Časová osa vědeckého poznání a politických rozhodnutí.

Herschel rozložil sluneční světlo hranolem a teploměry měřil zahřívání v jednotlivých barvách i za červeným okrajem viditelného spektra. Nejvyšší hodnotu naměřil právě v oblasti, kterou oko nevidí, a dalšími pokusy ověřoval, že se tyto neviditelné paprsky dají odrážet a lámat. Objev infračerveného záření rozšířil fyziku světla za hranice lidského zraku. Pro pozdější klimatologii je zásadní proto, že Země většinu energie nevyzařuje jako viditelné světlo, ale právě v infračervené části spektra, kterou lze měřit pouze přístroji.

Fourier položil otázku, čím je určena průměrná teplota Země, a spojil ji s rovnováhou mezi energií přijatou od Slunce a teplem, které planeta odevzdává do vesmíru. Upozornil, že samotná vzdálenost od Slunce pozorovanou teplotu nevysvětluje a že atmosféra ovlivňuje ochlazování povrchu. Význam práce spočívá v zavedení planetární energetické bilance jako fyzikálního problému, který lze počítat a porovnávat s pozorováním. Fourier ještě neznal molekulární absorpci plynů, ale vymezil otázku, na kterou později odpovídaly laboratorní spektroskopie i klimatické modely.

Footeová vystavila slunečnímu záření dvojici skleněných válců s teploměry a porovnávala vzduch, vlhký vzduch, vodík a oxid uhličitý. Válec s oxidem uhličitým se zahřál výrazněji a chladl pomaleji; autorka z toho usoudila, že atmosféra s větším podílem tohoto plynu by měla vyšší teplotu. Šlo o první známou publikovanou experimentální práci, která výslovně spojila množství oxidu uhličitého s teplotou planety. Jednoduché uspořádání ještě neoddělovalo jednotlivé způsoby přenosu tepla, ale položilo jasnou, měřitelnou otázku pro další laboratorní výzkum.

Tyndall vedl tepelné záření dlouhou trubicí uzavřenou deskami z kamenné soli, plnil ji různými plyny a změnu prošlého záření měřil termočlánkem s galvanometrem. Prokázal, že hlavní složky vzduchu, dusík a kyslík, záření propouštějí podstatně lépe než vodní pára, oxid uhličitý a některé další plyny. Práce tak poskytla přímý laboratorní mechanismus, kterým i malé množství určitého plynu může ovlivnit přenos tepla atmosférou. Z obecné představy o tepelném působení atmosféry se stal problém selektivní absorpce a emise, který bylo možné dále přesně měřit.

Croll spojil výpočty změn výstřednosti zemské dráhy a precese s rozdělením sluneční energie mezi roční období a polokoule. Samotnou změnu záření nepovažoval za celé vysvětlení: uvažoval také sníh a led, odrazivost povrchu, mořské proudy a další procesy, které mohou počáteční změnu zesílit. Vznikla tak první soustavná astronomická teorie střídání ledových a meziledových období. Přestože byly některé její časové odhady později opraveny, Croll ukázal, jak propojit nebeskou mechaniku s pozemskými zpětnými vazbami a vytvořit předpovědi ověřitelné geologickým záznamem.

Langley vyvinul mimořádně citlivý bolometr a při měřeních na Mount Whitney sledoval sluneční záření v různých částech spektra a při různé tloušťce atmosféry nad přístrojem. Dokázal tak podrobněji rozlišit, které vlnové délky atmosféra propouští a které pohlcuje, a zpřesnil odhad energie přicházející od Slunce. Jeho práce spojila spektroskopii s kvantitativním měřením radiační bilance a poskytla data, z nichž později čerpal Arrhenius. Bolometrický princip se navíc stal základem citlivých detektorů používaných v infračervené astronomii, meteorologii i družicovém pozorování Země.

Högbom se pokusil sestavit rozpočet uhlíku v přírodě: porovnával jeho množství v atmosféře, oceánu a horninách s přísunem ze sopek, zvětráváním, ukládáním uhličitanů a dalšími toky. Do stejného rámce zahrnul také oxid uhličitý vznikající spalováním uhlí a ukázal, že lidský zdroj už lze velikostí srovnávat s některými přírodními geologickými toky. Význam práce spočíval v převodu uhlíkového cyklu z kvalitativního popisu na bilanci zásob a toků. Arrhenius díky ní mohl posuzovat nejen účinek oxidu uhličitého na teplotu, ale i reálnost změny jeho atmosférického množství.

Arrhenius využil tehdejší měření infračervené absorpce a ručně počítal, jak by různé množství oxidu uhličitého změnilo teplotu v jednotlivých zeměpisných šířkách a ročních obdobích. Zahrnul také odezvu vodní páry a změny sněhové pokrývky a odhadl oteplení při zdvojnásobení koncentrace. Šlo o první kvantitativní výpočet citlivosti zemského klimatu na oxid uhličitý v celoplanetárním měřítku. Číselné hodnoty nesly omezení tehdejší spektroskopie, ale podstatný byl nový postup: fyzikální teorii převedl na konkrétní, kontrolovatelné výsledky, které mohly další generace zpřesňovat.

Callendar spojil tři do té doby často oddělené části problému: odhady růstu atmosférického oxidu uhličitého, nové výpočty jeho absorpce a teplotní záznamy z přibližně dvou set meteorologických stanic. Z dostupných měření vyvodil, že se povrch Země během předchozího půlstoletí oteploval a že část změny může souviset se spalováním fosilních paliv. Význam práce spočíval v konfrontaci teorie s naměřeným vývojem skutečné atmosféry. Oživila zájem o uhlíkovou teorii klimatu a stanovila výzkumný program, v němž se společně sledují emise, koncentrace, záření a teplota.

Emiliani měřil poměr izotopů kyslíku ve schránkách dírkonošců uložených v hlubokomořských sedimentárních jádrech z Atlantiku, Karibiku a Tichého oceánu. Změny poměru vyložil především jako změny teploty oceánu a odhalil opakované glaciální cykly namísto několika málo nesouvisejících dob ledových. Pozdější práce ukázaly, že signál výrazně ovlivňuje také objem pevninského ledu, tím však význam metody vzrostl: vznikla souvislá mořská izotopová stratigrafie. Ta umožnila porovnávat záznamy napříč oceány, prověřit orbitální teorii a položila základy moderní paleoceanografie.

Plass využil přesnější laboratorní spektra a digitální výpočty k rozboru absorpčního pásu oxidu uhličitého kolem 15 mikrometrů v jednotlivých vrstvách atmosféry. Ukázal, proč silná absorpce uprostřed pásu neznamená, že další oxid uhličitý nemůže ovlivnit záření: mění se absorpce na okrajích pásu a ve vyšších, řidších vrstvách. Jeho model byl proti dnešním modelům jednoduchý, ale vrátil problém oxidu uhličitého do moderní spektroskopie a výpočetní fyziky. Především ukázal cestu od laboratorních spekter k číselnému odhadu změny radiační bilance a teploty.

Charles David Keeling zahájil na observatoři Mauna Loa přesná a pravidelně kalibrovaná měření oxidu uhličitého v čistém oceánském vzduchu. Už první roky ukázaly dvě odlišné vlastnosti záznamu: pravidelné kolísání během roku a růst průměrné koncentrace mezi jednotlivými roky. Takzvaná Keelingova křivka proměnila úvahu o hromadění oxidu uhličitého v atmosféře v nepřetržité přímé pozorování. Její význam spočívá také v zavedení přísných standardů odběru, kalibrace a návaznosti měření, díky nimž lze dnešní hodnoty spolehlivě porovnávat s počátkem programu.

Manabe a Wetherald sestavili fyzikální model svislého sloupce atmosféry, v němž společně počítali přenos záření, proudění a rozložení vodní páry. Zkoumali, jak se ustálená teplota v různých výškách změní při jiné koncentraci oxidu uhličitého, a zachytili přitom oteplování spodní atmosféry i ochlazování výše položených vrstev. Práce se stala základem moderního modelování klimatu, protože převedla známé fyzikální zákony do výpočtu celé atmosférické struktury a ukázala, jak do výsledku vstupuje zesílení spojené s vodní párou. Na tento postup navázaly prostorové klimatické modely.

Hays, Imbrie a Shackleton analyzovali hlubokomořská sedimentární jádra a hledali v nich pravidelné rytmy odpovídající změnám výstřednosti zemské dráhy, sklonu osy a precese. Ve zhruba půlmilionovém záznamu našli periody předpovězené astronomickými výpočty a ukázali, že změny oběžné dráhy určují tempo střídání ledových a meziledových období. Tím poskytli dlouho očekávaný kvantitativní test Milankovićovy teorie. Práce současně ukázala, že malé, přesně načasované změny slunečního záření mohou být prostřednictvím ledu, oceánu a atmosféry zesíleny do rozsáhlé proměny klimatu.

Americká Národní akademie věd pověřila skupinu vedenou Julem Charneym, aby nezávisle posoudila, jaké oteplení lze očekávat při zdvojnásobení koncentrace oxidu uhličitého. Odborníci porovnali dva tehdy nejpokročilejší atmosférické modely, zhodnotili hlavní zpětné vazby a dospěli k pravděpodobnému rozmezí 1,5 až 4,5 °C. Charneyho zpráva nebyla prvním výpočtem tohoto účinku, ale stala se vzorem stručné odborné syntézy: oddělila dobře podložený směr změny od nejisté přesné velikosti a vymezila rozmezí, které zůstalo ústředním měřítkem klimatického výzkumu po další desetiletí.

Barnola a jeho spolupracovníci změřili oxid uhličitý ve vzduchových bublinách uzavřených v ledovém jádru z antarktické stanice Vostok. Spolu s izotopovými údaji o minulých teplotách vznikl záznam dlouhý přibližně 160 000 let, v němž nízké koncentrace oxidu uhličitého provázely ledové doby a vyšší koncentrace teplejší období. Práce rozšířila přímé rozbory atmosférických plynů daleko před éru přístrojových měření a propojila chemii starého vzduchu s fyzickým záznamem klimatu. Pozdější hlubší vrty tento společný vývoj potvrdily přes několik dalších glaciálních cyklů.