Projektergebnisse unserer „Experimente am Rande des Weltraums – Flug eines Wetterballon“
Das Projekt ist hier beschrieben.
Der Start fand statt am Di. 05.07.2022 um 11:00’54 Uhr (MEZ Sommerzeit) statt. Das entspricht 09:00’54 Uhr (UTC). Der Ballon platzte um 12:52’22 Uhr (MEZ), bzw. 10:52’22 Uhr (UTC). Die Landung erfolgte um 13:37’24 Uhr (MEZ), also um 11:37’24 Uhr (UTC).
Die maximale aufgezeichnete Höhe beim Platzen des Ballons betrug 31894,5 Meter.
Folgende Steig- und Sinkraten wurden erreicht: Empor ging es mit maximal 20,79 km/h (11,55 m/s). Im Mittel betrug die Steigrate 4,76 m/s. Direkt nach dem Platzen des Ballon erreichte die Sonde eine Fallgeschwindigkeit (d.h. eine negative Steigrate) von 82,35 km/h (45,75 m/s).
Trägt man die Steig- und Sinkraten als Funktion der Höhe auf, gelangt man zu folgender Darstellung. Wieso nimmt die Sinkrate (negativer Zahlenbereich) mit abnehmender Höhe ab?
Trägt man die Positionsdaten als Funktion der Zeit auf, gelangt man zu folgenden Darstellungen:
Trägt man auf der x-Achse die Longituden auf und auf der y-Achse die Latituden, erhält man die Flugbahn, die der aufgezeichnete Flugbahn von findmespot.com entspricht.
Trägt man die Positionsdaten (Longituden und Latituden) als Funktion der Flughöhe ein, gelangt man zu folgenden Ansichten:
Im nächsten Diagramm werden die Richtungsänderungen als Funktion der Höhe dargestellt. Longitude (rot), Latitude (blau). Zwischen 12.000 und 15.000m wird ein Wendepunkt erreicht. Der Wind ändert seine Richtung. Vermutlich gelangten wir hier in einen Jetstream. Das entspricht der Flugstrecke Duderstadt bis Göttingen.
Mit verschiedenen Temperatursensoren maßen wir Temperaturen an verschiedenen Punkten in und außerhalb der Sonde. Hier zwei Resultate des Sensors, der auf der Sensorbaugruppe von Stratoflights,com untergebracht war. Einmal die Temperatur als Funktion der Zeit und dann als Funktion der Höhe. Die Sonne schien direkt auf den Sensor. Daher der Bereich max. 50° bis min -22°. Bei etwa 5000m Höhe gelangten wir unterhalb des Gefrierpunkts. Zwischen 9000 und 12000m erhielten wir die niedrigsten Temperaturen.
Mit zwei weiteren Sensoren KTY11-6 maßen wir die Temperatur an verschiedenen Punkten außerhalb der Sonde. Dargestellt ist die Temperatur als Funktion der Zeit und als Funktion der Höhe. Bei 10561 Metern erhielten wir die niedrigste Temperatur von -38,9° C.
Besonders interessant sind die Ergebnisse des Luftdrucks. Dargestellt als Funktion der Zeit und der Höhe und im 3. Diagramm auf einer logarithmischen Skala, um die „kleinen“ Werte noch darstellen zu können.
Mit Luftdruck wird der von der Masse der Luft unter der Wirkung der Erdanziehung ausgeübte Druck bezeichnet. Er ist definiert als das Gewicht der Luftsäule pro Flächeneinheit vom Erdboden bis zur äußeren Grenze der Atmosphäre Quelle. Die Standard-Maßeinheit für den Luftdruck ist Hektopascal (hPa). 1 hPa entspricht dabei 1 mbar, einer der früher verwendeten Einheiten für den Luftdruck. Es gilt: 1 hPa = 100 Pa = 100 N / qm = 100 kg / (m qs) (mit: qm= Meter zum Quadrat und qs= Sekunde zum Quadrat) Der Luftdruck nimmt in den unteren Luftschichten der Atmosphäre rasch mit zunehmender Höhe ab und erreicht über Mitteleuropa etwa 5.500 m über NN (Meeresspiegelhöhe) die 500 hPa-Schwelle. Mit weiter zunehmender Höhe verlangsamt sich die Druckabnahme immer mehr. Diese Verlangsamung wird deutlich, wenn man den vertikalen Luftdruck-Gradienten in Bodennähe (1h Pa pro 8,4 m Höhenunterschied) mit dem entsprechenden Gradienten in 5.600 m Höhe (1h Pa pro 14,7 m Höhenunterschied) vergleicht. Wegen der Höhenabhängigkeit des Luftdrucks können nur diejenigen Druckwerte zusammen kartenmäßig dargestellt werden, welche sich auf das gleiche Referenzniveau (z.B. auf die Meeresspiegelhöhe NN) beziehen (Bodenluftdruckkarten). Für Kartierungen der Luftdruckverhältnisse in einer bestimmten Höhe über NN wird das Geopotenzial verwendet. Aus den Isobaren der Boden-Luftdruckkarten werden so in den Höhen-(Luftdruck)-Karten die Isohypsen (Linien gleicher geopotenzieller Höhe) für ein bestimmtes Luftdruckniveau (z.B. Höhe der 500 hPa-Fläche). Der mittlere Luftdruck beträgt in Meereshöhe 1013.25 hPa. Laut Standardatmosphäre verringert er sich bis in 5,6 km Höhe auf 500 hPa (etwa die Hälfte des Bodenwertes) und in 31 km Höhe auf 10 hPa (etwa ein Hundertstel des Bodenwertes).
In den nächsten Diagrammen ist die Luftfeuchtigkeit dargestellt (als Funktion der Zeit und der Höhe). Warum verhält sich die Luftfeuchtigkeit so „seltsam“?
Die Fortbewegungsgeschwindigkeit über Grund (Groundspeed) in km/h ist in den nächsten beiden Diagrammen dargestellt. Stellenweise bewegten wir uns mit bis zu 90 km/h über Grund.
Nachfolgend ist der UV-Index dargestellt. Welcher Wissensgewinn lässt sich den Daten entnehmen?
Die folgenden Bilder zeigen die Spannung der Versorgungsbatterie. Lässt sich von der Umgebungstemperatur auf die Entladungsgeschwindigkeit schließen?
Resultate des Kohlendioxid (CO2) Sensors. Welche Erkenntnisse lassen sich aus den Daten gewinnen?
Resultate des Ozon (O3) Sensors. Welche Erkenntnisse lassen sich aus den Daten gewinnen?
Werte unseres 1. Beschleunigungssensors GY521 und des 2. Beschleunigungssensors sowie unseres 1. Gyroskops. Erkenntnisse lassen sich aus den Daten gewinnen, wenn man sehr kleine ausgewählte Zeitbereiche analysiert.
Im Folgenden: Werte unseres Beschleunigungssensors GY271. Auf der y-Achse sind die räumlichen Gradzahlen eines Kreises dargestellt. Erkenntnisse lassen sich aus den Daten gewinnen, wenn man wieder sehr kleine ausgewählte Zeitbereiche analysiert.
Zunächst drei Graphen für die 3 Achsen x, y und z im Bereich 12:07 Uhr bis 13:33 Uhr). Man erkennt im 2. Graphen bereits die nadelförmigen Peaks beim Platzen und bei der Landung. Der 4. Graph (Ausschnitt 12:07 – 13:33 Uhr MEZ) und 5. Graph (Ausschnitt 12:43 – 12:57 Uhr MEZ) berechnet aus den Beschleunigungswerte die jeweilige Himmelsrichtung. Man erkennt die permanente Drehbewegung der Sonde.
Wir nahmen weiterhin Daten von zwei Kameras und weiteren Sensoren auf, z.B. von weiteren Beschleunigungs- und Richtungssensoren (elektr. Kompassmodul) und von einer Lausprecher-Mikrofon-Anordnung sowie von den Mikrofonen der beiden Videokameras. Wir wollten untersuchen, ob sich der Schall im Weltall weniger gut ausbreitet, wie am Erdboden. Diese Daten, wie auch einige der oben bereits abgebildeten Daten, müssen allerdings noch interpretiert werden. Viele sich stellende Fragen sind noch offen. So konnte man das alle 2 Sekunden abgegebene Beep-Geräusch unseres Piezo-Lautsprechers im Mikrofon der Videokameras ab einer gewissen Höhe nicht mehr wahrnehmen. Die nachfolgenden Lautstärkedaten suggerieren aber, dass die Schallübertragung in 30000 m Höhe ähnlich stark ist wie am Erdboden, sie aber in 12000m Höhe sogar noch „besser“ ist. Faktoren wie Luftdichte, Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Windgeschwindigkeit und -stärke, Beschaffenheit des Lautsprechers und der Mikrofone etc. müssen sicherlich noch berücksichtigt werden.
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