Druckmessung

 

 

DruckmessungLuftdichte
Home 
Flugsport 
Meteorologie 
Atmosphäre 
Grundelemente 
Luftdruck 
Druckmessung 

 

 

Hier erfahren Sie etwas über

Wie der Luftdruck "erfunden" wurde

und wie er gemessen wird, steht im Kapitel "Barometer". Wie aus der Messung des Luftdrucks im Flugzeug die Höhe abgelesen werden kann, wird im Kapitel "Höhenmesser" 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 größeren Schwankungen, die in unmittelbarem Zusammenhang mit weiträumigen Luftbewegungen stehen. Wind und andere Wettererscheinungen sind die Folge.

Außerdem hängt der Luftdruck in starkem Maße von der Höhe ab. Die Meßorte liegen aber nicht alle auf derselben Höhe. Temperatur und geographische Breite spielen ebenfalls eine Rolle. So ändert sich die Dichte der Luft u.a mit der Temperatur und am Äquator wirkt die Fliehkraft der Erdrotation am stärksten.

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

  • Höhe: Meeresspiegel (MSL)
  • Temperatur: 0,0 °C
  • geographische Breite: 45°.

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

 

Die Reduktion des Luftdrucks

Um Druckmessungen miteinander vergleichen zu können, müssen sie zunächst auf ein gemeinsames Referenzniveau umgerechnet werden. Hierzu dient in der Regel das Meeresniveau (MSL bzw. NN). Mit Hilfe der barometrischen Höhenformel wird dabei der Luftdruck am Meßort, der auf entsprechender Höhe liegt, auf Meereshöhe umgerechnet. So nimmt bei mittlerem Luftdruck auf Meereshöhe (1013 hPa) und bei einer Temperatur von 15 °C der Druck auf 1 m Höhenunterschied um 0,12 hPa (= 1,2 hPa/10 m) bzw. pro 8,3 m Höhenunterschied um 1 hPa ab.

Der Höhenunterschied, der einem Druckunterschied von 1 hPa entspricht, ist die barometrische Höhenstufe. In größeren Höhen und dem dort herrschenden geringeren Luftdruck und bei höheren Temperaturen verändert sich der Luftdruck langsamer, die barometrische Höhenstufe nimmt dann zu.

 

Wie gesehen, hängt der Luftdruck in starkem Maße von der Höhe ab. Je mehr Luft sich über einem Meßpunkt befindet, desto höher ist also der atmosphärische Luftdruck. Unterschiedlich hoch gelegene Orte haben daher auch einen unterschiedlichen Luftdruck. Da der Luftdruck auf das Gewicht der auflastenden Luftsäule zurückgeht, muß er mit der Höhe immer geringer werden, denn je höher man kommt, desto weniger Luft hat man noch über sich. Damit ist auch gesagt, daß dieses Gewicht oder der von der Luftsäule ausgeübte Druck mit dem jeweiligen Meßpunkt, insbesondere dessen Höhenlage variiert. Zusätzlich ist dieser Druck auch von thermischen (Lufttemperatur) und dynamischen Einflüssen (Wetterbedingungen) abhängig.

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

Die Schwankungsbreite des Luftdrucks ist insgesamt relativ gering. Das liegt daran, daß Luftdruckunterschiede aufgrund der geringen Viskosität der Luft äußerst 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 ändert und am Äquator die Fliehkraft am stärksten wirkt. Wegen der Abplattung der Erde ist die Entfernung zum Massenmittelpunkt an den Polen kleiner als am Äquator. Zudem ist an den Polen die Zentrifugalkraft nicht wirksam. Diese beiden Faktoren haben zur Folge, daß die Gewichtskraft von den Polen zum Äquator in gesetzmäßiger 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.

Außerdem ist der Luftdruck auch von der Temperatur abhängig. Deshalb muß eine weitere Korrektion auf eine Temperatur von 0 °C durchgeführt werden. Dieser Umrechnung muß eine mittlere Temperatur zugrunde gelegt werden, welche die Luftsäule zwischen dem Beobachtungsort und der Meereshöhe hat. Empirischen Untersuchungen haben gezeigt, daß sich diese Mitteltemperatur mit hinreichender Genauigkeit mit folgender Formel berechnen läßt:

 =   mittlere Temperatur der Luftsäule
  =   gemessene Temperatur am Meßort
      =   Höhe der Meßstelle in Hektometern über MSL (NN)

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

Zudem ist der Luftdruck ist noch abhängig vom Verlauf der täglichen Temperaturkurve (geringes Absinken des Luftdrucks am Mittag).
Die Abhängigkeit des Luftdrucks von der Temperatur der über dem Meßort befindlichen Luftsäule zeigt diese Animation.

Von ganz wesentlicher Bedeutung ist aber die Höhe des Meßortes.
Sollen also die Luftdruckmessungen eines Gebietes mit anderen Werten verglichen werden, wie das in der synoptischen Meteorologie erfolgt, ist zusätzlich daher noch die Höhe des Beobachtungsortes zu berücksichtigen Wie schon ausgeführt, sind die Luftsäulen über zwei Orten mit unterschiedlicher Höhenlage verschieden lang und üben infolgedessen einen unterschiedlichen Druck aus. Es muss deshalb eine sog. Reduktion auf ein einheitliches Niveau, nämlich die Höhe des Meeresspiegels (MSL) oder Normalnull (NN), vorgenommen werden. Als mittlerer Luftdruck wird dazu der Druck angenommen, der dem Druck einer Quecksilbersäule von 76 cm Länge bei 0° C auf 45° Breite entspricht. Er wird in der Meteorologie als Normdruck bzw. physikalische Atmosphäre bezeichnet.

Zur Vermeidung von Mißverständnissen sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß in der Flugmeteorologie hierbei die Werte der Standardatmosphäre zugrunde gelegt werden.

Reduktion des Luftdrucks

Reduktion des Luftdrucks

vergrößern

Die Korrektur des Luftdruckwerts bei unterschiedlicher Höhe über dem Meeresspiegel zeigt die Abbildung links:

Im Schema links zeigt die Reduktion anhand der Höhe. Dazu muß der Stationsdruckmeßwert um einen der aktuellen Höhe entsprechenden Druckwert korrigiert werden. Dieser Druckwert entspricht dem Gewicht der fehlenden Luftsäule, im Schaubild rot dargestellt. Der Korrekturwert beträgt bei einer Stationstemperatur von 20° C ca. 0,1 x Höhe. Zu beachten ist, daß dieser Korrekturfaktor nur für ca. 20° C gilt.

Für die Station A auf Meereshöhe ist keine Korrektur erforderlich. Bei Station B mit einer Höhe von 1.000 m ist eine Korrektur von 99 hPa erforderlich, so daß der reduzierte Luftdruck 1.014 hPa beträgt. Für Station C in einer Höhe von 1.800 m ergibt sich somit eine Korrektur von 180 hPa.

Erst diese reduzierten Werte können dann für 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 heißen "Isobaren".  

Isobaren und ihre Darstellung in der Wetterkarte

Erst diese reduzierten Werte können dann für 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 heißen "Isobaren".  

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

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

Näheres dazu steht im Kapitel "Wetterkarten".

Reduktion des Luftdrucks (Schema)

Reduktion des Luftdrucks (Schema)

vergrößern

Die so ermittelten Luftdruckwerte erlauben nun Folgerungen über

  • die Zugehörigkeit 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 großräumigen Luftmassen durch horizontale Bewegung (Advektion).

Druckunterschiede führen grundsätzlich 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 führen Luftdruckunterschiede zwischen großräumigen Luftmassen zum Druckausgleich (= horizontaler Wind). Im Unterschied zum kleinräumigen System des Fahrradreifens stellt sich aber ein Gleichgewichtszustand im großräumigen Wettermaßstab niemals vollständig ein.

Bodenwetterkarte

Druckflächen

Luftsäule mit 500 hPa-Druckfläche

Zur näheren Beurteilung des Wettergeschehens werden aber anstelle des Bodendrucks auch andere Druckwerte verwendet, z.B. in sog. Höhenwetterkarten. In diese Karten wird dann nicht der auf Meereshöhe reduzierte Luftdruck, sondern z.B. die Höhe der 500 hPa-Druckfläche eingetragen. Diese Druckfläche liegt "normalerweise", d.h. bei einem der Standardatmosphäre entsprechenden Temperaturverlauf, in einer Höhe von ca. 5.600 m. Wie im Kapitel Luftdruck ausgeführt, ist atmosphärischer Druck ist nichts anderes als das Gewicht der Luftsäule oberhalb einer beobachteten Fläche. Der blaue Kubus in der Abbildung links stellt eine Luftsäule gemäß der Standardatmosphäre dar. Die eingezeichnete weiße Ebene hat noch genau 50 % der gesamten Luftsäule über sich. Daraus ergibt sich auf Höhe der Ebene ein Druck von 500 hPa und die Ebene, in der dieser Druck herrscht, liegt bei ca. 5.500 m MSL (die Höhe einer solchen Ebene gleichen Luftdrucks wird übrigens als Geopotential bezeichnet).

500 hPa-Druckfläche

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

Mit Abkühlung der Luftmasse oder bei Annäherung an tieferen Druck sinkt die 500 ha-Druckfläche nach unten, übrigens wie jede andere Druckfläche auch, und fällt unter Umständen sogar unter die normale Höhe von 5.600 m.
Das zeigt die Abbildung rechts auf der blauen (kalten) Seite.

Da Warmluft in der Höhe immer hohen Luftdruck, und Kaltluft immer tiefen Luftdruck erzeugt, liegt die 500 hPa-Druckfläche im Bereich eines Höhentiefs immer niedriger; im Bereich eines Höhenhochs immer höher als in der Umgebung. Auch das zeigt. die Abbildung rechts.

Indirekt geht damit aus der Höhe einer Druckschicht zugleich hervor, welche mittlere Temperatur in der darunterliegenden Luftsäule herrscht. Man könnte diese Temperatur auch näherungsweise ermitteln, indem man den Mittelwert aus der Temperatur am Boden und in der gewünschten Höhe bildet. Aus parktischen Gründen wird in der Meteorologie das Geopotential verwendet. Neben dem Begriff Geopotential (Schichthöhe) trifft man häufig auch auf den Begriff der sog. Schichtdicke. Damit wird die Differenz zweier Schichthöhen bezeichnet, also etwa die Dicke der Schicht 500 hPa - 1.000 hPa, d.h. ihre Mächtigkeit.

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

Isohypsen sind sozusagen die Umkehrung der Isobaren. Während Isobaren den Druck bei gleicher geographischer Höhe repräsentieren, kennzeichnen Isohypsen die geographische Höhe bei gleichem Druck, also z.B. 500 hPa.

In der Standardatmosphäre liegt die Ebene der 500 hPa-Schicht in ca. 5.520 m MSL. Das ist zugleich die Normhöhe der 500er-Druckfläche. Der 500 hPa-Druckfläche kommt eine meteorologische Sonderstellung. Sie teilt einmal die Masse der Atmospäre ungefähr in zwei Hälften und die dort ablaufenden Prozesse (Windströmungen) haben zweitens auch herausragenden Einfluß auf das Wettergeschehen. Sie ist damit auch Grundlage einer wichtigen Höhenwetterkarte.

Eingehend werden diese Zusammenhänge auch in der Präsentation "Die Entstehung des Windes" dargestellt.

 

HomeFlugsportJuraDownloadsFeinstaubÜber michImpressumDatenschutzSitemap