Museum für Meteorologie und Aerologie

Wissenschaftliche Wolkenfotografie zur Erforschung der „oberen Luftströmungen“

Fototheodolith    Eine Versammlung zahlreicher nationaler Wetterdienste beschloss im Jahr 1891 in München, während der Jahre 1896 und 1897 an möglichst vielen Stellen auf der Erde, die Wolkenhöhen sowie ihre Zugrichtung und Zuggeschwindigkeit mit Metho­den der Photogrammetrie zu erforschen. An dieser Kampagne beteiligten sich 13 Stationen weltweit. In Deutschland war es das Meteorologische Observatorium in Potsdam (MOP) auf dem Telegrafenberg, das sich in diesem Forschungsprojekt einen Namen machte. Es wurden 3 Foto-Theodolite bei der Fa. Günter in Braun­schweig bestellt, die von dem Vermessungskunde-Professor Carl Koppe speziell für dieses Forschungsprojekt entwickelt worden waren.

Das photogrammetrische Verfahren beruht darauf, dass zwei Fotoapparate, die in ei­ner genau vermessenen Entfernung voneinander aufgestellt sind, genau zur gleichen Zeit eine untereinander klar abgestimmte Wolkengegend am Himmel fotografieren. Aus dem Dreieck von Kamera 1 zu Kamera 2 und zu den Wolken lässt sich die Höhe der Wolken berechnen, wenn zusätzlich zur Entfernung zwischen den Fotoapparaten die Winkel bekannt sind, die an den Kameras abgelesen werden können.

Man ging aber noch weiter. In kurzem zeitlichem Abstand fotografierten beide Kameras noch einmal, und aus der Bewegung, die die Wolken in der Zwischenzeit gemacht hatten, konnten auch die Zugrichtung und –geschwindigkeit errechnet werden. Die Wolken sollten auf diese Weise Auskunft darüber geben, in welcher Höhe welche Winde wehten. Aber noch etwas Weiteres sollte mit dieser aerologischen Forschung erreicht werden: man wollte eine international einheitliche Bezeichnung für die verschiedenen Wolkenarten erreichen und dazu sollte die zu dieser Zeit gerade im Entstehen befind­lichen Weltorganisation für Meteorologie einen Internationalen Wolkenatlas her­ausgeben. Dieser sollte die Beobachter weltweit in die Lage versetzen, die von ei­nem anderen Beobachter beschriebenen Wolken eindeutig erkennen zu können.

Das Wettermuseum hat diese Fotodokumente gescannt, um sie auf der Internet-Plattform Museum-Digital zu veröffentlichen. Dort finden sich zurzeit die Beschrei­bungen von 17 solcher Fotodokumente. Es sollen aber weitere dazu kommen. In der Ballonhalle 2 haben wir außerdem unsere Ausstellung etwas erweitert, um auch unseren Besuchern hier im Museum etwas von diesen Schätzen zeigen zu können. Auf 2 großen Tafeln mit vielen Abbildungen beschreiben wir das Internationale Wol­kenjahr 1896/97. Außerdem zeigen wir einige Instrumente, die in der Wolkenbeob­achtung eine Rolle gespielt haben.

Hier geht es zum Auftritt des Wettermuseums auf Museum-Digital >        
Der Koppesche Fototheodolit in zwei verschiedenen Ansichten. Ganz links steht der große Kasten für die Fotoplatten am Boden.  

 

 

 
wolkenfoto  
Eines der Wolkenfotos. Dieses und 76 weitere Original-Fotodoku­mente des MOP aus den Jahren 1896/97 befinden sich heute im Archiv des Wettermuseums.
 
   

 Ausstellungstafel Wolkenjahr

Wolkenforschung in Potsdam nach dem „Internationalen Wolkenjahr 1896/97“

Der Leiter des Meteorologisch-Magnetischen Observatoriums auf dem Potsdamer Telegrafenberg, Prof. Dr. Adolf Sprung (1848 bis 1909), hatte bereits vor dem Beginn des Internationalen Wolkenjahres damit begonnen, einen automatisch arbeitenden Fotoapparat für das Vermessen von Wolkenhöhen, sowie von Zugrichtung und -geschwindigkeit der Wolken zu ersinnen. Kongenialer Partner für die Entwicklung seines „Wolkenautomaten“ war der Instrumentenbau-Betrieb Fuess in Berlin-Steglitz. Ein solcher Automat wurde in Potsdam auch bereits im Jahr 1897 eingesetzt.

Wolkenautomat
Oben:
Der Wolkenautomat unter einer Blechschutzhaube und mit aufgeklapptem Regendeckel. Die Abbildung ist eine Ausschnittvergrößerung aus einem Originalfoto von Adolf Sprung aus dem Jahr 1901, das sich jetzt im Archiv des Wettermuseums befindet.
Der „Kleine Turm“ des Meteorologisch- Magnetischen Observatoriums
Rechts:
Der „Kleine Turm“ des
Meteorologisch-Magnetischen Observatoriums auf dem
Potsdamer Telegrafenberg.
Hinten rechts der Wolkenautomat

Nach Abschluss des Internationalen Wolkenjahres setzten die beiden Wolkenforscher, Prof. Dr. Reinhard Süring (Abteilungsleiter im Königlich Preußischen Meteorologischen Institut in Berlin und Nachfolger A. Sprungs in der Leitung des Potsdamer Observatoriums) und Prof. Dr. Adolf Sprung (dieser nur bis zu seinem Tod 1909) die Wolkenvermessungen mit zwei von diesen Automaten bis zum Jahre 1920 fort. Ein Drittel aller Aufnahmen in diesen 23 Jahren entfiel auf die ersten Jahre (bis 1903). Besonders viele Aufnahmen entstanden nach mehrmaligem Umbau und Neujustierung durch mehrmals vorgenommene exakte Senkrecht-Ausrichtung beider Automaten im Jahr 1901, nämlich 246 von insgesamt 1723 Doppelplatten. (Süring, 1922, S. 9)

Von diesen Aufnahmen befinden sich 75 Original-Papierabzüge im Archiv des Wet-termuseums. Dabei fällt auf, dass die Notierungen auf der Rückseite der Abzüge hier nicht mit gleicher Exaktheit wie im „Wolkenjahr“ vorgenommen wurden. Zwar gibt es auf jedem Papierabzug rückseitig die Bildnummer und das Aufnahme-Datum. Jedoch fehlt in allen Fällen die Uhrzeitangabe der Aufnahme. Dieser Mangel an Information lässt darauf schließen, dass es sich um vorsorglich angefertigte Zweit- oder Dritt-Abzüge handeln könnte, die dann in der endgültigen Auswertung beiseitegelassen wurden. Und nur in einem einzigen Falle lässt die Übereinstimmung der fotografierten Wolkenpartie und das notierte Datum darauf schließen, dass es sich um zwei Bildpaare der gleichen Wolkensituation handelt, und dass das zweite Bildpaar mit einer kurzen Zeitverzögerung später aufgenommen wurde, um auch die Zugrichtung und -geschwindigkeit der Wolken aus den Fotos errechnen zu können. Die große Marke zeigt die Südrichtung an; die Wolken zogen also Richtung Südsüdost.

 

Bild M 918 vom 5.9.1901 Bild T 918 vom 5.9.1901
Bild M 918 vom 5.9.1901  3 Bild T 918 min 
 Bild M 919 vom 5.9.1901  Bild T 919 vom 5.9.1901
Bild M 919 vom 5.9.1901 Bild T 919 vom 5.9.1901

Abweichend von der Wolkenvermessung mit dem Koppeschen Phototheodoliten, die eine sorgfältige Fernabstimmung beider entfernt voneinander aufgestellten Apparate auf die zu fotografierende Wolkenpartie erforderte, waren die beiden jetzt eingesetzten Fotoautomaten exakt senkrecht ausgerichtet und wurden mit Fernauslösung von einem Beobachter bedient. Der Plattenwechsel erfolgte automatisch, und der Zeit¬punkt der Aufnahmen war durch die Fernauslösung ebenfalls so genau wie möglich der gleiche, so dass durch den Automaten eine erhebliche Personal-Einsparung möglich war. Die trigonometrisch erforderliche „Basis“ für die Höhenberechnung (Entfernung der Aufstellungsorte voneinander) war die gleiche, wie die im Internationalen Wolkenjahr am häufigsten benutzte, nämlich an den beiden Standorten (1) „Kleiner Turm“ auf dem Observatorium („M“) und (2) Landzunge Tornow („T“) auf der Potsdamer Halbinsel Hermannswerder (Distanz 1946 m bei einem Höhenunterschied von 69,4 m).

Häufig ist bei den 75 vorliegenden Papierabzügen auf das Herstellen eines zweiten Bildpaares in 30 bis 60 Sekunden Abstand nach dem ersten Bildpaar verzichtet wor-den. Das geschah zum einen, weil parallel zu den Wolkenfotos die regulären Terminbeobachtungen (Augenbeobachtungen) durgeführt und ausgewertet wurden und weil zum anderen die Augenbeobachtungen mit anderen Instrumenten ebenfalls Richtung und Geschwindigkeit des Wolkenzuges ermitteln konnten. Dazu dienten sowohl ein „Wolkenrechen“ genanntes Nephoskop als auch die ebenfalls von Sprung eingeführte Variante eines „Wolkenspiegels“. (Süring, 1922, S. 9)

Wolkenspiegel - Foto: Wolfgang Lorenz am 9.9.2021 Wolkenspiegel - Foto: Ralf Kraak am 14.9.2021
Foto: Wolfgang Lorenz am 9.9.2021
© Wettermuseum
Foto: Ralf Kraak am 14.9.2021
© Wettermuseum

Für die Bestimmung der Zuggeschwindigkeit konnte die Winkelgeschwindigkeit genutzt werden, wenn der Abstand des Beobachterauges über dem Spiegel bekannt war und die Zeit gemessen wurde, die ein Wolkenpunkt von der Mitte des Spiegels zur nächsten Kreislinie benötigte. Die Zugrichtung war einfach abzulesen, wenn der Spiegel mit einem Kompass genau „eingenordet“ worden war.

Im folgenden Foto wird gezeigt, dass zur gleichen Zeit mehrere Wolkenschichten übereinander am Himmel zu sehen sein können, wodurch das Vermessen außerordentlich kompliziert wurde. Später sind deshalb völlig andere Verfahren zur Wolkenforschung eingesetzt worden, abgesehen davon, dass man inzwischen weiß, dass aus Wolkenformen und ihrem Auftreten in typischen „Wolkenstockwerken“ noch keine sichere Wettervoraussage abzuleiten ist.

 Wolkenstockwerke - Foto: Ralf Kraak/ © Wettermuseum
Foto: Ralf Kraak/ © Wettermuseum

Das Foto wurde am 23.8.2021 in Berlin aufgenommen. Es zeigt vier verschieden hohe Wolkenschichten:

  • einzelne tiefe Wolkenfetzen in ganz dunkler Färbung, links im Bild
  • darüber eine etwas hellere nach unten geschlossene Decke, teilweise etwas durchscheinend
  • darüber eine sehr weiß erleuchtete Schicht im fast gleichen Bogen, von der aber nur ein schmales Band zu sehen ist
  • ganz oben ein Cirrostratus-Schleier in Hellgrau der links oben im Bild ein Stück vom blauen Himmel freilässt

Die nephoskopischen Messverfahren wurden später für genauere Messungen durch Wolkenscheinwerfer in Verbindung mit dem Einsatz von Wolkenhöhen-Quadranten ersetzt.

Wolkenscheinwerfer - Wolfgang Lorenz; © Wettermuseum Wolkenscheinwerfer - Wolfgang Lorenz; © Wettermuseum Wolkenquadrant - Wolfgang Lorenz; © Wettermuseum
Der Wolkenscheinwer­fer bündelt das Licht zu einem Strahl, der bei Dunkelheit an der Wol­kenunterseite mit dem Wolkenquadranten an­gepeilt werden kann.
Alle drei Fotos: Wolfgang Lorenz

Wenn man in einer abgemessenen Entfernung vom Scheinwerfer mit dem Quadranten den Höhenwinkel (= α) zum Scheinwerferfleck an der Wolke festgestellt hat, lässt sich die Höhe der Wolke über dem Boden (als Gegenkatete im rechtwinkligen Dreieck) aus dem Winkel α und der Ankatete (= Entfernung des Wolkenquadranten zum Scheinwerfer) trigonometrisch errechnen.

Heute ist man zur Bestimmung von Wolkenhöhen weitgehend zu noch moderneren „Fernerkundungsverfahren“ übergegangen, bei denen die bekannte Laufzeit elektromagnetischer Signale und ihre Reflektion an der Wolkenunterseite genutzt werden, um durch das Halbieren der Laufzeit die Höhe ermitteln zu können. Ein typisches Instrument für dieses Verfahren ist der Ceilometer.

Ceilometer - Foto: Wolfgang Lorenz © Wettermuseum Ceilometer - Foto: Wolfgang Lorenz © Wettermuseum
Fotos: Wolfgang Lorenz © Wettermuseum
Beim Ceilometer wird anstelle eines Lichtstrahles ein Laserimpuls gesendet und empfangen. Auch dieser wird an der Wolkenunterseite reflektiert, so dass man aus der bekannten Laufzeit des Impulses (Lichtgeschwindigkeit) nach dem Halbieren die Höhe der Wolkenunterseite errechnen kann.

Literatur:

Sprung, Adolf „Üeber den photogrammetrischen Wolkenautomaten und seine Justirung“, in „Zeit­schrift für Instrumentenkunde“, 19. Jahrgang, April 1899, Seiten 111 bis 137

Sprung, Adolf „Einleitung“ zu dem Auswertungsband von Sprung/Süring „Ergebnisse der Wolkenbe­obachtungen in Potsdam und an einigen Hülfsstationen in Deutschland in den Jahren 1896 und 1897“, in „Veröffentlichungen des Königlich Preussischen Meteorologischen Instituts“, Berlin 1903, S. 2

Sprung, Adolf „Über die Justierung und Benutzung des photogrammetrischen Wolkenautomaten“, in „Zeitschrift für Instrumentenkunde“, 24. Jahrgang, Juli 1904, Seiten 206 bis 213

Süring, Reinhard „Photogrammetrische Wolkenforschung in Potsdam in den Jahren 1900 bis 1920“, in Hellmann, G. (Hg.) „Veröffentlichungen des Preußischen Meteorologischen Instituts“, Nr. 317, Bd. VII, Nr. 3, Berlin 1922,

Süring, Reinhard „Die Wolken“, 2. Aufl. Leipzig 1941, Seiten 96 bis 115

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