Wer ist Horace-Bénédict de Saussure?

Horace-Bénédict de Saussure wurde 1740 in Conches (heute Teil der Gemeinde Chêne-Bougeries) in der Republik Genf geboren. 1759 promovierte er an der Akademie von Genf in Philosophie. Der Titel seiner Dissertation lautete: „Dissertatio physica de igne“ („Physikalische Dissertation über das Feuer“), wobei damals mit „Feuer“ die heutige Wärmelehre gemeint war.

Zwischen 1762 und 1786 hatte er an der Akademie von Genf den Lehrstuhl für Naturphilosophie inne. Im 18. Jahrhundert war mit „Philosophie“ im universitären Kontext noch die Gesamtheit der theoretischen Wissenschaften gemeint. Dazu gehörten also unter anderem die heutigen Bereiche Mathematik, Physik, Chemie, Geologie, Astronomie, Meteorologie und Biologie. Naturphilosophie umfasste somit alle theoretischen Wissenschaften, welche die Natur betrafen. Horace-Bénédict de Saussure war sowohl interdisziplinärer Naturwissenschaftler, Experimentalphysiker als auch Umweltforscher. Oder kurz: Er war ein Universalgelehrter.

Am 30. März 1784 berichtet dieser in einem Brief an die Autoren des „Journal de Paris“ (welcher als Beilage zur Ausgabe Nr. 108 vom 17. April 1784 veröffentlicht wurde) unter anderem:

„Meine Herren,

ich hatte mir für den zweiten Band meiner Reisen die Darstellung und die Theorie der Mittel, die ich verwendet habe, um die Wärme der Sonne zu konzentrieren, vorbehalten; aber die Ankündigung von M. Ducarla [Marcellin du Carla-Bonifas] einer Arbeit, die er zum selben Thema veröffentlichen wird, zwingt mich, Ihnen einen Entwurf dessen mitzuteilen, was ich vor ihm getan habe.

Es ist eine wohlbekannte Tatsache, zweifellos für eine lange Zeit, dass ein Raum, eine Kutsche, ein Lagerplatz durch die Sonne stärker gewärmt werden, wenn die Strahlen durch Gläser oder geschlossene Rahmen gehen, als wenn dieselben Strahlen in dieselben Orte gelangen und diese offen und ohne Verglasung sind. Wir wissen sogar, dass die Wärme in den Räumen größer ist, deren Fenster einen doppelten Rahmen haben.

Als ich zum ersten Mal über diese bekannten Tatsachen nachdachte, war ich erstaunt, dass kein Physiker versucht hatte zu sehen, wie weit diese Zunahme oder Konzentration von Wärme gehen könnte.

Um dieses damals neue Experiment durchzuführen, ließ ich 1767 fünf quadratische Kästen aus flachem Glas anfertigen, die ineinander passen. Diese Kästen ähnelten vollkommen jenen, mit denen man Gegenstände bedeckt, die man vor Staub bewahren will, und ihre Durchmesser verringerten sich allmählich um 2 Zoll, so dass auf allen Seiten ein Zoll Zwischenraum zwischen ihnen war. Einige Einzelheiten zu diesen Experimenten finden sich in einer Mitteilung, die Herr de Buffon [Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon] 1768 bei mir angefordert hatte und womit er mir die Ehre erwiesen hat, diese in den ersten Band seiner Ergänzungen einzufügen (Seite 23 der Ausgabe im Quartformat).

Dieser Apparat gab mir niemals eine Hitze von mehr als 70 Grad des Thermometers, das in 80 Teile aufgeteilt ist.

Ich vermutete, dass ich mehr Wärme erzielen würde, wenn ich den Raum, in dem ich die Wärme konzentrieren wollte, genauer umschloss und meine Gläser immer senkrecht zu den Sonnenstrahlen ausrichtete. Da ich vergleichende Experimente zwischen dem Flachland und dem Hochgebirge durchführen wollte, musste ich meiner Apparatur ein sehr kompaktes Volumen geben, um sie leicht und nicht voluminös zu machen. So ließ ich einen Kasten aus Tannenholz mit einem Pariser Fuß Länge und 9 Pariser Zoll Breite und Tiefe anfertigen; dieser halb-Zoll dicke Kasten war innen mit einem schwarzen Kork von einem Zoll Dicke ausgekleidet. Ich wählte diese Rinde als leichtes Material und gleichzeitig sehr zwanghaft oder sehr wenig durchlässig für Wärme ist. Drei Glasscheiben, die in die Dicke des Korkens glitten, eineinhalb Zoll voneinander entfernt waren, schlossen diesen Kasten, so dass die Sonnenstrahlen den Boden des Kastens erst nach Durchlaufen dieser drei Glasscheiben erreichen konnten.

Damit die Sonne immer senkrecht auf diese Glasscheiben fiel, um den größten Eindruck auf sie zu machen und möglichst wenig Reflektion zu erleiden, habe ich in meinen Experimenten darauf geachtet, dass mein Kasten der Bewegung der Sonne folgt, indem ich ihn regelmäßig alle 20 Minuten so drehte, dass die Sonne genau den gesamten Boden des Kastens beleuchtete. Die größte Wärme, die ich dadurch erhielt, war 87,7 also fast 8 Grad über der Wärme von kochendem Wassers. Dieser Apparat ist der, den Herr Senebier [Jean Senebier] in einer seiner Aufsätze über Licht erwähnt: Journal de Physique, T. XIV, Seite 359.

Aber als ich bemerkte, dass mein Kasten Wärme verlor, weil er sich außen merklich erwärmte, versuchte ich, ihn in die Mitte eines anderen viel größeren Kastens zu platzieren, gefüllt mit Wollflocken, und nur auf der Sonnenseite offen. Mit dieser Vorsichtsmaßnahme stieg die Hitze auf 88 Grad, obwohl das Wetter weniger günstig war, so dass ich Grund zu der Annahme habe, dass sie unter günstigeren Umständen auf 90 oder 95 Grad gestiegen wäre.“

Original

„Messieurs,

J’avois réservé, pour le second Volume de mes Voyages, le développement & la théorie des moyens que j’ai employés pour concentrer la chaleur du Soleil; mais l’annonce que fait M. Ducarla de l’Ouvrage qu’il va publier sur le même sujet, m’engage à vous communiquer une esquisse de ce que j’ai fait avant lui.

C’est un fait connu, & sans doute depuis long-tems, qu une chambre, un carrosse, une couche, sont plus fortement réchauffés par le Soleil, lorsque les rayons passent au travers de verres ou de châssis fermés, que quand ces mêmes rayons entrent dans les mêmes lieux ouverts & dénués de vitrages. On sait même que la chaleur est plus grande dans les chambres dont les fenêtres ont un double chassis.

Lorsque je réfléchis pour la première fois à ces faits si connus, je fus bien étonné qu’aucun Physicien n’eût cherché à voir jusqu’où pourroit aller cette augmentation ou cette concentration de la chaleur.

Pour faire donc cette expérience alors nouvelle, je sis construire en 1767 cinq caisses carrés de verre plat qui s’emboîtoient les unes dans les autres. Ces boîtes étoient parfaitement semblables à celles dont on couvre les objets que l’on veut préserver de la poussière, & leurs diamètres diminuoient graduellement de 2 pouces, en forte qu’il y avoit de tous côtés un pouce d’intervalle entr’elles. On trouvera quelques détails de ces expériences dans une Notice que M. de Buffon m’avoit demandée en 1768, & qu’il m’a fait l’honneur d’insérer dans le premier Volume de ses Supplémens (page 23 de l’Edit. in-4°.)

Cet appareil ne me donna jamais une chaleur plus grande que 70 degrés du thermomètre, divise en 80 parties.

Je soupçonnai que j’obtiendrois une plus grande chaleur en renfermant plus exactement l’espace dans lequel je voulois concentrer la chaleur, & en présentant toujours mes verres perpendiculairement aux rayons du Soleil. Comme je voulois faire des expériences comparatives entre la plaine & les hautes montages, j’étois obligé de donner un très-petit volume à ma machine pour la rendre légère & peu volumineuse. Je fis donc faire une caisse en sapin d’un pied de longueur sur 9 pouces de largeur & de profondeur hors d’œuvre; cette caisse de demi-pouce d’épaisseur étoit doublée intérieurement d’un liège noir épais d’un pouce. J’avois choisi cette écorce comme une matière légère et en même temps très-coërcente ou très-peu perméable à la chaleur. Trois glaces entrant à coulisse dans l’épaisseur du liège placées à un pouce & demi de distance l’une de l’autre fermoient cette boîte, de manière que les rayons du Soleil ne pouvient parvenir au fond de la boîte qu’après avoir traversé ces trois glaces.

Pour que le Soleil frappât toujours perpendiculairement ces glaces, qu’il fît par cela même la plus grande impression sur elles, & souffrît le moins de réflexion possible, j’avois soin dans mes expériences de faire suivre à ma caisse le mouvement du Soleil, en la retournant régulièrement toutes les 20 minutes, ensorte que le Soleil éclairât exactement la totalité du fond de la caisse. La plus grande chaleur que j’aye obtenu par ce moyen a été de 87,7, c’est-à-dire de près de 8 degrés au-dessus de la chaleur de l’eau bouillante. Cet appareil est celui dont M. Senebier fait mention dans un de ses Mémoires sur la lumière : Journal de Physique, T. XIV, page 359.

Mais comme je m’apperçus que ma caisse perdoit de la chaleur, parce qu’elle se réchauffoit sensiblement à l’extérieur, j’essayai de la placer au milieu d’une autre caisse, beacoup plus grande, remplie de bourre de laine, & ouverte seulement du côté du Soleil. Avec cette précaution, la chaleur monta jusqu’à 88 degrés, quoique le tems fût moins favorable, ensorte que j’ai lieu de croire, que dans des circonstances plus heureuses, elle feroit montée à 90 ou 95 degrés.“

Ensin pour supprimer totalement le refroidissement extérieur, je fis faire un poêle de fer blanc, fermé d’un côté par une glace bien transparente. Je plaçai mon instrument dans ce poêle; je l’ai dit plus haut, que les rayons de cet astre entrassent toujours perpendiculairment dans la boîte. Alors, à mesure que la chaleur du Soleil faisoit monter les thermométres refermés dans ma boîte, je réchauffois graduellement le poêle, afin que la boite eût toujours par dehors une chaleur qui ne fùt que de peu de degrés inférieure à celle que le Soleil lui imprimoit par dedans. Malgré ces soins, le Soleil ne put jemais faire monter le thermomètre au-dessus de 128 degrés.“

Mit „den zweiten Band meiner Reisen“ meint de Saussure offenkundig den zweiten Band seiner Serie „Voyages dans les Alpes“, dessen erster Teil im Jahr 1779 erschienen war. Der hier angesprochene zweite Teil (von insgesamt vier) ist tatsächlich im Jahr 1786 erschienen. Darin ist das hier veröffentlichte Thema aber nicht enthalten. Offenbar war de Saussure inzwischen zur Überzeugung gelangt, dass es nach der Veröffentlichung im „Journal de Paris“ keiner zusätzlichen Erwähnung bedurfte.

Der Hinweis, dass es sich bei den in diesem Brief genannten Temperaturwerten um die eines „Thermometers, das in 80 Teile aufgeteilt ist“ handelt, bedeutet, dass die Temperaturangaben auf der Skala nach René-Antoine Ferchault de Réaumur (°Ré) beruhen. Diese in Europa noch im 19. Jahrhundert gebräuchlich Skale nutzt für die Definition des Nullpunktes den Gefrierpunkt des Wassers, also so wie auch die heute gebräuchliche Einteilung nach Anders Celsius (°C). Diese beiden Skalen nutzen zudem auch den identischen zweiten Fixpunkt, nämlich den Siedepunkt des Wassers, dieser erhält bei Réaumur aber den Wert 80 Grad, während er von Celsius den Wert 100 Grad erhielt.

Man kann deshalb die von Horace-Bénédict de Saussure gemachten Temperaturangaben einfach mit dem Faktor 1,25 multiplizieren, um die entsprechenden Werte in °C zu erhalten. Dies funktioniert insbesondere deshalb so problemlos, weil Réaumur bei der Fertigung des Thermometers sowohl die nicht-lineare Ausdehnung des damals als Indikator verwendeten Weingeists berücksichte, als auch den Umstand, dass damals Schwankungen des Durchmessers des Röhrchens, in dem sich der Weingeist befand, nicht vermeidbar waren. Hierzu waren auf dem Thermometer die Abstände zwischen den Gradeangaben allerdings unterschiedlich groß, wie Réaumur in einem Vortrag vor der Pariser Akademie der Wissenschaften am 15. November 1730 ausführlich beschrieb.

Somit lässt sich feststellen, dass Horace-Bénédict de Saussure bei seinen Versuchen maximale Temperaturen zwischen 70 °Ré und 88 °Ré, also zwischen 87 °C und 110 °C, erreichte.

Im weiteren Verlauf schrieb Horace-Bénédict de Saussure auch noch:

„Zu den Grundsätzen meiner Theorie, da ich mir schließlich eine solche entwickelt und diese Experimente nicht planlos gemacht hatte, muss ich noch hinzufügen, dass ich durch eine direkte Erfahrung feststellen wollte, dass, wenn die flachen Gläser die Wärme erhöhen, dies geschieht, weil sie der Abkühlung entgegenwirken, die durch den Kontakt mit der äußeren Luft entsteht, und gar nicht durch irgend eine besondere Wirkung des Glases auf das Licht oder durch wiederholte Reflexionen der Sonnenstrahlen. Um dies zu demonstrieren, ließ ich eine Art Käfig ganz offen bauen, dem ich die gleichen Gläser anpasste, die ich benutzt hatte, um meinen Kasten zu schließen, und ich habe zwischen ihnen den gleichen Abstand gelassen, den sie in diesem Kasten hatten. Danach habe ich diesen verglasten Käfig unter die Sonne gebracht, zwischen dessen Gläser die Luft frei zirkulieren konnte; und ich hatte die Sorgfalt sie genau so regelmäßig zu drehen, wie ich den geschlossenen Kasten auch gedreht hatte, so dass die Strahlen immer senkrecht auf die Gläser fallen konnten. In diesem Gerät wurde die Wärme der inneren Gläser nie mehr als ein oder zwei Grade höher als die äußeren Gläser, während sie in dem geschlossenen Kasten sechzig bis siebzig Grad mehr wurde; was ganz deutlich zu beweisen scheint, dass einzig das Einsperren der Wärme die Wirkung dieses Gerätes ist. Weil dieser Unterschied von ein oder zwei Grad zugunsten der inneren Gläser kommt davon, dass die Luft einen weniger freien Zugang zu ihnen hat, und weil sie mit erwärmten Gläsern bedeckt sind, während die äußeren im direkten Kontakt mit der freien und kalten Luft sind.“

Original

„A ces principes de ma théorie, puisqu’enfin je m’en étois formé une, & que je n’avois pas fait ces expériences absolument à tâtons, je dois ajouter que j’ai voulu constater par une expérience directe, que si les verres plans augmentent la chaleur, c’est en s’opposant au refroidissement produit par le contact de l’air extérieur, & non point par quelque action particulière du verre sur la lumière, ou par des répercussions répétées des rayons solaires. Pour cela, j’ai fait faire une espèce de cage entièrement à jour, à laquelle j’ai adapté les mêmes verres qui me servoient à fermer ma caisse, & j’ai laissé entr’eux la même distance qu’ils avoient dans cette caisse. J’ai ensuite exposé au Soleil cette cage vitrée, entre les verres de laquelle l’air pouvoit librement circuler; & j’ai eu soin de la retourner régulièrement comme je retournois la caisse fermée, afin que les rayons tombassent toujours perpendiculairement sur les verres. Dans cet appareil, la chaleur des verres intérieurs n’a jamais surpassé que d’un ou deux degrés celle des verres extérieurs, tandis que dans la boite fermée elle la surpassoit de soixante ou soixante & dix; ce qui paroît bien rigoureusement démontrer que c’est au seul emprisonnement de la chgaleur qu’est du l’effet de cette machine. Car cette différence même d’un ou deux degrés en faveur des verres intérieurs ne vient que de ce que l’air a un accès moins libre auprès d’eux, & de ce qu’ils sont couverts par des verres réchauffés, tandis que celui du dehors est en contact immédiat avec l’air libre & froid.“

Ganz nebenbei hat Horace-Bénédict de Saussure also 1784 auch den Effekt geklärt, der in einem Treibhaus auftritt: Ein Treibhaus verhindert, dass die erwärmte Luft nach oben steigen kann und dabei durch kältere Luft ersetzt wird. Stattdessen wird die bereits erwärmte Luft weiter erwärmt. Weil dabei, wie Horace-Bénédict de Saussure ebenfalls festgestellt hat, Temperaturen entstehen können, die weit überhalb dessen liegen, was für ein Treibhaus sinnvoll ist (ab etwa 30 °C wird die Photosynthese eingestellt und ab etwa 45 °C denaturieren Eiweise), verfügen Treihäuser über Öffnungen, mit denen die zu warme Luft einfach entfernt werden kann, was zumindest bei größeren Treibhäusern auch aktiv, also durch Ventilatoren geschieht. Wären Treibhäuser dagegen Strahlungsfallen, wie der von de Saussure genannte Marcellin du Carla-Bonifas – und Jahrzehnte später auch Jean-Baptiste Fourier – vermutete, hätten Ventilatoren selbstverständlich keine nennenswerte Wirkung auf die Temperatur.