本文来自微信公众号：返朴（ID：fanpu2019），作者：维罗妮卡，头图来自：unsplash
美国退休石油地质学家雷蒙德·索伦森（Raymond P. Sorenson）痴迷于美国南北战争以前的技术书籍。2010年的一天，在翻阅1857年的《科学发现年鉴》（Annual of Scientific Discovery）时，一篇论文引起了他的注意——早在1856年，作者就极有预见性地将二氧化碳的吸热能力与气候变化联系在了一起。而在三年后，爱尔兰物理学家约翰·丁达尔（John Tyndall，1820-1893）才发现了不同气体在长波红外线辐射（longwave infrared radiation）下吸热不等的现象，被认为证实了大气中二氧化碳含量与后人所说的温室效应之间的关联。
丁达尔被视作现代气候科学的先驱，而这位籍籍无名的论文作者——尤妮丝·富特（Eunice Newton Foote，1819-1888）却被掩埋在历史的尘埃中。
索伦森很快意识到，自己无意中的发现将改写一门学科的历史。2011年1月，索伦森发表文章[1]讲述自己的发现，肯定了富特在二氧化碳与气候变暖问题上的学术优先权。
至此，沉寂了一个多世纪之久的尤妮丝·富特和她的开创性研究，终于浮出了水面。
一、先驱，如流星般划过
1856年8月23日清晨，美国科学界数百名重要的研究者齐聚纽约州奥尔巴尼市（Albany，New York），出席第八届美国科学促进会（AAAS，American Association for the Advancement of Science）年度会议，交流自己的研究成果和研究兴趣。
会上，当时德高望重的约瑟夫·亨利（Joseph Henry，1797-1878）展示了一篇作者为女性的科学论文。这位以电感单位“亨利（H）”留名的物理学家，被认为是继本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin，1706-1790）之后美国最伟大的科学家之一。
在宣读论文前，亨利添加了一段开场白：“科学没有国界，也不分性别。女性的世界里不只有华美和实用，还有真理。”（Science was of no country and of no sex. The sphere of woman embraces not only the beautiful and the useful, but the true.）[2]这句话仅存于会议速记员的手写记录中，在后世得以被还原。
这是尤妮丝的论文首次公开亮相。论文题为《影响太阳光线热能的环境条件》（Circumstances affecting the heat of the sun’s rays）[3]，仅有短短两页，简洁凝练。没有专业实验设备，尤妮丝仅用了一个“效力还不错的”空气泵、四支水银温度计和两个直径约10cm、长约76cm的玻璃圆筒，便搭建了她的科学世界。
尤妮丝使用空气泵将一个玻璃圆筒中的气体抽出，再泵入另一个玻璃圆筒内，使得一个筒内气体稀薄，另一个筒内的气体密度则相对更大。两个圆筒内分别置有温度计。待两个玻璃圆筒留置阴凉处达到相同温度后，再转移至阳光下，每隔2～3分钟观测一次温度。尤妮丝分别用经氯化钙（CaCl2）脱水的干燥空气、饱和湿空气、普通空气、氢气（H2）、氧气（O2）和二氧化碳（CO2）重复了这一测温过程。
从观测到的数据中，尤妮丝得出了三个结论：
① 随着密度的增加，气体吸收太阳光热量的能力增加，反之亦然；
② 与干燥的空气相比，潮湿的空气吸收太阳光热量的能力更强
③ 含有二氧化碳的气体在太阳光照射下升温最明显，移至阴凉处后所需的冷却时间也最长。
![图4. 将尤妮丝1856年论文中记录的数据以现代图表形式呈现。作图者将尤妮丝记录的气体升温过程进行对数拟合，并将各气体升温拟合函数的第4、5和6个时间点的温度值与普通空气升温拟合函数的相应时间点的温度值之差（摄氏度）作为纵坐标，计算得出此图。| 图源：The Royal Society Notes and Records<sup label=图片备注 class=text-img-note>[4]</sup><br label=图片备注 class=text-img-note>](https://i.aiapi.me/h/2022/01/25/Jan_25_2022_05_38_05_30091255589590174.jpeg)
尤妮丝的实验设计精巧、结论扎实，但更重要的是，在公众尚未开始重视气候变化问题的19世纪中叶，尤妮丝便以超前的意识，将她所观察到的二氧化碳的吸热特点与全球气候变化联系在了一起。她在论文结尾处推断，如果某一时期地球大气中二氧化碳所占的比例增加，全球的气温也会随之升高。（An atmosphere of that gas would give to our earth a high temperature; and if as some suppose, at one period of its history the air had mixed with it a larger proportion than at present, an increased temperature from its own action as well as from increased weight must have necessarily resulted.）
然而，这篇论文并未被收录入AAAS的年度会议记录（annual Proceedings）中——按理说，年会上展示的所有论文都应该收录在案。它的完整版本发表于1856年的《美国科学与艺术杂志》（American Journal of Science and Arts）上，署名“Eunice Foote”（图3）。随后，《科学美国人》[5]（1856）、《纽约每日论坛报》[6]（1856）等多家杂志都刊登了尤妮丝的研究摘要。仅有的两份欧洲摘要都省略了她关于二氧化碳对气候影响的直接结论，而爱丁堡新哲学杂志上的摘要甚至只把作者标注为伊莱沙·富特的太太（Mrs. Elisha Foote，伊莱沙为尤妮丝的丈夫）。
就连最有可能帮到她的亨利，受其研究领域所限（主要为电磁学），也没有充分认识到这篇文章的重大意义。亨利承认尤妮丝的研究是有价值的，但当时的他认为“深入解析这些实验结果的意义是非常困难的”。（Although the experiments were interesting and valuable, there were many difficulties encompassing any attempt to interpret their significance. By Joseph Henry）[7]
尤妮丝·富特的研究就像一颗流星，在瞬间的流光溢彩之后，便从人们的视野中消失了。好在她发表了完整的论文，使后人的追溯与发掘成为可能。靠着一份“纯粹的运气”，索伦森终于将这名传奇女子重新带回大众视野和科学史中[8]。
二、后人眼中的现代气候科学之父
当我们回顾温室效应的这段科学史时，爱尔兰物理学家约翰·丁达尔是无法绕开的关键人物。
与尤妮丝的“业余科学爱好者”身份不同，在德国马尔堡大学（University of Marburg）取得了博士学位的丁达尔，与当代最杰出的实验物理学家们交往密切，所使用的实验仪器也极尽精密。他最为著名的贡献是1869年发现了光线穿过胶体时会被分散质微粒散射的现象，命名为“丁达尔效应”（Tyndall effect）。
19世纪50年代，丁达尔已因其在抗磁性领域[9]及冰川的结构与运动[10]上的研究而声名鹊起。在读过马塞多尼奥·梅洛尼（Macedonio Melloni）对热辐射的研究之后[11]，丁达尔决定使用气体来代替液体和固体，测试气体对辐射的吸收情况。他坚信物质由分子和原子构成，且认为物质的化学组分（分子结构）也会影响辐射-吸收的过程。
丁达尔首先测定了氢气、氧气和氮气等“简单气体”（simple gas，现在我们得知是气体单质）在长波红外辐射下的升温情况，但结果并不理想。只有在测定更复杂的气体分子，如水蒸气、二氧化碳与甲烷时，他才观察到了显著的升温。丁达尔意识到这一实验结果具有重大意义，迅速于当年（1859年）将他的研究以大纲的形式汇报给了英国皇家学会（Royal Society），并于1861年将论文正式刊登在《英国皇家学会会刊》（Proceedings of the Royal Society）上[12]。这一发现成为了温室效应的理论基础，而丁达尔本人，也被后世誉为“现代气候科学之父”（the father of climate science）。
丁达尔与尤妮丝的实验设计有两点主要的区别[13]：其一，尤妮丝使用全光谱的太阳光辐射来加热气体，而丁达尔的加热源为装有沸水的莱斯利立方体（Leslie cube），这种装置可以产生长波红外线辐射。其二，丁达尔使用了自己发明的示差分光光度计（differential spectrometer），能够灵敏而精确地测量热量吸收的差异，而尤妮丝的实验装置相对简单而原始。但值得注意的是，与尤妮丝不同，丁达尔本人对气候变化并无兴趣，在1859年的论文中也从未提及该发现对全球气候变化的可能影响。
丁达尔在实验之前究竟是否知晓尤妮丝的研究？这已经成了一桩历史悬案。与此相关的争议很多，真相不得而知。有学者质疑丁达尔有关色盲研究的论文曾与尤妮丝的研究刊登在同期杂志上，因此他极有可能读过她的论文[8]。丁达尔的传记作者罗兰·杰克逊（Roland Jackson）称，丁达尔本人可能存在性别歧视，认为女性科学家不具有与男性相当的想象力及探索能力。但与此同时，杰克逊也认为，以丁达尔的性格和品质，不可能作出学术不端的行为；更何况19世纪中期国际交流贫乏，洲际交流更为稀缺，学术成果想要传播到大洋彼岸，基本只能依靠个人社交关系[13]。而对于像尤妮丝这样人脉有限的女性业余科学爱好者，这似乎难于登天。
尤妮丝是独特的，是珍贵的，是本可以绽放得更加绚烂的花朵。正如当年（1856年）9月发行的《科学美国人》（Scientific American）所评述的，尤妮丝的研究“充分证明了女性具有研究任何学科的创造力与严谨性”[14]。
The columns of the Scientific American have been oftentimes graced with articles on scientific subjects, by ladies, which would do honor to men of the highest scientific reputation; and the experiments of Mrs. Foot afford abundant evidence of the ability of woman to investigate any subject with originality and precision.
尤为可惜的是，历史上的尤妮丝没能继续她的研究，无法进一步拓展她对气候变化的思考。女性为开启现代气候科学而贡献的思想火花，因为环境对女性的轻视和淡漠，因为女性科研所处的不利条件，而熄灭了。今天，在反思女性研究者曾遭受的不公平待遇的同时，如何为我们身边的女性科研工作者提供支持与帮助，或许是更值得思考的问题。毕竟过去已无法改变，而未来尚有无限可能。
三、什么样的土壤催生了“温室效应之花”？
19世纪初期，西方女性开始有机会接受原为男性垄断的高等教育，但直到19世纪末，女性高等教育才得到大规模的发展（详见《男女同校，百年抗争 | 女科学家去哪了》）。纵观整个19世纪，仅有3400篇论文出自女性科研工作者之手，不足论文总出版量的1%。这3400篇中，由美国女科学家所著的论文共1400篇，其中绝大部分属于植物学、动物学及其他生命科学领域，物理学领域的论文仅有16篇。而这16篇中，在1889年以前发表的论文仅有2篇，都为尤妮丝·富特所著[15]。
究竟是怎样的生长环境，造就了这样一位熠熠发光的女性？
故事在美国康涅狄格州（Connecticut）的农场上拉开序幕。出生于1819年的尤妮丝原名为尤妮丝·牛顿（Eunice Newton），父亲是大名鼎鼎的艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1643-1727）的远房亲戚。但脱离了这一光环的他们，也只是个普通的农民家庭。
17岁那年，尤妮丝进入纽约州的特洛伊女子神学院（Troy Female Seminary, New York）就读。这所学院被称为“女性的圣地（mecca for women）”（mecca即麦加，为伊斯兰教圣地），它于1824年由女权主义者艾玛·威拉德（Emma Willard）创办，是全美第一所女子预科学校。特洛伊女子神学院与邻近的伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute）共享教学设施，且拥有当时世界仅有的两间专为教学而设的化学实验室。正是在这里，尤妮丝掌握了实验技能，学会了如何构思与执行实验课题。
值得一提的是伦斯勒理工学院的创办者阿莫斯·伊顿（Amos Eaton，1776-1842）。伊顿是一名律师，但他自幼喜欢自然，在律师执业的同时也从事植物学研究。他曾因参与土地投机，涉嫌诈骗被判处终身监禁，但幸运地在服刑第5年被赦免。出狱后他继续学习植物学、地质学、化学，编纂植物学词典，开设讲座，合作创办学校……成为推动现代教学改革的传奇人物[16]。他认为男性和女性应平等地享有接受科研教育的权利，并为此悉心指导了一名特洛伊女子神学院的教师。这名教师为女学生们设计了一整套包罗万象的科研课程，而尤妮丝便是受益者之一。
除此之外，尤妮丝的一位邻居也对她影响深远——她就是著名的伊丽莎白·凯迪·斯坦顿（Elizabeth Cady Stanton，1815-1902），是美国女权运动的先驱领袖之一。1848年，由斯坦顿领导的首个妇女权利大会在纽约州的塞尼卡瀑布城（Seneca Falls）召开，尤妮丝也是与会者之一。会议通过了《情感宣言》（Declaration of Sentiments），呼吁妇女在高等教育、工作环境及婚姻生活中应享有与男性平等的权利。备受触动的尤妮丝还参与了会议记录的出版工作[17]。
人们回看这份《情感宣言》时，发现除了尤妮丝本人以外，她的丈夫伊莱沙·富特（Elisha Foote）的签名也位列其上。伊莱沙是一名法官、发明家和数学家，同时也是女权运动的拥护者，是少数最终在《情感宣言》上签字的男性与会者之一。作为丈夫，伊莱沙成为尤妮丝后续科研工作中最重要的支持者之一。他将她视为平等的个体，鼓励尤妮丝去做她热爱的科学研究；他为她引荐了约瑟夫·亨利，且作为AAAS的成员之一，为妻子的研究争取到了在会议上亮相的机会[8]。可以想见，伊莱沙的坚定支持，给尤妮丝带来了多大的力量。
环境科学与行为科学博士生利兹·富特（Liz Foote）与伊莱沙·富特是远房亲戚。在2018年的AAAS会议上，利兹机缘巧合了解到了尤妮丝的存在，参与了关于尤妮丝的研究项目。利兹说：
“作为一个19世纪的女性，尤妮丝的职业选择非常受限。考虑到她所面临的困境，尤妮丝所达成的科研成就是令人钦佩的，且应当激励我们所有人。”（But as a woman in the 1800s her professional options were nevertheless limited. To accomplish what she did, despite the realities of her time, is very impressive and should inspire anyone.）[18]
五、假如……今天的世界是否会有不同？
1856年，尤妮丝关于不同气体对太阳光热量吸收的研究问世后反响平平，其中有关气候变化的预言更是无人问津。隔年，尤妮丝发表了一篇关于大气压的波动与电荷变化关系的论文[19]。根据《英国皇家学会科研论文目录》（Royal Society’s Catalogue of Scientific Papers，1800-1900）记载，这是尤妮丝发表的最后一篇物理领域的论文。
假如当初的科学界重视了这份研究，在得到足够的资源和周遭的鼓励之后，尤妮丝或许会想到使用长波红外线辐射代替朴素原始的太阳光加热。如有先进的仪器设备和标准化实验室的帮助，尤妮丝的下一步实验应能做到设计更为科学、精巧，定量结果更为精确，她关于气候变化的猜想或许便能进一步得到证实。
美国在错失尤妮丝的同时，也错失了率先发展现代气候科学的机会。19世纪60年代后期，第二次工业革命开始，人类由此步入了“电气时代”。彼时的美国各项科技发明蓬勃发展，加速赶超以英国为代表的老牌资本主义国家。但与应用研究相比，基础研究则较受冷落。在尤妮丝所处的19世纪中叶，美国物理学界的发展与欧洲差距甚远。即使到了19世纪70年代，美国自称为“物理学家”的也不足75人，且在此之前，只有本杰明·富兰克林和约瑟夫·亨利名扬国外[20]。随着美国人开拓与探索他们的国土，自然历史研究欣欣向荣，但自然科学研究却举步维艰。
假若当初尤妮丝的研究能在美国与欧洲大陆受到重视，或许会成为美国气候科学发展的契机。恰如刘翔对中国田径的影响一般，佼佼者总会吸引国民对这一领域的关注，而这种关注将带来政策的扶持与资源的倾斜。19世纪50年代通常被现代气候变化研究者视为工业化的起点，换言之，此时的人类活动尚未对气候变化产生影响。而树木年轮的生长情况显示，在19世纪60年代，北半球气温显著升高[17]（原因为化石燃料的大量燃烧与森林的砍伐）。假如彼时的美国抓住了气候科学发展的契机，人类或许能对这一时期的气候变化迅速作出反应。
人类对温室效应的认识始于1827年数学家约瑟夫·傅里叶（Joseph Fourier，1768-1830）提出的地球大气具有保温作用的观点。傅里叶认为，如果大气层无法保存热量，根据地球的体积以及地日距离计算，地球表面的温度应远低于实际值[21]。而尤妮丝和丁达尔的研究，则具体回答了“哪些大气成分造成了这一保温作用”的问题。需要注意的是，他们发现的是一小团基本等温的气体的热辐射吸收，这与现在所说的对整个大气层的辐照-加热并不是一回事。要把这种理想实验的结果推广到整个大气层，还需要很多后续才发展出来的理论知识。
具体而言，随着电磁学的发展，科学家们逐渐形成了对辐射的基本认识，建立了大气辐射传输理论，物理学家们才得以将小范围内简单的辐射加热推广到温度层结十分复杂的真实大气层。至此，“大气二氧化碳浓度的增加可以导致近地表气温升高”才得到证实。20世纪60年代初，美国气象学家查尔斯·大卫·基林（Charles David Keeling，1928-2005）的测量结果显示大气二氧化碳浓度在快速上升[22]。当把“大气二氧化碳浓度的增加可以导致近地表气温的升高”的结论与“大气二氧化碳浓度在快速上升”及“全球变暖”的事实联系在一起，温室效应才真正成为一个有意义的科学问题。而尤妮丝的研究，恰是温室效应论证链条的起点。假如人类能提早几年预料到人类活动会影响气候，也许今日地球的生态环境能得到更多喘息的机会。
更令人遗憾的是，尤妮丝的沉寂只是科研机构中女性被剥夺平等权利的庞大叙事的一部分。2018年，美国加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校（University of California，Santa Barbara）召开了一场以“科学不分性别”（Science Knows No Gender）为主题的研讨会，纪念尤妮丝·富特的杰出贡献[23]。该校气象学教授蕾拉·卡瓦洛（Leila Carvalho）表示：“我不禁在想，还有多少个‘尤妮丝·富特’等着我们去发现？还有多少科学成果，因为性别、民族或人种所带来的社会压力，被埋没在了历史中？”
把女性关在门外，科学将失去一半的助力。尤妮丝证明了女性在科研领域拥有不亚于男性的潜能，这是对其后无数女性科研工作者的鼓舞。如今的她们可以不为“业余科学爱好者”身份所限制，摆脱繁复的裙摆，穿着简装步入科学的殿堂。在尤妮丝生活的时代，大气二氧化碳浓度仅为290ppm（parts per million，百万分之一）。她或许没有预想到，在短短一个多世纪之后，这个数值会突破410ppm[24]。正如2019年的《关于气候正义的妇女联合领导宣言》（Women’s Connected Leadership Declaration on Climate Justice）中所述，在全球变暖日益严重、气候变化危机四伏的今天，“为了改变这一切，我们需要每一个人的力量。”（To change everything，we need everyone.）[25]
致谢
清华大学地球系统科学系研究生施文为本文涉及的专业知识提供了参考意见，谨以此表达诚挚的感谢。
参考文献
[1] Sorenson, R. P. (2011). Eunice Foote’s pioneering research on CO2 and climate warming. Search and Discovery.
[2] https://publicdomainreview.org/collection/first-paper-to-link-co2-and-global-warming-by-eunice-foote-1856.
[3] Foote, Eunice (1856). Circumstances affecting the heat of the sun’s rays. American Journal of Science and Arts, p.382-383.
[4] Ortiz, J.D., & Jackson, R. (2020). Understanding Eunice Foote's 1856 experiments: heat absorption by atmospheric gases. Royal Society Notes and Records. doi: 10.1098/rsnr.2020.0031.
[5] ‘Scientific ladies: experiments with condensed gases’, Sci. Amer.12, 5 (13 September 1856).
[6] ‘Section of physics and mathematics’, New York Daily Trib., 26 August 1856, p. 7.
[7] Section of physics and mathematics, New York Daily Tribune, 26 August 1856, p.7.
[8] Mandel, Kyla (2018). This woman fundamentally changed climate science—and you've probably never heard of her. ThinkProgress. Center for American Progress Action Fund.
[9] Jackson, Roland (2015). John Tyndall and the early history of diamagnetism. Ann. Sci.72, 435–489.
[10] Jackson, Roland (2018). The ascent of John Tyndall. Oxford University Press, pp. 113–151, and 324–326.
[11] Melloni, Macedonio (1850). La Thermochrose, ou la Coloration Calorifique. Naples.
[12] Tyndall, John (1861). Note on the transmission of radiant heat through gaseous bodies. Proceedings of the Royal Society of London, 10, 37-39.
[13] Jackson, Roland (2019). Eunice Foote, John Tyndall and a question of priority. Royal Society Notes and Records. doi: 10.1098/rsnr.2018.0066.
[14] Scientific Ladies.—Experiments with Condensed Gases. (1856). Scientific American, 12(1), 5–5. http://www.jstor.org/stable/24947406
[15] M. R. S. Creese and T. M. Creese (1998). Ladies in the laboratory? American and British women in science, 1800–1900: a study of their contribution to research. Scarecrow Press.
[16] Perlin，John (2019) A Foote-Note on the hidden history of climate science: why you have never heard of Eunice Foote. Resilience.
[17] Perkowitz, Sydney (2019). If Only 19th-Century America Had Listened to a Woman Scientist. Nautilus (78).
[18] Shapiro, Maura (2021). Eunice Newton Foote's nearly forgotten discovery. Physics Today. AIP Publishing LLC. doi:10.1063/PT.6.4.20210823a.
[19] Mrs Elisha Foote (1858). On a new source of electrical excitation, Philosophy Magazine(15, 239–240).
[20] D. J. Kevles (2001). Physicists: the history of a scientific community in modern America. Harvard University Press, p. 7.
[21] Fleming, J R (1999). Joseph Fourier, the "greenhouse effect", and the quest for a universal theory of terrestrial temperatures. Endeavour. 23(2):72–75. doi:10.1016/s0160-9327(99)01210-7.
[22] Harris, DC (2010). Charles David Keeling and the story of atmospheric CO2 measurements. Analytical Chemistry. 82(19):7865-70. doi:10.1021/ac1001492.
[23] Mitchell, Jeff (2018). Science Knows No Gender: In Search of Eunice Foote Who 162 Years Ago Discovered the Principal Cause of Global Warming. The Current. University of California, Santa Barbara.
[24] https://www.noaa.gov
[25] https://womenleadclimate.org
本文来自微信公众号：返朴（ID：fanpu2019），作者：维罗妮卡