Der Flug unseres Wetterballons
Vorbereitungen
Mehrere Monate haben sie recherchiert und getüftelt, um sich auf dieses besondere Experiment vorzubereiten. Die Schülerinnen und Schüler des Physikkurses der Klassen 11 a und c haben es sich zum Ziel gesetzt, einen Ballon in die Stratosphäre zu schicken. Mit an Bord sollten jede Menge Sensoren, eine Kamera und natürlich GPS-Module zum Auffinden der Überreste des Ballons sein.
Start
Der heliumgefüllte Ballon startete am Donnerstag, 6. Juni 2019 um 9.45 Uhr auf dem Sportplatz unserer Schule. Unsere Schülerinnen und Schüler und eine Vielzahl Interessierter waren bei diesem Ereignis dabei und der Start verlief problemlos.
Ernüchterung
Voller Vorfreude ging es kurz nach dem Start für einen Teil der Schülerinnen und Schüler in Richtung Tondern (Dänemark), wo die Überreste des Ballons gebremst von einem Fallschirm wieder zu Boden sinken sollten. Aber die Telefone, auf denen sich die beiden GPS-Tracker melden sollten, blieben stumm und die Enttäuschung der Beteiligten war groß. Auch in den folgenden Wochen gab es keinen Kontakt zu der Messsonde und den sonstigen Überresten des Ballons.
Messsonde in Schweden gefunden
Zu unserer großen Freude erhielten wir dann während der Sommerferien am 13. Juli 2019 eine Mail von Herrn Jonas Albrektson aus Schweden. Seine Tochter Siri habe gemeinsam mit ihrer Freundin Vendela Hansson einen besonderen Fund auf der kleinen schwedischen Insel Särholmen nordwestlich von Göteborg gemacht. Das folgende Foto zeigt die beiden Mädchen in der Nähe des Fundortes. Herr Albrektson bot freundlicherweise an, unsere Messsonde wieder zurück nach Kiel zu senden. Wir danken den beiden 17 jährigen Schülerinnen Siri Albrektson und Vendela Hansson sowie Herrn Jonas Albrektson sehr dafür, dass die Messsonde somit doch noch den Weg zu uns gefunden hat.
Datenrettung
Wie die beiden Fotos zeigen, hat die raue Umgebung der vermutlich mehr als 400 km langen Reise auf Nord- und Ostsee unserer Messsonde und insbesondere der Elektronik erheblich zugesetzt.
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Umso erstaunter waren wir, als sich die Daten unserer drei SD-Karten nach einer ausgiebigen Reinigung fast ohne Probleme auslesen ließen. Nur bei einer Karte mussten die Kontakte im Elektroniklabor von Dr. Stephan Böttcher an der Christian-Albrechts-Universität neu verlötet werden.
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Analyse der Daten
Flugroute
Wie die animierte Flugroute auf der Basis der gemessenen GPS-Koordinaten zeigt, ist unsere Sonde leider nicht in der Nähe von Tondern sondern ca. 40 km weiter westlich in der Nähe der Insel Röm in der Nordsee gelandet.
Höhenprofil
Der Aufstieg bis auf eine Höhe von mehr als 38 km verlief zunächst nahezu gleichförmig mit einer Aufstiegsgeschwindigkeit von ca. 3 m/s und dauerte fast drei Stunden. Der Absturz nach dem Platzen des Ballons verlief dann mit einer Fallgeschwindigkeit von ca. 25 m/s deutlich rasanter und dauerte nur etwa 25 Minuten.
Temperatur
Das Diagramm stellt die Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit über einen Zeitraum von ca. 280 Minuten dar. Beim Start auf unserem Schulhof betrug die Außentemperatur etwa 30 °C und etwa 20 Minuten nach dem Start erreichte sie ihren Höhepunkt mit ca. 33°C. Innerhalb der folgenden 80 Minuten des Fluges sank die Temperatur jedoch auf -40 °C ab und in den darauffolgenden 120 Minuten nahm sie wieder konstant bis auf eine Temperatur von etwa -7 °C zu. Der Abfall zu Beginn des Fluges lässt sich damit erklären, dass der Ballon schnell an Höhe gewinnt und so eine höhere Entfernung zur Erdoberfläche hat, welche durch kurzwellige Sonnenstrahlung erwärmt wird. Der Anstieg der Temperatur nach 100 Minuten hat ebenfalls mit der Höhe zu tun, denn der Wetterballon verlässt dann die Troposphäre bei etwa 15 km Höhe und erreicht die Stratosphäre. Die Stratosphäre ist besonders ozonreich und Ozon absorbiert einen Teil der Sonnenstrahlung (ultraviolettes Licht) und wandelt diesen in Wärme um, wodurch die Temperatur steigt. Nach dem Platzen des Ballons und dessen Fall zurück Richtung Erdoberfläche, passiert dieser alle vorher bereits überwundenen Höhen, wobei sich der Verlauf des Diagrammes, bloß in geringerer Zeit in gewisser Weise wiederholt. Dabei variiert die Temperatur im negativen Bereich etwas und sinkt nach dem Platzen des Ballons auf unter -40 °C. Nach der Landung nimmt die Temperatur erneut zu.
Text von Greta Eberling, Svenja Schweckendiek und Emil Günther (alle OI b)
Horizontale Geschwindigkeit
Das folgende Diagramm stellt die horizontale Geschwindigkeit des Wetterballons über einen Zeitraum von 300 Minuten, also den Zeitraum zwischen Start und Landung, dar. Es ist zu erkennen, dass die horizontale Geschwindigkeit steigt, als der Ballon beim Start an Höhe gewinnt. Besonders auffällig ist, dass zwischen 50 und 150 Minuten die horizontale Geschwindigkeit sehr stark variiert (zwischen 10 und 90 km/h), sich der Ballon aber ab einer Höhe von 38000 m (ca. ab der 200. Minute) mit einer relativ konstanten Geschwindigkeit horizontal fortbewegt. Daran erkennt man, dass die Winde in dieser Höhe relativ konstant sein müssen. Das lässt sich zum einen damit erklären, dass die Bodenbeschaffenheit, die sonst für den Wind eine große Rolle spielt, in so einer Höhe irrelevant wird. Außerdem ist die Teilchenkonzentration in der Höhe von 38000 m sehr niedrig, was auch Auswirkungen auf den Wind hat. Ein weiterer Grund könnte sein, dass sich der der Ballon am Ende der Messungen über dem Meer befindet, wo die Winde insgesamt konstanteren Bedingungen unterliegen.
Text von Caroline Kisczio, Ida Heinert, Lena Wade und Laurits Bolterauer (alle OI b)
Luftfeuchtigkeit
Das Diagramm beschreibt die Luftfeuchtigkeit in Abhängigkeit von der Zeit. In den ersten 20 Minuten liegt die Luftfeuchtigkeit ungefähr zwischen 50 und 57 %. Darauf folgt für eine kurze Zeit ein drastischer Anstieg der Luftfeuchtigkeit auf bis zu 86 %. Im folgenden Zeitraum bis zur 50. Minute variiert der Wert zwischen 45 und 53 % mit relativ starken Schwankungen, in der Folge fällt der Wert dann innerhalb von 15 Minuten auf 0 %. Dieser Wert bleibt bis zu 275. Minute konstantund nimmt dann erneut bis auf 60 % Luftfeuchtigkeit zu. Die anfängliche Luftfeuchtigkeit und ihre zeitlichen Schwankungen sind keine ungewöhnlichen Vorkommnisse in den unteren Luftschichten und der darauf folgende rasante Anstieg lässt sich durch das Durchqueren der Wolkendecke erklären. Mit zunehmender Höhe nimmt der Wert der Luftfeuchtigkeit ab, weil durch den geringeren Luftdruck auch weniger Wasser vorhanden ist. Am Ende nimmt die Luftfeuchtigkeit erneut zu, weil der Ballon sich nach dem Platzen abwärts in Richtung der Meeresoberfläche bewegt.
Text von Julius Gronau und Berkay Gökkaya (alle OI c)
Feinstaub
Die Konzentration von Feinstaub war nur bis zu einer Höhe von etwa 12000 m nachweisbar und nahm mit der Höhe ab. Erst bei der Landung auf der Nordsee erhöhte sich diese Konzentration wieder, war jedoch verglichen mit derjenigen beim Start sehr gering.
