Wie funktioniert ein Höhenmesser?

Barometrische Basisinstrumente – das klingt in Zeiten von GPS und Glascockpit ein bisschen nach Avionikmuseum. Und doch sind die drei Klassiker, die so bezeichnet werden, aus keinem Cockpit wegzudenken: Fahrtmesser, Variometer und Höhenmesser. Alle drei messen den Luftdruck außerhalb des Flugzeugs und erzeugen daraus ihre Anzeigen. Weil Luft aber ein sehr wechselhaftes Medium ist, das von Druckund Temperaturschwankungen beherrscht wird, braucht es Korrekturhilfen technischer Art und die Fähigkeit, die Daten zu interpretieren, um latente Gefahren auszuschließen.

Wir wollen uns mit jenem der drei genannten Instrumente beschäftigen, das durch seinen Hang zur Ungenauigkeit womöglich den Titel „größter Lügenbold im Panel“ verdient: der Höhenmesser. Egal, ob im einfachsten Flugzeug oder im ausgefeilten Glascockpit: Eigentlich leistet der Höhenmesser nicht mehr als das häusliche Barometer. Er zeigt den Luftdruck an. Einziger Unterschied: Er zeigt ihn nicht in Hektopascal (hPa) an, sondern als Höhe in Fuß oder Meter.

Welche Höhe zeigt der Höhenmesser überhaupt an?

Aber welche? Von „wahrer Höhe“, auf Englisch true altitude, kann ohnehin keine Rede sein, wie wir sehen werden. Die Unklarheit steigert sich noch dadurch, dass der deutsche Begriff Höhe im Englischen drei verschiedene Entsprechungen hat, deren Unterschiede in der Luftfahrt äußerst relevant sind: Gelände, Berge und auch Flugplätze befinden sich in einer elevation, eine Flughöhe über dem Meeresspiegel heißt altitude und als height wird die Höhe über Grund bezeichnet.

Der letzte dieser Begriffe weist auf eine wichtige Unterscheidung hin: Höhe über was? Den Abstand zum Grund (auf Englisch above ground level, kurz AGL) unter dem Flugzeug zu kennen, ist sinnvoll, wenn man zum Beispiel eine Bergkette überfliegen oder eine Gleitreichweite errechnen will. Aber er ändert sich mit jeder Unebenheit am Boden – und hat daher meist wenig Nutzen für die Praxis. Man braucht eine gemeinsame Bezugsfläche, auf die sich Höhenangaben von Bergen, Flugplätzen, Funktürmen und Flugzeugen gleichermaßen beziehen. Dafür hat sich der mittlere Meeresspiegel eingebürgert, auf Englisch mean sea level und kurz MSL. Der ist zwar je nach Weltregion etwas unterschiedlich, aber weltweit eine Referenz für Höhenangaben.

Flächen statt Höhen

In der Fliegerei hat sich noch eine andere gemeinsame Referenz etabliert, nämlich die Höhe über der dem Meereshöhen-Druck der modellhaft genormten Standardatmosphäre: 1013 hPa. Weil das mit der wahren Höhe nichts mehr zu tun hat, heißen die dann angezeigten Wert Flugfläche, auf Englisch flight level und kurz FL. Der Vorteil: Wenn Flugzeuge so hoch fliegen, dass der Abstand zum Gelände ohnehin keine Rolle mehr spielt, dann sorgt die gemeinsame Verwendung von Flugflächen dafür, das alle Verkehrsteilnehmer ihre Messgerät im gleichen Bezugssystem verwenden.

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Und was ist darunter? Der Höhenmesser zeigt Luftdruck an, der bekanntermaßen mit wachsender Höhe sinkt, weil die Luft oben dünner wird. Zugleich ändert sich aber der gesamte Luftdruck ständig durch den Einfluss des Wetters. Damit die Anzeige also wenigstens einigermaßen stimmt, muss sie auf den aktuellen Luftdruck angepasst werden. Das erledigt der Pilot mit dem Drehknopf am Gerät, indem er den in seiner Umgebung gemessenen Luftdruck auf der kleinen Skala im Höhenmesser einstellt. Die Details finden sich im Kasten oben, aber kurz gesagt: Wenn das QNH eingedreht wird, zeigt das Gerät die MSL-Höhe. Wer das vor dem Start tut, sollte prüfen, ob die angezeigte Höhe mit der des Flugplatzes übereinstimmt – ansonsten ist das Gerät defekt.

Höhe über GPS bestimmen – Das geht!

Bringt die QNH-Einstellung nun die „wahre Höhe“? Leider nein. Wahr ist die angezeigte Höhe nur, wenn alle aktuellen meteorologischen Daten der Standardatmosphäre entsprechen. Weder berücksichtigt deBar QNH-Wert die Temperatur und deren Verlauf mit der Höhe noch die tatsächliche Druckabnahme.

Glascockpit

Aber könnte nicht im schicken Glascockpit das GPS die wahre Höhe anzeigen? Es kann! Zwar beziehen sich GPS-Höhen erstmal nicht auf MSL, sondern auf eine idealisierte und vereinfachte Weltkugel, die der tatsächlichen Form der Erde nahekommt. Die meisten Geräte nutzen ein Referenzsystem, das WGS 84 heißt. Allerdings enthalten viele GPS-Navis eine Korrekturtabelle, mit der sie an allen Orten der Welt die GPS-Höhe in jene über MSL umrechnen können. Dennoch steht in den Warnhinweisen zu jedem Glascockpits deutlich, dass der barometrische Höhenmesser beim Fliegen die einzig gültige Referenz ist – nur so sind alle Luftfahrzeuge mit den gleichen Anzeigefehlern unterwegs.

Diese Fehlerquellen können beim Höhenmesser gefährlich werden

Was macht die Anzeigen des Höhenmessers also so unzuverlässig, dass sie bei bestimmten äußeren Bedingungen gefährliche Situationen hervorrufen können? Die erste Fehlerquelle ist der Pilot: Vergisst er zum Beispiel, zwischen QNH und Standardeinstellung zu wechseln (was jedem von uns schon mal passiert ist), dann kann es zu erheblichen Fehlanzeigen kommen.

Zweites Problem ist der Luftdruck in der Umgebung des Flugzeugs. Schließlich ist die Station, deren QNH ein Lotse übermittelt, womöglich weit vom eigenen Standort entfernt. Behält man einfach das QNH des Startorts bei und fliegt damit hunderte Meilen, schleichen sich deutliche Fehler ein. Jeder erinnert sich an den Merksatz: Vom Hoch ins Tief geht’s schief. Gemeint ist: Sinkt der Luftdruck im Vergleich zur QNH-Einstelltung, zeigt das Gerät mehr Höhe an als man tasächlich hat. Liegt man um 10 hPa daneben, hat man bereits eine Abweichung von etwa 270 Fuß. Das geht umso schneller, je größer die Luftdruckgegensätze sind. Auf der Wetterkarte ist das an dicht nebeneinander liegenden Isobaren erkennbar, in der Realität an viel Wind.

Hohe Berge im Winter

Doch damit nicht genug: Die Temperatur hat Einfluss darauf, wie schnell der Druck mit zunehmender Höhe abnimmt. Warme Luft expandiert, das Volumen nimmt zu, und damit entzerrt sich gewissermaßen die Druckverteilung. Das Ergebnis: In warmer Luft fliegt die Maschine in einer größeren Höhe als der Höhenmesser aufgrund des gegebenen Luftdrucks anzeigt. Genau das Gegenteil ist in kalter Luft der Fall – und das ist gefährlich: Der Höhenmesser gaukelt eine zu große Flughöhe vor. Hier geht’s also beim Übergang von hohen zu tiefen Temperaturen schief. Bekannter ist der Merksatz: Im Winter sind die Berge höher.

Zell am See

Im Vertrauen auf die angezeigte Flughöhe wähnt man sich sicher über allen Erhebungen, befindet sich aber in Wirklichkeit unterhalb der Sicherheitsmindesthöhe, möglicherweise sogar tiefer als der vorausliegende Gebirgskamm. Das könnte im Sichtflug problematisch werden, wenn man zu spät reagiert und die erforderliche Höhe zum Überflug in einem engen Tal nicht mehr meistert. Noch riskanter kann es während eines Sichtflugs bei Nacht ausgehen, bei dem die Hindernisse im Dunklen liegen.

Fehler möglich: Höhenmessung beim Überflug der Alpen

Sind die temperaturbedingten Abweichungen in niedrigen Höhen noch überschaubar, schlagen sie bei einem Überflug der Alpen wirklich relevant zu Buche. IFR-Piloten kann es passieren, dass die gewünschte Flugfläche bei großer Kälte gar nicht im Angebot steht, weil sie unterhalb der Sicherheitsmindesthöhe liegt. Mit einem Minimum Useable Flight Level (MUFL) garantiert ATC auch bei ungünstigen Bedingungen einen ausreichenden Abstand zu den Berggipfeln.

Bei Föhnwetterlagen kann über dem Gebirge ebenso wie in engen Schluchten noch ein weiterer Fehler die Anzeige verfälschen: Luft, die schnell über Berge oder durch eine Verengung strömt, verändert durch den Bernoulli-Effekt ihren Druck. Und weil der Höhenmesser nun mal nichts anderes misst, fällt er auch auf diesen Fehler herein.

Wie stelle ich den Höhenmesser richtig ein?

Die Höhenmesseranzeige kann beim Fliegen nur sinnvoll verwendet werden, wenn sie auf den aktuellen Luftdruck oder einen gemeinsamen Druckstandard korrigiert wird. Eine Temperaturkorrektur erfolgt nicht. Die entsprechende Einstellung erfolgt bei uns in der Einheit Hektopascal (der Zahlenwert ist identisch mit den früher verwendeten Millibar), in den USA dagegen in der Einheit in Hg (Zoll Quecksilbersäule). Überliefert aus Morsecode-Zeiten tragen die unterschiedlichen Korrekturmethoden sogenannte Q-Codes als Namen. Zwei sind im Cockpit relevant, eine dritte Einstellung ist ebenfalls wichtig:

• QNH Der an einer Station gemessene Luftdruck wird abhängig von der Höhe der Station so umgerechnet, dass er dem Luftdruck auf Meereshöhe entspricht. Dabei werden Temperaturund Druckverlauf der Standardatmosphäre angenommen, was kleine Fehler bewirken kann. Ein Höhenmesser mit QNH-Einstellung zeigt also die MSL-Höhe an. QNH ist in der motorgetriebene Luftfahrt die gängige Höhenmessereinstellung in Bodennähe. In den USA ist der Begriff QNH unbekannt, dort heißt der Wert schlicht „altimeter setting“.

• QFE Der an einer Station gemessen Luftdruck ohne Umrechnung
  auf Meereshöhe. Ist der Höhenmesser auf QFE eingestellt, zeigt er
  in Stationshöhe null Meter an. Das nutzen zum Beispiel Segelund Kunstflieger, um jederzeit die Höhenreserve über dem Platz zu sehen.

• Standard-Luftdruck In größerer Höhe nutzen alle Flugzeuge eine einheitliche Höhenmesser-Einstellung: den Druck der Standardatmosphäre in Meereshöhe – 1013 hPa. So ist gewährleistet, dass die Anzeige bei allen Verkehrsteilnehmern gleich ist. Der angezeigte Wert heißt dann nicht mehr Höhe, sondern Flugfläche.