klimaoer: 1.4 Messinstrumente

Wie wird Wind gemessen?

Wind kann vom Boden aus mit einer Vielzahl an Messinstrumenten gemessen werden. Wie z.B. dem

Schalenanemometer

Ein Schalenanemometer besitzt drei Arme mit Schalen an den Enden und rotiert um eine vertikale Achse. Der Wind übt auf die hohle Seite der Schalen einen größeren Widerstand als auf die gewölbte Seite, wodurch eine Drehbewegung entsteht. Je höher die Windgeschwindigkeit ist, desto schneller dreht sich das Anemometer. Ein Sensor oder Schalter zählt die Umdrehungen pro Zeitintervall. Daraus wird die horizontale Windgeschwindigkeit berechnet.

Entdecke im folgenden H5P durch Klicken auf die Hotspots die Bauteile eines Schalenanemometers

Ultraschallanemometer

WindMaster, Gilinstruments, wikimedia.org, CC-BY 4.0

Ein Ultraschallanemometer besteht aus einem Sender der Ultraschallwellen aussendet und einem Empfänger, der die zuvor ausgesendeten Ultraschallwellen wieder empfängt. Der Wind beeinflusst die Ultraschallwellen zwischen Sender und Empfänger. Je nach dem wie schnell oder langsam der Wind ist und aus welcher Richtung er kommt, ist die Laufzeit der Wellen kürzer oder länger. So kann mensch durch die Laufzeitmessungen auch vertikalen Wind messen. Zudem können hier die drei Vektorkomonenten des Windes genau bestimmt werden.

LiDAR

LiDAR steht für Light Detection and Ranging, also etwa „Licht-Ortung und Abstandsmessung“.

Dieses Bild zeigt wie ein grüner Laserstrahl aus einer alpinen LiDAR-Kuppel in den Nachthimmel vertikal nach oben leuchtet.

Aerosol-Lidar auf der Zugspitze, Stephan Spritz, wikimedia.org, CC BY 4.0

Ein LiDAR sendet kurze Laserimpulse aus. Ein Teil des Lichts wird an Molekülen, Aerosolen oder Wolkenteilchen in der Luft reflektiert und gelangt zurück zu einem Teleskop nahe der Laserquelle. Die Zeit, die das Laserlicht benötigt wird gemessen (in der Animation kommt das Signal im Photomultiplier an). Aus der Zeit, die das Licht für den Hin- und Rückweg benötigt, kann berechnet werden, aus welcher Entfernung beziehungsweise Höhe das Signal stammt: Je länger das Licht unterwegs ist, desto weiter entfernt war das reflektierende Teilchen. Außerdem wird mit Hilfe des Doppler-Effekts die Geschwindigkeit des reflektierenden Teilchens berechnet werden. So erhält mensch die Windgeschwindigkeit in der entsprechenden Höhe.

Funktionsweise Rückstreu-Aerosol-Lidar, Johannes Speidel (KIT), CC-BY-SA 4.0

In der Meteorologie und Atmosphärenforschung gibt es verschiedene LiDAR-Typen. Je nach Wellenlänge und Messmethode können sie unterschiedliche Eigenschaften der Atmosphäre untersuchen, zum Beispiel:

- Aerosole: Staub, Rauch, Ruß, Pollen, Meersalz oder Vulkanasche
- Wolken: Wolkenhöhe, Wolkenschichten, Eis- oder Wasserpartikel
- Wasserdampf
- Ozon
- Temperaturprofile
- Windgeschwindigkeit und Windrichtung

Ein einzelner Laserstrahl liefert nur die Windgeschwindigkeit entlang einer Richtung. Der Wind in der Atmosphäre hat aber drei Komponenten. Um daraus Windgeschwindigkeit und Windrichtung zu bestimmen, misst das LiDAR in mehrere Richtungen. Dazu wird der Laserstrahl geschwenkt. Aus mehreren radialen Windmessungen kann dann die horizontale Windgeschwindigkeit und Windrichtung berechnet werden.

LiDAR-Messungen können auch vom Flugzeug oder Satelliten aus durchgeführt werden. Dies wird häufig bei Wirbelstürmen eingesetzt. Denn es ist eine Herausforderung die exakten Windgeschwindigkeiten von tropischen Wirbelstürmen zu messen, ohne dass die lokalen Messinstrumente zerstört werden. Mit Hilfe von Satellitenaufnahmen kann die Windgeschwindigkeit dann abgeschätzt werden.

Hubschrauber mit Lidar an ihm befestigt macht.

Airbone Laserscan-DSC 0089w, Peter Haas, wikimedia.org, CC-BY-SA 3.0