Im letzten Thema des Tages zur Geschichte der Meteorologie wurde die Entwicklung der Meteorologie um das Jahr 1750 beschrieben. In diesem Teil der Serie kommen wir in der Geschichte nur langsam vorwärts. Der Fokus liegt nun in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts. Neben Beiträgen zur allgemeinen Meteorologie richtet sich der Blick auf das erste größere meteorologische Messnetz sowie auf die Entdeckung der Stoffe in bzw. der stofflichen Zusammensetzung der Luft.

Der kroatische Mathematiker, Naturphilosoph und jesuitische Priester Rugjer Josip Bošković (1711–1787) aus der Republik Ragusa (heute Dubrovnik) verfasste rund 70 Abhandlungen zu zahlreichen Themen, darunter Optik, Astronomie, Gravitation, Meteorologie, Trigonometrie, Geodäsie und Baustatik. Er zählt zu den letzten Universalgelehrten. Bošković führte Beobachtungen der Aurora borealis durch und schätzte die Höhe der Aurora auf etwa 1000 km. Darüber hinaus stellte er einige Hypothesen über die Ursachen der Aurora auf.

Der französische Philosoph und Schriftsteller Denis Diderot (1713–1784) lieferte in der „Encyclopédie, ou Dictionnaire raisonné des Sciences, des Arts et des Métiers“ eine der frühesten Definitionen der modernen Meteorologie. Er schrieb: „Aus der mit den Sinnen durchgeführten Untersuchung von Wind, Regen, Hagel, Donner usw. ging die Betrachtung zur Ermittlung ihrer Ursprünge, Ursachen, Auswirkungen usw. über und brachte die Wissenschaft hervor, die als Meteorologie bezeichnet wird.“ Diderot erörterte auch „Meteore“ (Météores, comme vents, pluies, tempêtes, tonnerres, aurores boréales usw. – „Meteore“, wie Winde, Regen, Stürme, Donner, Nordlichter usw.). In der Sprache jener Zeit bezeichnete der Begriff „Meteor“ allgemein „einen Körper oder das Erscheinen eines Körpers in der Atmosphäre, der aus dort schwebenden Stoffen gebildet wird“. Das heutige Wort „Meteorologie“ hat seinen Ursprung in diesem Sinne des Wortes „Meteor“.

Der französischer Mathematiker Jean-Baptiste le Rond d’Alembert (1717–1783) leistete Pionierarbeit bei der Anwendung partieller Differentialgleichungen in der Erforschung von Strömungsbewegungen. Seine Arbeiten zu diesem Thema erschienen erstmals in einer Studie über Winde mit dem Titel „Réflexions sur la cause générale des vents“ (Überlegungen zur allgemeinen Ursache der Winde), die er 1747 der Berliner Akademie vorlegte. Darin ging d'Alembert davon aus, dass die Winde durch Gezeiteneinflüsse auf die Atmosphäre entstehen und dass die Erwärmung nur eine untergeordnete Rolle spielt. Heute weiß man, dass die Erwärmung durch die Sonne der entscheidende Antrieb für die atmosphärische Zirkulation und die Winde ist. Dennoch war d'Alemberts Arbeit mathematisch fundiert und stellte erstmals die Bewegungsgleichungen einer inkompressiblen Flüssigkeit auf der zweidimensionalen Erdoberfläche dar, dargestellt in sphärischen Koordinaten.

Der preußische Philosoph Immanuel Kant (1724–1804) aus Königsberg gilt als der größte Philosoph der Neuzeit. Er interessierte sich auch für Naturwissenschaften. Er veröffentlichte Werke zur Ästhetik und Ethik sowie zu einer Vielzahl wissenschaftlicher Gebiete, darunter Physik, Astronomie, Geologie, Meteorologie, Anthropologie und Psychologie. In seinem Werk „Logik, Physische Geographie, Pädagogik“ beschreibt er Prinzipien ozeanischer und atmosphärischer Strömungen.

Der kurpfälzische Kurfürst Karl Theodor (1724–1799) gründete 1780 das erste internationale Netzwerk von Wetterbeobachtern, bekannt als „Societas Meteorologica Palatina“ oder „Mannheimer Meteorologische Gesellschaft“ als dritte Klasse der Kurpfälzischen Akademie der Wissenschaften in Mannheim. In der Gründungsurkunde heißt es: „Die Wissenschaften, die einen unmittelbaren Einfluss auf des Menschen Leben und seine tägliche Beschäftigung haben, verdienen eine besondere Beachtung, Aufmerksamkeit und Fürsorge. Aus diesen Gründen haben Seine Kurfürstliche Durchlaucht die Witterungslehre ihres höchsten Schutzes gewürdigt und Anstalten treffen lassen, dass an mehreren wichtigen Orten der kurfürstlichen Erblanden, auch in anderen Gegenden Europas und der übrigen Weltteile künftig mit gleichartigen Instrumenten tägliche Beobachtungen gemacht und eingesammelt werden.“ Erster Sekretär wurde der kurpfälzische Meteorologe, Physiker und Sprachwissenschaftler Johann Jakob Hemmer (1733–1790).

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Gründungscharta und Stationen des Messnetzes 1781–1792 der Societas Meteorologica Palatina, Quelle: Peter Winkler, The early meteorological network of the Societas Meteorologica Palatina (1781–1792): foundation, organization, and reception, Hist. Geo Space. Sci., 14, 93–120 (History of Geo- and Space Sciences), 2023

Sämtliche Beobachter wurden auswärtige Mitglieder der Kurpfälzischen Akademie der Wissenschaften. Jeder Beobachter erhielt auf kurfürstliche Kosten einheitliche Messinstrumente, Beobachtungsanleitungen und Formulare zur Erfassung der Daten, um eine Vergleichbarkeit der Messergebnisse zu gewährleisten. Die von Mannheim aus unentgeltlich zur Verfügung gestellten Messinstrumente waren zwei Thermometer, ein Barometer, ein Hygrometer und eine von Hemmer in Mannheim geeichte Deklinationsnadel. Weitere Messinstrumente wie Elektrometer zur Messung der Luftelektrizität, Windmesser, Regenmesser und Verdunstungsmesser sollten vor Ort an den Messstationen selbst hergestellt werden. Sämtliche Messungen sollten zu bestimmten Uhrzeiten erfolgen, täglich um 7, 14 und 21 Uhr, die als sogenannte Mannheimer Stunden bekannt wurden. Darüber hinaus waren phänologische und nosologische Beobachtungen vorgesehen (Austrieb, Blüte und Fruchtzeiten von Pflanzen, Ankunft und Abflug von Zugvögeln, Veränderungen und Krankheiten bei der Bevölkerung). Den Transport der Pakete und Briefe übernahm die kurpfälzische Diplomatenpost. Insgesamt wurden 39 Stationen eingerichtet, die meisten in Mitteleuropa. Die westlichsten Station waren in Bradford und Cambridge (beide Massachusetts) in den Vereinigten Staaten sowie in Godthåb (Nuuk) auf Grönland. Die östlichste Station war in Pyschminsk (in der heutigen Region Swerdlowsk) im Uralgebirge im Russischen Reich. Das Projekt scheiterte 1795.

Der Mathematiker, Physiker, Astronom und Philosoph Johann Heinrich Lambert (1728–1777) aus dem damals zur Alten Eidgenossenschaft gehörenden Mülhausen im Elsass vertrat die Auffassung, dass man in der Meteorologie wie auch schon in der Astronomie zunächst periodische Phänomene beobachten und dann versuchen sollte, ihre Gesetzmäßigkeiten abzuleiten. Nachfolgend sollte schließlich schrittweise die Theorie erweitert werden. Um mehr und bessere meteorologische Daten zu erhalten, schlug Lambert 1771 vor, ein weltweites Netz von Wetterstationen aufzubauen, in denen die verschiedenen Wetterbedingungen (Regen, Bewölkung, Trockenheit …) erfasst werden sollten. Diese Methoden finden bis heute Anwendung. Er widmete sich zudem der Verbesserung der Messinstrumente und der Entwicklung präziser Konzepte für den Fortschritt der Meteorologie. Dies führte zu seinen 1769 und 1771 veröffentlichten Werken über Hygrometrie und Hygrometer.

Der Mathematiker, Astronom und Abolitionist Benjamin Banneker (1731–1806) aus der Provinz Maryland gilt als erster afroamerikanischer Wissenschaftler. Er eignete sich seine naturwissenschaftlichen Fähigkeiten weitestgehend selbst an. Seinem astronomischen Interesse folgend, nutzte er seine mathematischen Fähigkeiten, um alle für einen Almanach notwendigen Berechnungen anzustellen. In seinem ersten Almanach 1792 fanden sich Informationen über Sonnenfinsternisse sowie Sonnenauf- und -untergangszeiten, dazu Wettervorhersagen, erwartete jahreszeitliche Wetterveränderungen und Vorschläge zu wetterbezogenen Themen wie dem Anbau von Nutzpflanzen. Sein Almanach wurde in Nordamerika sehr beliebt und war sogar in England und Frankreich bekannt. Banneker veröffentlichte ihn über einen Zeitraum von zehn Jahren jährlich.

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Benjamin Banneker auf seinem Almanach aus dem Jahr 1795, Quelle: Public Broadcasting Service (PBS), Arlington, Virginia, Vereinigte Staaten, über Wikimedia Commons

Der britische Wissenschaftler James Six (1731–1791) ist bekannt für seine Erfindung des Six-Thermometers im Jahr 1780, das allgemein als Maximal-Minimal-Thermometer bekannt ist. Er führte gemeinsam mit dem britischen Geistlichen Sir John Cullum (1733–1785) eine Reihe von thermometrischen Messungen an der Kathedrale von Canterbury durch. Diese Experimente zeigten, dass die Temperatur in Bodennähe nachts, insbesondere in klaren Nächten, kälter wurde als die Luft darüber – ein Phänomen, das heute als Strahlungskühlung des Bodens bekannt ist und das Six als „außergewöhnlich“ bezeichnete.

Der Name des Mathematikers Joseph-Louis Lagrange oder Giuseppe Luigi Lagrangia (1736–1813) aus dem Piemont steht in Verbindung mit einem gängigen Bezugssystem, das in der Strömungsmechanik und der Atmosphärenforschung verwendet wird und als Lagrange-Bezugssystem bekannt ist. In diesem System werden Messungen entlang der Strömungsbewegung vorgenommen, und die Bewegungsgleichungen werden in Bezug auf einen Punkt geschrieben, der sich mit der Strömung bewegt. In der modernen Meteorologie hat sich der Lagrange-Ansatz in Modellen der Atmosphäre im Bereich der numerische Wettervorhersage als sehr nützlich erwiesen.

Die folgenden beschriebenen Wissenschaftler leisteten einen erheblichen Beitrag zum allgemeinen Verständnis des Aufbaus der Luft, wenn auch die erste breit aufgestellte Theorie des Phlogistons sich im Nachgang als Irrtum erwies.

Der britische Physiker und Chemiker Joseph Black (1728–1799) fand 1761 heraus, dass Eis beim Schmelzen Wärme aufnimmt, ohne dabei seine Temperatur zu verändern. Einige Jahre zuvor entdeckte er beim Erhitzen von Kalkstein Kohlendioxid („fixe Luft“) und erkannte, dass es schwerer als Luft war, die Verbrennungsflamme löschte, bei der Atmung entstand und Tiere tötete.

Der britische Physiker und Chemiker Henry Cavendish (1731–1810) aus Nizza Henry Cavendish war ein englischer Physiker und Chemiker. Er führte zahlreiche Experimente mit Gasen durch und war der Erste, der eine grobe Zusammensetzung der Atmosphäre ermittelte: etwa 4/5 „phlogistische Luft“ (nach heutigem Verständnis hauptsächlich Stickstoff) und 1/5 „dephlogistische Luft“ (Sauerstoff). Cavendish zeigte außerdem, dass Wasser aus „entzündbarer Luft“ (Wasserstoff) und dephlogistisierter Luft besteht (Hinweis: zur Phlogiston-Theorie siehe Teil 8 der Serie Geschichte der Meteorologie). Cavendish interessierte sich für angewandte Wissenschaften, darunter verschiedene Aspekte der Meteorologie. Mitte der 1770er Jahre führte er Untersuchungen zur Wärme durch. Unter Verwendung der meteorologischen Instrumente der Royal Society entwickelte er Korrekturen für Thermometeranzeigen, um diese genauer zu machen. 1783 veröffentlichte er eine Methode zur Bestimmung des Gefrierpunkts von Quecksilber (das unter sehr kalten Bedingungen gefrieren kann, wodurch Quecksilberthermometer bei diesen Temperaturen unbrauchbar werden). Bei einem Ballonaufstieg am 30. November 1784 in London wurden mehrere atmosphärische Messungen durchgeführt und zudem Luftproben in verschiedenen Höhen entnommen. Cavendish führte eine chemische Analyse der Proben durch, um die Zusammensetzung der Luft in diesen verschiedenen Höhen zu bestimmen. Cavendish entwickelte eine Theorie der Partialdrücke, veröffentlichte diese jedoch nie. In einer 1790 veröffentlichten Arbeit schätzte er die Höhe der Aurora mithilfe der Triangulation auf 80–112 km. Ihm gelang es 1797 als erstem, in einem Experiment mittels einer Gravitationswaage mit zwei Körpern bekannter Masse ihre gegenseitige Anziehung zu beobachten, aus dem später die Gravitationskonstante bestimmt werden konnte. Indirekt konnte so auch auf die Masse der Erde geschlossen werden.

Der britische Theologe, Philosoph, Chemiker und Physiker Joseph Priestley (1733–1804) untersuchte die Eigenschaften von Gasen und entdeckte mehrere neue Gase, darunter 1774 eines, das er „dephlogistisierte Luft“ nannte. Er war der Ansicht, dass es sich dabei in gewisser Weise um eine besonders reine Form von Luft handelte, untersuchte dessen Eigenschaften jedoch nicht weiter. Heute ist es als Sauerstoff bekannt und damit gilt Priestley als der Entdecker von Sauerstoff.

Der Apotheker und Chemiker Carl Wilhelm Scheele (1742–1786) aus Schwedisch-Pommern führte in einer Apotheke in Uppsala ab 1770 chemische Experimente durch. Ein Jahr nach und unabhängig von Priestley entdeckte er dabei den Sauerstoff und als erster Wissenschaftler Stickstoff als Bestandteile der Luft. Seine Entdeckung veröffentlichte er 1777 in seinem einzigen Buch „Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer“.

Der französische Chemiker Antoine Laurent de Lavoisier (1743–1794) wird oft als „Vater der modernen Chemie“ bezeichnet. Vorangegangene Experimente mit Luft durch Priestley und Cavendish führten zu der Feststellung, dass Luft zu etwa 80 % aus „phlogistischer Luft“ und zu 20 % aus „dephlogistischer Luft“ besteht (siehe Teil 10 der Serie Geschichte der Meteorologie). Lavoisier wiederum untersuchte einige Eigenschaften dieser beiden Gase: Das eine unterstützt Verbrennung und Oxidation (dephlogistische Luft, die er „Oxygène“, Sauerstoff, nannte), während das andere inert (träge) ist (phlogistische Luft, welche er mit „Azote“, Stickstoff, bezeichnete). Lavoisier führte auch Experimente mit Wasser durch und kam 1782 zu dem Schluss, dass es aus Wasserstoff (Cavendishs „entzündbare Luft“) und Sauerstoff besteht. Er entwickelte zwischen 1777 und 1789 seine Theorie der Sauerstoffverbrennung, nach der bei einer Verbrennung nicht Phlogiston entweicht, sondern Sauerstoff gebunden wird und widerlegte damit die Phlogistontheorie. Lavoisiers zweite wissenschaftliche Leidenschaft galt der Meteorologie. Im Alter von 20 Jahren begann er, in seinem Haus barometrische Beobachtungen durchzuführen, und erweiterte diese Arbeit später um Messungen von Luftdruck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit sowie Windgeschwindigkeit und -richtung. Mit einer Idee, die ihrer Zeit weit voraus war, setzte er sich für die Schaffung eines weltweiten Netzwerks von Wetterstationen ein und war an der Gründung eines informellen Netzwerks von Wetterkorrespondenten in Frankreich und anderen Teilen Europas beteiligt. Dieses Netzwerk versorgte das „Journal de Paris“ mit Wetterbeobachtungen, die es ab 1777 zu veröffentlichen begann. „Mit all diesen Informationen“, schrieb Lavoisier, „ist es fast immer möglich, ein oder zwei Tage im Voraus mit einer recht hohen Wahrscheinlichkeit vorherzusagen, wie das Wetter werden wird. Man geht sogar davon aus, dass es nicht unmöglich sein wird, tägliche Vorhersagen zu veröffentlichen, was für die Gesellschaft sehr nützlich wäre“ (Œuvres, 3, 771, veröffentlicht 1865). 1776 stellte Lavoisier fest, dass einige Temperaturwerte, die das 1732 entwickelte Réaumur-Thermometer anzeigte, nicht mit denen übereinstimmten, die mit neueren Instrumenten ermittelt wurden. Er legte daher genaue Regeln für die Herstellung und Skalierung von Thermometern fest und übergab der Akademie der Wissenschaften zwölf Standardmodelle. Lavoisier beschäftigte sich auch mit der atmosphärischen Elektrizität und der Entstehung von Gewittern und wies 1781 mit Kollegen, unter anderem Volta, nach, dass Wasserstoff, Stickstoffmonoxid, Kohlendioxid und Wasserdampf beim Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand elektrische Ladungen abgeben, die mit einem Elektrometer gemessen werden können.

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Antoine-Laurent Lavoisier, Kupferstich von Louis Jean Désiré Delaistre (1800-1871) nach einer Vorlage von Julien Léopold Boilly (1796-1874), Quelle: „Le Plutarque français“, Band 6, Paris (Langlois et Leclercq) 1847, S. 47, über Wikimedia Commons

Der Physiker Alessandro Volta (1745–1827) aus der Lombardei leistete wichtige Beiträge zur Meteorologie und zur Erforschung von Gasen, insbesondere durch seine Entdeckung des Methans. Im Jahr 1783 zeigte Volta, dass sich Luft bei steigender Temperatur mit konstanter Geschwindigkeit ausdehnt. Er veröffentlichte dieses Ergebnis, doch seine Arbeit wurde ignoriert und geriet in Vergessenheit. Volta ist vor allem bekannt für die Erfindung der Voltaschen Säule, der ersten funktionierenden Batterie. Im Rahmen seiner Forschungen zu Batterien entwickelte Volta mehrere neue Geräte, unter anderem ein Elektrometer zur Messung der atmosphärischen Elektrizität.

Der britische Chemiker und Botaniker Daniel Rutherford (1749–1819) bestätigte 1772 Scheeles Entdeckung von Stickstoff. Mehrere Versuche mit abgeschlossener Luft zeigten, dass diese nach einer erfolgten Verbrennung keine weitere mehr zuließ. Nach seiner Darstellung wurde Phlogiston in die Luft abgegeben, wobei Kohlendioxid gebildet wurde. Sobald das Kohlendioxid später absorbiert war, war die Luft immer noch erfüllt von Phlogiston. Tatsächlich war die Luft nach ihrer Auffassung gesättigt, so dass Objekte nicht mehr brennen konnten. Aufgrund dieser Theorie nannte Rutherford das neu isolierte Gas „phlogistische Luft“. Heute ist es als Stickstoff bekannt.

Das nächste Thema des Tages wird den zweiten Abschnitt zur Meteorologie Ende des 18. Jahrhunderts behandeln.