Thema des Tages
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Wissenschaft kompakt Geschichte der Meteorologie - Teil 23: Meteorologie im 19. Jahrhundert (c) Der Schwerpunkt des heutigen Thema des Tages liegt bei Persönlichkeiten aus dem Bereich der Meteorologie, die im 19. Jahrhundert interessante Forschungsarbeiten erzielten. Die Meteorologie war zu dieser Zeit eine aufstrebende Wissenschaft, so dass es viele erwähnenswerte Forscher mit wichtigen Beiträgen aus dieser Zeit gibt. Wir beginnen mit einem Wissenschaftler aus Asien, der besonders prägend für die Meteorologie auf dem indischen Subkontinent war. Nachfolgend werden Forscher aus Europa und Amerika vorgestellt. Der indische Mathematiker Radhanath Sikdar (1813-1870) aus Bengalen war von 1852 bis 1862 Leiter der Wetterwarte in Kalkutta (Kolkata). Seine erste Aufgabe bestand darin, eine Tabelle zur Umrechnung barometrischer Beobachtungen auf eine Standardtemperatur von 32 Grad F zu erstellen. Dazu entwickelte er die erforderliche Formel, basierend auf der bekannten thermischen Ausdehnung und Kontraktion der Messingskala des Barometers und des Quecksilbers selbst in Abhängigkeit von der Temperatur. Dies war notwendig, um den Vergleich von bei unterschiedlichen Temperaturen gemessenen Druckwerten zu ermöglichen. Vor 1852 hatte das Observatorium nur unregelmäßige Beobachtungen durchgeführt. Sikdar richtete umgehend ein Programm regelmäßiger stündlicher Wetterbeobachtungen ein, welches die Anwendung der notwendigen Korrekturen hinsichtlich der Instrumentenleistung umfasste. Er wurde 1853 Mitglied der Asiatic Society of Bengal und hatte bereits (ab Dezember 1852) die regelmäßige Veröffentlichung der stündlichen Beobachtungen seines Observatoriums sowie verschiedener Tages- und Monatsmittelwerte in den "Proceedings and Journal" der Gesellschaft veranlasst. Dieses Veröffentlichungsprogramm wurde bis 1877 fortgesetzt. Darüber hinaus gelang ihm, in Dienste der Großen Trigonometrischen Vermessung stehend, 1852 per Triangulation auch die erste Höhenbestimmung von Peak XV im Himalaya. Er stellte fest, dass dieser wahrscheinlich der höchste Berg der Welt sei (später nach dem Leiter der Großen Trigonometrischen Vermessung Mount Everest genannt). Der französische Meteorologe Emilien Renou (1815-1902) widmete sich zunächst der Geologie und der Geographie in den nordafrikanischen Regionen Algerien und Marokko. 1852 gründete mit Charles Joseph Sainte-Claire Deville (1814?1876) die Societe Meteorologique de France, deren Sekretär er in insgesamt elf Jahren war. Dabei hatte er viermal das einjährige Amt des Präsidenten inne. Er führte 1855 die Kategorien Altocumulus und Altostratus in die Wolkenklassifikation nach Howard (siehe Teil 12 der Serie zur Geschichte der Meteorologie) ein und etablierte damit das mittlere Wolkenstockwerk. Ab 1872 war er bis zu seinem Tod Direktor im Parc Saint-Maur, von wo aus meteorologische Untersuchungen angestellt wurden, die insbesondere das Klima von Paris betrafen. In seinen Arbeiten über das Klima von Paris diagnostizierte er unter anderem die urbane Wärme-Insel. Der US-amerikanische Meteorologe William Ferrel (1817-1891) wuchs in ärmlichen Verhältnissen auf und eignete sich sein ganzes Wissen als Autodidakt an. Um das Jahr 1850 stieß er zufällig auf eine Abhandlung über die Gezeiten und entdeckte, dass Laplace (siehe Teil 11 der Serie zur Geschichte der Meteorologie) in seiner berühmten Abhandlung zur Himmelsmechanik ein Fehler unterlaufen sein müsse: die Wirkung von Sonne und Mond auf die Tiden auf der Erde muss die Erddrehung langsam abbremsen. Laplace hatte den Effekt der Reibung nicht berücksichtigt. 1856 erschien sein Artikel "An essay on the winds and currents of the ocean", in dem er als Erster eine plausible Erklärung für die Windzirkulation in den mittleren Breiten der Erde vorlegte (planetarische oder planetare Zirkulation). 1858 veröffentlichte er den Artikel "The influence of the Earth's rotation upon the relative motion of bodies near its surface". Er stellte hierin fest, dass ein Gegenstand, der sich auf der Erde bewegt, infolge der Erddrehung auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhemisphäre nach links abgelenkt wird. Nahezu gleichzeitig und unabhängig davon gelang dies auch Buys Ballot (siehe Teil 20 der Serie zur Geschichte der Meteorologie) mit dem Barischen Windgesetz. Er veröffentlichte noch weitere Arbeiten zur Meteorologie und zur Hydrodynamik. Der preußisch-US-amerikanische Meteorologe Heinrich Wilhelm Blasius oder William Blasius (1818-1899) stellte 1852 als Erster eine Theorie über die Genese der Stürme ("New theory of storms") auf, die bis heute vollständig den Grundanschauungen der Vertreter der Polarfronttheorie entspricht und in wesentlichen Punkten die Lehre von Dove (siehe Teil 21 der Serie zur Geschichte der Meteorologie) ergänzte. Er fand jedoch wenig Unterstützer, weil er seine eigene Terminologie schuf und es versäumte, seine Theorien zu begründen. Seine Thesen gerieten bald weitgehend in Vergessenheit. Der britische Ingenieur Thomas Stevenson (1818-1887) aus Schottland erfand die Wetterhütte oder Thermometerhütte, die im Englischen als "Stevenson screen" bekannt wurde. Die Erfindung wurde 1864 veröffentlicht. Diese Wetterhütte ist im Wesentlichen ein belüfteter Kasten, der die Messgeräte umschließt. Diese sind vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt, während gleichzeitig die Luft ungehindert um sie herum zirkulieren kann. Das charakteristischste Merkmal dieser Wetterhütte sind seine mit Lamellen versehenen Seitenwände. Die Lamellen sind so geneigt, dass sie das Innere des Kastens beschatten, während gleichzeitig die Zwischenräume zwischen den Lamellen die Luftzirkulation durch den Schutz ermöglichen. Der Schutz ist weiß lackiert, da eine dunkle Farbe dazu führen würde, dass der Schutz Sonnenenergie absorbiert und sich dadurch erwärmt und durch eine solche Erwärmung die Messgeräte Werte anzeigen, die nicht repräsentativ für die Temperatur und Luftfeuchtigkeit sind. Diese Wetterhütte enthält in der Regel mindestens ein Trockenthermometer zur Messung der Lufttemperatur und ein Feuchtthermometer zur Messung der Luftfeuchtigkeit. Oft sind auch Thermometer für Höchst- und Tiefsttemperaturen enthalten, und es können zudem Aufzeichnungsgeräte für Temperatur und Luftfeuchtigkeit vorhanden sein. Der französische Physiker, Erfinder und Meteorologe Hippolyte Marie-Davy (1822-1911) untersuchte rotierende Tiefdruckgebiete. Er erkannte, dass mitteleuropäische Stürme und Sturmtiefs, von ihm als "bourrasques" bezeichnet, im Kern dieselbe physikalische, rotierende Struktur besitzen wie tropische Zyklonen. Um seine Theorie zu beweisen und Zyklone sichtbar zu machen, führte er als einer der Ersten tägliche synoptische Wetterkarten ein, die Linien gleichen Luftdrucks (Isobaren) zeigten. Im September 1863 veröffentlichte er im offiziellen Bulletin die erste überlieferte Wetterkarte dieser Art in Frankreich. Marie-Davys Zyklonentheorie und seine herausragende Arbeit mit Isobaren-Wetterkarten erlaubten es dem Pariser Observatorium erstmals, heranziehende Stürme telegraphisch an die französischen Seehäfen zu melden und so den modernen Sturmwarndienst im Atlantik zu begründen. Seine Erkenntnisse wurden im Werk "Meteorologie, les mouvements de l'atmosphere et des mers" (übersetzt "Meteorologie, Bewegungen in der Atmosphäre und in den Meeren") 1866 publiziert. Marie-Davy war darüber hinaus auch auf dem Gebiet der Elektrochemie tätig, er erfand die nach ihm benannte Marie-Davy-Batterie. Der britische Naturforscher und Schriftsteller Sir Francis Galton (1822-1911) war in vielen verschiedenen Disziplinen wie Geographie, Afrikaforschung und der Vererbungslehre tätig, er prägte dort den Begriff Eugenik. Im Bereich der wissenschaftlichen Meteorologie war Galton der Erste, der die Antizyklone, das Hochdruckgebiet, im Gegensatz zur Zyklone, dem Tiefdruckgebiet, identifizierte. Er führte die Verwendung von Karten ein, auf denen Gebiete mit ähnlichem Luftdruck dargestellt wurden, die moderne Wetterkarte. Sein Buch "Meteorographica" von 1863 war der erste systematische Versuch, Wetterdaten auf kontinentaler Ebene zu sammeln, graphisch darzustellen und zu interpretieren. Es wurde so zu einem grundlegenden Werk der modernen wissenschaftlichen Meteorologie. Seine Aktivitäten im Bereich der Datenerfassung und Datendarstellung, sowohl hier als auch für die Geographische Gesellschaft und deren Suche nach der Nilquelle, führten ihn schließlich zu den statistischen Innovationen, die für seine quantitative Erforschung der Vererbung erforderlich waren. Galton erstellte die erste Wetterkarte, die in der Zeitung "The Times" veröffentlicht wurde (am 1. April 1875; sie zeigte die synoptische Situation des Vortags, des 31. März 1875). Wetterkarten entwickelten sich in der Folge weltweit zu einem festen Bestandteil von Zeitungen. Der französische Medizinier und Chemiker Paul-Jean Coulier (1824-1890) bewies als Erster experimentell, dass Staubpartikel in der Luft zwingend notwendig sind, damit Wasserdampf zu Wolken oder Nebel kondensieren kann. Coulier goss in seinem Flaschenexperiment 1875 eine kleine Menge warmes Wasser in eine Glasflasche, sodass die Luft darin mit Wasserdampf gesättigt war. Nach Erhöhung des Drucks in der Flasche und anschließender schlagartiger Entweichung dessen (adiabatische Expansion), kühlte sich die Luft ab und es bildete sich augenblicklich ein künstlicher, dichter Nebel (eine Miniaturwolke) im Gefäß. Als Coulier das Experiment wiederholte, die einströmende Luft jedoch zuvor gründlich durch Baumwolle filterte, geschah etwas Überraschendes: Trotz der schnellen Druckentlastung und Abkühlung blieb die Luft absolut klar, es bildete sich kein Nebel. Er folgerte korrekt, dass nicht die Luft oder der Wasserdampf allein für die Wolkenbildung verantwortlich sind, sondern winzige, unsichtbare Schwebeteilchen (Staub) in der normalen Umgebungsluft. Der Wasserdampf benötigt diese festen Oberflächen, um sich daran anzuheften und Tröpfchen zu bilden. Couliers Entdeckung wurde in einer pharmazeutischen Fachzeitschrift (Journal de Pharmacie et de Chimie) veröffentlicht und blieb in meteorologischen Kreisen weitgehend unbeachtet. Der britisch-australische Geodät George Goyder (1826-1898) wurde 1856 zum stellvertretenden Generalvermesser in der Kolonie Südaustralien und 1861 dort zum Generalvermesser ernannt. Australien ist ein weitgehend trockenes Land. Die Niederschlagsmengen schwanken stark, und es kommt zu Dürren. In der regenreichen Zeit der 1850er und frühen 1860er Jahre wurden in Südaustralien immer weiter nördlich von der Küste neue Farmen gegründet. Ein trockenes Jahr im Jahr 1864 brachte eine Katastrophe mit sich: Ernten verdorrten, Vieh verendete und Farmen wurden aufgegeben. Goyder wurde beauftragt, festzustellen, wo die Ernten ausfielen und wo nicht. Im Jahr 1865 legte er die "Goyder-Niederschlagslinie" oder einfach "Goyder-Linie" fest: die Linie, an der der durchschnittliche jährliche Niederschlag etwa 300 mm (bzw. Liter pro Quadratmeter) betrug (einige Quellen sprechen von einer Grenze von 250 mm). Er empfahl, nördlich dieser Linie, wo die Bedingungen im Durchschnitt zu trocken waren, keinen Versuch zu unternehmen, Getreide anzubauen. Selbst Schafzucht und Weidewirtschaft wären in diesen Gebieten riskant. Seine Empfehlung wurde von einigen Australiern verspottet, doch nachfolgende Dürren bewiesen, dass sie tatsächlich durchaus vernünftig war. Die Linie wurde als Richtwert dafür akzeptiert, wie weit landeinwärts die Landwirtschaft über einen Zeitraum hinweg, der sowohl trockene als auch feuchte Phasen umfassen konnte, eine vernünftige Aussicht auf Erfolg hatte. Die Goyder-Linie ist auch an der natürlichen Vegetation der Region erkennbar: Nördlich davon überwiegt der Salzstrauch. In einigen Gebieten ist sie dort noch heute durch Gedenktafeln gekennzeichnet. Goyder legte später eine ähnliche Linie im heutigen Northern Territory in Australien fest. Der britische Meteorologie Alexander Buchan (1829-1907) aus Schottland erlangte durch seine konvektive Zyklonentheorie Bekanntheit. Buchan argumentierte, dass lokale Erwärmung die Luft expandieren und an Dichte verlieren lässt. Diese leichtere, warme Luft steigt säulenartig nach oben (Konvektion). An der Oberfläche entsteht dadurch ein relatives Vakuum, ein Tiefdruckgebiet. Der entscheidende Durchbruch seiner Theorie war die Verknüpfung der Mechanik mit der Feuchtigkeitsphysik. Wenn die feuchte Luft aufsteigt und abkühlt, kondensiert der Wasserdampf zu Wolken und Regen. Bei dieser Kondensation wird latente Wärme (Kondensationswärme) an die Umgebung abgegeben. Diese Wärme heizt die Luft im Zentrum der Zyklone weiter auf, verstärkt den thermischen Auftrieb und hält den "Motor" des Sturms am Laufen. Durch den anhaltenden Druckabfall im Zentrum wird kältere, dichtere Luft aus der Umgebung radial und spiralförmig angesaugt (was die typische zyklonale Windzirkulation füttert). Buchan war der Erste, dem es 1868 gelang, den exakten Zugweg eines Sturms von Nordamerika über den Atlantik bis nach Europa lückenlos anhand von Luftdruck- und Isobarenkarten nachzuzeichnen. Er bewies damit, dass die wandernden Wirbelstürme der gemäßigten Breiten physikalisch nach denselben konvektiven Gesetzen funktionieren wie tropische Hurrikane. Der peruanische Marineoffizier und Politiker Camilo Carrillo (1830-1901) verfasste 1892 den ersten offiziellen wissenschaftlichen Bericht über das Phänomen "El Nino". Vor der Geographischen Gesellschaft von Lima hielt er einen wegweisenden Vortrag, in dem er das jahrhundertealte Wissen der peruanischen Fischer wissenschaftlich dokumentierte. Carrillo hielt schriftlich fest, dass die Fischer nahe Paita im Norden Perus eine periodisch auftretende, ungewöhnlich warme Meeresströmung "El Nino" nannten. Da diese Erwärmung meist um die Weihnachtszeit ihren Höhepunkt erreichte, benannten die Fischer sie nach dem Christkind. Er beschrieb, dass die warme Strömung die typischen Kaltwasserfische wie Sardellen vertrieb und die Fischerei zum Erliegen brachte. Gleichzeitig führte sie in den sonst extrem trockenen Küstenwüsten zu heftigen Regenfällen, die von den Landwirten für die Agrarwirtschaft genutzt wurden. Durch Carrillos Bericht gelangte der Begriff "El Nino" von der mündlichen Überlieferung lokaler Fischer in die internationale Wissenschaft, wo er später als weltweites Klimaphänomen erforscht wurde. Der französische Ingenieur Gustave Eiffel (1832-1923) errichtete Brücken und andere Großbauwerke. Er entwarf den großen Turm aus Eisen, der von 1887 bis 1889 in Paris gebaut wurde und seinen Namen erhielt und seinerzeit das höchste Bauwerk der Welt war. Der Turm fand sofort praktische Verwendung als riesiger Rundfunkmast, und Eiffel nutzte ihn zudem für Experimente zur Windwiderstandsfähigkeit und Aerodynamik. Eiffel ließ an verschiedenen Stellen im Turm meteorologische Instrumente anbringen, und 1889 ermächtigte er das Zentrale Meteorologische Büro Paris, auf der Turmspitze in 300 m Höhe über dem Boden eine Wetterstation einzurichten. Eiffel entwarf Gehäuse für seine Thermometer und andere Instrumente, die diese schützten und gleichzeitig einen freien Luftstrom um sie herum ermöglichten. Außerdem baute er ein privates Wetterbeobachtungsnetzwerk mit 25 Stationen auf (darunter eine in Algier). Die von ihm gesammelten Daten wurden in Wetteratlanten zusammengefasst, die von 1903 bis 1912 veröffentlicht wurden. Der Eiffelturm wurde zudem genutzt, um atmosphärische elektrische Messungen auf verschiedenen Höhen bis hinauf zur Spitze durchzuführen, die wiederum zur Untersuchung der vertikalen Profile der Rauchpartikelkonzentration in der Grenzschicht dienten. Dies war eine der frühesten Untersuchungen zur Luftverschmutzung in Paris. Der dänische Bibliothekar, Kunsthistoriker und Amateur-Meteorologe Philip Weilbach (1834-1900) schlug 1880 dem Ständigen Ausschuss der Internationalen Meteorologischen Organisation (IMO), einem Vorläufer der heutigen Weltorganisation für Meteorologie (WMO), die Bezeichnung eines neuen, frei konvektiven, vertikalen oder mehrstufigen Wolkentyps vor, nämlich "Cumulonimbus" (aufgetürmte Regenwolke), was vom Ausschuss angenommen wurde. Dieser würde sich von Cumulus und Nimbus unterscheiden und wäre an seiner oft sehr komplexen Struktur sowie an seiner Fähigkeit, Gewitter zu erzeugen, zu erkennen. Mit dieser Ergänzung wurde ein Kanon von zehn troposphärischen Wolkengattungen festgelegt, der offiziell und allgemein anerkannt wurde. Der norwegische Meteorologe und Ozeanograph Henrik Mohn (1835-1916) wurde 1866 zum ersten Professor für Meteorologie am neu eingerichteten Institut für Meteorologie an der Universität Christiania (Oslo) berufen. 1870 veröffentlichte er einen Sturmatlas, 1872 das Werk "Om Vind og Veir. Meteorologiens Hovedresultater" (übersetzt "Grundzüge der Meteorologie. Die Lehre von Wind und Wetter nach den neuesten Forschungen gemeinfasslich dargestellt"). Bei der Eruption des isländischen Vulkans Askja Ende März 1875 wurden gewaltige Mengen feiner Vulkanasche in die Atmosphäre geschleudert. Die Aschewolke zog über das Europäische Nordmeer direkt nach Skandinavien, wo es in weiten Teilen Norwegens und Schwedens zu spürbarem Ascheregen kam. Mohn nutzte das meteorologische Stationsnetz, um die genauen Zeitpunkte und Orte des Aschefalls systematisch zu erfassen. 1877 veröffentlichte er eine meteorologische Karte unter dem Titel "Askeregnen" (norwegisch für "Der Ascheregen"). Mohn bewies als einer der ersten Wissenschaftler weltweit, dass vulkanische Partikel durch atmosphärische Strömungen über große Entfernungen hinweg transportiert werden können. Seine präzisen meteorologischen Analysen halfen dabei zu verstehen, wie Höhenwinde, die oberen Luftströmungen, Partikel rund um den Globus tragen. Diese Erkenntnisse bilden bis heute die Grundlage für moderne Schadstoffausbreitungsmodelle, wie sie etwa bei Vulkanausbrüchen für die Luftfahrtsicherheit genutzt werden. Mohn leitete zusammen mit dem norwegischen Zoologen Georg Ossian Sars (1837-1927) die Norwegische Nordmeerexpedition mit dem Dampfschiff "Voeringen" zwischen 1876 und 1878, auf der neben ozeanographischen Messungen meteorologische Beobachtungen durchgeführt und die Wanderungsbewegungen von Fischen untersucht wurden. Mohn gewann neue Einblicke in die Dynamik der Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosphäre. Das half ihm bei der Entwicklung seiner Zyklonentheorie. Als einer der Ersten verstand er die Beziehung zwischen der Dichteverteilung des Meerwassers, den Meeresströmungen und der Erdrotation. Bereits 1880 erklärte Mohn die Bildung von Tiefenwasser im Europäischen Nordmeer. Mohn war 1879 Gründungsmitglied der Internationalen Polarkommission und sorgte dafür, dass Norwegen eines der ersten Länder war, die die Finanzierung einer Forschungsstation (Bossekop, heute ein Stadtteil von Alta in Nordnorwegen) für das Erste Internationale Polarjahr von 1882/83 zusicherten. Mohn leistete in den 1890er Jahren Pionierarbeit bei der Erforschung von Wolken in der Stratosphäre. Er gilt als der Erste, der die schillernden polaren Stratosphärenwolken (PSC) wissenschaftlich untersuchte und gab ihnen im Jahr 1893 den treffenden Namen Perlmuttwolken (norwegisch: perlemorskyer). Mohn veröffentlichte 1893 eine umfassende Arbeit über diese "irisierenden Wolken". Er beschrieb fasziniert ihre einzigartigen optischen Effekte und leuchtenden Farben, die nach Sonnenuntergang am Polarhimmel sichtbar werden. Mohn erkannte sofort, dass sich diese Wolken weit oberhalb der normalen Wetterschicht befinden mussten. Allerdings überschätzte er ihre Höhe massiv und berechnete sie auf über 100 Kilometer. Rund 40 Jahre später fand man heraus, dass sie real in der unteren Stratosphäre in 20 bis 30 km Höhe liegen. Mohn sah in den polaren Stratosphärenwolken vor allem ein faszinierendes optisches Naturphänomen. Heute weiß die moderne Atmosphärenphysik, dass diese stratosphärischen Wolken eine Schlüsselrolle beim Ozonabbau spielen: An der Oberfläche ihrer Eiskristalle, die oft aus Salpeter- und Schwefelsäure bestehen, werden harmlose Chlorverbindungen in hochreaktive Gase umgewandelt, die unter Sonneneinstrahlung das Ozonloch über den Polarregionen aufreißen. Mohn gilt als Begründer der Meteorologie und Ozeanographie in Norwegen. Der bayerische Physiker und Meteorologe Wilhelm von Bezold (1837-1907) wurde 1878 zum Direktor der Bayerischen Meteorologischen Zentralstation in München ernannt. Ab 1879 gab er ein meteorologisches Jahrbuch und ab 1881 einen täglichen Wetterbericht der Zentralstation heraus. 1885 wechselte er als Direktor des Meteorologischen Instituts an die Universität Berlin, wo er bis 1907 tätig war. Er machte sich um den Aufbau des Netzes meteorologischer Stationen in Preußen und Bayern verdient. Maßgeblich auf seine Initiative hin wurden die Höhenwetterstationen auf dem Brocken und nachfolgend auf dem höchsten preußischen Berg, der Schneekoppe im Riesengebirge in Schlesien, geschaffen. Letztere nahm ihren Messbetrieb im Juni 1900 auf. Von Bezold führte viele Untersuchungen auf dem Gebiet der Elektrizitätslehre durch sowie über physiologische Optik. Seine meteorologischen Arbeiten betreffen die Dämmerung, die Lehre vom Gewitter, den Erdmagnetismus und die Thermodynamik der Erdatmosphäre. Er führte 1888 in der Arbeit "Zur Thermodynamik der Atmosphäre" den Begriff der potentiellen Temperatur, einer thermodynamischen Zustandsgröße, ein. Die potentielle Temperatur ist die Temperatur, die ein Luftpaket annehmen würde, wenn man es trockenadiabatisch (also ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung) von seinem aktuellen Druckniveau auf einen festgelegten Referenzdruck bringt (in der Meteorologie standardmäßig 1000 hPa, was in etwa dem Luftdruck auf Meereshöhe entspricht). Da Luft beim Absinken komprimiert wird und sich erwärmt bzw. beim Aufsteigen expandiert und abkühlt, macht die potentielle Temperatur Luftmassen auf unterschiedlichen Höhen thermodynamisch direkt miteinander vergleichbar. Vor von Bezolds Arbeit war es extrem schwer zu bestimmen, ob eine Luftschichtung stabil oder instabil ist, da die Temperatur mit der Höhe naturgemäß abnimmt. Mithilfe der potentiellen Temperatur lässt sich die atmosphärische Stabilität sofort ablesen. Bei einer stabilen Atmosphäre nimmt die potentielle Temperatur mit der Höhe zu (die Luft wehrt sich gegen Vertikalbewegungen). Bei einer labilen oder instabilen Atmosphäre nimmt die potentielle Temperatur mit der Höhe ab (es kommt zu starker Konvektion, z. B. Gewitterbildung). Bei einer neutralen Atmosphäre bleibt die potentielle Temperatur mit der Höhe gleich (trockenadiabatische Schichtung). Die Serie Geschichte der Meteorologie wird fortgesetzt. Der nächste Teil wird Persönlichkeiten vorstellen, die Beiträge zur Chemie und auf dem Gebiet der Messtechnik im 19. Jahrhundert leisteten, die für die Meteorologie bedeutsam waren. Dipl.-Met. Markus Eifried Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 31.10.2026 Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

Wissenschaft kompakt Geschichte der Meteorologie - Teil 24: Meteorologie im 19. Jahrhundert (d) Das aktuelle Thema des Tages beleuchtet Entwicklungen in der Chemie, Messtechnik und Mathematik im 19. Jahrhundert, die der Meteorologie nutzten. In der Atmosphärenchemie erscheint die erste Frau auf dem Gebiet der Grundlagenforschung in der Meteorologie. Mit dem Arithmometer wird eine Rechenmaschine entwickelt, welche als Vorläufermodell des Computers gilt. Das heutige Thema des Tages stellt Personen vor, die Grundlagenforschung in den Bereichen Chemie, Messtechnik und Mathematik im 19. Jahrhundert betrieben haben, die die Wissenschaft der Meteorologie in hohem Umfang nutzte und nutzt. Im Bereich der Atmosphärenchemie tritt die erste Frau auf dem Gebiet der Grundlagenforschung in der Meteorologie auf. Im Bereich der Messtechnik bzw. Technik erscheint mit dem Arithmometer ein Vorläufermodell des Computers. Beginnen wir mit dem Bereich der Chemie. Der württembergisch-schweizerische Chemiker und Physiker Christian Friedrich Schönbein (1799-1868) war zunächst im Bereich Pharmazie tätig, ehe er sich der Chemie widmete. Bei Experimenten mit elektrischen Funken Ende der 1830er Jahre nahm Schönbein einen stechenden Geruch wahr und erkannte, dass es sich um den Geruch handelte, der oft nach einem starken Blitzschlag auftritt. 1839 gelang es ihm, das Gas zu isolieren, und er nannte es Ozon, abgeleitet vom griechischen "ozein" (riechen). Aus diesem Grund wird Schönbein die Entdeckung des Ozons zugeschrieben. Er beschrieb diese Entdeckung in einem Brief mit dem Titel "Untersuchungen über die Natur des Geruchs bei bestimmten chemischen Reaktionen", den er 1840 der Academie des Sciences in Paris vorlegte. Neben der Entdeckung des Ozon gelang ihm auch die Entdeckung der Schießbaumwolle. Er prägte den Begriff der Geochemie und befasste sich mit biologischen Fragestellungen zum Blut. Die US-amerikanische Erfinderin und Forscherin auf dem Gebiet der Atmosphärenchemie Eunice Newton Foote (1819-1888) gilt heute als Entdeckerin des Treibhauseffekts. 1856 wies sie experimentell nach, dass eine höhere Konzentration von Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre zu einer signifikanten Erwärmung führt. In ihrem Heimlabor führte Foote ein für die damalige Zeit geniales Experiment durch: Sie füllte Glaszylinder mit verschiedenen Gasen, darunter gewöhnliche Luft, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Sie platzierte die Zylinder mit Thermometern in der Sonne und im Schatten, um die Temperaturveränderung zu messen. Der mit Kohlendioxid gefüllte Zylinder heizte sich weitaus stärker auf als die anderen und kühlte zudem wesentlich langsamer ab. Daraus folgerte sie in ihrer Arbeit "Circumstances Affecting the Heat of the Sun's Rays" als erster Mensch überhaupt, dass eine Atmosphäre aus diesem Gas unserer Erde eine hohe Temperatur verleihen würde. Ihre Forschungsarbeit wurde 1856 auf der Jahrestagung der American Association for the Advancement of Science (AAAS) verlesen. Frauen durften zu dieser Zeit zwar Mitglieder der AAAS sein, aber es war nicht üblich, dass sie ihre Forschungsarbeiten selbst vortrugen. Ihre Arbeit wurde von dem Physiker und Mitbegründer der Smithsonian Institution, Henry (siehe Teil 19 der Serie zur Geschichte der Meteorologie), vorgetragen. Foote gilt als die erste Frau auf dem Gebiet der Grundlagenforschung in der Meteorologie. Der polnische Chemiker und Physiker Zygmunt Wroblewski (1845-1888) aus dem damaligen russischen Grodno (heute Weißrussland bzw. Belarus) befasste sich zunächst mit physikalischen Theorien, ehe er zur Chemie gelangte. Zusammen mit dem polnischen Chemiker, Mathematiker und Physiker Karol Olszewski (1846-1915) aus dem damals österreichischen Galizien gelang Wroblewski erstmals die statische Verflüssigung (Kondensation) von Sauerstoff und Stickstoff. Zunächst konnten beide Forscher im April 1883 erstmals Sauerstoff bei einer kritischen Temperatur von etwa -136 Grad C und unter hohem Druck in eine ruhige, durchsichtige Flüssigkeit überführen. Nur wenig später glückte ihnen derselbe Durchbruch mit Stickstoff. Im Folgenden werden bedeutende Entwicklungen auf dem Gebiet der Messtechnik bzw. Technik beschrieben. Der französische Erfinder und Unternehmer Charles Xavier Thomas oder Charles Xavier Thomas de Colmar (1785-1870) erlangte historische Bedeutung durch die Entwicklung des Arithmometers, der ersten kommerziell erfolgreichen und in Serie produzierten mechanischen Rechenmaschine der Welt. Thomas war französischer Armee-Zahlmeister sowie ein erfolgreicher Versicherungsunternehmer. Er benötigte das Gerät als zuverlässiges Hilfsmittel für umfangreiche kaufmännische und administrative Berechnungen. Er erhielt 1820 das Patent für das Arithmometer. Die Funktionsweise basiert auf dem Prinzip der Staffelwalze und beherrscht alle vier Grundrechenarten (Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division). Ab etwa 1851 wurde das Arithmometer in Paris in Serie gebaut. Bis etwa 1870 wurden rund 1.000 Stück gefertigt. Die Produktion lief (unter Nachfolgern) bis ca. 1914 weiter. Das Arithmometer prägte über Jahrzehnte hinweg die europäische Rechenmaschinenindustrie und diente als Vorbild für spätere mechanische Rechenmaschinen. Es gilt als Vorläufer des Computers. In der Meteorologie spielte das Arithmometer im 19. und frühen 20. Jahrhundert eine entscheidende Rolle: Es wurde für die aufwendigen mathematischen Berechnungen von Wetterdaten genutzt. Bevor es elektronische Computer gab, mussten Meteorologen riesige Tabellen mit Luftdruck-, Temperatur- und Windmessungen von Hand oder mithilfe solcher mechanischer Rechenmaschinen auswerten, um statistische Klimawerte zu ermitteln und erste theoretische Modelle zur Wettervorhersage zu berechnen. Der französische Physiker Antoine Cesar Becquerel (1788-1878) beschäftigte sich mit Thermoelektrizität und baute ein elektrisches Thermometer, mit dem er die Körpertemperatur von Tieren, die Bodentemperatur in verschiedenen Tiefen und die Lufttemperatur in verschiedenen Höhen maß. Neben seiner Grundlagenforschung in der Elektrochemie interessierte er sich allgemein für Fragen der Meteorologie, des Klimas und der Landwirtschaft. Der britische Mathematiker, Philosoph, Erfinder und Ökonom Charles Babbage (1791-1871) gilt weltweit als der "Vater des Computers", da er die grundlegenden Konzepte für die ersten mechanischen, programmierbaren Rechenmaschinen entwickelte. Seine Visionen nahmen die logische Struktur moderner Computer um mehr als ein Jahrhundert vorweg. Ab 1822 entwarf Babbage mit der Differenzmaschine (Difference Engine) eine mechanische Rechenmaschine, um fehlerfreie astronomische und mathematische Tabellen zu berechnen. Ein Prototyp wurde teilweise gebaut, das Gesamtprojekt scheiterte jedoch an Geldmangel und Fertigungsproblemen. Die Differenzmaschine nutzt die Methode der finiten Differenzen. Dadurch können Funktionswerte komplexer Polynome allein durch wiederholte Additionen berechnet werden, was menschliche Rechenfehler bei Drucktabellen verhindern sollte. Sie bestand aus tausenden feinmechanischen Zahnrädern, Achsen und Hebeln aus Messing und Stahl, ganz ohne Elektronik. Babbage kritisierte in den 1830er Jahren die mangelnde Qualität und Disziplin bei wissenschaftlichen Messungen, unter anderem in der damals aufstrebenden Meteorologie. Er half mit, Strukturen für bessere Datenstandards zu schaffen. Ab 1837 konzipierte Babbage in Zusammenarbeit mit Ada Lovelace (siehe unten) mit der analytischen Maschine (Analytical Engine) einen dampfbetriebenen, universellen mechanischen Computer. Dieser sollte über eine Zentraleinheit (Rechenwerk bzw. "Mill"), einen Speicher ("Store"), eine Eingabe über Lochkarten sowie einen Drucker verfügen ? exakt die Kernkomponenten heutiger Computer. Sie wurde zu seinen Lebzeiten nie vollendet. 1843 bauten der schwedische Verleger Georg Scheutz (1785-1873) und sein Sohn, der schwedische Ingenieur Edvard Scheutz (1821-1881), in Stockholm den ersten mechanischen Computer nach den Ideen von Babbage. Im gleichen Jahr entwickelte Lovelace (siehe unten) eine Methode zur Programmierung von Computern nach dem Babbage-System und schrieb damit das erste Computerprogramm. Der irische Astronom Thomas Romney Robinson (1792-1882) war von 1823 bis zu seinem Tod Direktor der Sternwarte von Armagh. Die Sternwarte führte seit 1784 auch meteorologische Messungen durch. Das Wetterbeobachtungsprogramm wird bis heute fortgeführt, und die gesamte Datenreihe stellt die längste ununterbrochene meteorologische Beobachtungsreihe in Irland dar. Obwohl er in erster Linie Astronom war, interessierte sich Robinson auch für andere Bereiche der Wissenschaft. In der Meteorologie konzentrierte er sich auf Windmessungen. Robinson erkannte, dass er die frühen Konstruktionen verschiedener Windmesser verbessern konnte, und erfand das erste Schalenkreuz-Anemometer, dessen Grundkonstruktion noch heute bei einigen modernen Anemometern zum Einsatz kommt. Robinsons Instrument, das er 1846 fertig stellte, bestand aus vier halbkugelförmigen Schalen, die an horizontalen Armen befestigt waren, welche wiederum an einer vertikalen Welle angebracht waren. Robinson ging davon aus, dass sich die Schalen seines Anemometers mit einem Drittel der Windgeschwindigkeit bewegten, doch dies stellte sich später als falsch heraus. Viel später, in den 1920er Jahren, stellten Forscher fest, dass ein Anemometer mit nur drei Schalen gegenüber der Ausführung mit vier Schalen mehrere Vorteile hatte. Robinson installierte sein Anemometer bereits 1846 auf dem Dach des Armagh-Observatoriums. Im Jahr 1847 schloss er eine Uhrwerkvorrichtung an das Gerät an, damit es eine kontinuierliche Aufzeichnung der Windverhältnisse liefern konnte. Im Jahr 1867 wählte das Board of Trade Armagh als eines von sieben neuen erstklassigen meteorologischen Observatorien auf den Britischen Inseln aus. Der britische Mathematiker und Astronom Sir George Biddell Airy (1801-1892) erweiterte das wissenschaftliche Spektrum des Greenwich-Observatoriums, indem er innerhalb des Observatoriums eine Abteilung für Magnetismus und Meteorologie unter der Leitung von James Glaisher (siehe Teil 18 der Serie zur Geschichte der Meteorologie) einrichtete. Airy wollte nicht nur die Temperatur ermitteln und deren Auswirkungen auf astronomische Beobachtungen untersuchen, sondern auch ein allgemeineres Programm für meteorologische Untersuchungen aufstellen. Unter Airys Vorgänger waren am Observatorium bereits einige magnetische und meteorologische Messungen durchgeführt worden, doch Airy führte systematische tägliche Messungen der Temperatur und anderer Variablen ein. Airy experimentierte zudem mit Barometern und Barometerskalen. Als Ergebnis dieser Arbeit wurde von der Firma Short and Mason ein Barometer hergestellt, das als "Airys Höhenbarometer" bekannt ist und eine von ihm entworfene Skala ("Airys Höhenskala") enthielt. Airy war an der Festlegung des Greenwich-Meridians als Basislängengrad beteiligt, von dem aus andere Längengrade gemessen werden. Die Zeitzone in Greenwich, ursprünglich als Greenwich Mean Time (GMT) bezeichnet und heute als UTC (Universal Time, Coordinated) bekannt, ist eine Standardzeit, die als internationale Referenz dient. In der Meteorologie werden synoptische Beobachtungen um 00 UTC, 06 UTC, 12 UTC und 18 UTC an allen Beobachtungsstationen weltweit durchgeführt, unabhängig von der Ortszeit. Der französische Ingenieur, Physiker und Erfinder Lucien Vidie oder Lucien Vidi (1805-1866) folgte zunächst seiner Leidenschaft für Dampfmaschinen und Druckmessungen. Seine bedeutendste Leistung ist die Erfindung des Aneroidbarometers 1843, mit der er die meteorologische Messtechnik revolutionierte. Durch seine Erfindung konnten Luftdruckmessungen erstmals ohne die Nutzung gefährlicher und unhandlicher Quecksilbersäulen durchgeführt werden. Vidie entwickelte ein mechanisches Messgerät, das auf einer luftdicht verschlossenen, evakuierten Metallkapsel basiert. Die nach ihm benannten Aneroid- oder Vidie-Dosen verformen sich minimal, je nachdem, wie stark der äußere atmosphärische Druck auf sie einwirkt. Ein ausgeklügeltes System aus Federn und Hebeln überträgt diese feinen Bewegungen der Kapselwand direkt auf einen Drehzeiger auf der Skala des Geräts. Im Gegensatz zu den bis dahin üblichen Quecksilberbarometern waren Vidies Instrumente kompakt, robust und hervorragend zu transportieren. Sie fanden schnellen Einsatz in der maritimen Navigation und im Haushaltsbereich. Der Jesuit, Astronom und Physiker Angelo Secchi (1818-1878) aus dem Herzogtum Modena erfand den Meteorographen, ein automatisches Gerät zur Aufzeichnung von Luftdruck, Temperatur, Windrichtung und -geschwindigkeit sowie Niederschlagsmenge. Secchi erfand die Secchi-Scheibe, mit der die Wasserdurchsichtigkeit in Ozeanen und Seen gemessen wird. Er untersuchte das Klima in Rom, die Nordlichter, die Auswirkungen von Blitzen und die Ursachen von Hagel. Er interessierte sich für die Beobachtung des Erdmagnetfelds und gründete 1858 ein magnetisches Observatorium in Rom. 1853 richtete Secchi das erste geomagnetische Observatorium in Italien ein. Sein Labor umfasste mehrere Instrumente zur Messung der Stärke und Richtung des Erdmagnetfelds, anhand derer er berechnen konnte, wie sich dieses im Laufe der Zeit verändert. Secchi stellte Zusammenhänge zwischen diesen Schwankungen und verschiedenen Arten von Sonnenaktivität her. Damit war Secchi einer der ersten Wissenschaftler, die sich mit Weltraumwetter befassten. Auch in anderen Bereichen wie der Fehleranalyse und der Statistik gab es Beiträge zur Meteorologie, die im dritten Abschnitt dieser Abhandlung kurz vorgestellt werden. Ebenso werden Persönlichkeiten präsentiert, die die Grundlagen für die in der Meteorologie genutzten Bewegungsgleichungen legten. Den Abschluss bildet eine Dame, deren Beitrag zur Meteorologie erst vor kurzem entdeckt und wissenschaftlich ausgewertet wurde. Der preußische Astronom Friedrich Wilhelm Bessel (1784-1846) gehörte zu den Ersten, die erkannten, dass verschiedene Fehlerquellen bei astronomischen Beobachtungen beseitigt werden mussten, bevor man sich auf diese Beobachtungen verlassen konnte. So wusste er beispielsweise, dass atmosphärische Effekte wie die Lichtbrechung einen erheblichen Einfluss auf seine Beobachtungen haben konnten. Bessel vertraute auf die Qualität der Beobachtungen der britischen Astronomen James Bradley (1692-1762) und Nevil Maskelyne (1732-1811) aus Greenwich, da diese in ihren Arbeiten Faktoren analysiert hatten, die ihre Messungen beeinflussen konnten, darunter die Temperatur und der Druck der Atmosphäre. Bessel nutzte Bradleys Beobachtungen, um Brechungstabellen zu erstellen. Bei seinen eigenen Beobachtungen bemühte sich Bessel, alle Fehlerquellen (optische, mechanische und meteorologische) zu beseitigen, um Daten zu erhalten, die wesentlich zuverlässiger waren als jene aus früheren Arbeiten, bei denen die Fehlerquellen außer Acht gelassen worden waren. Die Methoden der Fehleranalyse gingen im Nachgang auch in die Meteorologie ein. Der belgische Astronom und Statistiker Adolphe Quetelet (1796-1874) gründete 1828 die Königliche Sternwarte von Belgien und wurde deren erster Direktor. Die Sternwarte sollte zur Basis für seine umfangreichen magnetischen und meteorologischen Beobachtungen werden. Er widmete sich der Anwendung statistischer Verfahren auf meteorologische Daten und beschrieb das Klima Belgiens in seinem Werk "Sur le Climat de Belgique". Die Königliche Sternwarte war der Vorläufer des heutigen Königlichen Belgischen Meteorologischen Instituts, und Quetelet kann als "Vater" des meteorologischen Dienstes in Belgien angesehen werden. Als Direktor der Königlichen Sternwarte war Quetelet einer der belgischen Vertreter bei der Internationalen Konferenz in Brüssel im Jahr 1853 (siehe Teil 17 der Serie zur Geschichte der Meteorologie). Ziel der Konferenz war die Schaffung eines einheitlichen internationalen Systems für meteorologische Beobachtungen auf See. Tatsächlich handelte es sich hierbei um das früheste formelle Treffen, bei dem eine bedeutende internationale Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Meteorologie sowohl geplant als auch umgesetzt wurde. In diesem Sinne kann sie als erste internationale meteorologische Konferenz angesehen werden. Ihr Erfolg ebnete den Weg für die Gründung der Internationalen Meteorologischen Organisation (IMO) 20 Jahre später, der Vorgängerin der Weltorganisation für Meteorologie (WMO). Quetelet wurde einstimmig zum Präsidenten der Internationalen Seekonferenz gewählt. Quetelet führte auch einige Beobachtungen der Nordlichter (Aurora borealis) durch, darunter jene, die während des Sonnensturms vom 28. August bis zum 2. September 1859 auftraten. Verschiedene Wissenschaftler lieferten das theoretische Fundament der kontinuumsmechanischen und atmosphärischen Bewegungsgleichungen. Sie beschreiben die Dynamik von Gasen und Flüssigkeiten (Fluiden), und zwar vom abstrakten physikalischen Grundgesetz bis hin zur konkreten Wetter- und Klimamodellierung. Der französische Mathematiker und Physiker Augustin-Louis Cauchy (1789-1857) lieferte das abstrakte mechanische Gerüst, die Cauchy-Gleichungen. Diese basieren auf den Cauchy-Eulerschen Bewegungsgesetzen (zu Euler siehe Teil 9 dieser Serie zur Geschichte der Meteorologie) und stellen die reinste Form des zweiten Newtonschen Gesetz (nach dem englischen Universalgelehrten Isaac Newton (1643-1727)) dar. Diese sind allgemein gültig, da sie noch keine Annahmen über das konkrete Material wie Luft oder Wasser machen. Um die abstrakten Cauchy-Gleichungen nutzbar zu machen, fügten der französische Mathematiker, Bauingenieur und Physiker Claude Louis Marie Henri Navier (1785-1836) und der irische Mathematiker und Physiker George Gabriel Stokes (1819-1903) ein Materialgesetz für Newtonsche Fluide (wie Luft oder Wasser) hinzu, die als Navier-Stokes-Gleichungen bekannt sind. Der französische Physiker und Mathematiker Simeon Denis Poisson (1819-1903) lieferte die thermodynamischen oder mathematischen Hilfsmittel zum Schließen des Systems. Die atmosphärischen Bewegungsgleichungen passen das Ganze an unsere rotierende Erde an, um unter anderem aus diesen Wettervorhersagen zu ermöglichen. Der schweizerisch-US-amerikanische Naturforscher und Geograph Arnold Guyot (1807-1884) kompilierte im Auftrag der Smithsonian Institution ab den 1850er-Jahren wegweisende meteorologische und physikalische Datentabellen. Das als Standardwerk etablierte Buch erschien erstmals 1852 unter dem Titel "A Collection of Meteorological Tables, with other tables useful in practical meteorology". Die umfassende Sammlung enthält Tabellen zu Luftdruck (barometrische Höhenmessung), Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeiten sowie physikalische Umrechnungsformeln für verschiedene Maßeinheiten. Guyots mathematisch-physikalische Tabellen erlangten weltweite Verbreitung und bildeten ein wichtiges Fundament für die moderne Klimatologie und Meteorologie. Obwohl die britische Mathematikerin Augusta Ada King-Noel, Countess of Lovelace oder Ada Lovelace (1815-1852) vor allem als Pionierin der Informatik und erste Programmiererin der Welt bekannt ist, zeigen im Jahr 2024 in den Archiven der Royal Society entdeckte Briefe eine weitere Facette ihrer wissenschaftlichen Arbeit. In einer Korrespondenz aus dem Jahr 1848 mit dem berühmten britischen Astronomen Sir John Herschel (1792-1871) entwickelte Lovelace mathematische Ansätze, um den Einfluss von Klimabedingungen auf das Wachstum von Kulturpflanzen darzustellen. Sie modifizierte dafür bestehende statistische Methoden und bezog physikalische Größen wie die Solarkonstante mit ein. Diese mathematischen Modelle flossen direkt in einen wissenschaftlichen Artikel über Agrarmeteorologie ein, der formell von ihrem Ehemann, dem britischen Mathematiker William King-Noel, Earl of Lovelace (1805-1893), veröffentlicht wurde. Da Frauen der direkte Zugang zu vielen wissenschaftlichen Institutionen damals verwehrt blieb, war dies ihr Weg, aktiv an der Forschung teilzuhaben. Die Serie Geschichte der Meteorologie wird fortgesetzt. Der nächste Teil wird weitere Persönlichkeiten vorstellen, die Beiträge und Grundlagenforschung zur Meteorologie im 19. Jahrhundert leisteten. Dipl.-Met. Markus Eifried Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 01.11.2026 Copyright (c) Deutscher Wetterdienst