Barometer

 

 

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Die Erfindung des Barometers

Die zwei wichtigsten Instrumente zur Vermessung der Atmosphre der Erde wurden schon vor hunderten von Jahren entwickelt:
Galileo Galilei verdanken wir die Erfindung des Thermometers und Evangelista Torricelli erfand 1643 das Barometer.
Mit diesen beiden Instrumenten konnten Lufttemperatur und Luftdruck jederzeit und an jedem Ort gemessen werden.

Nhers zur Temperaturmessung steht im Kapitel Temperatur.

Zur Zeit Galileis, etwa um 1635, stellten die Ingenieure beim Bau von Bewsserungsanlagen in den Grten von Florenz erstaunt fest, da die installierten Saugpumpen nicht in der Lage waren, Wasser in eine Hhe von etwa 10 Meter anzusaugen. Galilei beschrieb das Problem 1638, aber er stirbt 1642, ohne eine Lsung fr dieses Problem gehabt zu haben.

Im Anschlu an die berlegungen von Galilei experimentierte Evangelista Torricelli im Jahre 1643 mit einem einseitig verschlossenen und mehr als ein Meter langen Glasrohr. Dieses wird zuerst horizontal in ein mit Quecksilber geflltes Gef癌 gelegt, so da die Luft entweicht. Dann stellt man das Rohr mit der ffnung unter der Quecksilberoberflche und der verschlossenen Seite nach oben senkrecht. Durch ihr Eigengewicht fliet die Flssigkeit aus dem Rohr, wobei am oberen Ende ein Unterdruck entsteht. Der Luftdruck wirkt dem entgegen, so dass die Quecksilbersule in dem Rohr durch den auf der umliegenden Quechsilberoberflche lastenden Luftdruck empor steigt und erst bei einer bestimmten Hhe zur Ruhe kommt. Bei Quecksilber sind das 760 mm.

Dies ist das Funktionsprinzip aller sog. Flssigkeitsbarometer.

Quecksilberbarometer

Torricelli schlo daraus, da der Druck der umgebenden Luft auf die Oberflche des Beckens das Gewicht der Quecksilbersule ausgleicht, und da analog das Wasser in den Pumpen nur bis etwa 10 m gefrdert werden kann, wenn mit der Pumpe ein Vakuum erzeugt wird. Er stellte zudem fest, da die Hhe der Quecksilbersule sich mit der Zeit nderte und dabei eine Abnahme der Hhe einer Schlechtwetterperiode vorausging. Damit erfand Torricelli das Barometer.

Das offene Quecksilberreservoir war aber fr den Transport des Meinstruments denkbar ungeeignet, weshalb verschiedene andere Lsungen erwogen wurden. Schlielich bog Sir Robert Boyle das Barometerrohr nach oben, was zu einem 껾iphon-Rohr fhrt, wie es auch heute noch verwendet wird.

Der Luftdruck fhrt also dazu, dass sich eine Quecksilbersule von etwa 76 cm Hhe bildet, er reicht aber nicht aus, um den luftleeren Raum darber zu fllen. Daher war um das Jahr 1640 die Frage, ob Luft ein Gewicht besitzt, unter den Wissenschaftlern eines der meistdiskutierten Themen. 

Blaise Pascal (1623 - 1662, franzsischer Mathematiker, Physiker, Literat und Philosoph) beantwortete diese Streitfrage 1647 mit einem berhmten Experiment. Pascal war davon berzeugt, da, wenn die Luft ein Gewicht htte, das Quecksilber weniger hoch aufsteigen msste, wenn man das Experiment von Torricelli in gr秤erer Hhe durchfhren wrde. Dies besttigte sich auch auf der Spitze des 52 m hohen Turms von Saint-Jacques in Paris. Am Puy de Dme, einem Berg des Zentralmassivs in Frankrech, wiederholte er das Experiment am 19. September 1648. Er fhrte das Experiment in verschiedenen Hhen durch und stellte fest, da die Hhe der Quecksilbersule mit zunehmender Hhe ber dem Meeresspiegel tatschlich abnimmt.

Zu seinen Ehren benannte man spter die Einheit fr den Druck nach ihm als Pascal, was einem Newton pro Quadratmeter entspricht.

Im Laufe des 18. und 19 Jahrhunderts sammelten Wissenschaftler dann mit auf Flugdrachen angebrachten Instrumente Druck-, Temperatur-, und Feuchtigkeitsmesswerte. Allerdings konnten damit nur Hhen von ungefhr 3 km erreicht werden, so da Messungen in gr秤eren Hhen erst spter mglich waren.

Otto von Guericke konnte 1663 den Luftdruck mit den "Magdeburger Halbkugeln" nachweisen.
Dieses waren zwei dicht aneinanderliegende halbe Hohlkugeln, die auch durch entgegen gesetzt ziehende Pferdegespanne nicht mehr voneinander getrennt werden konnten, sobald die Luft zwischen den Hohlkugeln evakuiert worden war.
Nach diesem Prinzip arbeiten auch heute noch Unterdruckkabinen.

Magdeburger Halbkugeln

Das Dosenbarometer

 

 

Funktionsprinzip des Dosenbarometers

Besser handhabbar als die Flssigkeitsbarometer sind die moderneren Dosenbarometer, auch Aneroid-Barometer (griech.: a neros = nicht flssig) genannt, bei denen ein dosenartiger Hohlkrper aus dnnem Blech, in dem ein Vakuum oder Unterdruck herrscht, durch den Luftdruck verformt wird. ber eine Mechanik wird diese Verformung - bei steigendem Luftdruck wird die Dose zusammen gedrckt, bei sinkendem Luftdruck dehnt sie sich aus - auf einen Zeiger bertragen, der auf einer Skala das Ausma der Verformung und damit den Luftdruck anzeigt. Bessere Barometer oder Barographen benutzen bis zu acht solcher 껪osen, um die Empfindlichkeit der Messung zu erhhen.

Dosenbarometer

Barometer gehren in der Meteorologie als Standardinstrument zu jeder Wetterstation. Da der Luftdruck mit der Hhe gesetzm癌ig abnimmt, dienen sie auch als Hhenmesser in Flugzeugen. Fr die Hhenmessung im Flugzeug wird ein Aneroidbarometer benutzt, dessen Skala keine Druck-, sondern eine Hheneinteilung erhlt. Der Eichung dieser Hhenmesser werden mittlere Verhltnisse fr die Abnahme des Drucks mit der Hhe zugrunde gelegt werden. Von der ICAO (International Civil Aviation Organization) wurde dazu bis zu einer Hhe von 20 km die ISA-Standardatmosphre definiert, bei der im Meeresniveau (MSL, NN) als Druck 1013,25 hPa, als Temperatur + 15 캜 und bis 11 km eine Temperaturabnahme von 0,65 K/100 m zugrunde liegt. Von 11 - 20 km wird eine gleichbleibende Temperatur (Isothermie) von 56,5 캜 angenommen. 

Die angezeigte Hhe hngt somit vom derzeit herrschenden Luftdruck an dem Ort ab, an dem sich das Flugzeug gerade befindet. Die Hhenmesser bieten deshalb die Mglichkeit, die angezeigte Hhe anhand des jeweils aktuellen Luftdrucks zu kalibrieren. Das Fensterchen auf der 3-Uhr Position der Anzeige zeigt den eingestellten Luftdruckwert an, welcher QFE oder QNH usw. (siehe unten) entspricht und mit dem Knopf links unten eingestellt werden muss. Es wird "Kollsman Window" genannt.Zur Einstellung auf die konkreten Verhltnisse kann ber einen Verstellknopf (im Bild rechts der Knopf links unten) der aktuelle Luftdruck eingestellt werden (im Bild rechts das kleine Fenster auf der rechten Seite). In den Flugzeugen der allgemeinen Luftfahrt zeigt die Skala seit 1945 meistens Fu statt Meter (1ft = 0,3048 m). Nur in Russland, in Frankreich und in Segelflugzeugen wird die Hhe in Metern angegeben.

Ein anderes in der Luftfahrt verwandtes Gert ist das Variometer, das ber die Vernderung des Luftdruckes eine kurzfristige Hhennderung anzeigt. Der Verlauf einer Luftdrucknderung wird mit dem Barographen aufgezeichnet.

Wird nicht der Luftdruck der Erdatmosphre, sondern ein knstlich erzeugter ber- oder Unterdruck gemessen, spricht man von einem Manometer.

Der Luftdruck der Atmosphre wird also mit Barometern gemessen und meist in Hektopascal (hPa) angegeben (1 hPa = 100 Pa). Er betrgt auf Meereshhe 1.013,25 hP bei einer mittleren Durchschnittstemperatur von 15 캜  und nimmt mit der Hhe je 5,54 km um die Hlfte ab. Auerdem weist der Luftdruck tgliche und jhrliche Schwankungen auf.

Hhenmesser

 

In diesem Zusammenhang ist auch darauf hinzuweisen, da die Angaben 껾chn", 껽egen", 껾turm" usw. auf den im Haushalt blichen Barometern irrefhrend sind. Im Herbst kann das Wetter bei uns trotz hohen Luftdrucks bedeckten Himmel und Sprhregen bringen, im Sommer kann es kraftige Gewitter geben. Umgekehrt kann das Wetter im Einzelfall auch bei niedrigem Barometerstand freundlich sein.

Die Verwendung von derartigen Barometern, zudem sind diese meistens von minderer Qualitt, zur 꼂etteranzeige beruht darauf, da sich Luftdrucknderungen und 꼜chlechtes bzw. 꼏utes Wetter in unseren Breiten oft gegenseitig bedingen. Der Frontendurchzug dynamischer Tiefdruckgebiete hat fast regelm癌ig eine typische Luftdrucknderung zur Folge. Ein steigender Luftdruck wird dabei als Anzeichen fr gutes und ein fallender Luftdruck als Anzeichen fr schlechtes Wetter interpretiert. Diese Tendenzen sind allerdings meteorologisch nur in ganz bestimmten Konstellationen zutreffend. Schlechtwetterereignisse knnen beispielsweise durchaus mit einem steigenden Luftdruck einher gehen. Um das komplizierte Wettergeschehen tatschlich zutreffend zu erfassen, ist die Kenntnis vieler einzelner Parameter erforderlich. Der vom Barometer gemessene Luftdruck liefert jedoch nur einen einzigen Anhaltspunkt, weshalb damit auch nur eine uerst grobe 꼂ettervorhersage mglich ist.

huslicher Barometer

 

Maeinheiten

Die Standard-Maeinheit fr den Luftdruck ist Hektopascal (hPa ). 1 hPa entspricht dabei 1 mbar, einer der frher verwendeten Einheiten fr den Luftdruck.

Es gilt: 1 hPa = 100 Pa = 100 N / qm = 100 kg / (m qs)
(mit: qm = Meter zum Quadrat und qs = Sekunde zum Quadrat).

Um vergleichbare Werte fr die Wetterbeobachtung zu erhalten, sind in der Meteorologie schon frh einheitliche Maeinheiten vereinbart worden. Die internatinonal eingefhrte Einheit (SI-Einheit) zur Messung des Luftdrucks ist das Pascal (Pa) bzw. dessen hundertfacher Wert, das Hektopascal (hPa). Dem Pa liegt dabei die physikalische Maeinheit N/m zugrunde, wobei N (Newton) die Einheit fr das Gewicht der Luft bzw. die Kraft, die es am Mepunkt ausbt und m die Einheit fr die Flche ist.
Dabei gilt:

1 N/m

=

1 Pa

100 N/m

=

1 hPa

Da der Luftdruck auf Meereshhe im Durchschnitt 101.325 Pa betrgt, wird er mit dem Faktor 100 dividiert und in Hektopascal (1013,25 hPa) angegeben.
Zum nheren Verstndnis sei erwhnt, da oft auch noch veraltete Einheiten verwendet werden. So wurde bis vor wenigen Jahren als Druckeinheit noch das Millibar (mbar) verwendet. Bei vielen lteren Messgerten, gerade auch barometrische Hhenmesser in lteren Flugzeugen, ist die Skaleneinteilung noch in Millibar angegeben. Das ist im Cockpit aber vllig unproblematisch, weil die Werte von Millibar und Hektopascal identisch sind. Insoweit gilt nmlich:

1 mbar = 100 N/m = 100 Pa = 1 hPa.

Andere - veraltete - Maeinheiten fr den Luftdruck sind das Torr sowie die Einheit Millimeter Quecksilbersule (Abkrzung: mm Hg). Dabei ist 1 Torr = 1 mm Hg.

Fr die Umrechnung in hPa gilt:
1 hPa = 1 mbar = 0,75 Torr (= mm Hg) bzw.
760 Torr = 760 mm Hg = 1013,25 hPa.

In den USA wird hufig auch die Einheit inches Hg (in Hg) verwendet. Hierbei sind 29,92 in Hg = 760 Torr = 1013,25 hPa.

Insgesamt gilt damit folgende Beziehung:
1013,25 hPa = 1013,25 mb = 101.325 Pa = 29,92 inches Hg = 14,7 pounds per in2 = 760 mm Hg = 760 Torr = 34 Fu Wasser.

34 ft Wassersule sind brigens umgerechnet 10,3 m, was genau dem Ma entspricht, das Galileo Galilei als maximale Frderhhe von Wasser bei der Verwendung der damals blichen Saugpumpen festgestellt hat.

Eine andere Einheit im Kontext des Luftdrucks ist die Atmosphre, wobei die davon abgeleiteten alten Einheiten wie Physikalische Atmosphre, Technische Atmosphre, Atmosphre Absolutdruck, Atmosphre berdruck (At) oder Atmosphre Unterdruck nach dem Einheitenrecht nicht mehr zulssig sind.

 

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Diese Seite wurde zuletzt aktualisiert am: 09.03.2021