200 лет назад Фурье сформулировал гипотезу парникового эффекта

В науке имя Жозефа Фурье прежде всего связано с «рядами Фурье», довольно сложным математическим аппаратом, который неспециалисту трудно понять, да и специалисты, которые его вполне успешно применяют во многих областях науки и техники, часто не могут внятно объяснить его суть. Зато все знают и понимают суть парникового эффекта — главой причины нынешнего потепления на Земле. Но, наверное, не все помнят, что первым обратил внимание на парниковый эффект тот же Фурье.

Другой Фурье

Вообще-то во Франции было сразу двое знаменитых Фурье — Франсуа Мари Шарль и Жан-Батист Жозеф. Оба родились в одном и том же регионе Франш-Конте, сейчас их родные города Безансон и Осер находятся в разных департаментах, но тогда, еще до Великой французской революции, департаментов не было, а был единый Франш-Конте. И были они фактически ровесниками: Шарль всего на четыре года младше Жозефа.

Шарль в отличие от Жозефа Фурье школы не окончил, к научной карьере испытывал предубеждение. В юности работал продавцом в магазинах, потом завел свой собственный в Лионе, но после контрреволюционного восстания лионцев в 1793 году лишился всего своего имущества и был забрит в революционную армию, где прослужил два года. Потом опять торговал, был биржевым маклером, кассиром, но жил в основном на пенсию, которую ему по завещанию матери выдавали сестры, неудачно попытался стать журналистом и в конце концов стал социалистом-утопистом.

Его теория устройства всеобщего счастья, получившая название фурьеризма, оказалась не менее популярной, чем сенсимонизм и другие социальные утопии XIX века. У нас в России фурьеризм довел до каторги Петрашевского и членов его кружка, в том числе Федора Достоевского. Идея Шарля Фурье о фаланстере была реализована в Израиле в виде кибуца. А придуманный им мимоходом термин «феминизм» оказался весьма живучим.

Тот самый Фурье

В отличие от Шарля Фурье, который родился и вырос в богатой семье преуспевающего купца, чей бизнес рухнул с началом революции, когда Шарлю было 17 лет, Жозеф Фурье происходил из сравнительно бедной и многодетной семьи, он был 13-м ребенком из 16 детей. Когда ему было десять лет, он остался полным сиротой: сначала умерла его мать, потом отец. Учился он в школе-интернате, а потом по рекомендации епископа Осера его перевели в королевскую военную школу Осера. Такие рекомендации епископ направо и налево не раздавал. Осерский колледж, преобразованный в военную школу, был его детищем, и фактический контроль над ним принадлежал не местным королевским властям, а духовной власти в лице бенедиктинской конгрегации Святого Мавра.

В колледже училось за казенный счет 60 студентов, отбирали в них самых способных, например на одном курсе с Жозефом Фурье учился Николя Даву, будущий «железный маршал» Бонапарта, не проигравший ни одного сражения. Но по окончании колледжа карьера профессора математики в парижской Высшей военной школе для самого сильного в математике выпускника осерского военного колледжа Жозефа Фурье была закрыта, хотя запрос на него уже прислал профессор парижской Ecole militaire Лежандр (сейчас его имя вместе с именем Жозефа Фурье красуется среди имен 72 величайших ученых и инженеров Франции на первом этаже Эйфелевой башни).

Жозеф Фурье не был дворянином и отправился преподавать математику в аббатство Сен-Бенуа-сюр-Луар, где и принял бы, наверное, постриг. Но началась Великая французская революция, и Фурье, которому тогда был 21 год, в одночасье стал революционером и председателем Народного общества Осера, как тогда назвали якобинские клубы, а фактически председателем осерского горкома якобинской партии. К чести Фурье надо сказать, что трудился он на благо якобинского террора, как говорится, спустя рукава, за что был арестован по приказу Комитета общей безопасности (якобинской ЧК) и ждал прибытия в город передвижной гильотины — такие ездили тогда по всей Франции. Спасло его только то, что, пока гильотина ехала до Осера, в Париже произошел Термидорианский переворот, Робеспьер и еще 70 его сторонников «большого террора» были казнены без суда и следствия в течение суток, благо их же стараниями гильотины в Париже были стационарные.

Фурье отправился в Париж, где его добрый гений Лагранж пристроил его вести семинарские занятия по математике в только что организованную Ecole normale de l'an III, то есть Педагогическое училище 3-го года (революции, имелось в виду). Оно было создано для того, чтобы в ускоренном порядке, в течение полугода, подготовить учителей по основным научным дисциплинам для школ департаментов. В этой парижской высшей Ecole Normale кроме Лагранжа математику преподавали Гаспар Монж и Лаплас, тоже увековеченные на Эйфелевой башне.

Но эксперимент не удался, школу распустили через четыре месяца (ее реинкарнация состоялась в 1826 году, и она существует поныне как один из престижных парижских вузов). А Жозеф Фурье снова попал в тюрьму за свои прежние якобинские подвиги, и опять его вызволил из беды Лагранж и устроил доцентом в Центральную школу общественных работ, директором которой был Монж и которая вскоре была переименована в Политехническую школу.

Здесь Фурье несколько лет спокойно занимался математикой, в 1797 году он сменил Лагранжа на посту профессора матанализа и механики. Здесь же в 1798 он опубликовал свою первую научную статью в Journal de l’Ecole polytechnique. И в том же году уехал в Египет в составе научного отряда военной экспедиции Наполеона, целью которой было выдавить англичан из Египта и установить контроль над Ближним Востоком. В Каире появился Институт Египта, президентом которого стал Гаспар Монж, вице-президентом — Бонапарт, а Фурье стал секретарем института. Здесь он пробыл до 1801 года, когда французы ушли из Египта, и вернулся в парижскую Политехнической школу.

Профессорствовал он там недолго, Наполеон, уже знавший его лично, назначил его префектом департамента Изер, где Фурье занимался обычными губернаторскими делами, включая осушение болот и строительство дорог, но при этом в декабре 1807 года представил Академии наук диссертацию «Теория распространения тепла в твердых телах». Здесь же, в столице департамента городе Гренобле, Фурье познакомился с членами местной Дельфийской академии, созданной местной интеллигенцией на базе гренобльской библиотеки, в том числе профессором Женевского университета на пенсии Бенедиктом де Соссюром, и узнал про его опыты с гелиотермометром — ящиком, выстланным изнутри слоем термоизолятора из черной пробки, со стеклянными окошками на верхней крышке, температура внутри которого под прямыми солнечными лучами поднималась до 87 градусов по Реомюру (109 градусов Цельсия).

Когда в 1814 году Наполеон отрекся от престола и отправился на остров Эльба, префекту Фурье удалось избежать встречи с ним. Но когда Наполеон в марте 1815 года вернулся, встреча была неизбежной. Как раз у Гренобля королевские войска попытались остановить триумфальное шествие Бонапарта к Парижу и в итоге перешли на его сторону. О чем говорили Бонапарт и Фурье, можно только гадать, биографы Фурье пишут, что префект дерзил императору, но это вряд ли. В итоге Бонапарт перевел его с понижением в префекты небольшого соседнего департамента Роны и отправился дальше в Париж. А Фурье, едва вступив в новую должность, не выполнил какой-то приказ наполеоновского министра внутренних дел во время 100 дней Лазара Карно, тоже, кстати, известного математика в области комплексных чисел, за что был изгнан Карно с новой должности. Такая опала оказалась очень кстати для Фурье, когда после Ватерлоо и второй реставрации Бурбонов он вернулся в Париж и баллотировался в Академию наук.

С первого раза в 1816 году он получил нужное количество голосов, но Людовик XVIII вычеркнул его из списка академиков. В 1817 году состоялись новые выборы в академию, и на этот раз он стал ее членом. Так, на 50-м году жизни Жозеф Фурье получил возможность заниматься исключительно наукой, не отвлекаясь на посторонние обязанности. Одна бюрократическая обязанность, впрочем, появилась в 1822 году, когда его избрали постоянным секретарем секции математики академии.

В 1823 году Фурье избрали иностранным членом Лондонского Королевского общества, a в 1829 году, за год до смерти, он стал иностранным и одновременно почетным членом российской Императорской академии наук. Такие двойные выборы иногда практиковались в нашей академии в конце XVIII — начале XIX века, но только для очень уважаемых персон либо в науке, как, например, Фурье, либо просто очень уважаемых, как, например, наследный принц Фридрих-Вильгельм II, который получил хорошее домашнее образование и играл на виолончели.

Темное тепло

В 1824 году в 27-м томе журнала Les Annales de chimie et de physique («Анналы химии и физики») между статьями фон Гумбольдта о его путешествии в Эквадор и Берцелиуса об опытах с фтористой (фторводородной) кислотой была опубликована 30-страничная статья Жозефа Фурье «Общие замечания о температурах земного шара и планетарных пространств», где упоминалось некое «темное тепло». Суть изложенного в этой статье Фурье доложил на двух заседаниях Академии наук 20 и 29 сентября того же 1824 года — видимо, одного академикам не хватило.

Сама же статья сейчас оцифрована и свободно доступна в интернете, любой может почитать ее сам. Только читать ее трудно. Терминологии, известной сейчас старшеклассникам, тогда еще не было, и приходится догадываться, что именно имел в виду Фурье под тем или иным определением. К тому же Фурье предупредил коллег-академиков в первом же абзаце статьи, что он опустил аналитические детали, «которые можно найти в работах, которые я уже опубликовал».

Если же коротко, то Фурье писал: «Вопрос о земных температурах, один из самых замечательных и сложных во всей натурфилософии, состоит из довольно разнообразных элементов, которые необходимо рассматривать с общей точки зрения. Я подумал, что было бы полезно объединить в одном документе основные следствия этой теории». А следствия, по его мнению, были такими: «1) Земля нагревается солнечными лучами, неравномерное распределение которых приводит к разнообразию климатических условий; 2) она (Земля.— Прим. ред.) участвует в общей температуре планетарных пространств, подвергаясь воздействию излучения бесчисленных звезд, окружающих Солнечную систему со всех сторон; 3) Земля сохранила во внутренней части своей массы часть первоначального тепла, которое она содержала при образовании планет. Мы рассмотрим каждую из этих трех причин отдельно и явления, которые она вызывает».

Сегодня даже у простого человека, не говоря уже об ученых, большие сомнения вызывает второй пункт о нагреве Земли за счет излучения звезд и галактик. Фурье это тоже смущало. Но гораздо больше его смущало то, что в его температурном балансе даже на теоретическом уровне концы с концами не сходились. И вот тут он вспоминает об опытах де Соссюра с его ящиком-гелиотермометром, фактически парником в доведенном до крайности виде, в котором можно было кипятить воду. «Трудно понять, в какой степени атмосфера влияет на среднюю температуру на земном шаре, и в этом исследовании человек перестает руководствоваться обычной математической теорией. Знаменитому путешественнику господину де Соссюру мы обязаны важным опытом, который, кажется, очень хорошо пролил бы свет на этот вопрос».

«Действительно, если бы все слои воздуха, из которых образована атмосфера, сохраняли свою плотность и прозрачность и теряли только присущую им подвижность, эта воздушная масса, подвергаясь воздействию солнечных лучей, произвела бы эффект того же рода, что и только что описанный»,— продолжает Фурье, имея в виду опыты де Соссюра. Но атмосфера, увы, подвижна. И Фурье остается только надеяться, что это не обнуляет его догадку: «Подвижность воздуха, быстро движущегося во всех направлениях и поднимающегося при нагревании, излучение в воздухе скрытого тепла уменьшают интенсивность эффектов, которые имели бы место в прозрачной и неподвижной атмосфере, но не полностью искажают эти эффекты… Прозрачность воды и прозрачность воздуха, по-видимому, способствуют увеличению степени приобретаемого тепла, потому что приточное световое тепло довольно легко проникает внутрь их массы, а темное тепло с большим трудом выходит наружу по противоположному пути».

Как именно это происходит, Фурье не знал. И никто не знал. Узнали только полвека спустя после работ Джона Тиндаля, Эдмона Беккереля, Сванте Аррениуса и еще ряда ученых калибром поменьше и с менее громкими именами. Оказалось, парниковый эффект в земной атмосфере вызывает углекислый газ. Тогда же подсчитали, что без этого эффекта температура на Земле была бы ниже примерно на 33 градуса Цельсия, то есть где-то 15 градусов мороза. Потом оказалось, что в атмосферу попадают и другие газы с тем же парниковым эффектом. Ну а что было потом, точнее, чем все это закончилось, все знают: Киотским протоколом, Парижским соглашением и Гретой Тунберг.

Ася Петухова