Schlüsselkonzepte
Physik
Wetter
Luft
Atmosphärendruck

Einführung
Haben Sie jemals eine Wettervorhersage im Fernsehen gesehen? Wenn ja, haben Sie vielleicht bemerkt, dass sich die Buchstaben „H“ und „L“ auf der Wetterkarte bewegen. Sie werden oft als Zonen mit „hohem Druck“ (H) und „niedrigem Druck“ (L) bezeichnet. Der Druck, über den sie sprechen, ist der atmosphärische Druck. Änderungen des Luftdrucks können kurzfristige Wetteränderungen vorhersagen. Aber woher wissen Sie, ob sich der Luftdruck ändert — oder ob er hoch oder niedrig ist? Wissenschaftler haben ein Instrument namens Barometer entwickelt, das den atmosphärischen Druck messen kann. In dieser Aktivität erfahren Sie, wie ein Barometer funktioniert, indem Sie selbst eines bauen!

Hintergrund
Die Erde ist von einer Luftschicht umgeben, die Atmosphäre genannt wird. Die Atmosphäre ist etwa 300 Meilen dick, und das meiste davon ist innerhalb von 10 Meilen von der Erdoberfläche. Die Luft besteht aus Gasmolekülen wie Stickstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid. Alle diese Moleküle drücken auf die Erde, und dieser Druck wird Luftdruck oder atmosphärischer Druck genannt.

Sie werden überrascht sein zu erfahren, dass Luft ein Gewicht hat, obwohl Sie es nicht fühlen. Wir haben uns so entwickelt, dass der Druck in unserem Körper dem äußeren atmosphärischen Druck entspricht. Sie können jedoch Änderungen des atmosphärischen Drucks spüren. Wenn Sie beispielsweise in einem Flugzeug fliegen, können Ihre Ohren schmerzen. Dies liegt daran, dass Ihr Innendruck in großer Höhe größer ist als der Außendruck. Nur wenn Sie beide Drücke ausgleichen, indem Sie Ihre Ohren „knallen“ lassen, hören sie auf zu schmerzen.

Der atmosphärische Druck ist auf Meereshöhe am höchsten und nimmt ab, wenn Sie sich in die Atmosphäre bewegen. Auf Meereshöhe reicht der normale Luftdruck von 800 bis 1050 Millibar. Auf dem Mount Everest ist der Luftdruck etwa 30 Prozent geringer! Der Luftdruck ändert sich mit der Höhe und mit der Temperatur. Warme Luft, die weniger dicht ist, steigt auf und führt zu einem niedrigeren Luftdruck. Wenn es aufsteigt, kühlt es ab und verwandelt sich in Wasserdampf, der dann zu Flüssigkeit kondensiert. Dies führt zu Wolkenbildung und Regen. Niedriger Druck ist daher im Allgemeinen mit bewölktem und regnerischem Wetter verbunden. Andererseits führt Kaltluft mit hoher Dichte zu einem erhöhten Luftdruck. Wenn kalte Luft sinkt, trocknet sie und verursacht warme und trockene Wetterbedingungen in Hochdruckzonen.

Jetzt, da wir wissen, wie der Luftdruck helfen kann, das Wetter vorherzusagen, müssen wir noch herausfinden, wie man den Luftdruck misst. Zu diesem Zweck haben Wissenschaftler das Barometer entwickelt. Es gibt viele verschiedene Arten von Barometern. Eines davon ist das Barometer auf Wasserbasis: Wasser wird in einem Glasbehälter mit einem schmalen Auslauf versiegelt, der die Außenseite mit der Innenseite verbindet. Wenn der Außenluftdruck ansteigt, drückt er auf das Wasser in der Tülle, was zu einer Abnahme des Wasserspiegels führt. Wenn weniger Luft (geringerer Luftdruck) auf das Wasser im Auslauf drückt, steigt der Wasserstand. In dieser Aktivität erstellen Sie eine Variation dieses Barometers. Glaubst du, es kann das Wetter von morgen vorhersagen?

Materials

• Heat-resistant glass jar
• Rubber band that fits around the mouth of the glass jar
• Balloon
• Wooden skewer
• Scissors
• Tape
• Paper
• Pen
• Three bowls
• Tap water (hot and cold)
• Ice cubes
• Paper handtücher

Vorbereitung

• Schneiden Sie die Öffnung des Ballons ab und entsorgen Sie sie.
• Befestigen Sie den Ballon mit dem Gummiband am Glas.
• Kleben Sie das Ende des Holzspießes flach auf die Oberseite des Ballons, wobei die spitze Spitze vom Glas weg zeigt.
• Füllen Sie die erste Schüssel mit Wasser von Raumtemperatur, die zweite Schüssel mit heißem Leitungswasser (seien Sie vorsichtig mit heißem Wasser und lassen Sie sich gegebenenfalls von einem Erwachsenen helfen) und die dritte Schüssel mit Eiswasser.
• Platzieren Sie Ihr Barometer mit dem Spieß parallel zur Wand in der Nähe einer Wand.
• Kleben Sie ein Stück Papier hinter das Barometer an die Wand.
• Zeichnen Sie eine Linie auf das Papier, die mit der Spitze des Spießes übereinstimmt.
• Markieren Sie die Position, an der sich das Barometer befindet. Sie müssen es später während der Aktivität an derselben Stelle platzieren.

Vorgehensweise

• Nehmen Sie das Barometer und stellen Sie das Glas in die Schüssel mit dem heißen Wasser. Das Wasser sollte nicht über das Gummiband hinausreichen. Was halten Sie vom Barometer? Bemerken Sie Änderungen? Wenn ja, welche Änderungen?
• Nehmen Sie das Barometer nach einer Minute aus dem Wasser, trocknen Sie es schnell ab und platzieren Sie es an derselben Stelle in der Nähe der Wand, an der Sie das Papier befestigt haben. Machen Sie eine weitere Linie auf dem Papier, so dass sie mit der spitzen Spitze des Spießes übereinstimmt. Wo zeigt die Spitze jetzt? Wie hat sich das Barometer verändert?
• Legen Sie das Barometer in die Schüssel mit Wasser von Raumtemperatur. Beobachten Sie erneut, was passiert. Halten Sie es für etwa 10 Minuten in der Schüssel. Wie sieht das Barometer nach 10 Minuten anders aus als vorher?
• Setzen Sie das Barometer nach 10 Minuten wieder an seine Stelle an der Wand und zeichnen Sie eine weitere Linie auf das Papier, auf das der Spieß zeigt. Was fällt Ihnen diesmal auf?
• Als nächstes legen Sie das Barometer für etwa eine Minute in die Schüssel mit Eiswasser. Was passiert mit dem Barometer im Eiswasser? Welche Unterschiede bemerken Sie?
• Platzieren Sie das Barometer erneut vor Ihrem Papierdiagramm und zeichnen Sie eine weitere Linie, auf die die Spießspitze zeigt. Können Sie Ihre Beobachtungen erklären?
• Legen Sie das Barometer in die Schüssel mit Wasser von Raumtemperatur und wiederholen Sie die Schritte noch einmal. Wo zeigt die Spießspitze auf diese Zeit? Warum?
• Zusätzliche: Wiederholen Sie Ihre Tests mit verschiedenen Wassertemperaturen. Wie verändern sich Ihre Ergebnisse mit anderen Wassertemperaturen?
• Extra: Nehmen Sie Ihr Barometer nach draußen, um den atmosphärischen Druck zu messen. Zeichnen Sie eine Skala, die wie ein Lineal aussieht, auf ein anderes Blatt Papier. Platzieren Sie dann das Diagramm so neben dem Barometer, dass die Mittellinie mit der Spießspitze ausgerichtet ist. Lassen Sie das Barometer mehrere Tage draußen und markieren Sie jeden Tag, wohin der Spieß zeigt. Was bedeutet es, wenn sich die Spitze auf Ihrer Waage nach oben oder unten bewegt?

Beobachtungen und Ergebnisse
Konnten Sie die Änderung des Luftdrucks mit Ihrem Barometer messen? In dieser Aktivität haben Sie tatsächlich die Luftdruckänderungen im Glas gemessen – nicht die Änderung des äußeren atmosphärischen Drucks. Da wir den äußeren Atmosphärendruck nicht selbst ändern können, haben wir den Luftdruck im Inneren des Glases geändert, um zu demonstrieren, wie das Ballonbarometer funktioniert.

Wenn Sie das Glas mit dem Ballon verschließen, herrscht ein gewisser Luftdruck im Glas. Die Spitze des Holzspießes sollte ziemlich eben mit der Oberseite des Glases sein, da die Ballonoberfläche sehr flach ist. Wenn Sie das Glas jedoch in das heiße Wasser stellen, erwärmt sich die Luft im Inneren des Glases und dehnt sich aus. Da das Glas mit dem Ballon verschlossen ist, kann es nirgends entkommen – und der Ballon beginnt sich zu wölben. Dies liegt daran, dass der Luftdruck im Glas zunimmt und gegen den Ballon drückt. Dadurch zeigt der Holzspieß nach unten. Die Linie, die Sie gemacht haben, sollte unter der ursprünglichen Linie liegen.

Wenn Sie den Ballon in Wasser mit Raumtemperatur legen, kühlt sich die Luft wieder auf Raumtemperatur ab, so dass Ihr Ballon wieder flach werden sollte. Gleichzeitig sollte der Holzspieß mit Ihrer ursprünglichen Linie übereinstimmen. Das Gegenteil passiert, wenn Sie das Glas in Eiswasser legen. Wenn die Luft im Inneren des Glases noch mehr abkühlt, zieht sie sich zusammen und zieht den Ballon in das Glas. Dadurch zeigt der Holzspieß nach oben. Die Linie, die Sie für Eiswasser gemacht haben, sollte über Ihrer ursprünglichen Linie liegen. Zurück in Wasser mit Raumtemperatur sollten der Ballon und der Holzspieß wieder in ihre ursprüngliche Position gelangen.

Wenn Sie den Außenluftdruck mit Ihrem Barometer messen, geschieht das Gegenteil: Der Spieß zeigt mit steigendem Luftdruck nach oben, wenn die Luft außerhalb des Glases auf den Ballon drückt. Bei fallendem Atmosphärendruck zeigt der Holzspieß nach unten. Wenn Sie jeden Tag den Standort des Holzspießes markieren, können Sie feststellen, welches Wetter Sie erwartet!

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Diese Aktivität wurde Ihnen in Zusammenarbeit mit Science Buddies