Stratosphärenflug “Glück ab”

Die Montessori Schule Landau hat ihren Stratosphärenflug durchgeführt! Um 10:15 am 26.06.2020 Ortszeit ging es in luftige Höhen. Wir haben den Flug mit technischem Know-How unterstützen können und auch unsere 360° Kamera mit nach oben geschickt. Antenne Landau war ebenfalls vor Ort und hat unsere studentische Hilfskraft Daniel Serr sowie die das Projekt leitende Lehrerin Frau Tüllmann interviewt.
 
Die maximale Steighöhe betrug ca. 34 km!

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  

Abb. 1: Grafische Darstellung der Steighöhe und des Luftdrucks nach der Flugzeit.

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.

Abb. 2: Darstellung des Luftdrucks als „Luftsäule“. (Bild: www.gerd-pfeffer.de).
 
 
Abb. 3: Darstellung der Abnahme der Dichte der Luft mit zunehmender Höhe. (Bild: www.gerd-pfeffer.de).
 

Relative Luftfeuchtigkeit

Abb. 4:  Grafische Darstellung der Steighöhe und der Lufttemperatur nach der Flugzeit. Punkt 1 kennzeichnet das erste Temperaturminimum in 11 km Höhe bei fast -25°C, an Punkt 2 erreicht der Ballon seine maximale Höhe.

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.

Abb. 5:  Grafische Darstellung der Steighöhe und der relativen Luftfeuchtigkeit nach der Flugzeit. Die zwei  gestrichelten Linien kennzeichnen den Punkt des Absinkens der relativen Luftfeuchtigkeit ab ca. 2 km Höhe

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.

Abb. 6:  Grafische Darstellung der Steighöhe und des CO2 – Konzentration nach der Flugzeit.

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

Abb. 7: Vereinfachte Darstellung des Messverfahrens für CO2. Je größer die Konzentration an CO2, desto mehr CO2 – Moleküle absorbieren die Infrarotstrahlung. Die Intensitätsschwächung wird vom Detektor in eine Konzentration umgerechnet. Das untere Beispiel zeigt den Fall in großer Höhe: Die Teilchendichte ist durch den niedrigen Druck geringer als am Boden (oben). Dadurch absorbieren weniger CO2 – Moleküle die Infrarotstrahlung, wodurch eine scheinbar geringere Konzentration festgestellt wird. Tatsächlich bleibt die Zusammensetzung der Luft aber die gleiche.
Abb. 8:  Grafische Darstellung der Steighöhe und des Feinstaubs PM 2.5 nach der Flugzeit.

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.