ACHTERGROND - Sommige inzichten in het weer en het klimaat zijn oeroud. Ze gaan terug tot Meteorologica van Aristoteles, of nog veel verder. Maar kennis van veranderingen van het klimaat is veel recenter, zeker als het over veranderingen op wereldschaal gaat. Het fundament onder die kennis werd precies 200 jaar geleden gelegd, door Jean Baptiste Joseph Fourier (1768 – 1830). Die publiceerde in 1824 zijn artikel ‘Remarques générales sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires’ (Annales de Chimie et de Physique, 27 (1824) 136–67; in 1837 in het Engels vertaald door Ebeneser Burgess. Merkwaardig genoeg bleef een nieuwe versie van het artikel uit 1827 met enkele kleine correcties en uitwerkingen ruim een eeuw lang onvertaald, maar wordt tegenwoordig juist dat latere artikel vaak genoemd als eerste beschrijving van het broeikaseffect). Fourier was op zoek naar kennis over warmte en had daarbij in de loop van de tijd al het een en ander geschreven over de temperatuur van het aardoppervlak, en de factoren die daarop van invloed zijn. In 1824 zette hij zijn ideeën hierover (min of meer) overzichtelijk bij elkaar. Twee van die inzichten zijn van groot belang voor de hedendaagse natuurwetenschappelijke kennis van de werking van het klimaat op planetaire schaal.
Fourier was van eenvoudige afkomst en werd op jonge leeftijd wees. Hij werd opgeleid bij de Benedictijnen en wilde intreden in die kloosterorde. Daar is het nooit van gekomen. In het roerige politieke klimaat van het Frankrijk van zijn tijd kwam hij in allerlei andere functies terecht, vaak tegen wil en dank: leraar, diplomaat, geheim agent en politicus. Hij was twee keer in zijn leven politiek gevangene, was bevriend met Napoleon, kreeg de titel van baron en raakte die een paar jaar later weer kwijt. Een saai leven kun je het niet noemen.
We kennen Fourier vooral als wiskundige en natuurkundige. Zijn echte interesses en ambities lagen dan ook in de wetenschap. Hij hoopte de geschiedenis in te gaan als de ‘Newton van warmte’. Dat is niet helemaal gelukt, al heeft hij met de naar hem genoemde wet over geleiding van warmte wel degelijk een bijdrage van betekenis geleverd aan de wetenschappelijke kennis daarover. Aan de hand van die wet kon hij uitrekenen dat aardwarmte die naar het oppervlak komt een verwaarloosbare invloed heeft op het klimaat van de aarde. Een onbeduidende klimaatwetenschappelijke conclusie is dat allerminst. Maar het is niet het fundamentele inzicht waar het hier over gaat, ook al is een groot deel van het artikel uit 1824 gewijd aan beschouwingen over geleiding. Bij al zijn rekenarij aan geleiding van warmte ontwikkelde hij de wiskundige techniek waar hij zijn grootste bekendheid aan dankt: de Fourier-analyse.
Het grote belang van Fourier voor de klimaatwetenschap is het nieuwe perspectief dat hij koos. Hij keek niet naar het klimaat zoals wij, aardbewoners, gewend zijn om dat te doen, afgaand op onze eigen waarnemingen van kou en warmte, zonneschijn en bewolking, neerslag en droogte. Fourier vertrok in gedachten van de aarde om de planeet vanop een afstandje in zijn geheel te bekijken. Die planeet wisselt energie uit met zijn omgeving; maar omdat die omgeving uit lege ruimte bestaat, kan dat alleen in de vorm van straling. Dat is namelijk de enige vorm van energie die zich door lege ruimte kan bewegen.
De aarde ontvangt straling van de zon en zendt warmtestraling uit naar het heelal. We hebben een stabiel klimaat als die twee gelijk zijn aan elkaar. Ofwel, als de stralingsbalans in evenwicht is. Is er geen evenwicht, dan warmt de planeet op, of koelt hij af. Het is niet helemaal wat Fourier concludeerde, want hij meende dat het licht van de sterren mogelijk ook nog wat hielp om de aarde te verwarmen. Maar dat doet niets af aan het belang van het fundamentele inzicht dat opwarming of afkoeling van de aarde alleen te verklaren is via de stralingsbalans.
Wie de planeet van een afstand bekijkt, ziet het laagje lucht dat het aardoppervlak scheidt van de lege ruimte. Zonlicht moet daar doorheen om het aardoppervlak te bereiken, en warmtestraling eveneens, om vanaf het aardoppervlak te ontsnappen naar het heelal. Fourier bedacht dat dat invloed zou kunnen hebben op de stralingsbalans, en daarmee op de temperatuur van het aardoppervlak. Hij wist dat glas wel transparant is voor zonlicht, maar niet voor warmtestraling. En als dat voor glas geldt, waarom dan niet voor de aardatmosfeer? Het is hypothese van het broeikaseffect, al dateert die term van lang na Fourier. Het maakt hem niet echt tot de ontdekker ervan, zoals wel eens wordt gezegd. Hij formuleerde weliswaar de hypothese, maar kon die niet bewijzen.
Fourier leek niet al te veel belang te hechten aan zijn hypothese. Hij meende dat het licht van de talloze sterren, in zijn woorden: de temperatuur van het heelal, belangrijker was voor het klimaat op aarde. Het is hem niet aan te rekenen. Er waren nog niet eens betrouwbare metingen van de hoeveelheid zonlicht die de aarde ontvangt. Die werden ruim een decennium later voor het eerst gedaan, door Claude Pouillet. Die vermeldde, zoals veel anderen na hem, Fourier als belangrijke inspiratiebron. De aard van wat we tegenwoordig elektromagnetische straling noemen was ook nog een groot mysterie. Dat warmtestraling en licht eenzelfde soort straling vormen was wel bekend; dat was in 1800 ontdekt door William Herschel.
Het inzicht dat de stralingsbalans bepalend is voor klimaatveranderingen op wereldschaal is zo evident, dat het snel werd geaccepteerd in de wetenschappelijke wereld. Een even snelle acceptatie van het broeikaseffect volgde zo’n 40 jaar later, dankzij de experimenten van John Tyndall. Toen werd ook duidelijk welke gassen bijdragen aan dat effect. Het belang van CO2 en waterdamp voor het klimaat had al iets eerder bekend kunnen zijn, als de experimenten van Eunice Newton Foote door de wetenschappelijke wereld destijds op waarde waren geschat. De wetenschappelijke discussie over de mogelijke bijdrage van broeikasgassen aan klimaatveranderingen, of die nu van natuurlijke of menselijke aard zijn, kende een veel woeliger verloop. Die discussie werd pas diep in de twintigste eeuw beslecht.