A 19. század első felében a spektroszkópia is jelentős fejlődésen ment keresztül. A kutatók a legkülönbözőbb anyagok kibocsátási és elnyelési tulajdonságait kezdték vizsgálni, amelyek később elvezettek a sugárzási törvényszerűségek felismeréséhez is. A légköri energiaelnyelés kapcsán többnyire John Tyndall (1820–1893) angol–ír fizikus munkáit hivatkozzák, aki 1861-ben Baker-díjasként a Royal Societynek ismertethette kilenc gáz és húsz gőz hősugárzás-elnyelésére vonatkozó vizsgálatait (Tyndall, 1861). Tyndall hivatkozott munkája alapvetően technikai jellegű. A kísérleti berendezés felépítésével, tesztelésével, a mérések során felmerülő problémákkal foglalkozik, emellett táblázatos formában közli mérései eredményeit. A vízgőzre, a szén-dioxidra (a korabeli szóhasználatban: szénsav) és a vizsgált szénhidrogénekre vonatkozó eredményekhez azonban a légkörrel kapcsolatban egy pár mondatos értelmezést fűzött:

„De Saussure, Fourier, M. Pouillet és Hopkins a földi kisugárzás ezen feltartóztatását az éghajlatot befolyásoló legfontosabb hatásnak tekinti. Nos, mivel a fenti kísérletek azt mutatják, hogy a fő hatást a vízgőz gyakorolja, ennek az alkotóelemnek minden változása éghajlatváltozást kell eredményezzen. Ugyanez a helyzet a levegőben szétoszló szénsavval is. Továbbá, bármilyen szénhidrogén-gőz jelentéktelen mennyiségű bekeveredése is nagy hatással lenne a földi kisugárzásra, és ennek megfelelően éghajlatváltozást eredményezne. Ezért nem szükséges feltételeznünk a légkör sűrűségének és magasságának megváltozását ahhoz, hogy megmagyarázzuk, miért őrzött meg a Föld eltérő mennyiségű hőt az idők folyamán; ehhez elegendő a változó alkotóelemek enyhe megváltozása. Valójában az ilyen változások idézhették elő az éghajlat minden olyan változatát, melyeket a geológusok kutatásai feltártak.” (Tyndall, 1861, 28–29.)1

További két, légköri vízgőzzel foglalkozó munkájában a vízgőz hővisszatartó tulajdonságával magyarázza a különösen száraz levegőjű területek erőteljes éjszakai lehűlését, illetve feltételezi, hogy az emelkedő levegő lehűlése nemcsak a tágulásának köszönhető, hanem annak is, hogy a felette lévő ritkább levegő már kevésbé akadályozza a hő távozását a világűr felé. Tyndall a vízgőzt egyfajta gáthoz hasonlította, amely meghatározott szintig felduzzasztja az alatta lévő légrétegben a hőt, míg a többlet átbukik a gáton és a világűr felé távozik: „The aqueous vapour constitutes a local dam, by which the temperature at the earth’s surface is deepened: the dam, however, finally overflows, and we give to space all that we receive from the sun.” (Tyndall, 1863, 205.) A „túlfolyó” biztosítja, hogy végül annyi energia távozzon a bolygóról, mint amennyi érkezik. A szén-dioxid és a szénhidrogének légköri szerepével az 1861-es, már idézett munkájában szereplő egyetlen bekezdésen túlmenően Tyndall nem foglalkozott.

Thomas Sterry Hunt (1826–1892) kanadai geológus azonban felismerte Tyndall felfedezésének jelentőségét. Azt korábban is feltételezték, hogy a szén- és kőolajtelepek a földtörténeti múlt vegetációjából képződtek. A növények fotoszintézise révén a szén és szénszármazékok közvetetten a hajdani légkör szén-dioxidjából képződtek. Tyndall felfedezésével pedig magyarázatot nyert, legalábbis hipotézis szintjén, hogy a többlet szén-dioxidnak lehetett köszönhető az a melegebb, és ennek következtében nedvesebb éghajlat, amely bizonyos földtörténeti korok dús vegetációját táplálta (Hunt, 1863). Burkoltan már itt megjelent az, amit ma vízgőz-visszacsatolásnak hívunk: a melegebb éghajlat egyben magasabb légköri vízgőztartalmat eredményezhetett, ami maga is hozzájárult a felszíni hőmérséklet megemeléséhez.

Valójában nem Tyndall volt az első, aki a légköri vízgőz és szén-dioxid hőelnyelő tulajdonságát felismerte. Eunice Foote (1819–1888), amatőr kutatónő már az 1850-es években vizsgálta a száraz levegő, a nedves levegő és a légkörben régóta tudottan jelen lévő szén-dioxid sugárzáselnyelését, valamint az elnyelés nyomásfüggését. A napfényt használta energiaforrásként és hőmérséklet-méréssel detektálta az eltérő elnyelést. Megállapította, hogy amennyiben szén-dioxidból a jelenleginél több keveredik a légkörbe, az a hőmérséklet emelkedését kell hogy okozza. Eredményeit a ma is tevékeny Amerikai Egyesület a Tudományos Haladásért (American Association for the Advancement of Science – AAAS) 1856. évi konferenciáján kívánta bemutatni. Bár az egyesületnek 1850-től már nők is tagjai lehettek, Foote nem volt tag, ezért dolgozatát a Smithsonian Institution vezetője olvasta fel. Az eredmények nyomtatásban is megjelentek az egyesület lapjában (Foote, 1856). Tekintettel az internet, a telefax és a légiposta korabeli hiányára, a 19. század közepén a tudományos eredmények még csak szórványosan és lassan jutottak át az óceánon. Sir Roland Jackson, a brit The Royal Institution Tyndall-kutatója szerint nagyon valószínű, hogy Tyndall nem tudott Foote vizsgálatairól, tőle függetlenül következtetett a vízgőz és a szén-dioxid éghajlat-befolyásoló hatására (Jackson, 2019).

Foote ténylegesen nem a földfelszín hőmérsékleti kisugárzásának, hanem a Napból érkező közeli infravörös sugárzásnak az elnyelését vette észre, és sem ő, sem Tyndall nem ismerte fel az üvegházhatás lényegét, a légköri visszasugárzást.

Mai szóhasználattal Arrhenius modellje egy nulladimenziós energia-egyensúlyi modell volt, amelyben a felszín hőmérséklete lényegében csak a légkör hosszúhullámú átbocsátó képességétől függött (Arrhenius, 1896). A cél nem a felszíni hőmérséklet kiszámítása volt, erre a modell nem is lett volna alkalmas, hanem a geológusok által becsült éghajlatváltozások előidézéséhez szükséges szén-dioxid-mennyiség változásának meghatározása. A vízgőz mindenkori légköri mennyiségét Arrhenius logikus módon a kialakuló hőmérséklethez kötötte a relatív nedvesség rögzítésével, így a modellben a vízgőz-visszacsatolást figyelembe vette. A jégborítottság változásával járó albedóváltozással, bár a jelenségre az eredmények értékelésénél utalt, nem tudott számolni. Arrhenius számításai szerint mintegy 40%-kal kellett alacsonyabbnak lennie a légkör szén-dioxid-koncentrációjának az általa aktuálisként ismert 0,03%-nál (300 ppm) a jégkorszakok idején, míg a meleg időszakok 8-9 fokkal magasabb hőmérsékletéhez 2,5-3-szoros koncentráció tartozhatott (Arrhenius, 1896). Kortársa, Nils Ekholm (1848–1923) svéd meteorológus továbbgondolta Arrhenius eredményeit, és felvetette, hogy a széntüzelés révén a légkörbe kerülő nagy mennyiségű szén-dioxid a bolygó melegedését okozhatja (Ekholm, 1901). Arrhenius saját, ezzel kapcsolatos gondolatait a magyarul is megjelent A világok keletkezése (Worlds in the Making) című könyvében fejtette ki (Arrhenius, 1908). Mint a hűvös, skandináv éghajlat alatt élő tudós, úgy gondolta, némi melegedés egyáltalán nem ártana. Kellemesebbé tenné az éghajlatot, növelné a mezőgazdasági terméshozamokat. A minden bizonnyal ismét közeledő jégkorszak elkerülésével pedig nem kényszerülnének az északi népek arra, hogy Afrika melegebb éghajlatú területeire vándoroljanak. Ugyanakkor úgy becsülte, az észrevehető melegedésig évszázadok telnének el, mivel az ipar által kibocsátott szén-dioxid 5/6-át a gáz jó oldhatósága miatt az óceánok elnyelnék, így légköri hatást nem fejthetne ki (Arrhenius, 1908). Bár egy egyensúlyi rendszerben Arrhenius becslése nagyjából megállná a helyét, a valóság dinamikus rendszer, ahol a folyamatok sebességével is számolnunk kell. Az óceán nem feltétlenül képes olyan ütemben felvenni a szén-dioxidot, amilyen ütemben a légkörbe kerül. Ha a kibocsátás üteme meghaladja a felvételét (ez volt a helyzet már Arrhenius idején, és ez a helyzet jelenleg is), akkor megindul a légköri felhalmozódás, és így sokkal erősebb az éghajlati hatás, mint amit egyensúlyi esetre számolnánk. Bár Arrhenius volt az, aki először próbálta kiszámítani, hogy a légköri szén-dioxid-mennyiség megváltozása milyen mértékű hőmérsékletváltozást okoz (1896), Ekholm volt az, aki a fent idézett munkájában (1901) az emberi tevékenység potenciális éghajlat-változtató hatására felhívta a figyelmet. Ennek ellenére manapság a legtöbb publikáció Arrhenius 1896-os munkáját jelöli meg az antropogén éghajlat-változtatás első felvetéseként.

A légköri szén-dioxid és vízgőz éghajlati szerepének vizsgálatában fordulópontot jelentettek Knut Ångström (1857–1910) svéd fizikus spektroszkópiai mérései. Ezek azt mutatták, hogy a légköri szén-dioxid-tartalom olyan nagy, hogy felezése vagy duplázása a felszín hőmérsékleti kibocsátásának hullámhossztartományában az elnyelésben csupán néhány tized százalékpontos különbséget eredményez. A légkör tehát szén-dioxid tekintetében telítettnek mondható, mennyiségének változása érdemi éghajlatváltozást nem okozhat (Ångström, 1900). Arrhenius ugyan spektroszkópiai, módszertani oldalról támadta Ångström eredményeit, de a döntő probléma nem a mérési eredményekkel, hanem azok értelmezésével volt.

Fourier tisztában volt azzal, hogy a légkör mozgó közeg, amelyben a hő áramlással (is) terjed. Saussure hőcsapdadobozának üvegfedelét, amely megakadályozta a felmelegedett levegő távozását, pusztán hasonlatként használta a légkörre. Követői is tisztában voltak azzal, hogy az üvegház hasonlat fizikailag rossz, mivel az üvegtető elsősorban a levegőcsere megakadályozásával tartja fenn a benti meleget, és kevésbé a hőmérsékleti sugárzás elnyelésével. A hasonlat azonban annyira szemléletes volt, hogy a jelenség lényegével tisztában lévő tudósok gondolkodását is megzavarta. A Pouillet, Tyndall és mások által megfigyelt jelenségek magyarázatához elég volt a légkört egyetlen rétegnek tekinteni, mint az üveglapot. Arrhenius modellje is egyetlen levegőrétegből állt. Ångström azért értelmezhette félre kísérletei eredményét, mert a légkört ugyancsak egyetlen rétegnek képzelte el, és nem vette észre, hogy éghajlati szempontból nem az az érdekes, hogy a felszínről kiinduló sugárzás közvetlenül áthatol-e a teljes légkörön (ezt mérte a kísérletében), hanem az, hogy az energiaelnyelés és -kisugárzás a légkörön belül hol és hogyan történik.

A felszínről kiinduló hőmérsékleti sugárzást a légkör bizonyos nyomanyagai, elsősorban a vízgőz és a szén-dioxid, elnyelik, majd az elnyelt energiát a molekulák ütközése révén a légkör más alkotóinak is átadják, felmelegítve az adott légréteget. Ez a légréteg ugyancsak hőmérsékleti sugárzást bocsát ki, mind a felszín felé, mind felfelé, amelyet ismét csak elnyelnek az erre képes molekulák. Felfelé haladva azonban az egyre ritkuló légkörben az elnyelési úthossz is egyre nő, a kibocsátott energiának egyre nagyobb hányada el tudja hagyni a bolygót. Bizonyos magasság feletti légrétegekből már annyi energia tud távozni, amennyi – egyensúlyi esetben – megegyezik a Napból a Földre érkező energia felszín és légkör által elnyelt részével. Ha nő (vagy csökken) a hőmérsékleti sugárzást elnyelő gázok mennyisége a légkörben, akkor ez a kritikus réteg egyre magasabbra (alacsonyabbra), hidegebb (melegebb) régióba kerül. E réteg hőmérsékletének azonban arra a szintre kell emelkednie (süllyednie), hogy a kisugárzott energia ismét egyensúlyba kerüljön a beérkező energiamennyiséggel, ami a légkörben a konvekció révén kialakuló adiabatikus hőmérsékleti gradiens miatt a felszíni rétegek felmelegedésével (lehűlésével) áll be. Mindezt a kor tudósai is tudták, hiszen a fenti leírás Ekholm 1901-ben megjelent munkájából származik (Ekholm, 1901). A jelenség mai tudásunk szerint valamivel komplexebb (sugárzási és konvektív energiaátvitel, elnyelési sávszélességek nyomásfüggése stb.), de a leírás alapvetően jól tükrözi a valóságot. Megmagyarázza, hogy a koncentráció növekedése miért vonja maga után a felszíni hőmérséklet növekedését. Éghajlati szempontból a légkör nem igazán tud szén-dioxidban telítetté válni, bár a hőmérsékleti hatás a koncentrációnak nem lineáris függvénye. Fura módon a légkör szén-dioxiddal való telítettsége még ma, 120 évvel Ekholm, lényegét tekintve helyes magyarázata után is fel-felbukkan klíma(változás-)szkeptikus körökben.

1931-ben Edward Olson Hulburt (1890–1982) amerikai geofizikus a sztratoszféra hőmérsékleti viszonyait tanulmányozva vetette fel ismét, hogy a szén-dioxidnak esetleg mégis szerepe lehet a felszíni hőmérséklet alakításában (Hulburt, 1931). Nála már felbukkan mind a sugárzási, mind a konvektív folyamatok egyidejű figyelembevétele. Guy Stewart Callendar (1898–1964) brit gépészmérnök, amatőr meteorológus pedig 1938-ban összefüggést vélt felfedezni a légköri szén-dioxid-koncentráció növekedése és a felszíni hőmérséklet növekedése között (Callendar, 1938). Munkáját erős kétkedéssel fogadták, részint a hőmérsékleti, részint a koncentráció trendek bizonytalansága és némi szakmai sznobizmus miatt. Callendar végzettsége szerint ugyanis mérnök volt, nem „tudós”. Callendar ugyanakkor alapos infravörös spektroszkópiai ismeretekkel rendelkezett. Ismerte Arrhenius és mások munkáit, és a földtörténeti éghajlatváltozásokkal kapcsolatos számtalan feltételezés egyikét sem érezte eléggé meggyőzőnek, ezért fogott önálló kutatásokba (Fleming, 2007). Callendar a légkört már rétegekre bontva, a korábbiaknál lényegesen pontosabb spektroszkópiai adatokra támaszkodva végezte számításait. A hőmérsékleti trendeknél pedig megpróbált figyelni a méréseket esetleg torzító hatásokra, például a városi hőszigetek kialakulására. A nagyjából fél évszázados időszakra számított 0,005 °C/év-es globális hőmérsékleti trendből, számításai szerint 0,003 °C/év-etokozhatott a szén-dioxid-koncentráció növekedése. A tanulmány az 1950-es évek közepéig visszhangtalan maradt. Számításait azonban az 1950-es években már más kutatók is megerősítették, és mások mellett jelentős szerepe volt abban, hogy az 1957–1958-as Nemzetközi Geofizikai Év keretében megindultak a rendszeres légköri szén-dioxid-mérések.

Ugyanebben az időben, az 1950-es évek elején a sorozatos légköri nukleáris robbantások szükségessé tették, hogy nyomon kövessék a keletkező, részben radioaktív termékek sorsát, kikerülését a légkörből. Ebben nagy segítséget jelentett az ekkor már üzembiztosan hadra fogható tömegspektrometria, mellyel a különböző izotópok elkülöníthetők voltak.

A légköri nukleáris robbantások egyik jellegzetes terméke a szén 14-es tömegszámú, radioaktív izotópja (14C, radiokarbon). A fák évgyűrűinek elemzése azt mutatta, hogy ennek az izotópnak a bomlási sebességgel korrigált részaránya a fák évgyűrűiben az évszázad elejétől egészen a robbantások megkezdéséig fokozatosan csökkent (Suess, 1955), azaz a légkörben is egyre csökkenő arányban lehetett jelen a radiokarbont tartalmazó szén-dioxid. Természetes körülmények között a radiokarbon a kozmikus sugárzás hatására, a naptevékenység ingadozásától eltekintve, állandó ütemben keletkezik a légkörben. Ezzel egyidejűleg 5730 éves felezési idővel bétabomlás révén állandó ütemben bomlik. A két folyamat együtt közelítőleg állandó – egyensúlyi – koncentrációt eredményez. A radiokarbon csökkenő részaránya a légköri szén-dioxid „hígulását”, azaz radiokarbont nem tartalmazó szén-dioxid felhalmozódását jelenti. Radiokarbon-mentes szén a légkörrel régóta anyagcserét nem folytató széntárolókból kerülhet a levegőbe, melyekben a radiokarbon már elbomlott. Ilyen széntároló a litoszféra, ahonnan radiokarbon-mentes szén a vulkáni tevékenység (vulkánkitörések, szivárgások és hasonlók) révén, illetve a kibányászott fosszilis tüzelőanyagok elégetése révén juthat a légkörbe. Az eleve kis hozamú vulkáni tevékenységben számottevő változás nem történt, a fosszilis tüzelőanyagok egyre növekvő felhasználása azonban már a 19. századtól a statisztikai adatokból jól nyomon követhető volt. Ebből következően jutott el Roger Revelle (1909–1991) és Hans Suess (1909–1993), a Scripps Oceanográfiai Intézet (San Diego, California, USA) igazgatója és munkatársa arra, hogy az emberi tevékenységből származó szén-dioxid a légkörben valószínűleg felhalmozódik, és ennek messze ható éghajlati következményei lehetnek (Revelle–Suess, 1957). Ez a gyanú vezetett el aztán ahhoz, hogy 1957-ben a Nemzetközi Geofizikai Év keretében megindultak a folyamatos, nagy pontosságú légköri szén-dioxid-koncentráció mérések, amelyek néhány éven belül igazolták ennek az üvegházhatású anyagnak a légköri felhalmozódását.

A napjainkban tapasztalt éghajlati változások az éghajlati modellek megbízhatósági határain belül összhangban vannak az üvegházhatás erősödésével. Mindez természetesen nem zárja ki, hogy ne lehetnének egyéb ható tényezők is, de a potenciálisan leginkább érintett tudományterületek, a csillagászat és a geofizika eddig nem bukkant olyan természeti folyamatra, melynek hatása összemérhető lenne az üvegházhatás erősödésével, és ugyanígy, tendenciaszerű változást okozhatna. A Nap energiakibocsátásában megfigyelt enyhe növekedés jelentéktelen az üvegházhatású gázok mennyiségének növekedése által keltett energetikai kényszerhez képest (Myhre et al., 2013). Napjaink éghajlatkutatása előtt tehát nem annyira az a kérdés áll, hogy mi okozza a tapasztalt éghajlatváltozást, hiszen régóta ismerjük a meghatározó okot, hanem az, hogy milyen mértékű és ütemű változással kell szembenéznünk.