\section{Einführung}\label{C:sec:Einfuehrung}
Um Daten über den vertikalen Zustand der Atmosphäre zu gewinnen werden Messgeräte mit Wetterballons und Drachen in die Höhe befördert. Ballonmessungen eignen sich dazu einen grossen Höhenbereich zu sondieren, wogegen Messungen, bei denen die Radiosonde an einem Drachen befestigt wird, dazu geeignet sind, den Bereich der planetaren Grenzschicht über einen längeren Zeitraum zu beobachten. Die gemessenen Daten werden mittels Funk an eine Bodenstation übermittelt, die die empfangenen Daten parallel auswertet und graphisch darzustellen vermag.

Die Grössen, welche gemessen werden, sind die Temperatur der Atmosphäre, der Luftdruck und die Feuchtigkeit. Daraus lässt sich anschliessend zusätzlich die Taupunkttemperatur berechnen.

\section{Ausrüstung}\label{C:sec:Ausruestung} %Equipment

\subsection{Wetterballon}\label{C:subsec:Wetterballon}

Der Wetterballon ist ein grosser Ballon, der mit Wasserstoff befüllt wird (Abbildung~\ref{C:abb:BalloonmitSonde}). Er besteht aus einer sehr dehnbaren, dünnen Gummihaut, welche beim Aufstieg in der Atmosphäre und der damit verbundenen Abnahme der Dichte der Luft auf einen Durchmesser von bis zu 10\,m anwachsen kann. Beim Befüllen des Ballons ist es notwendig, Latexhandschuhe zu tragen, um die empfindliche Hülle nicht zu beschädigen. Fett, das an den Händen haftet, greift den Gummi der Ballonhaut an und verursacht minimale Beschädigungen, die in grosser Höhe und gespannter Haut zu einem frühzeitigen Platzen des Ballons führen könnten. Die maximale Höhe, die mit einem standard Wetterballon erreicht werden kann, beträgt ca. 30\,km. Man verwendet einen Wetterballon als Transportmittel für die Radiosonde, um ein vertikales Profil der Temperatur, Druck und Feuchtigkeit der Atmosphäre zu messen.

\begin{figure}
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		\includegraphics[width=0.8\textwidth]{../C_upper_air_boundary_layer/bilder/BalloonmitSonde}
		\caption{Mit Wasserstoff befüllter Wetterballon. Die Ballonhülle ist so empfindlich, dass sie nur mit Latexhandschuhen angefasst werden sollte, um eine Beschädigung der Haut und damit ein frühzeitiges Platzen des Ballons zu verhindern.}\label{C:abb:BalloonmitSonde}
\end{figure}

\subsection{Drachen}
\label{C:subsec:Drachen}
Der Drachen besteht aus einem speziell leichten Stoff und ist ohne zusätzliche Stangen stabil (Abbildung~\ref{C:abb:Kite2}).

\begin{figure}
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		\includegraphics[width=0.6\textwidth]{../C_upper_air_boundary_layer/bilder/Kite2}
		\caption{Drachen in der Luft}\label{C:abb:Kite2}
\end{figure}

Da man mit dem Drachen in der Grenzschicht (boundary layer) Messungen durchführen will, ist er über eine Schnur an einer Winde (Abbildung~\ref{C:abb:Aufhaengung1}) festgemacht. Mit der Winde kann die Höhe der Messung eingestellt werden. Für die im Praktikum durchgeführte Messung wurde die Winde jedoch nicht benutzt und der Drachen mit einer festen Schnurlänge fliegen gelassen. Man macht mehrere Auf- und Abstiege um die Veränderung der Verhältnisse in Bodennähe über eine gewisse Zeit zu erfassen.
 
\begin{figure}
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		\includegraphics[width=0.4\textwidth]{../C_upper_air_boundary_layer/bilder/Aufhaengung1}
		\caption{Winde an dem der Drachen festgemacht ist. Mit der Schnurlänge lässt sich die Höhe des Drachens regulieren.}\label{C:abb:Aufhaengung1}
\end{figure}

\subsection{Radiosonde}\label{C:subsec:Radiosonde}
Die Radiosonde (Abbildung~\ref{C:abb:mark2}) ist bestückt mit Sensoren für die Messung des Drucks, der Umgebungstemperatur und der relativen Feuchtigkeit. Die von den Sensoren gewonnenen Daten werden permanent an eine Bodenstation gefunkt, die diese auswertet. Die Sonde ist mit einem weissen Styroporgehäuse umgeben, welches die Sensoren vor direkter Sonnenstrahlung und Niederschlag schützt. Von aussen erkennt man nur die Antenne. Die Radiosonde wird von einer Batterie mit Strom versorgt.

\begin{figure}
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		\includegraphics[width=0.4\textwidth]{../C_upper_air_boundary_layer/bilder/mark2}
		\caption{Radiosonde Mark II}\label{C:abb:mark2}
\end{figure}

\subsection{Bodenstation}\label{C:subsec:Bodenstation}
Die Bodenstation besteht aus einer Antenne, um das Radiosignal der Sonde zu verfolgen und das Signal zu empfangen, einem Radio, um die Frequenz nachzuführen und einem Computer, der das Radiosignal verarbeitet und die gewonnenen Daten auswertet.

\section{Messresultate}\label{C:sec:Messresultate}
Im Folgenden sind die gemessenen Werte der Umgebungstemperatur und der Taupunkttemperatur in Abhängigkeit des Drucks als Vertikalkoordinate dargestellt. Die Messungen wurden am Dienstagnachmittag, dem 26. Juli, durchgeführt. Die Wetterverhältnisse waren bewölkt mit vereinzelten Aufhellungen und starkem Wind (bis zu 30 ms$^{-1}$).

\subsection{Ballon Sounding}\label{C:subsec:Ballon Sounding}
Der mit Wasserstoffgas befüllte Wetterballon hat eine Aufstiegsgeschwindigkeit von ca. 5\,ms$^{-1}$.

Der erste Aufstieg (Abbildung~\ref{C:abb:Balloonhighinsky}) zeigt bei einem Druck von 825\,hPa eine Annäherung der Umgebungstemperatur an die Taupunkttemperatur. 825\,hPa entsprechen etwa einer Höhe von 800\,m über dem Boden. Hier flog der Wetterballon in die Wolken hinein. Die Luft ist mit Wasserdampf gesättigt.

\begin{figure}
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		\includegraphics[width=0.8\textwidth]{../C_upper_air_boundary_layer/bilder/Balloonhighinsky}
		\caption{Wetterballon beim Aufstieg in der Atmosphäre bevor er die Wolken erreicht.}
	\label{C:abb:Balloonhighinsky}
\end{figure}

In der planetaren Grenzschicht herrschten turbulente Verhältnisse, so dass der Wetterballon kurzzeitig an Höhe verlor.

Der Temperaturgradient beträgt etwa -8.5$^\circ$C/100\,m, was einer stabilen Schichtung entspricht.

Nachdem bei einem Druck von 650\,hPa ein abrupter Temperaturabfall von 5$^\circ$C registriert wurde, blieb die Temperatur mit zunehmender Höhe annähernd bei -10$^\circ$C konstant. In einer Höhe von ca. 5\,km brach die Verbindung zur Radiosonde ab (Abbildung~\ref{C:abb:1SoundingNachmittag}).
  
\begin{figure}
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		\includegraphics[width=1\textwidth]{../C_upper_air_boundary_layer/bilder/1SoundingNachmittag}
		\caption{Erster Wetterballonaufstieg am Nachmittag. Das Signal der Radiosonde konnte bis in eine Höhe von 5\,km empfangen werden. Dann brach die Verbindung ab.}\label{C:abb:1SoundingNachmittag}
\end{figure}

Im Vergleich zu einem Aufstieg der anderen Gruppe am Morgen (Abbildung~\ref{C:abb:SoundingGr1}) zeigt sich eine tiefere Wolkendecke und eine minim höhere Temperatur. Der Temperaturgradient ist in etwa derselbe. Die Schichtung ist stabil.

\begin{figure}
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		\includegraphics[width=1\textwidth]{../C_upper_air_boundary_layer/bilder/SoundingGr1}
		\caption{Sounding vom Morgen bis in eine Höhe von 10\,km, wobei über einen grossen Bereich keine Daten vorhanden sind.}\label{C:abb:SoundingGr1}
\end{figure}

Der zweite Aufstieg am Nachmittag zeigt, neben den bereits in der ersten Messung und der im Aufstieg am Morgen beobachteten stabilen Schichtung und der Wolkenschicht, zwischen 700\,hPa und 600\,hPa eine beinahe isotherme Schicht mit einem markanten Abfall der Feuchte. Die Tropopause wurde mit der Messung nicht erreicht (Abbildung~\ref{C:abb:2SoundingNachmittag}).

\begin{figure}
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		\includegraphics[width=1\textwidth]{../C_upper_air_boundary_layer/bilder/2SoundingNachmittag}
		\caption{Zweiter Aufstieg am Nachmittag bis in eine Höhe von 10\,km.}\label{C:abb:2SoundingNachmittag}
\end{figure}

In der Höhe von 650\,hPa befindet sich eine trockene Luftschicht. Die Temperatur weist jedoch keine Veränderung auf (Abbildung~\ref{C:abb:2Soundingrh}).

\begin{figure}
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		\includegraphics[width=1\textwidth]{../C_upper_air_boundary_layer/bilder/2Soundingrh}
		\caption{Relative Feuchte und Temperaturprofil der zweiten Sondierung am Nachmittag. Auffallend ist die isotherme Schicht mit einem starken Knick im Feuchteprofil zwischen 700\,hPa und 600\,hPa.}\label{C:abb:2Soundingrh}
\end{figure}


\subsection{Drachen Sounding der boundary layer}\label{C:subsec:Drachen Sounding der boundary layer}
Die turbulenten Windverhältnisse liessen eine systematische Messung, bei der die Grenzschicht mehrmals durchmessen wird, nicht zu. Der Drachen bewegte sich frei im Wind und wurde oft beinahe auf den Boden gedrückt. Er konnte aber mit vereinten Kräften immer in der Luft gehalten werden.

Der Drachen flog zwischen dem Boden und einer maximalen Höhe von ca. 100\,m (Abbildung~\ref{C:abb:SoundingKite}). Der Unterschied zwischen der Taupunkttemperatur und der Umgebungstemperatur betrug im Schnitt 5$^\circ$C. Durch turbulente Durchmischung wurde immer wieder sehr feuchte Luft nach unten verfrachtet und die Luft erreichte Sättigung. Dies machte sich durch vereinzelte Nebelschwaden bemerkbar. Am Ende der Messung begann es zu regen. Der Vorteil der Drachenmessung ist, dass ein zeitlicher Verlauf der Grössen Temperatur und Feuchte registriert werden kann. 

\begin{figure}
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		\includegraphics[width=1\textwidth]{../C_upper_air_boundary_layer/bilder/SoundingKite}
		\caption{Zeitlicher Verlauf der Grössen Druck, Temperatur und relativer Feuchtigkeit in der boundary layer. Die Radiosonde wurde für diese Messung an einem Drachen befestigt.}\label{C:abb:SoundingKite}
\end{figure}

Im Vergleich der Messungen mit Hilfe des festgebundenen Drachens und dem Ballonaufstieg zeigt sich ein übereinstimmendes Temperaturprofil in der boundary layer (Abbildung~\ref{C:abb:VergleichKiteBalloon}).

\begin{figure}
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		\includegraphics[width=0.9\textwidth]{../C_upper_air_boundary_layer/bilder/VergleichKiteBalloon}
		\caption{Vergleich des gemessenen Temperaturverlaufs in der boundary layer. Der linke Verlauf wurde mittels des am Boden festgemachtem Drachen aufgenommen. Der rechts zeigt die Messwerte des frei aufsteigenden Wetterballon. Die beiden Messungen zeigen einen übereinstimmenden Temperaturverlauf.}\label{C:abb:VergleichKiteBalloon}
\end{figure}

\section{Messfehler der Radiosonde}\label{C:sec:Messfehler der Radiosonde}

Die Fehlerquellen sind einerseits die Messinstrumente selbst und andererseits die herrschenden Umwelteinflüsse wie tiefe Temperaturen oder hohe Feuchtigkeit (Übersättigung und Tropfenbildung auf den Sensoren).

Eine erste Fehlerquelle ist die Abschirmung der Radiosonde durch den Wetterballon, an dem sie mit einer Schnur befestigt ist. Da sich der Wetterballon in der Höhe stark ausdehnt, muss die Sonde in einem genügend grossen Abstand vom Ballon angebracht werden. Für die oberen Messungen wurde eine genügend lange Distanz von ca. 10m Abstand zwischen der Sonde und dem Ballon gewählt, so dass dieser Fehler vernachlässigt werden kann.

Die Sonde ist durch ihr Styroporgehäuse gegen direkte Sonnenstrahlung abgeschirmt. Trotzdem kann es zu einer Erwärmung des Materials kommen, die die Messung der Temperatur und der Feuchtigkeit verfälscht. Während Sondierungen bei Nacht ist die direkte Sonneneinstrahlung kein Problem.

Starke Turbulenz und Horizontalwinde bringen den Wetterballon auf einen Kurs, der von einem ideal, vertikalen Aufstieg erheblich abweicht. Die gemessenen Daten entsprechen daher nicht einem genauen Vertikalprofil, sondern einem diagonalen Querschnitt durch einen weiten Bereich der Atmosphäre. Dies wird für unsere Zwecke aber nicht berücksichtigt.

Die Steiggeschwindigkeit des Wetterballons beeinflusst die Messung in zweierlei Hinsicht. Einerseits ist sie bestimmend für die Auflösung der Sondierung (Anzahl Messungen pro Höhendifferenz) bei einer konstanten Messfrequenz und andererseits durch die Windströmung um die Radiosonde. Bei grosser Aufstiegsgeschwindigkeit sollte der Abstand zum Wetterballon gross sein um Windschatteneffekte vom Ballon zu verhindern. Da die Ansprechszeit der Temperatur- und Feuchtesensoren in unterschiedlichem Ausmass höhen- bzw. druckabhängig sind, werden in grosser Höhe oder tiefen Temperaturen, Werte die nicht zusammengehören übermittelt. Ist es zum Beispiel in Bodennähe sehr kalt (-30$^\circ$C), so arbeitet der Feuchtesensor mit einer Verzögerung von 20sek, wogegen der Temperatursensor eine Reaktionszeit von nur 3sek aufweist.

Die in der Sondenbeschreibung angegebenen Gerätefehler für die Messgrössen Feuchte, Temperatur und Druck stehen in Tabelle~\ref{C:tab:fehler}.
\begin{table}
\centering
\caption{Gerätefehler der Radiosonde Mark II}\label{C:tab:fehler}
\begin{tabular}{lr}
Sensor & Fehler\\
\hline
Feuchte & $\pm$ 2 $\%$\,rh\\
Temperatur & $\pm$ 0.2$^\circ$C\\
Druck & $\pm$ 0.5\,mb \\
\end{tabular}
\end{table}

Die Messungen sind also, im Rahmen dieses Praktikums, zuverlässig.

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