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 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 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.

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Versammlung von Wissenschaftlern 1856 zur Einweihung des Dudley-Observatoriums, 1857, Ölgemälde auf Leinwand von Tompkins Matteson (1813-1884), wahrscheinlich mit der Darstellung von Eunice Newton Foote neben ihrem Ehemann, jedoch historisch nicht gesichert, Quelle: siehe Angabe direkt unter dem Bild

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 bei einer kritischen Temperatur von etwa -136 °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.

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Arithmometer von Charles Xavier Thomas, 1852, Quelle: Technisches Museum Wien, Wien, über Wikimedia Commons

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 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.

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.

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Meteorograph von Angelo Secchi, 1867, Quelle: De katholieke illustratie, Nr. 1, 1867, ’s-Hertogenbosch (Herzogenbusch), Niederlande, via Königliche Bibliothek der Niederlande, Den Haag, über Wikimedia Commons

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 Siméon 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.

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Portrait von Ada Lovelace, ca. 1840, wahrscheinlich Alfred Edward Chalon (1780-1860), Quelle: Science Museum, London, über Wikimedia Commons

Die Serie Geschichte der Meteorologie wird fortgesetzt. Der nächste Teil wird weitere Persönlichkeiten vorstellen, die Beiträge und Grundlagenforschung zur Meteorologie im 19. Jahrhundert leisteten.