Quecksilberbarometer

Jugendstil - Wandbarometer

Ein Barometer ist ein Messgerät zur Bestimmung des Luftdrucks und findet in einer Vielfalt unterschiedlichster Formen und Typen meist in der Meteorologie Anwendung. Es handelt sich folglich um eine spezielle Gruppe von Druckmessgeräten. Eine Weiterentwicklung des Barometers ist der Barograph, der die zeitliche Entwicklung des Luftdrucks an einem Ort schriftlich oder elektronisch erfasst. Eine weitere Weiterentwicklung des Barometers ist das Mikrobarometer, das in der Lage ist, auch winzige Druckunterschiede zu messen.

Etymologie

Der Begriff „Barometer“ wurde 1665-1666 durch den irischen Naturforscher Robert Boyle eingeführt. Er leitet sich vom griechischen báros „Schwere, Gewicht“ und métron „Maß“ ab, steht also für die Messung des Gewichtes der Luft.

Geschichte des Barometers

Gregor Agricola - De Re Metallica; ca. 1550 Er erwähnt den Luftdruck als Ursache für das Aufsteigen des Wassers in Saugpumpen. ( De re metallica; sechstes Buch)

Die Anfänge von Galilei

Galileo Galilei - Portrait von Justus Sustermans, 1636

Zur Zeit Galileis, etwa um 1635, wurden die Ingenieure und Brunnenbauer von Florenz beauftragt, umfangreiche Bewässerungsanlagen in den Gärten des Palastes zu erbauen. Sie installierten Saugpumpen, stellten aber erstaunt fest, dass diese nicht in der Lage waren, Wasser in eine Höhe von etwa 10 Meter anzusaugen. Galilei wurde eingeschaltet und beschrieb das Problem 1638 in seinen Discorsi e dimostrazioni matematiche, aber er stirbt 1642, ohne die Gelegenheit zur Ausarbeitung einer Lösung für dieses Problem gehabt zu haben.

In seinen Aufzeichnungen, bereits aus dem Jahr 1614, ist zu lesen, dass er zwar über das Gewicht der Luft nachdachte und dieses als den 660ten Teil des Gewichts des Wassers bestimmte, allerdings hatte er hieraus keine weiteren Schlüsse gezogen. Die Idee, dass die Flüssigkeit nicht von der Pumpe angezogen, sondern durch einen Druck in diese hineingetrieben wurde, stand im Widerspruch zu den Dogmen jener Zeit. Diese besagten, dass das Wasser aufstiege, weil die Natur „Abscheu vor der Leere“ (lat. horror vacui) habe.

Erfindung des Quecksilber-Barometers durch Torricelli

Torricelli, Erfinder des Quecksilber-Barometers. Gravur in den Büchern des Camille Flammarion (1923)

Evangelista Torricelli folgte Galilei als Physiker am Hofe des Großherzogs der Toskana nach dessen Tod. Er nahm die Studien seines Vorgängers wieder auf und führte Experimente durch, um zu beweisen, dass es der Luftdruck war, der verhinderte, dass sich das Rohr vollständig entleerte, und dass immer eine bestimmte Quecksilbersäule bestehen blieb. Diese war ungefähr 76 cm hoch, unabhängig davon, wie weit er das Rohr ins Becken tauchte.

Er schloß daraus, dass der Luftdruck auf die Oberfläche des Beckens das auf die Säulenfläche bezogene Gewicht der Quecksilbersäule ausgleicht, und dass analog das Wasser in den Pumpen nur bis etwa 10 Meter (~13,6·0,76 m) gefördert werden kann, wenn man mit der Pumpe ein Vakuum erzeugt. Er stellte zudem fest, dass die Quecksilbersäule sich mit der Zeit änderte und dass eine Abnahme der Höhe einer Schlechtwetterperiode vorausging. Damit erfand Torricelli im Jahre 1643 das Barometer.

Da das offene Reservoir denkbar ungeeignet für den Transport des Messinstruments war, wurden verschiedene andere Lösungen erwogen. Man stellte zum Beispiel lederne poröse Reservoirs her, die an das Rohr angeschlossenen wurden, und die eine kleine Menge Quecksilber enthielten.

Barometer mit einfachem Siphon

Sir Robert Boyle bog das Barometerrohr nach oben, was zu einem „Siphon-Rohr“ führt, wie es auch heute noch verwendet wird.

Der französische Physiker René Descartes (1596-1650) verbessert das System von Torricelli, indem er eine Papierskala hinzufügte. Er ist zudem der Erste, der die Idee verbreitet, dass der Luftdruck mit der Höhe abnimmt.

Blaise Pascal und der Luftdruck

Der Luftdruck führt dazu, dass sich eine Quecksilbersäule von etwa 76 cm Höhe bildet, er reicht aber nicht aus, um den luftleeren Raum darüber zu füllen. Um das Jahr 1640 war die Frage, ob Luft ein Gewicht besitzt, unter den Wissenschaftlern eines der meistdiskutierten Themen.

Blaise Pascal konnte diese Streitfrage 1647 mit seinem berühmten Experiment vide dans le vide beantworten. Pascal wiederholte darüber hinaus das Experiment von Torricelli weil er wie Descartes davon überzeugt war, dass, wenn die Luft ein Gewicht hätte, das Quecksilber weniger hoch aufsteigen müsste, wenn man das Experiment in größerer Höhe durchführen würde. Dies bestätigte sich auch, wenn auch mit sehr geringer Genauigkeit, auf der Spitze des 52 Meter hohen Turms von Saint-Jacques in Paris. Mit der Hilfe seines Schwagers Florin Perrier, der am Fuße des Puy de Dôme wohnte, wiederholte er das Experiment am 19. September 1648. Er führte das Experiment in verschiedenen Höhen durch und stellte fest, dass die Höhe der Quecksilbersäule mit zunehmender Seehöhe tatsächlich abnimmt. Noch im darauffolgenden Monat veröffentlichte Pascal seine Ergebnisse in der Abhandlung Récit de la grande expérience de l'équilibre des liqueurs.

Später benannte man die SI-Einheit für den Druck nach ihm als Pascal, was einem Newton pro Quadratmeter entspricht.

Magdeburger Halbkugeln

Otto von Guericke konnte 1663 den Luftdruck mit den Magdeburger Halbkugeln nachweisen und erlangte damit vor allem in Deutschland Bekanntheit. Es handelt sich dabei um zwei dicht aneinanderliegende halbe Hohlkugeln, die auch durch entgegengesetzt ziehende Pferdegespanne, sobald die Luft zwischen den Hohlkugeln evakuiert worden war, nicht mehr voneinander getrennt werden konnten. Nach diesem Prinzip arbeiten auch heute noch Unterdruckkabinen.

Spätere Entwicklung

Erst ab Mitte des 19. Jahrhunderts wurden Barometer von Instrumentenherstellern, Optikern und Uhrmachern hergestellt, zunächst zu wissenschaftlichen Zwecken, dann auch für den Hausgebrauch. Ab 1870 wurden auf den Skalen meteorologische Bezeichnungen hinzugefügt (gutes Wetter, wechselhaft, etc.).

Was Entdeckungen angeht, so spielt der Zufall manchmal mit. Im Jahre 1675 macht der Abt Picard, der nachts ein Quecksilberbarometer transportiert, eine merkwürdige Entdeckung. Bei jeder Bewegung erschien ein bläuliches Licht aus dem Rohr. Dieses Phänomen wurde von Francis Hauksbee, einem Schüler von Boyle, untersucht, aber es wurde zu dieser Zeit noch keine befriedigende Erklärung gefunden. Aber ab diesem Zeitpunkt begann man, erste Untersuchungen über elektrische Entladungen in hoch verdünnten Gasen anzustellen. Man weiß heute, dass es Reibungen von Quecksilberatomen an der Glaswand sind, die diese Lichterscheinung bewirken.

Typen

Flüssigkeitsbarometer

Barometer aus dem 19. Jahrhundert

Flüssigkeitsbarometer bestehen aus einem mit einer Flüssigkeit gefüllten, senkrechten Rohr, das am oberen Ende luftdicht verschlossen ist. Das untere Ende taucht in ein Vorratsgefäß, das ebenfalls die jeweilige Flüssigkeit enthält. Durch ihr Eigengewicht fließt die Flüssigkeit aus dem Rohr, wobei am oberen Ende ein Unterdruck entsteht. Der Luftdruck wirkt dem entgegen, so dass die Flüssigkeitssäule bei einer bestimmten Höhe zur Ruhe kommt.

Quecksilberbarometer

Am häufigsten wird hierbei Quecksilber als Flüssigkeit genutzt, wobei man in diesem Fall von einem Quecksilberbarometer spricht. Bei Normalbedingungen erreicht Quecksilber eine Höhe von 760 mm, sodass für genaue Ergebnisse der abgelesene Wert rechnerisch auf die Standardbedingungen korrigiert werden muss, wobei es zu beachten gilt, dass sich Quecksilber und Glasrohr bei einer Temperaturerhöhung ausdehnen:

$p = p_a \cdot (1 - 0,000182 \cdot T)$

• p - tatsächlicher Druck
• p_a - abgelesener Druck
• T - Raumtemperatur in °C
• Ausdehnungskoeffizient von Quecksilber: 0,000182
• für genaue Messungen sind noch die geographische Breite und die Höhe zu berücksichtigen
• Relative Höhenunterschiede in Reservoirbecken und Rohr, durch deren unterschiedliche Querschnitte, werden durch eine Ableseskala mit „reduzierter Teilung“ berücksichtigt.

Quecksilber wird verwendet, weil durch sein hohes spezifisches Gewicht das Rohr kurz gehalten werden kann. Zum Vergleich müsste das Rohr bei Wasser etwa 10 Meter lang sein. Zum anderen verdunstet nur sehr wenig Quecksilber, trotz des Vakuums am oberen Ende des Rohres.

Das erste Quecksilberbarometer wurde 1643 von Evangelista Torricelli erfunden. Er beobachtete, dass sich die Höhe der Quecksilbersäule täglich veränderte und schloss daraus, dass sich auch der Luftdruck entsprechend ändert. Nach ihm wurde eine Einheit zur Messung des Luftdrucks (1 Torr = 1 mm Hg, entspricht ca. 133,32 Pa) benannt.

Goethe-Barometer

Allgemeines

Das Prinzip eines Flüssigkeitsbarometers wird auch in leicht abgewandelter Form bei einem so genannten Goethe-Barometer genutzt, welches man auch als Goethe-Glas, Goethe-Wetterglas, Donnerglas oder Wetterglas bezeichnet. Hierbei handelt es sich um ein mit einer Flüssigkeit gefülltes, meist dekoratives Gefäß, welches an der Unterseite einen nach oben gestülpten und zur Atmosphäre hin offenen Schnabelhals besitzt, während das Hauptgefäß selbst gegenüber dem Luftdruck abgeschlossen ist. Bei niedrigem Luftdruck steigt daher der Flüssigkeitspegel im Schnabelhals und sinkt dementsprechend bei hohem Luftdruck. Zwar hatte Goethe ein solches Barometer in seinem Besitz, jedoch war er nicht der Erfinder dieses Barometertyps, wobei jedoch unklar ist, wann und von wem es tatsächlich entwickelt wurde.

Luftdruckmessungen mit dem Goethe-Barometer

Messungen des absoluten Luftdrucks sind mit dem Goethe-Barometer nicht möglich, jedoch können Luftdruckänderungen gemessen werden, die innerhalb einiger Tage auftreten. Da die eingeschlossene Luft auch bei Temperaturänderungen ihr Volumen ändert, muss dazu die Änderung der Umgebungstemperatur im Beobachtungszeitraum gemessen werden. Außerdem müssen noch die Querschnittsfläche A des Schnabels und das Volumen V₀ der eingeschlossenen Luftmenge bestimmt werden. Die eingetretene Luftdruckänderung Δp lässt sich dann aus der eingetretenen Höhenänderung Δh des Flüssigkeitspegels mit folgender Näherungsformel berechnen (Wasser als Flüssigkeit):

$\Delta p=\left( \frac{1+\frac{\Delta T}{300}}{1+\frac{A}{V_0}\cdot\Delta h}-1 \right) \cdot 1000-\Delta h$

Hier werden nur die Maßzahlen der physikalischen Größen eingesetzt, die sich bei Verwendung der Einheiten gemäß der folgenden Tabelle ergeben:

	Bedeutung	Einheit für Formel	typische Werte
ΔT	Temperaturänderung seit Beginn der Messung	Grad Celsius	-5 bis +5
A	Querschnittsfläche des Schnabels	cm²	0,6
V0	Volumen der eingeschlossenen Luft	cm³	100
Δh	Änderung der Höhe der Wassersäule im Schnabel seit Beginn der Messung	cm	-5 bis +5
Δp	Luftdruckänderung seit Beginn der Messung	hPa	-20 bis +20

Dosenbarometer

Dosenbarometer

Bei Dosenbarometern, auch Aneroid-Barometern (griech.: a neros = nicht flüssig), wird ein dosenartiger Hohlkörper aus dünnem Blech durch den Luftdruck verformt. In der Dose herrscht ein Restdruck von etwa 5mb (5hPa, 500Pa), der die Änderung des Elastizitätsmoduls des Blechs durch die Temperatur kompensiert. Ein derartiger Hohlkörper wird nach seinem Erfinder Lucien Vidie (1805-1866) auch Vidie-Dose genannt. Bessere Barometer oder Barographen benutzen einen Stapel von bis zu acht derartiger „Dosen“ übereinander, um die Empfindlichkeit der Messung zu erhöhen. Über eine Mechanik wird diese Verformung, bei steigendem Luftdruck eine Verdichtung und bei sinkendem Luftdruck eine Ausdehnung, auf einen Zeiger übertragen.

Ein Problem hierbei ist die Temperaturempfindlichkeit eines solchen Systems. Die Bestandteile der Dose selbst zeigen eine thermische Volumenausdehnung und für ihren Bau werden daher spezielle Legierungen verwendet, bei denen mehrere Komponenten sich nach ihrem Temperaturverhalten her gegenseitig kompensieren und auf diese Weise den störenden Effekt einer Wärmeausdehnung reduzieren, wobei es jedoch trotzdem temperaturbedingte Messfehler gibt. Druckmikrofon und Höhenmesser arbeitet ebenfalls nach diesem Prinzip.

(Vidiedosen kommen in der Luftfahrt auch beim Höhenmesser, Variometer und Fahrtmesser zum Einsatz.)  

Röhrenbarometer

Beim Röhrenbarometer oder Bourdonfeder wird der Umstand, dass bei einem gebogenem Rohr die Außenseite eine größere Fläche aufweist als die Innenseite, und dass damit bei steigendem Druck die Kraftwirkung nach außen größer ist, genutzt. Die Verformung in Abhängigkeit vom Druck wird auf einen Zeiger übertragen.

Sturmglasbarometer

siehe Hauptartikel: Sturmglas

Das Sturmglasbarometer, auch Fitzroy-Sturmglas, benannt nach Admiral Robert FitzRoy, Gründer der meteorologischen Abteilung des Britischen Handelsministeriums, welcher aber nicht Erfinder des Gerätes ist, funktioniert auf gänzlich anderer Grundlage. Eine alkoholische Lösung von Campher reagiert mit Kristallbildung auf Wetteränderungen. Eine klare Lösung steht hierbei für „gutes Wetter“ (hoher Luftdruck) und eine trübe Flüssigkeit signalisiert „schlechtes Wetter“ (niedriger Luftdruck). Die genaue Funktionsweise ist nicht schlüssig geklärt. Da das Glas üblicherweise fest verschlossen ist, scheidet eine direkte Wechselwirkung mit dem Luftdruck aus. Vermutet wird hingegen, daß magnetische Felder und atmosphärische Elektrizität das Kristallwachstum beeinflussen.

Anwendungen

Barometer werden meist in der Meteorologie verwendet und gehören hier als Standardinstrument zu nahezu jeder Wetterstation. Da der Luftdruck mit der Höhe abnimmt, dienen sie auch als Höhenmesser (Altimeter) in Flugzeugen. Wird nicht der Luftdruck der Erdatmosphäre, sondern ein künstlich erzeugter Über- oder Unterdruck gemessen, so spricht man von einem Manometer. Ein weiteres verwandtes Gerät ist das Variometer, das über die Veränderung des Luftdruckes eine Höhenänderung anzeigt (siehe auch Hypsobarometer, Höhenschreiber und Luftdruckmessung in der Luftfahrt). Der Verlauf einer Luftdruckänderung wird mit Barographen aufgezeichnet.

Oft werden Barometer, meist minderer Qualität, in den mittleren Breitengraden als „Wetteranzeigen“ verwendet, da sich Luftdruckänderungen und „schlechtes“ bzw. „gutes“ Wetter hier gegenseitig teilweise bedingen. Grund hierfür ist, dass der Frontendurchzug dynamischer Tiefdruckgebiete eine typische Luftdruckänderung zur Folge hat. Ein steigender Luftdruck wird dabei als Anzeichen für gutes Wetter und ein fallender Luftdruck als Anzeichen für schlechtes Wetter interpretiert. Da diese Tendenzen jedoch nur in bestimmten Fällen meteorologisch zu rechtfertigen sind und auch Schlechtwetterereignisse mit einem steigenden Luftdruck einher gehen können, stellen diese nur eine sehr grobe Wettervorhersage dar.

In Kombination mit anderen Messgeräten finden Barometer in Aerographen und allgemein Wetterstationen Verwendung.

Zu Lehrzwecken ist am Meteorologischen Institut der Ludwig-Maximilians Universität München ein 10 m hohes Wasserbarometer aufgebaut. Hier kann auch der Einfluss des Dampfdruckes in dem Raum über der Wassersäule gezeigt werden.

Eine sehr interessante Anwendung des Dosenaneroids besteht in der selbsttätigen Kompensation der Einflüsse des schwankenden Luftdrucks auf Präzisionspendeluhren. Professor Wanach schlug im 19. Jahrhundert erstmals die Anwendung eines Dosenbarometers an Pendelstäben vor. Die Anordnung der sogenannten Aneroiddosenkompensation besteht aus mehreren in Serie geschalteten Dosen, die mit einem Auflagegewicht belastet sind. Das Gewicht wird von den Dosen in Abhängigkeit vom Luftdruck längs des Pendelstabs bewegt und ändert so das Trägheitsmoment des Pendels. Noch heute werden mit genau berechneten Luftdruckkompensationsinstrumenten bei Präzisionspendeluhren hervorragende Ergebnisse erzielt.

Siehe auch: Barometer-Frage

Im übertragenen Sinn

Aufgrund seiner Verwendung zur Wettervorhersage werden auch andere Prognoseinstrumente umgangssprachlich als „Barometer“ bezeichnet. So spricht man von Börsenbarometern (zur Vorhersage von Aktienkursen), Wahlbarometern (zur Vorhersage der Stimmabgabe), etc.

Weblinks

• Das Barometer World Museum mit über 100 historischen Barometern in Merton, Devon
• Die Freunde der alten Wetterinstrumente
• Eine Sammlung von Wettergläsern auch Goethebarometer genannt; dazu weiter Erläuterungen zur Geschichte des Wetterglases
• Grundlagen zur Luftdruckmessung mit dem Goethe-Barometer unter Berücksichtigung von Temperaturänderungen
• Gehler, J. S. T. Physicalisches Wörterbuch