En développant une théorie pour expliquer les âges glaciaires, Arrhenius, en 1896, a été le premier à utiliser les principes de base de la chimie physique pour calculer des estimations de la mesure dans laquelle l’augmentation du dioxyde de carbone atmosphérique (CO2) augmentera la température de surface de la Terre par l’effet de serre. Ces calculs l’ont amené à conclure que les émissions de CO2 d’origine humaine, provenant de la combustion de combustibles fossiles et d’autres processus de combustion, sont suffisamment importantes pour provoquer le réchauffement climatique. Cette conclusion a été largement testée, gagnant une place au cœur de la science climatique moderne. Arrhenius, dans ce travail, s’est appuyé sur les travaux antérieurs d’autres scientifiques célèbres, dont Joseph Fourier, John Tyndall et Claude Pouillet. Arrhenius voulait déterminer si les gaz à effet de serre pouvaient contribuer à l’explication de la variation de température entre les périodes glaciaires et interglaciaires. Arrhenius a utilisé des observations infrarouges de la lune – par Frank Washington Very et Samuel Pierpont Langley à l’Observatoire Allegheny de Pittsburgh – pour calculer la quantité de rayonnement infrarouge (chaleur) capturée par le CO2 et la vapeur d’eau (H2O) dans l’atmosphère terrestre. En utilisant la « loi de Stefan » (mieux connue sous le nom de loi de Stefan–Boltzmann), il a formulé ce qu’il a appelé une « règle ». Dans sa forme originale, la règle d’Arrhenius se lit comme suit:
si la quantité d’acide carbonique augmente en progression géométrique, l’augmentation de la température augmentera presque en progression arithmétique.
Ici, Arrhenius désigne le CO2 comme acide carbonique (qui se réfère uniquement à la forme aqueuse H2CO3 dans l’utilisation moderne). La formulation suivante de la règle d’Arrhenius est toujours utilisée aujourd’hui:
Δ F = α ln (C/C 0) {\displaystyle\Delta F = \alpha\ln(C/C_{0})}
où C 0 {\displaystyle C_{0}}
est la concentration de CO2 au début (temps zéro) de la période étudiée (si la même unité de concentration est utilisée à la fois pour C{\displaystyle C}
et C 0 {\displaystyle C_{0}}
, ensuite, peu importe l’unité de concentration utilisée); C {\displaystyle C}
est la concentration de CO2 à la fin de la période étudiée ; ln est le logarithme naturel (= log base e(loge)) ; et Δ F {\displaystyle\Delta F}
est l’augmentation de la température, c’est-à-dire la variation de la vitesse de chauffage de la surface terrestre (forçage radiatif), qui est mesuré en Watts par mètre carré. Des dérivations de modèles de transfert radiatif atmosphérique ont révélé que α{\displaystyle\alpha}
(alpha) pour le CO2 est de 5,35 (± 10%) W/m2 pour l’atmosphère terrestre.
Sur la base des informations de son collègue Arvid Högbom, Arrhenius a été la première personne à prédire que les émissions de dioxyde de carbone provenant de la combustion de combustibles fossiles et d’autres processus de combustion étaient suffisamment importantes pour provoquer un réchauffement climatique. Dans son calcul, Arrhenius a inclus la rétroaction des changements de vapeur d’eau ainsi que des effets latitudinaux, mais il a omis les nuages, la convection de la chaleur vers le haut dans l’atmosphère et d’autres facteurs essentiels. Son travail est actuellement considéré moins comme une quantification précise du réchauffement climatique que comme la première démonstration que l’augmentation du CO2 atmosphérique provoquera le réchauffement climatique, tout le reste étant égal.
Les valeurs d’absorption d’Arrhenius pour le CO2 et ses conclusions ont été critiquées par Knut Ångström en 1900, qui a publié le premier spectre d’absorption infrarouge moderne de CO2 avec deux bandes d’absorption, et publié des résultats expérimentaux qui semblaient montrer que l’absorption du rayonnement infrarouge par le gaz dans l’atmosphère était déjà « saturée » de sorte que l’ajout de plus ne pouvait faire aucune différence. Arrhenius répondit fermement en 1901 (Annalen der Physik), rejetant complètement la critique. Il aborde brièvement le sujet dans un livre technique intitulé Lehrbuch der kosmischen Physik (1903). Plus tard, il écrivit Världarnas utveckling (1906) (allemand: Das Werden der Welten, anglais: Worlds in the Making) destiné à un public général, où il suggérait que l’émission humaine de CO2 serait suffisamment forte pour empêcher le monde d’entrer dans une nouvelle ère glaciaire, et qu’une terre plus chaude serait nécessaire pour nourrir la population en augmentation rapide:
» Dans une certaine mesure, la température de la surface de la terre, comme nous le verrons actuellement, est conditionnée par les propriétés de l’atmosphère qui l’entoure, et en particulier par la perméabilité de cette dernière aux rayons de chaleur. »(p. 46) » Que les enveloppes atmosphériques limitent les pertes de chaleur des planètes avait été suggéré vers 1800 par le grand physicien français Fourier. Ses idées ont ensuite été développées par Pouillet et Tyndall. Leur théorie a été appelée la théorie des maisons chaudes, car ils pensaient que l’atmosphère agissait à la manière des vitres des maisons chaudes. » (p. 51) » Si la quantité d’acide carbonique dans l’air descendait à la moitié de son pourcentage actuel, la température chuterait d’environ 4° ; une diminution d’un quart réduirait la température de 8°. D’autre part, tout doublement du pourcentage de dioxyde de carbone dans l’air augmenterait la température de la surface de la terre de 4 °; et si le dioxyde de carbone était multiplié par quatre, la température augmenterait de 8 °. » (p. 53) « Bien que la mer, en absorbant l’acide carbonique, agisse comme un régulateur d’une capacité énorme, qui absorbe environ les cinq sixièmes de l’acide carbonique produit, nous reconnaissons néanmoins que le faible pourcentage d’acide carbonique dans l’atmosphère peut, par les progrès de l’industrie, être modifié de manière notable au cours de quelques siècles. »(p. 54) » Puisque, maintenant, les âges chauds ont alterné avec les périodes glaciaires, même après l’apparition de l’homme sur la terre, nous devons nous demander: Est-il probable que, dans les âges géologiques à venir, nous soyons visités par une nouvelle période glaciaire qui nous conduira de nos pays tempérés aux climats plus chauds de l’Afrique? Il ne semble pas y avoir beaucoup de terrain pour une telle appréhension. L’énorme combustion du charbon par nos établissements industriels suffit à augmenter le pourcentage de dioxyde de carbone dans l’air à un degré perceptible. » (p. 61) « Nous entendons souvent des lamentations selon lesquelles le charbon stocké dans la terre est gaspillé par la génération actuelle sans aucune pensée pour l’avenir, et nous sommes terrifiés par la destruction terrible de la vie et des biens qui a suivi les éruptions volcaniques de nos jours. Nous pouvons trouver une sorte de consolation dans la considération qu’ici, comme dans tous les autres cas, il y a du bien mélangé au mal. Par l’influence du pourcentage croissant d’acide carbonique dans l’atmosphère, nous pouvons espérer profiter d’âges avec des climats plus équitables et meilleurs, en particulier en ce qui concerne les régions plus froides de la terre, des âges où la terre produira des cultures beaucoup plus abondantes qu’à l’heure actuelle, au profit de la propagation rapide de l’humanité. »(p. 63)
À l’heure actuelle, l’explication consensuelle acceptée est que, historiquement, le forçage orbital a fixé le moment des âges glaciaires, le CO2 agissant comme une rétroaction amplificatrice essentielle. Cependant, les rejets de CO2 depuis la révolution industrielle ont augmenté le CO2 à un niveau introuvable depuis il y a 10 à 15 millions d’années, lorsque la température de surface moyenne mondiale était jusqu’à 6 ° C (11 ° F) plus chaude qu’aujourd’hui et que presque toute la glace avait fondu, élevant le niveau de la mer mondiale à environ 100 pieds de plus que celui d’aujourd’hui.
Arrhenius a estimé, sur la base des niveaux de CO2 à son époque, qu’une réduction des niveaux de 0,62 à 0,55 diminuerait les températures de 4 à 5 ° C (Celsius) et une augmentation de 2,5 à 3 fois le CO2 provoquerait une élévation de température de 8 à 9 °C dans l’Arctique. Dans son livre Worlds in the Making, il décrit la théorie de la « maison chaude » de l’atmosphère.