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Hier erfahren Sie etwas ber

Wie der Luftdruck "erfunden" wurde

und wie er gemessen wird, steht im Kapitel "Barometer". Wie aus der Messung des Luftdrucks im Flugzeug die Hhe abgelesen werden kann, wird im Kapitel "Hhenmesser" beschrieben.

Hier geht es um die meteorologische Seite des Luftdrucks, d.h. dessen Verwendung in der Wetterbeobachtung und
-vorhersage.

 

 

Barograph

 

 

 

 

 

 

Barograph

 

Die Vermessung des Luftdrucks

Der Luftdruck unterliegt gr秤eren Schwankungen, die in unmittelbarem Zusammenhang mit weitrumigen Luftbewegungen stehen. Wind und andere Wettererscheinungen sind die Folge.

Auerdem hngt der Luftdruck in starkem Mae von der Hhe ab. Die Meorte liegen aber nicht alle auf derselben Hhe. Temperatur und geographische Breite spielen ebenfalls eine Rolle. So ndert sich die Dichte der Luft u.a mit der Temperatur und am 훢uator wirkt die Fliehkraft der Erdrotation am strksten.

Um vergleichbare Werte zu erhalten sind deshalb in der Meteorologie u.a. folgende Normalbedingungen vereinbart:

  • Hhe: Meeresspiegel (MSL)
  • Temperatur: 0,0 캜
  • geographische Breite: 45.

Wie der Blick auf die Temperatur zeigt, sind diese meteorologischen Normalbedingungen nicht identisch mit den Bedingungen der ISA-Standardatmosphre, wie sie in der Luftfahrt Verwendung findet.

 

Die Reduktion des Luftdrucks

Um Druckmessungen miteinander vergleichen zu knnen, mssen sie zunchst auf ein gemeinsames Referenzniveau umgerechnet werden. Hierzu dient in der Regel das Meeresniveau (MSL bzw. NN). Mit Hilfe der barometrischen Hhenformel wird dabei der Luftdruck am Meort, der auf entsprechender Hhe liegt, auf Meereshhe umgerechnet. So nimmt bei mittlerem Luftdruck auf Meereshhe (1013 hPa) und bei einer Temperatur von 15 캜 der Druck auf 1 m Hhenunterschied um 0,12 hPa (= 1,2 hPa/10 m) bzw. pro 8,3 m Hhenunterschied um 1 hPa ab.

Der Hhenunterschied, der einem Druckunterschied von 1 hPa entspricht, ist die barometrische Hhenstufe. In gr秤eren Hhen und dem dort herrschenden geringeren Luftdruck und bei hheren Temperaturen verndert sich der Luftdruck langsamer, die barometrische Hhenstufe nimmt dann zu.

 

Wie gesehen, hngt der Luftdruck in starkem Mae von der Hhe ab. Je mehr Luft sich ber einem Mepunkt befindet, desto hher ist also der atmosphrische Luftdruck. Unterschiedlich hoch gelegene Orte haben daher auch einen unterschiedlichen Luftdruck. Da der Luftdruck auf das Gewicht der auflastenden Luftsule zurckgeht, mu er mit der Hhe immer geringer werden, denn je hher man kommt, desto weniger Luft hat man noch ber sich. Damit ist auch gesagt, da dieses Gewicht oder der von der Luftsule ausgebte Druck mit dem jeweiligen Mepunkt, insbesondere dessen Hhenlage variiert. Zustzlich ist dieser Druck auch von thermischen (Lufttemperatur) und dynamischen Einflssen (Wetterbedingungen) abhngig.

Daneben knnen auch Wettersysteme den Luftdruck beeinflussen. Wettersysteme, welche einen hheren oder tieferen Luftdruck mit sich bringen, haben aber bei weitem keine derart starken Auswirkungen wie Hhennderungen. Selbst eine extreme Wetternderung bringt allenfalls eine 훞derung des Luftdrucks um vielleicht 10, 20 oder auch 30 hPa. Der Unterschied zwischen einem Hoch- und einem Tiefdruckgebiet kann dabei aber trotzdem einer Hhennderung von bis zu 300 m entsprechen. Dagegen verursacht ein Aufstieg von Meereshhe auf beispielsweise die Hhe des Nebelhorns (2.224 m) eine Abnahme des Luftdrucks um ca. 250 hPa.

Die Schwankungsbreite des Luftdrucks ist insgesamt relativ gering. Das liegt daran, da Luftdruckunterschiede aufgrund der geringen Viskositt der Luft uerst instabil sind und sich deshalb umgehend ausgleichen. Typischerweise variiert der Luftdruck zwischen ca. 950 hPa und 1040 hPa.

Die geographische Breite spielt ebenfalls eine Rolle, weil sich die Dichte mit der Temperatur ndert und am 훢uator die Fliehkraft am strksten wirkt. Wegen der Abplattung der Erde ist die Entfernung zum Massenmittelpunkt an den Polen kleiner als am 훢uator. Zudem ist an den Polen die Zentrifugalkraft nicht wirksam. Diese beiden Faktoren haben zur Folge, da die Gewichtskraft von den Polen zum 훢uator in gesetzm癌iger Weise abnimmt. Will man also mit einem Quecksilberbarometer vergleichbare Messungen erhalten, muss man eine Korrektur auf einen mittleren Wert der Fliehkraft vornehmen. Diese entspricht etwa dem Wert auf 45 Breite.

Auerdem ist der Luftdruck auch von der Temperatur abhngig. Deshalb mu eine weitere Korrektion auf eine Temperatur von 0 캜 durchgefhrt werden. Dieser Umrechnung mu eine mittlere Temperatur zugrunde gelegt werden, welche die Luftsule zwischen dem Beobachtungsort und der Meereshhe hat. Empirischen Untersuchungen haben gezeigt, da sich diese Mitteltemperatur mit hinreichender Genauigkeit mit folgender Formel berechnen l癌t:

 =   mittlere Temperatur der Luftsule
  =   gemessene Temperatur am Meort
      =   Hhe der Mestelle in Hektometern ber MSL (NN)

Die Genauigkeit des mit dieser Formel reduzierten Luftdrucks liegt bei wenigen Zehntel hPa und ist damit fr die meisten Zwecke ausreichend.

Zudem ist der Luftdruck ist noch abhngig vom Verlauf der tglichen Temperaturkurve (geringes Absinken des Luftdrucks am Mittag).
Die Abhngigkeit des Luftdrucks von der Temperatur der ber dem Meort befindlichen Luftsule zeigt diese Animation.

Von ganz wesentlicher Bedeutung ist aber die Hhe des Meortes.
Sollen also die Luftdruckmessungen eines Gebietes mit anderen Werten verglichen werden, wie das in der synoptischen Meteorologie erfolgt, ist zustzlich daher noch die Hhe des Beobachtungsortes zu bercksichtigen Wie schon ausgefhrt, sind die Luftsulen ber zwei Orten mit unterschiedlicher Hhenlage verschieden lang und ben infolgedessen einen unterschiedlichen Druck aus. Es muss deshalb eine sog. Reduktion auf ein einheitliches Niveau, nmlich die Hhe des Meeresspiegels (MSL) oder Normalnull (NN), vorgenommen werden. Als mittlerer Luftdruck wird dazu der Druck angenommen, der dem Druck einer Quecksilbersule von 76 cm Lnge bei 0 C auf 45 Breite entspricht. Er wird in der Meteorologie als Normdruck bzw. physikalische Atmosphre bezeichnet.

Zur Vermeidung von Miverstndnissen sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, da in der Flugmeteorologie hierbei die Werte der Standardatmosphre zugrunde gelegt werden.

Reduktion des Luftdrucks

Reduktion des Luftdrucks

vergr秤ern

Die Korrektur des Luftdruckwerts bei unterschiedlicher Hhe ber dem Meeresspiegel zeigt die Abbildung links:

Im Schema links zeigt die Reduktion anhand der Hhe. Dazu mu der Stationsdruckmewert um einen der aktuellen Hhe entsprechenden Druckwert korrigiert werden. Dieser Druckwert entspricht dem Gewicht der fehlenden Luftsule, im Schaubild rot dargestellt. Der Korrekturwert betrgt bei einer Stationstemperatur von 20 C ca. 0,1 x Hhe. Zu beachten ist, da dieser Korrekturfaktor nur fr ca. 20 C gilt.

Fr die Station A auf Meereshhe ist keine Korrektur erforderlich. Bei Station B mit einer Hhe von 1.000 m ist eine Korrektur von 99 hPa erforderlich, so da der reduzierte Luftdruck 1.014 hPa betrgt. Fr Station C in einer Hhe von 1.800 m ergibt sich somit eine Korrektur von 180 hPa.

Erst diese reduzierten Werte knnen dann fr die Wetterbeobachtung und -vorhersage weiter verwendet und z.B. in einer Bodenwetterkarte eingetragen werden. Dazu werden alle Orte gleichen Luftdrucks durch Linien miteinander verbunden. Diese Linien gleichen Luftdrucks heien "Isobaren".  

Isobaren und ihre Darstellung in der Wetterkarte

Erst diese reduzierten Werte knnen dann fr die Wetterbeobachtung und -vorhersage weiter verwendet und z.B. in einer Bodenwetterkarte eingetragen werden. Dazu werden alle Orte gleichen Luftdrucks durch Linien miteinander verbunden. Diese Linien gleichen Luftdrucks heien "Isobaren".  

Die Schemazeichnung rechts zeigt die bertragung der durch Reduktion ermittelten Druckwerte auf ein Kartenblatt. Der Einfachheit halber wurde zur Reduktion  ein Wert von 10 hPa pro 100 m Hhe ber MSL angenommen (vgl. barometrische Hhenstufe), um das Prinzip deutlicher zu machen.

Werden in die Karte also die auf die Hhe des Meeresspiegels bezogenen Druckwerte eingetragen, entsteht eine Bodenwetterkarte. Die meisten gewhnlich in Zeitungen oder im Fernsehen verffentlichten Wetterkarten sind solche Bodenwetterkarten oder Bodendruckkarten, wie z.B. auch die Karte rechts unten.

Nheres dazu steht im Kapitel "Wetterkarten".

Reduktion des Luftdrucks (Schema)

Reduktion des Luftdrucks (Schema)

vergr秤ern

Die so ermittelten Luftdruckwerte erlauben nun Folgerungen ber

  • die Zugehrigkeit der gemessenen Luftmasse zu einem Hoch- oder einem Tiefdruckgebiet,
  • die Schichtung der Luftmasse (stabil oder labil),
  • die Bereitschaft der Luftmasse zu vertikalen Bewegungen (rasches Aufsteigen der unteren Luftschichten),
  • den Druckausgleich zwischen grorumigen Luftmassen durch horizontale Bewegung (Advektion).

Druckunterschiede fhren grundstzlich zu deren Ausgleich.

Dies macht ein simples Beispiel klar: Durch das Loch im Fahrradreifen entweicht die Luft bis ein Ausgleich des Drucks im Reifen mit der Umgebung hergestellt ist. Ebenso fhren Luftdruckunterschiede zwischen grorumigen Luftmassen zum Druckausgleich (= horizontaler Wind). Im Unterschied zum kleinrumigen System des Fahrradreifens stellt sich aber ein Gleichgewichtszustand im grorumigen Wettermastab niemals vollstndig ein.

Bodenwetterkarte

Druckflchen

Luftsule mit 500 hPa-Druckflche

Zur nheren Beurteilung des Wettergeschehens werden aber anstelle des Bodendrucks auch andere Druckwerte verwendet, z.B. in sog. Hhenwetterkarten. In diese Karten wird dann nicht der auf Meereshhe reduzierte Luftdruck, sondern z.B. die Hhe der 500 hPa-Druckflche eingetragen. Diese Druckflche liegt "normalerweise", d.h. bei einem der Standardatmosphre entsprechenden Temperaturverlauf, in einer Hhe von ca. 5.600 m. Wie im Kapitel Luftdruck ausgefhrt, ist atmosphrischer Druck ist nichts anderes als das Gewicht der Luftsule oberhalb einer beobachteten Flche. Der blaue Kubus in der Abbildung links stellt eine Luftsule gem癌 der Standardatmosphre dar. Die eingezeichnete weie Ebene hat noch genau 50 % der gesamten Luftsule ber sich. Daraus ergibt sich auf Hhe der Ebene ein Druck von 500 hPa und die Ebene, in der dieser Druck herrscht, liegt bei ca. 5.500 m MSL (die Hhe einer solchen Ebene gleichen Luftdrucks wird brigens als Geopotential bezeichnet).

500 hPa-Druckflche

Wie schon im Kapitel "Luftdichte" erwhnt, dehnt sich warme Luft nach allen Seiten aus, whrend die Dichte der Luftmasse sinkt. aus. Da die Luftsule auf dem Boden steht, kann die gesamte Ausdehnung in vertikaler Richtung nur nach oben erfolgen, whrend sie sich horizontal in alle Richtungen ausdehnen kann. Die Ebene in 5.500m Hhe hat jetzt nicht mehr nur 50%, sondern 60% der Luftsule ber sich, es herrscht dort also ein hherer Druck. Die Ebene, auf der 500 hPa herrschen, ist in eine gr秤ere Hhe gewandert, sagen wir 5.600m. In einer warmen Luftmasse liegt folglich die 500 hPa-Druckflche, d.h. die Hhe in der ein Luftdruck von 500 hPa herrscht, in einer gr秤eren Hhe als die normalen 5.600 m.
Das zeigt die Abbildung rechts auf der roten (warmen) Seite.

Mit Abkhlung der Luftmasse oder bei Annherung an tieferen Druck sinkt die 500 ha-Druckflche nach unten, brigens wie jede andere Druckflche auch, und fllt unter Umstnden sogar unter die normale Hhe von 5.600 m.
Das zeigt die Abbildung rechts auf der blauen (kalten) Seite.

Da Warmluft in der Hhe immer hohen Luftdruck, und Kaltluft immer tiefen Luftdruck erzeugt, liegt die 500 hPa-Druckflche im Bereich eines Hhentiefs immer niedriger; im Bereich eines Hhenhochs immer hher als in der Umgebung. Auch das zeigt. die Abbildung rechts.

Indirekt geht damit aus der Hhe einer Druckschicht zugleich hervor, welche mittlere Temperatur in der darunterliegenden Luftsule herrscht. Man knnte diese Temperatur auch nherungsweise ermitteln, indem man den Mittelwert aus der Temperatur am Boden und in der gewnschten Hhe bildet. Aus parktischen Grnden wird in der Meteorologie das Geopotential verwendet. Neben dem Begriff Geopotential (Schichthhe) trifft man hufig auch auf den Begriff der sog. Schichtdicke. Damit wird die Differenz zweier Schichthhen bezeichnet, also etwa die Dicke der Schicht 500 hPa - 1.000 hPa, d.h. ihre Mchtigkeit.

Isobaren sind Linien, die Punkte gleichen Luftdrucks in Bodenhhe verbinden. Sie kennzeichnen also die Druckverhltnisse am Boden und erlauben so u.a. Rckschlsse auf Windrichtung und -geschwindigkeit und den Verlauf der Fronten. Diese Bodendruckangaben sind immer bezogen auf MSL. Der an der Bodenstation tatschlich gemessene Druck wird dann anhand einer Standardskala auf Meereshhe reduziert. Anhand der Isobaren werden die Bodenwetterkarten erstellt.

Isohypsen sind sozusagen die Umkehrung der Isobaren. Whrend Isobaren den Druck bei gleicher geographischer Hhe reprsentieren, kennzeichnen Isohypsen die geographische Hhe bei gleichem Druck, also z.B. 500 hPa.

In der Standardatmosphre liegt die Ebene der 500 hPa-Schicht in ca. 5.520 m MSL. Das ist zugleich die Normhhe der 500er-Druckflche. Der 500 hPa-Druckflche kommt eine meteorologische Sonderstellung. Sie teilt einmal die Masse der Atmospre ungefhr in zwei Hlften und die dort ablaufenden Prozesse (Windstrmungen) haben zweitens auch herausragenden Einflu auf das Wettergeschehen. Sie ist damit auch Grundlage einer wichtigen Hhenwetterkarte.

Eingehend werden diese Zusammenhnge auch in der Prsentation "Die Entstehung des Windes" dargestellt.

 

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