W 1861 roku irlandzki uczony John Tyndall opublikował pracę, która nie odkrywała jeszcze samego zjawiska zatrzymywania ciepła przez atmosferę, ale po raz pierwszy rozłożyła je na czynniki fizyczne, mierzalne i porównywalne. Dzięki precyzyjnym eksperymentom laboratoryjnym Tyndall pokazał, które gazy, w jakim stopniu i dlaczego absorbują oraz emitują promieniowanie cieplne. W ten sposób stworzył fundament fizyki promieniowania atmosferycznego – most między intuicją klimatyczną Josepha Fouriera i Eunice Foote a nowoczesną klimatologią.
John Tyndall nie był pionierem samej idei „cieplnej atmosfery”, ale był pierwszym, który eksperymentalnie zmierzył selektywną absorpcję promieniowania podczerwonego przez konkretne gazy i pary, pokazując, że skład chemiczny atmosfery ma bezpośredni wpływ na bilans energetyczny Ziemi.
Swoje trafne spostrzeżenia zawarł w kluczowej pracy naukowej z 1861 r. On the Absorption and Radiation of Heat by Gases and Vapours.
Punkt wyjścia: promieniowanie, ciepło i pytanie o atmosferę
Tyndall rozpoczyna swoją pracę od jasno postawionego problemu fizycznego: czym różni się promieniowanie cieplne od światła i jak oddziałuje ono z materią?
W połowie XIX wieku było już jasne, że ciepło może być przenoszone na trzy sposoby – przez przewodzenie, konwekcję i promieniowanie – ale rola promieniowania w gazach pozostawała słabo poznana.
Wcześniejsza praca Josepha Fouriera z 1827 roku wskazywała, że atmosfera działa jak izolująca warstwa, ograniczając wypromieniowanie ciepła z powierzchni Ziemi w przestrzeń kosmiczną. Z kolei Eunice Foote w 1856 roku wykazała eksperymentalnie, że powietrze zawierające parę wodną i CO₂ nagrzewa się silniej pod wpływem promieniowania słonecznego. Jednak oba te podejścia miały charakter jakościowy i pośredni.
Tyndall postawił inne pytanie:
Czy różne gazy w różny sposób absorbują promieniowanie cieplne – i czy da się to zmierzyć bezpośrednio?
To przesunięcie akcentu – z obserwacji skutku na pomiar mechanizmu – było kluczowe.
Rys. 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
Aparatura i metoda: jak mierzyć niewidzialne
Centralnym elementem pracy Tyndalla jest szczegółowy opis aparatury eksperymentalnej, co samo w sobie było wówczas nowością. Skonstruował on układ składający się z:
-
źródła promieniowania cieplnego (rozgrzane ciało),
-
długiej rurki, przez którą przepuszczano badany gaz lub parę,
-
bardzo czułego detektora temperatury (termopary i galwanometru).
Kluczowe było to, że badacz ten porównywał sygnał promieniowania przed i po przejściu przez gaz, eliminując wpływ przewodzenia i konwekcji. Tyndall wielokrotnie podkreślał, że chodziło mu wyłącznie o promieniowanie, a nie o ogrzewanie kontaktowe.
Eksperymenty były powtarzane dla:
-
czystych gazów,
-
mieszanin,
-
par o różnej wilgotności,
które zawierały różne długości drogi optycznej.
Dzięki temu mógł nie tylko stwierdzić istnienie absorpcji przez podane wyżej substancje chemiczne, ale też porównywać w nich jej intensywność.
Wynik pierwszy: „przezroczyste” gazy, które nie grzeją
Jednym z najbardziej zaskakujących wniosków Tyndalla było to, że główne składniki atmosfery – azot i tlen – są niemal całkowicie przezroczyste dla promieniowania cieplnego.
To był moment przełomowy. Intuicyjnie można było zakładać, że skoro powietrze dominuje objętościowo w atmosferze, to ono odpowiada za jej „ciepłe” właściwości. Tyndall pokazał, że jest dokładnie odwrotnie.
Azot, tlen i wodór prawie wcale nie absorbują promieniowania podczerwonego. Ich obecność ma znikomy wpływ na bilans radiacyjny.
Wniosek był jasny i radykalny jak na czasy XIX wieku, w których żył Tyndall:
O właściwościach cieplnych atmosfery decydują składniki śladowe, do których jak dziś wiemy, zaliczają się gazy cieplarniane jak dwutlenek węgla, para wodna czy metan. a nie masowe jak azot czy tlen. Nawet śladowy w atmosferze Ziemi wodór ma znikome znaczenie w pochłanianiu i emitowaniu promieniowania cieplnego z powierzchni Ziemi (dziś zwanego podczerwonym).
Para wodna: najsilniejszy regulator promieniowania
Para wodna okazała się najsilniejszym absorbentem promieniowania cieplnego spośród badanych przez Tyndalla składników atmosfery. Już śladowe jej ilości w rurze eksperymentalnej powodowały wyraźne osłabienie strumienia promieniowania podczerwonego, co dowodziło, że to właśnie para wodna ma kluczowy wpływ na radiacyjne zatrzymywanie ciepła w atmosferze.
Badania wykazały, że jej działanie jest ciągłe, zależne od stężenia i wielokrotnie silniejsze niż oddziaływanie suchego powietrza. Pomiary irlandzkiego uczonego pokazały, że nawet śladowa wilgotność w atmosferze ma istotne znaczenie fizyczne dla zrozumienia mechanizmu efektu cieplarnianego (choć Tyndall odnosił się do niego pośrednio i nie posługiwał się terminologią używaną współcześnie).
To pozwoliło mu powiązać wyniki laboratoryjne z obserwacjami przyrodniczymi: duże nocne spadki temperatury na pustyniach, łagodniejsze noce w wilgotnym klimacie, rola chmur jako „koca radiacyjnego”.
W tym miejscu Tyndall bardzo wyraźnie połączył fizykę z klimatem, choć jeszcze bez języka współczesnej klimatologii.
Dwutlenek węgla, metan i inne gazy śladowe: jest ich mało, ale są skuteczne
Drugim kluczowym gazem był dwutlenek węgla. Tyndall wykazał, że CO₂ silnie absorbuje promieniowanie podczerwone, a jego oddziaływanie jest znacznie większe, niż wynikałoby to z samego stężenia. Efekt ten nie zanika nawet przy niskich koncentracjach.
Co istotne, Tyndall – podobnie jak kilka lat wcześniej Eunice Foote po drugiej stronie Atlantyku – nie ograniczył się wyłącznie do pomiarów CO₂ i pary wodnej. Badał także węglowodory, w tym metan, który okazał się bardzo silnym absorbentem promieniowania cieplnego (dziś wiemy, że potencjał cieplarniany metanu jest w horyzoncie 100 lat co najmniej 28 razy większy niż CO₂).
Irlandzki badacz prowadził również pomiary absorpcji par związków organicznych oraz innych gazów złożonych, wykazujących bardzo silne oddziaływanie radiacyjne, m.in. podtlenku azotu.
Choć nie posługiwał się dzisiejszą terminologią chemiczną i fizyczną, jego eksperymenty jednoznacznie pokazały, że złożoność molekularna sprzyja absorpcji promieniowania cieplnego – intuicję, która stała się później jedną z podstaw spektroskopii molekularnej, dziś szeroko stosowanej w badaniach klimatu.
Zasada wzajemności: absorpcja i emisja
Jednym z najgłębszych wniosków teoretycznych Tyndalla była obserwacja, że:
Substancje, które dobrze absorbują promieniowanie cieplne, równie dobrze je emitują.
To zasada wzajemności promieniowania – dziś fundamentalna w fizyce – którą Tyndall wydobył empirycznie. Oznaczało to, że gazy atmosferyczne nie tylko blokują ucieczkę ciepła, ale też aktywnie uczestniczą w jego redystrybucji, emitując promieniowanie we wszystkich kierunkach, także z powrotem ku powierzchni Ziemi.
W tym sensie atmosfera przestaje być bierną „osłoną”, a staje się aktywnym elementem systemu energetycznego planety.
Znaczenie klimatyczne: zmienność, nie stałość
Na końcu pracy Tyndall formułuje wniosek o dużym ciężarze poznawczym:
Jeśli skład atmosfery ulega zmianie, musi zmieniać się również jej zachowanie radiacyjne.
Badacz wprawdzie nie spekuluje jeszcze o działalności człowieka, ale wyraźnie zaznacza, że:
-
zmiany zawartości pary wodnej i CO₂,
-
zmiany zachmurzenia,
-
zmiany składu gazów śladowych
mogą prowadzić do istotnych różnic klimatycznych w skali geologicznej. To otworzyło drogę późniejszym badaczom, jak: Svante Arrhenius, Guy Stewart Callendar i w końcu zespołom naukowców z powojennej XX-wiecznej klimatologii.
miejsce johna Tyndalla w historii
John Tyndall nie był pierwszym, który zauważył, że atmosfera zatrzymuje ciepło, ale był pierwszym, który:
-
zmierzył to zjawisko bezpośrednio,
-
rozłożył je na konkretne gazy,
-
pokazał jego fizyczny mechanizm,
-
połączył laboratorium z klimatem planety.
Jego praca z 1861 roku to moment, w którym intuicja klimatyczna staje się fizyką eksperymentalną.
Źródła:
John Tyndall, 1861 ; On the Absorption and Radiation of Heat by Gases and Vapours ; Philosophical Transactions of the Royal Society ; https://web.gps.caltech.edu/~vijay/Papers/Spectroscopy/tyndall-1861.pdf
–