Nello sviluppo di una teoria per spiegare le ages glaciali, Arrhenius, nel 1896, fu il primo ad utilizzare i principi di base della chimica fisica per calcolare le stime della misura in cui gli aumenti dell’anidride carbonica atmosferica (CO2) aumenteranno la temperatura superficiale della Terra attraverso l’effetto serra. Questi calcoli lo hanno portato a concludere che le emissioni di CO2 causate dall’uomo, dalla combustione di combustibili fossili e da altri processi di combustione, sono abbastanza grandi da causare il riscaldamento globale. Questa conclusione è stata ampiamente testata, conquistando un posto al centro della moderna scienza del clima. Arrhenius, in questo lavoro, costruito sul lavoro precedente di altri famosi scienziati, tra cui Joseph Fourier, John Tyndall e Claude Pouillet. Arrhenius voleva determinare se i gas serra potessero contribuire alla spiegazione della variazione di temperatura tra periodi glaciali e inter-glaciali. Arrhenius ha usato le osservazioni infrarosse della luna – di Frank Washington Very e Samuel Pierpont Langley all’Osservatorio Allegheny di Pittsburgh – per calcolare la quantità di radiazione infrarossa (calore) catturata dal vapore di CO2 e acqua (H2O) nell’atmosfera terrestre. Usando la “legge di Stefan” (meglio nota come legge di Stefan–Boltzmann), formulò quella che definì una “regola”. Nella sua forma originale, la regola di Arrhenius si legge come segue:
se la quantità di acido carbonico aumenta nella progressione geometrica, l’aumento della temperatura aumenterà quasi nella progressione aritmetica.
Qui, Arrhenius si riferisce alla CO2 come acido carbonico (che si riferisce solo alla forma acquosa H2CO3 nell’uso moderno). La seguente formulazione della regola di Arrhenius è ancora in uso oggi:
Δ F = α ln ( C / C 0 ) {\displaystyle \Delta F=\alpha \ln(C/C_{0})}
dove C 0 {\displaystyle C_{0}}
è la concentrazione di CO2 all’inizio (tempo zero) del periodo studiato (se la stessa concentrazione di unità è utilizzata sia per C {\displaystyle C}
e C 0 {\displaystyle C_{0}}
, quindi non importa quale unità di concentrazione viene utilizzato); C {\displaystyle C}
è la concentrazione di CO2 alla fine del periodo studiato; ln è il logaritmo naturale (= log in base e (loge)); e Δ F {\displaystyle \Delta F}
è l’aumento della temperatura, in altre parole il cambiamento del tasso di riscaldamento della superficie terrestre (forcing radiativo), che viene misurata in Watt per metro quadrato. Derivazioni da modelli di trasferimento radiativo atmosferico hanno trovato che α {\displaystyle \ alpha }
(alfa) per CO2 è 5,35 (± 10%) W/m2 per l’atmosfera terrestre.
Sulla base delle informazioni del suo collega Arvid Högbom, Arrhenius è stato il primo a prevedere che le emissioni di anidride carbonica derivanti dalla combustione di combustibili fossili e altri processi di combustione erano abbastanza grandi da causare il riscaldamento globale. Nel suo calcolo Arrhenius incluso il feedback dai cambiamenti nel vapore acqueo così come gli effetti latitudinali, ma ha omesso nuvole, convezione di calore verso l’alto nell’atmosfera, e altri fattori essenziali. Il suo lavoro è attualmente visto meno come una quantificazione accurata del riscaldamento globale che come la prima dimostrazione che l’aumento della CO2 atmosferica causerà il riscaldamento globale, a parità di tutto il resto.
Arrhenius s valori di assorbimento di CO2, e le sue conclusioni incontrato le critiche di Knut Ångström nel 1900, che ha pubblicato il primo moderno spettro di assorbimento infrarosso di CO2 con due bande di assorbimento, e i risultati sperimentali pubblicati che sembrava mostrare che l’assorbimento della radiazione infrarossa da parte di gas nell’atmosfera era già “saturo”, in modo che l’aggiunta di più non poteva fare la differenza. Arrhenius rispose con forza nel 1901 (Annalen der Physik), respingendo del tutto la critica. Ha toccato l’argomento brevemente in un libro tecnico intitolato Lehrbuch der kosmischen Physik (1903). In seguito scrisse Världarnas utveckling (1906) (tedesco: Das Werden der Welten , Inglese: Worlds in the Making) diretto a un pubblico generale, dove suggerì che l’emissione umana di CO2 sarebbe stata abbastanza forte da impedire al mondo di entrare in una nuova era glaciale, e che una terra più calda sarebbe stata necessaria per nutrire la popolazione in rapido aumento:
” In una certa misura la temperatura della superficie terrestre, come vedremo attualmente, è condizionata dalle proprietà dell’atmosfera che la circonda, e in particolare dalla permeabilità di quest’ultima ai raggi di calore.”(p. 46) ” Che le buste atmosferiche limitino le perdite di calore dai pianeti era stato suggerito circa 1800 dal grande fisico francese Fourier. Le sue idee sono state ulteriormente sviluppate in seguito da Pouillet e Tyndall. La loro teoria è stata definita la teoria della casa calda, perché pensavano che l’atmosfera agisse secondo il modo delle lastre di vetro delle case calde.”(p. 51) ” Se la quantità di acido carbonico nell’aria dovesse scendere a metà della sua percentuale attuale, la temperatura scenderebbe di circa 4°; una diminuzione a un quarto ridurrebbe la temperatura di 8°. D’altra parte, qualsiasi raddoppio della percentuale di anidride carbonica nell’aria aumenterebbe la temperatura della superficie terrestre di 4°; e se l’anidride carbonica fosse aumentata di quattro volte, la temperatura aumenterebbe di 8°.” (p. 53) ” Sebbene il mare, assorbendo l’acido carbonico, agisca come un regolatore di enorme capacità, che occupa circa cinque sesti dell’acido carbonico prodotto, riconosciamo ancora che la leggera percentuale di acido carbonico nell’atmosfera può essere modificata in misura notevole dai progressi dell’industria nel corso di alcuni secoli.”(p. 54) ” Poiché, ora, le ages calde si sono alternate a periodi glaciali, anche dopo che l’uomo è apparso sulla terra, dobbiamo chiederci: È probabile che nelle prossime ages geologiche saremo visitati da un nuovo periodo glaciale che ci porterà dai nostri paesi temperati nei climi più caldi dell’Africa? Non sembra esserci molto motivo per una tale apprensione. L’enorme combustione del carbone da parte dei nostri stabilimenti industriali è sufficiente per aumentare la percentuale di anidride carbonica nell’aria in misura percepibile.” (p. 61) ” Sentiamo spesso lamenti che il carbone immagazzinato nella terra viene sprecato dalla generazione presente senza pensare al futuro, e siamo terrorizzati dalla terribile distruzione della vita e delle proprietà che ha seguito le eruzioni vulcaniche dei nostri giorni. Possiamo trovare una sorta di consolazione nella considerazione che qui, come in ogni altro caso, c’è il bene mescolato con il male. Per l’influenza della crescente percentuale di acido carbonico nell’atmosfera, possiamo sperare di godere di epoche con climi più equi e migliori, specialmente per quanto riguarda le regioni più fredde della terra, epoche in cui la terra produrrà raccolti molto più abbondanti di quelli attuali, a beneficio dell’umanità che si propaga rapidamente.”(p. 63)
In questo momento, la spiegazione di consenso accettata è che, storicamente, la forzatura orbitale ha impostato i tempi per le ages glaciali, con la CO2 che agisce come un feedback amplificante essenziale. Tuttavia, rilasci di CO2 a partire dalla rivoluzione industriale hanno aumentato la CO2 ad un livello che non trova da 10 a 15 milioni di anni fa, quando la media globale della superficie la temperatura è 11 °F (6 °C) più caldo di adesso e quasi tutto il ghiaccio si era sciolto, alzando mondo del livello del mare a circa 100 metri più in alto rispetto a oggi.
Arrhenius stimato sulla base dei livelli di CO2, a suo tempo, che la riduzione dei livelli di 0,62–0.55 farebbe diminuire la temperatura di 4-5 °C (Celsius) e un aumento di 2,5 a 3 volte di CO2 potrebbe causare un aumento di temperatura di 8-9 °C nell’Artico. Nel suo libro Worlds in the Making ha descritto la teoria “hot-house” dell’atmosfera.