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 Étienne 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 °C am Boden auf -2 °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 César 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 °C (50 °F) am Boden auf -7 °C (20 °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 °C, während sie in 7000 m Höhe nur noch -10 °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 °F, 12,4 °F, 16,4 °F und 10,5 °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 IvanoviÄ? 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 °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 „Zénith“. 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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