Wissenschaft kompakt

Geschichte der Meteorologie - Teil 18: Aerologie im 18. und 19.
Jahrhundert



Das heutige Thema des Tages widmet sich der meteorologischen
Erforschung der höheren Atmosphärenschichten. Dabei kamen im 18. und
19. Jahrhundert neben Drachen Ballone zum Einsatz.



Nach den letzten Themen des Tages zur Geschichte der Meteorologie,
die sich der Bildung nationaler meteorologischer Institutionen in
ausgewählten Ländern widmete, wird im heutigen Teil der Serie die
Entwicklung der Meteorologie in höheren Atmosphärenschichten im 18.
und 19. Jahrhundert beleuchtet. Neben Drachen kamen Ballone zum
Einsatz.
Erste wissenschaftliche Messungen mit Drachen wurden 1749 in
Camlachie bei Glasgow in Schottland durchgeführt. Der britische
Pharmazeut, Astronom und Mathematiker Alexander Wilson (1714-1786)
und der britische Physiker und Naturphilosoph Thomas Melvill oder
Thomas Melville (1726-1753) untersuchten mittels eines
Drachengespanns und verschiedener Thermometer die Temperatur in
Höhenbereichen bis 1000 m oberhalb der Erdoberfläche.
1752 folgte der berühmte Drachenaufstieg von Benjamin Franklin
(1706-1790), Naturwissenschaftler, Erfinder und Staatsmann aus
Neuengland, der im Teil 9 der Serie Geschichte der Meteorologie
beschrieben ist. Durch diesen sah er seine Hypothese über die
Luftelektrizität bestätigt.
Nach den viel älteren Fesseldrachen, die teils auch bemannt waren,
gilt der Heißluftballon als ältestes Luftfahrzeug. Als Erfinder
gelten die Brüder Montgolfier (die beiden französischen Erfinder
Joseph Montgolfier (1740-1810) und Etienne Montgolfier (1745-1799)),
weswegen die Heißluftballone auch Montgolfière genannt werden. Die
ersten Ballonfahrten fanden 1783 bei Paris statt, der erste
unbemannt, der zweite mit Tieren, der dritte war schließlich bemannt.

Der Arzt und Luftfahrtpionier John Jeffries (1744-1819) aus
Neuengland und der französische Ballonfahrer Jean-Pierre Blanchard
(1753-1809) machten während eines gemeinsamen Ballonaufstieges 1784
Beobachtungen zur Atmosphäre. Sie stellten fest, dass die Temperatur
mit zunehmender Höhe abnahm, von 11 Grad C am Boden auf -2 Grad C in
9000 Fuß (ca. 2750 m) Höhe. Außerdem verzeichneten sie einen stetigen
Druckabfall mit zunehmender Höhe und stellten große Schwankungen der
Luftfeuchtigkeit fest, während der Ballon aufstieg. Jeffries hatte
zuvor 1774 begonnen, in Boston regelmäßige Wetterbeobachtungen
durchzuführen.
Der französische Physiker und Luftfahrer Jacques Alexandre Cesar
Charles (1746-1823) führte 1783 die ersten beiden bemannten Aufstiege
in einem Wasserstoffballon, einer nach ihm benannten Charlière,
durch. Beim zweiten Aufstieg führte er Messungen durch. Sein
Barometer fiel um etwa 23 cm und die Temperatur sank von 10 Grad C
(50 Grad F) am Boden auf -7 Grad C (20 Grad F) in der höchsten
erreichten Höhe (ca. 3450 m). Im Jahr 1787 entdeckte Charles den
Zusammenhang zwischen dem Volumen eines Gases und seiner Temperatur
(bei konstantem Volumen ist der Druck eines Gases proportional zu
seiner Temperatur), veröffentlichte diese Arbeit jedoch nie.
Der russische Chemiker und Luftfahrtpionier Jakow Dmitrijewitsch
Sacharow oder Yakov Zakharov (1765-1836) führte 1804 den von der
Kaiserlich-Russischen Akademie der Wissenschaften organisierten
weltweit ersten wissenschaftlichen Flug mit einem Forschungsprogramm
durch, der allerdings eine Ballonfahrt war. Der Zweck dieser Fahrt
bestand darin, den Zustand der Atmosphäre in Abhängigkeit von der
Höhe zu untersuchen. Sacharow entnahm Luftproben und untersuchte die
Schallausbreitung, die Aufladung von Gegenständen und das Verhalten
einer Magnetnadel. Er stellte im Vergleich zu Bodenmessungen keine
Unterschiede in der Höhe fest. Darüber hinaus wurden die üblichen
meteorologischen Eigenschaften der Luft gemessen. Er stellte fest,
dass sich der Nordostwind in Bodennähe in einer bestimmten Höhe
allmählich in Ostwind verwandelte. Dies steht im Einklang mit dem
erst viel später abgeleiteten Gesetz über die Änderung der
Windrichtung mit der Höhe in der Grenzschicht der Atmosphäre.
Der französische Chemiker, Physiker und Aeronaut Joseph Louis
Gay-Lussac (1778-1850) leitete 1802 unter Bezugnahme auf ältere
Arbeiten die Beziehung zwischen dem Volumen eines Gases und seiner
Temperatur neu her und veröffentlichte sie (bei konstantem Volumen
ist der Druck eines Gases proportional zu seiner Temperatur in
Kelvin). Sie wird als Gay-Lussac-Gesetz bezeichnet. 1804 sicherte die
französische Akademie der Wissenschaften die Finanzierung eines
Ballonflugs zu, bei dem atmosphärische Messungen durchgeführt werden
sollten, um festzustellen, wie sich die Zusammensetzung der
Atmosphäre mit der Höhe verändert. Am 24. August desselben Jahres
stiegen Gay-Lussac und der französische Physiker und Mathematiker
Jean-Baptiste Biot (1774-1862) in einem Ballon über Paris auf etwa
4000 m Höhe. Das Hauptziel dieses Aufstiegs war es, festzustellen, ob
das Erdmagnetfeld mit der Höhe abnimmt. Sie bemerkten, dass es keine
offensichtlichen Veränderungen im Magnetfeld gab, während der Ballon
aufstieg. Sie stellten außerdem fest, dass die Luft mit zunehmender
Höhe trockener wurde, während die Temperatur sank. Am 6. September
desselben Jahres stieg Gay-Lussac allein auf fast 7000 m. Luftproben,
die in dieser Höhe entnommen wurden, wurden später analysiert und
wiesen denselben Sauerstoffanteil auf wie die Luft an der
Erdoberfläche. Die Temperatur an der Erdoberfläche betrug 28 Grad C,
während sie in 7000 m Höhe nur noch -10 Grad C betrug. Gay-Lussac
bemerkte, dass sich am höchsten Punkt des Fluges noch immer Wolken
über ihm befanden. Ende 1804 formulierte Gay-Lussac einen
Zusammenhang, der als Gay-Lussacs Gesetz der Volumenverhältnisse
bekannt wurde. Es besagt, dass bei der Verbindung von Gasen zu
anderen Gasen das Verhältnis der Volumina der Ausgangsgase zu denen
der Produkte als ganze Zahlen ausgedrückt werden kann, sofern alle
Volumina bei gleicher Temperatur und gleichem Druck gemessen werden.
Der britische Aeronaut Charles Green (1785-1870) unternahm etwa 500
Aufstiege in verschiedenen Ballons. In den frühen 1830er Jahren
bemerkte er bei einigen dieser Fahrten einen scheinbar beständigen
Westwind, der in einer Höhe von etwa 10.000 Fuß (3.050 m) wehte. Ihm
wurde klar, dass ein solcher Wind einen Ballon bis zum europäischen
Festland tragen könnte, und um diese Idee zu testen, startete er am
7. November 1836 mit zwei Passagieren an Bord seines Ballons "Royal
Vauxhall" von London aus. Der Flug war erfolgreich: Er legte etwa 770
km zurück und endete nach 18 Stunden in Weilburg (Hessen-Nassau).
Dies war für die damalige Zeit ein Rekordballonflug.
Auf Beschluss des Observatoriums Kew 1852, die meteorologischen und
physikalischen Eigenschaften der oberen Atmosphäre durch
Ballonfahrten zu untersuchen, bei denen Beobachter und Instrumente in
die Höhe befördert werden sollten, erklärte sich Green bereit, seinen
umbenannten Ballon "Nassau" ("Royal Vauxhall") für dieses Projekt zu
steuern. Der britische Meteorologe John Welsh (1824-1859) vom
Observatorium Kew wurde als Beobachter ausgewählt. Die bei diesen
Flügen verwendeten meteorologischen Instrumente waren ein Barometer,
Trocken- und Feuchtthermometer (mit Luftzufuhr und frei) sowie ein
Regnault-Hygrometer (die Thermometer mit Luftzufuhr stammten aus
Welshs eigener Konstruktion und gehörten zu den frühesten
Instrumenten dieser Art). Green und Welsh unternahmen vier Aufstiege
(zwei im August, einen im Oktober und einen im November 1852). Die
Flüge erreichten geschätzte Höchsthöhen von 19.510, 19.100, 12.640
bzw. 22.930 Fuß (ca. 7000 Meter), bei beobachteten
Mindesttemperaturen von 8,7 Grad F, 12,4 Grad F, 16,4 Grad F und 10,5
Grad F. In den oberen Schichten wurden Luftproben entnommen und
später mit Luft aus bodennahen Schichten verglichen. Es zeigte sich,
dass die relativen Anteile von Stickstoff und Sauerstoff in der Luft
von der Oberfläche bis in die oberen Schichten unverändert blieben.
Es wurde ein allgemeiner Temperaturrückgang mit zunehmender Höhe
festgestellt, obwohl die Temperatur in einigen Fällen in einer
relativ dünnen Schicht (2000 bis 3000 Fuß bzw. 600 bis 1000 Meter
dick) konstant blieb oder sogar mit zunehmender Höhe anstieg.
Der britische Marineoffizier und Polarforscher Sir William Edward
Parry (1790-1855) unternahm mehrere Arktis-Expeditionen auf der Suche
nach der Nordwestpassage. Bei der zweiten Arktis-Expedition 1821 bis
1823 musste er im Norden der Hudson Bay zweimal überwintern. Bei der
zweiten Überwinterung auf der Insel Iglulik befestigte er ein
Thermometer auf einem Drachen zur Temperaturmessung in der Höhe.
Der US-amerikanische Aeronaut John Wise (1808-1879) unternahm etwa
470 Ballonfahrten, die der Erforschung der Atmosphäre dienten. Bei
einem Flug im Juni 1843 geriet er in ein Gewitter. Er flog unter
einer großen, dunklen, bedrohlichen schwarzen Wolke hindurch und
wurde von einem aufsteigenden Wirbel nach oben gerissen, der seinen
Ballon heftig drehen und schwanken ließ. Die Kälte wurde immer
intensiver, und an der Takelage bildete sich Eis, doch der
unkontrollierte Aufstieg setzte sich fort. Der Ballon wurde
schließlich aus der Aufwindströmung herausgeschleudert und fiel rasch
ab, wurde dann aber erneut von der Aufwindströmung erfasst. Wise
stieg und sank auf diese Weise mehrmals auf und ab. Seine
Beobachtungen, die er während zahlreicher Flüge gemacht hatte, ließen
ihn zu dem Schluss kommen, dass es in den oberen Schichten der
Atmosphäre eine regelmäßige Luftströmung gibt, die von Westen nach
Osten weht. Er schätzte deren Geschwindigkeit auf "zwanzig bis
vierzig und sogar sechzig Meilen pro Stunde, je nach Höhe über der
Erde" und kam zu dem Schluss, dass eine Reise über den Atlantik in
einem Ballon, der von dieser Strömung getragen wird, möglich wäre.
Wise wird die erste Beförderung von Luftpost zugeschrieben. 1859 soll
er im Bundesstaat Indiana Briefe und Postwurfsendungen per Ballon
befördert haben.
Der britische Meteorologe und Aeronaut James Glaisher (1809-1903) ist
vor allem für eine Reihe wissenschaftlicher Ballonfahrten bekannt,
die er von 1862 bis 1866 unternahm. 1834 übernahm er die Leitung der
neuen Abteilung für Magnetismus und Meteorologie am
Greenwich-Observatorium und wurde damit zum ersten hauptamtlichen
Meteorologe der britischen Regierung. Ab 1836 wurden am Observatorium
Wetterbeobachtungen während der Sonnenwenden und Tagundnachtgleichen
aufgezeichnet. Im November 1840 führte Glaisher ein Programm
regelmäßiger täglicher Wetterbeobachtungen ein. 1845 veröffentlichte
Glaisher seine Taupunkttabellen zur Messung der Luftfeuchtigkeit.
Anschließend wurde er von der Londoner "Daily News" beauftragt,
Wetterdaten aus ganz Großbritannien zu sammeln, was den Aufbau eines
Netzwerks von Amateur-Wetterbeobachtern erforderte. Die daraus
resultierenden Wetterberichte wurden ab dem 31. August 1848 in
Textform im "Daily Weather Report" der Daily News veröffentlicht. Im
Jahr 1851 veröffentlichte Glaisher dann die ersten britischen
Wetterkarten, wobei er Berichte nutzte, die er über das neue
Telegraphensystem erhalten hatte. Die British Association for the
Advancement of Science beschloss 1859, die Durchführbarkeit
wissenschaftlicher Beobachtungen in den oberen Schichten der
Atmosphäre mittels Ballonaufstiegen zu prüfen. Der für dieses Projekt
zuständige Ausschuss schloss 1861 einen Vertrag mit dem britischen
Aeronauten Henry Coxwell (1819-1900) über die Bereitstellung eines
Ballons und dessen Dienste als Pilot ab. Glaisher, ein Mitglied des
Ausschusses, erklärte sich bereit, als Beobachter mitzuwirken. Die
Hauptziele der Ballonfahrten bestanden darin, die Temperatur- und
Feuchtigkeitsprofile in der Atmosphäre bis in die höchstmöglichen
Schichten zu messen. Darüber hinaus gab es mehrere sekundäre Ziele:
die Messung der Taupunkttemperatur mithilfe von Hygrometern sowie
Trocken- und Feuchtthermometern und der Vergleich der Ergebnisse, der
Vergleich der Messwerte eines Aneroidbarometers mit denen eines
Quecksilberbarometers bis zu einer Höhe von 5 km, die Bestimmung des
elektrischen Zustands und des Sauerstoffgehalts der Luft, die
Durchführung magnetischer Beobachtungen durch Messung der
Schwingungsfrequenz eines Magneten, die Entnahme von Luftproben in
verschiedenen Höhen, die Ermittlung der Geschwindigkeit und
Bewegungsrichtung verschiedener Strömungen in der Atmosphäre, die
Notation der Höhen und Arten der Wolken sowie deren Dichte und Dicke
sowie die Ausführung von Beobachtungen zum Schall. Zusätzlich zu den
oben genannten Instrumenten war der Ballon mit Maximal- und
Minimalthermometern, einem horizontal schwingenden Magneten,
versiegelten Glasröhren, aus denen die Luft entfernt worden war,
sowie einem Elektrometer ausgestattet. Der erste Aufstieg erfolgte am
17. Juli 1862 vom Gaswerk in Wolverhampton aus. Glaisher und Coxwell
unternahmen insgesamt 28 Aufstiege, den letzten am 26. Mai 1866.
Sieben davon waren Höhenflüge. Bei einem dieser Flüge im Juli 1862
stieg das Team auf mindestens 28.000 Fuß (etwa 8800 m) auf. Glaisher
verlor das Bewusstsein, und beide Männer wären beinahe an Erstickung
gestorben, bevor es Coxwell gelang, das Wasserstoffventil mit den
Zähnen zu betätigen, da seine Hände durch Erfrierungen unbrauchbar
waren. Dieser Flug stellte einen Höhenrekord auf.
Der US-amerikanische Aeronaut Thaddeus Lowe (1832-1913) führte
während seiner Ballonfahrten Wetterbeobachtungen durch. Wie sein
Landsmann Wise (siehe oben) war Lowe davon überzeugt, dass ein
transatlantischer Ballonflug aufgrund der von ihm beobachteten
beständigen Westwinde in der oberen Atmosphäre möglich sei. Die
Richtung aus West war jedoch nicht so regelmäßig, wie er angenommen
hatte. Im April 1861 kurz nach Ausbruch des Amerikanischen
Bürgerkrieges stieg er in Cincinnati, Ohio, in einen Ballon auf, in
der Hoffnung, irgendwo im Osten an der US-Ostküste anzukommen.
Tatsächlich trugen ihn die Winde jedoch in Richtung Südosten, bis
nach South Carolina (damals Konföderierte Staaten von Amerika), wo er
als Spion der Union verhaftet wurde. Er wurde jedoch schnell wieder
freigelassen.
Der russische Chemiker Dmitri Iwanowitsch Mendelejew oder Dmitrij
Ivanovic Mendeleev (1834-1907) ist als "Vater" des Periodensystems in
der Chemie bekannt. Er war außerdem als wissenschaftlicher Berater
der russischen Regierung tätig und leitete von 1892 bis zu seinem
Lebensende das russische Amt für Maße und Gewichte. Mendelejew
beschäftigte sich zudem mit Meteorologie. 1871 wandte er sich der
Untersuchung von Gasen zu. Er hoffte, durch detaillierte
Untersuchungen der Kompressibilität und Ausdehnbarkeit von Gasen die
Existenz eines universellen Äthers nachweisen zu können. Er war der
Ansicht, dass sich atmosphärische Gase ab einer bestimmten, noch
unbestimmten Höhe nicht weiter ausdehnen würden, was die Grenze
zwischen der Atmosphäre und dem Äther darstellen würde. Seine
Experimente hierzu schlugen fehl. Danach widmete er sich der
Untersuchung von Gasen im "natürlichen Labor" der Erdatmosphäre.
Seine Arbeitshypothese lautete damals, dass es in der oberen
Atmosphäre eine Wärmequelle geben müsse, die es den dort sehr dünnen
Gasen ermögliche, sich mit zunehmender Höhe weiter auszudehnen.
Mendelejew ging davon aus, dass solche Untersuchungen zu
Erkenntnissen führen könnten, die für das Verständnis des Wetters
nützlich wären. Er sah eine Notwendigkeit, das Gesetz der
Temperaturänderung in verschiedenen Luftschichten zu kennen. Da er
jedoch vom Boden aus keine direkten Beobachtungen der oberen
Atmosphäre vornehmen konnte, erwog er stattdessen die Durchführung
wissenschaftlicher Ballonflüge. Leider gelang es Mendelejew nicht,
eine Finanzierung zu sichern, und seine geplanten Ballonflüge fanden
nicht statt. Im Rahmen der Russischen Technischen Gesellschaft wurde
1880 eine Sektion für Aerostatik (die sogenannte VII. Sektion)
gegründet. In diesem Rahmen gelang es Mendelejew, an Ballonflügen
teilzunehmen. 1887 führte er während einer Sonnenfinsternis Messungen
von einem Ballon aus durch. Der Ballon startete in Klin bei Moskau
und erreichte eine Höhe von 3350 m.
Der russische Meteorologe Michail Alexandrowitsch Rykatschew
(1841-1919) führte am zentralen Geophysikalischen Observatorium in
Sankt Petersburg aerologische Messungen mit einem Ballon durch. Er
verwendete ein Thermometer mit einem spiralförmigen Behälter, um die
Umgebungstemperatur schneller anzuzeigen. Seinen ersten Flug
unternahm er am 21. Mai 1868. Besonders interessant ist der Flug vom
1. Juni 1873. Der Ballon startete von einer Wiese in der Nähe der
Militärschule Pawlow in Sankt Petersburg. Er erreichte eine Höhe von
4046 Meter über dem Meeresspiegel, wo die Temperatur -8 Grad C
betrug. Beim Aufsteigen wurde der Ballon zunächst nach Westen
getragen und kehrte dann nach Südosten zurück. Aufgrund dieser Umkehr
blieb der Ballon in der Nähe der Stadt, wodurch seine Position
mithilfe von Theodoliten aus Pulkowo, Kronstadt und Sankt Petersburg
verfolgt werden konnte. Damit war die Berechnung der Höhe des Ballons
möglich, und aus der horizontalen Verschiebung ließ sich die
Windgeschwindigkeit ermitteln. Somit konnte die Genauigkeit der von
Rykatschew aufgezeichneten, visuell ermittelten Geschwindigkeit
beurteilt werden. Rykatschew arbeitete am Observatorium zudem an der
Neuorganisation des Netzwerks lokaler Wetterbeobachtungsstationen.
1876 wurde er dort zuständig für Sturmwarnungen. 1896 wurde er zum
Direktor des zentralen Geophysikalischen Observatoriums bestellt.
Neben der Meteorologie interessierte er sich für hydrologische
Probleme und führte 1897 das erste öffentliche Warnsystem an der Newa
ein, was besonders für Sankt Petersburg Relevanz hatte. Er
verfeinerte zudem die hypsometrische Gleichung von Laplace (Beziehung
zwischen atmosphärischem Druck mit der geometrischen Höhe) durch
Unterteilungen atmosphärischer Schichten. 1904 und 1905 setzte er
zudem Drachen ein, um Instrumente in die Höhe zu befördern und
atmosphärische Messungen in Pawlowsk bei Sankt Petersburg
durchzuführen.
Der französische Astronom Camille Flammarion (1842-1925) befasste
sich auch mit Klimatologie und Meteorologie. Er interessierte sich
für den Einfluss der Sonne auf die Erde und untersuchte den
elfjährigen Sonnenzyklus. In den Jahren 1867 und 1868 unternahm er
zusammen mit dem bekannten französischen Aeronauten Eugène Godard
(1827-1890) acht wissenschaftliche Ballonfahrten über Paris. Er
sammelte ähnliche Beobachtungen wie Glaisher (siehe oben), obwohl der
Ballon nur geringe Höhen erreichte. Flammarion veröffentlichte in
seinem Buch "L'Atmosphère" eine Sammlung von 50 Berichten über
Kugelblitze. Dieses Buch behandelte verschiedene Themen rund um die
Atmosphäre in einem journalistischen und populärwissenschaftlichen
Stil. Glaisher gab die englische Fassung dieses Buches heraus, die
1873 in London erschien.
Das große Interesse an der Meteorologie veranlasste den französischen
Chemiker und Meteorologen Gaston Tissandier (1843-1899), Ballonfahrer
zu werden. Bei seiner ersten Ballonfahrt, die 1868 von Calais aus
startete, trieb er zunächst über das Meer hinaus, bevor er in eine
gegenläufige Luftströmung geriet, die ihn zurück an Land brachte. In
den 1870er Jahren unternahm er zahlreiche Aufstiege mit seinem Ballon
"Zenith". Einer davon fand vom 23. bis 24. März 1875 statt. An Bord
befanden sich Tissandier und sein Bruder, der französische Architekt
und Luftschiffer Albert Tissandier (1839-1906), sowie mehreren
Kollegen. Das Ziel des Teams war es, vom Ballon aus meteorologische
Beobachtungen durchzuführen. Sie hatten Thermometer, ein Barometer
und ein Taupunkt-Hygrometer dabei. Der Luftdruck, die Temperatur und
die Wetterbedingungen entlang der Flugbahn des Ballons wurden auf
Formularen festgehalten, die über Bord geworfen wurden, in der
Hoffnung, dass sie geborgen und nach Paris weitergeleitet würden.
Während des Fluges erreichten sie eine Höhe von 1100 m. Am 15. April
1875 kam es jedoch zu einer Katastrophe. Gaston Tissandier stieg
zusammen mit zwei Kollegen auf 8600 m auf. Seine Kollegen starben in
der dünnen Luft, während Tissandier überlebte, infolge des Fluges
jedoch taub wurde. Er publizierte mehrere Artikel seiner
Ballonfahrten und gründete das wissenschaftliche Magazin "La Nature",
welches er bis 1896 verlegte. Während einer seiner Ballonfahrten im
Jahr 1873 beobachtete Tissandier das als "Glorie" bekannte optische
Phänomen. Er veröffentlichte eine Zeichnung dessen, was er gesehen
hatte, in seinem 1887 erschienenen Buch "Histoire de mes ascensions".
Anfang der 1880er Jahre wandten sich Tissandier und sein Bruder den
steuerbaren Luftschiffen zu, die mithilfe eines von einem kleinen
Elektromotor angetriebenen Propellers gesteuert werden konnten
(Elektroluftschiff). 1883 führten sie erfolgreich einen Flug mit
einem Luftschiff durch, das mit einem Elektromotor ausgestattet war.
Die Serie Geschichte der Meteorologie wird fortgesetzt. Der nächste
Teil wird sich unter anderem der Entwicklung der Telegraphie widmen,
mit welcher erstmals meteorologische Beobachtungen und Daten rasch
über große Distanzen verbreitet werden konnten.

Dipl.-Met. Markus Eifried

Deutscher Wetterdienst
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Offenbach, den 10.10.2026

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