Bei der Entwicklung einer Theorie zur Erklärung der Eiszeiten verwendete Arrhenius 1896 als erster die Grundprinzipien der physikalischen Chemie, um Schätzungen darüber zu berechnen, inwieweit der Anstieg des atmosphärischen Kohlendioxids (CO2) die Erdoberflächentemperatur durch den Treibhauseffekt erhöhen wird. Diese Berechnungen führten ihn zu dem Schluss, dass die vom Menschen verursachten CO2-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe und anderer Verbrennungsprozesse groß genug sind, um die globale Erwärmung zu verursachen. Diese Schlussfolgerung wurde ausgiebig getestet und hat einen Platz im Kern der modernen Klimawissenschaft eingenommen. Arrhenius baute in dieser Arbeit auf den früheren Arbeiten anderer berühmter Wissenschaftler auf, darunter Joseph Fourier, John Tyndall und Claude Pouillet. Arrhenius wollte herausfinden, ob Treibhausgase zur Erklärung der Temperaturschwankungen zwischen glazialen und interglazialen Perioden beitragen können. Arrhenius verwendete Infrarotbeobachtungen des Mondes – von Frank Washington Very und Samuel Pierpont Langley am Allegheny Observatory in Pittsburgh – um zu berechnen, wie viel Infrarotstrahlung (Wärme) von CO2 und Wasserdampf (H2O) in der Erdatmosphäre eingefangen wird. Mit dem Stefan-Gesetz (besser bekannt als Stefan–Boltzmann-Gesetz) formulierte er eine sogenannte Regel. In ihrer ursprünglichen Form lautet die Arrhenius-Regel wie folgt:
Wenn die Menge an Kohlensäure in geometrischer Progression zunimmt, nimmt die Temperaturzunahme in arithmetischer Progression fast zu.
Hier bezeichnet Arrhenius CO2 als Kohlensäure (was sich im modernen Sprachgebrauch nur auf die wässrige Form H2CO3 bezieht). Die folgende Formulierung der Arrhenius-Regel wird noch heute verwendet:
Δ F = α ln ( C / C 0 ) {\displaystyle \Delta F=\alpha \ln(C/C_{0})}
wobei C 0 {\displaystyle C_{0}}
ist die Konzentration von CO2 zu Beginn (Zeit-Null) des untersuchten Zeitraums (wenn dieselbe Konzentrationseinheit für beide verwendet wird) C {\displaystyle C}
und C 0 {\displaystyle C_{0}}
, dann spielt es keine Rolle, welche Konzentrationseinheit verwendet wird); C {\displaystyle C}
ist die CO2-Konzentration am Ende des untersuchten Zeitraums; ln ist der natürliche Logarithmus (= log base e (loge)); und Δ F {\displaystyle \Delta F}
ist die Zunahme der Temperatur, mit anderen Worten die Änderung der Geschwindigkeit der Erwärmung der Erdoberfläche strahlungsantrieb), der in Watt pro Quadratmeter gemessen wird. Ableitungen aus atmosphärischen Strahlungstransfermodellen haben ergeben, dass α {\displaystyle \alpha }
(alpha) für CO2 5,35 (± 10%) W / m2 für die Erdatmosphäre beträgt.
Basierend auf Informationen seines Kollegen Arvid Högbom sagte Arrhenius als erster voraus, dass die Kohlendioxidemissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe und anderer Verbrennungsprozesse groß genug sind, um die globale Erwärmung zu verursachen. In seiner Berechnung schloss Arrhenius die Rückkopplung von Änderungen des Wasserdampfs sowie Breiteneffekte ein, aber er ließ Wolken, Konvektion von Wärme nach oben in der Atmosphäre und andere wesentliche Faktoren weg. Seine Arbeit wird derzeit weniger als eine genaue Quantifizierung der globalen Erwärmung angesehen als als der erste Beweis dafür, dass ein Anstieg des atmosphärischen CO2 die globale Erwärmung verursachen wird, wenn alles andere gleich ist.
Arrhenius ‚Absorptionswerte für CO2 und seine Schlussfolgerungen stießen 1900 auf Kritik von Knut Ångström, der das erste moderne Infrarotabsorptionsspektrum von CO2 mit zwei Absorptionsbanden veröffentlichte und experimentelle Ergebnisse veröffentlichte, die zu zeigen schienen, dass die Absorption von Infrarotstrahlung durch das Gas in der Atmosphäre bereits „gesättigt“ war, so dass die Zugabe von mehr keinen Unterschied machen konnte. Arrhenius antwortete stark 1901 (Annalen der Physik (Annalen der Physik)), die Kritik zusammen zurückweisend. Er berührte das Thema kurz in einem technischen Buch mit dem Titel Lehrbuch der kosmischen Physik (1903). Später schrieb er Världarnas utveckling (1906) (Deutsch: Das Werden der Welten , Englisch: Worlds in the Making) an ein allgemeines Publikum gerichtet, wo er vorschlug, dass die menschliche CO2-Emission stark genug sein würde, um zu verhindern, dass die Welt in eine neue Eiszeit eintritt, und dass eine wärmere Erde benötigt würde, um die schnell wachsende Bevölkerung zu ernähren:6326 „Bis zu einem gewissen Grade ist die Temperatur der Erdoberfläche, wie wir gleich sehen werden, bedingt durch die Eigenschaften der sie umgebenden Atmosphäre, namentlich durch die Durchlässigkeit derselben für die Wärmestrahlen.“ (S. 46) „Dass die atmosphärischen Hüllen die Wärmeverluste der Planeten begrenzen, wurde um 1800 vom großen französischen Physiker Fourier vorgeschlagen. Seine Ideen wurden später von Pouillet und Tyndall weiterentwickelt. Ihre Theorie wurde als Hot-House-Theorie bezeichnet, weil sie dachten, dass die Atmosphäre nach der Art der Glasscheiben von Hot-Houses handelte.“ (S. 51) „Wenn die Kohlensäuremenge in der Luft auf die Hälfte ihres gegenwärtigen Prozentsatzes sinken würde, würde die Temperatur um etwa 4 ° sinken; Eine Verringerung auf ein Viertel würde die Temperatur um 8 ° senken. Andererseits würde jede Verdoppelung des Kohlendioxidanteils in der Luft die Temperatur der Erdoberfläche um 4 ° erhöhen; und wenn das Kohlendioxid vervierfacht würde, würde die Temperatur um 8 ° steigen.“ (p. 53) „Obwohl das Meer durch die Aufnahme von Kohlensäure als Regulator von enormer Kapazität wirkt, die etwa fünf Sechstel der produzierten Kohlensäure aufnimmt, erkennen wir doch, dass der geringe Prozentsatz an Kohlensäure in der Atmosphäre durch die Fortschritte der Industrie im Laufe einiger Jahrhunderte in merklichem Maße verändert werden kann.“ (S. 54) „Da sich nun warme Zeitalter mit Eiszeiten abgewechselt haben, auch nachdem der Mensch auf der Erde erschienen ist, müssen wir uns fragen: Ist es wahrscheinlich, dass wir in den kommenden geologischen Zeitaltern von einer neuen Eiszeit heimgesucht werden, die uns aus unseren gemäßigten Ländern in die heißeren Klimazonen Afrikas treiben wird? Es scheint nicht viel Grund für eine solche Befürchtung zu geben. Die enorme Verbrennung von Kohle durch unsere Industriebetriebe reicht aus, um den Kohlendioxidanteil in der Luft spürbar zu erhöhen.“ (p. 61) „Wir hören oft Klagen, dass die in der Erde gespeicherte Kohle von der gegenwärtigen Generation verschwendet wird, ohne an die Zukunft zu denken, und wir haben Angst vor der schrecklichen Zerstörung von Leben und Eigentum, die den Vulkanausbrüchen unserer Tage gefolgt ist. Wir können eine Art Trost in der Überlegung finden, dass hier, wie in jedem anderen Fall, das Gute mit dem Bösen vermischt ist. Durch den Einfluß des zunehmenden Anteils an Kohlensäure in der Atmosphäre können wir hoffen, Zeitalter mit gleichmäßigerem und besserem Klima zu genießen, besonders in Bezug auf die kälteren Regionen der Erde, Zeitalter, in denen die Erde viel reichlichere Ernten hervorbringen wird als derzeit, zum Nutzen der sich schnell ausbreitenden Menschheit.“ (S. 63)
Zu diesem Zeitpunkt ist die akzeptierte Konsenserklärung, dass der Orbitalantrieb historisch gesehen den Zeitpunkt für Eiszeiten festgelegt hat, wobei CO2 als wesentliche verstärkende Rückkopplung fungiert. CO2-Freisetzungen seit der industriellen Revolution haben jedoch das CO2 auf ein Niveau erhöht, das seit 10 bis 15 Millionen Jahren nicht mehr zu finden war, als die globale durchschnittliche Oberflächentemperatur bis zu 11 ° F (6 ° C) wärmer war als jetzt und fast das gesamte Eis geschmolzen war, wodurch der Weltmeerspiegel auf etwa 100 Fuß gestiegen war höher als heute.
Arrhenius schätzte basierend auf den CO2-Werten zu seiner Zeit, dass eine Verringerung der Werte um 0,62–0,55 die Temperaturen um 4-5 ° C (Celsius) von 2,5 bis 3 mal CO2 würde einen Temperaturanstieg von 8-9 ° C in der Arktis verursachen. In seinem Buch Worlds in the Making beschrieb er die „Hot-House“ -Theorie der Atmosphäre.