W 1856 roku Eunice Foote opublikowała pracę, która – choć zapisana językiem XIX-wiecznej fizyki – stanowi jedno z najwcześniejszych empirycznych badań nad zachowaniem ciepła w gazach pod wpływem promieni słonecznych. Jej eksperymenty nie dotyczyły jeszcze klimatu w nowoczesnym sensie, lecz własności fizycznych powietrza.
Z perspektywy dalszej nauki klimatologicznej, naukowcy po wielu latach dziś dokładnie wiedzą, że obserwacje amerykańskiej badaczki Eunice Foote stworzyły fizyczne podstawy, na których z czasem wyrosła obecna fizyka atmosfery.
Foote wykazała empirycznie, że temperatura nie jest prostą funkcją odległości od Słońca. Zależy ona od specyficznych właściwości atmosfery. Mianowicie, jej gęstości, wilgotności i składu gazowego. A w szczególności od obecności dwutlenku węgla.
Fot. Eunice Newton Foote. Pionierka klimatologii. Źródło: Pictorial Press Ltd Alamy/CC BY-SA 4.0
Ciepło promieni słonecznych nie jest stałe
Pierwszy fundamentalny wniosek Foote dotyczył natury samego promieniowania słonecznego. Jej eksperymenty pokazały jednoznacznie, że promienie słoneczne nie niosą „gotowego” ciepła, które byłoby niezależne od warunków, w jakich są one pochłaniane. To ciepło powstaje lokalnie, w miejscu oddziaływania światła z materią.
Promienie, które w zimnym otoczeniu wywołują niewielki wzrost temperatury, w środowisku cieplejszym — lub zamkniętym (tak jak w eksperymencie Foote) — powodują znacznie silniejsze nagrzewanie. Ten sam strumień światła może więc prowadzić do radykalnie różnych wyników temperaturowych.
Z punktu widzenia klimatologii oznacza to zerwanie z niedawnym modelem „grzejącego Słońca” i przejście do nowego modelu, w którym kluczową rolę odgrywa atmosfera jako aktywny składnik bilansu energetycznego.
Atmosfera jako wzmacniacz ciepła
Drugi wniosek Foote dotyczył roli powietrza jako ośrodka głównego. Jej doświadczenia z odbiornikami o różnej temperaturze i gęstości prowadzą do jasnej konkluzji: im większa gęstość powietrza, tym silniejsze działanie promieni słonecznych.
W rozrzedzonym powietrzu efekt grzewczy był wyraźnie słabszy, natomiast w powietrzu zagęszczonym — znacznie silniejszy i trwalszy. To obserwacja o fundamentalnym znaczeniu klimatycznym. Wskazuje ona wyraźnie, że atmosfera nie tylko przepuszcza światło, lecz także reguluje ilość zatrzymywanego ciepła.
Foote zauważyła przy tym, że mechanizm ten wyjaśnia chłód wysokich gór — nie przez „oddalenie od Słońca”, lecz przez mniejszą masę powietrza zdolną do akumulacji energii. Jest to czysto fizyczna, atmosferyczna interpretacja klimatu, wyprzedzająca swoją epokę.
Wilgoć jako czynnik klimatyczny
Trzeci filar jej badań dotyczy wilgotności. Foote pokazała, że powietrze wilgotne nagrzewa się silniej niż suche, przy identycznym nasłonecznieniu. Różnice są systematyczne, powtarzalne i znaczne.
Z perspektywy dzisiejszej klimatologii jest to pierwszy empiryczny dowód na rolę pary wodnej jako wzmacniacza efektu cieplarnianego.
Foote nie znała wówczas sprzężenia zwrotnego, ale opisała dokładnie jego działanie. Zaobserwowała, że wilgotniejsze powietrze prowadzi do silniejszego nagrzewania, co sprzyja dalszemu utrzymywaniu wysokiej temperatury.
Jej intuicja dotycząca izoterm — zależnych nie tylko od szerokości geograficznej, ale także od wilgotności — była trafnym spostrzeżeniem. Dzięki temu rozwinęły się późniejsze badania nad klimatem regionalnym i monsunowym.
Rys. Urodzona 17 lipca 1819 roku Eunice Newton Foote była naukowczynią-amatorką i działaczką na rzecz praw kobiet, która przyjaźniła się z amerykańską sufrażystką Elizabeth Cady Stanton. Eksperymenty Foote z gazami atmosferycznymi i jej spostrzeżenia na temat klimatu w przeszłości były pomijane przez ponad wiek. Źródło: Carlyn Iverson/NOAA Climate.gov/CC BY-SA 4.0
Dwutlenek węgla i pamięć cieplna atmosfery
Najważniejszy, najbardziej brzemienny w skutki wniosek Foote dotyczy jednak dwutlenku węgla. W jej czasach ta cząsteczka chemiczna była nazywana gazem węglowym. Jej dalsze eksperymenty wykazały, że:
-
CO₂ nagrzewa się silniej niż zwykłe powietrze,
-
utrzymuje ciepło znacznie dłużej po ustaniu nasłonecznienia,
-
powoduje wyraźnie wyższą temperaturę maksymalną.
To właśnie ten „czas stygnięcia” jest kluczowy. Foote jako pierwsza rozpoznaje, że atmosfera może posiadać pamięć cieplną, a nie tylko chwilową reakcję na promieniowanie.
Jej słynny wniosek — że atmosfera bogatsza w CO₂ musiałaby prowadzić do wyższych temperatur Ziemi — jest pierwszym w historii nauki jasnym, poprawnym i empirycznie uzasadnionym stwierdzeniem klimatycznego działania dwutlenku węgla.
Planety, klimat i rola atmosfery
Foote wyciąga wnioski wykraczające poza Ziemię. Sugeruje, że każda planeta posiada własną „atmosferę ciepła”, która decyduje o jej warunkach termicznych. W ten sposób odrzuca prosty determinizm odległości od Słońca, proponując w zamian model planetarny, który jest oparty na właściwościach atmosfery.
Dziś można śmiało stwierdzić, że to była intuicja niezwykle nowoczesna u badaczki amerykańskiej. Dokładnie ten sam schemat myślenia stosuje się dziś w badaniach klimatu Marsa, Wenus czy egzoplanet.
Co ciekawe, ta śmiała hipoteza Foote dała pierwszy impuls do powstania po wielu dekadach dziedziny nauki, zwanej planetologią klimatyczną.
Znaczenie klimatologiczne pracy Eunice Foote
Z punktu widzenia współczesnej nauki praca Circumstances Affecting the Heat of the Sun’s Rays dowodzi czterech fundamentalnych tez:
-
Temperatura planety zależy od interakcji światła z atmosferą, nie od samego Słońca.
-
Gęstość atmosfery wzmacnia efekt grzewczy.
-
Para wodna zwiększa akumulację ciepła.
-
Dwutlenek węgla jest szczególnie skutecznym nośnikiem i magazynem energii cieplnej.
Są to empiryczne wyniki opisujące termiczne własności gazów w świetle słonecznym, które późniejsza nauka — dysponująca nowocześniejszym i bardziej zaawansowanym aparatem pojęciowym — wykorzystała je do budowy teorii efektu cieplarnianego.
Kilka słów na zakończenie o owocnej pracy Eunice Foote
Eunice Foote była pionierką-eksperymentatorką, która przy użyciu prostych narzędzi odkryła podstawowe prawa fizyki klimatu. Jej praca nie jest ciekawostką historyczną, lecz jednym z pierwszych, solidnych kamieni węgielnych nauki o zmianach klimatu.
To, że przez ponad 150 lat pozostawała na marginesie historii nauki, nie zmienia faktu, że klimatologia zaczyna się właśnie tutaj — od cylindrów, termometrów i jasnego wniosku: atmosfera ma kolosalne znaczenie.
Źródła:
Eunice Newton Foote, 1856 ; Circumstances affecting the heat of the sun’s rays ; American Association for the Advancement of Science ; https://www.risorsa-acqua.it/PDF/eunicefoote.pdf
Amara Huddleston, 2019 ; Happy 200th birthday to Eunice Foote, Hidden climate science pioneer ; NOAA Climate.Gov ; https://www.climate.gov/news-features/features/happy-200th-birthday-eunice-foote-hidden-climate-science-pioneer