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Messstellen im Raum unter vergleichbaren Bedingungen auswählen

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Einleitung

Werkstattkurs: Messstellen im Raum unter vergleichbaren Bedingungen auswählen

Du willst herausfinden, ob sich Lufttemperaturen an einem schattigen, sonnigen, geneigten oder ebenen Standort unterscheiden. Das klingt zunächst einfach: Thermometer aufstellen, Werte ablesen, vergleichen. Wissenschaftlich interessant wird es aber erst, wenn Du unterscheiden kannst, welcher Unterschied tatsächlich zum untersuchten Standortmerkmal gehört und welcher nur durch unterschiedliche Messbedingungen entstanden sein könnte.

Dieser Werkstattkurs richtet sich an Lernende ab Klasse 7. Für die Vertiefung werden zwei Anforderungsniveaus verwendet: M = mittleres Niveau und E = erweitertes Niveau. Du planst eigene Messreihen, prüfst die Vergleichbarkeit, wertest Messwerte aus und erstellst als Produkt einen Messstellenplan mit Begründung und ausdrücklich benannten Grenzen.

Im Zentrum steht eine wichtige wissenschaftliche Idee: Ein Messwert ist nie nur eine Zahl. Zu ihm gehören der Messort, der Messzeitpunkt, das Gerät, die Messhöhe, die Abschirmung gegen Strahlung, der Untergrund, die Umgebung und Angaben darüber, wie gemessen wurde. Solche Zusatzangaben heißen Metadaten.

Die abgebildete Wetterstation zeigt, dass meteorologische Messungen mehrere Größen erfassen können. Für diesen Kurs konzentrierst Du Dich vor allem auf die Lufttemperatur. Die Grundidee der Vergleichbarkeit gilt aber auch für Luftfeuchte, Wind, Bodenfeuchte, Lärm oder andere räumliche Messungen.

Das WDR-Video zeigt unter anderem, dass Wetterbeobachtung auf systematischen Messungen beruht. Für unseren Werkstattkurs gilt: Wir übernehmen keine amtliche Wetterstation, sondern verwenden deren methodische Grundideen als Orientierung.

Leitfrage

Wie müssen Messstellen ausgewählt, beschrieben und gemessen werden, damit Unterschiede zwischen Schatten-, Sonnen-, Hang- und ebenen Standorten sinnvoll verglichen werden können?

Dabei geht es nicht darum, schon vorher zu beweisen, dass ein bestimmter Standort wärmer oder kälter ist. Deine Aufgabe ist es, eine Messung so zu planen, dass eine spätere Aussage möglichst gut begründet werden kann.

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du erklären, warum Vergleichbarkeit bei Messreihen wichtig ist. Du kannst geeignete Messstellen auswählen, Kontrollvariablen benennen, Messzeitpunkte und Geräte planen, Angaben zum Untergrund dokumentieren und zwischen beobachtetem Unterschied und möglicher Ursache unterscheiden. Auf M-Niveau kannst Du Messwerte paarweise vergleichen und einfache Kennwerte bilden. Auf E-Niveau kannst Du Geräteunterschiede, Störgrößen, alternative Erklärungen und Messunsicherheit systematisch in Deine Bewertung einbeziehen.

Fachliche Grundlage: Was macht Messstellen vergleichbar?

Repräsentativität und Untersuchungsfrage

Eine amtliche Wetterstation soll möglichst repräsentative Werte für ihre Umgebung liefern. Ein Schulversuch kann dagegen absichtlich einen besonderen Standort untersuchen, zum Beispiel einen Südhang oder eine schattige Fläche. Das ist kein Widerspruch, sondern eine andere Forschungsfrage.

Der DWD fordert für reguläre Wetterstationen unter anderem repräsentative Standorte, möglichst geringe Versiegelung, Abstand zu Wärme- und Feuchtequellen und eine freie Exposition gegenüber wichtigen meteorologischen Einflüssen. Steile Kuppen, Senken und stark geneigte Flächen sind für eine repräsentative Standardstation problematisch. In unserem Werkstattkurs darf ein Hang trotzdem vorkommen, weil der Hang selbst Untersuchungsgegenstand ist. Dann muss diese Besonderheit ausdrücklich dokumentiert werden.

Die WMO verwendet eine Klassifikation für Standorte von Bodenmessstationen. Sie soll sichtbar machen, wie gut ein Messstandort die empfohlenen Aufstellungsbedingungen erfüllt und wie stark die Umgebung die Repräsentativität beeinflussen kann.

Methodische Folgerung für Dich: Eine Messstelle ist nicht einfach „gut“ oder „schlecht“. Sie ist für eine bestimmte Frage mehr oder weniger geeignet. Ein Südhang kann für die Frage „Wie unterscheidet sich das Mikroklima von einer ebenen Fläche?“ sehr geeignet sein, aber ungeeignet, wenn Du die repräsentative Lufttemperatur eines ganzen Stadtteils bestimmen willst.

Lufttemperatur ist nicht gleich erhitztes Thermometer

Wenn Sonnenstrahlung direkt auf einen Temperatursensor trifft, kann sich der Sensor stärker erwärmen als die ihn umgebende Luft. Deshalb werden professionelle Lufttemperatursensoren gegen direkte Strahlung geschützt und gleichzeitig belüftet.

Eine klassische Thermometerhütte beziehungsweise ein moderner Strahlungsschutz soll den Sensor vor direkter Sonnenstrahlung und Niederschlag schützen, ohne den Luftaustausch zu verhindern. Der DWD nennt für die reguläre Lufttemperaturmessung eine Höhe von 2 m über Grund und einen strahlungs- und witterungsgeschützten Sensor.

Wichtig für den Schulversuch: „Sonnenstandort“ bedeutet nicht, dass die Sonne direkt auf das Thermometer scheinen soll. Gemeint ist ein Standort, dessen Umgebung sonnig ist. Der Sensor selbst wird an allen Vergleichsstellen möglichst gleichartig abgeschirmt.

Wenn in der Schule kein sicherer Aufbau in 2 m Höhe möglich ist, darfst Du beispielsweise 1,5 m verwenden. Dann muss aber an allen Messstellen dieselbe Höhe gelten und im Messstellenplan stehen: Schulmessung in 1,5 m; nicht unmittelbar mit der DWD-Standardmesshöhe von 2 m gleichzusetzen.

Untergrund als mögliche Einflussgröße

Der Untergrund kann sich unterschiedlich erwärmen, Wasser speichern, verdunsten oder Wärme an die Luft abgeben. Deshalb gehören Angaben wie kurzer Rasen, hoher Bewuchs, trockener Boden, feuchter Boden, Kies, Pflaster oder Asphalt zwingend in das Protokoll.

Das Bild eignet sich als Beobachtungsanlass für die Frage, wie verschieden sich Oberflächen erwärmen können. Die in der Commons-Dateibeschreibung genannten Temperaturunterschiede werden in diesem Kurs nicht als wissenschaftlicher Nachweis verwendet. Das Foto zeigt einen privaten Vergleich und ersetzt keine kontrollierte Messreihe.

Wenn Du den Einfluss eines Hanges untersuchen willst, sollten Hang- und Vergleichsfläche nach Möglichkeit einen ähnlichen Untergrund haben. Wenn der Hang trockener Kies und die Ebene feuchter Rasen ist, kannst Du einen Temperaturunterschied nicht eindeutig dem Relief zuschreiben.

Schatten und Sonne verändern mehr als nur Strahlung

Ein schattiger Standort kann gleichzeitig feuchter, windgeschützter, näher an Bäumen oder anders bewachsen sein. Ein sonniger Standort kann trockener oder stärker durchmischt sein. Deshalb darfst Du aus „im Schatten war es kühler“ nicht automatisch folgern, dass ausschließlich die fehlende direkte Sonnenstrahlung die Ursache war.

Bei jedem Messzeitpunkt notierst Du deshalb den aktuellen Zustand: Sonne, Schatten, wechselnde Bewölkung, Wind, sichtbare Bodenfeuchte und besondere Veränderungen. Auf E-Niveau notierst Du zusätzlich, ob sich der Schatten während der Messphase verschoben hat und welche Himmelsrichtung ein Hang hat.

Hang ist nicht gleich Hang

Für einen Hang reichen die Wörter „steil“ oder „schräg“ nicht. Wichtig sind mindestens Hangneigung und Hangexposition. Ein nach Süden gerichteter Hang erhält in Mitteleuropa unter vielen Bedingungen eine andere Einstrahlung als ein Nordhang. Auch Kaltluft kann sich nachts oder bei ruhigem Wetter in tieferen Bereichen sammeln.

Für den Werkstattkurs reicht auf dem Einstiegsniveau eine einfache Angabe wie „Südhang, etwa 15° geneigt“. Auf E-Niveau kannst Du die Neigung mit einer Neigungsmesser-App oder einem einfachen Winkelmesser bestimmen und die Himmelsrichtung mit einem Kompass erfassen.

Orientierung an öffentlichen Fachquellen

Die folgenden Quellen dienen als methodische Orientierung. Die Aussagen im Kurs sind Zusammenfassungen; es werden keine erfundenen Zitate als Originalzitate ausgegeben.

Deutscher Wetterdienst: Richtlinie für automatische nebenamtliche Wetterstationen im DWD, aktuelle Onlinefassung – besonders Standortanforderungen, Messfeld und Lufttemperaturmessung; die Onlinefassung nennt unter anderem 2 m Messhöhe, Strahlungsschutz, natürlichen Untergrund und Abstand zu störenden Einflüssen.
Deutscher Wetterdienst: Einheitliche Beobachtungsanleitung für nebenamtliche Stationen EBAN – zur Bedeutung repräsentativer Standorte, freier Exposition, Hindernissen sowie Wärme- und Feuchtequellen.
WMO: Siting Classification for Surface Observing Stations on Land – zur systematischen Bewertung der Standortumgebung und ihrer Bedeutung für die Repräsentativität.
National Weather Service: Cooperative Observer Program Siting Requirements – Behördenbeispiel für standardisierte Aufstellung, Messhöhe, typische Umgebung und Abstand zu Hindernissen.
Deutsches Museum: Alle Wetter – live! – Museumsbeispiel eines DWD-Testmessfeldes, dessen Messdaten mit einem benachbarten Erprobungsmessfeld verglichen werden.
DWD Digitale Bibliothek: Automatische nebenamtliche Wetterstationen im DWD, bibliografischer Nachweis – die dort dokumentierte Ausgabe von 2017 ist als CC BY 4.0 gekennzeichnet.

Werkstattaufbau

Zeitrahmen

Der Kurs kann als Projekt über mehrere Unterrichtsstunden durchgeführt werden. Eine mögliche Struktur besteht aus einer Vorbereitungsstunde, einer Geländeerkundung, drei kurzen Messfenstern über einen Tag verteilt und einer Auswertungs- und Produktphase. Wenn nur eine Doppelstunde zur Verfügung steht, kannst Du mit dem vollständig mitgelieferten Übungsdatensatz arbeiten und zusätzlich einen Messstellenplan für eine spätere reale Messung entwickeln.

Benötigte Geräte

Temperatursensoren: möglichst vier baugleiche digitale Sensoren oder Datenlogger
Strahlungsschutz: vier möglichst gleichartige, belüftete weiße Schutzgehäuse
Messhöhe: Stative, Stäbe oder sichere Halterungen
Dokumentation: Klemmbrett, Stift, Lageplan und die Tabellen dieses Kurses
Orientierung: Kompass oder Kompass-App
Hangneigung: optional Winkelmesser oder Neigungsmesser-App
Zeitmessung: eine gemeinsame Uhr für alle Gruppen
Sicherheit: wetterangepasste Kleidung und nur von der Lehrkraft freigegebene Messorte

Die Arbeitsblätter, Protokolle, Auswertungstabellen, Hilfen und Prüfkriterien sind vollständig in diesem aiMOOC enthalten. Externe Arbeitsblätter sind nicht erforderlich.

Sicherheit und Datenschutz

Miss nicht an stark befahrenen Straßen, auf rutschigen oder steilen Hängen, bei Gewitter oder an unübersichtlichen Stellen. Geräte werden standsicher aufgebaut. Fotos dienen nur der Standortdokumentation; vermeide erkennbar abgebildete Personen und veröffentliche keine personenbezogenen Daten.

Werkstattfrage und Versuchslogik

Vier Standorttypen, aber paarweise vergleichen

Ein häufiger Fehler besteht darin, vier sehr verschiedene Orte zu messen und anschließend alle Unterschiede einer einzigen Ursache zuzuschreiben. Besser sind gezielte Paarvergleiche.

Vergleich	Messstelle A	Messstelle B	Hauptunterschied	Möglichst gleich halten
Schatten gegen Sonne	schattig, eben	sonnig, eben	Besonnung der Umgebung	Untergrund, Messhöhe, Gerätetyp, Schutz, Zeitpunkt, Abstand zu Gebäuden
Hang gegen Ebene	sonnig, eben	sonnig, Hang	Relief und Hanglage	Untergrund, Messhöhe, Schutz, Zeitpunkt, möglichst ähnliche Umgebung
Erweiterung	schattig, Hang	schattig, eben	Relief unter schattigen Bedingungen	Untergrund, Messhöhe, Schutz, Zeitpunkt

So entstehen vier interessante Standorttypen: Schatten, Sonne, Hang und Ebene. Entscheidend ist aber, dass Du für eine einzelne Aussage immer prüfst, welche Merkmale sich gleichzeitig unterscheiden.

Beispiel für sinnvolle Messstellenkennungen

Kürzel	Standorttyp	Beispielbeschreibung	Wofür geeignet?
S-E	Schatten, eben	Rasenfläche unter dauerhaftem Gebäudeschatten, freie Luftbewegung	Paarvergleich mit SO-E
SO-E	Sonne, eben	offene Rasenfläche, ebener Untergrund	Paarvergleich mit S-E und SO-H
SO-H	Sonne, Hang	sonniger Rasenhang mit dokumentierter Exposition	Paarvergleich mit SO-E
S-H	Schatten, Hang	beschatteter Rasenhang	zusätzliche Kontrolle des Hangeffekts

Diese vier Messstellen sind ein Planungsmodell. Du darfst andere Orte wählen, musst aber begründen, welche Vergleiche dadurch möglich und welche nicht möglich sind.

Vergleichbare Messzeitpunkte und Geräte planen

Zeitplan

Für einen Schultag ist beispielsweise folgende Messstrategie geeignet: ein Messfenster am Morgen, eines um die Mittagszeit und eines am Nachmittag. Die Gruppen messen an allen Standorten jeweils möglichst gleichzeitig oder innerhalb eines sehr engen Zeitfensters.

Beispiel für die Planung, nicht als Naturgesetz: 08:30 Uhr, 12:30 Uhr und 15:30 Uhr.

Wenn vier Sensoren vorhanden sind, misst jede Station gleichzeitig. Wenn nur ein Sensor vorhanden ist, entsteht durch das Nacheinander-Messen eine zusätzliche Unsicherheit, weil sich Wetter und Sonneneinstrahlung während des Rundgangs ändern können. Dann solltest Du die Reihenfolge zwischen den Durchgängen wechseln und die Zeit jeder Einzelmessung genau notieren.

Gerätevergleich vor dem Einsatz

Bevor die Sensoren auf verschiedene Standorte verteilt werden, stellst Du sie für einen kurzen Test dicht nebeneinander unter identische Bedingungen. Warte, bis sich die Anzeigen stabilisiert haben, und notiere mehrere Werte. Unterschiede zwischen den Geräten werden als Geräteoffset dokumentiert.

Kursregel: Auffällige Geräteunterschiede werden nicht heimlich „wegkorrigiert“, sondern sichtbar gemacht. Eine starre Grenzzahl wird hier bewusst nicht als amtliche Norm vorgegeben. Auf E-Niveau kannst Du begründen, ob ein Offset gegenüber den später beobachteten Standortunterschieden klein oder groß ist.

Messdauer und Ablesung

Nach dem Aufbau braucht ein Sensor Zeit, sich an den Standort anzupassen. Verwende für alle Messstellen dieselbe Wartezeit. Danach kannst Du beispielsweise drei Ablesungen in gleichen Abständen durchführen. Die genaue Warte- und Ablesestrategie muss im Messstellenplan stehen.

Wenn ein Gerät Daten automatisch aufzeichnet, verwende an allen Standorten dieselbe Speicherfrequenz und denselben Auswertungszeitraum.

Material A: Messstellen-Steckbrief

Für jede Messstelle wird ein eigener Steckbrief ausgefüllt.

Merkmal	Eintrag
Messstellen-Kürzel
Datum
Lagebeschreibung
Sonne oder Schatten zum Messzeitpunkt
Ebene oder Hang
Hangexposition
geschätzte oder gemessene Hangneigung
Untergrund
Boden trocken, feucht oder nass
Vegetation
Abstand zu Gebäude, Mauer, Hecke oder Asphaltfläche
Messhöhe
Strahlungsschutz
Geräte-ID
Wind auffällig oder ruhig
Bewölkung
Besonderheiten oder Veränderungen
Foto vorhanden	ja / nein

Material B: Messprotokoll für eigene Messreihen

Datum	Uhrzeit	Messstelle	Geräte-ID	Messhöhe	Wert 1	Wert 2	Wert 3	Sonne/Schatten	Untergrundzustand	Wind/Bewölkung	Bemerkung

Füge für jeden weiteren Messzeitpunkt neue Zeilen ein. Runde nur so genau, wie es die Anzeige des Geräts sinnvoll zulässt.

Material C: Konstruiertes Übungsbeispiel

Datenherkunft: Die folgenden Werte wurden eigens für diesen aiMOOC als fiktiver Übungsdatensatz konstruiert. Sie stammen weder vom DWD noch von einer realen Schulmessung. Sie dienen nur dazu, die Auswertungsmethode zu üben.

Angenommen, vier baugleiche Sensoren wurden gleichartig abgeschirmt und zeitgleich in gleicher Höhe eingesetzt.

Zeitpunkt	S-E Schatten eben	SO-E Sonne eben	SO-H Sonne Südhang	S-H Schatten Hang
08:30	13,9 °C	14,3 °C	14,8 °C	14,2 °C
12:30	19,4 °C	20,2 °C	20,9 °C	19,8 °C
15:30	20,1 °C	21,0 °C	21,7 °C	20,5 °C

Diese Zahlen zeigen absichtlich erkennbare Unterschiede. Sie beweisen aber keine allgemeine Regel. Andere Tage, Windlagen, Wolken, Jahreszeiten, Böden oder Hangrichtungen könnten andere Muster ergeben.

Auswertung auf Einstiegsniveau

Vergleiche zunächst nur passende Paare. Für den Einfluss des sonnigen gegenüber dem schattigen ebenen Standort vergleichst Du S-E mit SO-E. Für den Hangvergleich vergleichst Du SO-E mit SO-H.

Du kannst für jeden Zeitpunkt die Differenz bilden:

Differenz = Wert an Vergleichsstelle B minus Wert an Vergleichsstelle A

Eine positive Differenz bedeutet nur, dass B zu diesem Zeitpunkt einen höheren Messwert hatte. Sie sagt noch nicht automatisch, warum.

Vertiefung M

Auf M-Niveau berechnest Du für jeden Paarvergleich die drei Differenzen und anschließend ihren Mittelwert. Zusätzlich gibst Du die kleinste und größte Differenz an. Danach prüfst Du, ob das Muster an allen Zeitpunkten gleichgerichtet war.

Ein Mittelwert aus drei Zeitpunkten ist noch keine Klimastatistik. Er beschreibt nur diese kleine Messreihe.

Vertiefung E

Auf E-Niveau prüfst Du zusätzlich:

Wie groß waren die Unterschiede der Sensoren beim Vorabvergleich?
Veränderten sich Bewölkung, Wind oder Schatten während eines Messfensters?
Wurden Hang und Ebene wirklich über demselben Untergrund gemessen?
Kann ein beobachteter Unterschied auch durch Bodenfeuchte, Gebäude, Vegetation oder Höhenlage erklärt werden?
Welche Aussage bleibt übrig, wenn Du nur das behauptest, was Deine Daten tatsächlich tragen?

Du kannst außerdem eine zweite Messrunde an einem anderen Tag planen. Erst Wiederholungen unter verschiedenen Wetterlagen zeigen, ob ein Muster stabil bleibt.

Material D: Prüftabelle für Vergleichbarkeit

Bewerte jedes Kriterienpaar mit erfüllt, teilweise erfüllt oder nicht erfüllt.

Prüfkriterium	erfüllt	teilweise	nicht	Begründung
gleicher Messzeitpunkt
gleiche Messhöhe
gleicher Gerätetyp
Geräte vorher gemeinsam geprüft
gleicher Strahlungsschutz
vergleichbarer Untergrund
ähnliche Entfernung zu Gebäuden
Hangrichtung dokumentiert
Bodenfeuchte dokumentiert
Bewölkung und Wind dokumentiert

Produkt: Messstellenplan

Dein Messstellenplan ist mehr als eine Karte. Er verbindet räumliche Planung, Messmethode und Begründung.

Pflichtbestandteile

Lageplan: Zeichne oder skizziere alle Messstellen mit Kürzel.
Forschungsfrage: Formuliere, welcher Unterschied untersucht werden soll.
Paarvergleich: Zeige, welche Messstellen direkt miteinander verglichen werden.
Standortbeschreibung: Kennzeichne Schatten, Sonne, Hang, Ebene, Vegetation und Hindernisse.
Untergrund: Notiere Art und Zustand des Bodens.
Messhöhe: Gib die Höhe für alle Sensoren an.
Geräte: Vermerke Geräte-ID, Bauart und Vorabvergleich.
Messzeit: Lege Zeitfenster und Synchronisation fest.
Strahlungsschutz: Beschreibe die einheitliche Abschirmung.
Grenzen: Nenne mindestens drei Gründe, warum die Ergebnisse nicht unbegrenzt verallgemeinert werden dürfen.

Vorlage für die Begründung

Messstelle ___ ist für den Vergleich mit ___ geeignet, weil ... . Gleich gehalten werden ... . Unvermeidbar verschieden bleiben ... . Deshalb kann unsere Messreihe zeigen ... , aber sie kann nicht sicher beweisen ... .

Mindestanforderungen an benannte Grenzen

Ein guter Messstellenplan nennt seine Grenzen ausdrücklich. Typische Grenzen können sein: kurze Messdauer, nur wenige Standorte, begrenzte Gerätegenauigkeit, nicht amtliche Messhöhe, wechselnde Bewölkung, unterschiedliche Bodenfeuchte, sich bewegender Schatten, verschiedene Windabschirmung oder nur ein einziger Messtag.

Wichtig: „Unsere Messung ist ungenau“ ist zu pauschal. Benenne stattdessen, welche Unsicherheit wodurch entsteht und welche Aussage sie begrenzt.

Messunsicherheit und Datenherkunft

Unsicherheit ist kein Fehlergeständnis

Messunsicherheit bedeutet nicht, dass die Messung wertlos ist. Sie beschreibt, wie sicher Du einen Wert oder einen Unterschied einordnen kannst. Ein wissenschaftlich gutes Ergebnis darf lauten: „Wir beobachteten an diesem Tag einen Unterschied, können aber wegen unterschiedlicher Bodenfeuchte nicht entscheiden, wie viel davon durch die Hanglage verursacht wurde.“

Unsicherheitsprotokoll

Mögliche Unsicherheit	mögliche Wirkung	Wie dokumentiert oder verringert?
Geräte unterscheiden sich	Messstellen können scheinbar verschieden wirken	gemeinsamer Vorabvergleich
Messungen nicht gleichzeitig	Wetteränderung wird mit Standortunterschied verwechselt	enges Zeitfenster oder synchrone Sensoren
Schatten wandert	Standortkategorie verändert sich	Schattenzustand je Zeitpunkt notieren
Untergrund verschieden	zusätzliche Wärme- oder Feuchtewirkung	Paarstandorte besser abstimmen
Hangrichtung unbekannt	Strahlungsunterschied schwer deutbar	Kompassangabe
Wind unterschiedlich	Wärmeabtransport verändert sich	Windzustand protokollieren
nur ein Messtag	geringe Übertragbarkeit	Wiederholung an weiteren Tagen

Datenherkunft sauber kennzeichnen

Im fertigen Produkt unterscheidest Du mindestens drei Arten von Informationen:

Eigene Messdaten: von Deiner Gruppe erhoben; mit Datum, Uhrzeit, Geräte-ID und Messstelle.
Konstruiertes Unterrichtsmaterial: wie Material C; ausdrücklich als fiktiv gekennzeichnet.
Externe Fachinformationen: zum Beispiel DWD-, WMO-, NWS- oder Museumsquellen; mit Belegstelle.

So wird sichtbar, welche Aussage auf welcher Datenquelle beruht.

Drei kurze Auswahlaufgaben mit Hilfen, Belegen und Lösungen

Auswahlaufgabe 1: Schatten gegen Sonne

Du willst möglichst gezielt untersuchen, ob sich ein sonniger und ein schattiger Standort unterscheiden. Welche Auswahl ist methodisch am besten?

Option	Planung
A	Zwei ebene Rasenflächen, gleiche Messhöhe und gleiche Sensorabschirmung; eine liegt im Schatten, eine in der Sonne.
B	Schatten auf feuchtem Rasen gegen Sonne auf Asphalt.
C	Sonnige Ebene gegen sonnigen Südhang.
D	Schattiger Hang gegen sonnige Ebene mit anderer Messhöhe.

Hilfestufe 1: Überlege, wie viele Merkmale sich gleichzeitig ändern.

Hilfestufe 2: Für diesen Vergleich soll möglichst nur die Besonnung der Standortumgebung verschieden sein; Untergrund, Höhe und Aufbau sollten möglichst gleich bleiben.

Belegstellen: DWD-Richtlinie zur Lufttemperatur und zum natürlichen Untergrund: DWD. WMO zur Bedeutung der Standortumgebung: WMO.

Lösung: A ist am besten. Hier unterscheidet sich in erster Linie die Besonnung der Umgebung. Bei B verändert sich zusätzlich der Untergrund, bei C wird gar nicht Schatten gegen Sonne verglichen und bei D ändern sich mehrere Bedingungen gleichzeitig. Auch bei A bleiben mögliche Unterschiede in Wind, Feuchte oder Umgebung bestehen; deshalb müssen sie protokolliert werden.

Auswahlaufgabe 2: Gleichzeitigkeit und Geräte

Welche Messstrategie liefert den fairsten Vergleich zwischen vier Standorten?

Option	Planung
A	Vier vorher gemeinsam geprüfte Sensoren messen gleichzeitig mit gleicher Höhe und gleichem Strahlungsschutz.
B	Ein Sensor wird nacheinander über 40 Minuten ohne feste Reihenfolge an allen Orten abgelesen.
C	Vier verschiedene Thermometertypen messen gleichzeitig, ohne Vorabvergleich.
D	Jede Gruppe wählt selbst Messhöhe, Wartezeit und Ablesezeit.

Hilfestufe 1: Denke an Veränderungen des Wetters während der Messung.

Hilfestufe 2: Idealerweise werden Zeit, Höhe und Schutz gleich gehalten und Geräteunterschiede vorher sichtbar gemacht.

Belegstellen: Die WMO betont Standardisierung und Standortdokumentation: WMO IMOP. Das Deutsche Museum beschreibt ein DWD-Testmessfeld, dessen Daten mit einem benachbarten Erprobungsmessfeld verglichen werden: Deutsches Museum.

Lösung: A ist am besten. Gleichzeitig gemessene Werte verringern den Einfluss zeitlicher Wetteränderungen. Der Vorabvergleich macht sichtbar, ob sich die Geräte systematisch unterscheiden. Auch A ist nicht perfekt, weil verschiedene Sensoren kleine Unterschiede behalten können.

Auswahlaufgabe 3: Hangwirkung beurteilen

Am sonnigen Hang werden 1,0 °C mehr gemessen als auf der Ebene. Der Hang besteht aus trockenem Kies, die Ebene aus feuchtem Rasen. Welche Schlussfolgerung ist am besten begründet?

Option	Aussage
A	Der Unterschied kann nicht eindeutig dem Hang zugeschrieben werden; der Versuch sollte mit vergleichbarerem Untergrund wiederholt werden.
B	Hänge sind immer genau 1,0 °C wärmer als Ebenen.
C	Das Thermometer auf dem Rasen muss defekt sein.
D	Der Untergrund ist für Lufttemperatur grundsätzlich bedeutungslos.

Hilfestufe 1: Suche nach einer zweiten veränderten Bedingung.

Hilfestufe 2: Relief und Untergrund unterscheiden sich gleichzeitig.

Belegstellen: DWD zur Bedeutung von Untergrund, Versiegelung und Wärmequellen: DWD. NWS zur typischen Standortumgebung eines Temperatursensors: NWS.

Lösung: A ist richtig. Die Messung zeigt einen Unterschied zwischen zwei Orten, aber sie trennt den Einfluss des Hanges nicht vom Einfluss des Untergrunds. Eine Wiederholung mit vergleichbarer Bodenbedeckung verbessert die Aussagekraft.

Freie Urteile: offen, aber prüfbar

Bei einer echten Standortwahl gibt es oft nicht nur eine einzig richtige Entscheidung. Deshalb bleiben begründete Urteile offen. Sie werden aber nach transparenten Kriterien geprüft.

Urteilsmodell BBU

Nutze das Modell Behauptung – Beleg – Unsicherheit.

Behauptung: Welche Messstelle oder welcher Plan ist für Deine Forschungsfrage geeigneter?
Beleg: Welche Beobachtung, Messung oder Fachquelle stützt Deine Entscheidung?
Unsicherheit: Welche alternative Erklärung oder Grenze bleibt bestehen?

Ein mögliches Satzgerüst lautet: „Ich beurteile Messstelle ___ als geeigneter für ___, weil ___. Dafür spricht ___. Unsicher bleibt ___, deshalb würde ich zusätzlich ___.“

Prüfkriterien für offene Urteile

Kriterium	überzeugend	teilweise	noch zu verbessern
Forschungsfrage ist klar	Urteil passt genau zur Frage	Frage nur teilweise berücksichtigt	Urteil ohne klare Frage
Vergleichbarkeit	wichtige Kontrollvariablen benannt	einige Kontrollvariablen fehlen	Unterschiede werden nicht geprüft
Belege	eigene Daten und Fachquelle sauber getrennt	nur eine Belegart genutzt	Behauptung ohne Beleg
Alternativerklärungen	mindestens eine plausible Alternative geprüft	Alternative nur erwähnt	keine Alternative berücksichtigt
Grenzen	Reichweite der Aussage klar begrenzt	Grenze allgemein genannt	übertriebene Verallgemeinerung

Es gibt bei offenen Urteilen keine vorgegebene Musterposition. Bewertet wird die Qualität der Begründung.

Transferfall: Lärmmessung auf dem Schulgelände

Die Prinzipien der Vergleichbarkeit gelten auch außerhalb der Meteorologie. Stell Dir vor, Du willst den Schallpegel am Haupteingang und in einem Innenhof vergleichen.

Du müsstest unter anderem dieselbe Messmethode, ähnliche Messdauer, gleiche Gerätehöhe, vergleichbare Tageszeiten und möglichst ähnliche Verkehrssituationen berücksichtigen. Auch Wind, Mauern, Abstand zur Straße und kurzfristige Ereignisse wie ein vorbeifahrender Lkw könnten den Messwert verändern.

Transferauftrag: Erstelle einen Lärmmessstellenplan mit zwei Paarstandorten. Benenne mindestens fünf Bedingungen, die gleich gehalten oder dokumentiert werden müssen. Formuliere anschließend ausdrücklich, warum eine Smartphone-App ohne Kalibrierung nicht automatisch eine amtlich verwertbare Lärmmessung liefert.

Der Transferfall zeigt: Vergleichbarkeit, Metadaten und begrenzte Schlussfolgerungen sind allgemeine Prinzipien empirischer Arbeit.

Medien und Rechte

Die Medien in diesem aiMOOC werden mit ihrer Herkunft und ihrer Rechteinformation transparent gemacht. Prüfe die jeweilige Dateiseite, wenn Du Medien außerhalb von moocwiki weiterverwenden möchtest.

– Wikimedia Commons; Urheberkonto „Ulm digitale agenda“; auf der Dateiseite als CC0 1.0 gekennzeichnet: Commons-Dateiseite.
– Wikimedia Commons; laut Dateiseite vom Urheber in die Public Domain gegeben: Commons-Dateiseite.
– Wikimedia Commons; Danielteolijr; CC BY-SA 4.0: Commons-Dateiseite.
– Wikimedia Commons; John Sutton/Geograph; CC BY-SA 2.0: Commons-Dateiseite.
WDR-YouTube-Video „Wetter-Apps: Wie zuverlässig sind sie und wie entstehen Wettervorhersagen?“ – Rechte verbleiben beim WDR beziehungsweise den Rechteinhabern; die Einbettung macht das Video nicht zu einer freien OER-Lizenz. Verfügbarkeit und Nutzungsbedingungen können sich ändern.
WDR-YouTube-Video „Woher weiß man, wie das Wetter wird?“ – ebenfalls kein hier behaupteter OER-Status; Rechte und Plattformbedingungen bleiben beim jeweiligen Rechteinhaber und bei YouTube.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Bedingung sollte bei einem direkten Temperaturvergleich möglichst gleich sein? (Messhöhe) (!Hangrichtung) (!Schattenstatus) (!Standorttyp)

Was ist für eine reguläre Lufttemperaturmessung nach DWD-Orientierung wichtig? (Ein strahlungsgeschützter und belüfteter Sensor) (!Ein schwarzes Thermometer in direkter Sonne) (!Eine Messung direkt auf Asphalt) (!Ein Sensor an einer warmen Hauswand)

Warum wird der Untergrund dokumentiert? (Weil er die Standortbedingungen und Wärmeabgabe beeinflussen kann) (!Weil nur die Farbe des Protokolls davon abhängt) (!Weil der Untergrund die Uhrzeit festlegt) (!Weil Hangneigung damit automatisch berechnet wird)

Welche Messung untersucht am gezieltesten Sonne gegen Schatten? (Zwei ebene Rasenstandorte mit gleichem Aufbau und unterschiedlicher Besonnung) (!Ein sonniger Asphaltplatz gegen einen schattigen Rasenplatz) (!Ein Südhang gegen eine schattige Senke) (!Eine Messung morgens und eine andere abends an verschiedenen Orten)

Warum sind gleichzeitige Messungen günstig? (Sie verringern den Einfluss zeitlicher Wetteränderungen auf den Vergleich) (!Sie machen einen Strahlungsschutz überflüssig) (!Sie beseitigen jeden Gerätefehler) (!Sie garantieren identische Untergründe)

Was gehört zu den Metadaten einer Messung? (Geräte-ID und Messzeit) (!Nur das Endergebnis) (!Nur die höchste Temperatur) (!Nur der Name der Gruppe)

Welche Aussage zu einem sonnigen Hang ist wissenschaftlich vorsichtig? (Ein beobachteter Unterschied kann mehrere Ursachen haben und muss mit Standortangaben bewertet werden) (!Ein sonniger Hang ist immer gleich warm) (!Jeder Hang ist wärmer als jede Ebene) (!Untergrund und Wind spielen am Hang keine Rolle)

Was bedeutet Messunsicherheit in diesem Kurs? (Sie beschreibt Grenzen der Sicherheit und Deutung eines Messwerts) (!Sie bedeutet automatisch, dass die Messung falsch ist) (!Sie darf im Bericht nicht erwähnt werden) (!Sie entsteht nur bei analogen Thermometern)

Welche Schlussfolgerung ist nach nur einem Messtag angemessen? (Die Aussage gilt zunächst für die untersuchten Orte und Zeitpunkte) (!Das Ergebnis beschreibt das Klima der ganzen Region) (!Das Ergebnis gilt für jede Jahreszeit) (!Das Ergebnis beweist eine allgemeine Naturregel)

Was gehört unbedingt in einen guten Messstellenplan? (Begründete Grenzen der eigenen Aussage) (!Nur eine schöne Karte ohne Methode) (!Nur die höchste gemessene Zahl) (!Nur ein Foto der sonnigsten Stelle)

Memory

Messhöhe	Abstand des Sensors zum Boden
Untergrund	Bodenoberfläche am Messort
Geräte-ID	Zuordnung eines Messwerts zu einem Sensor
Hangexposition	Himmelsrichtung einer geneigten Fläche
Metadaten	Zusatzangaben zur Einordnung von Messwerten
Strahlungsschutz	Abschirmung des Temperatursensors gegen direkte Einstrahlung
Vergleichbarkeit	möglichst kontrollierte Bedingungen zwischen Messstellen
Unsicherheit	begrenzte Sicherheit einer Messung oder Deutung

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Gleiche Messhöhe	Vergleichbare vertikale Position
Gleicher Messzeitpunkt	Weniger Einfluss zeitlicher Wetteränderung
Untergrund dokumentieren	Zusätzliche Wärme- und Feuchteeinflüsse erkennen
Geräte vorher vergleichen	Sensorunterschiede sichtbar machen
Grenzen benennen	Übertriebene Verallgemeinerungen vermeiden

Kreuzworträtsel

Metadaten	Wie heißen Zusatzangaben wie Uhrzeit, Messhöhe und Geräte-ID?
Untergrund	Wie heißt die Bodenoberfläche direkt an einer Messstelle?
Strahlungsschutz	Wie heißt eine Vorrichtung, die direkte Sonnenstrahlung vom Temperatursensor fernhält?
Hangneigung	Wie heißt der Winkel, der die Steilheit eines Hanges beschreibt?
Kalibrierung	Wie nennt man die messtechnische Zuordnung eines Geräts zu bekannten Referenzwerten?
Unsicherheit	Welcher Begriff beschreibt die begrenzte Sicherheit eines Messwerts oder seiner Deutung?

LearningApps

Lückentext

Für einen fairen Vergleich sollten Messstellen möglichst zur gleichen

untersucht werden. Die Sensoren sollten an allen Vergleichsorten dieselbe

besitzen. Direkte Sonnenstrahlung auf einen Temperatursensor wird durch einen geeigneten

vermindert. Angaben zu Rasen, Kies oder Asphalt beschreiben den

. Die Richtung, in die ein Hang zeigt, heißt

. Zusatzinformationen zu Gerät, Ort und Messmethode nennt man

. Wenn zwei Sensoren schon nebeneinander verschiedene Werte zeigen, muss ein möglicher

berücksichtigt werden. Ein Messwert aus nur einem Schultag darf nicht ohne Weiteres als Aussage über das

verallgemeinert werden. Eine alternative Erklärung für einen Messunterschied ist eine mögliche

. Wissenschaftlich sorgfältige Ergebnisse nennen ausdrücklich ihre

.

Offene Aufgaben

Leicht

Messstellen-Skizze: Zeichne vier mögliche Messstellen auf dem Schulgelände und kennzeichne Sonne, Schatten, Hang und Ebene.
Untergrund-Protokoll: Fotografiere oder beschreibe vier Bodenoberflächen und notiere, welche davon sich für einen Paarvergleich gut oder schlecht eignen.
Kontrollvariablen: Formuliere fünf Bedingungen, die bei zwei Temperaturmessstellen möglichst gleich sein sollten.
Grenzensatz: Schreibe zu einer erfundenen Messung einen Satz, der klar sagt, was aus einem einzigen Messtag nicht geschlossen werden darf.

Standard

Messstellenplan: Erstelle einen vollständigen Plan mit mindestens drei Messstellen, Paarvergleichen, Geräteangaben, Zeitfenstern und begründeten Grenzen.
Messreihe: Führe an mindestens zwei Standorten drei zeitgleiche oder eng getaktete Messungen durch und dokumentiere alle Metadaten.
Datenvergleich: Berechne für zwei Paarstandorte die Differenzen und erkläre, ob sich ein stabiles Muster zeigt.
Quellencheck: Vergleiche eine eigene Planungsregel mit einer DWD- oder WMO-Belegstelle und erkläre, welche Regel Du übernommen und welche Du bewusst für den Schulversuch angepasst hast.

Schwer

Gerätevergleich: Prüfe mehrere Sensoren vor der Feldmessung gemeinsam, dokumentiere ihre Abweichungen und beurteile, wie stark diese Deine Standortvergleiche beeinflussen könnten.
Störgrößenanalyse: Wähle einen beobachteten Temperaturunterschied und entwickle mindestens drei alternative Erklärungen außer der zuerst vermuteten Ursache.
Wiederholungsdesign: Plane eine zweite Messkampagne an einem Tag mit anderer Wetterlage und begründe, welche Unsicherheit dadurch verringert werden soll.
Transfer Lärmmessung: Übertrage das gesamte Prinzip der Vergleichbarkeit auf zwei Lärmmessstellen und entwickle dafür einen eigenen Messstellenplan mit Prüfkriterien.

Lernkontrolle

Vergleichsdesign bewerten: Zwei Gruppen messen „Sonne gegen Schatten“. Gruppe A nutzt gleiche Rasenflächen und gleiche Sensorhöhe, Gruppe B vergleicht Asphalt in Sonne mit Rasen im Schatten. Beurteile, welche Aussagen beide Gruppen jeweils treffen dürfen und welche nicht.
Ursachen trennen: An einem Südhang ist die gemessene Temperatur höher als auf einer Ebene. Entwickle mindestens drei mögliche Ursachen und entwirf für jede eine Möglichkeit, sie in einer Folgemessung besser zu kontrollieren.
Zeit als Störgröße: Erkläre, warum eine Rundmessung mit nur einem Thermometer über 45 Minuten andere Unsicherheiten besitzt als vier gleichzeitige Sensoren. Entwickle eine Strategie, wie ein Ein-Sensor-Versuch trotzdem verbessert werden kann.
Metadaten rekonstruieren: Du erhältst eine Tabelle mit Temperaturwerten, aber ohne Angaben zu Messhöhe, Untergrund und Gerät. Erkläre, welche Deutungen dadurch unsicher werden und welche Informationen Du nachfordern würdest.
Amtlich und schulisch vergleichen: Begründe, warum ein Schulversuch in 1,5 m Höhe trotz guter Vergleichbarkeit nicht einfach als DWD-Standardmessung bezeichnet werden darf.
Transferentscheidung: Übertrage das Prinzip „nur eine Hauptvariable verändern“ auf einen Vergleich von Lärmpegeln oder Bodenfeuchte und zeige, welche Kontrollvariablen dort wichtig wären.

Lernnachweis

Für einen erfolgreichen Lernnachweis zu diesem Thema sind besonders wichtig:

Du kannst eine klare Forschungsfrage für einen räumlichen Messvergleich formulieren.
Du kannst Messstellen so auswählen, dass sinnvolle Paarvergleiche entstehen.
Du dokumentierst Zeit, Messhöhe, Gerät, Strahlungsschutz, Untergrund und Standortumgebung.
Du unterscheidest eigene Messdaten, konstruiertes Unterrichtsmaterial und externe Fachquellen.
Du wertest Messunterschiede nachvollziehbar aus, ohne aus wenigen Daten zu viel abzuleiten.
Du benennst Störgrößen und alternative Erklärungen.
Du formulierst Grenzen und Unsicherheiten ausdrücklich.
Du kannst das Prinzip der Vergleichbarkeit auf einen anderen Messbereich übertragen.

OERs zum Thema

Als weiterführende offene Quelle eignet sich außerdem Wetterstation. Für konkrete Standortstandards sind die oben verlinkten DWD- und WMO-Quellen methodisch wichtiger als eine allgemeine Enzyklopädiedarstellung.

Verknüpfte Lernbereiche

Messstellen unter vergleichbaren Bedingungen

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