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

François Arago: Optik, Messgeräte und Ballonmeteorologie

Der französische Astronom, Physiker und Politiker François Arago (1786−1853) veröffentlichte populärwissenschaftliche Arbeiten zur Meteorologie und physikalischen Geographie. Er untersuchte die Atmosphäre, die Temperatur der Erde, magnetische Schwankungen sowie Licht und Optik.

Arago konstruierte ein Polariskop zur Untersuchung der Polarisation des Himmelslichts, ein Arago-Davy-Aktinometer zur Messung der Sonneneinstrahlung und ein frühes Cyanometer zur Bestimmung des Blauanteils des Himmels. Zudem beschäftigte er sich mit Gewittern, Kugelblitzen, Polarlichtern und dem Zusammenhang zwischen Aurora und Erdmagnetfeld.

Bei wissenschaftlichen Ballonfahrten verlangte Arago zeitgleiche Bodenbeobachtungen und wies auf Messfehler hin. Ein ungeschütztes Thermometer an der Gondel könne durch fehlende Ventilation und direkte Sonneneinstrahlung falsche Lufttemperaturen anzeigen. Damit formulierte er früh wesentliche Anforderungen an repräsentative aerologische Messungen.

Seine Skepsis gegenüber Wetterprognosen fasste Arago 1845 in einer später als „Arago-Mahnung“ bekannten Aussage zusammen: Selbst bei weit fortgeschrittener Wissenschaft würden seriöse Forscher es nicht wagen, das Wetter vorherzusagen. Die moderne Meteorologie hat diese Einschätzung zwar widerlegt, der darin enthaltene Respekt vor der Komplexität der Atmosphäre ist jedoch weiterhin berechtigt.

Coriolis, Carnot und die Physik der Atmosphäre

Der französische Mathematiker und Physiker Gaspard Gustave de Coriolis (1792−1843) lieferte 1835 eine mathematische Beschreibung dafür, wie Bewegungen in einem rotierenden Bezugssystem behandelt werden. Die nach ihm benannte Corioliskraft lenkt Luftbewegungen auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links ab. Zusammen mit der horizontalen Druckgradientkraft erklärt sie, warum großräumige Winde nicht direkt vom Hoch zum Tief wehen.

Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796−1832) veröffentlichte 1824 seine grundlegende Schrift über Wärmekraftmaschinen. Der Carnot-Prozess beschreibt idealisiert, wie ein System bei hoher Temperatur Energie aufnimmt und bei niedrigerer Temperatur wieder abgibt. Auch atmosphärische Zirkulationssysteme und tropische Wirbelstürme lassen sich in vereinfachter Betrachtung als Wärmekraftmaschinen auffassen: Sie gewinnen Energie aus sensibler und latenter Wärme über warmen Meeresoberflächen und verlieren Energie durch Reibung und turbulente Dissipation.

Clapeyron und Clausius: Wärme, Wasserdampf und Entropie

Der französische Physiker Émile Clapeyron (1799−1864) gab Carnots Überlegungen 1834 eine mathematische Form und stellte thermodynamische Kreisprozesse grafisch dar. Auf ihn geht auch eine frühe Form der Zustandsgleichung idealer Gase zurück.

Rudolf Clausius (1822−1888) erweiterte 1850 die Clapeyron-Gleichung zur Clausius-Clapeyron-Gleichung. In der Meteorologie beschreibt sie insbesondere die Temperaturabhängigkeit des Sättigungsdampfdrucks. Daraus folgt näherungsweise, dass die maximal mögliche Wasserdampfmenge der Atmosphäre bei typischen bodennahen Temperaturen mit jedem Grad Erwärmung um etwa 6 bis 7 Prozent zunimmt. Der Zusammenhang ist grundlegend für Wolkenbildung, Niederschlag und die Thermodynamik der Atmosphäre.

Clausius formulierte außerdem eine zentrale Aussage des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik und führte 1865 den Begriff der Entropie ein.

Doppler, Waterston und die kinetische Gastheorie

Der österreichische Physiker Christian Doppler (1803−1853) beschrieb 1842 die Frequenzänderung von Wellen bei einer Relativbewegung zwischen Quelle und Beobachter. Moderne Doppler-Radare nutzen diesen Effekt, um die Geschwindigkeitskomponente von Niederschlagsteilchen in Richtung des Radars oder vom Radar weg zu messen. Die Radarreflektivität liefert dagegen vor allem Informationen über Verteilung und Größe der streuenden Hydrometeore.

Der schottische Physiker John James Waterston (1811−1883) gehörte zu den Pionieren der kinetischen Gastheorie. Er erkannte den Zusammenhang zwischen molekularer Bewegungsenergie und Temperatur und leitete daraus Beziehungen für ideale Gase ab. Seine Arbeiten blieben zunächst weitgehend unbeachtet und wurden erst später im Zusammenhang mit der Entwicklung der kinetischen Gastheorie gewürdigt.

Buys Ballot: Windgesetz und internationale Kooperation

Der niederländische Physiker und Meteorologe Christoph Buys Ballot (1817−1890) gründete 1854 das Königlich-Niederländische Meteorologische Institut. Sein barisches Windgesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Windrichtung und horizontaler Druckverteilung: Steht eine Person auf der Nordhalbkugel mit dem Rücken zum Wind, befindet sich der tiefere Druck links, auf der Südhalbkugel rechts.

Das Gesetz gilt vor allem für großräumige Strömungen außerhalb der Tropen. Bei kleinräumigen, durch Gelände oder Gewitter bestimmten Winden und in Äquatornähe ist es nicht unmittelbar anwendbar.

Buys Ballot setzte sich zudem für internationale Zusammenarbeit ein. Nach dem Internationalen Meteorologischen Kongress 1873 leitete er den Ausschuss, der die Gründung einer dauerhaften Organisation vorbereitete. 1879 entstand in Rom die Internationale Meteorologische Organisation (IMO), die Vorgängerin der heutigen Weltorganisation für Meteorologie (WMO).

Joule, Foucault und Rankine

Der britische Physiker James Prescott Joule (1818−1889) formulierte 1840 das erste Joulesche Gesetz zur Erwärmung eines stromdurchflossenen Leiters. Mit seinen Experimenten zum mechanischen Wärmeäquivalent zeigte er, dass mechanische Arbeit in Wärme umgewandelt werden kann. Das mechanische Wärmeäquivalent ist dabei nicht mit der spezifischen Wärmekapazität gleichzusetzen. Gemeinsam mit William Thomson untersuchte Joule zudem die Temperaturänderung von Gasen bei Drosselung, den Joule-Thomson-Effekt.

Léon Foucault (1819−1868) wies mit seinem Pendel die Erdrotation experimentell nach. Für die Meteorologie verdeutlicht dies, warum die Erde kein Inertialsystem ist und der Coriolis-Parameter in den Bewegungsgleichungen der Atmosphäre berücksichtigt werden muss.

Der schottische Ingenieur und Physiker William John Macquorne Rankine (1820−1872) untersuchte Zusammenhänge zwischen Temperatur, Druck und Dichte von Gasen sowie zwischen Sättigungsdampfdruck und Temperatur. 1859 schlug er eine absolute Temperaturskala vor, deren Gradweite der Fahrenheit-Skala entspricht. Die Rankine-Skala wird heute nur noch in wenigen technischen Anwendungen verwendet.

Helmholtz: Wirbel und atmosphärische Instabilität

Der preußische Mediziner und Physiker Hermann von Helmholtz (1821−1894) arbeitete über Energieerhaltung, Wellenbewegungen und Wirbel in Flüssigkeiten. Seine Wirbelsätze wurden zu einer wichtigen Grundlage für die Beschreibung atmosphärischer Zirkulation und Wirbelstärke.

Gemeinsam mit Thomson ist sein Name mit der Kelvin-Helmholtz-Instabilität verbunden. Sie entsteht, wenn zwischen benachbarten Luftschichten ausreichend starke Geschwindigkeitsunterschiede bestehen, und kann sich in charakteristischen wellenförmigen Wolkenstrukturen zeigen.

Lord Kelvin: Temperaturskala und atmosphärische Elektrizität

Sir William Thomson, Lord Kelvin (1824−1907) schlug 1848 eine absolute Temperaturskala auf thermodynamischer Grundlage vor. Die SI-Einheit ist das Kelvin mit dem Symbol K. Der absolute Nullpunkt bei 0 K entspricht exakt −273,15 °C.

Kelvin untersuchte gemeinsam mit Helmholtz Wirbel und Strömungen. Für die Meteorologie besonders wichtig war außerdem seine korrekte Beschreibung des gesättigt-adiabatischen Prozesses: Ein aufsteigendes gesättigtes Luftpaket kühlt sich wegen der frei werdenden Kondensationswärme langsamer ab als ein ungesättigtes.

Thomson beschäftigte sich auch mit atmosphärischer Elektrizität und entwickelte ein Wassertropfen-Elektrometer. Ab 1861 wurde am Kew Observatory ein Programm zur kontinuierlichen Messung des elektrischen Feldes der Atmosphäre betrieben.

Die Geschichte der Meteorologie wird fortgesetzt. Der nächste Teil soll Persönlichkeiten des 19. Jahrhunderts behandeln, die ausdrücklich meteorologische Neuerungen entwickelten.

Autor der DWD-Originalfassung:
Dipl.-Met. Markus Eifried
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, 19.10.2026

Quelle und Lizenz: Deutscher Wetterdienst, „Thema des Tages“ vom 19. Oktober 2026. DWD-Text unter CC BY 4.0. Für Windinfo redaktionell gegliedert, gestrafft und sprachlich überarbeitet. Fachlich korrigiert wurden die ausgeschriebene Bezeichnung der Internationalen Meteorologischen Organisation, die Abgrenzung des mechanischen Wärmeäquivalents von der spezifischen Wärmekapazität sowie der Celsiuswert des absoluten Nullpunkts. Abgleich mit der WMO, der Science Museum Group Collection und dem NIST. Drei historische DWD-Abbildungen wurden dauerhaft lokal gespeichert und skaliert; vollständige Bildnachweise stehen an den Abbildungen.