Gestern hatten wir die physikalischen Grundlagen für den Ballonauftrieb besprochen. Heute fragen wir uns unter anderem, warum Ballone nicht beliebig hoch steigen können.
Bei einer starren Ballonhülle, also einem konstanten Volumen des Ballongespannes, reduziert sich der Auftrieb dadurch, dass die Luft nach oben zu immer dünner wird. Irgendwann sind Ballonmasse und die von ihm verdrängte Luftmasse gleichgroß. Dann bleibt der Ballon auf konstanter barometrischer Höhe, also auf einer Höhenfläche konstanten Druckes.
Messungen in einer konstanten Höhe über NN lassen sich dagegen mit Ballons nicht durchführen. (In ca. 5 km über NN liegt die die Differenz gegenüber der geometrischen Höhe bei +- 250 m.) Einen solchen Ballon braucht man beispielsweise, wenn man Forschungsarbeiten in einer bestimmten (barometrischen) Höhe durchführen möchte.
Die üblichen Wetterballone jedoch haben eine flexible Hülle, die sich mit zunehmender Höhe wegen des geringer werdenden äußeren Druckes ausdehnt. Daher könnte so ein Ballon fast beliebig hoch steigen. Das Ballonmaterial muss sich aber infolge seiner Oberflächenvergrößerung auf eine immer größere Fläche verteilen. Irgendwann ist das Material an einer Stelle so dünn, dass der Ballon platzt. (Der derzeitige Rekord für Forschungsballons soll nach Wikipedia bei ca. 49 km liegen und 2002 von der NASA aufgestellt worden sein.) Nach dem Zerknall geht die Nutzlast, also beim Wetterballon die Messgeräte, üblicherweise an einem Fallschirm zu Boden, um nicht als Geschoss irgendwo einzuschlagen. Die Daten gehen bereits beim Aufstieg per Funk direkt an die Empfänger.
Welche Erkenntnisse erhält man durch die Wetterballons? In der Meteorologie werden systematisch mindestens zweimal täglich (12 und 00 UTC, also Weltzeit (MESZ-2 Std.)) Ballons in die Atmosphäre geschickt, um Temperatur, Feuchte und den Druck, jeweils in Abhängigkeit von der Höhe, zu messen. Im Gegensatz zu den Messungen in einer Thermometerhütte sind diese Ballonmessungen noch immer nicht in der notwendigen Genauigkeit verfügbar und die Messsonden werden ständig weiterentwickelt.
Obwohl nur wenige Daten gemessen werden, sind sie sehr nützlich. Man kann beispielsweise die Wolkenhöhe und den Wassergehalt der Atmosphäre berechnen und Vorhersagen über Höchsttemperatur und Niederschlagsart (fest oder flüssig) erstellen. Auch die Wahrscheinlichkeit für Gewitter und deren Intensität lassen sich aus den Daten ableiten.
Inzwischen gehen die Messwerte in die Wettervorhersagemodelle ein und helfen bei der Kalibrierung von satellitengestützten Sensoren. Sie haben den Vorteil, die Daten flächendeckend und nicht - wie durch die vom Ballon transportierten Messgeräte - nur punktuell auf der Ballonflugbahn zu erfassen.
Dass dies dringend notwendig ist erkennen wir auf der Abbildung, die die Verteilung der Ballonmessungen über die Erde zeigt. Die Atmosphäre über den Wasserflächen, die wie im Falle des Nordatlantiks unsere Wetterküche darstellt, wird von den Ballons kaum durchflogen und vermessen. Wetterschiffe, deren Aufgabe es war, über den Meeren an bestimmten Stellen regelmäßige Ballonaufstiege durchzuführen, sind schon lange Geschichte.
Die flächenhafte Messung per Satellit hat aber deren Ausfall überkompensiert.
Dipl.-Met. Christoph Hartmann
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 26.03.2017
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