opracowując teorię wyjaśniającą epoki lodowcowe, Arrhenius w 1896 roku jako pierwszy użył podstawowych zasad chemii fizycznej do obliczenia szacunków, w jakim stopniu wzrost atmosferycznego dwutlenku węgla (CO2) zwiększy temperaturę powierzchni Ziemi poprzez efekt cieplarniany. Obliczenia te doprowadziły go do wniosku, że emisje CO2 spowodowane przez człowieka, ze spalania paliw kopalnych i innych procesów spalania, są wystarczająco duże, aby spowodować globalne ocieplenie. Wniosek ten został gruntownie przetestowany, zdobywając miejsce w centrum współczesnej nauki o klimacie. Arrhenius w tym dziele bazował na wcześniejszych pracach innych znanych naukowców, m.in. Josepha Fouriera, Johna Tyndalla i Claude ’ a Pouilleta. Arrhenius chciał ustalić, czy gazy cieplarniane mogą przyczynić się do wyjaśnienia zmienności temperatury między okresami lodowcowymi i międzyglodowcowymi. Arrhenius wykorzystał obserwacje Księżyca W PODCZERWIENI – przez Franka Washingtona Very ’ ego i Samuela Pierponta Langleya z Obserwatorium Allegheny w Pittsburghu – do obliczenia, ile promieniowania podczerwonego (ciepła) jest przechwytywane przez parę CO2 i wodę (H2o) w atmosferze Ziemi. Używając „prawa Stefana” (lepiej znanego jako prawo Stefana–Boltzmanna) sformułował to, co nazywał „regułą”. W pierwotnej postaci reguła Arrheniusa brzmi następująco:
jeśli ilość kwasu węglowego wzrośnie w postępie geometrycznym, wzrost temperatury wzrośnie prawie w postępie arytmetycznym.
tutaj Arrhenius odnosi się do CO2 jako kwasu węglowego (który odnosi się tylko do wodnej postaci H2CO3 we współczesnym użyciu). Poniższe sformułowanie reguły Arrheniusa jest nadal w użyciu:
Δ f = α LN ( C / C 0 ) {\displaystyle \Delta F=\alpha \LN (C / C_{0})}
gdzie C 0 {\displaystyle C_{0}}
jest stężeniem CO2 na początku (czas-zero) badanego okresu (jeśli ta sama jednostka stężenia jest używana zarówno dla C {\displaystyle C}
i C 0 {\displaystyle C_{0}}
, wtedy nie ma znaczenia, która jednostka koncentracji jest używana); C {\displaystyle C}
jest stężeniem CO2 na koniec badanego okresu; ln jest logarytmem naturalnym (= logarytm o podstawie e (loge)); a Δ F {\displaystyle \Delta F}
jest zwiększeniem temperatury, innymi słowy zmianą szybkości ogrzewania ziemi.powierzchni (wymuszanie radiacyjne), które jest mierzone w watach na metr kwadratowy. Wyprowadzenia z modeli transferu promieniowania atmosferycznego wykazały, że α {\displaystyle \ alpha}
(alfa) dla CO2 wynosi 5,35 (± 10%) W/m2 dla atmosfery ziemskiej.
na podstawie informacji od swojego kolegi Arvida Högboma, Arrhenius był pierwszą osobą, która przewidziała, że emisje dwutlenku węgla ze spalania paliw kopalnych i innych procesów spalania były wystarczająco duże, aby spowodować globalne ocieplenie. W swoich obliczeniach Arrhenius uwzględnił sprzężenie zwrotne ze zmian pary wodnej, a także efekty równoleżnikowe, ale pominął chmury, konwekcję ciepła w górę w atmosferze i inne istotne czynniki. Jego praca jest obecnie postrzegana mniej jako dokładna kwantyfikacja globalnego ocieplenia niż jako pierwsza demonstracja, że wzrost CO2 w atmosferze spowoduje globalne ocieplenie, Wszystko inne jest równe.
wartości absorpcji Arrheniusa dla CO2 i jego wnioski spotkały się z krytyką Knuta Ångströma w 1900 roku, który opublikował pierwsze nowoczesne spektrum absorpcji w podczerwieni CO2 z dwoma pasmami absorpcji i opublikował wyniki eksperymentalne, które zdawały się pokazywać, że absorpcja promieniowania podczerwonego przez gaz w atmosferze była już „nasycona”, więc dodanie więcej nie może mieć znaczenia. Arrhenius odpowiedział stanowczo w 1901 roku („Annalen der Physik”), całkowicie odrzucając krytykę. Poruszył ten temat krótko w książce technicznej Lehrbuch der kosmischen Physik (1903). Później napisał Världarnas utveckling (1906) (niem. Das Werden der Welten , angielski: worlds in the Making) skierowany do ogólnej publiczności, gdzie zasugerował, że ludzka emisja CO2 będzie wystarczająco silna, aby zapobiec wejściu świata w nową epokę lodowcową i że potrzebna będzie cieplejsza Ziemia, aby wyżywić szybko rosnącą populację:
” do pewnego stopnia temperatura powierzchni ziemi, jak zobaczymy obecnie, jest uwarunkowana właściwościami otaczającej ją atmosfery, a zwłaszcza przepuszczalnością tej ostatniej dla promieni ciepła.”(s. 46)”, że powłoki atmosferyczne ograniczają straty ciepła z planet zostały zasugerowane około 1800 roku przez wielkiego francuskiego fizyka Fouriera. Jego idee były następnie rozwijane przez Pouillet i Tyndalla. Ich teoria została nazwana teorią hot-house, ponieważ uważali, że atmosfera działała na wzór tafli szklanych hot-House ’ ów.”(s. 51) ” jeśli ilość kwasu węglowego w powietrzu spadnie do połowy jego obecnego procentu, temperatura spadnie o około 4°; zmniejszenie do jednej czwartej obniży temperaturę o 8°. Z drugiej strony, każde podwojenie zawartości dwutlenku węgla w powietrzu podniesie temperaturę powierzchni ziemi o 4°; a jeśli dwutlenek węgla wzrośnie czterokrotnie, temperatura wzrośnie o 8°.”(P. 53) ” chociaż morze, absorbując kwas węglowy, działa jako regulator ogromnej pojemności, która zajmuje około pięciu szóstych wyprodukowanego kwasu węglowego, zdajemy sobie sprawę, że niewielki procent kwasu węglowego w atmosferze może dzięki rozwojowi przemysłu zostać zmieniony w zauważalnym stopniu w ciągu kilku stuleci.”(s. 54) ” ponieważ teraz ciepłe epoki przeplatają się z okresami lodowcowymi, nawet po pojawieniu się człowieka na ziemi, musimy zadać sobie pytanie: Czy jest prawdopodobne, że w nadchodzących epokach geologicznych odwiedzi nas nowy okres lodowy, który doprowadzi nas z naszych umiarkowanych krajów do gorętszych klimatów Afryki? Wydaje się, że nie ma zbyt wielu podstaw do takiego niepokoju. Ogromne spalanie węgla przez nasze zakłady przemysłowe wystarcza do zauważalnego zwiększenia udziału dwutlenku węgla w powietrzu.”(P. 61) ” często słyszymy lamenty, że węgiel zgromadzony w ziemi jest marnowany przez obecne pokolenie, nie myśląc o przyszłości, i jesteśmy przerażeni straszliwym zniszczeniem życia i mienia, które nastąpiło po erupcjach wulkanów naszych dni. Możemy znaleźć pociechę w rozważaniu, że tu, jak w każdym innym przypadku, jest dobro zmieszane ze złem. Pod wpływem rosnącego odsetka kwasu węglowego w atmosferze, możemy mieć nadzieję cieszyć się wiekami o bardziej wyrównanym i lepszym klimacie, szczególnie w odniesieniu do chłodniejszych regionów Ziemi, w wiekach, w których ziemia wyda znacznie obfitsze plony niż obecnie, dla korzyści szybkiego rozmnażania ludzkości.”(P. 63)
w tym czasie akceptowanym wyjaśnieniem konsensusu jest to, że historycznie wymuszanie orbitalne wyznaczyło czas dla epok lodowcowych, z CO2 działającym jako niezbędny wzmacniający sprzężenie zwrotne. Jednak uwalnianie CO2 od czasu rewolucji przemysłowej zwiększyło CO2 do poziomu, którego nie znaleziono od 10 do 15 milionów lat temu, kiedy średnia globalna temperatura powierzchni była do 11 °F (6 °C) cieplejsza niż teraz i prawie cały lód stopił się, podnosząc poziom mórz na świecie do około 100 stóp wyższych niż dzisiejszy.
Arrhenius oszacował na podstawie poziomów CO2 w swoim czasie, że obniżenie poziomów o 0,62-0,55 zmniejszyłoby temperaturę o 4-5 °C (Celsjusza) i zwiększyło poziom CO2.2,5 do 3 razy CO2 spowodowałoby wzrost temperatury o 8-9 °c w Arktyce. W swojej książce Worlds in the Making opisał” hot-house ” teorię atmosfery.