Wissenschaft kompakt


Geschichte der Meteorologie - Teil 20: Meteorologie im 19.
Jahrhundert (a)



Im heutigen Thema des Tages werden Persönlichkeiten vorgestellt, die
wesentliche Forschungsbeiträge zur Physik im 19. Jahrhundert erbracht
haben. Diese physikalischen Erkenntnisse nutzt die Meteorologie bis
heute.



Nachdem zuletzt der Themenschwerpunkt der Geschichte der Meteorologie
im 19. Jahrhundert in der Entwicklung der Telegraphie lag, mit der
Daten und damit auch Wetterbeobachtungen rasch über große Distanzen
verbreitet werden konnten, blicken wir heute auf Erkenntnisse aus der
Physik, die auch in der Meteorologie genutzt werden.
Der französische Astronom, Physiker und Politiker François Arago
(1786-1853) verfasste populärwissenschaftliche Artikel über
Meteorologie und physikalische Geographie, darunter Schriften über
die Atmosphäre, die Temperatur der Erde und ihre magnetischen
Schwankungen. Arago war auch auf dem Gebiet des Lichts und der Optik
tätig. Er konstruierte ein als Polariskop bekanntes Instrument, mit
dem er Experimente zur Polarisation des Himmelslichts durchführen
konnte. Außerdem baute er ein Gerät zur Messung der
Sonneneinstrahlung, das als Arago-Davy-Aktinometer bekannt wurde,
sowie ein frühes Cyanometer zur Messung des Blauanteils des Himmels.
Arago beschäftigte sich mit Gewittern und unterschied drei Arten von
Blitzen: den gewöhnlichen Blitzschlag, den Flächenblitz und den
Kugelblitz. 1838 veröffentlichte er eine Übersicht von Berichte zu
Kugelblitzen. In einer Arbeit aus dem Jahr 1854 mit dem Titel "Le
Tonnerre" (übersetzt "Der Donner") stellte er dann seine
Vorstellungen zu diesem seltsamen Phänomen vor. Arago untersuchte
außerdem die Aurora borealis und das Erdmagnetfeld sowie die
Beziehung zwischen beiden. 1824 führte er ein Experiment durch, bei
dem eine frei rotierbare Magnetnadel über einer rotierenden
Kupferscheibe schwebt und durch die Rotation der Scheibe ebenfalls in
Bewegung gesetzt wird. Es war der erste Versuch, der den Wirbelstrom
nachweisen konnte. Arago nannte dieses Phänomen
"Rotationsmagnetismus", später wurde es als Induktion bekannt. Arago
befasste sich auch mit meteorologischen Messgeräten und
wissenschaftlichen Ballonflügen. Er bestand darauf, dass während
solcher Flüge an verschiedenen Punkten Bodenbeobachtungen
durchgeführt werden sollten, um sie mit den Ballonmessungen zu
vergleichen. Er wies zudem auf mögliche Beobachtungsfehler bei den in
Ballonflügen verwendeten meteorologischen Instrumenten hin,
insbesondere auf die Tatsache, dass ein gewöhnliches, an der Gondel
befestigtes Thermometer die tatsächliche Lufttemperatur nicht
anzeigen könne, da der relative Wind fehle und die Möglichkeit
bestehe, dass direkte Sonneneinstrahlung das Thermometer erwärme.
Arago empfahl daher, Instrumente und Beobachtungsmethoden zu
entwickeln, die während Ballonflügen repräsentative Daten liefern
würden. Es scheint, dass Arago hinsichtlich der Schwierigkeiten bei
der Wettervorhersage ein Realist war. In der sogenannten
"Arago-Mahnung" erklärte er 1845: "Niemals, ganz gleich, wie weit die
Wissenschaft auch voranschreiten mag, werden ehrliche
Wissenschaftler, denen ihr Ruf am Herzen liegt, es wagen, das Wetter
vorherzusagen." Auch wenn sich diese Mahnung als falsch erwiesen hat,
spiegelt ihre Grundaussage doch zweifellos den Respekt wider, den
Wettervorhersager überall vor der Atmosphäre haben müssen, die denen,
die ihr Verhalten vorhersagen, mitunter sehr gnadenlos begegnet. 1839
stellte Arago erste frühe Verfahren zur Photographie, die zwei
französische Erfinder entwickelt hatten, offiziell der Französischen
Akademie der Wissenschaft und der Öffentlichkeit vor.
Der französische Mathematiker und Physiker Gaspard Gustave de
Coriolis (1792-1843) forschte an verschiedenen Bewegungen von
Körpern. Die Erde ist kein stationäres Bezugssystem, sie dreht sich.
Die Bewegungsgleichungen der Atmosphäre müssen diese Rotation
berücksichtigen. In einer 1835 veröffentlichten Abhandlung ("Sur les
equations du mouvement relatif des systemes de corps", übersetzt
"Über die Gleichungen der Relativbewegung von Körpersystemen") zeigte
Coriolis, wie man die Erdrotation durch das Hinzufügen einer
zusätzlichen Kraft berücksichtigen kann, die als zusammengesetzte
Zentrifugalkraft beschrieben wurde und als Corioliskraft bekannt
geworden ist. Die Corioliskraft erklärt, warum die Winde nicht direkt
von Hochdruckgebieten zu Tiefdruckgebieten wehen. Lässt man
Reibungseffekte außer Acht, lenkt die Coriolis-Kraft auf der
nördlichen (südlichen) Hemisphäre die Luftbewegung nach rechts
(links) ab, sodass die Winde parallel zu den Isobaren wehen, wobei
der niedrigere Druck links (rechts) liegt. Dieses Verhalten, das
allgemein als Coriolis-Effekt bezeichnet wird, ist ein
Schlüsselkonzept der Meteorologie. Coriolis war der Erste, der eine
klare mathematische Erklärung für diesen Effekt lieferte. Einige
frühere Forscher hatten bereits erkannt, dass er existieren musste.
Auf der Grundlage physikalischer Überlegungen hatten sie qualitative
Beschreibungen vorgeschlagen (bspw. Hadley 1735, siehe Teil 8 der
Serie zur Geschichte der Meteorologie).
Der französische Physiker und Ingenieur Nicolas Leonard Sadi Carnot
(1796-1832) veröffentlichte 1824 die Schrift "Reflexions sur la
puissance motrice du feu et sur les machines propres a developper
cette puissance" (übersetzt: "Betrachtungen über die bewegende Kraft
des Feuers und die zur Entwicklung dieser Kraft geeigneten
Maschinen"), die als Ursprung der Thermodynamik gilt ? einer
Wissenschaft, die sich mit der Umwandlung von Wärmeenergie in andere
Energieformen und umgekehrt befasst. Die Thermodynamik ist ein
integraler Bestandteil weit gefasster Disziplinen wie Ingenieurwesen,
Physik, Chemie und Meteorologie, weshalb Carnots Arbeit in all diesen
Bereichen Anwendung fand. Carnot beschrieb einen Vorgang, der heute
als Carnot-Prozess eine theoretische Betrachtung der Dampfmaschine
(Carnot-Wärmekraftmaschine) bekannt ist, bei dem ein System bei einer
relativ hohen Temperatur Energie aufnimmt und bei einer niedrigeren
Temperatur wieder abgibt. Diese Schrift über den Wirkungsgrad von
Wärmekraftmaschinen gilt als Grundlage des Zweiten Hauptsatzes der
Thermodynamik. Sowohl die Hadley-Zelle (die in meteorologischen
Untersuchungen der allgemeinen Zirkulation eine wichtige Rolle
spielt) als auch der Hurrikan können im weitesten Sinne als
Carnot-Wärmekraftmaschinen betrachtet werden: Energie geht durch
Reibung und turbulente Dissipation bei relativ niedrigen Temperaturen
verloren und wird durch sensible und latente Wärme von der warmen
Meeresoberfläche gewonnen. Dies ist vergleichbar mit der Situation,
in der fallendes Wasser in einem Wasserfall eine Turbine antreiben
kann, um Strom zu erzeugen. Das oben einströmende Wasser verfügt über
mehr Energie (die potenzielle Energie aufgrund seiner größeren Höhe)
als das unten ausströmende Wasser. Ein Teil dieser Differenz wird
dazu verwendet, die Turbinen in Drehung zu versetzen, ein anderer
Teil geht durch verschiedene Reibungs- und mechanische Effekte
verloren.
Der französische Physiker Emile Clapeyron (1799-1864) entwickelte in
seiner 1834 veröffentlichten Arbeit "Memoire sur la puissance motrice
de la chaleur" (übersetzt "Abhandlung über die Antriebskraft der
Wärme") eine graphische Darstellung der thermodynamischen
Kreisprozesse von Carnot (siehe oben). Er gab der Arbeit von Carnot
auch eine mathematische Form. Die Zustandsgleichung für ideale Gase
in der heute üblichen Form stammt von ihm. Die sogenannte
Clapeyron-Gleichung wurde 1850 von Rudolf Clausius (1822-1888), einem
Physiker aus Pommern, zur Clausius-Clapeyron-Gleichung erweitert. Sie
beschreibt in der Meteorologie den Phasenübergang von Wasser,
insbesondere die Abhängigkeit des Sättigungsdampfdrucks von der
Temperatur. Sie ist das fundamentale Gesetz hinter der Entstehung von
Wolken, Niederschlag und der Thermodynamik der Atmosphäre. Die
Gleichung drückt eine Alltagserfahrung in mathematischer Form aus:
Warme Luft kann mehr Wasserdampf aufnehmen als kalte Luft. Pro 1 °C
(oder besser K, siehe unten) Erwärmung steigt die maximale
Wasserdampfmenge in der Atmosphäre exponentiell um etwa 6 bis 7
Prozent. Clausius formulierte das Prinzip, dass Wärme nicht von
selbst von einem kälteren auf einen wärmeren Körper übergehen kann,
ohne in der Umgebung irgendwelche Veränderungen zu hinterlassen
(Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik) und führte 1865 den Begriff der
Entropie ein, eine in der Wärmelehre verwendete extensive
Zustandsgröße mit der Dimension Energie pro Temperatur.
Der österreichische Mathematiker und Physiker Christian Doppler
(1803-1853) beschrieb erstmals 1842, wie die beobachtete Frequenz von
Licht- und Schallwellen durch die Relativbewegung von Quelle und
Detektor beeinflusst wird. Dieses Phänomen wurde als Doppler-Effekt
bekannt. Am besten lässt es sich anhand der Tonhöhenänderung einer
Zugpfeife veranschaulichen, wenn sich der Zug einem Beobachter am
Gleis nähert, an ihm vorbeifährt und sich dann wieder von ihm
entfernt. Die moderne Meteorologie nutzt dieses Prinzip in speziellen
Radarsystemen, den sogenannten Doppler-Radaren, die Informationen
über die Komponenten der atmosphärischen Bewegung in Richtung des
Radarstandorts und von diesem weg liefern. Herkömmliche Wetterradare
liefern andere Daten, die als Radarreflektivität bezeichnet werden
und aus denen Rückschlüsse auf die Struktur von Wettersystemen und
die darin enthaltenen Partikel in Niederschlagsgröße gezogen werden
können. Ein Doppler-Radar liefert daher wichtige ergänzende
Informationen zur herkömmlichen Radarreflektivität.
Der britische Physiker John James Waterston (1811-1883) aus
Schottland gilt als Pionier der kinetischen Gastheorie. Er
entwickelte seine kinetische Gastheorie unabhängig von anderen
Wissenschaftlern. Er erkannte, dass die kinetische Energie eines
einzelnen Moleküls mit der Masse m und der Geschwindigkeit v genau
½mv2 ist und dass Wärme und Energie proportional zur Temperatur sind.
Diese Erkenntnisse ließen ihn ein Gesetz für ein ideales Gas
ableiten. Er veröffentlichte seine Erkenntnisse 1843 in einem Buch
mit dem ungewöhnlichen Titel "Thoughts on the Mental Functions"
("Gedanken zu den geistigen Funktionen"). Die Arbeit blieb zunächst
ohne größeren Einfluss. Die kinetische Gastheorie wurde erst in den
1850er Jahren akzeptiert, als andere Wissenschaftler entsprechende
Arbeiten publizierten, darunter Clausius (siehe oben). Zu diesem
Zeitpunkt waren Waterstons Beiträge jedoch bereits in Vergessenheit
geraten.
Der niederländische Physiker und Meteorologe Christoph Buys Ballot
(1817-1890) gründete 1854 das Königlich-Niederländische
Meteorologische Institut, dessen Direktor er bis zu seinem Tod im
Jahr 1890 war. Am bekanntesten ist er für das Gesetz von Buys Ballot
(Barisches Windgesetz), welches den Zusammenhang zwischen der
horizontalen Druckverteilung und der Windrichtung beschreibt. Es
lässt sich wie folgt formulieren: Steht eine Person auf der
Nordhalbkugel mit dem Rücken zum Wind, so befindet sich der tiefe
Druck zu ihrer Linken (auf der Südhalbkugel befindet sich der tiefe
Druck zu ihrer Rechten). Er veröffentlichte dieses Ergebnis 1857 in
einem Artikel mit dem Titel "Note sur le rapport de l'intensite et de
la direction du vent avec les ecarts simultanes du barometre"
(übersetzt "Anmerkung zum Zusammenhang zwischen Windstärke und
Windrichtung einerseits und den gleichzeitigen Barometerschwankungen
andererseits"). Das Gesetz von Buys Ballot ist eine verbale
Formulierung dessen, was in der Meteorologie heute als
geostrophischer Wind bekannt ist (der zum Teil vom Vorhandensein der
Corioliskraft abhängt). Das Gesetz gilt für Winde im großen Maßstab,
trifft jedoch nicht auf verschiedene Situationen zu, darunter Winde
im kleineren Maßstab, die durch die Topographie kanalisiert werden
oder beispielsweise mit Gewittern in Verbindung stehen. Es gilt auch
nicht in den äquatorialen Regionen, wo die Corioliskraft nahezu null
ist. Buys Ballot erfand ein wenig bekanntes Instrument namens
Aeroklinoskop, mit dem er die Windrichtung in Abhängigkeit vom
Luftdruck darstellte. Außerdem entwickelte er ein System von
Wettersignalen. Zusammen mit Kollegen erkannte Buys Ballot die
potentiellen Vorteile einer internationalen Zusammenarbeit in der
Meteorologie. Ein Internationaler Meteorologischer Kongress, der 1873
in Wien tagte, richtete einen Meteorologischen Ausschuss ein, um die
Gründung einer formellen internationalen meteorologischen
Organisation vorzubereiten, deren Mitglieder die Leiter der
nationalen Wetterdienste sein sollten (siehe Teil 16 der Serie zur
Geschichte der Meteorologie). Buys Ballot wurde zum Vorsitzenden des
Ausschusses ernannt und leitete dessen Arbeit bis 1879, als auf dem
Meteorologischen Kongress in Rom die neue Internationale
Meteorologische Organisation (IMO) ins Leben gerufen wurde.
Der britische Physiker James Prescott Joule (1818-1889) forschte
zunächst im Bereich des Elektromagnetismus. Er formulierte 1840 das
erste Joulesche Gesetz, nach dem die Erwärmung eines
stromdurchflossenen Leiters proportional dem Produkt aus dem Quadrat
der Stromstärke und dem Widerstand des Stromkreises ist. 1847 konnte
er das mechanische Äquivalent der Wärme (heute als spezifische
Wärmekapazität bekannt) bestimmen. Ab 1852 arbeitete Joule gemeinsam
mit Thomson (siehe unten) an Experimenten zur Bestätigung
thermodynamischer Theorien. 1852 zeigten die beiden Forscher, dass
sich ein Gas, welches sich ungestört ausdehnen kann, abkühlt. Dieser
Joule-Thomson-Effekt war ein Beweis für die Annahme, dass zwischen
den Gasmolekülen schwache Kräfte wirksam sind. Anwendung findet das
Gesetz bei der Gasverflüssigung und in der Kältetechnik sowie in der
Sensorik von Messgeräten (bspw. Korrektur von Drosselungen und
Drucksprüngen an Einlassdüsen bei Messinstrumenten im Bereich der
Flugmeteorologie). Außerdem konzipierte Joule den idealen
Kreisprozess der Heißluftmaschine (Joule-Prozess).
Der französische Physiker Leon Foucault (1819-1868) wies die
Erdrotation durch ein Experiment mit dem später als Foucaultsches
Pendel bekannten Gerät nach. Die Erdrotation bedeutet, dass die Erde
kein festes Bezugssystem ist, sodass Luftmassen, die sich ohne
erkennbare äußere Einwirkung in der Atmosphäre bewegen, dennoch von
der geraden Bewegungsbahn abweichen, die in einem festen Bezugssystem
zu erwarten wäre. Eine als Coriolis-Parameter bezeichnete Größe
berücksichtigt diesen Effekt und muss bei jeder Untersuchung
atmosphärischer Bewegungen berücksichtigt werden.
Der britische Ingenieur William John Macquorne Rankine (1820-1872)
aus Schottland begeisterte sich für viele Bereiche der
Naturwissenschaften und der Mathematik. 1849 stellte Rankine den
Zusammenhang zwischen dem Sättigungsdampfdruck und der Temperatur
her, und 1850 zeigte er, wie Temperatur, Druck und Dichte eines Gases
miteinander zusammenhängen. Außerdem leitete er eine Formel für die
Verdampfungswärme einer Flüssigkeit her. Solche Zusammenhänge sind in
der Meteorologie von Bedeutung. 1859 schlug Rankine eine neue
Temperaturskala vor, deren Nullpunkt beim absoluten Nullpunkt lag und
bei der ein Rankine-Grad dem Skalenabstand der Fahrenheit-Skala
entsprach. Diese Skala entspricht der von Lord Kelvin (s. u.) im Jahr
1848 festgelegten, mit dem Unterschied, dass letztere Celsius-Grad
anstelle von Fahrenheit-Grad verwendet. Für wissenschaftliche
Arbeiten, bei denen die absolute Temperatur erforderlich ist, hat
sich die Kelvin-Skala als internationaler Standard durchgesetzt. Die
Rankine-Skala (°Ra, °R) wird selten in wenigen technischen
Anwendungen verwendet, beispielsweise in den Vereinigten Staaten, wo
Fahrenheit-Temperaturgrade üblich sind.
Der preußische Mediziner, Physiologe und Physiker Hermann von
Helmholtz (1821-1894) ist für Entdeckungen in den Bereichen
Physiologie, Optik, Elektrodynamik, Mathematik und Meteorologie
bekannt. Zu Beginn seiner Karriere beschäftigte er sich mit
Energieerhaltung, Energieübertragung und Wellenbewegung. Diese
Untersuchungen sollten ihm später bei seiner meteorologischen Arbeit
von Nutzen sein. Helmholtz' erste Arbeiten zu Wirbel-Sätzen wurden
1858 veröffentlicht. Er arbeitete auch mit Kelvin (s. u.) bei
Untersuchungen zu Wirbeln in Flüssigkeiten zusammen, was dazu führte,
dass Kelvin 1869 seinen eigenen Zirkulationssatz veröffentlichte. All
diese Arbeiten zu Wirbeln in Flüssigkeiten waren ein Vorläufer für
Helmholtz' Untersuchungen zu Zirkulation und Wirbelstärke in der
Atmosphäre, die für Meteorologen zentrale Konzepte darstellen. Die
Ergebnisse dieser Untersuchungen veröffentlichte er 1888 in seiner
Abhandlung "Über atmosphärische Bewegungen". Helmholtz und Kelvin
werden in der Meteorologie auch gemeinsam durch eine Form der
atmosphärischen Instabilität in Erinnerung behalten, die als
Kelvin-Helmholtz-Instabilität bekannt ist.
Der britische Physiker und Ingenieur Sir William Thomson aus
Nordirland, besser bekannt unter den Namen Erster Baron Kelvin oder
Lord Kelvin (1824-1907), leistete vielfältige Beiträge zur
Meteorologie, ist jedoch vor allem als Begründer der
Kelvin-Temperaturskala in Erinnerung geblieben. 1848 schlug Thomson
eine Temperaturskala vor, die auf den Grundgesetzen der Thermodynamik
beruhte. Die Konstruktion seiner Skala war derart, dass es darin
einen Punkt geben musste, an dem keine "Wärme" (Calorique) übertragen
werden konnte. Diese absolute Kälte (heute als absoluter Nullpunkt
bekannt) war eine Idee, die bereits von Boyle 1665 diskutiert worden
war (siehe Teil 7 der Serie zur Geschichte der Meteorologie). Thomson
erhielt 1892 den Titel "First Baron Kelvin" und wurde fortan als Lord
Kelvin bekannt, ebenso wie seine Temperaturskala weithin als
Kelvin-Skala bekannt wurde. Im modernen wissenschaftlichen
Sprachgebrauch (Systeme International, kurz SI) werden diese
Temperaturen als Kelvin bezeichnet, mit dem Symbol K. Der absolute
Nullpunkt 0 K entspricht -273,16 °C auf der Celsius-Skala und -459,67
°F auf der Fahrenheit-Skala. Thomson beschäftigte sich mit Wirbeln in
Flüssigkeiten und arbeitete auf diesem Gebiet mit von Helmholtz
zusammen. Diese Arbeit führte zu Thomsons Theoremen über die
Zirkulation von Flüssigkeiten, die 1869 veröffentlicht wurden. Die
beiden Forscher sind auch für ihre Untersuchung einer Form der
atmosphärischen Instabilität bekannt, die heute als
Kelvin-Helmholtz-Instabilität bezeichnet wird (siehe oben). Thomson
untersuchte die Luftfeuchtigkeit und den Niederschlag und lieferte
1862 die erste korrekte Beschreibung des gesättigten adiabatischen
Prozesses. Bei einem solchen Prozess ist die Abkühlungsrate eines
aufsteigenden gesättigten Luftpakets mit zunehmender Höhe geringer
als die eines aufsteigenden ungesättigten Luftpakets. Diese
Erkenntnisse sind für die Untersuchung von Konvektion und Stabilität
in der Atmosphäre von Bedeutung. Thomson erkannte die Existenz
atmosphärischer elektrischer Felder unter verschiedenen
Wetterbedingungen, einschließlich Schönwetter. Thomson war fest davon
überzeugt, dass Kenntnisse über die atmosphärische Elektrizität bei
der Wettervorhersage nützlich sein könnten. Er beschrieb seine Ideen
in einem Vortrag, den er 1859 vor der British Association for the
Advancement of Science hielt ("Über die Notwendigkeit unaufhörlicher
Aufzeichnungen und gleichzeitiger Beobachtungen an verschiedenen
Orten zur Untersuchung der atmosphärischen Elektrizität"). Um eigene
Messungen der atmosphärischen Elektrizität durchzuführen, erfand
Thomson das Wassertropfen-Elektrometer. Bei diesem Instrument nahmen
die Wassertropfen, die aus einem isolierten Metallbehälter versprüht
wurden, das lokale elektrische Potential der Atmosphäre auf, das
anschließend mit einem gewöhnlichen Elektrometer gemessen werden
konnte. Dies war ein bedeutender Beitrag zur Wissenschaft der Messung
atmosphärischer Elektrizität. Das Wassertropfen-Elektrometer wurde in
der Wetterstation des britischen Met Office in Kew eingeführt, wo
Thomson 1861 ein Programm zur kontinuierlichen Messung der
atmosphärischen Elektrizität ins Leben rief. Er stellte fest, dass
sich die Aufladung der Atmosphäre bei klarem Himmel durch das
Vorhandensein positiver atmosphärischer Ladungen erklären ließ.
Die Serie Geschichte der Meteorologie wird fortgesetzt. Der nächste
Teil wird sich mit Persönlichkeiten der Meteorologie im 19.
Jahrhundert widmen, die explizit Forschungsergebnisse zu Neuerungen
im Bereich der Meteorologie lieferten.


Dipl.-Met. Markus Eifried

Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 19.10.2026

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