kehittäessään jääkausia selittävää teoriaa Arrhenius käytti vuonna 1896 ensimmäisenä fysikaalisen kemian perusperiaatteita laskiessaan arvioita siitä, missä määrin ilmakehän hiilidioksidin (CO2) lisääntyminen nostaa maapallon pintalämpötilaa kasvihuoneilmiön kautta. Nämä laskelmat saivat hänet päättelemään, että fossiilisten polttoaineiden poltosta ja muista palamisprosesseista aiheutuvat ihmisen aiheuttamat hiilidioksidipäästöt ovat riittävän suuria aiheuttamaan ilmaston lämpenemistä. Tätä johtopäätöstä on testattu laajasti ja se on voittanut paikan modernin ilmastotieteen ytimessä. Arrhenius, tässä työssä, perustuu aikaisempaan työhön muiden tunnettujen tutkijoiden, kuten Joseph Fourier, John Tyndall ja Claude Pouillet. Arrhenius halusi selvittää, voisivatko kasvihuonekaasut osaltaan selittää jääkauden ja jääkausien välisen lämpötilavaihtelun. Arrhenius käytti kuusta tehtyjä infrapunahavaintoja-Frank Washington Veryn ja Samuel Pierpont Langleyn tekemiä havaintoja Alleghenyn observatoriossa Pittsburghissa-laskiessaan, kuinka suuri osa infrapunasäteilystä (lämpösäteilystä) on hiilidioksidi-ja vesihöyryn (H2o) vangitsemaa Maan ilmakehässä. Käyttäen ”Stefanin lakia” (tunnetaan paremmin nimellä Stefanin–Boltzmannin laki) hän muotoili sen, mihin hän viittasi ”sääntönä”. Alkuperäisessä muodossaan Arrheniuksen sääntö kuuluu seuraavasti:
jos hiilihapon määrä kasvaa geometrisessa etenemisessä, lämpötilan augmentaatio kasvaa lähes aritmeettisessa etenemisessä.
tässä Arrhenius viittaa hiilidioksidiin hiilihappona (joka nykykäytössä viittaa vain vesimuotoon H2CO3). Seuraava Arrheniuksen säännön muotoilu on käytössä vielä nykyäänkin:
Δ F = α Ln (C / C 0) {\displaystyle \Delta F = \alpha \Ln (C / C_{0})}
missä c 0 {\displaystyle C_{0}}
on CO2: n pitoisuus tutkittavan jakson alussa (aika-nolla) (jos samaa konsentraatioyksikköä käytetään sekä C {\displaystyle C}
että C 0 {\displaystyle C_{0}}
, silloin ei ole väliä, mitä konsentraatioyksikköä käytetään); C {\displaystyle C}
on CO2-pitoisuus tutkittavan jakson lopussa; Ln on luonnollinen logaritmi (= log-pohja e (loge)); ja Δ F {\displaystyle \Delta F}
on lämpötilan lisäys, toisin sanoen muutos maan lämmitysnopeudessa pinta (säteilypakote), joka mitataan watteina neliömetriä kohti. Ilmakehän säteilynsiirtomallien johdannaiset ovat havainneet, että α {\displaystyle \alpha }
(alpha) CO2: lle on 5,35 (±10%) W/m2 maan ilmakehälle.
kollegansa Arvid Högbomin tietojen perusteella Arrhenius ennusti ensimmäisenä, että fossiilisten polttoaineiden poltosta ja muista palamisprosesseista aiheutuvat hiilidioksidipäästöt ovat riittävän suuria aiheuttamaan ilmaston lämpenemistä. Laskelmissaan Arrhenius sisällytti vesihöyryn muutoksista saatavan palautteen sekä latitudinaaliset vaikutukset, mutta hän jätti pois pilvet, lämmön konvektion ylöspäin ilmakehässä ja muut olennaiset tekijät. Hänen työtään pidetään tällä hetkellä vähemmän täsmällisenä ilmaston lämpenemisen kvantifiointina kuin ensimmäisenä osoituksena siitä, että ilmakehän hiilidioksidin lisääntyminen aiheuttaa ilmaston lämpenemistä, kaiken muun ollessa yhtä suurta.
Arrheniuksen CO2: n absorptioarvot ja hänen johtopäätöksensä saivat osakseen kritiikkiä Knut Ångströmiltä vuonna 1900, joka julkaisi ensimmäisen modernin infrapuna-absorptiospektrin CO2: sta kahdella absorptiokaistalla, ja julkaisi kokeellisia tuloksia, jotka näyttivät osoittavan, että infrapunasäteilyn absorptio kaasukehässä oli jo ”kylläistä”, joten lisäannoksilla ei ollut merkitystä. Arrhenius vastasi voimakkaasti vuonna 1901 (Annalen der Physik), hyläten kritiikin kokonaan. Hän käsitteli aihetta lyhyesti teknisessä kirjassaan Lehrbuch der kosmischen Physik (1903). Myöhemmin hän kirjoitti världarnas utveckling (1906) (das Werden der Welten , Englanti: Worlds In The Making), joka oli suunnattu suurelle yleisölle, jossa hän ehdotti, että ihmisen hiilidioksidipäästöt olisivat tarpeeksi vahvoja estämään maailman tulemasta uuteen jääkauteen, ja että lämpimämpää maapalloa tarvittaisiin ruokkimaan nopeasti kasvava väestö.:
” maan pinnan lämpötila riippuu tietyssä määrin, kuten kohta näemme, sitä ympäröivän ilmakehän ominaisuuksista ja erityisesti sen lämpösäteiden läpäisevyydestä.”(s. 46)”, että ilmakehän kirjekuoret rajoittaisivat planeettojen lämpöhäviöitä, oli vuoden 1800 tienoilla esittänyt suuri ranskalainen fyysikko Fourier. Hänen ideoitaan jatkoivat myöhemmin Pouillet ja Tyndall. Heidän teoriaansa on nimitetty hot-house-teoriaksi, koska he ajattelivat ilmakehän toimivan kuumien talojen lasilasien tapaan.”(S.51) ”jos hiilihapon määrä ilmassa vajoaisi puoleen nykyisestä prosentista, lämpötila laskisi noin 4°; pieneneminen neljäsosaan laskisi lämpötilaa 8°. Toisaalta ilman hiilidioksidin määrän kaksinkertaistuminen nostaisi maanpinnan lämpötilaa 4°, ja jos hiilidioksidi lisääntyisi nelinkertaiseksi, lämpötila nousisi 8°.” (p. 53) ” vaikka meri absorboidessaan hiilihappoa toimii suunnattoman suuren kapasiteetin säätelijänä, joka vie noin viisi kuudesosaa tuotetusta hiilihaposta, me tunnustamme silti, että teollisuuden edistysaskeleet voivat muuttaa ilmakehässä olevan hiilihapon vähäistä osuutta huomattavassa määrin muutamassa vuosisadassa.”(s. 54) ” koska nyt lämpimät kaudet ovat vuorottelleet jääkausien kanssa, jopa ihmisen ilmestyttyä maan päälle, meidän on kysyttävä itseltämme: Onko todennäköistä, että tulevina geologisina aikakausina koittaa uusi jääkausi, joka ajaa meidät lauhkeista maistamme Afrikan kuumempiin ilmastoihin? Sellaiselle kiinniotolle ei näytä olevan paljonkaan perusteita. Se, että teollisuuslaitoksemme polttavat valtavasti hiiltä, riittää lisäämään ilman hiilidioksidipäästöjä huomattavassa määrin.” (p. 61) ” kuulemme usein valituslauluja siitä, että nykyinen sukupolvi tuhlaa maahan varastoitunutta hiiltä ajattelematta lainkaan tulevaisuutta, ja olemme kauhuissamme elämän ja omaisuuden kauheasta tuhoutumisesta, joka on seurannut aikamme tulivuorenpurkauksia. Voimme saada eräänlaista lohtua siitä, että tässä, kuten kaikissa muissakin tapauksissa, on hyvää pahaan sekoittuneena. Koska hiilihapon määrä ilmakehässä kasvaa, voimme toivoa nauttivamme aikakausista, joissa ilmasto on tasaisempi ja parempi, varsinkin maapallon kylmemmillä alueilla, aikakausista, jolloin maa tuottaa paljon nykyistä runsaampia satoja nopeasti lisääntyvän ihmiskunnan hyödyksi.”(S. 63)
tällä hetkellä hyväksytty konsensusselitys on, että historiallisesti kiertoratapakotteet ovat asettaneet jääkausien ajoituksen, jossa CO2 toimii olennaisena vahvistavana palautteena. Teollisen vallankumouksen jälkeiset hiilidioksidipäästöt ovat kuitenkin nostaneet hiilidioksidin tasolle, jota ei ole löydetty sitten 10-15 miljoonaa vuotta sitten, jolloin maapallon keskimääräinen pintalämpötila oli jopa 11 °F (6 °c) nykyistä lämpimämpi ja lähes kaikki jää oli sulanut, nostaen maailman merenpinnan noin 100 jalkaa nykyistä korkeammaksi.
Arrhenius arvioi aikansa CO2-tasojen perusteella, että 0,62–0,55: n laskeminen alentaisi lämpötiloja 4-5 °C (Celsius) ja lisäisi 2,5-3 kertaa CO2 aiheuttaisi 8-9 °C lämpötilan nousun arktisella alueella. Kirjassaan Worlds In The Making hän kuvasi ilmakehän ”hot-house” – teoriaa.