Ballonaufstiege (Teil 2)

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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