W 1827 roku francuski matematyk i fizyk Joseph Fourier opublikował pracę „Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires”, która – mimo braku pojęcia promieniowania podczerwonego, gazów cieplarnianych i pionowej struktury atmosfery – położyła fundament pod współczesną fizykę klimatu. Fourier jako pierwszy opisał temperaturę Ziemi w kategoriach bilansu energii promieniowania i zauważył, że atmosfera podnosi temperaturę powierzchni planety poprzez utrudnianie ucieczki ciepła w przestrzeń kosmiczną.
Fourier nie sformułował teorii efektu cieplarnianego w dzisiejszym sensie, lecz intuicyjnie rozpoznał jego istnienie: asymetrię między łatwym dopływem energii słonecznej a utrudnionym wypromieniowaniem ciepła z powierzchni Ziemi. Ta jakościowa intuicja poprzedziła o dziesięciolecia odkrycie promieniowania podczerwonego, spektroskopii i gradientu temperatury w atmosferze.
Fourier i problem temperatury Ziemi opisany za pomocą bilansu radiacyjnego
Fourier działał w epoce, w której fizyka ciepła dopiero się kształtowała. Nie istniała jeszcze termodynamika atmosfery ani teoria promieniowania w dzisiejszym sensie. Jego pytanie było jednak fundamentalne i nowoczesne: dlaczego Ziemia ma taką temperaturę, jaką ma, skoro sama energia słoneczna wydaje się niewystarczająca do jej wyjaśnienia? Odpowiedzi szukał, traktując Ziemię jako obiekt fizyczny podlegający prawom wymiany energii.
Jako jeden z pierwszych badaczy opisał temperaturę Ziemi poprzez bilans energii. Rozważał dopływ energii ze Słońca, promieniowanie pochodzące z przestrzeni kosmicznej oraz ciepło wewnętrzne planety. Najważniejszy był jednak jego wniosek, że obecność atmosfery zmienia ten bilans w sposób zasadniczy: planeta z atmosferą musi mieć wyższą temperaturę powierzchni niż planeta jej pozbawiona.
Litosfera jako punkt odniesienia
W przypadku litosfery Fourier mógł oprzeć się na obserwacjach empirycznych. Wiedział, że temperatura rośnie wraz z głębokością i że sezonowe wahania temperatury zanikają już na niewielkich głębokościach. Ten stabilny gradient uznał za efekt ciepła wewnętrznego Ziemi oraz przewodnictwa cieplnego. Litosfera stała się dla niego modelem prostego, przewodzącego transportu ciepła.
Litosfera była dla niego układem fizycznie „czystym”: pozbawionym intensywnej konwekcji i dynamicznego mieszania, dzięki czemu możliwe było matematyczne opisanie rozkładu temperatury w czasie i przestrzeni.
Co istotne, analiza litosfery pełniła w jego rozumowaniu rolę punktu odniesienia. Pokazywała, jak zachowuje się temperatura w ośrodku stałym, w którym transport energii odbywa się niemal wyłącznie przez przewodnictwo. Kontrast ten pozwalał mu tym wyraźniej dostrzec, że atmosfera i hydrosfera muszą podlegać innym prawom fizycznym, a ich wpływu na temperaturę powierzchni Ziemi nie da się sprowadzić do prostego analogu gradientu geotermicznego.
Hydrosfera: inny reżim fizyczny
Fourier wyraźnie odróżniał zachowanie cieczy od zachowania ciał stałych. Wiedział, że woda – w przeciwieństwie do skał – pozostaje w ciągłym ruchu, a konwekcja i mieszanie skutecznie redukują trwałe pionowe gradienty temperatury. Z tego powodu hydrosfera nie mogła być opisywana tym samym aparatem teoretycznym, który sprawdzał się w litosferze.
Zwracał uwagę, że oceany pełnią rolę bufora termicznego: pochłaniają duże ilości energii słonecznej i rozprowadzają ją w czasie i przestrzeni. Dzięki dużej pojemności cieplnej wody oraz jej ruchliwości, zmiany temperatury są wolniejsze i bardziej wygładzone niż na lądach. To odróżnia hydrosferę zarówno od atmosfery, jak i od skorupy ziemskiej.
Choć Fourier nie znał jeszcze pojęcia maksimum gęstości wody ani struktury termicznej oceanów, intuicyjnie rozpoznał, że pionowy rozkład temperatury w oceanach nie jest prostym odpowiednikiem gradientu geotermicznego. Ochładzanie wody od powierzchni w głąb oraz ciągłe mieszanie sprawiają, że hydrosfera reaguje na wymuszenia radiacyjne w sposób odmienny, lecz kluczowy dla stabilizacji klimatu.
Fot. Budowa repliki heliotermometru Horace’a-Bénédicta de Saussure’a, zgodnie z opisem de Saussure’a zawartym w książce „Voyages dans les Alpes”, tom 2, s. 365, 1786. Należy zauważyć, że na tym zdjęciu sadza nie została jeszcze nałożona na wewnętrzną powierzchnię izolacji korkowej, a termometr nie został zainstalowany na dnie skrzynki. Jedynym odstępstwem od pomiarów i opisu de Saussure’a jest grubość desek sosnowych wynosząca 3/4 cala, a nie 1/2 cala. Źródło: Rob Wesson/CC BY 4.0
Atmosfera: brak formalnego gradientu, obecność intuicji
Fourier nie opisał pionowego gradientu temperatury atmosfery. Nie znał mechanizmu adiabatycznego ochładzania powietrza ani selektywnej absorpcji promieniowania przez gazy. Mimo to zauważył, że atmosfera działa jak czynnik zatrzymujący ciepło przy powierzchni Ziemi. Promieniowanie słoneczne łatwo dociera do gruntu, natomiast ciepło emitowane przez powierzchnię napotyka na opór w drodze ku przestrzeni kosmicznej. To ciepło, niewidzialne dla oka, Fourier nazywał „ciepłem ciemnym”.
Istotną inspiracją do jego obserwacji było doświadczenie szwajcarskiego przyrodnika, geologa, fizyka i botanika Horacego-Bénédicta de Saussure’a z heliotermometrem, w którym najwyższa temperatura występowała w dolnej części wielowarstwowej skrzynki wystawionej na działanie Słońca. Fourier potraktował ten eksperyment jako analogię atmosfery.
Wniosek z tego doświadczenia wypływał taki, że energia promieniowania mogła swobodnie wnikać do wnętrza układu, natomiast ciepło zgromadzone w dolnych warstwach było stopniowo zatrzymywane przez kolejne przegrody. W ten sposób powstawała pionowa nierównowaga temperatury, której nie dało się wyjaśnić samym przewodnictwem. Był to jakościowy model mechanizmu, który dziś opisujemy jako efekt cieplarniany.
Fourier nie wyciągał z tej analogii wniosków ilościowych, ale jasno dostrzegał jej znaczenie fizyczne. Atmosfera nie była dla niego bierną otoczką Ziemi, lecz aktywnym elementem systemu klimatycznego, wpływającym na skuteczność wypromieniowania energii w przestrzeń kosmiczną. W tym sensie jego rozumowanie antycypowało późniejsze pojęcie wielowarstwowej struktury radiacyjnej atmosfery.
„Efekt cieplarniany” Fouriera, ale bez fizyki radiacyjnej
Fourier nie używał pojęcia efektu cieplarnianego w znaczeniu, jakie nadaje mu współczesna fizyka atmosfery. Nie znał własności absorpcyjnych gazów ani mechanizmu selektywnego pochłaniania promieniowania długofalowego. Mimo to precyzyjnie rozpoznał zasadniczy element tego zjawiska: atmosfera zmienia warunki wymiany energii między powierzchnią Ziemi a przestrzenią kosmiczną, utrudniając wypromieniowanie ciepła.
W ujęciu Fouriera był to efekt czysto energetyczny i geometryczny. Promieniowanie słoneczne łatwo docierało do powierzchni, natomiast ciepło emitowane przez Ziemię – określane jako „ciepło ciemne” – napotykało na barierę w postaci warstw atmosfery. To prowadziło do podwyższenia temperatury powierzchni względem hipotetycznej planety pozbawionej atmosfery. Nie był to jeszcze opis procesów molekularnych, lecz poprawne rozpoznanie asymetrii radiacyjnej systemu.
Dopiero późniejsze badania XIX-wieczne Johna Tyndalla i Svante Arrheniusa oraz z pierwszej połowy XX wieku Guya Stewarta Callaendara, a także ich następców po drugiej wojnie światowej – min. Gilberta Plassa, Rogera Revelle, Charlesa Keelinga, Wallace’a Broeckera – wypełniły tę intuicję treścią fizyczną, wskazując konkretne gazy i mechanizmy absorpcji. Jednak bez Fourierowskiego rozpoznania, że klimat Ziemi jest problemem bilansu promieniowania, a nie wyłącznie dopływu energii słonecznej, rozwój teorii efektu cieplarnianego nie byłby możliwy.
Znaczenie pracy Fouriera z 1827 roku
Praca Fouriera z 1827 roku („Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires”) miała znaczenie fundamentalne nie dlatego, że dostarczała kompletnej teorii atmosfery czy szczegółowego opisu procesów radiacyjnych, lecz dlatego, że jako pierwsza w sposób spójny postawiła problem bilansu energetycznego Ziemi jako zagadnienie fizyczne.
Fourier jasno rozróżnił dopływ energii słonecznej, jej transformacje oraz odpływ promieniowania cieplnego w przestrzeń kosmiczną. Tym samym przesunął rozważania o klimacie z poziomu czysto opisowego (geografia, meteorologia klasyczna) na poziom analizy ilościowej, zakorzenionej w prawach fizyki i matematyki.
Kluczowe było również to, że Fourier uświadomił istnienie mechanizmów, które opóźniają i modyfikują ucieczkę ciepła z powierzchni Ziemi, choć nie znał jeszcze ich natury molekularnej. Wprowadził pojęcie „działania atmosfery” jako czynnika podnoszącego temperaturę powierzchni ponad wartość wynikającą z prostego równania radiacyjnego. To otworzyło drogę do późniejszych badań Tyndalla nad absorpcją promieniowania podczerwonego przez gazy oraz do ilościowych ujęć Arrheniusa. W tym sensie Fourier nie tyle opisał efekt cieplarniany w dzisiejszym znaczeniu, ile zdefiniował ramy problemu, w których mogła powstać nowoczesna fizyka klimatu.
Znaczenie tej pracy polega także na jej trwałości koncepcyjnej. Współczesne modele klimatyczne — mimo ogromnej złożoności — wciąż opierają się na tym samym schemacie myślenia: energia wchodzi, energia krąży między warstwami systemu Ziemi, energia wychodzi. Fourier jako pierwszy potraktował atmosferę, hydrosferę i litosferę jako elementy jednego, sprzężonego systemu termicznego. Dzięki temu jego tekst z 1827 roku pozostaje nie tylko dokumentem historycznym, lecz także punktem odniesienia dla całej późniejszej nauki o klimacie.
Źródła:
Jean-Baptiste Joseph Fourier , 1824 ; Remarques Générales Sur Les Températures Du Globe Terrestre Et Des Espaces Planétaires ; Annales de Chimie et de Physique 27: 136-67. ; https://www.academie-sciences.fr/pdf/dossiers/Fourier/Fourier_pdf/Mem1827_p569_604.pdf
Horace Bénédict de Saussure , 1786 ; Voyages dans les Alpes, précédés d’un essai sur l’histoire naturelle des environs de Geneve , tom 2, s. 365 ; Samuel Fauche, Neuchatel ; https://www.abebooks.it/prima-edizione/Voyages-Alpes-pr%C3%A9c%C3%A9d%C3%A9s-dun-essai-lhistoire/1414415501/bd