W II połowie XVIII wieku uczony brytyjski William Herschell rozszczepiając za pomocą pryzmatu światło widzialne, dokonał odkrycia, że jest taka sama temperatura w termometrze, gdy jest umieszczony w świetle słonecznym, jak jest zamieszczony w filtrze czerwonym. Na tej podstawie sformułował trafną tezę, że, zarówno promieniowanie widzialne słoneczne, jak i promieniowanie niewidzialne dla ludzi, czyli podczerwone, są przekaźnikami energii cieplnej.
Rys.1. Wiązka białego światła po przejściu przez pryzmat zostaje rozszczepiona na wiązki różnokolorowe. Obok wiązki czerwonej znajduje się jeszcze wiązka podczerwona, której nasze oczy nie widzą. Z drugiej strony widma, za kolorem fioletowym znajdziemy promieniowanie ultrafioletowe. Ilustracja: Charon, Dreamstime.com
W pierwszej połowie XIX wieku francuski naukowiec Józef Fourier obliczył, że temperatura powierzchni Ziemi wykazuje większą temperaturę niż wynikało to by z dostaw energii świetlnej ze Słońca. A wysnuł takie wnioski po tym jak zauważył, że jego rodak, znajomy przyrodnik i fizyk, Horacy-Benedykt de Saussure do wypraw przyrodniczych w Alpy używał ogrzewanej energią słoneczną kuchenki gazowej przykrytej kilkoma szybami. I na podstawie tej obserwacji zauważył, że tłumią one pionowe ruchy powietrza (konwekcję). W ten sposób doszedł do wniosku, że nasza planeta ma własności izolacyjne polegające na tym, że obok wspomnianej konwekcji i przewodnictwa cieplnego istnieje jeszcze jeden mechanizm przekazywania energii. Zauważył, że tak samo zachowuje się atmosfera, ale z pewną zasadniczą różnicą. Z promieniowania podczerwonego jakie wysyła powierzchnia Ziemi, pewna część jest zatrzymywana w atmosferze. W taki sposób Fourier dokonał odkrycia efektu cieplarnianego i tworząc analizę bilansu energetycznego Ziemi stał się pionierem nowej nauki zwanej klimatologią.
Irlandzki uczony John Tyndall pierwszy użył określenia niewidzialnego promieniowania, które badał Fourier, jako promieniowania w zakresie poczerwieni. Ogólnie rzecz gdy zbudował pierwsze urządzenie do badania spektroskopii absorpcyjnej gazów i par, które nazwał termostosem, skupił się na analizowaniu promieniowania elektromagnetycznego na wielu długościach fal. Ale przede wszystkim skoncentrował się na promieniowaniu podczerwonym. Obserwując własności absorpcyjne gazów, takich jak para wodna, dwutlenek węgla i metan, zauważył, że to właśnie para wodna jest nie tylko najsilniejszym gazem cieplarnianym ale i to też, że para wodna zarówno jako gaz i jako ciecz tak samo pochłania w pewnym zakresie podczerwieni promieniowanie elektromagnetyczne. A więc, zarówno para wodna w postaci gazowej, jak i w postaci kropelek cieczy w chmurach tak samo pochłania długofalowe promieniowanie.
Rys.2. Ilustracja z jednej z prac Tyndalla przedstawiająca jego układ do pomiaru własności absorpcyjnych gazów i par w podczerwieni. Heat source – źródło ciepła. Heat screen – ekran termiczny. Thermopile with conical reflecttors – termostos ze stożkowatymi reflektorami (podczerwieni). Brass tube… – rura z brązu zawierajaca badany gaz, zamknięta kryształami soli. Gas enters tube – wlot gazu do rury. Circulating cold water… – obieg wody chłodzącej. Container of gas… – zbiornik z badanym gazem. The gas or gas mixture … – układ filtracji gazu. Vacuum pump – pompa próżniowa. Manometer – manometr. Źródło: Wikipedia
Pionierem badań transferu radiacyjnego promieniowania elektromagnetycznego o różnych długościach fal w atmosferze był amerykański fizyk i inżynier, pionier lotnictwa oraz założyciel Smithsonian Astrophysical Observatory (obserwatorium astrofizycznego), Samuel Pierpoint Langley. Za pomocą zbudowanego przez siebie bolometru mierzył on natężenie promieniowania padającego na wybraną powierzchnię oraz dokonywał obserwacji dwóch zasadniczych promieniowań: widzialnego i podczerwonego; pierwszego, wychodzącego od naszej gwiazdy Słońca i docierającego do powierzchni naszej Ziemi, a drugiego częściowo wychodzącego z powierzchni Ziemi, a częściowo absorbowanego przez chmury i atmosferyczne gazy cieplarnianego i emitowanego z powrotem w kosmos albo ku powierzchni Ziemi. Wykonując swoje doświadczenia, dokonywał ich, zarówno nad poziomem morza, jak i wysoko w górach. Badając zależność strumienia promieniowania słonecznego od kąta padania promieni, niestety źle oszacował pomiar stałej słonecznej, zbytnio zawyżając jej wynik względem Ziemi. Lepiej przyczynił się do rozwoju nauki badając promieniowanie podczerwone księżyca, których udane wyniki przysłużyły się do późniejszych obliczeń pierwszej czułości klimatu, czyli zmian temperatury powierzchni Ziemi wskutek podwojenia bądź spadku o połowę koncentracji dwutlenku węgla.
Na przełomie XIX i XX w. fizykochemik szwedzki Svante Arrhenius, który znał wyniki badań Fouriera, Tyndalla i Langleya, obliczył temperaturę powierzchni Ziemi przy spadku koncentracji dwutlenku węgla z 300 ppm w 1896 r. do 150 ppm, jaka była mniej więcej podczas ostatniego maksimum glacjalnego 20 tysięcy lat temu. Wynik wyszedł mu taki, że temperatura w okresie glacjalnym średnio spadła o 4-5 stopni Celsjusza względem końca XIX wieku. Po konsultacji z geologiem szwedzkim Arvidem Hogbomem badającym procesy geochemiczne w wulkanach, Arrhenius zauważył, że emisje wulkaniczne są mniej więcej jednakowe jak przemysłowe, co pomogło mu w wyliczeniach podwojenia koncentracji, czyli jej wzrostu o połowę. Wyszło mu, że temperatura powierzchni Ziemi wzrośnie o 5-6 stopni Celsjusza. A w 1908 roku oszacował, że nastąpi to za kilka stuleci.
Amerykański geolog Thomas C. Chamberlin mocno zainspirowany pracami Arrheniusa, rozpowszechnił je wśród geologów. Przyczynił się nie tylko do wzmocnienia teorii aktywności słonecznej, gazów cieplarnianych, ale i również podkreślił duże znaczenie roli oceanów w systemie klimatycznym Ziemi. Był pierwszym naukowcem, który użył pojęcia sprzężenie zwrotne (dodatnie i ujemne), które mocno utrwaliło się we współczesnej dynamicznej klimatologii.
Jednak niestety znaleźli się przeciwnicy teorii gazów cieplarnianych względem czułości klimatu. Wpływowy szwedzki fizyk Knut Angstrom podważył prace Arrheniusa podając obliczenia, w których rzekomo dalszy wzrost gazów cieplarnianych doprowadzi do szybkiego wysycenia efektu cieplarnianego. Natomiast ekstrawertyczny uczony amerykański Charles Greeley Abbot, który nie tylko skorygował rzeczywiście błędne obliczenia stałej słonecznej Langleya, ale i zauważył korelację pomiędzy liczbą plam słonecznych a wzrostem temperatury Ziemi. I niestety w pierwszej połowie XX wieku głos Arrheniusa i jego zwolenników został zagłuszony przez tamtejszych sceptyków klimatycznych. Złożyło się na to zauważalne naturalne ocieplenie klimatu, które było silniejsze niż antropogeniczne.
Rys.3. Popularyzatorskie doniesienie w „Popular Mechanics” o wynikach obliczeń E.O. Hulburta.
Na okres kilku dekad zwolennicy teorii solarnej zdominowali nauki o klimacie. Wprawdzie na początku lat 30-tych amerykański geofizyk Edward Olson Hulburt i w połowie lat 30-tych brytyjski meteorolog Guy Stewart Callendar przypomnieli o rozpoczętych przez Arrheniusa badaniach czułości klimatu (mówiących o tym ile wyniesie temperatura globalna gdy nastąpi podwojenie CO2 w atmosferze względem okresu preindustrialnego), ale teoria solarna ugruntowała się na dobre aż do co najmniej połowy lat 50-tych. Hulburt powtarzając obliczenia Arrheniusa i zapoznając się z dokładniejszymi danymi własności absorpcyjnych dwutlenku węgla dzięki opracowanej teorii mechaniki kwantowej, wyliczył, że czułość klimatu wynosi 4 stopnie Celsjusza względem okresu preindustrialnego. Natomiast Callendar był pierwszym naukowcem, który zaobserwował związek między wzrostem koncentracji dwutlenku węgla a wzrostem temperatury powierzchni Ziemi na przestrzeni minionego czasu. Zauważył on 10-procentowy wzrost koncentracji dwutlenku węgla od 1850 r. do połowy lat 30 XX wieku. I stwierdził, że czułość klimatu wynosi 2 stopnie Celsjusza względem okresu preindustrialnego.
Druga połowa XX wieku aż do dziś to rosnąca lawinowo liczba dowodów naukowych. Zidentyfikowano wówczas również, że od początku rewolucji industrialnej, czyli od pierwszego znaczącego wpuszczania emisji dwutlenku węgla, pojawiło się zakwaszenie oceanów, które w drugiej połowie XX wieku przybrało tylko na sile. Wykonano też szereg badań aby znaleźć jak najwięcej dowodów, że klimat się ociepla. I znaleziono je min. dzięki temu, że przy spalaniu paliw kopalnych odkryto zmniejszanie się tlenu w atmosferze. Węgiel jako pierwiastek chemiczny łączy się z cząsteczką tlenu w reakcji spalania.
W 1958 roku zbudowane zostało urządzenie – spektroskop masowy – do pomiarów koncentracji dwutlenku węgla i użyte przez amerykańskiego klimatologa Charlesa Keelinga po raz pierwszy w stacji badawczej na Hawajach na zboczu wulkanu Mauna Loa. I systematycznie jest kontynuowane do dziś. Roczna koncentracja CO2 wtedy urosła od 280 ppm (parts per million) z 1850 r., do 316 ppm w 1959 r.
Amerykański oceanolog Roger Revelle i Austriackiego pochodzenia amerykański fizyk jądrowy Hans Suess dzięki wojskowym badaniom izotopów promieniotwórczych mogli prześledzić ich trajektorie w atmosferze. Dzięki temu odkryte zostały izotopy węgla 12C i 13C, które ukazały nam inny zapis niż występował w atmosferze Ziemi przedindustrialnej. Naukowcy ci odkryli, że w atmosferze z roku na rok jest coraz więcej izotopów 12-C w stosunku do 13-C, z powodu narastających emisji gazów cieplarnianych. Dzięki badaniom paleoklimatycznym (proxy) stwierdzili również, że w atmosferze przedprzemysłowej stosunek proporcjonalny między izotopami 12C a 13C nie był tak duży.
Fot. Komputer IAS zbudowany w 1951 r. na Uniwersytecie Princeton. Na takim komputerze prowadzone były pierwsze obliczenia Normana Phillipsa. Zdjęcie dzięki uprzejmości National Museum of American History, Smithsonian Institute.
W tych samych latach już oficjalnie gremium naukowe zaakceptowało fakt, że Ziemia się ociepla, ale jeszcze nie było konsensusu co do tego, czy to są procesy naturalne czy antropogeniczne. W każdym razie pojawiły się pierwsze obliczenia komputerowe transferu radiacyjnego i czułości klimatu, które zapoczątkował w latach 1954-55 kanadyjski fizyk Gilbert Plass. W dalszym rozwoju badań komputerowych w 1956 r. został po raz pierwszy stworzony model numeryczny, którego pionierem był uczony amerykański meteorolog Norman Phillips. Stąd już była prosta droga do stworzenia pierwszego prostego modelu równowagi radiacyjnej oraz atlasu bilansu energetycznego Ziemi, które napisał rosyjski fizyk i klimatolog Michaił Budyko.
W latach 70-tych pojawiły się pierwsze prognozy, czyli projekcje klimatyczne do końca wieku. Pionierami ich byli w 1973 r. brytyjski meteorolog John Sawyer z Met Office, który tylko do 2000 r. ją przedstawił oraz w 1975 r. amerykański geochemik Wallace Smith Broecker, twórca koncepcji teorii cyrkulacji termohalinowej i popularyzator pojęcia dobrze nam już znanego – globalne ocieplenie, który już projekcję klimatyczną przedstawił do 2020 r. Dalsze prognozy klimatyczne zostały przedstawione do 2020 r.
Od końca lat 70 ruszyły pierwsze satelity badawcze, które od tamtej pory do dziś mierzą coraz większe ocieplanie się atmosfery dzięki rosnącej koncentracji gazów cieplarnianych i coraz większe ochładzanie się stratosfery.
W latach 80-tych, na początku w 1981 r. i pod koniec, w 1988 r., kontynuował te projekcje klimatyczne amerykański klimatolog James Hansen. Niestety na początku lat 80-tych nikt nie chciał słuchać naukowców, że Ziemia zacznie się niebezpiecznie ocieplać. Mało tego. Ekstrawagancki Hansen wzniósł protest przeciw bierności rządu amerykańskiego i innych na całym świecie oskarżając świat za powodowanie emisji gazów cieplarnianych do atmosfery przez spalanie paliw kopalnych, za co został tymczasowo aresztowany.
Rys. Prognoza ocieplenia klimatu przedstawiona przez Jamesa Hansena w 1988 roku.
Opinia publiczna oraz media jednak zaczęły już poważnie zauważać problem I dopiero pod koniec lat 80–tych ubiegłego wieku definitywnie zaakceptowano fakt, że globalne ocieplenie prawdopodobnie jest też spowodowane przez działalność człowieka po kolejnej projekcji klimatycznej Hansena, która już zaczęła dawać do myślenia ogółowi społecznemu.
I właśnie wtedy w 1989 r. powstał w ramach ONZ, z ramienia WMO (Światowa Organizacja Meteorologiczna) i UNEP (Program Środowiskowy Organizacji Narodów Zjednoczonych) IPCC (Międzyrządowy Panel ds. Zmian Klimatu), który działa do dzisiaj. Napisał do tej pory pięć raportów, w których zauważano coraz większy związek globalnego ocieplenia z działalnością ludzką, zwłaszcza ze spalaniem paliw kopalnych.