Meteorologische Grundlagen

Auf dieser Seite werden die wichtigsten Meteorologischen Begriffe wie

Temperatur, Luftdruck, Taupunkt, Windchill, PMV etc. erläutert.

 

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Durch das Zusammenwirken der verschiedenen klimatischen Elemente wie Lufttemperatur, Feuchte, Niederschläge, Sonnenstrahlung, Wind usw. entsteht das "Wetter". Über einen längeren Zeitraum betrachtet, nennt man es "Klima".Die Luft umgibt die Erde in Form einer Hülle und übt dabei auf sie einen veränderlichen Druck aus (Barometerstand). Die untere der Erdoberfläche anliegende Schicht nennt man Troposphäre, die in unseren Breiten bis etwa 11 km reicht. Darauf folgen die Stratosphäre (11 bis 75 km) und Ionosphäre (75 bis 600 km). Der durch das Gewicht der Luft verursachte Druck an der Erdoberfläche beträgt im Mittel 1013 mbar. Bei gleichmäßiger Dichte der Luft würde sich hieraus rechnerisch eine Höhe der Atmosphäre von 7990 m ergeben. In Wirklichkeit nimmt jedoch die Dichte und die Temperatur der Luft mit der Höhe ab.

- Abnahme des Luftdrucks und der Temperatur mit der Höhe

(Norm-Atmosphäre, DIN ISO 2533 Dez. 79)

Höhe

km

0

0,5

1,0

2,0

3,0

4,0

6,0

8,0

10

15

20

Druck

mbar

1013

955

899

795

701

616

472

356

264

120

55

Temperatur

C

15

11,8

8,5

2,04

-4,5

-11

-24

-37

-50

-55

-55

Abnahme der Temperatur mit der Höhe: 6,5 K je km bis etwa 11 km Höhe. Von 11 km bis etwa 20 km Temperatur annähernd gleichbleibend bei etwa -55 C. In 20 bis 47 km Höhe Temperaturanstieg durch Ozonbildung bis etwa 0 C, dann wieder Temperaturabfall.

Die Größen, mit denen der Luftzustand beschrieben wird, nennt man Zustandsgrößen.

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- Reine trockene Luft

Luft ist ein Gemisch aus Gasen, Verunreinigungen und Dämpfen. Trockene reine Luft gibt es nur theoretisch.

Diese besteht aus:

Vol.: %

Stickstoff

N2

78,060

Sauerstoff

O2

20,960

Argon

Ar

0,930

Kohlendioxyd

CO2

0,030

Wasserstoff

H2

0,010

Neon

Ne

0,002

Helium

He

0,00007

Krypton

Kr

0,0003

Xenon

Xe

0,00004

 

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- Feuchte Luft

Absolut trockene Luft kommt in der freien Atmosphäre nicht vor. Ein gewisser Anteil an Wasserdampf ist stets in ihr enthalten. Feuchte Luft ist also eine Mischung von trockener Luft und Wasserdampf. Zu geringe oder zu große Luftfeuchtigkeit beeinträchtigen das Behaglichkeitsgefühl des Menschen, und in vielen Betrieben ist die Güte des Rohmaterials oder des Erzeugnisses von der Luftfeuchtigkeit in den Lager- und Fabrikationsräumen abhängig.

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- Zustandsgrößen der Luft

- Lufttemperatur

Sie kennzeichnet den Wärmezustand der Luft und kann u.a. mit dem Thermometer gemessen werden. Die Angabe der Temperatur erfolgt in Celsius C oder absolut in Kelvin K. Eine Temperaturdifferenz wird immer in K angegeben.

- Mittelwerte der Temperatur

Die an einem Ort herrschende Temperatur zeigt über der Zeit als Maßstab aufgetragen einen täglichen und jährlichen wellenförmigen Verlauf,der durch den wechselnden Sonnenstand verursacht ist. Um die Temperaturen miteinander zu vergleichen, bildet man Temperaturmittel.

- Die mittlere Tagestemperatur, die aus stündlichen Ablesungen der Temperatur zu ermitteln ist. Praktisch ermittelt man allerdings das Mittel tm durch drei Ablesungen, um 7, 14 und 21 Uhr,nach der empirischen Formel

 

t7 + t14 + 2*t21

tm =

------------------

4

 

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- Absolute Luftfeuchtigkeit

Unter absoluter Feuchtigkeit x versteht man diejenige Wassermenge in kg, die pro kg trockener Luft vorhanden ist. Um mit handlicheren Zahlen arbeiten zu können, wird die absolute Feuchtigkeit in Tabellen und Diagrammen allerdings in g angegeben (x = g/kg).

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- Relative Luftfeuchtigkeit

Trockene Luft kann bei einer bestimmten Temperatur nur eine ganz bestimmte maximale Menge an Wasserdampf aufnehmen. Je höher die Temperatur, desto größer ist der mögliche Wassergehalt. 1 kg Luft von z.B. 25 C kann bei null Meter über Meer bis zur Sättigung ca. 20 g Wasser aufnehmen. Ist nun aber die absolute Feuchtigkeit dieser Luft nur 10 g/kg, so ist nur 50 % der maximal möglichen Wassermenge vorhanden, d.h. die relative Feuchtigkeit r.F der Luft beträgt 50 %.Die relative Feuchtigkeit sagt also aus, wie groß bei der im Moment betrachteten Lufttemperatur die vorhandene Dampfmenge im Verhältnis zurmaximal möglichen Menge (bei gleicher Temperatur) ist.

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- Luftdruck

Druck ist die auf eine Fläche wirkende Kraft.Der durch das Gewicht der Luft verursachte Druck auf die Erdoberfläche ist der atmosphärische Druck Dieser beträgt auf Meereshöhe imMittel 1013 mbar = 760 mm Hg.- Bei luft- und wärmetechnischen Rechnungen wurde früher der Druck oft durch die Druckhöhe von Flüssigkeitssäulen angegeben, z.B. mm Wassersäule (mm WS) oder mm Quecksilbersäule (mm Hg):

1 bar = 1000 mbar = 1000 hPa = 10200 mm WS = 750 mm Hg

- Dichte
- Spezifische Wärme
- Wärmeinhalt oder Enthalpie
- Stoffstrom          

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- Einfluss der Höhenlage auf die Luftzustandsgrößen

Eine Luftmenge mit der relativen Feuchte r.F = 100 % enthält bei 1000 Meter Höhe ca. 1,2 g/kg mehrWasser als auf 0 m ü.M. (NN) - d.h. für eine Luftmenge (t und r.F konstant) steigt der Wassergehalt x(absolute Feuchte) mit zunehmender Höhe.- Luft mit r.F = 100 % auf 0 m NN wird auf 1000 Meter Höhe zu Luft mit r.F = 88.7 %. Die Differenz beträgt also r.F =11.3 % - es gilt: Die relative Feuchte r.F einer Luftmengesinkt mit zunehmender Höhe (t und x konstant).

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- Berechnungen mit dem h-x-Diagramm:

Bei allen Berechnungen muss der atmosphärische Druck (Barometerstand) berücksichtigt werden.Dieser ist vor allem von der Höhe über NN abhängig. Die meisten h-x-Diagramme beziehen sich auf null Meter über Meer (NN) entsprechend 1013 mbar = 760 mm Hg.

Umrechnungsfaktoren (h-x-Diagramm):

Höhe
m
0
200
400
600
800
1000
1500
2000
Druck
mbar
1013
989
966
943
921
899
842
795
Faktor
k
1.000
0.976
0.953
0.931
0.909
0.887
0.831
0.785

 

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Fachbegriffe

 - DCF-77

DCF-77 ist ein Zeitzeichensender, der im Langwellenbereich arbeitet und über eine Reichweite von ca. 1500 km verfügt. Standort ist Mainflingenbei Frankfurt am Main. Der Sender sendet ein Zeitsignal aus, das von der Physikalisch-Technischen-Anstalt (PTA) in Braunschweig als sogenannte Atomzeit geliefert wird und eine Zeitabweichung von weniger als 1 s in 1 Mio. Jahren aufweist. Astronomisch bedingteZeitkorrekturen, Schaltjahre und Datumsänderungen werden im Zeittelegramm automatisch berücksichtigt.

- Empfundene Temperatur

- siehe Windchill

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- Luftdruckhistorie

Speicherung und grafische Anzeige des Luftdruckverlaufs der letzten 24 Stunden. Hieraus können Rückschlüsse über die allgemeine Wetterentwicklung gezogen werden. Die grafische Anzeige erfolgt bei der Wetterstation durch einen Teilstrich bei einer Veränderung von 2 hPa.

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- Luftdrucktendenz

- Errechnet aus der Entwicklung der Luftdruckwerte der letzten Stunden.

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- Taupunkt

Temperaturpunkt, der vom Zusammentreffen eines bestimmten Luftdrucks, einer bestimmten Temperatur und einer bestimmten Luftfeuchte abhängig ist. An diesem Temperaturpunkt beginnt die Kondensation der Luftfeuchte, die sog. Betauung, die Luftfeuchtigkeit kondensiert aus und schlägt sich als Flüssigkeit nieder. So liegt der Taupunkt für Luft z. B. bei 20 C und 17,4 g/m3 Wasserdampf. Liegt der Taupunkt für Wasserdampf unter 0 C, so erfolgt die Kondensation als Schnee oder Reif.

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- Wettertendenz

- Vorhersageanzeige über Wettersymbole, errechnet aus der Steigungs- oder Fallgeschwindigkeit des Luftdrucks.

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- Windchill-Äquivalent-Temperatur (Empfundene Temperatur)

Eine fiktive Temperatur, die vom Menschen unter bestimmten Bedingungen statt der gemessenen Temperatur empfunden und häufig für dieBeschreibung niedriger Temperaturen herangezogen wird. Als Bedingungen hierfür sind eine Temperatur unter 33 C und eineWindgeschwindigkeit über 6,4 km/h definiert. Windchill entspricht dem Abkühlungseffekt einer unbekleideten Haut bei angenommenenkonstanten 33 C Körpertemperatur.Die "Empfundene Temperatur" ist näherungsweise mit der sogenannten gefühlten Temperatur vergleichbar, die zusätzlich u. a. auch dieStrahlungseinwirkung der Sonne, die Lichtreflexion der Wolken und die Lichtwellenlänge berücksichtigt.

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- PMV Predicted Mean Vote Index für das persönliche Wohlbefinden

Hinter diesem Wert verbirgt sich unter < 5C die gefühlte Temperatur.Ab 5C wird dieser Wert mit einem empirischen Verfahren unter Einbezug der Windgeschwindigkeit, der Temperatur und dem Taupunkt alsMaß der Luftfeuchte ermittelt. (Im Raum entfällt die Windkomponente).Hier erfolgt keine Berücksichtigung des Bedeckungsgrades an WolkenBezug dazu: E. King (Medizin-Meteorologische Hefte Nr. 10, 1955) und R. Knepple (Zeitschrift für Meteorologie Nr. 2, 1948)Die ermittelten Werte (in Klammer angezeigt) werden auf den PMV-Index umgesetzt:

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PMV-Index

Gefühlte Temp.(C) bzw empirischer Wert

Physiologische Wirkung

<-3

<= -26

extremer Kältestreß

-3

-25...-16

hoher Kältestreß

-2

-15...-10

mäßiger Kältestreß

-1

-10...+ 4

leichter Kältestreß

0

+ 5...+ 9

keine Belastung

+1

+10..+15

leichte Wärmebelastung

+2

+16..+25

mäßige Wärmebelastung

+3

+26..+35

hohe Wärmebelastung

>+3

>= +36

extreme Wärmebelastung

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Beaufortskala

- Windgeschwindigkeit

(Definition Windgeschwindigkeiten)
Geschwindigkeit

Stufe

Beschreibung

Km/Std
m/sek
0-0,7
0-0,2
0
Windstille
0,7-5,4
0,3-1,5
1
leichter Zug
5,5-11,9
1,6-3,3
2
leichte Brise
12-19,4
3,4-5,4
3
schwache Brise
19,5-28,5
5,5-7,9
4
mäßige Brise
28,6-38,7
8,0-10,7
5
frische Brise
38,8-49,8
10,8-13,8
6
starker Wind
49,9-61,7
13,9-17,1
7
steifer Wind
61,8-74,6
17,2-20,7
8
stürmischer Wind
74,7-88,9
20,8-24,4
9
Sturm
88,0-102,4
24,5-28,4
10
schwerer Sturm
102,5-117,4
28,5-32,6
11
orkanartiger Sturm
> 117,4
>32,6
12
Orkan
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Diese Skala wurde früher nach rein optischen Gesichtspunten ausgewertet, ein Vergleich war nur in einem groben Raster möglich. 1846 entwickelte der Engländer Thomas Romnay das Kugelanemometer. Es besteht aus drei oder vier Halbkugeln die um eine Achse frei rotieren können. Ganz egal aus welcher Richtung der Wind kommt, das Windrad setzt sich in Bewegung. Über einen Sinnreichen Mechanismus wurde dann ein Zeiger bewegt , der direkt die Rotationsgeschwindigkeit dieses Windrades anzeigt. Diese mechanische Umsetzung in eine Zeigerbewegung belastete natürlich das Windrad. Deshalb lief es etwas langsamer, als die tatsächliche Windgeschwindigkeit betrug. Auch Reibungsverluste in den Lagern machten sich auf diese Weise bemerkbar. Gerade bei kleinen Windgeschwindigkeiten verursachten diese Verluste beträchtliche Abweichungen. Heute erfolgt die Übernahme der Rotationsgeschwindigkeit berührungslos und etwaige Reibungsverluste werden softwaremäßig korrigiert.

 

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