Barometer

 

 

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Hier erfahren Sie etwas über

Die Erfindung des Barometers

Die zwei wichtigsten Instrumente zur Vermessung der Atmosphäre 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.

Nähers zur Temperaturmessung steht im Kapitel Temperatur.

Zur Zeit Galileis, etwa um 1635, stellten die Ingenieure beim Bau von Bewässerungsanlagen in den Gärten von Florenz erstaunt fest, daß die installierten Saugpumpen nicht in der Lage waren, Wasser in eine Höhe von etwa 10 Meter anzusaugen. Galilei beschrieb das Problem 1638, aber er stirbt 1642, ohne eine Lösung für dieses Problem gehabt zu haben.

Im Anschluß an die Überlegungen 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 gefülltes Gefäß gelegt, so daß die Luft entweicht. Dann stellt man das Rohr mit der Öffnung unter der Quecksilberoberfläche und der verschlossenen Seite nach oben senkrecht. Durch ihr Eigengewicht fließt die Flüssigkeit aus dem Rohr, wobei am oberen Ende ein Unterdruck entsteht. Der Luftdruck wirkt dem entgegen, so dass die Quecksilbersäule in dem Rohr durch den auf der umliegenden Quechsilberoberfläche lastenden Luftdruck empor steigt und erst bei einer bestimmten Höhe zur Ruhe kommt. Bei Quecksilber sind das 760 mm.

Dies ist das Funktionsprinzip aller sog. Flüssigkeitsbarometer.

Quecksilberbarometer

Torricelli schloß daraus, daß der Druck der umgebenden Luft auf die Oberfläche des Beckens das Gewicht der Quecksilbersäule ausgleicht, und daß analog das Wasser in den Pumpen nur bis etwa 10 m gefördert werden kann, wenn mit der Pumpe ein Vakuum erzeugt wird. Er stellte zudem fest, daß die Höhe der Quecksilbersäule sich mit der Zeit änderte und dabei eine Abnahme der Höhe einer Schlechtwetterperiode vorausging. Damit erfand Torricelli das Barometer.

Das offene Quecksilberreservoir war aber für den Transport des Meßinstruments denkbar ungeeignet, weshalb verschiedene andere Lösungen erwogen wurden. Schließlich bog Sir Robert Boyle das Barometerrohr nach oben, was zu einem „Siphon-Rohr“ führt, wie es auch heute noch verwendet wird.

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

Blaise Pascal (1623 - 1662, französischer Mathematiker, Physiker, Literat und Philosoph) beantwortete diese Streitfrage 1647 mit einem berühmten Experiment. Pascal war davon überzeugt, daß, wenn die Luft ein Gewicht hätte, das Quecksilber weniger hoch aufsteigen müsste, wenn man das Experiment von Torricelli in größerer Höhe durchführen würde. Dies bestätigte sich auch auf der Spitze des 52 m hohen Turms von Saint-Jacques in Paris. Am Puy de Dôme, einem Berg des Zentralmassivs in Frankrech, wiederholte er das Experiment am 19. September 1648. Er führte das Experiment in verschiedenen Höhen durch und stellte fest, daß die Höhe der Quecksilbersäule mit zunehmender Höhe über dem Meeresspiegel tatsächlich abnimmt.

Zu seinen Ehren benannte man später die Einheit für 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 Höhen von ungefähr 3 km erreicht werden, so daß Messungen in größeren Höhen erst später möglich 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 Flüssigkeitsbarometer sind die moderneren Dosenbarometer, auch Aneroid-Barometer (griech.: a neros = nicht flüssig) genannt, bei denen ein dosenartiger Hohlkörper aus dünnem Blech, in dem ein Vakuum oder Unterdruck herrscht, durch den Luftdruck verformt wird. Über eine Mechanik wird diese Verformung - bei steigendem Luftdruck wird die Dose zusammen gedrückt, bei sinkendem Luftdruck dehnt sie sich aus - auf einen Zeiger übertragen, der auf einer Skala das Ausmaß der Verformung und damit den Luftdruck anzeigt. Bessere Barometer oder Barographen benutzen bis zu acht solcher „Dosen“, um die Empfindlichkeit der Messung zu erhöhen.

Dosenbarometer

Barometer gehören in der Meteorologie als Standardinstrument zu jeder Wetterstation. Da der Luftdruck mit der Höhe gesetzmäßig abnimmt, dienen sie auch als Höhenmesser in Flugzeugen. Für die Höhenmessung im Flugzeug wird ein Aneroidbarometer benutzt, dessen Skala keine Druck-, sondern eine Höheneinteilung erhält. Der Eichung dieser Höhenmesser werden mittlere Verhältnisse für die Abnahme des Drucks mit der Höhe zugrunde gelegt werden. Von der ICAO (International Civil Aviation Organization) wurde dazu bis zu einer Höhe von 20 km die ISA-Standardatmosphäre definiert, bei der im Meeresniveau (MSL, NN) als Druck 1013,25 hPa, als Temperatur + 15 °C 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 °C angenommen. 

Die angezeigte Höhe hängt somit vom derzeit herrschenden Luftdruck an dem Ort ab, an dem sich das Flugzeug gerade befindet. Die Höhenmesser bieten deshalb die Möglichkeit, die angezeigte Höhe 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 Verhältnisse kann über 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 Fuß statt Meter (1ft = 0,3048 m). Nur in Russland, in Frankreich und in Segelflugzeugen wird die Höhe in Metern angegeben.

Ein anderes in der Luftfahrt verwandtes Gerät ist das Variometer, das über die Veränderung des Luftdruckes eine kurzfristige Höhenänderung anzeigt. Der Verlauf einer Luftdruckänderung wird mit dem Barographen aufgezeichnet.

Wird nicht der Luftdruck der Erdatmosphäre, sondern ein künstlich erzeugter Über- oder Unterdruck gemessen, spricht man von einem Manometer.

Der Luftdruck der Atmosphäre wird also mit Barometern gemessen und meist in Hektopascal (hPa) angegeben (1 hPa = 100 Pa). Er beträgt auf Meereshöhe 1.013,25 hP bei einer mittleren Durchschnittstemperatur von 15 °C  und nimmt mit der Höhe je 5,54 km um die Hälfte ab. Außerdem weist der Luftdruck tägliche und jährliche Schwankungen auf.

Höhenmesser

 

In diesem Zusammenhang ist auch darauf hinzuweisen, daß die Angaben „Schön", „Regen", „Sturm" usw. auf den im Haushalt üblichen Barometern irreführend sind. Im Herbst kann das Wetter bei uns trotz hohen Luftdrucks bedeckten Himmel und Sprühregen 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 Qualität, zur „Wetteranzeige“ beruht darauf, daß sich Luftdruckänderungen und „schlechtes“ bzw. „gutes“ Wetter in unseren Breiten oft gegenseitig bedingen. Der Frontendurchzug dynamischer Tiefdruckgebiete hat fast regelmäßig eine typische Luftdruckänderung zur Folge. Ein steigender Luftdruck wird dabei als Anzeichen für gutes und ein fallender Luftdruck als Anzeichen für schlechtes Wetter interpretiert. Diese Tendenzen sind allerdings meteorologisch nur in ganz bestimmten Konstellationen zutreffend. Schlechtwetterereignisse können beispielsweise durchaus mit einem steigenden Luftdruck einher gehen. Um das komplizierte Wettergeschehen tatsächlich 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 äußerst grobe „Wettervorhersage“ möglich ist.

häuslicher Barometer

 

Messeinheiten

Die Standard-Maßeinheit für den Luftdruck ist Hektopascal (hPa ). 1 hPa entspricht dabei 1 mbar, einer der früher verwendeten Einheiten für 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 für die Wetterbeobachtung zu erhalten, sind in der Meteorologie schon früh einheitliche Maßeinheiten vereinbart worden. Die internatinonal eingeführte Einheit (SI-Einheit) zur Messung des Luftdrucks ist das Pascal (Pa) bzw. dessen hundertfacher Wert, das Hektopascal (hPa). Dem Pa liegt dabei die physikalische Maßeinheit N/m² zugrunde, wobei N (Newton) die Einheit für das Gewicht der Luft bzw. die Kraft, die es am Meßpunkt ausübt und m² die Einheit für die Fläche ist.
Dabei gilt:

1 N/m²

=

1 Pa

100 N/m²

=

1 hPa

Da der Luftdruck auf Meereshöhe im Durchschnitt 101.325 Pa beträgt, wird er mit dem Faktor 100 dividiert und in Hektopascal (1013,25 hPa) angegeben.
Zum näheren Verständnis sei erwähnt, daß oft auch noch veraltete Einheiten verwendet werden. So wurde bis vor wenigen Jahren als Druckeinheit noch das Millibar (mbar) verwendet. Bei vielen älteren Messgeräten, gerade auch barometrische Höhenmesser in älteren Flugzeugen, ist die Skaleneinteilung noch in Millibar angegeben. Das ist im Cockpit aber völlig unproblematisch, weil die Werte von Millibar und Hektopascal identisch sind. Insoweit gilt nämlich:

1 mbar = 100 N/m² = 100 Pa = 1 hPa.

Andere - veraltete - Maßeinheiten für den Luftdruck sind das Torr sowie die Einheit Millimeter Quecksilbersäule (Abkürzung: mm Hg). Dabei ist 1 Torr = 1 mm Hg.

Für 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 häufig 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 Fuß Wasser.

34 ft Wassersäule sind übrigens umgerechnet 10,3 m, was genau dem Maß entspricht, das Galileo Galilei als maximale Förderhöhe von Wasser bei der Verwendung der damals üblichen Saugpumpen festgestellt hat.

Eine andere Einheit im Kontext des Luftdrucks ist die Atmosphäre, wobei die davon abgeleiteten alten Einheiten wie Physikalische Atmosphäre, Technische Atmosphäre, Atmosphäre Absolutdruck, Atmosphäre Überdruck (AtÜ) oder Atmosphäre Unterdruck nach dem Einheitenrecht nicht mehr zulässig sind.

 

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