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.
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).
Izolująca atmosfera
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”, czytaj też Efekt cieplarniany – ABC). 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].
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.
Ile znaczy CO2?
Trzydzieści kilka lat później ukazały się pierwsze prace doświadczalne dotyczące oddziaływania promieniowania z atmosferą. Jako pierwsza zajęła się tym tematem Amerykanka, Eunice Foote (1819-1888). Zamieszkała w Nowym Jorku badaczka prowadziła badania, które pozwoliły jej dojść do wniosku o kluczowym znaczeniu CO2 jako gazu najszybciej ogrzewającego się pod wpływem promieni słonecznych i najwolniej oddającego zgromadzone ciepło. W eksperymencie porównywała temperaturę i tempo podgrzewania pojemników z powietrzem
- rozrzedzonym i skondensowanym,
- suchym i mokrym
- zwykłym i wzbogaconym w dwutlenek węgla.
Wyniki zostały przedstawione w 1856 roku na zebraniu American Association for the Advancement of Science przez profesora Johna Henry’ego. W tym samym roku opublikowano pod nazwiskiem Foote pracę zatytułowaną „Circumstances affecting the heat of the sun’s rays” w American Journal of Science and Arts[3].
Ówczesne środowisko naukowe przeoczyło tę publikację, co najprawdopodobniej wynikało z XIX wiecznej dominacji europejskich naukowców w obszarze nauk przyrodniczych, braku akademickiego wykształcenia autorki, oraz jej płci, gdyż należy pamiętać, że połowa XIX wieku nie była erą przyjazną kobietom w nauce.
Podsumowując eksperyment, Foote wykazała, że zwiększenie zawartości CO2 w atmosferze musi wiązać się ze wzrostem globalnej temperatury powierzchni Ziemi. Do jej zasług należy doliczyć fakt, że rozpoznała parę wodną jako gaz cieplarniany. Światło którym operowała było światło słoneczne, przez które niepoprawnie przypisała CO2 część własności izolacyjnych. Nie wyróżniła podczerwieni od światła słonecznego. Jednym z cytatów
Atmosfera tego gazu (dwutlenku węgla) podniosłaby temperaturę Ziemi; a jeśli, jak się przypuszcza, w jednym okresie historii Ziemi powietrze zmieszało się z nim (dwutlenkiem węgla) w większym stosunku niż obecnie, to musiało to w rezultacie doprowadzić do wzrostu temperatury, zarówno ze względu na własności tego gazu, jak i wzrostu gęstości (powietrza).
zapisała się w historii jako pierwsza, która na piśmie powiązała temperaturę powietrza z ilością zawartego w nim CO2.
Trzy lata później ukazały się wyniki bardziej szczegółowych badań przeprowadzonych w zakresie podczerwieni 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.
Tak więc Eunice Foote jako pierwsza postawiła hipotezę dotyczącą znaczenia CO2 jako gazu odpowiedzialnego za ocieplenie oraz uzależnienia temperatury planety od stężenia tego gazu w atmosferze, choć nie ustrzegła się błędów merytorycznych. Była to pierwsza oparta na obserwacjach, częściowo (jak dziś wiemy) poprawna próba potwierdzenia Fourierowskiej hipotezy o istnieniu „warstwy izolującej”.
Tyndall, nieco później, przeprowadził szereg eksperymentów i zbadał własności cieplarniane gazów atmosferycznych (przeczytasz o nich m.in. w teście Gazy cieplarniane ich cechy), prowadząc prace prowadzące do zrozumienia transferu promieniowania podczerwonego przez atmosferę i podał liczbowe charakterystyki tych własności. On także, prawdopodobnie niezależnie i nieco później niż Foote, sformułował podobna hipoteze na temat wpływu na klimat CO2 i innych gazów cieplarnianych. Przez lata był uznawany za “ojca” klimatologii fizycznej. Ale, jak pokazują dokumenty, w panteonie “ojców” klimatologii powinno się znaleźć również miejsce dla “matki”.
Zgłębiając procesy klimatyczne
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[4] 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.”
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[5] 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.
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).
prof. Szymon P. Malinowski, Klara Górska
[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] Foote E. (1856) „Circumstances affecting the heat of the sun’s rays”, American Journal of Science and Arts 22: 382-383.
[4] Tyndall J., (1872) „Contributions to Molecular Physics in the Domain of Radiant Heat”. Longmans, Green, and co.
[5] 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.
Fajnie, że tu jesteś. Mamy nadzieję, że nasz artykuł pomógł Ci poszerzyć lub ugruntować wiedzę.
Nie wiem, czy wiesz, ale naukaoklimacie.pl to projekt non-profit. Tworzymy go my, czyli ludzie, którzy chcą dzielić się wiedzą i pomagać w zrozumieniu zmian klimatu. Taki projekt to dla nas duża radość i satysfakcja. Ale też regularne koszty. Jeśli chcesz pomóc w utrzymaniu i rozwoju strony, przekaż nam darowiznę w dowolnej wysokości