Historie vědy o změně klimatu

náhled|Poměrový spektrofotometr Johna Tyndalla (kresba z roku 1861) měřil, kolik infračerveného záření bylo absorbováno a emitováno různými plyny vyplňujícími jeho centrální trubici. Historie vědy o změně klimatu popisuje objevování a studium událostí změny klimatu v kontextu geologických a historických časových měřítek, včetně globálního oteplování, ke kterému dochází od 20. století. Systematický výzkum přirozených klimatických změn začal v první polovině 19. století postupnou rekonstrukcí cyklů doby ledové a dalších klimaticky vyvolaných změn prostředí v kontextu paleoklimatologie a kvartérního výzkumu. Již na konci 19. století se předpokládalo, že člověk ovlivňuje klimatický systém Země prostřednictvím skleníkových plynů, ale až do 60. let 20. století byly takové výpočty silně zpochybňovány. Podrobné popisy historie výzkumu klimatických změn, zejména antropogenní změny klimatu pozorované v průběhu 20. století, lze nalézt například v kapitole 1 Čtvrté hodnotící zprávy IPCC a podrobněji od amerického fyzika a historika vědy Spencera R. Wearta.

Zatímco skleníkový efekt byl objeven již v roce 1824, oteplovací účinek neustále se zvyšující koncentrace oxidu uhličitého v zemské atmosféře mohl být kvantifikován až koncem 50. let 20. století díky zdokonaleným metodám měření a širší databázi. Ačkoli někteří vědci poznamenali, že člověkem způsobené znečištění ovzduší může také ochlazovat klima, od poloviny 90. let 20. století klimatologové stále více upřednostňovali předpoklad oteplování. V devadesátých letech 20. století se díky pokročilým počítačovým modelům a hlubšímu pochopení chladných období objevil následující konsenzus: skleníkové plyny hrají významnou roli ve změně klimatu a emise způsobené člověkem jsou zodpovědné především za pokračující globální oteplování.

Objev základních principů

První teorie doby ledové náhled|Bludné balvany, balvany uložené ledovci daleko od existujících ledovců, vedly geology k závěru, že klima se v minulosti měnilo.Anglický polyhistor Robert Hooke, jeden z prvních průkopníků prehistorického myšlení, se již na konci 17. století domníval na základě zkamenělin z jury (jako jsou amoniti a mořské želvy), že podnebí jižní Anglie muselo být v raném geologickém období podstatně teplejší. Na základě toho navrhl určit podnebí pravěkých stanovišť pomocí fosilií. Avšak až o sto let později mohl předpoklad o pravěké epoše, která zahrnovala podstatně delší časová období, než historicky zdokumentované lidské dějiny převážit nad rozšířenou vírou v biblický mýtus o stvoření. V průběhu osvícenství a s rozvojem geologie do moderní vědy od roku 1750 se postupně prosazovala myšlenka pravěku. Přesto bylo mnoho vědců ve svém myšlení stále ovlivněno náboženskými myšlenkami, jak ukázal tzv. „spor o čedič“.„Spor o čedič“ byl významným spor o původu bazaltu, který se odehrával kolem roku 1800. Tento spor se vyvinul v zásadní světonázorový spor mezi neptunismem a plutonismem.

Neptunisté tvrdili, že všechny horniny včetně bazaltu vznikly sedimentací z vodního prostředí. Naopak plutonisté zastávali názor, že bazalt a další horniny vznikly krystalizací z magmatu.

Tento spor měl dalekosáhlé důsledky, protože představoval důležitý krok v procesech, které vedly k vytvoření našeho moderního světového názoru a moderní společnosti. Byl to významný moment v historii geologie a přírodních věd obecně. První příspěvek k vytvoření teorie doby ledové učinil v roce 1742 inženýr a geograf Pierre Martel. Podle jeho názoru byly ledovce v Chamonix kdysi mnohem rozsáhlejší, což naznačuje chladnější klima v minulosti. Podobný názor vyjádřil i jeho švýcarský krajan Gottlieb Sigmund Gruner, který ve své knize Reisen durch die merkwürdigsten Gegenden Helvetiens z roku 1778 spojil suťový konglomerát starých koncových morén s dřívějšími úrovněmi ledovců. Těmito zjištěními však Martel a Gruner předběhli svou dobu o desítky let. Na konci 18. století byla možnost rozsáhlého zalednění v důsledku podnebí doby ledové příliš revoluční na to, aby ji věda přijala.

V letech 1780 až 1830 probíhala debata mezi „neptunisty“ a „plutonisty“, částečně nábožensky motivovaná (spor o čedič). Ústředním tématem neptunistů byla potopa, která byla až do první poloviny 1. století často považována za skutečnou geologickou událost nebo za synonymum pro několik globálních povodňových katastrof. Spor mezi neptunisty a plutonisty byl patrný i ve sporu o původ a „migraci“ bludných balvanů uložených ledovci doby ledové v alpské oblasti, v severoněmecké nížině a ve Skandinávii, které jsou charakteristické pro krajiny formované ledovci. Od roku 1760 se stále intenzivněji diskutovalo o záhadě široce roztroušených bludných balvanů, přičemž kromě oblíbené teorie driftu se jako vysvětlení pro transport bludných bloků používaly záplavy vody, bahna a suti, stejně jako sopečné erupce. V té době bylo hlubší pochopení dynamiky ledovců a morfologie ledovců ještě daleko a teprve v roce 1830 práce a výzkumy Louise Agassize, Johanna von Charpentiera, Karla Friedricha Schimpera a Ignaze Venetze vykreslily stále diferencovanější obraz klimatu doby ledové a souvisejících procesů.

V této rané fázi výzkumu však nebylo možné omezit předpokládané změny klimatu v čase, nebo je dokonce začít datovat, ani nebylo jasné, co je možné.

Slunce jako příčina klimatických změn? V roce 1801 astronom Wilhelm Herschel objevil, že mezi lety 1650 a 1800, v období později známém jako malá doba ledová, se zdálo, že malý počet slunečních skvrn je spojen se špatnou úrodou pšenice a neobvykle nízkými teplotami. Souvislost mezi cyklickými změnami sluneční aktivity a přirozenými výkyvy klimatu, kterou postuloval, však byla již v té době kontroverzní a následně byla ve vědě znovu a znovu diskutována až do konce 20. století.

Čtvrtohorní doba ledová v centru výzkumu V polovině 19. století shromáždili nyní již početnější zastánci teorie doby ledové tolik důkazů a „klimatických svědků“ pro existenci dřívější doby ledové, že bylo postupně obtížnější ignorovat předložené argumenty. V průběhu geologického průzkumu Severní Ameriky se také ukázalo, že chladná fáze pozorovaná v Evropě nebyla regionálním jevem, ale zřejmě ovlivnila celou severní polokouli. Model doby ledové byl dále potvrzen objevem velmi starých stop zalednění v Africe, Austrálii a Indii, které jsou podle současných poznatků připisovány permokarbonskému zalednění asi před 300 miliony let.

Švýcarský přírodovědec Louis Agassiz (1807–1873), jeden z nejneúnavnějších zastánců, se zasazoval o vědecké přijetí myšlenky doby ledové. Na četných cestách spojených s přednáškami pro akademické publikum a také vydáním několika knih rozhodujícím způsobem přispěl k popularizaci svých myšlenek. Kolem roku 1850 však vědecký konsensus na toto téma nebyl ještě v dohledu. To se zpozdilo zejména z těchto důvodů:

Pro většinu současných geovědců znamenala „světová zima“, jak ji postulovali badatelé jako Karl Friedrich Schimper, návrat ke katastrofizmu založenému Georgem de Cuvierem a teorii kataklyzmatu s ním spojenou. Tento názor byl nyní považován za zastaralý a vyvrácený a byl nahrazen „moderním“ aktualistickým konceptem anglického geologa Charlese Lyella. Současně s geologickými nálezy doby ledové se v odpovídajících stratigrafických vrstvách objevily i zřetelné známky dřívějších meziledových dob. Tato zdánlivá neslučitelnost se stala irelevantní s pokroky v chronostratigrafii a geochronologii, zejména s objevem, že čtvrtohorní doba ledová byla několikrát přerušena meziledovými obdobími, jako byl eemský interglaciál. Po celá desetiletí se představy o možném rozsahu a chování proudění ledovců zakládaly na příkladu alpských ledovců. Geologové v té době vyvozovali globální závěry z této lokální perspektivy a téměř jednomyslně se stavěli proti zvětšování velikosti ledových polí pokrývajících polovinu kontinentů. Tato doktrína se dramaticky změnila s počátkem výzkumu a měření grónského ledového příkrovu ve 2. polovině 19. století.

Až na několik výjimek byla teorie doby ledové nejpozději v roce 1880 všeobecně přijata a vyvinula se v důležitý pilíř geověd v podobě kvartérního výzkumu. Dlouhou dobu však chyběl fundovaný teoretický model, který by dokázal fyzikálně správně popsat příčiny různých teplých a chladných období v historii Země. Základy dnešní klimatologie však vznikaly částečně paralelně s teorií doby ledové a jejich počátky sahají až do 19. století.

Teplota, teplo a tepelné záření Široké používání teploměrů, a to i ve sklenících, začalo v první polovině 18. století (teplotní stupnice podle Fahrenheita, Réaumura a Celsia v letech 1724, 1730 a 1742). V roce 1767 Horace-Bénédict de Saussure změřil intenzitu slunečního záření v údolích a v nadmořské výšce jako teplotu ve skleněných vitrínách umístěných na sobě. Ve vylepšené verzi, prvním „solárním varném boxu“, dosahoval teploty přes 100 °C.

Pozorování dynamiky teplotních změn vedlo ve druhé polovině 18. století Josepha Blacka, objevitele oxidu uhličitého, k rozlišení množství tepla od teploty. Založil koncepty skupenského tepla (dnes termodynamicky nazývaného „konverzní entalpie“) a tepelné kapacity, ale měl mylnou představu o pohonu tepelného toku, který kompenzuje teplotní rozdíly. V roce 1791 dospěl Pierre Prévost k závěru na základě experimentů Saussura a Marca-Augusta Picteta, kteří zobrazovali horká a studená tělesa pomocí kovových konkávních zrcadel na teploměrech že samotné záření může vytvořit termodynamickou rovnováhu mezi tělesy (viz Prévostova věta).náhled|Jean Baptiste Joseph Fourier

Jean Baptiste Joseph Fourier Jean Baptiste Joseph Fourier (1768–1830) vysvětlil atmosférický skleníkový efekt v roce 1824. Všiml si, že Země je mnohem teplejší, než by byla bez atmosféry. Poznamenal, že atmosféra je velmi „dobře průhledná“ pro viditelné světlo, ale ne pro infračervené záření vyzařované zahřátou půdou. Mraky by zmírnily noci tím, že by absorbovaly toto záření. Přirovnal to k efektu Saussurovy sluneční vařiče.

Fourier si uvědomil, že většina výsledného zahřívání varného boxu nebyla způsobena skleníkovým efektem, ale potlačením konvekce. Vytápění boxu tak bylo způsobeno především tím, že sluneční záření působilo jako zdroj tepla a bylo zabráněno cirkulaci mezi venkovním a vnitřním vzduchem. Termín skleníkový efekt, který vznikl na počátku 20. století, se v klimatologii používá dodnes, i když atmosférický skleníkový efekt je primárně založen na klimatických účincích různých skleníkových plynů. Fourier měl pravdu, když tvrdil, že jak přírodní změny, tak vlivy lidské civilizace mohou ovlivnit klima. Takové změny však očekával pouze kvůli změnám odrazivosti, tedy albedu Země. Přestože byl Fourier nepochybně jedním z nejlepších matematiků a vědců své doby, nedokázal matematicky popsat oteplovací účinek skleníkového efektu.náhled|Eunice Newton Foote rozpoznala účinek oxidu uhličitého na zachycování tepla v roce 1856 a ocenila jeho důsledky pro planetu.

Eunice Newton Foote Oteplovací účinek slunečního světla na různé plyny zkoumala v roce 1856 Eunice Newton Footeová, která popsala své experimenty se skleněnými trubicemi vystavenými slunečnímu záření. Hřejivý účinek slunce byl větší u stlačeného vzduchu než u evakuované trubice a větší u vlhkého vzduchu než u suchého vzduchu. „Za třetí, největší účinek slunečních paprsků jsem zjistila v plynném kysličníku uhličitém.“ (oxid uhličitý) Pokračovala: „Atmosféra tohoto plynu by dala naší Zemi vysokou teplotu; A jestliže, jak se někteří domnívají, se v určitém období jeho dějin vzduch smísil s ním ve větším množství než dnes, musela nutně vzniknout zvýšená teplota v důsledku jeho působení i v důsledku zvýšené hmotnosti.“ Její práce byla prezentována profesorem Josephem Henrym na setkání Americké asociace pro pokrok ve vědě v srpnu 1856 a popsána jako stručná poznámka napsaná tehdejším novinářem Davidem Amesem Wellsem; Její článek byl publikován později téhož roku v časopise American Journal of Science and Arts. Málokdo si příspěvku všiml a byl znovu objeven až v 21. století, náhled|John Tyndall