i udviklingen af en teori til forklaring af istiden var Arrhenius i 1896 den første til at bruge grundlæggende principper for fysisk kemi til at beregne skøn over, i hvilket omfang stigninger i atmosfærisk kulsyre (CO2) vil øge jordens overfladetemperatur gennem drivhuseffekten. Disse beregninger fik ham til at konkludere, at menneskeskabte CO2-emissioner fra forbrænding af fossilt brændstof og andre forbrændingsprocesser er store nok til at forårsage global opvarmning. Denne konklusion er blevet grundigt testet og vinder en plads i kernen i moderne klimavidenskab. Arrhenius, i dette arbejde, bygget på det tidligere arbejde fra andre berømte forskere, herunder Joseph Fourier, John Tyndall og Claude Pouillet. Arrhenius ønskede at afgøre, om drivhusgasser kunne bidrage til forklaringen af temperaturvariationen mellem glaciale og interglaciale perioder. Arrhenius brugte infrarøde observationer af Månen – af Frank Very og Samuel Pierpont Langley ved Allegheny Observatory i Pittsburgh – til at beregne, hvor meget infrarød (varme) stråling der er fanget af CO2 og vand (H2O) damp i Jordens atmosfære. Ved hjælp af’ Stefans lov ‘(bedre kendt som Stefan–Boltsmann-loven) formulerede han det, han omtalte som en’regel’. I sin oprindelige form lyder Arrhenius ‘ regel som følger:
hvis mængden af kulsyre stiger i geometrisk progression, vil forøgelsen af temperaturen stige næsten i aritmetisk progression.
her henviser Arrhenius til CO2 som kulsyre (som kun refererer til den vandige form H2CO3 i moderne brug). Følgende formulering af Arrhenius ‘ regel er stadig i brug i dag:
p = p = p (C / c 0 ) {\displaystyle \Delta F=\P = P(C / C_{0})}
hvor C 0 {\displaystyle C_{0}}
er koncentrationen af CO2 i begyndelsen (tid-nul) af den periode, der undersøges (hvis den samme koncentrationsenhed anvendes til både C {\displaystyle C}
og C 0 {\displaystyle C_{0}}
, så betyder det ikke noget, hvilken koncentrationsenhed der bruges); C {\displaystyle C}
er CO2-koncentrationen ved udgangen af den periode, der undersøges; ln er den naturlige logaritme (= logbase e (loge)); og prisT F {\displaystyle \Delta F}
er forøgelsen af temperaturen, med andre ord ændringen i hastigheden for opvarmning af jordens overflade (strålingskraft), som måles i vand pr. Afledninger fra atmosfæriske strålingsoverførselsmodeller har fundet ud af, at Larsen {\displaystyle \alpha }
(alpha) for CO2 er 5,35 (liter 10%) m/m2 for Jordens atmosfære.
Arrhenius var den første person, der forudsagde, at emissioner af kulsyre fra afbrænding af fossile brændstoffer og andre forbrændingsprocesser var store nok til at forårsage global opvarmning. I sin beregning inkluderede Arrhenius feedback fra ændringer i vanddamp såvel som breddeeffekter, men han udeladte skyer, konvektion af varme opad i atmosfæren og andre væsentlige faktorer. Hans arbejde ses i øjeblikket mindre som en nøjagtig kvantificering af den globale opvarmning end som den første demonstration af, at stigninger i atmosfærisk CO2 vil forårsage global opvarmning, alt andet er lige.
Arrhenius ‘ absorptionsværdier for CO2 og hans konklusioner mødte kritik af Knut Kursngstrur i 1900, der offentliggjorde det første moderne infrarøde absorptionsspektrum af CO2 med to absorptionsbånd og offentliggjorde eksperimentelle resultater, der syntes at vise, at absorptionen af infrarød stråling af gassen i atmosfæren allerede var “mættet”, så tilføjelse af mere ikke kunne gøre nogen forskel. Arrhenius svarede stærkt i 1901 (Annalen der Physik) og afviste kritikken helt. Han berørte emnet kort i en teknisk bog med titlen Lehrbuch der kosmischen Physik (1903). Han skrev senere V. H. C. utveckling (1906) rettet mod et generelt publikum, hvor han foreslog, at den menneskelige udledning af CO2 ville være stærk nok til at forhindre verden i at komme ind i en ny istid, og at en varmere jord ville være nødvendig for at fodre den hurtigt voksende befolkning:
” til en vis grad er temperaturen på jordens overflade, som vi i øjeblikket skal se, betinget af egenskaberne af atmosfæren, der omgiver den, og især af sidstnævntes permeabilitet for varmestrålerne.”(s.46) ” at de atmosfæriske konvolutter begrænser varmetabet fra planeterne var blevet foreslået omkring 1800 af den store franske fysiker Fourier. Hans ideer blev videreudviklet bagefter af Pouillet og Tyndall. Deres teori er blevet stylet hot-house teorien, fordi de troede, at atmosfæren handlede efter den måde, som glasruderne i hot-houses.”(S. 51) ” hvis mængden af kulsyre i luften skulle synke til halvdelen af den nuværende procentdel, ville temperaturen falde med omkring 4 liter; en formindskelse til en fjerdedel ville reducere temperaturen med 8 liter. På den anden side ville enhver fordobling af procentdelen af kulsyre i luften hæve temperaturen på jordoverfladen med 4 liter; og hvis kulsyre blev forøget fire gange, ville temperaturen stige med 8 liter.” (p. 53) ” skønt havet ved at absorbere kulsyre fungerer som en regulator med enorm kapacitet, der optager omkring fem sjettedele af den producerede kulsyre, erkender vi alligevel, at den lille procentdel af kulsyre i atmosfæren ved industriens fremskridt kan ændres i mærkbar grad i løbet af nogle få århundreder.”(s. 54) ” Da nu varme aldre har skiftet med istider, selv efter at mennesket dukkede op på jorden, må vi spørge os selv: Er det sandsynligt, at vi i de kommende geologiske tider vil blive besøgt af en ny isperiode, der vil drive os fra vores tempererede lande til de varmere klimaer i Afrika? Der ser ikke ud til at være meget grund til en sådan frygt. Den enorme forbrænding af kul fra vores industrivirksomheder er tilstrækkelig til at øge procentdelen af kulsyre i luften i en mærkbar grad.” (p. 61) ” vi hører ofte klager over, at det kul, der er lagret i jorden, spildes af den nuværende generation uden nogen tanke om fremtiden, og vi er bange for den forfærdelige ødelæggelse af liv og ejendom, der har fulgt vores vulkanudbrud. Vi kan finde en slags trøst i overvejelsen om, at her, som i alle andre tilfælde, er der godt blandet med det onde. Ved indflydelse af den stigende procentdel af kulsyre i atmosfæren, vi kan håbe at nyde aldre med mere lige og bedre klimaer, især med hensyn til de koldere regioner på jorden, aldre, hvor jorden vil frembringe meget mere rigelige afgrøder end i øjeblikket, til gavn for hurtigt at formere menneskeheden.”(S. 63)
på dette tidspunkt er den accepterede konsensusforklaring, at orbital tvang historisk set har sat timingen for istider, hvor CO2 fungerer som en væsentlig forstærkende feedback. Imidlertid har CO2-udslip siden den industrielle revolution øget CO2 til et niveau, der ikke blev fundet siden 10 til 15 millioner år siden, da den globale gennemsnitlige overfladetemperatur var op til 11 liter F (6 liter C) varmere end nu, og næsten al is var smeltet, hvilket hævede verdens havniveauer til omkring 100 fod højere end nutidens.
Arrhenius estimeret ud fra CO2-niveauerne på hans tidspunkt, at reduktion af niveauer med 0,62–0,55 ville reducere temperaturerne med 4-5 liter C (Celsius) og en stigning i 2,5 til 3 gange CO2 ville medføre en temperaturstigning på 8-9 liter C i Arktis. I sin bog verdener i skabelsen beskrev han atmosfærens” hot-house ” teori.