W 1938 roku brytyjski inżynier i niezależny badacz Guy Stewart Callendar opublikował pracę, która po raz pierwszy w historii nauki połączyła spalanie paliw kopalnych, wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze oraz obserwowany wzrost temperatury globalnej w jedną, spójną i ilościową całość. Jego artykuł był jeszcze daleki od współczesnych modeli klimatycznych, ale wyznaczył kierunek, którym nauka miała podążyć przez kolejne dekady.
Guy Stewart Callendar stworzył pomost między XIX-wiecznymi odkryciami fizycznymi Eunice Foote i Johna Tyndalla oraz obliczeniami Arrheniusa a nowoczesną klimatologią rozwijaną od lat 50. XX wieku. Po raz pierwszy wykorzystał globalne dane obserwacyjne, proste modelowanie radiacyjne i bilans emisji CO₂, aby pokazać, że człowiek już zmienia klimat Ziemi w sposób mierzalny.
Od fizyki laboratoryjnej do pytania o klimat Ziemi
Praca Callendara The Artificial Production of Carbon Dioxide and Its Influence on Temperature nie powstała w próżni intelektualnej. Już w pierwszych stronach autor wyraźnie umieszcza swoje rozważania w ciągu wcześniejszych badań nad promieniowaniem cieplnym atmosfery. Odwołuje się do eksperymentów Eunice Newton Foote oraz Johna Tyndalla, które w XIX wieku wykazały zdolność dwutlenku węgla i pary wodnej do pochłaniania promieniowania podczerwonego. Te odkrycia miały jednak charakter laboratoryjny i nie były jeszcze bezpośrednio odnoszone do zmian klimatu w skali planety.
Callendar przypomina także obliczenia Svantego Arrheniusa z końca XIX wieku, który jako pierwszy spróbował oszacować wpływ zmian stężenia CO₂ na temperaturę powierzchni Ziemi. Zwraca uwagę, że Arrhenius oraz Thomas Chrowder Chamberlin byli wśród nielicznych badaczy traktujących ten efekt poważnie, podczas gdy większość ówczesnych klimatologów uważała wpływ CO₂ za zbyt słaby lub skutecznie neutralizowany przez oceany.
Nowość podejścia Callendara polegała na tym, że nie ograniczał się ani do fizyki laboratoryjnej, ani do czysto teorecznych rozważań. Jego celem było sprawdzenie, czy wzrost stężenia CO₂ wynikający ze spalania węgla, ropy i gazu jest już widoczny w danych obserwacyjnych oraz czy można go powiązać z rzeczywistym ociepleniem klimatu.
Fot. Guy Stewart Callendar w 1934 roku. Źródło: Domena publiczna
Bilans dwutlenku węgla i antropogeniczne źródła zmian
Jednym z kluczowych elementów pracy Callendara była próba oszacowania, ile dwutlenku węgla ludzkość rzeczywiście wprowadziła do atmosfery od początku rewolucji przemysłowej. Na podstawie danych o wydobyciu i spalaniu paliw kopalnych autor wyliczył, że w ciągu około 50 lat poprzedzających publikację artykułu do atmosfery trafiło blisko 150 miliardów ton CO₂.
Callendar zakwestionował wówczas powszechne przekonanie, że oceany niemal natychmiast pochłaniają nadwyżki dwutlenku węgla. W oparciu o ówczesną wiedzę chemiczną argumentował, że znaczna część emisji musi pozostawać w atmosferze przez długi czas. Szacował, że nawet trzy czwarte wyemitowanego CO₂ nie zostało szybko zaabsorbowane przez oceany.
Na tej podstawie zestawił dostępne pomiary stężenia CO₂ z przełomu XIX i XX wieku z danymi z lat 30. XX wieku. Przyjął, że około 1900 roku stężenie CO₂ wynosiło około 274 ppm, natomiast w latach 1930–1936 wzrosło do około 310 ppm. Oznaczało to wzrost rzędu 6 procent w zaledwie kilka dekad, co Callendar uznał za zgodne z jego bilansem emisji antropogenicznych.
Promieniowanie, absorpcja i uproszczony model cieplarniany
Autor oparł swoje rozważania radiacyjne przede wszystkim na dorobku Svantego Arrheniusa, który na przełomie XIX i XX wieku jako pierwszy przeprowadził ilościowe obliczenia wpływu zmian stężenia dwutlenku węgla na temperaturę powierzchni Ziemi. To właśnie Arrhenius, a nie jego krytycy, stanowił dla Callendara punkt wyjścia do dalszych analiz, choć sam Callendar korzystał już z nowszych danych eksperymentalnych i obserwacyjnych.
Jednocześnie Callendar sięgał po laboratoryjne pomiary absorpcji promieniowania podczerwonego wykonywane przez takich badaczy jak Heinrich Rubens i Ernst Aschkinass, którzy pod koniec XIX wieku badali widma absorpcyjne CO₂ w zakresie dalekiej podczerwieni, a także przez Gerharda Hettnera, analizującego właściwości radiacyjne gazów atmosferycznych. Istotne znaczenie miały również prace Fredericka Eugene’a Fowle’a, który w pierwszych dekadach XX wieku prowadził szczegółowe pomiary absorpcji promieniowania przez parę wodną i dwutlenek węgla w warunkach zbliżonych do atmosferycznych.
W tym kontekście Callendar odnosił się krytycznie do stanowiska Knuta Ångströma, który na początku XX wieku twierdził, że dodatkowy dwutlenek węgla nie może znacząco zwiększyć efektu cieplarnianego, ponieważ pasma absorpcyjne CO₂ są już „nasycone”. Callendar wskazywał, że argument ten opierał się na uproszczonych eksperymentach laboratoryjnych i pomijał złożoną strukturę atmosfery oraz rolę warstw o różnej temperaturze i wilgotności.
Co istotne, sceptycyzm Ångströma wobec roli gazów cieplarnianych wpisywał się w szerszy nurt interpretacyjny pierwszej połowy XX wieku, w którym obserwowane ocieplenie klimatu często przypisywano zmianom aktywności słonecznej. Okres ten rzeczywiście charakteryzował się podwyższoną aktywnością Słońca, co było wykorzystywane przez ówczesnych przeciwników hipotezy cieplarnianej jako argument przeciwko wpływowi CO₂. Callendar nie negował roli czynników naturalnych, ale jako jeden z pierwszych pokazał, że sam wzrost stężenia dwutlenku węgla jest wystarczający, by wytłumaczyć istotną część obserwowanego ocieplenia.
Dane obserwacyjne i pierwsze porównanie z rzeczywistością
Najbardziej nowatorskim elementem pracy Callendara było zestawienie teorii z obserwacjami temperatury. Autor zebrał dane z około 200 stacji meteorologicznych rozmieszczonych na różnych kontynentach i dokonał ich ręcznej homogenizacji, eliminując oczywiste błędy i nieciągłości.
Na tej podstawie stwierdził, że średnia temperatura powierzchni Ziemi wzrosła od końca XIX wieku do lat 30. XX wieku w tempie około 0,005°C rocznie. Co istotne, obserwowane ocieplenie było nawet nieco większe niż to, które wynikało z jego uproszczonych obliczeń radiacyjnych.
Callendar potraktował tę zgodność jako silny argument na rzecz tezy, że wzrost CO₂ ma już mierzalny wpływ na klimat. Było to jedno z pierwszych w historii nauki porównań prognozy teoretycznej z globalnymi danymi obserwacyjnymi w kontekście antropogenicznego ocieplenia.
Most między XIX wiekiem a nowoczesną klimatologią
Z dzisiejszej perspektywy praca Callendara zawiera liczne uproszczenia i błędy, ale jej znaczenie historyczne jest fundamentalne. Autor po raz pierwszy połączył trzy elementy: antropogeniczne emisje CO₂, fizykę efektu cieplarnianego oraz obserwowane zmiany temperatury globalnej.
Tym samym Callendar stworzył intelektualny pomost między XIX-wiecznymi odkryciami fizycznymi a nowoczesną nauką o klimacie rozwijaną od lat 50. XX wieku przez badaczy takich jak Gilbert Plass, Roger Revelle czy Charles David Keeling. To właśnie oni, korzystając z lepszych danych i metod, rozwinęli intuicje Callendara w pełnoprawną teorię antropogenicznych zmian klimatu.
Jego praca z 1938 roku pokazuje moment przejścia: od epoki pojedynczych eksperymentów i spekulacji do ery ilościowej, opartej na danych obserwacyjnych i testowalnych hipotezach. W tym sensie Callendar nie tylko przewidział globalne ocieplenie — on zaproponował sposób, w jaki nauka miała je badać przez kolejne dekady.
Źródła:
Guy Stewart Callendar, 1938 ; The Artificial Production of Carbon Dioxide and Its Influence on Temperature ; Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society ; https://www.met.reading.ac.uk/~ed/callendar_1938.pdf