Wissenschaft kompakt
Geschichte der Meteorologie - Teil 7: Meteorologie im beginnenden
Zeitalter der Aufklärung und Weiterentwicklung der quantitativen
Meteorologie
In diesem Teil der Serie "Geschichte der Meteorologie" werden die
Entwicklungen dieser Wissenschaft im beginnenden Zeitalter der
Aufklärung im 17. Jahrhundert beschrieben. Neue Techniken bei
meteorologischen Messgeräten erlauben eine Weiterentwicklung der
quantitativen Meteorologie.
Im letzten Thema des Tages zur Geschichte der Meteorologie wurde die
Hauptzeit der Renaissance beleuchtet. In dieser wurden erste
meteorologische Instrumente entwickelt, welche die Anfänge der
quantitativen Meteorologie darstellen. Dieser Teil der Serie setzt
sich nun mit der Entwicklung der Meteorologie in der Spätrenaissance
und dem Beginn des Zeitalters der Aufklärung auseinander.
Blicken wir noch einmal auf die von Galileo und Santorio angestoßene
Entwicklung eines Vorläufers des Thermometers, die im letzten Teil
(Teil 6) der Serie "Geschichte der Meteorologie" behandelt wurde.
Diese wurde auch auf deutschem Boden vorangetrieben. Im Jahr 1643
veröffentlichte der Universalgelehrte Athanasius Kircher (1602-1680)
aus Hessen ein Buch mit dem Titel "Magnes, sive de arte magnetica",
in dem er verschiedene Arten von Instrumenten erwähnt, die die
übliche Form von Luft-Wasser-Thermoskopen aufweisen. Er beschrieb
jedoch ein originelles Modell, bei dem ein vertikales Rohr in einen
halb mit Wasser gefüllten, geschlossenen Kolben eintaucht. Wenn die
im oberen Teil des Kolbens eingeschlossene Luft erwärmt wird, dehnt
sie sich aus, und der Druck treibt die Flüssigkeit im Rohr nach oben.
Damit näherte sich die Entwicklung des Thermometers an die Form an,
die das Wasser- oder Spiritusthermometer annehmen wird.
Der französische Philosoph, Mathematiker und Naturwissenschaftler
René Descartes (1596-1650) beschrieb um das Jahr 1631 ein Experiment
zur Bestimmung des Luftdrucks, baute jedoch keine Vorrichtung, um das
Experiment durchzuführen. In "Les Météores" ("Meteorologie", ein
Aufsatz, der 1637 in seinem Buch "Discours de la Méthode"
veröffentlicht wurde) stellte er die Hypothese auf, dass Wasserdampf
eine eigenständige Substanz in der Luft sei, die aus winzigen
Partikeln bestehe, die durch eine hochverdünnte "feinstoffliche
Materie" voneinander getrennt seien. Descartes war der Erste, der
weißes Licht beim Übergang von einem Medium wie Luft in ein anderes
wie Glas in seine Farbkomponenten zerlegte. In "Les Météores"
erörterte er diese Lichtbrechung anhand der Beschreibung eines
Experiments, bei dem er feststellte, dass die zerlegten Farben so
angeordnet waren, dass Rot stets auf der einen Seite und Blau oder
Violett auf der anderen Seite erschienen. Er bediente sich einer
Strahlverfolgungstechnik, um die Entstehung und Struktur des
Regenbogens zu erklären.
Der Mathematiker Evangelista Torricelli (1608-1647) aus der Romagna
war Galileos bedeutendster Schüler und trat dessen Nachfolge als
Professor für Mathematik in Florenz an. Sein Werk "Lezioni
Accademiche" (Florenz, 1715), das fast 70 Jahre nach seinem Tod
erschien, enthält seine Vorlesungen zu Problemen der Mechanik,
Physik, Meteorologie und Militärarchitektur. Von besonderem Interesse
sind die Vorlesungen über Stoßkräfte und über den Wind. Torricelli
stellte die moderne Theorie auf, dass Winde durch Unterschiede in der
Lufttemperatur entstehen. Galileos offen gebliebene Frage, warum
Wasser nicht höher als 32 Fuß (10 m) über den Pegel eines
Wasserbeckens gepumpt werden konnte, führte Torricelli weiter. Zu
diesem Zweck bauten er und sein Schüler Vincenzo Viviani (1622-1703)
1643 ein recht unpraktisches Wasserbarometer, das ein mit etwa 18
Meter sehr langes und unhandliches Glasrohr erforderte. Durch den
Ersatz durch Quecksilber, das bei Raumtemperatur flüssig und etwa
14-mal dichter als Wasser ist, gelang es Torricelli, die Länge des
Barometerrohrs auf etwa 90 cm zu reduzieren. Sein Gerät bestand aus
einem langhalsigen Glasrohr mit einem geschlossenen, bauchigen Ende.
Die Röhre wurde mit Quecksilber gefüllt und dann in eine ebenfalls
mit Quecksilber gefüllte Schale gestürzt. Anstatt vollständig aus der
Röhre zu fließen, sank die Höhe der Quecksilbersäule auf etwa 76 cm
und blieb dann relativ konstant, wobei sie nur um wenige Prozent
schwankte.
Heute wissen wir, dass diese Schwankungen teils auf
Temperaturänderungen und teils auf Änderungen des Luftdrucks über dem
Instrument zurückzuführen waren. Torricelli war aufgrund dieser
Ergebnisse davon überzeugt, dass die Luft über dem Barometer ein
Gewicht haben und somit Druck ausüben müsse und dass es dieser Druck
sei, der das Quecksilber im Barometerrohr nach oben drücke. Er
glaubte auch, dass der Raum über dem Quecksilber, der durch dessen
Absinken aus dem Kolben am oberen Ende des Rohrs entstand, ein echtes
Vakuum sein müsse. Torricelli wird allgemein die Erfindung des
Quecksilberbarometers im Jahr 1644 zugeschrieben. Sein Barometer
verfügte jedoch über keine Skala und eignete sich daher eher für
qualitative als für quantitative Messungen. René Descartes versah das
Druckrohrbarometer 1647 bereits mit einer Skala.
Der Politiker, Physiker und Erfinder Otto von Guericke (1602-1686)
aus dem Erzbistum Magdeburg war inspiriert von den Arbeiten
Torricellis und Galileos. Er stellte ebenfalls die These auf, dass
Luft ein Gewicht habe und daher einen Druck ausübe, und dass beides
messbar sei. Zu diesem Zweck konstruierte er etwa zur gleichen Zeit
und wahrscheinlich unabhängig von Torricellis Erfindung des
Quecksilberbarometers im Jahr 1644 ein Wasserbarometer. Vor seinem
Haus errichtete von Guericke ein etwa 10 Meter hohes Messingrohr, an
dessen oberem Ende sich ein transparenter, verschlossener und
evakuierter Glasabschnitt befand. Dies war sein Wasserbarometer. An
der Wasseroberfläche im Inneren des Rohrs schwamm eine kleine
Holzpuppe, die bei schönem Wetter aufgrund des steigenden Luftdrucks
mit dem Wasserstand anstieg und durch das Glas sichtbar wurde.
Umgekehrt sank sie bei Tiefdruck und schlechtem Wetter bis zur
Unsichtbarkeit ab. Er versuchte, anhand der Informationen seines
Barometers Wettervorhersagen zu erstellen. Er setzte seine
Forschungen zum Luftdruck und zu den Eigenschaften des Vakuums fort.
Von Guericke experimentierte auch mit der Erzeugung künstlicher
Wolken, indem er Luft aus einem Kolben in einen anderen leitete, aus
dem zuvor die Luft abgesaugt worden war. In dem ersten Kolben bildete
sich daraufhin Nebel, der auf die Kondensation infolge des sinkenden
Drucks in diesem Kolben zurückzuführen war. Er kam zu dem Schluss,
dass Luft nicht in Wasser umgewandelt werden kann, obwohl
Feuchtigkeit in die Luft gelangen und später wieder zu flüssigem
Wasser kondensieren kann.
Der französische Wissenschaftler, Mathematiker und Philosoph Blaise
Pascal (1623-1662) interessierte sich für die Erforschung von
Flüssigkeiten. Dies veranlasste ihn, ein Experiment mit einem
Barometer zu entwerfen, ähnlich dem, das Torricelli 1644 erfunden
hatte. Bei diesem Experiment, das 1648 durchgeführt wurde, wurde der
Quecksilberstand in einem mit einer Skala versehenen Barometer am
Fuße des Puy de Dome im Zentralmassiv gemessen und erneut am Gipfel,
etwa 1000 Meter (3300 Fuß) höher. Der Bericht von Florin Périer
(1605-1672), der das Experiment nach Pascals brieflichen Vorschriften
durchführte, hielt fest, dass das Quecksilber am Fuße des Berges eine
Höhe von 26 Zoll und 3,5 Linien erreichte, während es oben nur 23
Zoll und 2 Linien waren. Dies bedeutete, dass der von der Atmosphäre
ausgeübte Druck mit zunehmender Höhe abnahm, was mit der Vorstellung
übereinstimmte, dass der Druck auf das Gewicht der Atmosphäre in der
Säule über dem Barometer zurückzuführen war.
Der Astronom Giovanni Domenico Cassini (1625-1712) aus dem Herzogtum
Savoyen beschäftigte ich neben astronomischen Themen auch mit
Hydraulik und Flussregulierung und untersuchte mehrere Hochwasser des
Flusses Po.
Der Großherzog der Toskana Ferdinand II. de' Medici (1610-1670)
förderte 1654 das erste Wetterbeobachtungsmessnetz, das aus
Wetterstationen in Florenz, Cutigliano, Vallombrosa, Bologna, Parma,
Mailand, Innsbruck, Osnabrück, Paris und Warschau bestand. Gemessen
wurde die Temperatur mit zwei Thermometern, eines nördlich und eines
südlich ausgerichtet, der Luftdruck, die Luftfeuchte, der
Bewölkungszustand und die Windrichtung. Die gesammelten Daten wurden
in regelmäßigen Abständen zentral an die Accademia del Cimento
(Akademie des Experiments) in Florenz übermittelt. 1667 endete die
Messreihe, da die Accademia del Cimento eingestellt wurde.
Der irische Naturforscher Robert Boyle (1627-1692) war einer der
Ersten, der das Potential eines Quecksilberbarometers nach Art von
Torricelli für die Erforschung der Eigenschaften der Luft erkannte.
Er baute seine eigenen Quecksilberbarometer und scheint der Erste
gewesen zu sein, der den Begriff "Barometer" verwendete. Zusammen mit
Robert Hooke (siehe unten) beschäftigte er sich mit der Physik der
Gase. Nachdem sie von von Guerickes Arbeiten mit Luftpumpen gelesen
hatten, bauten Boyle und Hooke eine verbesserte Version, die Boyle ab
1659 nutzte, um eine Reihe von Experimenten zu den Eigenschaften der
Luft durchzuführen. Er veröffentlichte 1660 einen Bericht über diese
Arbeiten unter dem Titel "New Experiments: Physico-Mechanical
Touching the Spring of Air and its Effects". Boyle leitete den Bau
des ersten in England hergestellten versiegelten Thermometers, und
seine damit durchgeführten Experimente wurden 1665 in seiner
Abhandlung "New experiments and observations touching cold, or an
experimental history of cold" beschrieben. Boyle ist vor allem für
seine Formulierung eines allgemeinen Gasgesetzes aus dem Jahr 1662
bekannt, die allgemein als Boylesches Gesetz bezeichnet wird. Es
besagt, dass bei konstanter Temperatur das Volumen eines idealen
Gases umgekehrt proportional zum Druck ist. Die reale Atmosphäre
folgt diesem Gesetz mit guter Annäherung.
Der niederländische Astronom, Mathematiker und Physiker Christiaan
Huygens (1629-1695) gelangte zu der Erkenntnis, dass
Temperaturmessungen mit Thermometern nur dann sinnvoll sind, wenn sie
anhand einer festgelegten Skala vorgenommen werden. Huygens schlug
1665 eine Thermometerskala vor, die zwei feste Punkte aufweisen
sollte: den Gefrier- und den Siedepunkt von Wasser. Die heute
genutzte Celsius-Skala hat genau diese beiden Bezugspunkte.
Der englische Philosoph und Mediziner John Locke (1632-1704) begann
1666 mit der Führung seines eigenen Wettertagebuchs und führte es,
wenn auch mit einigen Lücken, bis 1703 fort. Er ging diese Aufgabe im
Allgemeinen mit Begeisterung an, da er der Überzeugung war, dass die
regelmäßige Erfassung meteorologischer Daten zum Verständnis von
Wetterphänomenen beitragen würde. So gelang es ihm beispielsweise in
den ersten sechs Monaten seines Aufenthalts in Oxford, fast täglich
mindestens zwei Messwerte seines Thermometers, Barometers und
Windmessers zu notieren.
Der englische Astronom und Architekt Sir Christopher Wren (1632-1723)
schuf erste Entwürfe für einen Regenmesser und eine automatische
Wetterstation. In den 1660er und 1670er Jahren experimentierte er mit
einem Schwingflügel-Anemometer, wie es Alberti 1450 erfunden hatte,
mit einem Gerät zur Messung der Luftfeuchtigkeit, mit "Wettergläsern"
(kleinen offenen Wasserbarometern) und mit Quecksilberbarometern nach
Torricelli. 1662 konstruierte er, wahrscheinlich in Zusammenarbeit
mit Robert Hooke, auch einen Kippkasten-Regenmesser zur Erfassung von
Niederschlagsmengen. Dies stellte den frühesten englischen
Regenmesser und den ersten mechanischen Regenmesser, der sich selbst
entleert, dar. Wren arbeitete weiter an der Verfeinerung seiner Idee
eines Geräts, das er "Wetteruhr" nannte und das Wetter automatisch
aufzeichnen sollte. Er stellte sein Konzept im Dezember 1663 der
Royal Society in einer Abhandlung mit dem Titel "Beschreibung einer
Wetteruhr" vor. Zusammen mit Hooke (siehe unten) konnte 1669 ein
erstes funktionierendes Modell fertig gestellt werden, das als
"Weather Wiser" bekannt wurde und von Hooke gebaut wurde. Es ist
interessant festzustellen, dass Wrens Vorstellung von einer
automatischen Wetteraufzeichnung den Gedanken, dass menschliche
Beobachter das Wetter regelmäßig beobachten und aufzeichnen könnten,
völlig außer Acht ließ. Wren erkannte, dass Wetterbeobachtungen
potentiell zur Wettervorhersage genutzt werden könnten, und stellte
der Royal Society 1679 eine mögliche Methode dafür vor.
Der englische Naturwissenschaftlicher, Ingenieur und
Universalgelehrte Robert Hooke (1635-1703) studierte zunächst die
Eigenschaften von Gasen und experimentierte zusammen mit Boyle an
Barometern. In seiner Zeit an der Royal Society of London zwischen
1662 und 1680 arbeitete er an einer Vielzahl von Verbesserungen an
meteorologischen Messinstrumenten, oft in Zusammenarbeit mit Wren.
Hooke entwickelte das "Radbarometer", ein Quecksilberbarometer nach
dem Prinzip von Torricelli, das mit einem von Hooke entworfenen
mechanischen Gestänge ausgestattet war, um selbst kleinste
Schwankungen des Quecksilberstands zu verstärken. Diese Schwankungen
wurden durch die Bewegung einer Skala auf dem "Rad" angezeigt. 1667
konstruierte Hooke eine andere Art von Windmesser, einen sogenannten
Druckplatten-Windmesser: Um die Geschwindigkeit der Luft oder des
Windes zu messen und dessen Stärke zu ermitteln, wurde durch vier an
einer Achse befestigten Flügel erreicht, die sehr leicht und
beweglich waren. Hooke konstruierte das erste praxistaugliche
Hygrometer zur Messung der Luftfeuchtigkeit, basierend auf seiner
Beobachtung, dass sich die Haare eines Ziegenbartes im trockenen
Zustand krümmen und im feuchten Zustand wieder gerade richten.
1663 stellte Hooke der Royal Society eine umfassende Anleitung zur
Durchführung von Wetterbeobachtungen vor und empfahl, ein nationales
oder internationales Netz von Stationen einzurichten, um
Wetterbeobachtungen nach einem einheitlichen Standard mit
kalibrierten Instrumenten durchzuführen. Um 1669 präsentierte Hooke
der Royal Society eine funktionsfähige Version von Wrens Wetteruhr,
bekannt als "Weather Wiser". Das "Weather Wiser"-Gerät verfügte über
einen Kippkasten-Regenmesser von Wren und verwendete Auslösehämmer,
um auf einer rotierenden Trommel Papierstreifen mit fortlaufenden
Messwerten zu Druck, Temperatur, Niederschlag, Luftfeuchtigkeit,
Windgeschwindigkeit und Windrichtung zu markieren. Es handelte sich
dabei tatsächlich um die weltweit erste automatische Wetterstation.
Hooke erkannte, dass es möglich sein könnte, anhand von tabellarisch
erfassten täglichen Wetterdaten Vorhersagen zu erstellen,
insbesondere wenn diese Daten von mehreren Stationen eines Netzwerks
stammten. Wren stellte der Royal Society 1679 hierfür bereits eine
mögliche Methode vor (siehe oben). Aufgrund seiner gesamten
meteorologischen Arbeit, insbesondere seiner Entwicklung
meteorologischer Messgeräte und seiner vorausschauenden Empfehlung,
regelmäßige Wetterbeobachtungen nach einheitlichen Standards in einem
Netz von Beobachtungsstationen durchzuführen, wird Hooke als "Vater
der wissenschaftlichen Meteorologie" bezeichnet.
Lesen Sie im nächsten Teil der Serie "Geschichte zur Meteorologie"
unter anderem von Verbesserungen meteorologischer Messgeräte durch
neue Erkenntnisse sowie die zeitweise Umsetzung des oben erwähnten
Gedankens eines meteorologischen Messnetzes.
(Die Bilder und Links zum heutigen Thema des Tages finden Sie wie
immer im Internet unter www.dwd.de/tagesthema.)
Dipl.-Met. Markus Eifried
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 25.05.2026
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