Einfhrung in die Meteorologie I Teil IV Meteorologische

Einführung in die Meteorologie I - Teil IV: Meteorologische Zustandsvariable Clemens Simmer

Gliederung der Vorlesung 0 Allgemeines I Einführung II Zusammensetzung und Aufbau der Atmosphäre III Strahlung IV Die atmosphärischen Zustandsvariablen V Thermodynamik der Atmosphäre --------------------------VI Dynamik der Atmosphäre VII Atmosphärische Grenzschicht VIII Synoptische Meteorologie 2

IV Die atmosphärischen Zustandsvariablen IV. 1 Luftdruck IV. 2 Windgeschwindigkeit IV. 3 Temperatur IV. 4 Feuchte 3

IV. 1 Luftdruck 1. Vertikale Druckverteilung 2. Horizontale Druckverteilung 3. Druckmessung 4

IV. 1. 3 Druckmessverfahren Folgende vergleichsweise genauen Druckmessverfahren werden in der Meteorologie häufig verwendet: • Flüssigkeitsbarometer (Quecksilberbarometer) – Prinzip: Vergleich mit dem Druck einer Flüssigkeitssäule • Aneroidbarometer (Vidiedose) – Prinzip: Druckverformung einer Dose • Siedepunktbarometer (Hypsometer) – Prinzip: Siedepunkt von Flüssigkeiten 5

Flüssigkeitsbarometer Geschichte • Seit 1644 (Torricelli, Florenz, mit Quecksilber, -> alte Druckeinheit Torr) • 1654 (von Guericke, Magdeburg, mit Wasser) • 1660: Erste Wettervorhersage mittels Barometer Prinzip: Luftdruck p entspricht dem Druck einer Flüssigkeitssäule der Höhe h. Vakuum h p ρl g h Bestimme h, wenn die Flüssigkeit Wasser ist und das Barometer am Boden (ca. 1000 h. Pa) steht. 6

Stationsbarometer Δl h+Δh h p q ρl g h Q Zweiter Schenkel (in letzter Folie) ist hier zum Gefäß erweitert (hierdurch nur wenig Änderung der Höhe durch den relativ sehr großen Querschnitt Q gegenüber q). 7

Barometerkorrektur • Mit p = ρfl g h = ρfl(T) g(φ, z) h gibt es keine feste Beziehung zwischen p und h. • Skaleneinteilungen auf Barometern sind geeicht für Standard(Normal-)werte (i. a. z=0, Φ=45°, T=293, 15). • Druckberechnung Für Quecksilber (fl=Hg) gilt: ρHg, 0 = 13546 kg/m³ c = 1, 82· 10 -4 K-1 8

Aneroidbarometer Vakuum p Prinzip: Der Luftdruck drückt die Dose teilweise zusammen Idee: Leibniz, 1702 Ausführung: Vidie, 1843 (daher auch Vidie-Dose) Vorteile: einfache Registrierung, transportabel (z. B. nutzbar als Höhenmesser) Nachteile: Hystereseeffekte, Reibungseffekte (Klopfen!), regelmäßige Eichung notwendig 9

Siedepunktbarometer • Gasförmiges Wasser (Wasserdampf) kann nur bis zu einem bestimmten Wasserdampfdruck (=Partialdruck des Wasserdampfes, e=ρWRWT), dem Sättigungsdampfdruck e*, nur als Gas existieren. • Ist der Dampfdruck des Wasserdampfes höher als e*, so kondensiert (oder gefriert - bei Temperaturen unter 0°C) der überschüssige Wasserdampf als Wasser oder Eis. • Der Sättigungsdampfdruck ist einzig eine Funktion der Temperatur, also e* = e* (T) (folgt aus Clausius-Clapeyron Gleichung). Er stellt sich in abgeschlossenen Systemen (geschlossener Behälter) über einer Wasser- oder Eisoberfläche ein: • Wasser siedet, wenn der Sättigungsdampfdruck e* gleich dem Luftdruck p ist (warum? ). Ø Misst man also die Temperatur des Wasserdampfes oberhalb siedenden Wassers, so kann man von T auf e* (=p) schließen. • Einfachste Ausführung: Gasbrenner+Topf+Thermometer (Skala bis mind. 100°C!), z. B. früher als Höhenmesser für Bergsteiger 10

Sättigungsdampfdruck des Wassers http: //www. chemieunterricht. de/dc 2/wasser/w-wasserdampf. htm 11

Übungen zu IV. 1. 3 1. An einem Stationsbarometer in Bonn, Auf dem Hügel 20, wird an der auf Normaldruck, Normalschwere und 0°C geeichten Skala ein Wert von 1000 h. Pa abgelesen. Die Temperatur des Quecksilberbarometers sei 15°C. Welcher Druck herrscht wirklich? 2. Auf einem Berg der Höhe 2000 m herrscht ein wahrer Luftdruck von 780 h. Pa und eine Temperatur von -15°C. Reduziere den Luftdruck auf NN unter verschiedenen Annahmen: (a) homogene, (b) isotherme, (c) polytrope Atmosphäre mit den Annahmen (a) ρ=ρ(750 h. Pa, -15°C)=const (b) T=-15°C=const (c) T-Zunahme nach unten ab T=-15°C in 2000 m mit 0, 65 K/ 100 m. (d) Bei wie viel Grad würde auf dem Berg das Wasser sieden? 12

Zusatzübungen (Tutorium) zu IV. 1. 3 1. Warum siedet Wasser, wenn der Sättigungsdampfdruck über Wasser gleich dem Luftdruck über der Wasseroberfläche ist? 2. Die Messungen in Aufgabe 1 des vorangehenden Übungsblattes seien in 60 m Höhe gewonnen worden. Reduziere den Druck auf NN. 13