Höhenmesser

Ein Höhenmesser oder Altimeter (latein. altus ‚hoch‘ und altgriech. μέτρον métron ‚Maß, Maßstab‘) ist ein Gerät, mit dem die Höhe eines Objekts über einer definierten Ebene oder Referenzfläche gemessen wird.

Die Höhenmessung kann barometrisch (wie in diesem Artikel beschrieben), mit Schall, mit Mikrowellen oder mit Laserstrahlen erfolgen. Klassische Methoden sind die trigonometrische oder nivellitische Höhenmessung, die sehr genau sind.

Höhenmesser z.B. zum Bergsteigen

Barometrische Höhenmessung

Eine barometrische Höhenmessung erfolgt mittels des am Messort herrschenden Luftdrucks.

Bergsteigen, Wandern, Orientierungslauf

Verwendete Höhenmesser sind Aneroid-Barometer, die statt des Luftdrucks die Höhe über Meereshöhe anzeigen. Meist macht der Zeiger eine Umdrehung pro 1000 m; der km-Wert erscheint in einem kleinen Fenster (üblicher Messbereich 5 oder 8 km). Die Genauigkeit beträgt 2–20 Meter, wenn eine korrekte Ausgangshöhe oder der Druck auf Meeresniveau eingestellt wurde.

Ein Höhenmesser wird nur zu Beginn der Tour auf die richtige Höhe eingestellt – Abweichungen sollten unterwegs nicht anhand von Höhenangaben (Landkarte, Wegweiser, GPS, etc.) korrigiert werden. Wenn man sich die Abweichungen einprägt, funktioniert der Höhenmesser zugleich als Barometer: Gibt der Höhenmesser eine zu große Höhe an, ist seit Beginn der Route der Luftdruck gefallen, was auf eine kommende Wetterverschlechterung hinweisen kann. Ein scheinbarer „Aufstieg“ von 100 Höhenmetern entspricht näherungsweise einer Senkung des Luftdruckes um 12 hPa bzw. 12 mbar.

Digitale Höhenmesser

Digitaler Sensor für Luftdruck- & Höhenmessung. Abmessung: 5 * 3 * 1,2 mm

Digitale Höhenmesser zeigen zusätzlich Höhendifferenzen, Maximalwerte oder den zeitlichen Verlauf der Passage verschiedener Höhen an. Für einen genauen digitalen Höhenmesser wird ein kalibrierter und temperaturkompensierter Drucksensor verwendet. Üblicherweise bieten diese Sensoren eine geeignete Datenschnittstelle an. Die Genauigkeit guter barometrischer Sensoren liegt unter 1 m (bei Meereshöhe). Das GPS kann auch als Höhenmesser verwendet werden.

Fallschirmspringen

Ein Höhenmesser für Fallschirmspringer mit 4000-m-Skala.

Ein analoger Fallschirmsprung-Höhenmesser ist eine luftdichte Metalldose, ähnlich einem Barometer, die sich in Abhängigkeit vom Umgebungsluftdruck mehr oder weniger zusammenzieht oder auseinandergeht. Diese Verformung wird über ein mechanisches Hebelwerk auf einen Zeiger übertragen, welche die entsprechende Höhe auf einer Skala anzeigt. Es wird dadurch nicht die absolute Höhe über Meeresspiegel angezeigt, sondern nur der Luftdruck der Umgebung. Bei Luftdruckschwankungen lässt sich eine Veränderung der Höhenanzeige eines barometrischen Höhenmesser beobachten.

Die Höhenmesser werden durch den Fallschirmspringer am Handrücken oder auf einem Brustkissen benutzt. Der Höhenmesser hat in der Regel eine Skala von 0 m bis 4.000 oder 6.000 m oder eine entsprechende Skalenangabe in Fuß. Vor dem Start wird der Höhenmesser auf 0 m Platzhöhe gestellt. Falls auf einem anderen Platz gelandet werden soll, als auf dem gestartet wird, wird die Differenzhöhe des vorgesehenen Landeplatzes eingestellt. Der Fallschirmspringer entscheidet mit Hilfe des Höhenmessers wann er den Fallschirm öffnet (Öffnungshöhe).

Sehr häufig haben Fallschirmspringer einen Öffnungsautomaten zusätzlich am Gurtzeug. Dieser misst ständig elektronisch die Höhe und berechnet daraus die Fallgeschwindigkeit. Registriert dieser, dass der Springer unter einer definierten Höhe eine zu hohe Geschwindigkeit hat, setzt der Computer eine Notsituation voraus und leitet die Öffnung des Reservefallschirms ein.

Ein zusätzlicher akustischer Höhenwarner ist eine Ergänzung zum optischen Höhenmesser, welcher in definierten Höhen unterschiedliche Warntöne von sich gibt.

Geodäsie, Navigation

Instrumente wie oben, aber genauer. Durch Kalibrieren mittels Temperatur oder Druckgradient sind Genauigkeiten bis zu einigen Dezimetern möglich, bei stabiler Wetterlage sogar 10–20 cm. Für beide Anwendungsbereiche werden digitale Altimeter häufiger. Sie zeigen je nach Programmmenü auch Höhendifferenzen, Maximalwerte oder den zeitlichen Verlauf von Höhenprofilen.

In der Geodäsie dient die barometrische Höhenmessung für rasche, genäherte Vermessungen des Geländes, beispielsweise für erste Projektgrundlagen oder für grobe Talprofile. Ihre Bedeutung hat aber seit den 1990ern durch Satellitenmethoden (GNSS) und durch genauere digitale Höhenmodelle abgenommen.

Gegenüber den Zehnermetern in der Navigation lässt sich die Genauigkeit merklich steigern. Man kalibriert das Instrument mittels herrschender Lufttemperatur oder verwendet besser das rechnerische Atmosphärenmodell mittels Temperatur und dem aktuellen Luftdruckgradienten. Damit sind Genauigkeiten bis zu einigen Dezimetern erreichbar.

Luftfahrt

→ Hauptartikel: Barometrische Höhenmessung in der Luftfahrt

Barometrische Höhenmessung in der Luftfahrt erfolgt prinzipiell mit Höhenmessern wie oben beschrieben, diese haben aber einen Messbereich bis 50.000 ft (15 km) und Skalen meist in Fuß statt Meter (1 ft = 0,3048 m). Durch Einstellen des QNH (Druck auf Meeresniveau) erhält man absolute Höhen, mit QFE (Druck auf Bodenhöhe) die Höhe über dem Flugplatz. Flugzeuge haben zusätzlich ein Variometer zur Anzeige von Höhenänderungen (barometrische Flughöhe), Linienflugzeuge auch einen Radar-Altimeter.

Dieser Luftfahrt-Höhenmesser zeigt eine Flughöhe von 14500 Fuß an. Der Bezugsluftdruck wird in der kleinen Skala rechts dargestellt (hier 29,48 inHg) und mit dem Drehknopf unten links eingestellt.

Höhenmesser einer MiG-21 - Messbereich 0-600 m

Sämtliche Luftfahrzeuge messen ihre Flughöhe anhand des äußeren Luftdrucks, also barometrisch. Die Anzeigeskala ist meist in Fuß kalibriert. Nur in Russland, in Frankreich, in Segelflugzeugen und manchen Ultraleichtflugzeugen wird die Höhe in Metern angegeben.

Zur genauen Anzeige der Flughöhe muss jeder Pilot vor dem Start seinen Höhenmesser auf den aktuellen meteorologischen Luftdruck einstellen. Entweder stellt er dazu den Höhenmesser so ein, dass er die (ihm bekannte) Höhe des Flugplatzes anzeigt, oder er erfragt den aktuellen Bezugsluftdruck bei der Flugleitung. Das Sprechfunk-Kürzel dafür lautet QNH. Ein auf QNH eingestellter Höhenmesser zeigt die Höhe über Meeresniveau (MSL, englisch mean sea level) an. Divergenzen ergeben sich durch eine von der ISA abweichende Temperatur. Ungewöhnlich tiefe Temperaturen führen zu einer höheren Luftdichte, weshalb die Triebwerke leistungsfähiger sind. Bei ungewöhnlich hohen Temperaturen hingegen benötigt das Flugzeug Leistungsreserven. Flugzeuge müssen dann weniger Fracht oder Treibstoff zuladen, um auf derselben Startbahnlänge sicher abzuheben. Die sogenannte Dichtehöhe dient jedoch nicht zur Navigation, sondern zur Abschätzung der Leistungsreserven.

Oberhalb der Übergangshöhe sind sämtliche barometrischen Höhenmesser auf Normaldruck, das heißt 1013,25 hPa oder 29,92 inHg einzustellen. Die so gemessenen Flughöhen stellen keine absoluten Höhen mehr dar, sondern relative Höhen über der rechnerischen Normaldruckfläche. Sie werden als Flugflächen bezeichnet. Beispiel: Ein Flugzeug fliegt in Flugfläche 120, wenn sein Höhenmesser auf den Bezugsdruck 1013,25 hPa eingestellt ist und mit dieser Einstellung eine Flughöhe von 12.000 Fuß anzeigt. So wird sichergestellt, dass alle Flugzeuge – unabhängig vom Luftdruck an ihrem Start-Flughafen – untereinander denselben Bezugsluftdruck eingestellt haben. Im Reiseflug muss nämlich primär eine Kollision mit anderen Flugzeugen verhindert werden, und nicht eine Kollision mit dem Erdboden.

Zusätzlich zu den barometrischen Höhenmessern gibt es in den meisten Flugzeugen Variometer für die Anzeige der Steig- beziehungsweise Sinkgeschwindigkeit.

Flugzeuge, die bei schlechten Sichtbedingungen landen müssen, dürfen dies nur im Instrumentenlandeverfahren tun. Bei der ILS-Kategorie I wird unter anderem ein barometrischer Höhenmesser benötigt. Der Pilot muss die Landung abbrechen, wenn er bei der Entscheidungshöhe die Landebahn nicht sehen kann. Diese decision altitude ist als Höhe über Meer angegeben. Für Landungen in sehr schlechten Sichtbedingungen sind bestimmte Flughäfen und Flugzeuge mit ILS-Kategorien II und III ausgerüstet. Bei Kategorien II und III wird ein Radar-Altimeter, auch Funkhöhenmesser, benötigt. Dieser sendet ein Radarsignal in Richtung Erdboden und aus der Zeitverzögerung, mit der dieses Signal wieder beim Flugzeug eintrifft, wird die Höhe über dem Boden berechnet. Deshalb spricht man bei ILS-Kategorien II und III auch von decision height anstelle decision altitude. Auch hier muss der Landeanflug abgebrochen werden, wenn die Piste bei Erreichen der Mindestflughöhe nicht in Sicht ist.

Die sogenannte Sicherheitsflughöhe (minimum sector altitude) gilt nicht für Landeanflüge, sondern für den Reiseflug. Sie ist auf Luftverkehrskarten und Flugplatz-Anflugkarten für das jeweilige Gebiet angegeben und wird wie folgt berechnet: Höhe der höchsten Erhebung plus 1000 Fuß, aufgerundet auf die nächsten 100 Fuß.

Durch Vergleich von Druck- und Funkhöhenmesser kann man Hoch- und Tiefdruckgebiete orten und die Abdrift durch Seitenwind berechnen.

Militär

Beim Militarflügzeug MIG 21, befindet sich der Höhenmesser im unmittelbaren Sichtbereich des Piloten, links neben der "T - Zone". Benannt wurde diese Sichtzone nach dem Buchstaben T. In dieser Form wurden die allerwichtigsten Anzeigeinstrumente angeordnet.

Physikalischer Hintergrund der barometrischen Methode

Bei infinitesimalen Höhendifferenzen ändert sich der Luftdruck p gemäß

$\mathrm {d} p=-\rho g\,\mathrm {d} h$

wobei $\rho$ die Dichte und die Schwerebeschleunigung sind.

Betrachtet man die Luft als ideales Gas und legt das Gesetz von Boyle-Mariotte zugrunde, so ergibt sich für den Zusammenhang zwischen Dichte und Druck die Beziehung

$\rho ={\frac {{\rho }_{0}}{p_{0}}}p$

wobei ${\rho }_{0}$ und $p_{0}$ sich auf eine Referenzhöhe (z. B. Meereshöhe) beziehen.

Man erhält somit folgende Differentialgleichung:

${\frac {\mathrm {d} p}{p}}=-{\frac {{\rho }_{0}}{p_{0}}}g\,\mathrm {d} h$

Mit der Anfangsbedingung $p(h_{0}=0)=p_{0}$ ergibt sich daraus schließlich durch Lösen der Differentialgleichung die barometrische Höhenformel:

$p(h)=p_{0}e^{-{\frac {{\rho }_{0}}{p_{0}}}gh}$

Somit lässt sich die einem Druck zuordenbare Höhe berechnen, was die Grundlage der barometrischen Höhenmessung darstellt:

$h={\frac {p_{0}}{\rho _{0}g}}\cdot \ln \left({\frac {p_{0}}{p}}\right)$

Zu beachten ist allerdings, dass die barometrische Höhenformel nicht über große Höhendifferenzen angewendet werden darf, da sonst zwei Grundannahmen der Herleitung nicht mehr gelten:

$pV={\text{const.}}$ bei $T={\text{const.}}$ (Gesetz von Boyle-Mariotte).
$g={\text{const.}}$

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de