Von Torricelli bis heute 05.05.2024, 11:00 Uhr

Das Barometer verstehen: Eine kurze Reise durch die Geschichte der Luftdruckmessung

Wer hat das Barometer erfunden, welche Entwicklungsschritte hat es durchlaufen und wie funktioniert es? Wir schauen uns die Geschichte des Barometers einmal etwas genauer an.

Barometer

Mit einem Barometer lässt sich der statische Luftdruck messen.

Foto: PantherMedia / ABBPhoto

Möchten Sie den Luftdruck in der Atmosphäre messen, benötigen Sie ein Barometer. Der Name leitet sich dabei von zwei altgriechischen Wörtern ab: metron steht für das deutsche Wort Maß und baros für Gewicht. Das erste Messgerät dieser Art wurde bereits im 17. Jahrhundert erfunden. Seitdem hat es viele weitere Entwicklungsschritte bis hin zu den heutigen digitalen Versionen gegeben. Grundsätzlich orientiert sich das Konstruktionsprinzip von Barometern dabei an Manometern. Schauen wir uns die Entwicklung einmal etwas genauer an.

Die spannende Historie des Barometers im Überblick

Die Erfindung respektive die Geschichte des Barometers stellt gleichzeitig ein wichtiges Kapitel in der wissenschaftlichen Historie dar. Seit der Erfindung des ersten Barometers haben sich das Instrument an sich und auch das Verständnis von Wetter und Klima bemerkenswert verändert respektive entwickelt. Nicht umsonst feiern Wissenschaft und Meteorologie die Erfindung des Barometers als einen wesentlichen Meilenstein. Auch vier Jahrhunderte später übt das Barometer immer noch einen starken Einfluss auf die Wettervorhersage und -beurteilung aus.

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Evangelista Torricelli entwickelte das erste Quecksilberbarometer

Als Erfinder des Barometers gilt der italienische Mathematiker und Physiker Evangelista Torricelli. Er entwickelte 1644 das erste funktionierende Barometer. Grundlage bildeten dabei verschiedene Arbeiten des italienischen Universalgelehrtens Galileo Galilei. Dieser hatte laut seinen Aufzeichnungen bereits 1614 erkannt, dass Luft ein Gewicht besitzt. So errechnete er, dass ein Teil Luft den 660sten Teil des Wassergewichtes ausmacht. Allerdings konnte er zu dem damaligen Zeitpunkt noch keine Schlüsse aus dieser Erkenntnis ziehen.

Bei Torricellis Erfindung handelte es sich 30 Jahre später um ein Quecksilberbarometer, das ein künstliches Vakuum am oberen Ende des Barometers erzeugte. Dieses Vakuum wird in früheren Lehrbüchern auch als torricellische Leere oder torricellischer Raum bezeichnet. Das Wesen und die Eigenschaften dieser torricellischen Leere war noch jahrzehntelang nach der eigentlichen Erfindung ein großes naturphilosophisches Streitthema zwischen Vacuinisten und Plenisten.

Ein Schlüsselexperiment brachte die richtige Erkenntnis

Das von Torricelli entwickelte Quecksilberbarometer basierte auf einem Experiment mit einem eigentlich vergleichsweise simplen Aufbau. Er nutzte dafür im Grunde genommen lediglich ein oben verschlossenes, mit Quecksilber gefülltes, senkrecht stehendes Glasrohr, das in ein offenes, ebenfalls mit Quecksilber gefülltes Gefäß getaucht wird. Der Raum im Glasrohr oberhalb der Säule aus Quecksilber war leer und dementsprechend auch luftleer.

Im Rahmen des Experiments konnte er dann beobachten, dass ein Teil des Quecksilbers trotz der senkrechten Position immer im Glasrohr verblieb. Um genauere Erkenntnisse zu erlangen, tauchte Torricelli das Rohr dabei unterschiedlich weit in das Gefäß ein. Aber es blieb auf den ersten Blick immer gleich viel Quecksilber im Rohr. Dadurch konnte Torricelli beweisen, dass der auf die Quecksilberoberfläche im Gefäß einwirkende Luftdruck gleichzeitig gegen das Gewicht der Quecksilbersäule in dem Rohr wirkt.

Der Luftdruck entpuppt sich als entscheidender Faktor

Als Konsequenz daraus zeigte die Quecksilbersäule im Glasrohr eine konstante Höhe an. Er stellte diesbezüglich fest, dass das in die nach oben hin verschlossene, etwa 90 Zentimeter lange Röhre gefüllte Quecksilber stets auf durchschnittlich 76 cm stieg. Nachdem Torricelli die Quecksilbersäule anschließend markiert hatte, beobachtete er weiter, dass sich die Säulenhöhe mitunter geringfügig änderte.

Das Interessante dabei: Nach jeder Änderung folgte prompt eine Wetteränderung. Das stellte die entscheidende Entdeckung dar, von der die Meteorologie nachhaltig profitieren sollte. Im Hinblick auf Messungen via Barometer spielen also drei Komponenten eine entscheidende Rolle: das Gewicht des Quecksilberspiegels, der luftleere Raum oberhalb der Quecksilbersäule und der von unten wirkende Luftdruck.

So wirken die einzelnen Kräfte in diesem Zusammenhang

In der Praxis sieht das folgendermaßen aus: Das Gewicht des Quecksilbers drückt die Quecksilbersäule im Glasrohr nach unten, trifft dabei aber auf den von unten wirkendem Luftdruck. Für diesen Vorgang sind so bezeichnete Luftteilchen verantwortlich. Denn das Gewicht dieser Luftteilchen drückt auf die Oberfläche des Quecksilbers, wodurch das Quecksilber in den luftleeren Bereich des Glasrohrs geschoben beziehungsweise hineingedrückt wird. Erst wenn es dann ab einem bestimmten Punkt zu einem Gleichgewicht mit dem Luftdruck kommt, endet die Bewegung des Pegels. Aus meteorologischer Sicht ist die Höhe der Quecksilbersäule dabei abhängig von der zu erwartenden Wetterlage.

altes Barometer

Altes Barometer an einer Stadtstraße in Breslau.

Foto: PantherMedia /
SmirnovaEkBo

Im Detail: Was genau lässt sich aus dieser Entdeckung ableiten?

Außerdem machte das Experiment in diesem Zusammenhang ebenfalls deutlich, dass die Luft ein Gemisch aus verschiedenen Stoffen darstellt. Zuvor sind die Physiker immer davon ausgegangen, dass die Luft eben aus nichts; besteht. Tatsächlich ist die Luft aber ein Gemisch aus vielen verschiedenen Teilchen, zum Beispiel Sauerstoff, Stickstoff und auch Wasser. Die Luft hat also Gewicht, ist komprimierbar und nimmt je nach Temperatur unterschiedlich viel Wasser auf.

Die Messung des Luftdrucks beruht daher letztendlich immer auf diesen physikalischen Tatsachen. Wird Torricellis Experiment diesbezüglich in den ganzheitlichen Kontext gebracht, bedeutet dies: Das Gewicht der Luft respektive der darin enthaltenen Teilchen drückt auf die Erde, was dann eben als Luftdruck definiert werden kann. Gleichzeitig stellt die Veränderung des Luftdruckes einen wesentlichen Parameter zur Beobachtung, Analyse und Prognose des Wetters dar.

Dabei lassen sich zwei entscheidende Beobachtungen machen:

  1. Die auf die Erde drückende Luftschicht wird immer größer und dicker, je tiefer die Messposition liegt. Auf Meereshöhe ist demnach die Luftschicht und damit auch der Luftdruck am stärksten ausgeprägt.
  2. Demgegenüber wird die Luftschicht immer dünner, je höher der Messpunkt liegt. Dadurch fällt der Luftdruck in Höhenlagen entsprechend geringer aus.

Klarer Zusammenhang zwischen dem Quecksilberniveau und der Wetterlage

Auf Torricelliis Experiment bezogen, heißt das: Durch die jeweilige Ausprägung des Luftdrucks steigt oder sinkt das Quecksilberniveau. Der Quecksilberspiegel im Rohr verändert sich so lange, bis sich die Kräfte gegenseitig wieder ausgeglichen haben. Die Konsequenz daraus: Bei steigendem Luftdruck erhöht sich gleichzeitig auch der Quecksilberstand im Rohr von Torricelli. Nimmt er dagegen ab, sinkt der Quecksilberspiegel im Rohr. Messungen zeigten deutlich, dass es einen klaren Zusammenhang zwischen dem äußeren Luftdruck, also dem Quecksilberniveau, und der Wetterlage gibt:

  • Ein hoher Druck steht für sonniges Wetter.
  • Ein niedriger Druck deutet dagegen auf Regen oder sogar Sturm hin.

Allerdings war die Ablesbarkeit der Röhre von Torricelli anfangs stark eingeschränkt. Laut Überlieferungen war eine Millimeterskala an der Röhre angebracht, auf der die Werte nur mithilfe einer starken Lupe abgelesen werden konnten. Die früher häufig genutzte Druckeinheit Torr wurde übrigens zu Ehren Torricellis eingeführt. 1 Torr entspricht dem Druck einer Millimeter-Quecksilbersäule von 1 mm Höhe (1 Torr = 1 mmHg = 133,322 Pa).

Die wichtigsten Weiterentwicklungen von Torrecellis Barometer

  • Sir Robert Boyle verbesserte das Barometerrohr zu einem nach oben gebogenen „Siphon-Rohr“. Diese Konstruktion wird noch heute als Basis verwendet.
  • Der französische Physiker René Descartes fügte dem Barometer von Torricelli eine Papierskala zwecks einer besseren Ablesung hinzu.
  • Dem niederländischen Physiker Christiaan Huygens gelang es, das von Boyle konstruierte Siphonbarometer noch einmal deutlich zu verbessern.
  • Blaise Pascal bewies 1647 endgültig, dass auch Luft ein Gewicht hat. Dieser Nachweis bildete den Ausgangspunkt für eine weitere Erkenntnis von Pascal: Er stellte fest, dass eine zunehmende Seehöhe für eine abnehmende Höhe der Quecksilbersäule sorgt. Die Einheit für den Druck (SI) wurde später dann auch nach Pascal benannt.
  • 1663 wies Otto von Guericke den Luftdruck mit den Magdeburger Halbkugeln nach. Das führte zu weiteren Verbesserungen des Barometers.

Welche Arten von Barometern gibt es?

Grundsätzlich müssen Sie zwischen zwei verschiedenen Typen von Barometern unterscheiden: dem Dosenbarometer (Aneroidbarometer) und dem Quecksilberbarometer. Mit dem Flüssigkeitsbarometer, dem so bezeichneten Goethe-Barometer und dem Röhrenbarometer stehen Ihnen weitere Varianten zur Verfügung. Seit dem Beginn des 21. Jahrhunderts sind auch elektronische Barometer weit verbreitet. Diese basieren in der Regel auf Mikrosystemen (MEMS). Diese verschiedenen Arten von Barometern weisen jeweils spezifische Vorteile auf und kommen in unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz.

1. Quecksilberbarometer – bietet sehr genau Werte

Mithilfe eines Quecksilberbarometers lässt sich der atmosphärische Druck messen. Die abzulesenden Werte ergeben sich aus dem physischen Ansteigen oder Absinken einer Quecksilbersäule, die sich in einem Glasrohr befindet. Barometer dieser Art gelten als sehr exakt. Quecksilberbarometer kamen früher häufig in professionellen meteorologischen Stationen oder auch Laboren zum Einsatz. Seit dem  1. Oktober 2009 ist die Herstellung und der Vertrieb von Quecksilberbarometern allerdings untersagt.

Quecksilberbarometer zählen im Grunde genommen zu den Flüssigkeitsbarometern. Vom Aufbau her besteht diese Art von Barometern aus einem am oberen Ende luftdicht verschlossen Rohr, das mit Quecksilber gefüllt ist. Das untere Rohrende ist offen und taucht in ein ebenfalls mit Quecksilber gefülltes Vorratsgefäß ein. Die Flüssigkeit beziehungsweise das Quecksilber wird durch das Eigengewicht nach unten gedrückt und fließt dementsprechend aus dem Rohr in das Gefäß. Am oberen Ende entsteht dadurch ein Unterdruck.

Von unten wirkt diesem Vorgang der Luftdruck entgegen. Das sorgt dafür, dass die Quecksilbersäule bei einer bestimmten Höhe in seiner Position verharrt. Liegen Normalbedingungen vor, erreicht das Quecksilber in der Regel eine Höhe von 760 Millimetern. Diesen Wert müssen Sie dann allerdings noch auf die Standardbedingungen umrechnen. Unter Standardbedingungen sind die einzuhaltenden Prozessbedingungen, wie zum Beispiel Druck, die Raumtemperatur oder der Ausdehnungskoeffizient von Quecksilber, zu verstehen.

Welche Vor- und Nachteile weist ein Quecksilberbarometer auf?

Quecksilber weist dabei gegenüber Wasser und anderen Flüssigkeiten einen entscheidenden Vorteil auf: Als flüssiges Schwermetall verfügt Quecksilber über ein hohes spezifisches Gewicht, was den Einsatz von kurzen Rohren bei Barometern ermöglicht. Zudem verdunstet Quecksilber in einem lediglich geringfügigen Rahmen. Zum Vergleich: Quecksilber hat eine Dichte von 13,5 g/cm3 und ist damit etwa 13,5-mal so dicht wie Wasser.

Ein Barometer muss daher mit einem rund zehn Meter langen Rohr ausgestattet werden, wenn Wasser statt Quecksilber genutzt wird. Zudem verdunstet Wasser in einem Rohr mit einem relativen Vakuum im oberen Bereich und offenem unteren Ende viel schneller und umfangreicher. Nachteilig ist allerdings, dass es sich bei Quecksilber um ein giftiges Schwermetall handelt. Die Nutzung ist dementsprechend stark reglementiert und in diesem Fall sogar verboten.

Aneroidbarometer

Gravur eines antiken Aneroidbarometers.

Foto: PantherMedia /
Patrick Guenette

2. Aneroidbarometer – prädestiniert für den nicht professionellen Hausgebrauch

1847, also drei Jahre nach der Erfindung des Quecksilberbarometers durch Evangelista Torricelli, entwickelte der französische Physiker Lucien Vidie dann das Aneroidbarometer (auch als Dosen- oder Federbarometer bezeichnet). Allerdings ist diese Barometerart nicht für exakte Messungen mit professionellem Anspruch geeignet. Vielmehr dient das Aneroidbarometer zur Anzeige des Luftdrucks für den täglichen Hausgebrauch beziehungsweise Bedarf. Der Aufbau des Aneroidbarometers unterscheidet sich dabei deutlich vom Aufbau eines Quecksilberbarometers.

Das Prinzip des Aneroidbarometers basiert dabei auf einer elastischen Durchbiegung einer Membran. Die gesamte Konstruktion besteht im Wesentlichen aus einer teilevakuierten, meistens dünnwandigen sowie flachen Metallkapsel, wobei der Deckel der Kapsel als Membran fungiert. In der Regel werden die als Messwertgeber dienenden Kapseln respektive Dosen aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung hergestellt. Je nach Luftdruck ändern sie dabei ihre ursprüngliche Form.

Das Maß für den Luftdruck lässt sich von der jeweiligen Bewegungsintensität zwischen Deckel und Boden ableiten. Eine für die Funktionalität wichtige Komponente stellt diesbezüglich eine starke Feder dar. Denn diese verhindert, dass der Luftdruck das Membran und den Kapselboden zusammendrückt. Integriert ist außerdem ein spezielles Hebelsystem. Dieses System überträgt die vom Luftdruck ausgelöste Bewegung des Membrans auf eine Schreibvorrichtung oder alternativ auf einen Zeiger.

Welche Vor- und Nachteile weist ein Aneroidbarometer auf?

Elastizität und die druckbedingte Verformung der Kapseln beziehungsweise Dosen benötigen aufgrund von Temperaturabhängigkeiten und der damit verbundenen Ausdehnung der Dosen eine Temperaturkompensation. Diese wird erreicht, indem Gase in die Dosen beigemengt werden.

Möglich ist alternativ auch das Einsetzen eines Bimetalls in die Übersetzung. In temperaturkompensierter Form sind dann im Gegensatz zu den Quecksilberbarometern keine weiteren Temperatur- oder Schwerekorrekturen nötig. Im Endeffekt bietet diese Art von Barometern aber lediglich Relativmessungen.

Allerdings lässt sich die grundsätzliche Empfindlichkeit verbessern. Das gelingt durch die Aneinanderreihung mehrerer Dosen. Zudem kann es mit der Zeit zu Strukturänderungen der Metalle kommen. Daher erfolgt eine Kalibrierung auch immer an den Quecksilberbarometern.

3. Digitale Barometer – für präzise Messungen und moderne Anwendungen

Moderne Barometer funktionieren mittlerweile digital. Sie nutzen elektronische Sensoren, die den jeweils aktuellen atmosphärischen Druck ermitteln. Dabei werden Druckänderungen in Zahlenwerte verwandelt. Dank dieser fortschrittlichen Technologie können Sie sehr genaue Messungen durchführen. Digitale Barometer finden daher sowohl in modernen Wetterstationen als auch in einigen Smartphones Verwendung. Zudem gibt es digitale Barometer, die als industrielle Anwendungen fungieren.

Welche Vor- und Nachteile weist ein digitales Barometer auf?

Meistens basieren elektronisch-digitale Barometer auf Mikrosystemen (MEMS). Die gemessenen Luftdruckdaten können Sie über Schnittstellen (PC, SPI etc.) auslesen. In vielen Fällen sind gleichzeitig auch die entsprechenden Temperaturdaten abrufbar. Im Gegensatz zu den anderen Barometertypen weisen die digitalen Varianten eine Größe von nur wenigen mm³ auf.

Die absolute Genauigkeit beträgt in der Regel ±0,1 hPa. Der große Vorteil der digitalen Barometer liegt in der Zuverlässigkeit und vor allem der Präzision. Selbst die geringsten Luftdruckveränderungen werden bereits registriert. Daher finden Sie digitale Präzisionsbarometer auch in allen professionell betriebenen Wetterstationen.

Barometer im meteorologischen Kontext – die wichtigsten Facts im Überblick

  • Geografische Standorte beeinflussen die Genauigkeit von Barometermessungen, da der Luftdruck mit der Höhe abnimmt. Orte, die sich in tieferen Lagen befinden, weisen also tendenziell einen stärkeren Luftdruck auf als höher gelegene Standorte. Auch lokale Wetterbedingungen gelten als Einflussfaktoren für Barometermessungen.
  • Barometermessungen werden von den jeweiligen Klima und Wetterbedingungen maßgeblich beeinflusst, da unterschiedliche Bedingungen den Luftdruck ändern. Hochdruckgebiete, die im Allgemeinen für sonniges Wetter stehen, sorgen für höhere Barometerwerte. Tiefdruckgebiete gehen demgegenüber oft mit bewölktem, regnerischem oder stürmischem Wetter einher. Dadurch kommt es dann zu geringeren Barometerwerten.
  • Auch die geografischen Längen- und Breitengrade haben indirekte Auswirkungen auf die Barometermessungen. Dies liegt daran, dass es zu unterschiedlichen Klima- und Wetterbedingungen an verschiedenen Längen- und Breitengraden kommen kann. Dadurch wird der Luftdruck beeinflusst.
  • Im Allgemeinen können geografische Standorte und lokale Wetterbedingungen die Barometermessungen ebenfalls beeinflussen.
  • In höheren Lagen zeigen Barometer einen niedrigeren Druck an als auf Meereshöhe. Dadurch können Sie mithilfe eines Barometers gleichzeitig auch die relative Höhe des jeweiligen Standorts ermitteln.
  • Mit einem Barometer können Sie nicht nur direkt die jeweiligen Wetterphänomene (Sonnenschein, Regen etc.) messen, sondern erhalten Daten, die Ihnen helfen, Wetterveränderungen zu verstehen und zu prognostizieren.

Ein Beitrag von:

  • ingenieur.de

    Technik, Karriere, News, das sind die drei Dinge, die Ingenieure brauchen.

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