Geschichte der Meteorologie – Teil 24: Meteorologie im 19. Jahrhundert (d)

Chemie, Messtechnik und Mathematik lieferten im 19. Jahrhundert wichtige Grundlagen für die Meteorologie. Teil 24 der DWD-Serie führt von der Entdeckung des Ozons und Eunice Newton Footes Experimenten über mechanische Rechenmaschinen und Windmesser bis zu Ada Lovelaces Arbeiten über Klima und Pflanzenwachstum.

Christian Friedrich Schönbein und das Ozon

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 beobachtete er das Gas, das er später Ozon nannte, abgeleitet vom griechischen ὄζειν bzw. „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 Académie des Sciences in Paris vorlegte.

Neben der Entdeckung des Ozons gelang ihm auch die Entdeckung der Schießbaumwolle. Er prägte den Begriff der Geochemie und befasste sich mit biologischen Fragestellungen zum Blut.

Eunice Newton Foote und die Klimawirkung von Kohlenstoffdioxid

Die US-amerikanische Erfinderin und Forscherin Eunice Newton Foote (1819–1888) gehört zu den frühen Pionierinnen der Klimaforschung. 1856 untersuchte sie, wie sich verschiedene Gase in Glaszylindern unter Sonneneinstrahlung erwärmen. Zu den untersuchten Gasen gehörten Luft, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Thermometer erfassten die Temperaturveränderungen. Der mit Kohlenstoffdioxid gefüllte Zylinder wurde besonders warm und kühlte anschließend langsamer ab. Foote folgerte daraus, dass eine Atmosphäre mit mehr Kohlenstoffdioxid zu höheren Temperaturen auf der Erde führen könnte. Ihre Arbeit „Circumstances Affecting the Heat of the Sun’s Rays“ wurde 1856 bei einer Tagung der American Association for the Advancement of Science vorgestellt; Joseph Henry trug ihre Ergebnisse vor.

Das Experiment war ein früher Hinweis auf die Klimawirkung von Kohlenstoffdioxid, aber kein eindeutiger experimenteller Nachweis des heutigen physikalischen Verständnisses des atmosphärischen Treibhauseffekts. Insbesondere untersuchte Foote nicht gezielt die Absorption der langwelligen Wärmestrahlung der Erde. Ihre Leistung sollte daher gewürdigt werden, ohne sie pauschal als alleinige Entdeckerin des Treibhauseffekts oder als erste Frau in der meteorologischen Grundlagenforschung zu bezeichnen.

Wróblewski und Olszewski: Gase werden flüssig

Der polnische Chemiker und Physiker Zygmunt Wróblewski (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 Wróblewski erstmals die statische Verflüssigung (Kondensation) von Sauerstoff und Stickstoff. Zunächst konnten beide Forscher im April 1883 erstmals Sauerstoff durch starke Abkühlung und unter hohem Druck in eine ruhige, durchsichtige Flüssigkeit überführen. Nur wenig später glückte ihnen derselbe Durchbruch mit Stickstoff.

Die kritische Temperatur von Sauerstoff beträgt rund 154,58 K, also −118,57 °C. Sie ist eine Stoffeigenschaft und darf nicht mit der Temperatur eines historischen Versuchs verwechselt werden.

Thomas de Colmar und das Arithmometer

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.

Mechanische Rechenmaschinen erleichterten im 19. und frühen 20. Jahrhundert die aufwendige Auswertung großer Messwertsammlungen. Für die Meteorologie waren solche Rechenhilfen etwa bei statistischen Auswertungen und der Erstellung von Klimatabellen nützlich. Ein Arithmometer führte die Grundrechenarten aus; es war noch kein universell programmierbarer Computer und berechnete keine Wettervorhersage selbstständig.

Antoine César Becquerel und elektrische Thermometer

Der französische Physiker Antoine César 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.

Charles Babbage, Ada Lovelace und mechanische Rechenmaschinen

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. Die später entwickelte Analytical Engine sollte dagegen eine universell programmierbare mechanische Rechenmaschine werden. Vorgesehen waren ein Rechenwerk („Mill“), ein Speicher („Store“), eine Eingabe über Lochkarten und ein Drucker.

Sie blieb zu Babbages Lebzeiten unvollendet. Ada Lovelace erläuterte 1843 in ihren Anmerkungen zu einer Beschreibung der Maschine deren Möglichkeiten und veröffentlichte einen Ablauf zur Berechnung von Bernoulli-Zahlen. Deshalb wird sie häufig als erste Programmiererin bezeichnet.

Georg Scheutz (1785–1873) und sein Sohn Edvard bauten nach Babbages Ideen eine Differenzmaschine. Ein funktionsfähiger Prototyp entstand 1843, eine weiterentwickelte Maschine aus Metall 1853. Diese Geräte berechneten und druckten Tabellen; sie waren keine universellen Computer im heutigen Sinn.

Thomas Romney Robinson und das Schalenkreuz-Anemometer

Der irische Astronom Thomas Romney Robinson (1792−1882) war von 1823 bis zu seinem Tod Direktor der Sternwarte von Armagh. Die meteorologischen Messungen an der Sternwarte begannen im Dezember 1794, tägliche Aufzeichnungen folgten 1795. Die bis heute fortgeführte Reihe ist eine besonders lange Klimadatenquelle. Im erhaltenen Archiv gibt es allerdings eine Lücke von Juni 1825 bis Dezember 1832; vermutlich fehlt ein Beobachtungsbuch. 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.

George Biddell Airy und vergleichbare Wetterbeobachtungen

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. Für den weltweiten Vergleich von Wetterbeobachtungen ist heute die koordinierte Weltzeit UTC (Coordinated Universal Time) maßgeblich. Sie ist eine internationale, auf Atomzeit beruhende Zeitskala und nicht lediglich ein neuer Name für die historisch aus der Erdrotation abgeleitete Greenwich Mean Time (GMT).

Die synoptischen Haupttermine sind 00, 06, 12 und 18 UTC, unabhängig von der jeweiligen Ortszeit. Viele Stationen messen zusätzlich in kürzeren Abständen.

Lucien Vidie und das Aneroidbarometer

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.

Angelo Secchi und automatische Aufzeichnungen

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 untersuchte auch das Erdmagnetfeld. Zwischen 1853 und 1858 entwickelte und errichtete er in Rom ein magnetisches Observatorium; 1858 entstand dort das erste dauerhafte magnetische Observatorium Italiens. 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 Fehleranalyse, Statistik und mathematische Bewegungsgleichungen wurden für die Meteorologie wichtig. Der letzte Abschnitt stellt einige dieser Beiträge und Ada Lovelaces Beschäftigung mit Klima und Pflanzenwachstum vor.

Friedrich Wilhelm Bessel und die Fehleranalyse

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.

Adolphe Quetelet und die internationale Meteorologie

Der belgische Astronom und Statistiker Adolphe Quetelet (1796−1874) trieb die Gründung der Brüsseler Sternwarte voran. Der Gründungsbeschluss stammt von 1826; 1828 wurde Quetelet zum Astronomen und Direktor ernannt. 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.

Von Cauchy und Navier-Stokes zu den Wettermodellen

Verschiedene Wissenschaftler schufen Grundlagen für die mathematische Beschreibung von Gasen und Flüssigkeiten. Augustin-Louis Cauchy (1789–1857) formulierte die Impulsbilanz eines Kontinuums mithilfe des Spannungstensors. Mit einem geeigneten Materialgesetz für newtonsche Fluide erhält man die Navier-Stokes-Gleichungen, benannt nach Claude Louis Marie Henri Navier (1785–1836) und George Gabriel Stokes (1819–1903).

Siméon Denis Poisson (1781–1840) trug unter anderem zur Thermodynamik bei; seine Beziehungen für adiabatische Zustandsänderungen idealer Gase sind in der Atmosphärenphysik wichtig. Für Wettermodelle werden die Bewegungsgleichungen im mit der Erde rotierenden Bezugssystem formuliert und mit Gleichungen für Massenerhaltung, Energie und Feuchte sowie einer Zustandsgleichung verbunden. So lassen sich die Entwicklung von Wind, Temperatur und weiteren Größen berechnen.

Arnold Guyot und meteorologische Tabellen

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.

Ada Lovelace über Klima und Pflanzenwachstum

Obwohl die britische Mathematikerin Augusta Ada King-Noel, Countess of Lovelace oder Ada Lovelace (1815−1852) vor allem als Pionierin der Informatik bekannt ist, zeigen 2024 wissenschaftlich ausgewertete Briefe aus dem Archiv der Royal Society 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, 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

Quelle: DWD, Thema des Tages vom 1. November 2026: Geschichte der Meteorologie – Teil 24. Text: Dipl.-Met. Markus Eifried, Deutscher Wetterdienst, unter CC BY 4.0. Redaktionelle Bearbeitung durch WINDINFO: Einleitung, Zwischenüberschriften und Absätze ergänzt; Formulierungen gestrafft; Einordnung von Footes Experiment, Sauerstofftemperatur, Rechenmaschinen, Armagh-Zeitreihe, UTC/GMT, Secchis Observatorium, Quetelets Ernennung und Poissons Lebensdaten berichtigt beziehungsweise präzisiert. Die Auswertung von Lovelaces Briefen wurde genauer datiert. Drei Originalabbildungen mit den jeweils angegebenen Rechten übernommen; die weitere Fremdabbildung zum Meteorographen wurde mangels abschließend geprüftem Nutzungsnachweis weggelassen.

Fachliche Ergänzungen und Berichtigungen anhand von: American Physical Society: Foote; NIST: Sauerstoff; Computer History Museum: Scheutz; Computer History Museum: Lovelace; Armagh: Messdatenarchiv; BIPM: UTC; Secchis magnetisches Observatorium; Gründungsurkunde der Brüsseler Sternwarte; Royal Society: Poisson; Ferlier: Ada Lovelace und Klima (2024).