelernte in verschiedenen Zusammenhängen zu nützen. Dadurch verhindert der Lehrer. Aus diesem Grund sind Gruppenarbeiten bei der Erarbeitung neuer Inhalte. [22] siehe Kapitel 5.76 Daniela Mayrhofer 2005 .5.2.78 4 siehe S. der Wissenschaft stellt Bezug zu grundlegenden Konzepten und Methoden des Faches her Darstellung der Fachbegriffe Fachdidaktische Perspektive - Schülerperspektiven - - Ergebnisse der Lernforschung einfließen lassen Grundvorstellungen Unterrichtskonzepte - Lehrerperspektive - - beschreibt die eigene Vorstellung über den Sinn des Unterrichts bzw. der Vorerfahrungen und der Vorstellungen Überlegungen über Interesse. Unterrichtssequenz). Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 80 Die folgende Übersicht liefert eine didaktische Strukturierung des Unterrichts (Unterrichtsstunde bzw. Einstellungen und Gefühle gegenüber dem Thema Skizze der Unterrichtssequenz Ablauf (Phasen)2 Methoden3 Erreichung der Ziele - Begründung durch Leitlinien4 Festlegung der Evaluationskriterien Einsatz von Evaluationsmethoden 1 2 vgl. 3 siehe S. Thema - bündelt und gewichtet den Inhalt verbindet Fach. des Themas welche Erwartungen setzt man in die Schüler - geht auf die Voraussetzungen der Schüler ein Einbeziehen des Vorwissens.und Schülerperspektiven Ziele - stellt Bezug zum Lehrplan1 her stellt Bezug zum dynamischen Grundbildungskonzept her im Lernzielkatalog niedergeschrieben sollen für Schüler überprüfbar sein Fachperspektive - - - beschreibt die Sachstruktur innerhalb des Faches bzw. und schülergerecht formuliert sein. Dazu eignet sich eine Problemstellung. Unterrichtssequenz gliedert sich in verschiedene Phasen. Im weiteren Verlauf dieses Kapitels wird eine mögliche Gliederung der Unterrichtsphasen vorgestellt. denn sie wissen was gerade im Unterricht geschieht – und dadurch lernt es sich leichter! Darüber hinaus erhält jede Phase eine kleine Kapitelüberschrift.5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 81 5. Diese soll den jeweiligen Inhalt wiederspiegeln. Dabei ist es nicht sinnvoll immer alle Punkte im Unterricht umzusetzen. Vielmehr stellt es eine Hilfestellung dar. die die Schüler interessiert und die zu bearbeiten bzw.2. warum das Thema überhaupt wichtig ist. Letzteres ist sehr wichtig. denn nur mit der richtigen Motivation kann auch gut gelernt werden. 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. Planung des Unterrichtsablaufes1 Eine Unterrichtsstunde bzw. Warming Up Der Stundeneinstieg dient dazu mit den Schülern Kontakt aufzunehmen und gute Lernlaune zu schaffen. Dabei darf das eigentliche Thema nicht aus den Augen verloren werden – es müssen vielmehr die Zusammenhänge klar werden. [17] 2005 Daniela Mayrhofer . 2. Mit der Bekanntgabe der noch folgenden Themen der einzelnen Phasen entsteht ein Rahmen. worum es in der folgenden Unterrichtsstunde eigentlich geht. denn das würde schnell zu Überforderung führen. Ebenso profitieren die Schüler von einer guten Strukturierung. Darüber hinaus wird erklärt. zu lösen sich lohnt. der für Klarheit und Verlässlichkeit sorgt. 1 vgl. den Unterricht abwechslungsreich und für die Schüler gewinnbringend zu gestalten. Ablauf (Phasen) 1. Stundenprogramm In dieser Phase geht es darum den Schülern zu sagen. in dem klar wird. der Begründung des Lernstoffes und der Darlegung der einzelnen Phasen inklusive der geplanten Dauer. Möglichkeit besteht darin. Wichtig ist danach ein kurzes Unterrichtsgespräch zu führen. 5. Dazu eignet sich ein Unterrichtsgespräch genauso gut wie ein kleines Spiel (z. Mit diesen Hypothesen soll im Unterricht auch gearbeitet werden und den Schülern dadurch die Möglichkeit geboten werden. was Neues gelernt wurde und was überhaupt bei den Schülern angekommen und verstanden worden ist. aber mit Sicherheit weitaus schwierigere. Eine andere. 4.B. denn dann ist die nötige Motivation zu lernen für die meisten Schüler verloren. das Vorwissen der Schüler zu erfragen.5. dass die jeweiligen Erklärungen schülergerecht formuliert und ansprechend sind. nicht immer anwendbare. Information Der Informationsinput kann vom Lehrer oder von einem Schüler (oder auch Schülergruppe) vermittelt werden.: Quiz). Auf keinen Fall darf das Thema langweilig wirken. Vorwissen erfragen Mit einer kurzen Wiederholung wird der bereits gelernte Stoff vergegenwärtigt. diese zu überprüfen. Aber auch aus der Literatur oder aus dem Internet können Informationen eingeholt werden. Auf dieses bereits vorhandene Wissen soll in weiterer Folge eingegangen und aufgebaut werden. Ansonsten machen sie wenig Sinn. Wiederholung bzw. damit sie genau wissen. Arbeitsauftrag Der Arbeitsauftrag an die Schüler bedarf einer klaren Formulierung. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 82 Es ist stets darauf zu achten. das für Abwechslung sorgt. welche Aufgaben sie in weiterer Folge zu erfüllen Daniela Mayrhofer 2005 . Zusammenfassend besteht das Stundenprogramm also aus der Vorstellung des Themas der Unterrichtsstunde. die Schüler mit ihrem Vorwissen eigene Hypothesen formulieren zu lassen. Bei der Behandlung eines neuen Themengebietes ist es sinnvoll. 3. B. Nach dem Motto „Was nicht gesagt wurde. die. wird auch nicht gemacht“! 6. sondern auch formal darauf vorzubereiten.3. Daniela Mayrhofer 2005 . Ebenfalls eignet sich dazu die Abgabe einer eigenständigen Arbeit (Einzeln oder in Gruppen).?“ versuchte ich nach der. Es besteht die Möglichkeit der Einzel. 7.. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 83 haben. in Kapitel 5. Selbstständige Arbeit Die selbstständige Arbeit der Schüler ist eine sehr wichtige Phase. In manchen Unterrichtssituationen ist es allerdings zu überlegen. 5. weshalb auch diese Phase einer genauen Vorbereitung unterzogen werden soll. auch in keiner Unterrichtsstunde fehlen soll. Hier soll nicht nur Platz für die typische Übungsphase sein. damit den Schülern die Möglichkeit geboten wird sich nicht nur inhaltlich.5. Stundenschluss Der Stundenschluss soll klar das Ende der Unterrichtsstunde anzeigen. 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. didaktischen Übersicht vorzugehen. vorgeschlagenen.oder Gruppenarbeit.. Vor allem genügend Zeit ist ein wichtiger Aspekt. Präsentation der Ergebnisse Die Präsentation der Ergebnisse nach selbstständiger Arbeit gestaltet sich oft als sehr schwierig. Ein häufiges Ritual ist das Aufgeben der Hausübung. 8. ob eine Präsentation überhaupt Sinn macht (z. Planung der Unterrichtssequenz Bei der Planung meiner Unterrichtssequenz „Meteorologie – Wie misst man .: bei arbeitsgleichen Vorgängen). wenn möglich.1. Ziele Bei den Zielen stellte ich einen Bezug zum Grundbildungskonzept1 her. Luftfeuchte.75 vgl. auf dem ich aufbauen konnte.. 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.5. Genau genommen war das aber ein Vorteil für mich. 1 2 siehe Kapitel 5.. indem ich mich mit den drei Fragen „Was – Wie – Warum“ auseinander setzte. was sie die nächsten drei Unterrichtsstunden inhaltlich erwartete. S. S. damit die Schüler gleich wussten. [22] 3 siehe Kapitel 5. Eine Einführung in die Meteorologie zu geben.?“ fasste ich die Thematik kurz und prägnant zusammen.1.. Windrichtung und Niederschlag.. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 84 Thema Als Erstes legte ich das Thema genau fest.1. weil die Meteorologie eigentlich Stoffgebiet der 7. Im Titel „Meteorologie – Wie misst man . hätte meinen Zeitrahmen nämlich gesprengt und wäre daher unmöglich gewesen. da sie schließlich täglich mit dem Wetter konfrontiert sind. Die Frage „Was sollen die Schüler können?“ formulierte ich in den Lernzielen. Schulstufe2 ist. Lufttemperatur. denn dadurch verfügten die Schüler schon über ein Vorwissen (Schülerperspektive3). bei dem ich glaube.80 Daniela Mayrhofer 2005 . Dieser Punkt stimmte in meiner Unterrichtssequenz nicht mit den Vorgaben überein. Das Thema beinhaltete die Messung der meteorologischen Elemente Luftdruck. dass es für die Schüler relevant ist. Daher wechselt die Anzahl der Unterrichtsstunden 14-tägig. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 85 Bezug zu den methodischen Leitlinien Wie sollte ich das Ganze umsetzen? Dieser Punkt war von Anfang an klar. d. dass die Daniela Mayrhofer 2005 .. Bezug zu den inhaltlichen Leitlinien Die Frage nach dem „Warum“ ließ sich schwerer beantworten.b Klasse des Bundesrealgymnasiums Kepler zur Verfügung gestellt. damit Messungen durchzuführen. als auch die Gesellschaftsrelevanz im Unterricht eingebunden. Ich legte meine Unterrichtssequenz so fest. Als Methode kam nur das Experiment in Frage.. Dabei wird sowohl das Weltverständnis.?“ bekam ich von Dr. lieferte mir eine Antwort. Durchführung der Unterrichtssequenz Für meine Unterrichtssequenz „Meteorologie – Wie misst man . Schulstufe beträgt nur 1. Die Schüler hatten dadurch auch die Möglichkeit sich in sozialem Umfeld mit diesem Thema zu beschäftigen. mit welchen Messgeräten sie es fast täglich zu tun haben. Messgeräte ebenso wie Messdaten. 5. Gerhard Rath drei Stunden in der 4. Die Klasse besteht aus 30 Schüler – 19 Buben. da es ja die Idee meiner Diplomarbeit war. Das tägliche Ablesen der Messdaten gibt den Schülern einen Einblick in die Arbeitsweise eines Meteorologen und welche Anforderungen in diesem Berufsfeld gestellt werden. Erstens sollten die erhaltenen Daten verwendet werden und zweitens ist die Arbeit am Computer von enormer Wichtigkeit – auch für das Leben nach der Schule.h. da dies ja Teil meiner eigenen Arbeit war. Das beinhaltet auch das Verstehen der Messprinzipien.5 Schulstunden pro Woche. Die Schüler durften also ihr eigenes Messgerät basteln und damit ihre eigenen Erfahrungen sammeln – sie lernten also an authentischen Problemen und anwendungsbezogen. meteorologische Messgeräte mit einfachen Mitteln zu bauen.5. Der ständige Umgang mit dem Wetter. Die Schüler sollen einfach wissen.4. Der Physikunterricht in der 8. in jeder geraden Kalenderwoche finden zwei Physikstunden statt und in jeder ungeraden Kalenderwoche lediglich eine. 10 Mädchen und eine russischen Austauschschülerin. Ein geeigneter Abschluss war die Ausarbeitung der Messdaten mit dem PC. Informationsinput (Zeitdauer ca. Die Inhaltswahl umfasste da schon ein breiteres Spektrum. die eine Übersicht über die kommenden Unterrichtseinheiten lieferte. Bei der Durchführung der Unterrichtssequenz achtete ich darauf.11.2004 1. Durchführung der Unterrichtstunde am 9. dass ich die folgenden drei Unterrichtstunden gestalten werde. 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).und Inhaltswahl umzusetzen. 2.5. 5. und erklärte ihnen. deren Messung und deren physikalischer Einheiten. Begrüßung (Zeitdauer ca. Die am häufigsten von mir angewandte Methode war sicherlich „an authentischen Problemen und anwendungsbezogen lernen“. 8 Minuten) In diesem Teil der Stunde verwendete ich eine Folie1. 4. Die Schüler 1 siehe Anhang [1] 2005 Daniela Mayrhofer . 20 Minuten) Dieser Unterrichtsteil diente der Einführung in die meteorologischen Elemente.1. Übersicht (Zeitdauer ca.4. Vorbereitung (in der Pause vor Unterrichtsbeginn) Ich überprüfte den Overheadprojektor auf seine Funktionsfähigkeit und legte meine Folien und Folienstifte auf dem Lehrertisch bereit. Darüber hinaus wurden die Bewertungsrichtlinien bekannt gegeben. verschiedene Phasen einzusetzen und diese durch eine geeignete Methoden. Mit dieser Einteilung hatten die Schüler sechs Tage Zeit ihre Messungen durchzuführen und die Messdaten in einem Protokoll festzuhalten. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 86 Einführung in die meteorologischen Elemente und der Bau der Messgeräte in einer Woche und die Auswertung der Messdaten in der darauffolgenden stattfand. Danach stellte ich mich nochmals vor. Gerhard Rath den Schülern vorgestellt. 3. 2 Minuten) Bei der Begrüßung wurde ich zunächst von Dr. 15 Minuten) Die Schüler arbeiteten in Gruppen die im „Arbeitsauftrag“ vorgegebenen Punkte durch.2.4. Stundenschluss (Zeitdauer ca.2004 1. 5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 87 erhielten eine Übersicht1. In dieser Zeit legte ich jedem Team die „Mitbringliste“ auf den Tisch und beantwortete auftretende Fragen. das am Ende der Unterrichtsstunde abgegeben wird • Schüler erhalten „Mitbringliste“2 6. 1 2 siehe Anhang [2] siehe Anhang [3] 2005 Daniela Mayrhofer . beendete die erste Unterrichtsstunde. Vorbereitung (einen Tag davor und in der Pause vor Unterrichtsbeginn) Einen Tag vor dieser Unterrichtstunde bereitete ich Eiswürfel für das Thermometer vor. 5. Rath holte diese während meines Unterrichts (ca. Dr. 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.11. Durchführung der Unterrichtsstunde am 10. Dabei versuchte ich die Schüler immer wieder durch gezielte Fragestellungen mit einzubeziehen. Gruppenarbeit (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. 15 Minuten nach Beginn der Stunde) aus dem Chemiezimmer. die ich ebenso auf Folie vorbereitet hatte. damit diese nicht vor ihrer Verwendung auftauten. 5 Minuten) In dieser Phase erklärte ich den Ablauf der Gruppenarbeit. Arbeitsauftrag (Zeitdauer ca.5. 7. 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. als auch wichtige Details zur Messung zu Hause. Aus diesem Grund verzögerte sich der Beginn meines Unterrichts um wenige Minuten. Arbeitsauftrag (Zeitdauer ca. auf den Lehrertisch. 2. die für den Bau der Messgeräte notwendig waren.5. 10 Minuten) In diesem Teil der Unterrichtstunde erklärte ich den Schüler sowohl den Ablauf beim Bau der Messgeräte. 3. 1 Minute) Bevor ich die Schüler begrüßte besprach Dr. Gerhard Rath noch ein paar organisatorische Dinge mit den Schülern. und zwar um 7 Uhr früh und um 18 Uhr am Abend die Messdaten in das Protokoll eintragen 1 siehe Anhang [4] 2005 Daniela Mayrhofer . Eine Liste mit wichtigen Punkten zur Durchführung der Gruppenarbeit legte ich ebenso bereit. Begrüßung (Zeitdauer ca. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 88 In der Pause legte ich die restlichen Utensilien1 . 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. 5. [6].: Bau der Messgeräte im Unterricht 1 2 siehe Anhang [5].5. der dieses Gerät am Vortag angegeben hat.2. [9] siehe Anhang [10] 2005 Daniela Mayrhofer . Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 89 Am Ende dieses Blocks erhielt jedes Team die Versuchsanleitungen1 für die verschiedenen Messgeräte und fünf Protokolle2 – für jeden Schüler eines. Ich stand für Fragen zur Verfügung und half bei Schwierigkeiten weiter. [7]. Abb. Die Bauanleitungen sollten in der Gruppe an den Schüler weitergegeben werden. Bau der Messgeräte (Zeitdauer ca.5.5.: Bau der Messgeräte im Unterricht Abb.3.: Bau der Messgeräte im Unterricht Abb. 40 Minuten) In dieser Phase des Unterrichts arbeiteten die Schüler am Bau der Messgeräte.1. 4. [8]. 2004 1. 1 vgl. In erster Linie sollten sie bei der Auswertung ihre eigenen Messwerte verwenden. Ich projizierte meinen Vorschlag einer Grafik an die Wand. Darüber hinaus speicherte ich die gesammelten Daten.und Abendmessungen vorgenommen wurde.3. 5 Minuten) Hier war Platz für die Berichte der Schüler. den sie in der heutigen Unterrichtsstunde zu erfüllen hatten.5.11. dass der Teamname und alle Tabellen plus Grafiken aufgeklebt wurden. damit die Schüler einen Anhaltspunkt hatten. auf dem PC. Die Schüler hatten somit Zugriff zu den Messwerten. 2. Vorbereitung (in der Pause vor der Unterrichtsstunde) Ich bereitete in der Pause den Lehrercomputer vor. Arbeitsauftrag (Zeitdauer ca. dass eine Gegenüberstellung zwischen Morgen. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 90 5. wie es ihnen bei der Messung ergangen war. ansonsten stellte ich ihnen meine Daten oder Daten des ORF-Wetterdienstes zur Verfügung. 3. Wichtig war. Dieser beinhaltete das Erstellen einer Tabelle und einer Grafik in Excel für jeden Schüler und das Gestalten eines gemeinsamen Plakates für jedes Team. 5 Minuten) In diesem Unterrichtsteil erteilte ich den Schülern den Arbeitsauftrag. Mir war nur wichtig. Durchführung der Unterrichtsstunde am 17. Gespräch (Zeitdauer ca. indem ich das nötige Programm (Excel) öffnete. [19] 2005 Daniela Mayrhofer . Begrüßung (Zeitdauer ca.4. Das Plakat sollten die Schüler am Ende der Stunde nach ihren eigenen Vorstellungen (und je nach vorhandener Zeit) gestalten. einerseits 1 meine eigenen und andererseits vom ORF- Wetterdienst . 1 Minuten) Ich begrüßte die Schüler zur letzten gemeinsamen Stunde. 4. wurden Physiksaal aufgehängt.:Auswertung der Daten von den Schülern am PC 6. Abb. Präsentation (Zeitdauer ca. Abb. 30 Minuten) Es arbeiteten zwei bis drei Schüler an einem PC zusammen.: Plakat eines Teams Daniela Mayrhofer 2005 .4. Arbeit am PC (Zeitdauer ca.5.5. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 91 5.5.5. 10 Minuten) Die Präsentation Diese umfasste dann das im Erstellen eines Plakates für jedes Team. da die Anzahl der Schüler viel größer war als das Angebot an Computern. Da ich dazu keine Vorgaben machte.5. Der Arbeitsauftrag an die Schüler war sehr komplex. Der Bau der Messgeräte war der zentrale Punkt der zweiten Unterrichtsstunde. 1 Minute) Die Abgabe der Plakate beendete die Unterrichtsstunde und die Unterrichtssequenz. Die Phase des Informationsinputs verlief sehr gut.b Klasse für mich ein Erfolg.: Plakat eines Teams 7.5. Stundenschluss (Zeitdauer ca. Die erste Stunde diente der Einführung in das Thema und der Vorbereitung für die eigentliche Arbeit – dem Bau der Messgeräte. Hier sollte der Bezug zur Meteorologie hergestellt werden und im Teamnamen zum Ausdruck kommen. Nachbetrachtung Rückblickend waren die drei Unterrichtseinheiten in der 4. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 92 Abb. Die Schüler arbeiteten fleißig mit und dem Feedback nach zu urteilen hat dieses Projekt der Mehrheit auch gut gefallen.6.5. denn die Schüler waren bereit ein Unterrichtsgespräch zu führen. kamen einerseits (meiner Meinung nach) unpassende Namen und andererseits fehlten die Ideen. 5. denn jeder Einzelne in der Gruppe hatte einen anderen Versuchsaufbau und somit einer anderen Tätigkeit Daniela Mayrhofer 2005 . Bei der Gruppenarbeit fanden sich die Teams schnell zusammen. diskutierten die Arbeitsaufteilung und suchten einen Teamnamen. 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. Nach meinem eigenen Empfinden verlief der Bau der Messgeräte ein wenig chaotisch. dass nicht allen klar war. Die Gründe waren folgende: • • Die Schüler bekommen durch das gemeinsame Arbeiten an einem Tisch die Herstellung der anderen Messgeräte mit. Es wäre besser gewesen. • In der Berufswelt ist es üblich eine Arbeitsteilung in einem Team vorzunehmen und auf ein gemeinsames Ziel hinzusteuern. die dann erst die nötigen Materialen suchen mussten. Dadurch blieben andere auf der Strecke. Ich überlegte im Vorfeld. was sie vielleicht benötigen könnten. auch wenn mir die Problematik bewusst war. Einige taten sich dabei aber schwer. denn manche Schüler nahmen einfach alles mit. damit die Schüler einen Anhaltspunkt hatten. Ich verwarf diese Idee aber wieder. dass die Schüler ihre eigene Kreativität ins Spiel brachten. Die größten Schwierigkeiten entstanden beim Bau des Thermometers.5. Dieses Projekt wäre Daniela Mayrhofer 2005 . Ich entschied mich im Vorfeld trotzdem für diese Arbeitsweise. An dieser Stelle wäre es besser gewesen. Das war ein Fehler. Die Schüler hatten selbst ein paar Utensilien mitzubringen (funktionierte sehr gut). wodurch mir bewusst wurde. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 93 nachzugehen. den Rest stellte ich zur Verfügung. Dann wäre kein Durcheinander entstanden und die Schüler hätten sich auch Zeit erspart. Die Materialien legte ich auf dem Lehrertisch bereit – alles auf einem „Haufen“. Die Schüler stellten sehr viele Fragen an mich. was sie zu tun hatten. ob ich die Fotos meiner Messgeräte an die Wand projizieren oder meine eigenen Messgeräte in den Unterricht mitbringen sollte. Der Bau der Messgeräte bedarf einem unterschiedlichen zeitlichen Aufwand. für jede einzelne Gruppe einen „Warenkorb“ bereitzustellen. weil ich wollte. Diese Arbeitsweise sollten die Schüler einmal ausprobieren. und deshalb wäre es vielleicht besser gewesen eine der beiden Möglichkeiten umzusetzen. Dadurch sind manche Schüler früher fertig. da das Kühlen des Wassers fast die gesamte Zeit in Anspruch nahm. die dann den Kollegen helfen können. 62 2005 Daniela Mayrhofer . 1 siehe Kapitel 4. dass sie die Messwerte am Morgen den Messwerten am Abend gegenüber stellen sollten. Die meisten Schüler konnten mit ihren eigenen Werten arbeiten – das war sehr erfreulich. Die Arbeit am Computer selbst bereitete keine größeren Schwierigkeiten.2. Diese Tatsache ergab sich daraus. Da der Zeitmangel in der zweiten Unterrichtsstunde so groß war. auch wenn den einzelnen Teams unterschiedlich viel Zeit zur Verfügung stand. Um eine Verbesserung in dieser Hinsicht zu erreichen. Planung und Durchführung einer Unterrichtssequenz 94 daher gegen Ende des 2. Die Bewertung der Schüler war für mich das Schwierigste. Für den zweiten und dritten Teil nahm ich die Plakate der einzelnen Gruppen unter die Lupe und bewertete so die Arbeit der Schüler.B.. weshalb ich meine praktische Arbeit als gelungen ansehe. konnte ich den ersten Teil nicht erfüllen. Juni) sinnvoller.1 Die Zeit war wirklich sehr knapp bemessen. dass die Zeit beim Bau der Messgeräte viel zu kurz war. die Messgeräte im Unterricht fertig zu stellen.: Mai. Abgesehen davon kam mein Unterricht bei ihnen gut an. Die meisten Schüler musste ich nochmals darauf Aufmerksam machen. Das Feedback der Schüler bestätigte mir. Die Schüler standen bei der Herstellung der Messgeräte unter ständigem Zeitdruck. Der Abschluss meiner Unterrichtssequenz bestand in der Erstellung der Plakate. Trotzdem ist es der Mehrheit gelungen. dass die Schüler am PC nicht gleich schnell arbeiteten. Diese Arbeit wurde von allen Gruppen sehr gut durchgeführt. Geplant war eine Beurteilung des Messgerätes. könnte man eine Zusammenarbeit mit dem Werklehrer anstreben.5. Durch die höheren Außentemperaturen zu dieser Zeit ist es nämlich nicht notwendig das Wasser so stark zu kühlen. In meiner dritten und letzten Unterrichtsstunde stand die Auswertung der Messdaten auf dem Programm. oder einfach eine Doppelstunde einplanen. der Messung selbst und der Auswertung. Semesters (z. S. ac.org/wiki/Barometer Abb.: http://de.26 Abb. Abbildungsverzeichnis 95 6.3.gif Abb.net/physik/waermelehre/temperatur/bilder/thermometer/jpg http://dutch.: [1].3.: dy/obstemp.strath. Einführung in die Meteorologie [1].6.org/wiki/Psychrometer Abb.18.3. S.3.3.3.11. Abbildungsverzeichnis 2.phys.de/produkte.16. S.3.3.1.10.1.: [1].: http://www.uk/CommPhys2002Exam/Rachel_Kenne Abb.54 Abb.8.5.4. S.bayern.12. S.: [1]. S.3.137 Abb.3.3.34 Abb.de/LFW/technik/gkd/kurzinfo/hydromet/niedersch laege/welcome.: [2]. S.: http://www.13.7.htm http://dutch.3.: [1].2.3.3.htm http://katalog.3.29 Abb.de/~hebbeker/lectures/ph1_0102/bimetal.35 Abb.3.: 3.: online.: http://de. S. 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Anhang[2] 99 Daniela Mayrhofer 2005 . 2004) Schere (alle) Stift und Lineal (alle) Großes Gurkenglas .: 2 l Flasche) .11.für Windpfeil Zirkel – für Windpfeil Kompass – für Windpfeil Daniela Mayrhofer 2005 .für Regenmesser Glasflasche mit Schraubverschluss .für Barometer Große Schachtel (z.für Hygrometer 8.für Thermometer Flasche mit Korken . 40 x 40 cm) .B.B.: von Cerealien).Anhang[3] 100 Mitbringliste (am Mittwoch dem 10.für Barometer Mittelgroße Steine – für Barometer Großer dicker Karton (ca. Große Plastikflasche (z. Anhang[4] 101 Restliche Utensilien • • • • • • • • • • • • • • • dicke und dünne Strohhalme Plastilin Karton durchsichtiges und breites Klebeband Nägel Hammer Thermofühler Stecknadeln Korken Luftballone Gummiringerl Perlen wasserfeste Stifte Kompasse Klebstoff Daniela Mayrhofer 2005 . 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. 2mm-Einteilung) und stelle das Barometer so hin. Zeichne auf den Karton eine Pfeilspitze und schneide diese mit der Schere aus. Zusätzlich klebe noch ein Stück Tixo darüber. Daniela Mayrhofer 2005 .Anhang[5] 102 Barometer Was benötigt wird: ein großes Gurkenglas ein Luftballon ein Strohhalm Gummiringerl Tixo und Klebstoff Karton Schere Stift und Lineal eine große Schachtel Wie man´s macht: Schneide den unteren Teil des Luftballons mit der Schere weg und spanne den oberen Teil über die Öffnung des Gurkenglases. Fixiere den Luftballon zusätzlich mit Gummiringerl und Tixo. Zeichne auf die große Schachtel eine Skala (siehe Bild. Achte dabei darauf. dass sie gut hält. Stecke die Pfeilspitze so an das Ende des Strohhalms. Befestige nun das andere Ende des Strohhalms mit Klebstoff in der Mitte des Luftballons. Was zu tun ist: Stelle das Barometer in deinem Zimmer auf. dass der Pfeil genau auf die Skala zeigt. einem Drittel in die Öffnung. Achte dabei darauf. Damit das Ablesen erleichtert wird. miss die Temperatur (sollte ca. Anschließend verschließe die Flasche und klebe zusätzlich noch Klebeband rundherum. Kühle das Wasser mit den Eiswürfeln. 3° C betragen) und fülle es bis zum Rand in die Flasche. sodass gerade der Strohhalm durch die Öffnung passt. 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. gib ein paar Tropfen Tinte hinzu.Anhang[6] 103 Thermometer Was benötigt wird: eine Glasflasche mit Schraubverschluss ein dicker Strohhalm Wasser Plastilin Karton Stift und Lineal Schere Tixo Nagel und Hammer Eiswürfel Thermometer Tinte Wie man´s macht: Schlage mit Hilfe des Hammers und des Nagels ein Loch in den Schraubverschluss. Daniela Mayrhofer 2005 . Zeichne auf einen zugeschnittenen Karton eine Skala (2 mm-Einteilung) und befestige diese mit dem Tixo hinter dem Strohhalm (siehe Bild). Dichte den Rest der Öffnung gut mit Plastilin ab!! Es darf auf gar keinen Fall Wasser neben dem Plastilin austreten. Was zu tun ist: Stelle das Thermometer auf den Balkon. Stecke nun den Strohhalm zu ca. dass die Pfeilspitze auf die Skala zeigt. Was zu tun ist: Stelle das Hygrometer auf den Balkon.Anhang[7] 104 Hygrometer Was benötigt wird: ein großer dicker Karton eine Stecknadel ein Pin Korken ein dünner Strohhalm ein langes blondes Haar Karton Schere Stift und Lineal Wie man´s macht: Schneide aus dem Karton eine Pfeilspitze aus und befestige diese am Ende des Strohhalms. Befestige den Pin am oberen Rand des Kartons. sodass der Pin sich genau über dem Knoten des Haares befindet. Achte dabei darauf. in die Stecknadel. Daniela Mayrhofer 2005 . 4 cm vom Drehpunkt entfernt sein. Zeichne auf den großen Karton eine Skala (2mmEinteilung) im rechten unteren Bereich (siehe Bild). 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. Der Knoten des Haares (auf dem Strohhalm) sollte ca. Der Strohhalm wird mit einer Stecknadel am unteren Teil des Kartons befestigt. Zum Schluss stecke die Korken auf den Pin bzw. Achte darauf. Knote das blonde Haar am einen Ende an den Pinnagel und am anderen Ende an den Strohhalm. damit der Strohhalm nicht auf der Windrose schleift. Stelle den Windpfeil dabei auf einen Hocker oder Ähnliches. Danach klebe den Windfänger an das eine Ende und die Pfeilspitze an das andere Ende.Anhang[8] 105 Windpfeil Was benötigt wird: dicke Plastikfolie ein dünner Strohhalm eine Stecknadel Perlen eine Flasche mit Korken Zirkel und Lineal wasserfester Stift Schere und Schnur Klebstoff Kompass Wie man´s macht: Zeichne auf die Plastikfolie einen Kreis (∅ 10 cm). Schneide den Strohhalm auf beiden Enden ein. Achte dabei darauf. eine Pfeilspitze und einen Windfänger (siehe Bild) und schneide sie mit der Schere aus. Hausmauern oder ähnliches die Messung beeinflussen). Fülle die Flasche mit Wasser und stopple sie mit dem Korken zu. Befestige mit einer Schnur eine Perle auf dem Strohhalm und verschiebe diese. dass die Schnitte gleich ausgerichtet sind. 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. Stecke den Strohhalm und die Perle mit der Stecknadel in den Korken (siehe Bild). Führe deine Messung an einem ungeschützten Ort im Garten durch (es sollen keine Bäume. Beschrifte deine Windrose mit dem wasserfesten Stift und klebe sie anschließend mit Klebstoff auf den Korken. Vergiss nicht die Windrose bei jeder Messung mit dem Kompass nach Norden auszurichten! Daniela Mayrhofer 2005 . Vergiss nicht. Achte darauf. Klebe das Klebeband auf die Schnittstellen. Was zu tun ist: Stelle den Regenmesser an einem ungeschützten Ort im Garten auf. 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. Daniela Mayrhofer 2005 . den Regenmesser nach dem Ablesen zu entleeren. dass das Wasser wieder bis zur 0 mm-Marke reicht. Lies jeden Tag um 7 Uhr und um 18 Uhr die Werte von der Skala ab und trage diese in das Protokoll ein. dass kein Laub oder Ähnliches den Trichter verstopft. Zum Schluss gib den oberen Teil der Flasche verkehrt herum in den unteren Teil. Achte darauf.Anhang[9] 106 Regenmesser Was benötigt wird: eine große Plastikflasche Schere oder Stanleymesser breites Klebeband Steine wasserfester Stift Wasser Wie man´s macht: Schneide die Plastikflasche vorsichtig im oberen Drittel auseinander. Anhang[10] 107 Protokoll Name: Messgerät: Datum Uhrzeit Messwert Daniela Mayrhofer 2005 .