Wer war Jean-Baptiste Fourier?

Jean-Baptiste Joseph Fourier, wie er vollständig hieß, wurde am 21. März 1768 in Auxerre geboren, war Novize der Abtei Saint-Benoit-sur-Loire, war Lehrer in Auxerre, war aktiv an der Französischen Revolution beteiligt, wurde von den Jakobinern zum Tode verurteilt, war Professor für Analysis und Mechanik an der École polytechnique, begleitete Napoleon Bonaparte als wissenschaftlicher Berater auf seinem Ägyptenfeldzug, war Mitbegründer des Institut d’Égypte, organisierte archäologische Expeditionen, war Präfekt des Département de l’Isère mit Sitz in Grenoble, war Direktor der École Normale de Grenoble, ermutigte Jean-Francois Champollion dazu, die Hieroglyphen des Rosetta-Steins zu entziffern, entwickelte ein allgemeines, noch heute gültiges Gesetz der Wärmeleitung (1807 veröffentlicht in „Mémoire sur la propagation de la chaleur dans les corps solides“, wofür er die Fourier-Reihen entwickelte, durch die jede Temperaturverteilung als Summe von Sinus- und Kosinus-Funktionen dargestellt werden kann), war Professor an der École Polytechnique in Paris, wurde in die Académie des Sciences aufgenommen und starb am 17. Mai 1830 in Paris.

Zusätzlich wird Jean-Baptiste Fourier in der Regel als Entdecker des Treibhauseffekts genannt. Denn in seiner Arbeit „Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires“ („Über die Temperaturen der Erdkugel und der Planetenräume“) aus dem Jahr 1824 führte er unter anderem aus:

„In der Tat, wenn alle Luftschichten, aus denen die Atmosphäre besteht, ihre Dichte sowie ihre Transparenz beibehielten und nur die Beweglichkeit verlören, die ihnen zueigen ist, würde diese so zur festen Masse gewordene Luft, der Sonneneinstrahlung ausgesetzt, einen Effekt hervorrufen, der dem ähnelt, den wir gerade beschrieben haben. Die Wärme, im Zustand des Lichts bis zum festen Boden gelangend, würde plötzlich und fast vollständig die Fähigkeit verlieren, die sie hatte, durch durchsichtige Körper zu dringen; sie würde sich in den unteren Schichten der Atmosphäre ansammeln, die dadurch höhere Temperaturen erlangen würden. Gleichzeitig würde eine Abnahme der aus der Oberfläche der Erde erworbenen Wärme beobachtet werden. Die Beweglichkeit der Luft, die sich schnell in alle Richtungen bewegt, und die aufsteigt, wenn sie erwärmt wird, mindert die Intensität der Wirkungen der Strahlung der dunklen Wärme auf die Luft, die in einer festen und durchsichtigen Atmosphäre stattfinden würden, entstellen diese Effekte aber nicht vollständig. Die Abnahme der Wärme in den oberen Regionen der Luft hört nicht auf; so wird die Temperatur durch das Einwirken der Atmosphäre erhöht, weil die Wärme im Zustand des Lichts weniger Hindernisse findet, die Luft einzudringen, als sie findet, um wieder in die Luft zurückzukehren, wenn sie in dunkle Wärme umgewandelt ist“

Original

„En effet, si toutes les couches d’air dont l’atmosphère est formée conservaient leur densité avec leur transparence, et perdaient seulement la mobilité qui leur est propre, cette masse d’air ainsi devenue solide, étant exposée aux rayons du soleil, produirait un effet du même genre que celui que l’on vient de décrire. La chaleur, arrivant a l’état de lumière jusqu’à la terre solide, perdrait tout-à-coup et presque entièrement la faculté qu’elle avait de traverser les solides diaphanes; elle s’accumulerait dans les couches inférieures de l’atmosphère, qui acquerraient ainsi des températures élevées. On observerait en même temps une diminution du degré de chaleur acquise, à partir de la surface de la terre. La motilité de l’air qui se déplace rapidement dans tous les sens et qui s’élève lorsqu’il est échauffé, le rayonnement de la chaleur obscure dans l’air diminuent l’intensité des effets qui auraient lieu sous une atmosphère transparente et solide, mais ne dénaturent point entièrement ces effets. Le décroissement de la chaleur dam les régions élevées de l’air ne cesse point d’avoir lieu; c’est ainsi que la température est augmentée par l’interposition de l’atmosphère, parce que la chaleur trouve moins d’obstacle pour pénétrer l’air, étant à l’état de lumière, qu’elle n’en trouve pour repasser dans l’air lorsqu’elle est convertie en chaleur obscure.“

Allerdings fällt bei diesem Text auf, dass Fourier diese Wirkung nicht im Sinne einer neuen Erkenntnis beschreibt, sondern eher als allgemein bekannt. Zudem wird deutlich, dass er sich dabei auf eine Aussage bezieht, die er direkt davor gemacht hat. Es ist also notwendig, auch diesen Teil zu berücksichtigen:

„Es ist schwierig zu wissen, in welchem Umfang sich die Atmosphäre auf die Durchschnittstemperatur des Globus auswirkt, und wir werden bei dieser Überlegung nicht mehr durch eine regelmäßige mathematische Theorie geführt. Wir verdanken dem gefeierten Forschungsreisenden Herrn de Saussure eine Erfahrung, die sehr geeignet erscheint, Aufschluss über dieses Problem zu geben. Sie besteht darin, ein Gefäß, das mit einer oder mehreren Scheiben aus sehr transparentem Glas bedeckt ist, die in einem gewissen Abstand übereinander angeordnet sind, den Sonnenstrahlen auszusetzen. Das Innere des Gefäßes wird mit einer dicken Hülle aus geschwärztem Kork ausgekleidet, der geeignet ist, um Wärme aufzunehmen und zu speichern. Die erwärmte Luft ist von allen Seiten eingeschlossen, entweder im Behälter oder in jedem Zwischenraum zwischen zwei Scheiben. Thermometer, die in diesem Gefäß und in den oberen Zwischenräumen angeordnet sind, zeigen den Grad der Wärme an, der in jeder dieser Kammern gewonnen wird. Dieses Instrument wurde um die Mittagszeit der Sonne ausgesetzt, und man sah in verschiedenen Experimenten, wie das Thermometer im Gefäß auf 70, 80, 100, 110 Grad und darüber hinaus anstieg (oktogesimale Einteilung). Die in den Zwischenräumen platzierten Thermometer haben viel weniger Wärmegrade aufgenommen, diese nahmen zudem vom Boden des Gefäßes zum oberen Zwischenraum ab.

Die Wirkung von Sonnenwärme auf die Luft, die in transparenten Hüllen enthalten ist, war schon lange beobachtet worden. Der Apparat, den wir soeben beschrieben haben, hat die Aufgabe, die gewonnene Wärme auf ein Maximum zu bringen und insbesondere den Sonneneinfluss auf einem sehr hohen Berg mit demjenigen in einer niedrigeren Ebene zu vergleichen. Diese Beobachtung ist vor allem wegen der richtigen und weitreichenden Folgen bemerkenswert, die der Erfinder daraus zog; sie wurde in Paris und Edinburgh mehrfach wiederholt und hat ähnliche Ergebnisse erbracht.

Die Theorie dieses Instruments ist leicht zu verstehen. Es genügt zu bemerken, 1. dass die erworbene Wärme konzentriert ist, weil sie nicht sofort durch die Erneuerung der Luft zerstreut wird; 2., dass die von der Sonne ausgehende Wärme andere Eigenschaften als die der dunklen Wärme hat. Die Strahlen dieses Sterns werden in einem ziemlich großen Teil jenseits der Gläser in allen Kapazitäten und auf den Boden des Gefäßes übertragen. Sie erwärmen die Luft und die Wände, die sie enthalten, dann hört die Wärme auf, leuchtend zu sein; sie behält nur die gemeinsamen Eigenschaften der dunklen Strahlungswärme bei. In diesem Zustand kann sie die Glasflächen, die das Gefäß bedecken, nicht frei durchqueren; sie sammelt sich mehr und mehr in einer von sehr schlecht leitendem Material umgebenen Kapazität, und die Temperatur steigt an, bis die zufließende Wärme durch das, was sich zerstreut, genau ausgeglichen wird. Diese Erklärung würde verifiziert werden, und die Folgerungen wären vernünftiger, wenn die Bedingungen verändert würden, indem farbige oder geschwärzte Gläser verwendet würden und wenn die Kapazitäten, welche die Thermometer enthielten, luftleer wären. Wenn wir diesen Effekt rechnerisch untersuchen, finden wir Ergebnisse, die vollständig denen entsprechen, die die Beobachtungen ergeben haben. Es ist notwendig, diese Reihenfolge der Tatsachen und die Ergebnisse der Berechnung aufmerksam zu betrachten, wenn man den Einfluss der Atmosphäre und der Gewässer auf den thermometrischen Zustand der Erdkugel wissen will.“

Original

„Il est difficile de connaître jusqu’à quel point l’atmosphère influe sur la température moyenne du globe, et l’on cesse d’être guidé dans cet examen par une théorie mathématique régulière. On doit au célèbre voyageur M. de Saussure une expérience qui paraît très-propre à éclairer cette question. Elle consiste à exposer aux rayons du soleil un vase couvert d’une ou de plusieurs lames de verre bien transparent, placées à quelque distance les unes au-dessus des autres. L’intérieur du vase est garni d’une enveloppe épaisse de liége noirci, propre à recevoir et à conserver la chaleur. L’air échauffé est contenu de toutes parts, soit dans l’intérieur de la boîte, soit dans chaque intervalle compris entre deux plaques. Des thermomètres placée dans ce vase et clans les intervalles supérieurs marquent le degré de chaleur acquise dans chacune de ces capacités. Cet instrument a été exposé au soleil vers l’heure de midi, et l’on a vu, dans diverses expériences, le thermomètre du vase s’élever à 70, 80, 100, 110 degrés et au-delà (division octogésimale). Les thermomètres placés dans les intervalles ont acquis des degrés de chaleur beaucoup moindres; et qui décroissaient depuis le fond de la boîte jusqu’à l’intervalle supérieur.

L’effet de la chaleur solaire sur l’air contenu par des enveloppes transparentes avait été depuis long-temps observé. L’appareil que nous venons de décrire a pour objet de porter la chaleur acquise A son maximum, et surtout de comparer l’effet solaire sur une montagne très-élevée à celui qui avait lieu dans une plaine inférieure. Cette observation est principalement remarquable par les conséquences justes et étendues que l’inventeur en a tirées: elle a été répétée plusieurs fois à Paris et à Edimbourg, et a donné des résultats analogues.

La théorie de cet instrument est facile à concevoir. Il suffit de remarquer, 1° que la chaleur acquise se concentre, parce qu’elle n’est point dissipée immédiatement par le renouvellement de l’air ; 2° que la chaleur émanée du soleil a des propriétés différentes de celles de la chaleur obscure. Les rayons de cet astre se transmettent en assez grande partie au-delà des verres dans toutes les capacités et jusqu’au fond de la boîte. Ils échauffent l’air et les parois qui le contiennent: alors leur chaleur ainsi communiquée cesse d’être lumineuse; elle ne conserve que les propriétés communes de la chaleur rayonnante obscure. Dans cet état, elle ne peut traverser librement les plans de verre qui couvrent le vase; elle s’accumule de plus en plus dans une capacité enveloppée d’une matière très-peu conductrice, et la température s’élève jusqu’à ce que la chaleur affluente soit exactement compensée par celle qui se dissipe. On vérifierait cette explication, et l’on en rendrait les conséquences, plus sensibles, si l’on variait les conditions, en employant des verres colorés ou noircis, et si les capacités qui contiennent les thermomètres étaient vides d’air. Lorsqu’on examine cet effet par le calcul, on trouve des résultats entièrement conformes à ceux que les observations ont donnés. Il est nécessaire de considérer attentivement cet ordre de faits et les résultats du calcul lorsqu’on veut connaître l’influence de l’atmosphère et des eaux sur l’état thermométrique du globe terrestre.“

Hier finden sich also sogar zwei Quellen, auf die sich Fourier seinerseits beruft: Zum einen benennt er Experimente von Horace-Bénédict de Saussure. Zum anderen weist er zusätzlich darauf hin, dass die Wirkung von Sonnenwärme auf die in transparenten Hüllen enthaltene Luft schon lange davor beobachtet wurde.

Außerdem fällt auf, dass Fourier die Wirkungsweise eines Treibhauses falsch beschreibt, indem er behauptet, darin würden Wärmestrahlen angesammelt. Dass dies nicht der Fall ist, hatte Horace-Bénédict de Saussure experimentell herausgefunden, was bereits 1784 im „Journal de Paris“ veröffentlicht wurde. Der oben zuerst zitierten Textstelle kann man entnehmen, dass Fourier dies auch wusste, da er auf den entscheidenden Einfluss der Konvektion hinweist. Vor allem ging er davon aus, dass die Wirkung der von ihm beschriebenen Strahlungsfalle in der realen Atmosphäre gering, wenn auch nicht Null ist.

Wenn Fourier also dem heute als „Treibhauseffekt“ bezeichneten Einsperren der Wärmestrahlung nicht die entsprechend deutliche Wirkung auf die Tempereratur der Atmosphäre zutraute, dann ergibt sich die Frage, was er stattdessen als Ursache annahm. Und tatsächlich gibt er auf diese Frage auch eine Antwort:

„Wir schließen aus diesen verschiedenen Bemerkungen und hauptsächlich aus der mathematischen Untersuchung der Frage, dass es eine immer gegenwärtige physikalische Ursache gibt, welche die Temperaturen auf der Erdoberfläche mildert und diesem Planeten eine fundamentale Wärme verleiht, die unabhängig ist von der Wirkung der Sonne und der primitiven Wärme, die ihre innere Masse bewahrt hat. Diese feste Temperatur, welche die Erde vom Weltraum her empfängt, unterscheidet sich wenig von der, die man an den Erdpolen messen würde. Es ist notwendigerweise weniger als die Temperatur, die zu den kältesten Ländern gehört; aber in diesem Vergleich muss man nur gewisse Beobachtungen zulassen und nicht die zufälligen Folgen einer sehr intensiven Kälte berücksichtigen, die durch Verdunstung, heftige Winde und außerordentliche Ausdehnung der Luft verursacht würde.“

Original

„Nous concluons de ces diverses remarques, et principalement de l’examen mathématique de la question, qu’il existe une cause physique toujours présente qui modère les températures à la surface du globe terrestre, et donne à cette planète une chaleur fondamentale indépendante de l’action du soleil, et de la chaleur propre que sa masse intérieure a conservée. Cette température fixe que la terre reçoit ainsi de l’espace diffère peu de celle que l’on mesurerait aux pôles terrestres. Elle est nécessairement moindre que la température qui appartient aux contrées les plus froides; mais, dans cette comparaison, l’on ne doit admettre que des observations certaines, et ne point considérer Ies effets accidentels d’un froid très-intense qui serait occasioné par l’évaporation, par des vents violents et une dilatation extraordinaire de l’air.

Heute ist allerdings bekannt, dass die Temperatur des leeren Weltraums bei etwa -270 °C liegt. Fouriers Versuch, die Erdtemperaturen über die Weltraumtemperatur zu erklären, funktioniert also nicht.