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