Ballonforschung in der Troposphäre: Project Vortex

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Teil 2: Wissenschaftliche Ziele

Von Kevin Glinka

Wissenschaftliche Ziele:

1.) Meteorologische Messungen:

Zu den wissenschaftlichen Zielen der Fahrt(en) gehören die Messung von Luftdruck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit, sowie die Windrichtung und -geschwindigkeit. Dafür sollen ein Barometer, ein elektrisches Thermometer, ein Aspirationspsychrometer Assmann’scher Bauart, sowie ein normales Hygrometer verwendet werden. Die Windgeschwindigkeit ist im Freiballon gleich der Ballongeschwindigkeit, also kann sie mit einem GPS bestimmt werden.

Wie zu sehen ist, sind hier schon zwei verschiedene Sorten von Thermometern, sowie zwei Messgeräte für die Luftfeuchtigkeit aufgeführt. Der Vergleich der Leistung dieser Geräte ist ebenfalls eines meiner Ziele. Ich besitze ein Hygrometer, welches ich im Baumarkt gekauft habe, und welches im Vergleich zum Aspirationspsychrometer zum Teil Unterschiede bis 10% aufweist. Somit wäre ein Vergleich einfaches gegen professionelles Instrument möglich.

2.) Elektrische und Magnetische Messungen:

Als nächstes stehen auf meiner Liste Messungen der Luftelektrizität und des Magnetfeldes. Dafür sollen ein Elektrometer mit einem langen Draht, oder wahlweise ein Elektrofeldmeter verwendet werden. Für die Magnetfeldmessungen ist noch nicht entschieden, welches Instrument dort zum Einsatz kommen soll. Entweder, wie bei den oben angesprochenen Ballonfahrten, eine schwingende Magnetnadel, bei welcher die Schwingungsdauer für 20 Schwingungen gemessen, und mit der Zahl die auf der Erde erhalten wurde, verglichen wird, oder einem System welches auf einer Hall-Sonde basiert. Eine weitere Möglichkeit wäre ein selbstgebautes Reise-Magnetometer, welches auf einer Anleitung aus dem Internet basiert.

3.) Messung der Stärle der Sonneneinstrahlung

Der nächste Punkt ist dann die Messung der Stärke der Sonneneinstrahlung, und zwar mit Hilfe eines Schwarzkugelthermometers, so wie ich es oben bereits angesprochen habe. Gerne würde ich dort ein Experiment von Barral und Bixio wiederholen: Diese haben nämlich neben einem normalen und einem geschwärzten Thermometer noch ein Thermometer mit einer versilberten Kugel nebeneinander auf einer polierten Metallplatte angebracht. Weil das Thermometer mit der schwarzen Kugel beim Start zerbrach, waren natürlich nur Messungen mit dem silbernen und dem normalen Thermometer möglich, und es wäre eine Gelegenheit, dieses Experiment zu wiederholen. Ein Aktinometer, wie auch Glaisher eines ab 1863 im Ballon mitführte, wäre auch eine interessante Alternative, sowie ein Bolometer, welches die Stärke der Sonneneinstrahlung direkt messen kann.

4.) Spektroskopische Beobachtungen und Messungen der Helligkeit

Weiterhin plane ich, ein Spektroskop mitzunehmen, und das Spektrum des Himmels und der Sonne in verschiedenen Höhen zu beobachten. Dafür plane ich die Verwendung eines kleinen Taschenspektroskopes, evtl. im Vergleich mit einem selbstgebauten Spektroskop welches anstelle eines Prismas eine CD benutzt. Glaisher hatte ebenfalls so eines ab 1863 an Bord und er achtete vor allem auf die Veränderung der Fraunhoferschen Linien mit der Höhe. Weiterhin wäre ein sehr günstiges und gleichzeitig interessantes Instrument ein Luxmeter, welches in verschiedenen Höhen auf verschiedene Bereiche des Himmels, der Erde und der Sonne gerichtet werden kann, um die jeweilige Helligkeit zu messen.

5.) Messungen von VLF-Radiowellen

Die INSPIRE Inc.-Gruppe aus Washington D.C. hat mir vorgeschlagen, einen ihrer VLF-3 Empfänger im Ballon mitzunehmen, um zu messen, wie sich die Verbreitung der VLF- Wellen mit der Höhe ändert. Die Gruppe misst weltweit mit diesen Empfangsgeräten, und ist an Messungen in einem Freiballon sehr interessiert.

6.) Messungen radioaktiver Strahlung

Zusätzlich dazu soll ein Geigerzähler eintreffende Strahlung erfassen. Mir wurde von anderer Seite bereits mitgeteilt, dass ich in den erreichbaren Höhen nicht erwarten solle, kosmische Strahlung direkt anzutreffen (Wobei ich mir auch im klaren bin, dass die primäre kosmische Strahlung erst in ca. 30 Kilometern Höhe anzutreffen ist). Trotzdem finde ich es wünschenswert, so ein Gerät an Bord zu haben, da die Zahl der eintreffenden Strahlen als Funktion der Höhe auch so interessant sein dürfte. Inzwischen habe ich eine Nachricht einer tschechischen Forschungsgruppe erhalten, welche über einen entsprechenden Aufbau verfügt und diesen gerne auf dem Ballon montieren würde.

7.) Fotografie (Visuell und Infrarot)

Da der Ballon sich mit dem Wind bewegt, und keine großen Vibrationen (wie z.B. durch einen Motor, der ja beim Ballon nicht vorhanden ist) auftreten, ist es möglich, gute Luftaufnahmen vom Ballon aus zu machen. Dafür steht bereits eine Zenit-ET 35mm- Fotokamera bereit, die mit Farbfilm bestückt wird. Wünschenswert wäre daneben eine weitere Kamera mit Infrarotfilm, um damit durch Nebel oder Dunst hindurchsehen zu können.

Die oben angesprochenen Versuche sind die physikalischen Versuche, die ich bis jetzt in die Liste aufgenommen habe. Mir wurde bereits zugetragen, ein UV-Messgerät, einen Staubzähler oder eine Apparatur zur Messung der Schallgeschwindigkeit mitzunehmen, beide allerdings bis jetzt ohne direkte Anleitungen zum Versuchsaufbau oder ähnlichem.

8.) Sammlung von Luftproben

Weiterhin stehen auf der Liste noch einige chemische Versuche. Zuerst ist dort die Entnahme von Luftproben in verschiedenen Höhen zu finden. Dort hoffe ich vor allem auf die Unterstützung der Universität Osnabrück, dass es dort möglich ist, die Proben analysieren zu lassen.

9.) Messung der Anteile von Kohlendioxid und Ozon

Dazu kommen noch einige Versuche, die direkt im Ballon durchgeführt werden sollen. Zum einen soll Luft durch Röhren gesaugt werden, die mit KOH gefüllt sind. Durch das Wiegen dieser Röhren ist es dann möglich, die Menge an Kohlenstoffdioxid, die sich in der Atmosphäre befunden hat, festzustellen. Um den Ozongehalt der Atmosphäre festzustellen, plane ich ebenfalls ein duales Verfahren, wie schon bei der Temperatur und der Luftfeuchte, und zwar zum einen mit Ozonpapieren, und zum anderen mit Analysen- Röhrchen der Firma Dräger Safety GmbH, Lübeck. Diese prüft momentan, ob die benötigten Analyseröhrchen zur Verfügung gestellt werden können.

10.) Physiologische, Akustische und sonstige Beobachtungen

Am Ende der Liste stehen noch einige allgemeine Beobachtungen, die eher nebenbei durchgeführt werden sollen, z.B. Beobachtungen des Pulses und Zahl der Atemzüge pro Minute der Personen im Ballon, der Ausbreitung des Schalles in verschiedenen Höhen, das Aussehen des Ballons und des Füllgases.

11.) Sammlung von Bakterien in größeren Höhen

Am Ende der Liste stehen noch zwei biologische Ziele, von denen das erste die Sammlung von Bakterien mit Hilfe eines geeigneten Apparates ist. Bis jetzt wurde dies nur auf vier Ballonfahrten von Prof. Carl Otto Harz in München (1903/04) und auf den Stratosphärenballonen Explorer II (1935) und BEXUS 7 (2008) getan. Im ersten und dritten Fall wurde Luft durch sterile Filter gesaugt, beim Explorer II wurde ein spezieller Sammelapparat vom Ballon abgeworfen.

12.) Feststellung des Einflusses der Fahrt auf Pflanzen und Insekten

Auch dieses wurde bis jetzt nur auf den Stratosphärenfahrten des Explorer I (1934) und Explorer II getan, wobei Pilzsporen den Bedingungen der Stratosphäre ausgesetzt wurden. Weiterhin wurden auf dem Explorer II und dem sowjetischen USSR-1-bis Fliegen der Art Drosophila melanogaster mitgenommen, um Einflüsse der Strahlung auf sie zu untersuchen. Auch hier wäre es (trotz der geringeren Höhe) interessant, diese Versuche zu wiederholen/mit anderen Arten durchzuführen.

Dieses sind die wissenschaftlichen Ziele, die ich mit diesem Projekt erreichen möchte. Eine Veröffentlichung der Resultate nach der Fahrt ist von mir vorgesehen, außerdem würde ich auch gerne meine Messdaten an andere Stellen weitergeben (die meteorologischen Daten z.B. an den DWD).

12 thoughts on “Ballonforschung in der Troposphäre: Project Vortex

  1. Hallo Kevin!
    Wow, ich muß sagen, dass ist schon recht ordentlich was du dir vorgenommen hast. Dafür dass du das privat machst hast du das auch recht gut geplant bzw. durchdacht.
    Ich wünsch dir auf alle Fälle viel Glück bei deinem Projekt!
    MfG. Christian

  2. Hallo,
    das klingt richtig spannend, ich würde mich freuen, wenn du hier zu gegebener Zeit einen Bericht mit deinen Ergebnissen einstellt. Ansonsten viel Glück mit deinem Projekt.

    Gruß Sven

  3. Hallo Christian und Sven,

    danke für die Kommentare! Ich habe vor, nach der ersten Fahrt (und auch nach den jeweils nächsten Fahrten) je einen Bericht zu erstellen. Ich kann ja eine Zusammenfassung dann hier einstellen (ich vermute nämlich mal, dass der Bericht an sich das 8000-Zeichen-Limit übertreffen wird).

    Wie ich beim ersten Teil schon sagte, bin ich im Moment auf der Suche nach Leuten, die einige der Bereiche übernehmen würden. Damit meine ich z.B. die Bereitstellung von Messgeräten (z.B. die Ozonröhrchen), oder die Bereitstellung eines Experimentes zu einem der Bereiche (die oben im Text angesprochene Gruppe aus Tschechien, die einen Gasentladungssensor mit nach oben schicken möchte, oder für Bereich 11 habe ich einen Wissenschaftler der Uni Mainz kontaktiert, der über Frankfurt nach Pilzsporen in der Luft gesucht hat).

    Ich hoffe, demnächst einen Sponsor zu finden, der die 1.000 Euro pro Fahrt finanzieren würde (diese bestehen übrigens aus Kosten für das Füllgas, Versicherung, usw.), damit das Projekt auch ans Laufen kommt!

  4. Ich denke dass Limit von 8000 Zeichen ist ganz gut so. Das ist ein Blog und ich habe meine Zweifel dass viel längeres durchgelesen wird. Icch selbst versuche ja auch längeres in mehrere Teile aufzuspalten. Wer es genauer wissen will kann ja über einen Link in der Zusammenfassung zu deiner Arbeit navigieren.

  5. Das denke ich auch. Ich würde einen detallierten Bericht sowieso als PDF verfassen und dann auf meiner Seite zum Download stellen, und eine kurze Zusammenfassung kann dann hier erscheinen, wie du es schon sagtest.

  6. Interessante Idee!

    Ich hab das jetzt so verstanden: Du möchtest eine Nische bei der Atmosphärenforschung besetzen. Der Vorteil deines Systems ist, dass du dich bis 7000m in der Atmosphäre bewegen kannst, um dort relativ Störungsfrei Messungen vorzunehmen. Der Vorteil zu anderen Wetterballons ist, dass du flexibel in der Flughöhe bist.

    Hab ich das so richtig zusammengefasst? Was ich nicht verstehe ist der Wert der Nische. Was ist der Grund der Messungen und warum kann man mit deinem Projekt diese Messdaten besser aufnehmen. Also welche Informationslücken möchtest du konkret Schließen, die man vorher gar nicht oder nur teuer Schließen konnte?

    Du hattest zwar paar Beispiele gegeben aber warum gehts mit deinem Besser? Beispielsweise kann man Strahlenbelastung von Pflanzen eventuell besser im Labor beobachten. Ist halt die Frage, was soll erforscht werden und warum.

  7. Hallo Hannes,

    danke für deine Frage! Du hast den Vorteil der Höhensteuerung richtig zusammengefasst. Ein weiterer Vorteil, den es nur beim Ballon gibt, und den ich ausnutzen möchte, ist die Möglichkeit schwierigere Messungen durchzuführen – elektrische oder magnetische Messungen gab es meines Wissens noch nicht auf Wetterballons, weiterhin müssen die Apparate bei den Messungen oft nachgestellt werden, weshalb es von Vorteil ist, direkt neben dem Apparat zu sitzen. Dazu kommt noch die größere Tragfähigkeit des großen Ballons.

    Zu der Frage warum es besser ist nachher noch etwas, wenn ich aus der Uni zurück bin.

  8. So, jetzt die Beantwortung der Frage „warum ist es besser“: Zum konkreten Beispiel „Wie verhalten sich Pflanzen unter Strahlenbelastung?“ Natürlich könnte man die Pflanzen unter der Vakuumpumpe tiefen Temperaturen und starker Einstrahlung (wie von der Sonne und kosmische Strahlung) aussetzen. Aber es wäre trotzdem ein Laborversuch. Wenn man die Pflanzen im Ballon mitnimmt, führt man den Versuch in der freien Atmosphäre aus, was m.E. schon ein Unterschied ist, da dort verschiedenste Kombinationen von Variablen vorkommen (in einer bestimmten Höhe kann es unterschiedliche Temperaturen oder Strahlendosen zu verschiedenen Zeiten geben).

    Im vorherigen Eintrag habe ich ja zum Vorteil des großen Ballons an sich schon etwas geschrieben. Vielleicht kann man noch sagen, dass die für Ozonmessungen verwendeten Gasspürröhrchen als chemischer Test schon direkter sind als die Ozonsonden die manchmal mit kleinen Ballons hochgeschickt werden (hier weiß ich leider nicht genau, wie die funktionieren, trotzdem halte ich es für sinnvoll, die Röhrchen einzusetzen).

    Der Lückenschluss wäre also, dass sperrigere Instrumente mitgenommen werden können, die von einem Beobachter eingestellt und abgelesen werden. Das ist im kleinen, unbemannten Ballon nicht möglich (es gibt zwar die Fernsteuerung, aber diese kann nicht alle Probleme die auftreten können lösen). Weiterhin finde ich, dass 1.000 Euro pro Fahrt günstig sind. Laut Wikipedia kostet ein kompletter Wetterballon ca. 300 Euro, d.h. für den Preis von drei Wetterballons (in Deutschland werden täglich an 10 Stationen je zwei Ballons gestartet, d.h. täglich werden 6.000 Euro für Radiosonden aufgewendet), kann der große Ballon einmal fahren.

  9. Dankeschön! Ich habe mich nun auch mit dem DWD in Verbindung gesetzt, und mit Erstaunen musste ich von denen hören, dass noch nicht einmal genug Kapazitäten da sind, die 20 täglichen Wetterballonaufstiege vernünftig auszuwerten!

    Im Moment in Vorbereitung ist ein Text über die ersten beiden „wissenschaflichen“ Ballonfahrten des Belgiers Robertson in Hamburg 1803. Die waren trotz der gesteckten Ziele gar nicht wissenschaftlich, und sind ein Beispiel dafür, wie es nicht gemacht werden sollte.

  10. hallo Kevin !

    Das ist ein wirklich faszinierendes Projekt, mit dem du dich da befasst, Hut ab ! Ich finde das super, wenn junge Leute heutzutage den Mumm aufbringen, so eine Sache durchzuziehen.

    In Teil 1 erwähntest du Aufstiege bis auf (nur) 5000 m Höhe.

    Frage 1:
    Da kannst du doch genausogut einen ähnlich hohen Berg besteigen und dort deine Instrumente aufstellen. Ist es nicht so, dass sich die Sache mit dem Ballon erst ab grösseren Höhen so richtig lohnt, wo die Menge der in Frage kommenden Berge zu klein wird (z.B. grösser gleich 8000 m) ?

    Frage 2:
    Glaubst du nicht auch, dass Ballonflüge auf Höhen von sagen wir mal 7000 – 8000 m ein gewisses touristisches Potenzial hätten ? Da gibt’s doch noch gar keine andern Anbieter, oder ?

    Gruss, Thomas

  11. Hallo Thomas,

    danke für die Fragen und die netten Worte! Zu deiner ersten Frage hätte ich gerne Richard Assmann aus seinem Buch „Wissenschaftliche Luftfahrten“ zitiert, aber ich finde die Stelle gerade nicht, daher sage ich es so: Auf einem Berg sind die Verhältnisse in manchen Fragen leider etwas anders als im Ballon. Sachen wie z.B. die Spektroskopie würden wahrscheinlich auf dem Berg und im Ballon (auf gleicher Höhe) ähnliche Resultate liefern. Anders ist das aber bei der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit. Es gibt ja z.B. das Phänomen des Steigungsregen, Wolken sammeln sich auch oft an Bergen und die von der Sonne erwärmten Felsen strahlen ja ihrerseits wieder Infrarotstrahlung ab, sodass die Luft auf dem Berg etwas wärmer ist, als in der sogenannten „Freien Atmosphäre“. So in etwa lautet auch die Assmann’sche Erklärung, warum Ballonfahrten wichtig sind.

    Übrigens habe ich mir die Frage auch gestellt, ob kleine Höhen nicht eher uninteressant sind. Aber dann habe ich z.B. in Glaishers Aufzeichnungen mehrere Fahrten gefunden, die über eine längere Zeit gingen, aber noch nicht einmal 5.000 Fuß (also 1.500 Meter) überschritten haben, trotzdem aber interessante Ergebnisse geliefert haben. Um noch höher als die 5 km zu kommen, braucht man wahrscheinlich einen neuen Ballon, so wie im dritten Teil beschrieben.

    Zu der zweiten Frage: Es wäre sicherlich eine Idee, mit einem Passagier eine Fahrt zu machen, wobei es dann ideal wäre, wenn diese Person vielleicht auch an den Instrumenten mithelfen könnte. Die Instrumente an sich sind nicht sonderlich kompliziert, weshalb es nach einer relativ kurzen Unterweisung schon möglich wäre, dass der jeweilige Mitfahrer nicht nur Passagier sondern auch Crewmitglied ist.

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