Temperatur

Was ist Temperatur?

Die Temperatur ist eine physikalische Grösse, welche Wärme und Kälte beschreibt. Sie ist das proportionale Mass der durchschnittlichen kinetischen Energie einer Masse. 
Zur Messung der Temperatur werden Thermometer verwendet. Diese können auf eine von drei Skalen genormt sein:

-       die Fahrenheit-Skala (°F), welche vor allem in den USA sehr beliebt ist

-       die Celsius-Skala (°C), welche am häufigsten verwendet wird

-       die Kelvin-Skala (K), welche SI-Einheit für Temperatur darstellt.

Die Kelvin und die Celsius-Skala haben die exakt selben Intervalle für eine Temperaturdifferenz von 1° , sie unterscheiden sich nur durch ihren Nullpunkt.

In der Meteorologie wird Temperatur in Lufttemperatur, Oberflächentemperatur, Bodentemperatur, Wassertemperatur und Temperatur in der Höhe differenziert. In der Meteorologie wird in der Regel die Lufttemperatur betrachtet, so beziehen sich alle weiteren Angaben auf diese Umgebungstemperatur, werden im Folgenden aber nur kurz mit Temperatur bezeichnet. Oft werden Tages- oder Nachttemperaturen angegeben um das Wetter eines Tages zu beschreiben.

Zusätzlich zu beachten ist, dass Temperatur stark höhenabhängig ist. Dies bedeutet, dass sich die Luft bei 100m Anstieg um ca. 1°C abkühlt. Deswegen ist es wichtig zu wissen auf welcher Geländehöhe die Messstation ist und in welcher Höhe der Temperatursensor befestigt ist, damit man die Höhen- und damit auch die Temperaturdifferenz zu andern Sensoren oder Stationen berücksichtigen kann.

Wie wird Temperatur gemessen?

Alle Thermometer machen sich verschiedene physikalische Eigenschaften von Stoffen, welche sich mit Veränderung der Temperatur ändern, zu Nutzen. Dies kann zum Beispiel die Volumenzunahme einer Flüssigkeit, der elektrische Widerstand eines Metalls oder die Volumenveränderung eines Metalls sein. 

Gemäss WMO (World Meteorological Organisation) werden in Wetterstationen zur Messung der Lufttemperatur am häufigsten Geräte mit elektrischem Widerstand verwendet. Gemessen wird die Temperatur im Intervall von einigen Sekunden, aus welchen dann ein 5-minütiges Mittel gebildet wird. Zur vollen Stunde werden dann diese 5-Minuten-Mittel zu einem Stundenmittel aggregiert. Bei nicht automatisierten - meist privaten - Stationen kann das Messintervall jedoch auch eine Stunde oder gar einen Tag betragen. 

Wie muss ein Thermometer einer Wetterstation aufgestellt werden?

Abbildung 1: Wetterstation Cham

Ein Thermometer zur Messung der Lufttemperatur muss nach WMO-Standard auf einem ebenen Untergrund (im Optimalfall kurz geschnittenes Gras) und zwei Meter über dem Boden platziert sein. Dabei muss die Messumgebung direkt von der Sonne beschienen werden können und es dürfen keine grösseren Hindernisse (Bäume, Gebäude), welche die Zirkulation der Luft beeinflussen in der Nähe sein. Damit die Messung auch wirklich die Temperatur der Luft misst, muss das Thermometer in einer gut ventilierten, weissen Schutzbox sein. Dieser Schutz dient dazu, dass keine direkte Strahlung auf das Messgerät treffen kann und dieses so mehr erhitzt als die Umgebungsluft. Die Ventilation kann entweder natürlich mit Hilfe von Lamellen oder künstlich mit Hilfe von Ventilatoren gewährleistet werden. Um die Temperatur in unterschiedlichen Höhen zu messen werden Messmasten bis etwa 300m Höhe verwendet. Für Messungen oberhalb dieser 300m kommen Wetterballons zum Einsatz.

Welche Messgeräte werden zur Messung der Lufttemperatur verwendet?

Nationale Wetterdienste (z.B. MeteoSchweiz) verwenden eines von zwei verschiedenen Geräten um die Temperatur zu messen:

Abbildung 2: Schützende weisse Hülle eines Temperatursensors

-       Ein Instrument mit einem Kupfer-Konstantan-Thermoelement

-       Ein Instrument mit einem Platin-Widerstands-Thermometer (PT100)

Das Messgerät mit dem PT100-Sensor ist dabei das neuere der zwei verwendeten und verdrängt langsam das Kupfer-Konstantan-Thermoelement. 

Die Messungen beider Geräte basieren auf der Veränderung der Leitfähigkeit eines Metalls bei Temperaturzunahme, bzw. -abnahme und können daher schon kleinste Veränderungen der Temperatur registrieren. Die Ausgabe erfolgt dann über eine Umwandlung per Computer und geschieht automatisiert.

Welche anderen Messmethoden gibt es?

Abbildung 3: Präzisions Quecksilber-Thermometer

Die Sensoren, welche in jedem digitalen Hausthermometer vorkommen, basieren auf derselben Technik wie die Profigeräte, jedoch mit viel günstigeren Materialien. Es wird ein leitender Stoff verwendet, dessen Widerstand temperaturabhängig ist.

Die klassischen altmodischen Thermometer verwenden Quecksilber, welches - dank seiner geringen Wärmekapazität - schon bei geringen Temperaturveränderungen sein Volumen vergrössern oder verkleinern kann. Diese Thermometer können jedoch nicht automatisiert werden und die Genauigkeit hängt stark vom Beobachter ab.

Eine weitere veraltete Methode der Temperaturbestimmung ist die Bimetall-Methode. Dabei werden zwei Metallplatten mit unterschiedlicher Wärmekapazität zusammengeheftet. Bei Erwärmung verformen sich die Platten unterschiedlich und man kann durch die Differenz der Platten den Temperaturunterschied errechnen.

Schwierigkeiten der Temperaturmessung

Die grössten Messfehler basieren auf der falschen Installation der Instrumente. Werden die Messgeräte zu nahe am Boden festgemacht messen sie nicht nur die Lufttemperatur, sondern auch die Wärme, welche von der Erde abgestrahlt wird. Wenn ein Messgerät direkt von der Sonne bestrahlt wird, fallen die Messungen dieses Geräts viel zu hoch aus. Dass die Ventilation stets gewährleistet ist, darf ebenfalls nicht vernachlässigt werden, denn stehende Luft erwärmt sich um einiges schneller als bewegte. Herrscht also in der Box des Messinstruments völlige Windstille, sind die Messwerte bei solarer Einstrahlung ebenfalls stets zu hoch. 

Wird der Temperatursensor über einer Teer- oder Asphaltfläche installiert, werden die Messergebnisse ebenfalls verfälscht, da diese Oberflächen sich (im Gegensatz zu Gras) durch solare Strahlung extrem aufheizen. Für einheitliche und somit vergleichbare Messergebnisse ist es daher unerlässlich die Regeln der WMO zu befolgen. 

Wie viele Messstationen gibt es?

In der Schweiz gibt es 154 offizielle Messstationen von MeteoSchweiz, welche die Lufttemperatur messen. Dies reicht jedoch nicht für ein flächendeckendes Messnetz, welches die Schweiz repräsentieren könnte, da es in der Schweiz grosse Höhendifferenzen gibt und die Temperatur sich mit der Höhe stark ändert.

Daher benutzt meteoblue auch zahlreiche private Messstationen, welche evaluiert und auf Vollständigkeit der Daten geprüft werden, um Dienste wie Nowcast oder die Wetterkarten detaillierter anzubieten. Bei diesen Messstationen kann es jedoch zu Fehlerwerten kommen, da diese nicht unbedingt den WMO-Standards entsprechen, weshalb alle Messungen einer automatisierten Qualitätskontrolle unterzogen werden, bevor Sie für Prognoseoptimierung oder andere Zwecke verwendet werden.

Abbildung 4: Weltweite Verteilung der WMO-Wetterstationen

Laut Angaben der NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) gibt es aktuell über 14'000 aktive Wetterstationen, welche täglich aktualisiert werden und alle WMO Standards erfüllen. Die meisten davon befinden sich in den USA und Europa. meteoblue nutzt ca. 70'000 Wetterstationen weltweit, wobei neben den WMO Stationen auch andere öffentliche und private Messnetze genutzt werden. Es gibt insgesamt weit über 100'000 private Wetterstationen, welche Wetterdaten messen und aufzeichnen. Betrachtet man alle Temperatursensoren, welche in Autos, Smartphones und anderen elektronischen Geräten verbaut sind, sind mehrere Millionen Temperatursensoren im Umlauf, mit stark steigender Tendenz.