Die Meteorologie ist die Physik der Atmosphäre. Daher muss man wissen, wie die Atmosphäre aufgebaut ist und infolgedessen Messgeräte für Temperatur, Feuchte und Wind möglichst in die gesamte Atmosphäre und damit auch in große Höhen einbringen. Das Wetter spielt sich im Wesentlichen in einem Bereich ab, der in den Tropen bis etwa 15 km, bei uns etwa 12 km und an den Polen bis etwa 8 km Höhe reicht. Diese Obergrenze, die Tropopause, kann jeder sehen, der in einiger Entfernung die obere Begrenzung einer ausgewachsenen Gewitterwolke betrachtet. Zu Beginn der Atmosphärenforschung war an Flugzeuge noch gar nicht zu denken und auch heute wären bemannte Luftfahrzeuge für systematische Routineuntersuchungen viel zu teuer. Wie die meisten sicher wissen, behilft man sich mit Ballons, die sich nicht einfach "Luftballons", sondern "Wetterballons" nennen und sich auch in Größe und Gewicht deutlich von den Luftballons unterscheiden. Sie wiegen bis zu 1200 g und platzen in Höhen bis etwa 35 km mit einem Durchmesser von bis zu 9 Metern.
Weshalb sollen sie solche Höhen erreichen? Das Wetter spielt sich zwar nur in den tieferen Schichten im Bereich größerer Wasser(dampf)mengen ab, an der Verteilung der Hochs und Tiefs haben aber auch die Ereignisse in den höheren Luftschichten einen Einfluss, schließlich finden sich etwa 10% der Atmosphärenmasse oberhalb des oben erwähnten Höhenbereichs für das Wetter.
Fragt sich nur, wie die Ballons ohne Antrieb in die Luft steigen. Das beruht auf dem "Archimedischen Prinzip". Stellen Sie sich einen Wasserwürfel mit einer Kantenlänge von 10 cm vor. Der wiegt ziemlich genau ein kg und hat das Volumen von einem Liter. Bauen Sie nun einen genau so großen Würfel aus einem anderen Material oder einem Gemisch aus mehreren Materialien (zum Beispiel Metall mit Lufteinschluss). Dieser Würfel verdrängt vollständig untergetaucht genau ein Kilo Wasser. Wiegt dieser Würfel mehr als das Kilogramm Wasser, das er verdrängt, wird er im Wasser durch die Erdanziehung auf den Gewässerboden sinken. Wiegt der Würfel weniger als ein Kilogramm, bekommt er einen Auftrieb, der ihn entgegen der Erdanziehung schwimmen lässt. Genauso verhält es sich mit Ballons. Wenn das Gewicht eines Ballons, seiner Füllung und der eventuellen Nutzlast (z.B. meteorologische Messinstrumente oder die Personen in einem Korb) leichter ist, als die von ihm verdrängte Luft, so hat er einen Auftrieb, der größer ist als die Erdanziehungskraft, und schwebt nach oben. Üblicherweise nimmt man Helium als Füllung, früher auch Wasserstoff, was allerdings sehr gefährlich ist, wie sich spätestens 1937 beim Absturz des Zeppelins in Lakehurst herausstellte. Bei Heißluftballons wird dagegen kein besonderes Gas eingefüllt, sondern die Luft innerhalb der Ballonhülle erhitzt. Da das Ballongespann dann leichter als die von ihm verdrängte kühlere Luft ist, erfährt er seinen Auftrieb.
Warum Ballone nicht beliebig hoch steigen können bzw. sollen, erfahren sie voraussichtlich morgen im zweiten Teil.
Dipl.-Met. Christoph Hartmann
Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 25.03.2017
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