Thema des Tages

Der Wetterballon - Radiosondenmessungen in der Atmosphäre


Um an hochaufgelöste Wetterdaten direkt aus der Atmosphäre zu kommen,
ist die Radiosonde aus der Meteorologie nicht mehr wegzudenken. Sie 
liefert wichtige Informationen über Feuchte, Temperatur und 
Windgeschwindigkeit in verschiedenen Höhen.


Um an hochaufgelöste Wetterdaten direkt aus der Atmosphäre zu kommen,
ist die Radiosonde aus der Meteorologie nicht mehr wegzudenken. Sie 
liefert wichtige Informationen über Feuchte, Temperatur und 
Windgeschwindigkeit in verschiedenen Höhen.
Als im Jahre 1783 die ersten bemannten Ballons über Paris aufstiegen,
hatte man dabei zunächst wenig Interesse an der Sammlung von 
wissenschaftlichen Daten. Erst im Jahre 1804 erkannte der 
französische Physiker Joseph Louis Gay-Lussac das Potenzial und 
sammelte bei einer Ballonfahrt eine Luftprobe aus 7000 m Höhe. Er 
stellte dabei fest, dass das Verhältnis zwischen Sauerstoff und 
Stickstoff in dieser Höhe dem am Erdboden entspricht. Solche 
bemannten Ausflüge in große Höhen waren allerdings nicht 
ungefährlich. Im Jahre 1862 erreichten der Ballonfahrer Henry Tracey 
Coxwell und der britische Meteorologe James Glaisher bei einer 
Ballonfahrt, bei der sie ein meteorologisches Messprogramm 
durchführten, eine Höhe von etwa 8800 m. Ohne zusätzlichen Sauerstoff
verlor Glaisher das Bewusstsein. Die beiden haben nur überlebt, weil 
Coxwell mit letzter Kraft das Steuerventil des Ballons mit den Zähnen
öffnete und somit den Ballon zum Sinken brachte. 
Seit den frühen 1890ern führte man kostengünstigere und 
ungefährlichere unbemannte Messungen mit selbstregistrierenden 
Messgeräten durch. Erste Messungen mit unbemannten Wetterballons in 
großem Umfang machte der französische Meteorologe Léon-Philippe 
Teisserenc de Bort. Er entdeckte dabei die Stratosphäre. Mit 
Aufkommen der Funktechnik vereinfachten sich die Möglichkeiten der 
Datenübertragung. Mit der Entwicklung erster Prototypen von 
Radiosonden wurde bereits 1921 am Observatorium Lindenberg begonnen. 
Die erste Radiosonde wurde 1924 von William Blair gestartet. Er 
verwendete die temperaturabhängige Veränderung des Signals, um die 
Temperatur in verschieden Höhen abzuschätzen. Es dauerte allerdings 
noch bis 1929, als Robert Bureau und Pawel Moltschanow direkt 
gemessene Werte in Funksignale umwandeln konnten.

In der heutigen Zeit messen Radiosonden den Luftdruck, die 
Luftfeuchtigkeit und die Temperatur direkt mit jeweils einem 
Messsensor. Der Höhenwind wird indirekt aus dem Windversatz der 
Radiosonde ermittelt, der mithilfe einer GPS-Antenne gemessen wird.
Ein Gasballon befördert das Messgerät in große Höhen. Als Gas kommt 
Wasserstoff oder Helium zum Einsatz. Während des Aufstiegs senden die
Messinstrumente Daten, die von einer Bodenstation empfangen werden. 
Wegen des abnehmenden Luftdrucks dehnt sich der Ballon mit der Höhe 
deutlich aus, bis er letztendlich in einer Höhe von etwa 20 - 30 km 
platzt. Der Höhenrekord beim DWD liegt bei etwa 39 km. Die Radiosonde
fällt dann an einem Fallschirm zu Boden. 

Die gesammelten Daten werden in thermodynamische Diagrammpapiere 
eingetragen. Gebräuchlich ist in der Meteorologie das sogenannte 
Skew-T-log-p-Diagramm (siehe Abbildung). Hier ist die 
Vertikalkoordinate als logarithmischer Luftdruck aufgetragen, während
die Temperaturen schräg von rechts unten nach links oben verlaufen. 
Dies ist ungewohnt, hat aber den Vorteil, dass die Flächen in diesem 
Diagramm direkt die Energie widerspiegeln. Die linke Kurve ist die 
Taupunkttemperatur (Feuchtemaß) und die rechte Kurve die Temperatur. 
Damit lassen sich die vertikale Schichtung, Stabilität, Labilität, 
das Gewitterpotenzial und viele andere Parameter ableiten. Wie diese 
Kurven zu interpretieren sind, erfahren sie im Thema des Tages vom 
03.07.2020 "Radiosondenaufsteig für Einsteiger"  oder 
https://www.dwd.de/DE/wetter/thema_des_tages/2020/7/3.html oder vom 
24.07.2020 mit "Radiosondenaufstiege für Fortgeschrittene " 
https://www.dwd.de/DE/wetter/thema_des_tages/2020/7/24.html

Auch in der numerischen Wettervorhersage spielen Radiosonden heute 
noch eine entscheidende Rolle. Zwar werden die meisten Informationen 
aus der Höhe mittlerweile von Flugzeugen und Satellitendaten 
ermittelt. Von der vertikalen Auflösung von Wind, Temperatur und 
Feuchte sind aber die Radiosonden weiterhin unschlagbar und gelten 
somit immer noch als Referenz bei der Kalibrierung von weiteren 
Fernerkundungsdaten wie z. B. Satellitendaten.


Dipl.-Met. Christian Herold
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale 
Offenbach, den 11.04.2021

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