W 1896 roku szwedzki fizykochemik Svante Arrhenius opublikował pracę On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground, w której po raz pierwszy spróbował ilościowo powiązać stężenie dwutlenku węgla w atmosferze z globalną temperaturą Ziemi. Była to pionierska próba uchwycenia mechanizmu efektu cieplarnianego i oszacowania, jak zmiany CO₂ mogą wpływać na klimat planety.
Praca Arrheniusa stanowiła punkt zwrotny w naukach o klimacie. Autor połączył fizykę promieniowania, chemię atmosfery i obserwacje geograficzne w spójny model, pokazując, że zmiany stężenia dwutlenku węgla mogą wywołać wymierne efekty termiczne na Ziemi. To tutaj po raz pierwszy pojawiły się ilościowe przewidywania podwojenia CO₂ i ich wpływu na globalną temperaturę.
Choć głównym tematem były naturalne zmiany klimatu, w tle znalazły się dane geochemiczne, m.in. wczesne szacunki emisji przemysłowych przygotowane przez szwedzkiego geologa Arvida Gustafa Högboma. Jego liczby pozwoliły Arrheniusowi uświadomić sobie, że działalność człowieka, choć niewielka w jego czasach, może w długiej perspektywie wpłynąć na skład atmosfery.
Fot. Svante Arrhenius
Kontekst naukowy i cel pracy
Pod koniec XIX wieku naukowcy wiedzieli, że atmosfera absorbuje promieniowanie podczerwone. Eksperymenty Johna Tyndalla pokazały, że para wodna i CO₂ wychwytują część ciepła emitowanego przez powierzchnię Ziemi. Jednak brakowało próby powiązania tych wyników z klimatem globalnym i zmianami w skali geologicznej.
Arrhenius postawił sobie ambitne zadanie: sprawdzić, czy naturalne wahania stężenia CO₂ mogłyby tłumaczyć cykliczne zmiany klimatu, w tym epoki lodowcowe i interglacjały. Chciał uchwycić zarówno fizyczne, jak i chemiczne mechanizmy sterujące temperaturą.
W tym celu opracował model bilansu promieniowania, w którym uwzględnił dopływ energii słonecznej, emisję długofalową z powierzchni oraz absorpcję przez atmosferę. Dwutlenek węgla potraktował jako jeden z głównych regulatorów bilansu energetycznego, obok pary wodnej.
Jego podejście było pionierskie: po raz pierwszy w nauce zestawiono fizykę promieniowania z geograficznymi i chemicznymi obserwacjami, tworząc model ilościowy wpływu atmosfery na temperaturę powierzchni Ziemi.
Metoda obliczeń i model
Najbardziej imponującym elementem pracy były ręczne obliczenia setek scenariuszy stężenia CO₂. Arrhenius analizował, jak zmieniające się koncentracje gazu wpływają na bilans promieniowania i temperaturę przy różnych szerokościach geograficznych. Uwzględnił nieliniowy charakter absorpcji promieniowania oraz sprzężenie zwrotne wynikające ze wzrostu pary wodnej.
Model nie obejmował dynamiki atmosfery, chmur ani oceanów, ale pozwalał uchwycić kluczowy mechanizm fizyczny: wzrost CO₂ zatrzymuje więcej energii w systemie, podnosząc temperaturę. To podejście po raz pierwszy umożliwiło ilościowe przewidywania globalnego efektu cieplarnianego.
Arrhenius analizował reakcje systemu w różnych szerokościach geograficznych, wskazując, że zmiany są najsilniejsze w rejonach polarnych. Po raz pierwszy pojawiło się więc obserwacyjne wyjaśnienie zjawiska dzisiejszego wzmocnienia polarnego (arktycznej amplifikacji – AA).
Jego metodologia stała się fundamentem dla późniejszych modeli klimatycznych, mimo że nie uwzględniała wielu złożonych procesów, które znamy dziś, takich jak konwekcja, cyrkulacja oceaniczna czy chmury.
Podwojenie CO₂ i pierwsza czułość klimatu
Najbardziej znanym wynikiem pracy było oszacowanie odpowiedzi klimatu na podwojenie stężenia CO₂. Arrhenius obliczył, że globalna temperatura może wzrosnąć o około 5–6 °C, przy czym największe zmiany obserwowane są w wysokich szerokościach geograficznych. Było to pierwsze przewidywanie efektu wzmocnienia cieplarnianego w skali całej planety.
Chociaż wartości te różnią się od współczesnych oszacowań (ok. 1,5–4,5 °C dla podwojenia CO₂), mechanizm pozostaje aktualny: logarytmiczny związek stężenia CO₂ z wymuszeniem radiacyjnym wyjaśnia, dlaczego każda kolejna zmiana koncentracji daje zbliżony efekt temperaturowy.
Dodatkowo Arrhenius analizował scenariusze spadku CO₂, przewidując możliwość epok lodowcowych. To pokazuje systematyczne i wyważone podejście – obejmujące zarówno naturalne, jak i antropogeniczne źródła zmian. Jego praca była w pełni przewidywalna z punktu widzenia fizyki i chemii, stanowiąc fundament do dalszych badań nad klimatem w XX wieku.
Wątek Arvida Högboma i wkład geochemiczny w pracę Svantego Arrheniusa
W pracy Arrheniusa, której sednem jest ilościowe powiązanie stężenia dwutlenku węgla w atmosferze z globalną temperaturą Ziemi, pojawia się również wkład szwedzkiego geologa Arvida Gustafa Högboma. W 1894 r., w artykule Om sannolikheten för sekulära förändringar i atmosfärens kolsyrehalt, Högbom jako pierwszy oszacował emisje CO₂ ze spalania paliw kopalnych i zestawił je z naturalnymi strumieniami gazu pochodzącymi z oceanów, wulkanów i wietrzenia skał, pokazując, że działalność człowieka jest mierzalnym elementem globalnego cyklu węgla.
Choć Högbom uważał, że w jego czasach wpływ przemysłu jest jeszcze minimalny, jego liczby dostarczyły Arrheniusowi cennego argumentu do modelu klimatycznego. To dzięki nim mogły pojawić się refleksje nad możliwym wpływem człowieka na atmosferę w skali stuleci.
Högbom i Arrhenius razem pokazali, że nawet w ówczesnych warunkach można połączyć dane geochemiczne z modelowaniem fizycznym, co otworzyło drogę do nowoczesnej nauki o klimacie.
Ich prace uświadomiły nauce, że zmiany w składzie atmosfery, naturalne lub antropogeniczne, mają realny wpływ na bilans energetyczny planety i powinny być traktowane jako mierzalny proces fizyczny.
Znaczenie i trwałe dziedzictwo
Praca Arrheniusa nie była manifestem ani ostrzeżeniem politycznym – była ćwiczeniem z fizyki i chemii atmosfery, którego konsekwencje okazały się dalekosiężne. Po raz pierwszy jasno pokazano, że klimat Ziemi jest wrażliwy na zmiany składu atmosfery, a dwutlenek węgla odgrywa w tym procesie kluczową rolę.
W połączeniu z analizami Högboma artykuł położył fundament pod XX-wieczne badania klimatu i późniejsze rozpoznanie antropogenicznej zmiany klimatu. Dzisiejsze modele są znacznie bardziej złożone, ale intuicja Arrheniusa – że CO₂ reguluje temperaturę planety – pozostaje jednym z filarów współczesnej nauki o klimacie.
Jego praca pokazała także, że ilościowe podejście do klimatu jest możliwe, nawet w czasach bez komputerów i rozbudowanych modeli matematycznych. To dzięki temu dziedzictwu współczesna klimatologia jest nauką opartą na fizyce, chemii i obserwacjach empirycznych.
Z perspektywy ponad stu lat, artykuł Arrheniusa pozostaje kamieniem milowym nauki o klimacie, stanowiąc punkt odniesienia dla badań nad efektami gazów cieplarnianych i ich wpływem na przyszłość planety.
Źródła:
Svante Arrhenius, 1896 ; On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground ; Philosophical Magazine and Journal of Science ; https://www.rsc.org/images/Arrhenius1896_tcm18-173546.pdf
Arvid Gustaf Högbom, 1894 ; Om sannolikheten för sekulära förändringar i atmosfärens kolsyrehalt ; Svensk Kemisk Tidskrift ; https://runeberg.org/svkemtid/1894/0183.html