17. September 2007

Feldkursbericht

Jana Campa, Thomas Kuster und Andr´ e Welti

17. September 2007

2

Inhaltsverzeichnis

1 Einf¨ uhrung 5

2 Bodenfeuchte 7

3 Abflussmessung I 9

3.1 Einf¨ uhrung . . . . 9

3.2 Experiment . . . . 9

3.2.1 Bachbettanpassung . . . . 10

3.2.2 Profilaufnahme . . . . 10

3.2.3 Hydrometrischer Fl¨ ugel . . . . 12

3.2.4 Tauchstab nach Jens . . . . 14

4 Turbulenz, Eddy-Kovarianz 17 4.1 Einf¨ uhrung . . . . 17

4.2 Messmethode . . . . 18

4.3 Messinstrumente . . . . 18

4.3.1 Ultraschallanemometer . . . . 19

4.3.2 Infrarot Gasanalysator . . . . 19

4.4 Messresultate und Kalibration . . . . 19

4.4.1 Kalibration der H 2 O Messung . . . . 19

4.5 Fluxes . . . . 23

4.6 Tagesgang . . . . 23

5 Radiosondierung 27 5.1 Einf¨ uhrung . . . . 27

5.2 Ausr¨ ustung . . . . 28

5.2.1 Wetterballon . . . . 28

5.2.2 Drachen . . . . 28

3

4 INHALTSVERZEICHNIS

5.2.3 Radiosonde . . . . 28

5.2.4 Bodenstation . . . . 31

5.3 Messresultate . . . . 31

5.3.1 Ballon Sounding . . . . 31

5.3.2 Drachen Sounding der boundary layer . . . . 35

5.4 Messfehler der Radiosonde . . . . 39

6 Strahlungsbilanz, Radiometer 41 6.1 Einf¨ uhrung . . . . 41

6.1.1 Kurzwellige Strahlung . . . . 41

6.1.2 Langwellige Strahlung . . . . 41

6.1.3 Nettostrahlung . . . . 42

6.1.4 Albedo . . . . 42

6.2 Instrumente . . . . 43

6.3 Experiment . . . . 43

6.3.1 Leuchtstoffr¨ ohren . . . . 43

6.3.2 Gras . . . . 45

6.3.3 Langwellige Strahlungsbilanz . . . . 47

7 Abflussmessung II 51 7.1 Einf¨ uhrung . . . . 51

7.2 Messmethode . . . . 51

7.2.1 SALINOMADD . . . . 52

7.2.2 Leitf¨ ahigkeit . . . . 54

7.3 Gef¨ assmessung am Huwilerbach . . . . 55

Kapitel 1 Einf¨ uhrung

Bericht folgender Personen:

• Jana Campa

• Thomas Kuster

• Andr´ e Welti

der Gruppe 2 mit folgenden Mitgliedern:

• John Caldelari

• Jana Campa

• Thomas Kuster

• Andr´ e Welti

Der Versuch 3 wurde am Gonzenbach (719 250/248 000) durchgef¨ uhrt, alle anderen in der N¨ ahe der Messstation B¨ uel (717 375/248 900).

5

6 KAPITEL 1. EINF ¨ UHRUNG

Kapitel 2

Bodenfeuchte, Versuch D (Montagmorgen, 25. Juni)

7

8 KAPITEL 2. BODENFEUCHTE

Kapitel 3

Abflussmessung I, Versuch E (Montagnachmittag, 25. Juni)

3.1 Einf¨ uhrung

Unter Abfluss bzw. Durchfluss wird das Waservolumen, welches pro Zeitein- heit durch eine Querschnittsfl¨ ache fliesst verstanden. Die Einheit ist somit m ³ /s oder l/s. Der Abfluss kann in drei Komponenten aufgeteilt werden, welche den Abflussquerschnitt mit unterschiedlicher Verz¨ ogerung erreichen:

• Oberfl¨ achenabfluss

• Zwischenabfluss (Interflow), lateraler bodeninnerer Abfluss

• Grundwasserabfluss

Oberfl¨ achenabfluss entsteht bei Niederschlagsintensit¨ aten die gr¨ osser als die Infiltrationsintensit¨ aten sind oder falls der Bodenspeichergef¨ ullt ist.

Oberfl¨ achenabfluss und Zwischenabfluss werden zusammen als schneller Abfluss oder direkt Abfluss bezeichnet.

3.2 Experiment

Das Experiment wurde am Gonzenbach (719 250/248 000) durchgef¨ uhrt, da dieser einen h¨ oheren Abfluss aufweist als der Rietholzbach.

9

10 KAPITEL 3. ABFLUSSMESSUNG I

Abbildung 3.1: Angepasstes Bachbett des Gonzenbach um eine Abflussmes- sung durchzuf¨ uhren

3.2.1 Bachbettanpassung

Der Flussquerschnitt wird angepasst um geeignete Bedingungen zu schafen (gleichm¨ assige Str¨ omungen, geringe Randst¨ orungen). Dazu wird das Bach- bett aus Kies mit Schaufel und Spaten auf einer kurzen Strecke begradigt und etwas verengt (Abbildung 3.1).

3.2.2 Profilaufnahme

An einer Stelle mit m¨ oglichst idealen Fliessbedingungen wird ein Messband

senkrecht zur Str¨ omungrichtung ¨ uber den Bach gespannt und an verschiede-

nen Stellen die Tiefe gemessen. Wir messen die Tiefe alle 10 cm und skizzieren

das Profil auf ein Millimeterpapier (Abbildung 3.2).

3.2. EXPERIMENT 11

x z

3 4 5

185/22 175/22

165/20 155/22

145/21 135/22

125/20 19/115

105/23 95/20

85/13 75/8.5

65/4

1 2

235/18 245/15 255/13 275/3 285/0

265/12

195/19 225/20

215/20 205/20

55/0

Abbildung 3.2: Profil des Gonzenbach an der Messstelle. Tiefenmessungen

erfolgten bei allen vertikalen Linien (gestrichelte und gepunktete). Die Ge-

schwindigkeitfl¨ achen wird an den Vertikalen 1 bis 5 ermittelt. Dazu wird

die Str¨ omungsgeschwindigkeiten mit dem Fl¨ ugelrad an den Stellen welche

mit einem kurzen horizontalen Strich markiert sind ermittelt. Eine weitere

Messmethode ist der Tauchstab nach Jens mit dem die mittleren Geschwin-

digkeiten an den Vertikalen 1 bis 5 ermittelt wird.

12 KAPITEL 3. ABFLUSSMESSUNG I

Abbildung 3.3: Thomas und Andr´ e am Messen der Fliessgeschwindigkeit mit dem hydrometrischen Fl¨ ugel

3.2.3 Hydrometrischer Fl¨ ugel

An einigen vertikalen im Profil (Vertikale 1 bis 5 in Abbildung 3.2) wird auf verschiedenen H¨ ohen mit einem hydrometrischen Fl¨ ugel die Fliessgeschwin- digkeit bestimmt (Abbildung 3.3). Mit einer Tabelle und Eichkurven kann aus der gemessene Umdrehungsgeschwindigkeit die Fliessgeschwindigkeit er- mittelt werden. Die gemessenen Werte sind in Tabelle 3.1 zusammengestellt.

Theoretisch berechnet sich der Abfluss durch Integration wie folgt:

Q =

Z Z

A

v(x, y) dσ =

Z _b

0

Z _h(x)

0

v(x, y) dy

!

dx (3.1)

mit:

3.2. EXPERIMENT 13

T a b elle 3.1 : Fl ¨ugelumdr eh ungen und Fliess g es ch windigk eiten in de n V er tik a len 1 bis 5 V er tik a le 1 2 3 4 5 Tief e [cm] [U/s] [m/s] [U/s] [m/ s] [U/ s] [m/s] [U/s] [m/s] [U/ s] [m/ s] 2 4.7 0.5 09 3 6 .2 0.66 5 4 1.7 0 .20 1 2 .8 0.3 13 4.5 0 .488 4.9 0.5 29 7 7 .5 0.80 0 8 1.4 0 .17 0 10 5 .5 0.5 92 4.9 0 .529 13 8 .4 0.89 4 16 5 .3 0.5 71 5.8 0 .623 19 8 .2 0.87 3

14 KAPITEL 3. ABFLUSSMESSUNG I Q : gesamter Abfluss im Messquerschnitt [m ³ /s]

A : durchflossene Fl¨ ache [m ² ] v(x, y) : Fliessgeschwindigkeit [m/s]

dσ : infinitesimales Fl¨ achenelement der durchflossenen Fl¨ ache b : Wasserspiegelbreite [m]

h(x) : Wassertiefe an der Stelle x [m]

F¨ ur jede gemessene Vertikale wird ein Diagramm erstellt in der die Fliess- geschwindigkeit gegen die Tiefe aufgetragen ist. Die Fl¨ ache dieses Profil (erste Integration) kann beim Auftragen auf Millimeterpapier gut durch abz¨ ahlen von Quadraten abgesch¨ atz werden. Die so ermittelten Fl¨ achen m¨ ussen nun nochmals integriert werden in x-Richtung. Dazu wird folgende Ann¨ aherung verwendet:

Q = a _v

+ a _v

2 b ₁ + a _v

+ a _v

2 b ₂ + · · · + a _v

+ a _v

2 b _n (3.2)

wobei a v

= a v

= 0 da dies die beiden Geschwindigkeitsfl¨ achen am Rande sind. Die a _v

sind die zuvor intergrierten Fl¨ achen. Mit dieser Berechnug ergibt sich f¨ ur den Abfluss:

Q = 0.1873 m ³ /s ≈ 200 l/s (3.3)

3.2.4 Tauchstab nach Jens

Der Tauchstab nach Jens (Abbildung 3.4) ist nach dem Prinzip einer Dreh- momentwaage gebaut. Der Stab wird so weit wie m¨ oglich eingetaucht (Spit- ze kurz ¨ uber Bachgrund), die Str¨ omung f¨ uhrt nun zu einer Auslenkung des Stabs. Durch verschieben des Gewichtsstab wird der Stab wieder vertikal ausgerichtet bzw. der Gewichtsstab horizontal. Mit einer Tabelle bzw. ei- nem Diagramm kann die der Eintauchtiefe entsprechende mittlere Fliessge- schwindigkeit ermittelt werden. Durch Multiplikation mit der Wassertiefe ergeben sich die einzelnen Geschwindigkeitsfl¨ achen. Die Werte sind in Ta- belle 3.2 aufgef¨ uhrt. Anschliessend kann wie beim hydrometrischen Fl¨ ugel (Abschnitt 3.2.3) der Abfluss berechnet werden.

Mit dem Tauchstab nach Jens ergibt sich folgender Abfluss:

Q = 0.2147 m ³ /s ≈ 200 l/s (3.4)

Das mit dem hydrometrischen Fl¨ ugel ermittelte Ergbniss stimmt sehr gut

diesem ¨ uberein. Der aufwand mit dem Tauchstab nach Jens ist jedoch viel

geringer, daher eignet sich diese Methode sicher gut um schnell den Abfluss

bestimmen zu k¨ onnen.

3.2. EXPERIMENT 15

Abbildung 3.4: John mit Tauchstab nach Jens am Messen der Geschwindig- keitsfl¨ ache.

Tabelle 3.2: Gemessene Werte mit dem Tauchstab nach Jens.

Distanz ab Ufer [cm]

Eintauch-

tiefe [cm] ” Dreh- moment“

[ ]

mittlere Fliess- geschwindig- keit [cm/s]

Geschwindig- keitsfl¨ ache [cm ² /s]

0

20 8.5 7 48 408

60 23 44 72 1656

110 20 29 62 1240

170 20 23 55 1100

210 12 4 30 360

230

16 KAPITEL 3. ABFLUSSMESSUNG I

Kapitel 4

Turbulenz, Eddy-Kovarianz, Versuch A (Dienstagmorgen, 26. Juni)

Messung der turbulenten Stofffl¨ usse von H 2 O und CO 2 .

4.1 Einf¨ uhrung

Bei diesem Versuch werden das CO ₂ und der Wasserdampfhaushalt ¨ uber einer Vegetationsfl¨ ache in Abh¨ angigkeit der meteorologischen Verh¨ altnisse bestimmt. Die Erkenntnisse, welche aus Langzeitmessungen dieser Art ab- geleitet werden k¨ onnen, sind von grossem Interesse, um den Einfluss von klimatischen Ver¨ anderungen auf ¨ Okosysteme und ihre Interaktion mit der Atmosph¨ are zu erforschen. Informationen ¨ uber die CO ₂ -Fl¨ usse zwischen der Landoberfl¨ ache und der Atmosph¨ are tragen zu einem besseren Verst¨ andnis der zeitlichen und r¨ aumlichen Konzentrationsschwankungen von CO 2 in der Atmosph¨ are bei und erlauben eine fundierte Quantifizierung von Quellen und Senken.

Die Eddy-Kovarianzmethode stellt eine Technik f¨ ur ein Messsystem zur Verf¨ ugung, um ¨ uber lange Zeitr¨ aume den Austausch von Spurengasen zwi- schen der Biosph¨ are und der Atmosph¨ are zu messen. Damit kann eine Lang- zeitbillanz des Kohlendioxid- und Wasserdampfaustauschs der Vegetation mit der Atmosph¨ are erstellt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Messmethode ist, dass sie funktioniert ohne die Vegetation zu beeinflussen.

17

18 KAPITEL 4. TURBULENZ, EDDY-KOVARIANZ Die boundary layer, in welcher die Messungen vorgenommen wurden, ist f¨ ur den Energie- und Stoffhaushalt der gesamten Atmosph¨ are von grosser Bedeutung. Die boundary layer wird direkt von der Erdoberfl¨ ache durch Reibung, sowie Stoff- und Energiefl¨ usse beeinflusst. Dabei ist die Turbulenz der wichtigste Mechanismus f¨ ur den vertikalen Transport von Energie und Spurengasen. Turbulenz entsteht einerseits mechanisch durch Windscherung oder Hindernisse, oder andererseits durch thermische Konvektion bei der Erw¨ armung der Erdoberfl¨ ache.

In der planetaren Grenzschicht befindet sich die gesamte Biosph¨ are und fast alle anthropogenen Aktivit¨ aten finden hier statt.

4.2 Messmethode

Der Messaufbau erm¨ oglicht es, die drei Windkomponenten u, v, w und die Konzentration von CO ₂ , sowie Wasserdampf in der Luft simultan und in ho- her zeitlicher Aufl¨ osung zu messen. Die gemessenen Gr¨ ossen werden nach der Reynolds-Zerlegung in ihre Mittelwerte und die Abweichung davon zerlegt.

a = ¯ a + a ⁰

Der ¨ Uberstrich bedeutet die zeitliche Mittelung ¨ uber eine geeignete Zeitperi- ode und das Apostroph die momentane Abweichung von diesem Mittelwert.

Auf- und Abw¨ artsbewegungen h¨ angen in einer turbulenten Str¨ omung von der Intensit¨ at und Gr¨ osse der gebildeten ‘Eddies

’ ab. Diese transportieren Energie und Spurengase. Mit der Eddy-Kovarianzmethode lassen sich nun die turbulenten Fl¨ usse der vertikal transportierten Energie und Spurengase berechnen. Unter einigen vereinfachenden Annahmen kann dann die Konzen- trations¨ anderung eines gemessenen Stoffes geschrieben werden als:

∂¯ c

∂t = Q

− ∂

∂z w ⁰ c ⁰ − S

(4.1)

Diese Methode wurde im Folgenden verwendet um einige Fl¨ usse zu berech- nen.

4.3 Messinstrumente

Die f¨ ur die Messungen verwendeten Messinstrumente waren ein Ultraschall-

anemometer, mit dem man die Windgeschwindigkeit in allen drei Dimensio-

4.4. MESSRESULTATE UND KALIBRATION 19 nen bestimmen kann und ein Infrarot Gasanalysator zur Messung der Stoff- konzentration von CO ₂ und H ₂ O.

4.3.1 Ultraschallanemometer

Das in Abbildung 4.1 am oberen Bildrand sichtbare Ultraschallanemometer besteht aus drei linear unabh¨ angigen Sender-Empf¨ anger Paaren mit denen die Geschwindigkeitskomponenten u, v, w des Windvektors bestimmt werden k¨ onnen. Das Messprinzip basiert darauf, dass die Laufzeiten von Schallpulsen entlang der Distanz zwischen den Sensork¨ opfen gemessen wird. Die Laufzeit h¨ angt ab von der Schallgeschwindigkeit in ruhiger Luft und der Windge- schwindigkeit in Ausbreitungsrichtung. Ein Sender-Empf¨ anger Paar sendet in rascher Folge Schallimpulse aus, die abwechselnd in beide Richtungen lau- fen. Mit drei Paar Sensork¨ opfen lassen sich die Geschwindigkeitskomponenten des Windvektors somit genau bestimmen.

4.3.2 Infrarot Gasanalysator

Die Konzentrationen des Wasserdampfs und des CO ₂ wurden mit einem In- frarot Gasanalysator bestimmt. Die schr¨ ag montierte Messzelle ist in Abbil- dung 4.1 in der Mitte der oberen Bildh¨ alfte sichtbar. Wasserdampf und Koh- lendioxid erzeugen im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums charakteristische Absorptionsbanden. Diese werden mit dem Gasanalysator detektiert.

4.4 Messresultate und Kalibration

4.4.1 Kalibration der H ₂ O Messung

Atmosph¨ arische Druck- und Temperatur¨ anderungen f¨ uhren dazu, dass sich der Nullpunkt des Gasanalysators verschiebt. Deshalb muss zu Beginn ei- ner Messreihe der Analysator mit Luft mit bekannter H ₂ O Konzentration kalibriert werden. Dieselbe Kalibration m¨ usste f¨ ur CO ₂ durchgef¨ uhrt wer- den. Im Rahmen dieses Praktikums konzentrieren wir uns aber nur auf den Wasserdampf.

Zur Kalibration des Wasserdampfbereiches wurden vier Werte mit be-

kanntem Feuchtegehalt bestimmt. Die feuchte Luft wurde mit einem Tau-

20 KAPITEL 4. TURBULENZ, EDDY-KOVARIANZ

Abbildung 4.1: Messaufbau mit einem Ultraschallanemometer und Infrarot

Gasanalysator. Am Boden steht der Taupunktsgenerator, der zur Kalibrie-

rung verwendet wird.

4.4. MESSRESULTATE UND KALIBRATION 21

Abbildung 4.2: Kalibrationskurve. Quadratischer Fit des Messsignals des In- frarot Gasanalysators in mV mit dem Wasserdampfgehalt in kg/m ³ .

punktsgenerator (Box am Boden in der Abbildung 4.1) erzeugt, bei dem die Taupunktwerte eingestellt werden k¨ onnen. Die Werte wurden bei einem Druck von 950 hPa gemessen und sind in Tabelle 4.1 aufgef¨ uhrt.

Mit diesen Werten l¨ asst sich der beste quadratische Fit f¨ ur das Signal in mV und die H 2 O-Konzentration in kg/m ³ (C

) bestimmen (Abbildung 4.2).

Die Gleichung zur Umrechnung des Messsignals in die tats¨ achliche H ₂ O- Konzentration lautet demzufolge:

C

[kg/m ³ ] = 0.0181 − 1.47 · 10 ⁻⁵ · x mV + 3.56 · 10 ⁻⁹ · x mV ² (4.2)

Wobei x das Messsignal des Gasanalysators ist.

22 KAPITEL 4. TURBULENZ, EDDY-KOVARIANZ

T a b elle 4.1 : Ka libratio ns Pro tok oll

T a upunktstemp.[ ◦ C] Dampfdruc k [k P a] Lufttemp erat ur[ ◦ C] H 2 O-Konzen tra tio n [kg /m 3 ] Signa l [m V ] 7 1.00 64 15 .2 0.00 75 78 3 211 .7 4 0.81 54 15 .2 0.00 61 40 3 059 .2 1 0.65 71 15 .1 0.00 49 5 2 819 .2 -5 0 .421 3 1 4.9 0 .003 18 23 90.9

4.5. FLUXES 23

4.5 Fluxes

Abbildung 4.3 zeigt eine Zeitreihe von der vertikalen Geschwindigkeit w. Ein

¨ ahnliches Bild bekommt man auch f¨ ur Wasserdampfkonzentration.

Wir haben die Daten mit R und Excel analysiert. Zuerst haben wir die Mittelwerte ausgerechnet:

w = 0.264 m/s c _H

_O = 0.00689 kg/m ³

Wir haben die Abweichungen f¨ ur die ganze Reihe (w ⁰ = w − w und c ⁰ = c− c) ausgerechnet. Daraus bekommen wir w ⁰ · c ⁰ _H

_O :

w ⁰ · c ⁰ _H

_O = 3.611 · 10 ⁻⁵ kg/(s m ² ).

Der Korrelationskoeffizient zwischen w ⁰ und c ⁰ ist:

Corr(w ⁰ , c ⁰ _H

_O ) = 0.1855 Der Evapotranspirationsrate ist:

E = 0.12999 mm/h Latent heat haben wir bei 15 ^◦ C ausgerechnet:

L _v = (2.501 − 0.00237(T − 273.15)) · 10 ⁶ = 2.46 · 10 ⁶ J/kg und latent heat flux ist:

LE = L v · w ⁰ · ρ ⁰ _v = 88.3 J/(s m ² )

4.6 Tagesgang

Der Tagesgang von von 15:00 bis 15:00 vom 25. bis 26.06.2007 ist in Abbil- dung 4.4 dargestellt.

Es ist ein ausgepr¨ agter Tagesgang sichtbar. W¨ arend dem Tag ist die Net-

tostrahlung am h¨ ochsten (hohe Einstrahlung der Sonne), ebenso ist der f¨ uhl-

bare und latente W¨ armefluss gr¨ osser. In der Nacht wird die Nettostrahlung

negativ (Erde strahlt Energie in den Weltraum ab), ebenso nehmen die an-

deren Fl¨ usse ab.

24 KAPITEL 4. TURBULENZ, EDDY-KOVARIANZ

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

−4 −2 0 2 4

Index

riet$w

Abbildung 4.3: Zeitreihe von der vertikalen Geschwindigkeit. Rote Linie ist

der Mittelwert.

4.6. TAGESGANG 25

15 ⁰⁰ 21 ⁰⁰ 03 ⁰⁰ 09 ⁰⁰ 15 ⁰⁰

Zeit (25. bis 26.06.2007) -200

-100 0 100 200 300 400 500 600

Flu ss W/m 2

R n

H

LE G

Abbildung 4.4: Tagesgang von 25.06.2007, 15:00 bis 26.06.2007, 15:00

mit Halbstunden Werte von f¨ uhlbarer W¨ armefluss H, Nettostrahlung R _n ,

W¨ armefluss in den Boden G, latenter W¨ armefluss LE.

26 KAPITEL 4. TURBULENZ, EDDY-KOVARIANZ

Kapitel 5

Radiosondierung, Versuch C (Dienstag, 26. Juni)

Routinemessung mit einem Wetterballon und Abtasten der Grenzschicht (boundary layer) mit einem Drachen

5.1 Einf¨ uhrung

Um Daten ¨ uber den vertikalen Zustand der Atmosph¨ are zu gewinnen werden Messger¨ ate mit Wetterballons und Drachen in die H¨ ohe bef¨ ordert. Ballonmes- sungen eignen sich dazu einen grossen H¨ ohenbereich zu sondieren, wogegen Messungen, bei denen die Radiosonde an einem Drachen befestigt wird, dazu geeignet sind, den Bereich der planetaren Grenzschicht ¨ uber einen l¨ angeren Zeitraum zu beobachten. Die gemessenen Daten werden mittels Funk an eine Bodenstation ¨ ubermittelt, die die empfangenen Daten parallel auswertet und graphisch darzustellen vermag.

Die Gr¨ ossen, welche gemessen werden, sind die Temperatur der Atmo- sph¨ are, der Luftdruck und die Feuchtigkeit. Daraus l¨ asst sich anschliessend zus¨ atzlich die Taupunkttemperatur berechnen.

27

28 KAPITEL 5. RADIOSONDIERUNG

5.2 Ausr¨ ustung

5.2.1 Wetterballon

Der Wetterballon ist ein grosser Ballon, der mit Wasserstoff bef¨ ullt wird (Ab- bildung 5.1). Er besteht aus einer sehr dehnbaren, d¨ unnen Gummihaut, wel- che beim Aufstieg in der Atmosph¨ are und der damit verbundenen Abnahme der Dichte der Luft auf einen Durchmesser von bis zu 10 m anwachsen kann.

Beim Bef¨ ullen des Ballons ist es notwendig, Latexhandschuhe zu tragen, um die empfindliche H¨ ulle nicht zu besch¨ adigen. Fett, das an den H¨ anden haftet, greift den Gummi der Ballonhaut an und verursacht minimale Besch¨ adigun- gen, die in grosser H¨ ohe und gespannter Haut zu einem fr¨ uhzeitigen Platzen des Ballons f¨ uhren k¨ onnten. Die maximale H¨ ohe, die mit einem standard Wetterballon erreicht werden kann, betr¨ agt ca. 30 km. Man verwendet einen Wetterballon als Transportmittel f¨ ur die Radiosonde, um ein vertikales Profil der Temperatur, Druck und Feuchtigkeit der Atmosph¨ are zu messen.

5.2.2 Drachen

Der Drachen besteht aus einem speziell leichten Stoff und ist ohne zus¨ atzliche Stangen stabil (Abbildung 5.2).

Da man mit dem Drachen in der Grenzschicht (boundary layer) Messun- gen durchf¨ uhren will, ist er ¨ uber eine Schnur an einer Winde (Abbildung 5.3) festgemacht. Mit der Winde kann die H¨ ohe der Messung eingestellt werden.

F¨ ur die im Praktikum durchgef¨ uhrte Messung wurde die Winde jedoch nicht benutzt und der Drachen mit einer festen Schnurl¨ ange fliegen gelassen. Man macht mehrere Auf- und Abstiege um die Ver¨ anderung der Verh¨ altnisse in Bodenn¨ ahe ¨ uber eine gewisse Zeit zu erfassen.

5.2.3 Radiosonde

Die Radiosonde (Abbildung 5.4) ist best¨ uckt mit Sensoren f¨ ur die Messung

des Drucks, der Umgebungstemperatur und der relativen Feuchtigkeit. Die

von den Sensoren gewonnenen Daten werden permanent an eine Bodensta-

tion gefunkt, die diese auswertet. Die Sonde ist mit einem weissen Styropor-

geh¨ ause umgeben, welches die Sensoren vor direkter Sonnenstrahlung und

Niederschlag sch¨ utzt. Von aussen erkennt man nur die Antenne. Die Radio-

sonde wird von einer Batterie mit Strom versorgt.

5.2. AUSR ¨ USTUNG 29

Abbildung 5.1: Mit Wasserstoff bef¨ ullter Wetterballon. Die Ballonh¨ ulle ist so empfindlich, dass sie nur mit Latexhandschuhen angefasst werden sollte, um eine Besch¨ adigung der Haut und damit ein fr¨ uhzeitiges Platzen des Ballons zu verhindern.

Abbildung 5.2: Drachen in der Luft

30 KAPITEL 5. RADIOSONDIERUNG

Abbildung 5.3: Winde an dem der Drachen festgemacht ist. Mit der Schnurl¨ ange l¨ asst sich die H¨ ohe des Drachens regulieren.

Abbildung 5.4: Radiosonde Mark II

5.3. MESSRESULTATE 31

5.2.4 Bodenstation

Die Bodenstation besteht aus einer Antenne, um das Radiosignal der Sonde zu verfolgen und das Signal zu empfangen, einem Radio, um die Frequenz nachzuf¨ uhren und einem Computer, der das Radiosignal verarbeitet und die gewonnenen Daten auswertet.

5.3 Messresultate

Im Folgenden sind die gemessenen Werte der Umgebungstemperatur und der Taupunkttemperatur in Abh¨ angigkeit des Drucks als Vertikalkoordinate dargestellt. Die Messungen wurden am Dienstagnachmittag, dem 26. Juli, durchgef¨ uhrt. Die Wetterverh¨ altnisse waren bew¨ olkt mit vereinzelten Auf- hellungen und starkem Wind (bis zu 30 ms ⁻¹ ).

5.3.1 Ballon Sounding

Der mit Wasserstoffgas bef¨ ullte Wetterballon hat eine Aufstiegsgeschwindig- keit von ca. 5 ms ⁻¹ .

Der erste Aufstieg (Abbildung 5.5) zeigt bei einem Druck von 825 hPa eine Ann¨ aherung der Umgebungstemperatur an die Taupunkttemperatur.

825 hPa entsprechen etwa einer H¨ ohe von 800 m ¨ uber dem Boden. Hier flog der Wetterballon in die Wolken hinein. Die Luft ist mit Wasserdampf ges¨ attigt.

In der planetaren Grenzschicht herrschten turbulente Verh¨ altnisse, so dass der Wetterballon kurzzeitig an H¨ ohe verlor.

Der Temperaturgradient betr¨ agt etwa -8.5 ^◦ C/100 m, was einer stabilen Schichtung entspricht.

Nachdem bei einem Druck von 650 hPa ein abrupter Temperaturabfall von 5 ^◦ C registriert wurde, blieb die Temperatur mit zunehmender H¨ ohe ann¨ ahernd bei -10 ^◦ C konstant. In einer H¨ ohe von ca. 5 km brach die Ver- bindung zur Radiosonde ab (Abbildung 5.6).

Im Vergleich zu einem Aufstieg der anderen Gruppe am Morgen (Abbil- dung 5.7) zeigt sich eine tiefere Wolkendecke und eine minim h¨ ohere Tempe- ratur. Der Temperaturgradient ist in etwa derselbe. Die Schichtung ist stabil.

Der zweite Aufstieg am Nachmittag zeigt, neben den bereits in der ersten

Messung und der im Aufstieg am Morgen beobachteten stabilen Schichtung

und der Wolkenschicht, zwischen 700 hPa und 600 hPa eine beinahe isotherme

32 KAPITEL 5. RADIOSONDIERUNG

Abbildung 5.5: Wetterballon beim Aufstieg in der Atmosph¨ are bevor er die

Wolken erreicht.

5.3. MESSRESULTATE 33

Abbildung 5.6: Erster Wetterballonaufstieg am Nachmittag. Das Signal der

Radiosonde konnte bis in eine H¨ ohe von 5 km empfangen werden. Dann brach

die Verbindung ab.

34 KAPITEL 5. RADIOSONDIERUNG

Abbildung 5.7: Sounding vom Morgen bis in eine H¨ ohe von 10 km, wobei

¨ uber einen grossen Bereich keine Daten vorhanden sind.

5.3. MESSRESULTATE 35

Abbildung 5.8: Zweiter Aufstieg am Nachmittag bis in eine H¨ ohe von 10 km.

Schicht mit einem markanten Abfall der Feuchte. Die Tropopause wurde mit der Messung nicht erreicht (Abbildung 5.8).

In der H¨ ohe von 650 hPa befindet sich eine trockene Luftschicht. Die Tem- peratur weist jedoch keine Ver¨ anderung auf (Abbildung 5.9).

5.3.2 Drachen Sounding der boundary layer

Die turbulenten Windverh¨ altnisse liessen eine systematische Messung, bei der die Grenzschicht mehrmals durchmessen wird, nicht zu. Der Drachen bewegte sich frei im Wind und wurde oft beinahe auf den Boden gedr¨ uckt.

Er konnte aber mit vereinten Kr¨ aften immer in der Luft gehalten werden.

Der Drachen flog zwischen dem Boden und einer maximalen H¨ ohe von

ca. 100 m (Abbildung 5.10). Der Unterschied zwischen der Taupunkttempera-

tur und der Umgebungstemperatur betrug im Schnitt 5 ^◦ C. Durch turbulente

36 KAPITEL 5. RADIOSONDIERUNG

Abbildung 5.9: Relative Feuchte und Temperaturprofil der zweiten Sondie-

rung am Nachmittag. Auffallend ist die isotherme Schicht mit einem starken

Knick im Feuchteprofil zwischen 700 hPa und 600 hPa.

5.3. MESSRESULTATE 37

Abbildung 5.10: Zeitlicher Verlauf der Gr¨ ossen Druck, Temperatur und re- lativer Feuchtigkeit in der boundary layer. Die Radiosonde wurde f¨ ur diese Messung an einem Drachen befestigt.

Durchmischung wurde immer wieder sehr feuchte Luft nach unten verfrachtet und die Luft erreichte S¨ attigung. Dies machte sich durch vereinzelte Nebel- schwaden bemerkbar. Am Ende der Messung begann es zu regen. Der Vorteil der Drachenmessung ist, dass ein zeitlicher Verlauf der Gr¨ ossen Temperatur und Feuchte registriert werden kann.

Im Vergleich der Messungen mit Hilfe des festgebundenen Drachens und

dem Ballonaufstieg zeigt sich ein ¨ ubereinstimmendes Temperaturprofil in der

boundary layer (Abbildung 5.11).

38 KAPITEL 5. RADIOSONDIERUNG

Abbildung 5.11: Vergleich des gemessenen Temperaturverlaufs in der boun-

dary layer. Der linke Verlauf wurde mittels des am Boden festgemachtem

Drachen aufgenommen. Der rechts zeigt die Messwerte des frei aufsteigen-

den Wetterballon. Die beiden Messungen zeigen einen ¨ ubereinstimmenden

Temperaturverlauf.

5.4. MESSFEHLER DER RADIOSONDE 39

5.4 Messfehler der Radiosonde

Die Fehlerquellen sind einerseits die Messinstrumente selbst und andererseits die herrschenden Umwelteinfl¨ usse wie tiefe Temperaturen oder hohe Feuch- tigkeit ( ¨ Ubers¨ attigung und Tropfenbildung auf den Sensoren).

Eine erste Fehlerquelle ist die Abschirmung der Radiosonde durch den Wetterballon, an dem sie mit einer Schnur befestigt ist. Da sich der Wet- terballon in der H¨ ohe stark ausdehnt, muss die Sonde in einem gen¨ ugend grossen Abstand vom Ballon angebracht werden. F¨ ur die oberen Messungen wurde eine gen¨ ugend lange Distanz von ca. 10m Abstand zwischen der Sonde und dem Ballon gew¨ ahlt, so dass dieser Fehler vernachl¨ assigt werden kann.

Die Sonde ist durch ihr Styroporgeh¨ ause gegen direkte Sonnenstrahlung abgeschirmt. Trotzdem kann es zu einer Erw¨ armung des Materials kommen, die die Messung der Temperatur und der Feuchtigkeit verf¨ alscht. W¨ ahrend Sondierungen bei Nacht ist die direkte Sonneneinstrahlung kein Problem.

Starke Turbulenz und Horizontalwinde bringen den Wetterballon auf einen Kurs, der von einem ideal, vertikalen Aufstieg erheblich abweicht. Die gemes- senen Daten entsprechen daher nicht einem genauen Vertikalprofil, sondern einem diagonalen Querschnitt durch einen weiten Bereich der Atmosph¨ are.

Dies wird f¨ ur unsere Zwecke aber nicht ber¨ ucksichtigt.

Die Steiggeschwindigkeit des Wetterballons beeinflusst die Messung in zweierlei Hinsicht. Einerseits ist sie bestimmend f¨ ur die Aufl¨ osung der Son- dierung (Anzahl Messungen pro H¨ ohendifferenz) bei einer konstanten Mess- frequenz und andererseits durch die Windstr¨ omung um die Radiosonde. Bei grosser Aufstiegsgeschwindigkeit sollte der Abstand zum Wetterballon gross sein um Windschatteneffekte vom Ballon zu verhindern. Da die Ansprechszeit der Temperatur- und Feuchtesensoren in unterschiedlichem Ausmass h¨ ohen- bzw. druckabh¨ angig sind, werden in grosser H¨ ohe oder tiefen Temperaturen, Werte die nicht zusammengeh¨ oren ¨ ubermittelt. Ist es zum Beispiel in Bo- denn¨ ahe sehr kalt (-30 ^◦ C), so arbeitet der Feuchtesensor mit einer Verz¨ oge- rung von 20sek, wogegen der Temperatursensor eine Reaktionszeit von nur 3sek aufweist.

Die in der Sondenbeschreibung angegebenen Ger¨ atefehler f¨ ur die Mess- gr¨ ossen Feuchte, Temperatur und Druck stehen in Tabelle 5.1.

Die Messungen sind also, im Rahmen dieses Praktikums, zuverl¨ assig.

40 KAPITEL 5. RADIOSONDIERUNG

Tabelle 5.1: Ger¨ atefehler der Radiosonde Mark II

Sensor Fehler

Feuchte ± 2 % rh Temperatur ± 0.2 ^◦ C

Druck ± 0.5 mb

Kapitel 6

Strahlungsbilanz, Radiometer, Versuch B (Mittwochmorgen, 27. Juni)

6.1 Einf¨ uhrung

Die bedeutendste Energiequelle f¨ ur die Erde ist die Solarstrahlung. An der Erdoberfl¨ ache gibt der Nettostrahlungsfluss die Energie pro Zeit- und Fl¨ achen- einheit an, die zur Verf¨ ugung steht. Die Nettorstrahlung an der Erdoberfl¨ ache ist das Resultat einer Verkn¨ upfung von verschiedenen Strahlungsprozessen.

6.1.1 Kurzwellige Strahlung

Ein Teil der von der Sonne kommende kurzwellige Solarstrahlung, Maximum um 500 nm, wird bereits in der Atmosph¨ are reflektiert und absorbiert bevor sie auf die Erde trifft. Die auf die Erde treffende kurzwellige Solarstrahlung (SW ↓) stetzt sich aus der direkten Sonnenstrahlung und der diffusen Him- melsstrahlung zusammen. An der Erdoberfl¨ ache wird ein Teil dieser Strah- lung direkt wieder reflektiert (SW ↑). Der Anteil der reflektierten Strahlung ist abh¨ angig der Albedo (α) der Oberfl¨ ache.

6.1.2 Langwellige Strahlung

Die Erdoberfl¨ ache strahlt auf Grund ihrer Temperatur (288 K) langwellige Strahlung ab (LW ↑) im Infrarotbereich, mit einer Intesit¨ at von I = σT _r ⁴ .

41

42 KAPITEL 6. STRAHLUNGSBILANZ, RADIOMETER Ein Teil dieser Strahlung wird von der Atmosph¨ are absorbiert und wieder emittiert. Diese Strahlung kann nun wieder auf die Erdoberfl¨ ache zur¨ uckge- strahlt werden (LW ↓).

6.1.3 Nettostrahlung

Aus der Strahlungsbilanz kann die Nettostrahlung (R _n ) bestimmt werden:

R _n = SW ↓ −SW ↑ +LW ↓ −LW ↑ (6.1) (6.2) F¨ ur die kurzwellige und langwellige einfallende Strahlung gilt:

SW ↑ = αSW ↓ (6.3)

LW ↓ = σT _r ⁴ (6.4)

Die Nettostrahlung bestimmt im wesentlichen die biophysikalischen und hydrologischen Austauschprozesse auf der Erdoberfl¨ ache. Die Nettostrah- lungsenergie (R _n ) wird aufgeteilt auf den f¨ uhlbaren W¨ armefluss (H), den latenten W¨ armefluss (λE) und den W¨ armefluss in den Boden (G):

R _n = H + λE + G (6.5)

λE wird auch Evapotranspiration genannt, λ ist die Verdunstungsw¨ arme von Wasser (2.52 J kg ⁻¹ ), und ist dadurch mit dem hydrologischen Kreislauf verbunden:

P = E + R (6.6)

P ist der Niederschlag E die Verdunstung und Transpiration (Evapotranspi- ration) und R der Abfluss.

6.1.4 Albedo

Die Albedo α bestimmt welcher Anteil der Strahlung auf der Oberfl¨ ache

reflektiert wird. Die einfallende Strahlung ist nicht ¨ uber allen Wellenl¨ angen

gleich, daher wird eine wellenl¨ angenabh¨ angige Albedo gemessen. Die spektra-

len Eigenschaften der Albedo h¨ angt vom Oberfl¨ achenmaterial ab und ¨ andert

sich auch mit der Richtung der einfallenden Strahlung.

6.2. INSTRUMENTE 43

6.2 Instrumente

Fest installierte Instrumente bei der Klimastation B¨ uel:

• 4-Komponenten Pyranometer (SW ↑, SW ↓) und Pyrgeometer (LW ↑, LW ↓)

• Netradiometer (R _n )

• Doppelpyranometer (SW ↑, SW ↓)

In unserem Versuch verwendete mobile Instrumente:

• Doppelpyranometer (SW ↑, SW ↓)

• Netradiometer (R _n )

• Spektrometer ASD Fieldspec (misst spektral aufgel¨ ost die einfallende und reflektierte Strahlung im Bereich 400–1´ 050 nm)

6.3 Experiment

6.3.1 Leuchtstoffr¨ ohren

Auf Grund des schlechten Wetters wurden zuerst zwei Spektrale Messungen im Schuppen durchgef¨ uhrt. Es standen zwei unterschiedliche alte Leucht- stoffr¨ ohren zur Verf¨ ugung deren Spektren gemessen wurde (Abbildung 6.1).

Es k¨ onnen drei verschiedene Typen von Leuchtstoffr¨ ohren unterschieden werden:

Standardleuchtstoff (sogenannte

’ Halophosphate‘), sind g¨ unstig, haben eine schlechte Farbwiedergabe bei relativ geringer Lichtausbeute.

Drei-Banden-Leuchtstofflampen Leuchtstoffbeschichtung aus einer Mi- schung von drei Leuchtstoffen, die im roten, gr¨ unen und blauen Bereich des sichtbaren Spektrums relativ scharfbandige Emissionen zeigen Vollspektrum-Leuchtstofflampen beste Farbwiedergabe, geringste Farb-

verf¨ alschungen. Das Spektrum ist tageslicht¨ ahnlich und fast ebenso

kontinuierlich. Dies wird durch Einsatz von mindestens vier unter-

schiedlichen Leuchtstoffen erreicht.

44 KAPITEL 6. STRAHLUNGSBILANZ, RADIOMETER

diagramm

Seite 85

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

0.0E+00 1.0E-03 2.0E-03 3.0E-03 4.0E-03 5.0E-03 6.0E-03 7.0E-03 8.0E-03 9.0E-03 1.0E-02 1.1E-02 1.2E-02 1.3E-02 1.4E-02

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

Leuchtstofflampen

Gelbe FL Weisse FL Tisch

Wellenlänge [nm]

In te n si tä t [ W /m ^ 2 /n m ]

Abbildung 6.1: Spektrum zweier Leuchtstoffr¨ ohren. W¨ armeres Licht der Leuchtstoffr¨ ohre

” Gelbe FL“ rote Linie, k¨ alteres Licht der Leuchtstoffr¨ ohre

” Weisse FL“ blaue Linie (Skala links). Zum Vergleich ist ein Spektrum auf

dem Tisch in der N¨ ahe des Fensters gestrichelt dargestellt (Skala rechts).

6.3. EXPERIMENT 45 Die Leuchtstoffbeschichtung besteht aus kristallinen Pulvern (vorwiegend anorganische Oxide), die im Falle von Drei-Banden-Leuchtstoffen Spuren von zwei- oder dreiwertigen Lanthanoid-Kationen enthalten, welche je nach ein- gesetztem Lanthanoid und des zugrundeliegenden Wirtsgittersystems unter- schiedliche Farben erzeugen. Diese Farben ergeben additiv die Leuchtfarbe der R¨ ohre. Die Standardleuchtstoffe basieren auf dem System des sogenann- ten Calciumhalophosphats der allgemeinen Formel Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (F,Cl):Sb,Mn, wobei die unterschiedliche Farbtemperatur durch Variationen in der Konzen- tration der beiden Dotierelemente Mangan (Mn) und Antimon (Sb) erzielt wird. ¹

Es sind deutlich drei Maximas im Spektrum zu erkennen bei 438 nm, 546 nm und 578 nm, bei der

” Gelben FL“ zudem ein viertes bei 684 nm. Auf Grund dieser drei Maximums und den relativ scharfbandigen Emissionen handelt es sich wahrscheilich um Drei-Banden-Leuchtstoffr¨ ohren. Das Spek- trum ohne leuchtende Leuchstoffr¨ ohren wurde nicht gemessen, wodurch nicht genau gesagt werden kann welcher Anteil der Strahlung zur Hintergrund- strahlung geh¨ ort (Diffuse Sonnenstrahlung durch das Fenster), zum Vergleich ist aber das zu erwartende Spektrum welches ganz am Anfang beim Tisch am Fenster gemessen wurde in der Abbildung 6.1 gestrichelt dargestellt. Das Spektrum beim Fenster ist im nahen Infrarotbereich das selbe, dieser Anteil im Spektrum kommt daher nicht von den Leuchtstoffr¨ ohren.

Bei der

” Gelben FL“ Leuchtstoffr¨ ohre gibt es ein Maximum mehr um 684 nm (Rot) wodurch das Licht w¨ armer ist.

6.3.2 Gras

Zwei Messungen wurden durchgef¨ uhrt eine ¨ uber niedergedr¨ uckten hohem Gras und eine zweite ¨ uber ungest¨ ortem hohen Gras (Abbildung 6.2).

Spektren

Die beiden Spektren unterscheiden sich bis auf die Intensit¨ at nicht. Die nach oben abgestrahlte Strahlung weisst einen sehr geringen Anteil im sichtbaren Bereich auf (wenig Reflektion von 300 nm bis kurz vor 700 nm) mit einem kleinen Maximum bei etwa 550 nm (Gr¨ un). Das Maximum um 550 nm f¨ uhrt dazu, dass uns Gras gr¨ un erscheint.

1

Quelle: Wikipedia. http://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtstoffr¨ ohre

46 KAPITEL 6. STRAHLUNGSBILANZ, RADIOMETER

diagramm

Seite 127

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

0.0E+00 5.0E-02 1.0E-01 1.5E-01 2.0E-01 2.5E-01 3.0E-01 3.5E-01 4.0E-01 4.5E-01 5.0E-01

Gras

down (flachgedrückt) up (flachgedrückt) down (hoch) up (hoch)

Wellenlänge [nm]

In te n si tä t [ W /m ^ 2 /n m ]

Abbildung 6.2: Spektrum der Einfallenden Strahlung (obere Kurven) und von

hohem Gras: niedergedr¨ uckt und ungest¨ ort (untere Kurven). Die totale Net-

tointensit¨ at betr¨ agt 167 W m ⁻² (flachgedr¨ uckt) bzw. 145 W m ⁻² (ungest¨ ort)

6.3. EXPERIMENT 47 Intensit¨ at

Das Spektrum des flachgedr¨ uckten Grases mit einer Intensit¨ at von 167 W m ⁻² wurde um 11:21 (MESZ), dasjenige des hohen Grases mit 145 W m ⁻² um 11:37 gemessen.

Die totale Nettointensit¨ at betr¨ agt ungef¨ ahr 150 W m ⁻² dies entpricht un- gef¨ ahr der Leistung einer konventioneller St¨ anderlampe (mit Gl¨ uhleuchtmit- teln).

Der zeitliche Verlauf der Strahlung ist in Abbildung 6.3 dargestellt. Die mit dem Netradiometer gemessene Nettostrahlung liegt um 20 W m ⁻² und somit viel tiefer als die aus dem Spektrum berechnete Nettostrahlung. Es ist jedoch nicht klar in welchem Wellenl¨ angenbereich das Netradiometer misst, wodurch ein vergleich der beiden Werte nicht m¨ oglich ist.

Wird die Nettostrahlung aus den Daten vom Doppelpyranometer berech- net (R _n = SW ↓ −SW ↑) ergeben sich h¨ ohere Werte (Abweichung bis zu 100%) als mit dem Netradiometer gemessen wurden. Zum Zeitpunkt der Messung der beiden Spektren ist die Abweichung ebenfalls gross, eine Abde- ckung nur eines der beiden Ger¨ at kann daher ausgeschlossen werden. Ebenso ist unbekannt wie gross der Fehler auf Grund der Eichung ist und welche Wel- lenl¨ angenbereiche beim Doppelpyranometer ber¨ ucksichtigt werden, dadurch ist es nicht m¨ oglich abzusch¨ atzen woher dieser grosse Fehler kommt.

Albedo

Die Albedo ist im sichtbaren Berich sehr niedrig (bis maximal 0.1) mit einem Maxmimum bei 550 nm (gr¨ un). Das flachgedr¨ uckte Gras weisst eine h¨ ohere Albedo auf. Im nahen Infrarotbereich ist die Albedo sehr hoch (0.45–0.7), im Gegensatz zum sichtbaren Bereich weisst hier das ungest¨ orte Gras h¨ ohere Werte auf (Abbildung 6.4).

6.3.3 Langwellige Strahlungsbilanz

In einer klaren Nacht ist der Wasserdampfgehalt der Atmosph¨ are niedrig, wodurch nur ein geringer Anteil der abgestrahlten langwelligen Strahlung an Wasserdampf absorbiert und zur¨ uck emittiert werden kann. Die Bilanz wird daher in der Nacht negativ sein (LW ↑> LW ↓).

Am Tag ist die von der Erde abgestrahlte Intensit¨ at der langwelligen

Strahlung gr¨ osser, da die Erdoberfl¨ ache w¨ armer ist. Durch die einstrahlende

48 KAPITEL 6. STRAHLUNGSBILANZ, RADIOMETER

Diagramm

Seite 5

11 :02 11 :0 6 1 1: 09 11 :1 3 1 1: 1 6 11 :20 1 1: 2 4 1 1: 27 1 1 :3 1 11 :34 11 :3 8 1 1: 42 11 :4 5 1 1: 49

-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Strahlung

SWd [W/m^2]

SWu [W/m^2]

Rn [W/m^2]

SWd-SWu [W/m^2]

Zeit [MESZ]

In te n si tä t [W /m ^ 2 ]

Abbildung 6.3: Zeitlicher Verlauf der kurzwelligen Strahlung gmessen mit

dem Doppelpyranometer (SWd (SW ↓), SWu (SW ↑) und die berechnete

Nettostrahlung SWd-SWu (R _n = SW ↓ −SW ↑)) und dem Netradiometer

(Rn (R n )).

6.3. EXPERIMENT 49

albedo

Seite 128

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75

Albedo

Albedo (flach- gedrückt) Albedo (hoch)

Wellenlänge [nm]

In e tn si tä t [ W /m ^ 2 /n m ]

Abbildung 6.4: Albedo in Abh¨ angigkeit der Welenl¨ ange f¨ ur niedergedr¨ ucktes

und ungest¨ ortes Gras

50 KAPITEL 6. STRAHLUNGSBILANZ, RADIOMETER

kurzwellige Strahlung wird zudem die Atmosph¨ are erw¨ armt, dadurch ist die

langwellige Strahlung der Atmosph¨ are viel gr¨ osser als in der Nacht. Dies f¨ uhrt

zu einer positiven Bilanz am Tag (Treibhauseffekt).

Kapitel 7

Abflussmessung II, Versuch F (Mittwochnachmittag, 27. Juni)

7.1 Einf¨ uhrung

Die Verd¨ unnungsmessung ist brauchbar in gut gemischten kleinen bis mittle- ren Gew¨ assern, wo der Fluss gut gemischt ist. Das Prinzip der Messung ist:

Man wirft eine bestimmte Menge des Tracers ins Wasser, der Tracer muss gut gemischt werden, dann wird dessen Konzetration gemessen. F¨ ur die ge- lungene Messung m¨ ussen ein paar Bedingungen erf¨ ullt sein. Erstens muss der Abfluss w¨ ahrend der Messung ungef¨ ahr konstant bleiben. Der Tracer sollte nicht irgendwo auf dem Weg bleiben, alles muss durch den Querschnitt, wo gemessen wird, vorbei fliessen. Und wie schon erw¨ ahnt, muss der Tracer gut gemischt sein. Wenn diese drei Bedingungen erf¨ ullt sind, dann ist es nicht wichtig, wo die Messger¨ ate hingestellt werden.

Um sicher zu sein, dass der Tracer im Bach gut gemischt sein wird, haben wir zuerst ein bischen eines fluoreszenten gr¨ unen Tracers ins Wasser geworfen.

So konnten wir die Tracerwolke gut sehen. Schon nach ein paar Meter nach der Eingabe, war das Waaser ¨ uber die ganze Breite gr¨ un.

7.2 Messmethode

Wir haben mit zwei Ger¨ aten gemessen. Eines misst nur die Leitf¨ ahigkeit des Wassers und das andere (SALINOMADD) kommt mit einer Software, die auch Konzetrationskurve integriert und gibt direkt den Abfluss als Resultat

51

52 KAPITEL 7. ABFLUSSMESSUNG II

Tabelle 7.1: Tracermenge und Eingiessdistanz bei den Messungen Salzmenge [g] Eingiessistanz [m]

1 75 10

2 115 10

3 75 25

aus.

Bei der Messung mit diesen zwei Ger¨ aten haben wir Kochsalz (NaCl) als Tracer benutzt. Die Ger¨ ate messen die Konzetration ¨ uber die Zeit, und daraus wird der Abfluss durch Integrieren gerechnet.

Die Gleichung f¨ ur den Abfluss ist:

Q = M

R

t C(t)dt

Wenn wir bei einem konstanten Abfluss eine gr¨ ossere Menge Salz einge- ben, dann muss die Fl¨ ache unter der Konzentration-Zeitkurve gr¨ osser werden.

Das passiert entweder mit h¨ oherer Konzentration oder mit l¨ angerer Zeit.

Wir haben drei Messungen gemacht, wobei wir die Tracermenge und die Distanz zu dem Messpunkt ge¨ andert haben. Die Resultate sind in Tabelle 7.1 zusammengefasst.

7.2.1 SALINOMADD

Die n¨ achste paar Bilder zeigen die Resultate von den Messungen mit SALI- NOMAD. Wir mussten nur die Tracermenge, Eingiessdistanz und Wasser- stand eingeben, alles anderes hat das Ger¨ at gemacht.

Bei der ersten Messung (Abbildung 7.1) haben wir 75 g Salz 10 m von dem Messpunkt eingeworfen. Wenn das aufgel¨ oste Salz den Messpunkt er- reicht, steigt die Konzentration im Wasser steil an. In diesem Fall hat sie ungef¨ ahr 400 mg/l erreicht. Danach nimmt sie langsam ab, bis wieder die Hintergrundkonzentration im Wasser gemessen wird.

Als n¨ achstes haben wir die Menge des Tracers vergr¨ ossert (Abbildung 7.2).

Man kann sehen, das die Spitze von der Konzentration gr¨ osser ist, aber sie steigt genau so steil und nimmt ab in ungef¨ ahr der gleichen Zeit.

Danach haben wir versucht das Salz weiter weg einzuwerfen (Abbildung

7.3). Hier sieht man noch einen Unterschied zu den ersten zwei Versuchen. Die

7.2. MESSMETHODE 53

Abbildung 7.1: Erste messung mit SALINOMADD. Tracermenge, Eingiess- distanz und alle andere Angaben sind im Bild gegeben.

Abbildung 7.2: Zweite Messung mit SALINOMADD. Tracermenge, Eingiess-

distanz und alle andere Angaben sind im Bild gegeben.

54 KAPITEL 7. ABFLUSSMESSUNG II

Abbildung 7.3: Dritte Messung mit SALINOMADD. Tracermenge, Eingiess- distanz und alle andere Angaben sind im Bild gegeben.

Konzentrationskurve ist viel breiter. Da die Distanz vom Messpunkt gr¨ osser war, konnte sich das Salz noch besser im Wasser verteilen.

Bei dieser Messung gibt es noch ein anderes Effekt. N¨ amlich, die Hinter- grundsalzkonzentration ¨ andert sich w¨ ahrend der Messung. Das h¨ atte damit zu tun haben k¨ onnen, dass es vorher regnerisch gewesen war, aber w¨ ahrend unserer Messung hat es nicht geregnet. So war der Einfluss vom s¨ ussen Wasser anders, und das konnte die Konzentration im Bach ¨ andern.

Aber das Resultat war immer fast gleich, von 17.36 l/s bis 17.49 l/s.

7.2.2 Leitf¨ ahigkeit

Die dritte Messung haben wir gleichzeitig noch mit dem anderen Ger¨ at ge- macht. Das Ger¨ at misst nur die Leitf¨ ahigkeit des Wassers. Mit einer Eichmes- sung k¨ onnen wir die Verbindung zwischen Leitf¨ ahigkeit und Konzentration finden. F¨ ur die Eichmessung haben wir ein Gef¨ ass mit 10 l Wasser genommen und, eine bestimmte Menge Salz hinzugegeben und dann die Leitf¨ ahigkeit ge- messen. Die Eichgerade ist in der Abbildung 7.4 gezeigt. Die Gleichung der Gerade lautet:

y = 2023.8x + 551.6

7.3. GEF ¨ ASSMESSUNG AM HUWILERBACH 55

Abbildung 7.4: Die Eichgerade f¨ ur das Leitf¨ ahigkeitmessungsger¨ at.

Damit haben wir die Konzentration von den Daten gerechnet.

Um dem Abfluss auszurechnen haben wir die Gleichung f¨ ur den Abfluss in diskreter Form benutzt:

Q = M

P Ende

Anf ang ∆t(i) ∗ C(i) .

Wir haben es mit Excel integriert. Weil sich die Hintergrundkonzentration ge¨ andert hat, haben wir die Fl¨ ache unter der gr¨ unen Gerade in Abbildung 7.5 subtrahiert. Der Resultat ist 16.45 l/s, was auch den Messungen mit SALI- NOMADD entspricht.

7.3 Gef¨ assmessung am Huwilerbach

Eine ganz einfache Metode um den Abfluss zu bestimmen ist diese mit einem

Gef¨ ass zu messen. Man braucht ein Gef¨ ass mit bekanntem Volumen und eine

Stoppuhr. Man l¨ asst das Gef¨ ass volllaufen und misst die daf¨ ur ben¨ otigte

Zeit. Man muss die Messung mehrmals wiederholen um einen Mittelwert zu

56 KAPITEL 7. ABFLUSSMESSUNG II

Abbildung 7.5: Dritte Messung des Abflusses. Alles ist gleich wie in der Ab-

bildung 7.3.

7.3. GEF ¨ ASSMESSUNG AM HUWILERBACH 57 Tabelle 7.2: Die F¨ ullzeiten bei den Messungen mit dem Gef¨ ass. Der Mittel- wert ist 37.7 s, dies entspricht einem Abfluss von 1.46 l.

Zeit [s]

1 38.6 2 36.4 3 38.1

erhalten. Es wurde angenommen, dass sich der Abfluss w¨ ahrend der Messung nicht ge¨ andert hat.

Unser Gef¨ ass hatte ein Volumen von 55 Liter. Wir haben die Messung dreimal wiederholt. Die Resultate sind in Tabelle 7.2 aufgef¨ uhrt. Die durch- schnittliche F¨ ullzeit betrug 37.7 s, welches einem Abfluss von 1.46 l entspricht.

Diese Methode ist nat¨ urlich nicht sehr genau. Man k¨ onnte das Resultat mit

mehreren Messungen noch verbessern, aber um was zu lernen war das genug.