Stratosphärenflug “Glück ab”

Verwendete Sensoren

	Die senseBox:edu ist ein sogenannter Mikrocontroller. Das ist ein kleiner programmierbarer Computer. Hier laufen alle Messdaten der Sensoren zusammen und werden auf eine SD-Karte abgespeichert.
	Der BMP 280 ist unser verwendeter Luftdruck –  Sensor. Außerdem kann der BMP 280 noch die Temperatur messen.
	Der HDC 1080 ist ein Temperatur – Sensor, der außerdem noch die relative Luft-feuchtigkeit misst.
	Der SDS 011 ist für Erfassung von Feinstaub im Bereich von etwa 2.5 – 3.5 µm  (PM2.5) zuständig.  Hier beruht das Messverfahren auf die Streuung des Lichts eines Laser durch  Feinstaubpartikel.
	Zur Erfassung der CO2 – Konzentration verwenden wir einen nicht-dispersiven Infrarotsensor: den MH-Z16

Luftdruck  

In Abbildung 1 ist in Rot der Verlauf des Luftdrucks der Atmosphäre und in Blau die zugehörige Steighöhe nach der Flugdauer des Wetterballons aufgetragen.

Mit zunehmender Höhe sinkt der Luftdruck auf nahezu null ab. Die sich über einer Fläche erstreckende Luft kann als „Luftsäule“ betrachtet werden. Vereinfacht betrachtet ist der Luftdruck das “Gewicht” der Luftsäule die über einem steht (Abb. 1). Je höher der Wetterballon steigt, desto mehr Luftsäule lässt er “unter sich” und desto weniger Gewicht der Luftsäule lastet auf ihm. 

Dass der Luftdruck mit zunehmender Höhe immer schwächer abnimmt, liegt an der Kompressibilität der Luft. Durch das eigene Gewicht der Luftsäule wird diese am Boden stärker zusammengepresst als in größerer Höhe, da dort weniger eigenes Gewicht auf ihr lastet. Dadurch ist die Dichte der Luft am Boden größer und damit auch der daraus resultierende Luftdruck (Abb. 2). Ein Kubikmeter an Luftsäule die auf den Wetterballon lastet, „wiegt“ also mit zunehmender Höhe immer weniger.

Relative Luftfeuchtigkeit

Luft kann abhängig von der Temperatur immer nur eine begrenzte Menge Wasserdampf aufnehmen bis das sogenannte Kondensationsniveau erreicht ist. An diesem Punkt kondensiert Wasserdampf der nicht mehr aufgenommen werden kann in Form von  Wassertröpfchen. Hierbei gilt: Je wärmer die Luft, desto mehr Feuchtigkeit kann sie aufnehmen.

Die relative Luftfeuchtigkeit beschreibt hierbei das Verhältnis zwischen der aktuell tatsächlich vorhandenen Menge an Wasserdampf  (der absoluten Luftfeuchtigkeit) und der bei dieser Temperatur maximal möglichen Menge (davon). Bei 100% relativen Luftfeuchte ist also die maximale aufnehmbare Menge Wasserdampf erreicht.

In Abbildung 5 ist in Rot der Verlauf der relativen Luftfeuchtigkeit der Atmosphäre vom Start bis zur Landung des Wetterballons aufgezeichnet. Außerdem sieht man an der blauen Kurve die zugehörige Steighöhe des Ballons.

Auffällig ist das kurze Ansteigen und anschließende Absinken der relativen Luftfeuchte ab 2 km Höhe in einen Bereich zwischen 0 – 4% . Da mit zunehmender Höhe die Temperatur sinkt, steigt zunächst die relative Luftfeuchte. Sobald das Kondensationsniveau erreicht ist, kondensiert ein Großteil des Wasserdampfes. Als Folge davon sieht man oft die Bildung von Quellwolken. Durch die Kondensation des Wasserdampfes sinkt die absolute Luftfeuchtigkeit und damit auch die relative Luftfeuchtigkeit.

Ab 7 km Höhe fällt die Atmosphärentemperatur unter den Gefrierpunkt wodurch Wasserdampf als solcher kaum mehr vorliegen kann. Dadurch bleibt die relative Luftfeuchtigkeit bei 0%.

CO₂ – Gehalt

In Abbildung 6 ist in rot der Verlauf des CO₂ – Gehalts der Atmosphäre vom Start bis zur Landung des Wetterballons aufgezeichnet. Außerdem sieht man an der blauen Kurve die zugehörige Steighöhe des Ballons.

Anfangs schwankt der CO₂ – Gehalt um den aktuellen Durchschnittswert der Atmosphäre der  bei etwa 400 ppm liegt.

Die Schwankungen in den 30 Minuten nach dem Start entstehen nicht durch Unterschiede an CO₂ in der Atmosphäre, sondern scheinen Messschwankungen des Sensors zu sein, die wahrscheinlich auf das starke Hin- und Herpendeln des Wetterballons beim Aufstieg zurückzuführen sind. Dabei wurde womöglich Außenluft stoßweise in den aus der Sonde herausragenden Sensor gepresst. Das Fehlen derartiger Schwankungen beim Absinken der Sonde am Fallschirm unterstützt diese Vermutung.

In circa 35 km Höhe beginnt die CO₂ – Konzentration gegen null zu sinken. Tatsächlich ändert sich aber bis in 80 km Höhe die Zusammensetzung der Luft nicht. Wieso sinkt also nun die CO₂ – Konzentration in unseren Messungen?

CO₂ – Moleküle absorbieren Licht im infraroten Bereich. Der Sensor nutzt dies und misst die Abschwächung eines Infrarot – Lichtstrahls der eine mit Umgebungsluft gefüllten Kammer passiert. Je mehr CO₂ – Moleküle in der Luft vorhanden sind, desto stärker wird der Infrarot – Lichtstrahl abgeschwächt (Abb. 7).Durch den abnehmenden Luftdruck mit zunehmender Höhe sinkt die Dichte der Luft (vgl. Abb. 2), wodurch pro Volumeneinheit immer weniger CO₂ – Moleküle  vorhanden sind.

Dadurch „sinkt“ scheinbar die gemessene CO₂ – Konzentration in der Luft, obwohl die Zusammensetzung der Atmosphärengase die gleiche bleibt

Literatur

Roedel, W. (2013). Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre. Springer-Verlag.

Umweltbundesamt: https://www.umweltbundesamt.de/daten/klima/atmosphaerischetreibhausgas-konzentrationen#kohlendioxid (zuletzt aufgerufen am: 03.08.2020)

Umweltbundesamt: https://www.umweltbundesamt.de/daten/luft/luftschadstoff-emissionen-in-deutschland/emission-von-feinstaub-der-partikelgroesse-pm25#emissionsentwicklung (zuletzt aufgerufen am: 03.08.2020)

World Health Organization. (2006). Air quality guidelines: global update 2005: particulate matter, ozone, nitrogen dioxide, and sulfur dioxide. World Health Organization.

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