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Die Erdatmosphäre ist einzigartig im Sonnensystem und führt zu einer Vielzahl von Wetterphänomenen. Wettervorhersagen sind wichtig, sowohl für den Alltag der Menschen als auch für Unternehmen. Meteorologen verwenden eine Kombination aus Computermodellen und experimentellen Messungen, um das Wetter vorherzusagen. Beispiele für Wettervorhersagegeräte sind Thermometer, Barometer, Regenmesser und Windmesser.
Thermometer
Ein Thermometer ist ein Instrument, mit dem die Temperatur gemessen wird. Der bekannteste Thermometertyp besteht aus einem Glasrohr, in das flüssiges Quecksilber eingebracht wird. Wenn die Temperatur steigt, steigt das Quecksilbervolumen, was zu einem Anstieg des Pegels führt. Eine Verringerung der Temperatur führt zu einer Verringerung des Volumens und einer Verringerung des Quecksilbergehalts. Eine Skala an der Seite des Röhrchens ermöglicht das Ablesen der Temperatur. Ein anderer Thermometertyp, der als Federthermometer bezeichnet wird, füllt ein Glasrohr vollständig mit Quecksilber, und eine mit einer Feder verbundene Metallmembran befindet sich am Boden des Rohrs. Wenn die Temperatur steigt, steigt auch der Druck auf die Membran, was zu einer Spannung in der Feder führt. Die Feder dreht dann einen Drehknopf, um auf die Temperatur zu zeigen.
Barometer
Ein Barometer ist ein Instrument zur Messung des Drucks, der der Kraft entspricht, die Luft auf eine Oberfläche ausübt. Es gibt verschiedene Arten von Barometern. Das einfachste besteht aus einem Rohr, das mit flüssigem Quecksilber gefüllt und an einem Ende verschlossen ist. Das Röhrchen wird dann umgedreht und in eine Schüssel mit flüssigem Quecksilber gegeben. Das Gewicht der Luft, die auf die Schüssel drückt, wird mit dem Gewicht des Quecksilbers, das in der Röhre nach unten drückt, ausgeglichen. Bei normalen atmosphärischen Bedingungen sinkt der Quecksilberpegel im Rohr auf eine Höhe von ca. 76 cm. Ein Anstieg des atmosphärischen Drucks führt dazu, dass der Quecksilberpegel in der Röhre an Höhe zunimmt, während ein Abfall des atmosphärischen Drucks dazu führt, dass der Quecksilberpegel in der Röhre abnimmt. Ein weiterentwickeltes Instrument zur Druckmessung ist das Aneroid-Barometer. Diese besteht aus einer versiegelten Kapsel mit flexiblen Seiten und ist in einer Box montiert. Eine Druckänderung verändert die Dicke der Kapsel. Ein an der Kapsel angebrachter Hebel vergrößert diese Änderungen und führt einen Zeiger auf ein skaliertes Zifferblatt.
Regenmesser
Regenmesser messen die Niederschlagsmenge, die innerhalb einer festgelegten Zeitspanne auftritt. Der einfachste Regenmesser besteht aus einem Röhrchen mit einer Skala, die jedoch regelmäßig geleert werden muss und daher in automatischen Wetterstationen nicht mehr verwendet wird. Ein Schritt vor dem einfachen Röhrchen besteht aus einem Röhrchen mit digitaler Waage. Die Waagen sind an einen Computer angeschlossen, der den Niederschlag als Funktion der Zeit aufzeichnet. Diese Art von Regenmesser muss jedoch regelmäßig geleert werden. Eine weitaus elegantere Lösung ist der Regenmesser mit Kippschaufel, der aus einem Trichter besteht, der mit einem Rohr verbunden ist, das in einen Eimer abläuft. Der Eimer wird auf einem Zapfen so ausbalanciert, dass er umkippt, wenn eine festgelegte Wassermenge erfasst wird. In diesem Fall fährt ein zweiter Eimer automatisch in Position, um mehr Regen aufzufangen. Jedes Mal, wenn ein Eimer kippt, wird ein elektronisches Signal an einen Datenlogger gesendet, mit dem die Gesamtniederschlagsmenge aufgezeichnet werden kann.
Windmesser
Ein Windmesser misst die Windgeschwindigkeit. Der einfachste Anemometertyp besteht aus einer rohrförmigen Achse, auf der vier Arme in Abständen von 90 Grad angeordnet sind. Tassen werden auf jeden der vier Arme gestellt, und wenn diese den Wind erfassen, führt dies zur Drehung der Arme um die rohrförmige Achse. Ein Permanentmagnet ist am unteren Ende der Achse angebracht und aktiviert einmal pro Umdrehung einen Reed-Schalter, der ein elektronisches Signal für einen Computer darstellt. Der Computer berechnet die Windgeschwindigkeit aus der Anzahl der Windungen pro Minute. Ein ausgefeilteres Gerät ist das Schallanemometer. Dies erfolgt durch Messen der Zeit, die ein Schallimpuls benötigt, um sich zwischen zwei Sensoren zu bewegen. Die Zeit, die der Schall benötigt, um sich zwischen den Sensoren zu bewegen, hängt vom Abstand zwischen den Sensoren, der eigentlichen Schallgeschwindigkeit in Luft und der Luftgeschwindigkeit entlang der Sensorachse ab. Da der Abstand zwischen den Sensoren fest ist und die Schallgeschwindigkeit in Luft bekannt ist, kann die Luftgeschwindigkeit entlang der Sensorachse bestimmt werden.