Historia naukowa fizyki klimatu, część 1: Ojcowie klimatologii fizycznej

Czy wiesz, że własności dwutlenku węgla jako gazu cieplarnianego są znane od ponad stu lat? Albo że nauka o klimacie zawdzięcza wiele… fizyce jądrowej? Przeczytasz o tym w naszym minicyklu o historii badań klimatu.

Opowieść o nowożytnej historii naukowej klimatu zaczniemy od słynnego brytyjskiego astronoma, Williama Herschela (1738-1822), który wsławił się między innymi odkryciem Urana. Wiedząc, że wiele gwiazd zmienia swoją jasność, zadał on w 1801 roku pytanie: a jak jest ze Słońcem? Zmiany w jego aktywności łączył ze zmienną liczbą plam na Słońcu i próbował szukać ich korelacji z danymi o temperaturze powietrza. Obserwacje plam prowadzono od czasów Galileusza, ale niestety dane meteorologiczne były niewystarczające, by rachunek był skuteczny. Naukowiec nie poddał się jednak i szukał związków między liczbą plam i ceną zbóż na giełdzie w Londynie. Argumentował, że wysokie ceny są związane z okresami suszy i że dzięki takim badaniom można ocenić wpływ Słońca na klimat.

Portret olejny mężczyzny w osiemnastowiecznej peruczce.

Rysunek 1: Friedrich Wilhelm Herschel (ur. 15 listopada 1738 r. w Hanowerze, Niemcy, zm. 25 sierpnia 1822 r. w Windsorze) - astronom, konstruktor teleskopów i kompozytor, znany z wielu odkryć astronomicznych, m.in. z odkrycia Urana. Portret namalowany przez Lemuela Francisa Abbotta (1760-1802). Źródło: Wikipedia.

Prowadząc obserwacje Słońca, Herschel posługiwał się różnego rodzaju filtrami i zauważył, że filtr czerwony nagrzewa się bardziej niż inne. Zaintrygowany, postanowił sprawdzić, jakie temperatury pokaże termometr umieszczany w świetle o różnych kolorach. Do rozszczepienia światła słonecznego użył pryzmatu i ku swojemu zaskoczeniu odkrył, że termometr pokazuje podwyższoną temperaturę nie tylko wtedy, gdy pada na niego światło widzialne, ale także gdy umieści się go obok widocznej czerwonej plamki. To doprowadziło go do wniosku, że oprócz widzialnego promieniowania słonecznego istnieje także niewidzialne (później nazwane podczerwonym).

Obrazek przestawia pryzmat - kawałek szkła o kształcie prostopadłościanu z trójkątną podstawą, wraz z wiązką padającego nań białęgo światła rozdzielanego po drugiej stronie pryzmatu na wiązkę o kolorach tęczy.

Rysunek 2: Wiązka białego światła po przejściu przez pryzmat zostaje rozszczepiona  na wiązki różnokolorowe. Obok wiązki czerwonej znajduje się jeszcze wiązka podczerwona, której nasze oczy nie widzą. Z drugiej strony widma, za kolorem fioletowym znajdziemy promieniowanie ultrafioletowe. Ilustracja: Charon, Dreamstime.com

Około 20 lat później francuski fizyk i matematyk Józef Baptysta Fourier (1768-1830) obliczył, że temperatura powierzchni naszej planety jest wyższa niż wynikałoby to z ilości energii słonecznej otrzymywanej przez nią od Słońca. Poszukując źródła tego efektu, badacz sugerował, że może być zań odpowiedzialne niewidzialne promieniowanie termiczne („chaleur obscure”) i że atmosfera ma własności izolacyjne utrudniające ucieczkę ciepła w przestrzeń kosmiczną (to zjawisko nazywamy dziś „efektem cieplarnianym”). Swój pomysł opierał na doświadczeniach innego fizyka i przyrodnika, Horacego-Benedykta de Saussure (1740-1799), który skonstruował przykrytą kilkoma szybami kuchenkę ogrzewaną energią słoneczną i używał jej w wyprawach w Alpy. Fourier słusznie zauważył, że w eksperymentach de Saussure'a szyby tłumiły pionowe ruchy powietrza (konwekcję), ale uważał też, że konwekcja i przewodnictwo nie są jedynymi mechanizmami przekazywania energii, że istotną rolę odgrywa dodatkowy, „niewidzialny” mechanizm. Wyniki swoich analiz Fourier opublikował dwóch pracach które ukazały się w latach 1824[1] i 1827[2].

Obrazek przedstawia popiersie mężczyzny w dziewiętnastowiecznym stroju i z lokami.

Rysunek 3: Jean Baptiste Joseph Fourier (ur. 21 marca 1768 w Auxerre - zm. 16 maja 1830 r. w Paryżu) - słynny francuski matematyk i fizyk. Portret z ok. 1823 roku, autor Jules Boilly. Źródło: Wikipedia.

Jak widać, dwie podstawowe hipotezy fizyki klimatu - o zasadniczej roli energii słonecznej i efektu cieplarnianego dla równowagi energetycznej planety - sformułowano już na początku XIX wieku. Od tego okresu badania przyczyn zmian klimatu biegły dwutorowo, jednak to Fourierowi należy się tytuł „ojca klimatologii fizycznej”. Herschel odkrył że ciepło jest przenoszone przez promieniowanie, ale to Fourier jako pierwszy przeprowadził ścisłą analizę bilansu energetycznego naszej planety, co jest do dziś podstawą wszystkich globalnych analiz dotyczących klimatu Ziemi i planet pozaziemskich.

Wyniki analiz Fouriera dotyczących izolacyjnych własnościach atmosfery zostały potwierdzone doświadczalnie trzydzieści kilka lat później przez irlandzkiego fizyka, Johna Tyndalla (1820-1883). Tyndall interesował się energią promieniowania elektromagnetycznego o różnych długościach fali, w szczególności fourierowskiego „niewidzialnego promieniowania ziemskiego”. Jako pierwszy użył terminu „promieniowanie w zakresie podczerwieni” (oryginalnie „infrared undulations”). Zbudował specjalny zestaw do badania własności absorpcyjnych gazów w zakresie promieniowania termicznego („radiant heat”) z wykorzystaniem termostosu i w ten sposób został pionierem spektroskopii absorpcyjnej. Wykorzystując swoją aparaturę, jako pierwszy poprawnie zmierzył własności absorpcyjne wielu gazów i par w obszarze podczerwieni. Pokazał że para wodna jest najważniejszym atmosferycznym gazem cieplarnianym (czyli takim, który przepuszcza promieniowanie widzialne ale pochłania podczerwone), że gazami cieplarnianymi są dwutlenek węgla, metan, i wiele innych, a także, że tlen i azot gazami cieplarnianymi nie są. W udoskonalonym eksperymencie pokazał następnie, że własności absorpcyjne par nie różnią się znacząco od własności cieczy: kropelki wody w chmurach pochłaniają promieniowanie podczerwone tak jak para wodna. Wyniki te pozwoliły mu zrozumieć mechanizm działania efektu cieplarnianego.

Tyndall był fizykiem doświadczalnym i przyrodnikiem. Oprócz własności absorpcyjnych gazów badał lodowce alpejskie, magnetyczne własności materii, elektryczność, reakcje chemiczne, chmury. Swoje badania prowadził m. in. w celu zrozumienia procesów klimatycznych. Można o tym poczytać w jego książce z 1872 roku[3] dostępnej w internecie. Wcześniej, w roku 1860 pisał:

„De Saussure, Fourier, M. Pouillet i pan Hopkins podkreślali znaczenie pochłaniania promieniowania ziemskiego jako zjawiska najbardziej wpływającego na klimat.... każda zmiana [wody i pary wodnej] musi wywoływać zmiany klimatyczne. To samo odnosi się do dwutlenku węgla obecnego w powietrzu, albo nawet niezauważalnych domieszek węglowodorów, które mają ogromne znaczenie dla promieniowania ziemskiego i skutkują zmianami klimatu. Dlatego dla wyjaśnienia faktu ze w różnych epokach (geologicznych) przy powierzchni Ziemi były utrzymywane różne ilości ciepła, nie trzeba zakładać istotnych zmian gęstości powietrza czy głębokości atmosfery; niewielkie zmiany w składzie powietrza zupełnie do tego wystarczają. Takie zmiany mogły powodować wszystkie zmiany klimatu które odkrywają geolodzy.”

Popiersie meżczyzny z brodą i bokobrodami.

Rysunek 4: John Tyndall (1820 - 1893) - irlandzki przyrodnik, badacz i odkrywca zjawisk fizycznych z zakresu m.in. magnetyzmu, glacjologii, chemii fizycznej i bakteriologii, członek Royal Society, alpinista: pierwszy zdobywca m.in. Weisshornu. Kolorowa litografia z 1872 dla Vanity Fair, autor A. Cecioni. Źródło: Wikipedia.

Tyndall nawiązywał do faktu, że w drugiej połowie XIX wieku gwałtownie rozwijały się nauki o Ziemi. Odkrywano ślady epok lodowych, skamieliny świadczące o zmianach które zachodziły w historii planety. Spierano się o wiek Ziemi i przyczyny epok lodowcowych. Bujna wyobraźnia przyrodników zajmujących się opisem przyrody ścierała się ze ścisłym ilościowym podejściem przedstawicieli nauk matematyczno-fizycznych. Przykładem jest praca[4] na temat wieku Ziemi, w której William Thomson (Lord Kelvin) dowodził, wykorzystując analityczną teorię ciepła Fouriera i dane doświadczalne o zmianie temperatury skorupie ziemskiej, że wewnątrz naszej planety musi znajdować się źródło ciepła. Już w pierwszym akapicie zżymał się na postawę niektórych geologów, którzy trwają przy swoich hipotezach zaniedbując znajomość termodynamiki. Z drugiej strony, argumentował, zgodnie ze współczesną (mu) wiedzą fizyczną, że wnętrze Ziemi musi być ciałem stałym, sztywniejszym niż stal. Dziś wiemy, że wnętrze naszej planety jest ośrodkiem lepko-elastycznym, o własnościach innych niż dedukował to Kelvin.

Rysunek przedstawia skomplikowany układ pomiarowy z opisem.

Rysunek 5: Ilustracja z jednej z prac Tyndalla przedstawiająca jego układ do pomiaru własności absorpcyjnych gazów i par w podczerwieni. Heat source - źródło ciepła. Heat screen - ekran termiczny. Thermopile with conical reflecttors - termostos ze stożkowatymi reflektorami (podczerwieni). Brass tube... - rura z brązu zawierajaca badany gaz, zamknięta kryształami soli. Gas enters tube - wlot gazu do rury. Circulating cold water... - obieg wody chłodzącej. Container of gas... - zbiornik z badanym gazem. The gas or gas mixture … - układ filtracji gazu. Vacuum pump - pompa próżniowa. Manometer - manometr. Źródło: Wikipedia 

Wracając do zagadnień związanych bezpośrednio z klimatem należy napisać o badaniach transferu radiacyjnego w atmosferze, czyli po prostu losów promieniowania elektromagnetycznego o różnych długościach fali w atmosferze (tego, jak przenika przez kolejne warstwy, czy jest rozpraszane, absorbowane czy emitowane przez gazy, chmury i różne unoszące się w powietrzu cząstki) prowadzonych przez Samuela Pierpointa Langleya. Langley był jednocześnie fizykiem i inżynierem, pionierem lotnictwa oraz założycielem Smithsonian Astrophysical Observatory (obserwatorium astrofizycznego). Wynalazł bolometr, przyrząd do precyzyjnego pomiaru natężenia promieniowania padającego na wybraną powierzchnię, i obserwował promieniowanie widzialne oraz podczerwone docierające do powierzchni Ziemi. Żeby dokładniej zrozumieć własności atmosfery prowadził pomiary w miejscach położonych blisko poziomu morza i wysoko w górach. Był pomysłodawcą i kierownikiem ekspedycji na najwyższy szczyt kontynentalnych Stanów Zjednoczonych, Mt. Whitney, gdzie mierzył zależność strumienia promieniowania słonecznego od kąta padania promieni, co pozwoliło dokonać oszacowań stałej słonecznej, czyli ilości energii docierającej co sekundę ze Słońca do metra kwadratowego na szczycie atmosfery (nie cała ta energia przedziera się przez atmosferę do powierzchni Ziemi).

Obiektem zainteresowania Langleya było też promieniowanie podczerwone tarczy Księżyca, na podstawie którego miał nadzieję określić zdalnie temperaturę powierzchni Srebrnego Globu. Metody pomiaru i analizy danych, które wówczas wymyślił, używane są do dziś w badaniach radiometrycznych. Popełnił wprawdzie błędy zawyżając wartość stałej słonecznej, ale jego wyniki obserwacji tarczy Księżyca w podczerwieni, a precyzyjnie mówiąc osłabienia promieniowania cieplnego zależnie od jej wysokości nad horyzontem, posłużyły kilka lat później do pierwszych w historii obliczeń czułości klimatu (zmian temperatury powierzchni Ziemi wskutek podwojenia bądź spadku o połowę koncentracji atmosferycznego dwutlenku węgla).

Portet siedzącego meżczyzny z siwiejącymi wąsami.

Rysunek 6: Samuel Pierpoint Langley (1834 -1906), amerykański astronom, fizyk i pionier lotnictwa. Portret z ok. 1885 roku. Źródło: Wikipedia.

O czułości klimatu, dalszych badaniach aktywności słonecznej i słynnych cyklach Milankovicia przeczytasz w kolejnej części naszej historii fizyki klimatu.

prof. Szymon Malinowski


[1] Fourier J., (1824) "Remarques Générales Sur Les Températures Du Globe Terrestre Et Des Espaces Planétaires". Annales de Chimie et de Physique 27: 136-67.

[2] Fourier J. (1827) "Mémoire Sur Les Températures Du Globe Terrestre Et Des Espaces Planétaires". Mémoires de l'Académie Royale des Sciences 7: 569-604.

[3] Tyndall J., (1872) „Contributions to Molecular Physics in the Domain of Radiant Heat”. Longmans, Green, and co.

[4] Thomson W (Lord Kelvin), (1864) „On the Secular Cooling of the Earth”. Transactions of the Royal Society of Edinburgh XXIII: 167-169, 1864. Read April 28, 1862.

[5] Arrhenius S., (1896) „On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground”. Philosophical Magazine and Journal of Science 41: 237-276.

Opublikowano: 2013-02-19 17:38
Tagi

aktywność słoneczna jak działa nauka

Fundacja UW
Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.