Nachdem zuletzt der Themenschwerpunkt der Geschichte der Meteorologie im 19. Jahrhundert in der Entwicklung der Telegraphie lag, mit der Daten und damit auch Wetterbeobachtungen rasch über große Distanzen verbreitet werden konnten, blicken wir heute auf Erkenntnisse aus der Physik, die auch in der Meteorologie genutzt werden.
Der französische Astronom, Physiker und Politiker François Arago (1786−1853) verfasste populärwissenschaftliche Artikel über Meteorologie und physikalische Geographie, darunter Schriften über die Atmosphäre, die Temperatur der Erde und ihre magnetischen Schwankungen. Arago war auch auf dem Gebiet des Lichts und der Optik tätig. Er konstruierte ein als Polariskop bekanntes Instrument, mit dem er Experimente zur Polarisation des Himmelslichts durchführen konnte. Außerdem baute er ein Gerät zur Messung der Sonneneinstrahlung, das als Arago-Davy-Aktinometer bekannt wurde, sowie ein frühes Cyanometer zur Messung des Blauanteils des Himmels. Arago beschäftigte sich mit Gewittern und unterschied drei Arten von Blitzen: den gewöhnlichen Blitzschlag, den Flächenblitz und den Kugelblitz. 1838 veröffentlichte er eine Übersicht von Berichte zu Kugelblitzen. In einer Arbeit aus dem Jahr 1854 mit dem Titel „Le Tonnerre“ (übersetzt „Der Donner“) stellte er dann seine Vorstellungen zu diesem seltsamen Phänomen vor. Arago untersuchte außerdem die Aurora borealis und das Erdmagnetfeld sowie die Beziehung zwischen beiden. 1824 führte er ein Experiment durch, bei dem eine frei rotierbare Magnetnadel über einer rotierenden Kupferscheibe schwebt und durch die Rotation der Scheibe ebenfalls in Bewegung gesetzt wird. Es war der erste Versuch, der den Wirbelstrom nachweisen konnte. Arago nannte dieses Phänomen „Rotationsmagnetismus“, später wurde es als Induktion bekannt. Arago befasste sich auch mit meteorologischen Messgeräten und wissenschaftlichen Ballonflügen. Er bestand darauf, dass während solcher Flüge an verschiedenen Punkten Bodenbeobachtungen durchgeführt werden sollten, um sie mit den Ballonmessungen zu vergleichen. Er wies zudem auf mögliche Beobachtungsfehler bei den in Ballonflügen verwendeten meteorologischen Instrumenten hin, insbesondere auf die Tatsache, dass ein gewöhnliches, an der Gondel befestigtes Thermometer die tatsächliche Lufttemperatur nicht anzeigen könne, da der relative Wind fehle und die Möglichkeit bestehe, dass direkte Sonneneinstrahlung das Thermometer erwärme. Arago empfahl daher, Instrumente und Beobachtungsmethoden zu entwickeln, die während Ballonflügen repräsentative Daten liefern würden. Es scheint, dass Arago hinsichtlich der Schwierigkeiten bei der Wettervorhersage ein Realist war. In der sogenannten „Arago-Mahnung“ erklärte er 1845: „Niemals, ganz gleich, wie weit die Wissenschaft auch voranschreiten mag, werden ehrliche Wissenschaftler, denen ihr Ruf am Herzen liegt, es wagen, das Wetter vorherzusagen.“ Auch wenn sich diese Mahnung als falsch erwiesen hat, spiegelt ihre Grundaussage doch zweifellos den Respekt wider, den Wettervorhersager überall vor der Atmosphäre haben müssen, die denen, die ihr Verhalten vorhersagen, mitunter sehr gnadenlos begegnet. 1839 stellte Arago erste frühe Verfahren zur Photographie, die zwei französische Erfinder entwickelt hatten, offiziell der Französischen Akademie der Wissenschaft und der Öffentlichkeit vor.
Der französische Mathematiker und Physiker Gaspard Gustave de Coriolis (1792−1843) forschte an verschiedenen Bewegungen von Körpern. Die Erde ist kein stationäres Bezugssystem, sie dreht sich. Die Bewegungsgleichungen der Atmosphäre müssen diese Rotation berücksichtigen. In einer 1835 veröffentlichten Abhandlung („Sur les équations du mouvement relatif des systèmes de corps“, übersetzt „Über die Gleichungen der Relativbewegung von Körpersystemen“) zeigte Coriolis, wie man die Erdrotation durch das Hinzufügen einer zusätzlichen Kraft berücksichtigen kann, die als zusammengesetzte Zentrifugalkraft beschrieben wurde und als Corioliskraft bekannt geworden ist. Die Corioliskraft erklärt, warum die Winde nicht direkt von Hochdruckgebieten zu Tiefdruckgebieten wehen. Lässt man Reibungseffekte außer Acht, lenkt die Coriolis-Kraft auf der nördlichen (südlichen) Hemisphäre die Luftbewegung nach rechts (links) ab, sodass die Winde parallel zu den Isobaren wehen, wobei der niedrigere Druck links (rechts) liegt. Dieses Verhalten, das allgemein als Coriolis-Effekt bezeichnet wird, ist ein Schlüsselkonzept der Meteorologie. Coriolis war der Erste, der eine klare mathematische Erklärung für diesen Effekt lieferte. Einige frühere Forscher hatten bereits erkannt, dass er existieren musste. Auf der Grundlage physikalischer Überlegungen hatten sie qualitative Beschreibungen vorgeschlagen (bspw. Hadley 1735, siehe Teil 8 der Serie zur Geschichte der Meteorologie).
Der französische Physiker und Ingenieur Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796−1832) veröffentlichte 1824 die Schrift „Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance“ (übersetzt: „Betrachtungen über die bewegende Kraft des Feuers und die zur Entwicklung dieser Kraft geeigneten Maschinen“), die als Ursprung der Thermodynamik gilt – einer Wissenschaft, die sich mit der Umwandlung von Wärmeenergie in andere Energieformen und umgekehrt befasst. Die Thermodynamik ist ein integraler Bestandteil weit gefasster Disziplinen wie Ingenieurwesen, Physik, Chemie und Meteorologie, weshalb Carnots Arbeit in all diesen Bereichen Anwendung fand. Carnot beschrieb einen Vorgang, der heute als Carnot-Prozess eine theoretische Betrachtung der Dampfmaschine (Carnot-Wärmekraftmaschine) bekannt ist, bei dem ein System bei einer relativ hohen Temperatur Energie aufnimmt und bei einer niedrigeren Temperatur wieder abgibt. Diese Schrift über den Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen gilt als Grundlage des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Sowohl die Hadley-Zelle (die in meteorologischen Untersuchungen der allgemeinen Zirkulation eine wichtige Rolle spielt) als auch der Hurrikan können im weitesten Sinne als Carnot-Wärmekraftmaschinen betrachtet werden: Energie geht durch Reibung und turbulente Dissipation bei relativ niedrigen Temperaturen verloren und wird durch sensible und latente Wärme von der warmen Meeresoberfläche gewonnen. Dies ist vergleichbar mit der Situation, in der fallendes Wasser in einem Wasserfall eine Turbine antreiben kann, um Strom zu erzeugen. Das oben einströmende Wasser verfügt über mehr Energie (die potenzielle Energie aufgrund seiner größeren Höhe) als das unten ausströmende Wasser. Ein Teil dieser Differenz wird dazu verwendet, die Turbinen in Drehung zu versetzen, ein anderer Teil geht durch verschiedene Reibungs- und mechanische Effekte verloren.
Der französische Physiker Émile Clapeyron (1799−1864) entwickelte in seiner 1834 veröffentlichten Arbeit „Mémoire sur la puissance motrice de la chaleur“ (übersetzt „Abhandlung über die Antriebskraft der Wärme“) eine graphische Darstellung der thermodynamischen Kreisprozesse von Carnot (siehe oben). Er gab der Arbeit von Carnot auch eine mathematische Form. Die Zustandsgleichung für ideale Gase in der heute üblichen Form stammt von ihm. Die sogenannte Clapeyron-Gleichung wurde 1850 von Rudolf Clausius (1822−1888), einem Physiker aus Pommern, zur Clausius-Clapeyron-Gleichung erweitert. Sie beschreibt in der Meteorologie den Phasenübergang von Wasser, insbesondere die Abhängigkeit des Sättigungsdampfdrucks von der Temperatur. Sie ist das fundamentale Gesetz hinter der Entstehung von Wolken, Niederschlag und der Thermodynamik der Atmosphäre. Die Gleichung drückt eine Alltagserfahrung in mathematischer Form aus: Warme Luft kann mehr Wasserdampf aufnehmen als kalte Luft. Pro 1 °C (oder besser K, siehe unten) Erwärmung steigt die maximale Wasserdampfmenge in der Atmosphäre exponentiell um etwa 6 bis 7 Prozent. Clausius formulierte das Prinzip, dass Wärme nicht von selbst von einem kälteren auf einen wärmeren Körper übergehen kann, ohne in der Umgebung irgendwelche Veränderungen zu hinterlassen (Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik) und führte 1865 den Begriff der Entropie ein, eine in der Wärmelehre verwendete extensive Zustandsgröße mit der Dimension Energie pro Temperatur.
Der österreichische Mathematiker und Physiker Christian Doppler (1803−1853) beschrieb erstmals 1842, wie die beobachtete Frequenz von Licht- und Schallwellen durch die Relativbewegung von Quelle und Detektor beeinflusst wird. Dieses Phänomen wurde als Doppler-Effekt bekannt. Am besten lässt es sich anhand der Tonhöhenänderung einer Zugpfeife veranschaulichen, wenn sich der Zug einem Beobachter am Gleis nähert, an ihm vorbeifährt und sich dann wieder von ihm entfernt. Die moderne Meteorologie nutzt dieses Prinzip in speziellen Radarsystemen, den sogenannten Doppler-Radaren, die Informationen über die Komponenten der atmosphärischen Bewegung in Richtung des Radarstandorts und von diesem weg liefern. Herkömmliche Wetterradare liefern andere Daten, die als Radarreflektivität bezeichnet werden und aus denen Rückschlüsse auf die Struktur von Wettersystemen und die darin enthaltenen Partikel in Niederschlagsgröße gezogen werden können. Ein Doppler-Radar liefert daher wichtige ergänzende Informationen zur herkömmlichen Radarreflektivität.
Der britische Physiker John James Waterston (1811−1883) aus Schottland gilt als Pionier der kinetischen Gastheorie. Er entwickelte seine kinetische Gastheorie unabhängig von anderen Wissenschaftlern. Er erkannte, dass die kinetische Energie eines einzelnen Moleküls mit der Masse m und der Geschwindigkeit v genau ½mv2 ist und dass Wärme und Energie proportional zur Temperatur sind. Diese Erkenntnisse ließen ihn ein Gesetz für ein ideales Gas ableiten. Er veröffentlichte seine Erkenntnisse 1843 in einem Buch mit dem ungewöhnlichen Titel „Thoughts on the Mental Functions“ („Gedanken zu den geistigen Funktionen“). Die Arbeit blieb zunächst ohne größeren Einfluss. Die kinetische Gastheorie wurde erst in den 1850er Jahren akzeptiert, als andere Wissenschaftler entsprechende Arbeiten publizierten, darunter Clausius (siehe oben). Zu diesem Zeitpunkt waren Waterstons Beiträge jedoch bereits in Vergessenheit geraten.
Der niederländische Physiker und Meteorologe Christoph Buys Ballot (1817−1890) gründete 1854 das Königlich-Niederländische Meteorologische Institut, dessen Direktor er bis zu seinem Tod im Jahr 1890 war. Am bekanntesten ist er für das Gesetz von Buys Ballot (Barisches Windgesetz), welches den Zusammenhang zwischen der horizontalen Druckverteilung und der Windrichtung beschreibt. Es lässt sich wie folgt formulieren: Steht eine Person auf der Nordhalbkugel mit dem Rücken zum Wind, so befindet sich der tiefe Druck zu ihrer Linken (auf der Südhalbkugel befindet sich der tiefe Druck zu ihrer Rechten). Er veröffentlichte dieses Ergebnis 1857 in einem Artikel mit dem Titel „Note sur le rapport de l’intensité et de la direction du vent avec les écarts simultanés du baromètre“ (übersetzt „Anmerkung zum Zusammenhang zwischen Windstärke und Windrichtung einerseits und den gleichzeitigen Barometerschwankungen andererseits“). Das Gesetz von Buys Ballot ist eine verbale Formulierung dessen, was in der Meteorologie heute als geostrophischer Wind bekannt ist (der zum Teil vom Vorhandensein der Corioliskraft abhängt). Das Gesetz gilt für Winde im großen Maßstab, trifft jedoch nicht auf verschiedene Situationen zu, darunter Winde im kleineren Maßstab, die durch die Topographie kanalisiert werden oder beispielsweise mit Gewittern in Verbindung stehen. Es gilt auch nicht in den äquatorialen Regionen, wo die Corioliskraft nahezu null ist. Buys Ballot erfand ein wenig bekanntes Instrument namens Aeroklinoskop, mit dem er die Windrichtung in Abhängigkeit vom Luftdruck darstellte. Außerdem entwickelte er ein System von Wettersignalen. Zusammen mit Kollegen erkannte Buys Ballot die potentiellen Vorteile einer internationalen Zusammenarbeit in der Meteorologie. Ein Internationaler Meteorologischer Kongress, der 1873 in Wien tagte, richtete einen Meteorologischen Ausschuss ein, um die Gründung einer formellen internationalen meteorologischen Organisation vorzubereiten, deren Mitglieder die Leiter der nationalen Wetterdienste sein sollten (siehe Teil 16 der Serie zur Geschichte der Meteorologie). Buys Ballot wurde zum Vorsitzenden des Ausschusses ernannt und leitete dessen Arbeit bis 1879, als auf dem Meteorologischen Kongress in Rom die neue Internationale Meteorologische Organisation (IMO) ins Leben gerufen wurde.
Der britische Physiker James Prescott Joule (1818−1889) forschte zunächst im Bereich des Elektromagnetismus. Er formulierte 1840 das erste Joulesche Gesetz, nach dem die Erwärmung eines stromdurchflossenen Leiters proportional dem Produkt aus dem Quadrat der Stromstärke und dem Widerstand des Stromkreises ist. 1847 konnte er das mechanische Äquivalent der Wärme (heute als spezifische Wärmekapazität bekannt) bestimmen. Ab 1852 arbeitete Joule gemeinsam mit Thomson (siehe unten) an Experimenten zur Bestätigung thermodynamischer Theorien. 1852 zeigten die beiden Forscher, dass sich ein Gas, welches sich ungestört ausdehnen kann, abkühlt. Dieser Joule-Thomson-Effekt war ein Beweis für die Annahme, dass zwischen den Gasmolekülen schwache Kräfte wirksam sind. Anwendung findet das Gesetz bei der Gasverflüssigung und in der Kältetechnik sowie in der Sensorik von Messgeräten (bspw. Korrektur von Drosselungen und Drucksprüngen an Einlassdüsen bei Messinstrumenten im Bereich der Flugmeteorologie). Außerdem konzipierte Joule den idealen Kreisprozess der Heißluftmaschine (Joule-Prozess).
Der französische Physiker Léon Foucault (1819−1868) wies die Erdrotation durch ein Experiment mit dem später als Foucaultsches Pendel bekannten Gerät nach. Die Erdrotation bedeutet, dass die Erde kein festes Bezugssystem ist, sodass Luftmassen, die sich ohne erkennbare äußere Einwirkung in der Atmosphäre bewegen, dennoch von der geraden Bewegungsbahn abweichen, die in einem festen Bezugssystem zu erwarten wäre. Eine als Coriolis-Parameter bezeichnete Größe berücksichtigt diesen Effekt und muss bei jeder Untersuchung atmosphärischer Bewegungen berücksichtigt werden.
Der britische Ingenieur William John Macquorne Rankine (1820−1872) aus Schottland begeisterte sich für viele Bereiche der Naturwissenschaften und der Mathematik. 1849 stellte Rankine den Zusammenhang zwischen dem Sättigungsdampfdruck und der Temperatur her, und 1850 zeigte er, wie Temperatur, Druck und Dichte eines Gases miteinander zusammenhängen. Außerdem leitete er eine Formel für die Verdampfungswärme einer Flüssigkeit her. Solche Zusammenhänge sind in der Meteorologie von Bedeutung. 1859 schlug Rankine eine neue Temperaturskala vor, deren Nullpunkt beim absoluten Nullpunkt lag und bei der ein Rankine-Grad dem Skalenabstand der Fahrenheit-Skala entsprach. Diese Skala entspricht der von Lord Kelvin (siehe unten) im Jahr 1848 festgelegten, mit dem Unterschied, dass letztere Celsius-Grad anstelle von Fahrenheit-Grad verwendet. Für wissenschaftliche Arbeiten, bei denen die absolute Temperatur erforderlich ist, hat sich die Kelvin-Skala als internationaler Standard durchgesetzt. Die Rankine-Skala (°Ra, °R) wird selten in wenigen technischen Anwendungen verwendet, beispielsweise in den Vereinigten Staaten, wo Fahrenheit-Temperaturgrade üblich sind.
Der preußische Mediziner, Physiologe und Physiker Hermann von Helmholtz (1821−1894) ist für Entdeckungen in den Bereichen Physiologie, Optik, Elektrodynamik, Mathematik und Meteorologie bekannt. Zu Beginn seiner Karriere beschäftigte er sich mit Energieerhaltung, Energieübertragung und Wellenbewegung. Diese Untersuchungen sollten ihm später bei seiner meteorologischen Arbeit von Nutzen sein. Helmholtz' erste Arbeiten zu Wirbel-Sätzen wurden 1858 veröffentlicht. Er arbeitete auch mit Kelvin (siehe unten) bei Untersuchungen zu Wirbeln in Flüssigkeiten zusammen, was dazu führte, dass Kelvin 1869 seinen eigenen Zirkulationssatz veröffentlichte. All diese Arbeiten zu Wirbeln in Flüssigkeiten waren ein Vorläufer für Helmholtz’ Untersuchungen zu Zirkulation und Wirbelstärke in der Atmosphäre, die für Meteorologen zentrale Konzepte darstellen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen veröffentlichte er 1888 in seiner Abhandlung „Über atmosphärische Bewegungen“. Helmholtz und Kelvin werden in der Meteorologie auch gemeinsam durch eine Form der atmosphärischen Instabilität in Erinnerung behalten, die als Kelvin-Helmholtz-Instabilität bekannt ist.
Der britische Physiker und Ingenieur Sir William Thomson aus Nordirland, besser bekannt unter den Namen Erster Baron Kelvin oder Lord Kelvin (1824−1907), leistete vielfältige Beiträge zur Meteorologie, ist jedoch vor allem als Begründer der Kelvin-Temperaturskala in Erinnerung geblieben. 1848 schlug Thomson eine Temperaturskala vor, die auf den Grundgesetzen der Thermodynamik beruhte. Die Konstruktion seiner Skala war derart, dass es darin einen Punkt geben musste, an dem keine „Wärme“ (Calorique) übertragen werden konnte. Diese absolute Kälte (heute als absoluter Nullpunkt bekannt) war eine Idee, die bereits von Boyle 1665 diskutiert worden war (siehe Teil 7 der Serie zur Geschichte der Meteorologie). Thomson erhielt 1892 den Titel „First Baron Kelvin“ und wurde fortan als Lord Kelvin bekannt, ebenso wie seine Temperaturskala weithin als Kelvin-Skala bekannt wurde. Im modernen wissenschaftlichen Sprachgebrauch (Système International, kurz SI) werden diese Temperaturen als Kelvin bezeichnet, mit dem Symbol K. Der absolute Nullpunkt 0 K entspricht -273,16 °C auf der Celsius-Skala und -459,67 °F auf der Fahrenheit-Skala. Thomson beschäftigte sich mit Wirbeln in Flüssigkeiten und arbeitete auf diesem Gebiet mit von Helmholtz zusammen. Diese Arbeit führte zu Thomsons Theoremen über die Zirkulation von Flüssigkeiten, die 1869 veröffentlicht wurden. Die beiden Forscher sind auch für ihre Untersuchung einer Form der atmosphärischen Instabilität bekannt, die heute als Kelvin-Helmholtz-Instabilität bezeichnet wird (siehe oben). Thomson untersuchte die Luftfeuchtigkeit und den Niederschlag und lieferte 1862 die erste korrekte Beschreibung des gesättigten adiabatischen Prozesses. Bei einem solchen Prozess ist die Abkühlungsrate eines aufsteigenden gesättigten Luftpakets mit zunehmender Höhe geringer als die eines aufsteigenden ungesättigten Luftpakets. Diese Erkenntnisse sind für die Untersuchung von Konvektion und Stabilität in der Atmosphäre von Bedeutung. Thomson erkannte die Existenz atmosphärischer elektrischer Felder unter verschiedenen Wetterbedingungen, einschließlich Schönwetter. Thomson war fest davon überzeugt, dass Kenntnisse über die atmosphärische Elektrizität bei der Wettervorhersage nützlich sein könnten. Er beschrieb seine Ideen in einem Vortrag, den er 1859 vor der British Association for the Advancement of Science hielt („Über die Notwendigkeit unaufhörlicher Aufzeichnungen und gleichzeitiger Beobachtungen an verschiedenen Orten zur Untersuchung der atmosphärischen Elektrizität“). Um eigene Messungen der atmosphärischen Elektrizität durchzuführen, erfand Thomson das Wassertropfen-Elektrometer. Bei diesem Instrument nahmen die Wassertropfen, die aus einem isolierten Metallbehälter versprüht wurden, das lokale elektrische Potential der Atmosphäre auf, das anschließend mit einem gewöhnlichen Elektrometer gemessen werden konnte. Dies war ein bedeutender Beitrag zur Wissenschaft der Messung atmosphärischer Elektrizität. Das Wassertropfen-Elektrometer wurde in der Wetterstation des britischen Met Office in Kew eingeführt, wo Thomson 1861 ein Programm zur kontinuierlichen Messung der atmosphärischen Elektrizität ins Leben rief. Er stellte fest, dass sich die Aufladung der Atmosphäre bei klarem Himmel durch das Vorhandensein positiver atmosphärischer Ladungen erklären ließ.
Die Serie Geschichte der Meteorologie wird fortgesetzt. Der nächste Teil wird sich mit Persönlichkeiten der Meteorologie im 19. Jahrhundert widmen, die explizit Forschungsergebnisse zu Neuerungen im Bereich der Meteorologie lieferten.