Havaintoihin perustuva todisteketju ihmisten aiheuttamasta ilmaston lämpenemisestä on seuraavanlainen:

Me lisäämme hiilidioksidipitoisuutta

Ihmisperäiset hiilidioksidipäästöt lasketaan kansainvälisistä energiatilastoista, joissa taulukoidaan hiilen, ruskohiilen, turpeen ja raakaöljyn tuotanto kansakunnittain ja vuosittain tilaston ulottuessa menneisyyteen vuoteen 1751 asti. Hiilidioksidipäästöt ovat lisääntyneet voimakkaasti viimeisen vuosisadan aikana nousten vuonna 2006 arvoon 29 miljardia tonnia hiilidioksidia vuodessa (EIA).

Ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta mitataan sadoilta mittausasemilta ympäri maapalloa. Riippumattomia mittauksia tehdään myös lentokoneista ja satelliiteista. Ajanjaksoille ennen vuotta 1958 hiilidioksidipitoisuus määritellään ilmakuplista, jotka on saatu maapallon navoilta saaduista jääkairauksista. Esiteollisella ajalla viimeisen 10000 vuoden aikana hiilidioksidipitoisuus oli suhteellisen vakaa pysyen noin 275-285 miljoonasosassa. Viimeisen 250 vuoden aikana ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on noussut noin sadalla miljoonasosalla. Nykyään ilmakehän hiilidioksidin määrä nousee noin 15 gigatonnia (15 miljardia tonnia) joka vuosi.

Kuva 1. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus (vihreä on Law Domen jääkairausnäyte, sininen on Havaijin Mauna Loa) ja kumulatiiviset hiilidioksidipäästöt (CDIAC). Vaikka hiilidioksidipitoisuus ilmaistaan yleensä miljoonasosina, niin tässä se on esitetty ilmakehään jäävänä hiilidioksidimääränä gigatonneissa. Hiilidioksidipäästöt käsittävät fossiilisten polttoaineiden, sementintuotannon ja kaasunpolton päästöt.

Ihmiset päästävät ilmakehään yli kaksi kertaa niin paljon hiilidoksidia kuin sinne jää. Luonto vähentää vaikutustamme ilmastoon "nielemällä" yli puolet päästöistämme. Ilmaan jäävän ihmisperäisen hiilidioksidin määrä, jota kutsutaan "ilmaanjääväksi osuudeksi (airborne fraction)", on ollut 43%:n paikkeilla vuodesta 1958 asti.

Hiilidioksidi pidättää lämpöä

Säteilyfysiikan ja vuosikymmeniä jatkuneiden laboratoriomittausten perusteella hiilidioksidin lisäyksen ilmakehässä odotetaan pidättävän enemmän infrapunasäteilyä, kun se karkaa takaisin avaruuteen. Vuonna 1970 NASA laukaisi IRIS-satelliitin mittaamaan infrapunasäteilyn spektriä. Vuonna 1996 Japanin avaruusjärjestä laukaisi IMG-satelliitin, joka teki samanlaisia havaintoja. Datasettejä vertailtiin, jotta voitaisiin hahmottaa lähtevän säteilyn muutokset kyseisen 26 vuoden jakson aikana (Harries 2001). He löysivät pudotuksen lähtevässä säteilyssä niillä aallonpituusalueilla, joilla kasvihuonekaasut, kuten hiilidioksidi ja metaani, absorboivat energiaa. Muutos uloslähtevässä säteilyssä täsmäsi teoreettisten odotuksien kanssa. Niinpä tutkimuksessa löydettiin "suoria kokeellisia todisteita merkittävään Maapallon kasvihuoneilmiön voimistumiseen". Tämän tuloksen ovat vahvistaneet myöhemmät tutkimukset, joissa on käytetty myös uudempien satelliittien dataa (Griggs 2004, Chen 2007).

Kuva 2. Kasvihuonekaasujen aiheuttama muutos spektrissä vuodesta 1970 vuoteen 1996. "Brightness temperature" osoittaa vastaavaa mustan kappaleen lämpötilaa (Harries 2001).

Kun kasvihuonekaasut pidättävät infrapunasäteilyä, pidätetty energia lämmittää ilmakehää, joka vuorostaan säteilee infrapunaa joka suuntaan. Osa säteilystä päätyy takaisin maapallon pinnalle. Niinpä odotamme näkevämme enemmän infrapunasäteilyä menevän ilmakehästä alaspäin. Pintamittauksissa vuosien 1973 ja 2008 välillä havaitaan kasvava trendi maapallon pinnalle palaavan infrapunasäteilyn määrässä (Wang 2009). Paikallisessa tutkimuksessa Alppien keskiosissa havaittiin, että alaspäin tulevan infrapunasäteilyn määrä kasvaa voimistuneen kasvihuoneilmiön takia (Philipona 2004). Tutkimuksessa, jossa tämä vietiin vielä askeleen pidemmälle, korkearesoluutioisen spektridatan analyysissä oli mahdollista määrittää alaspäin tulevan säteilyn suuruus jokaiselle kasvihuonekaasulle erikseen (Evans 2006). Tuloksien perusteella tutkijat tekevät johtopäätöksen: "tämän kokeellisen tiedon pitäisi panna piste skeptikkojen argumentille, ettei kokeellista todistetta ilmakehän kasvihuonekaasujen lisääntymisen vaikutuksesta ilmaston lämpenemiseen ole."

Kuva 3. Maapallon pinnalta mitattu kasvihuonekaasujen säteilyn spektri. Vesihöyryn aiheuttama kasvihuoneilmiö on suodatettu pois, jotta muiden kasvihuonekaasujen vaikutus näkyy selvemmin (Evans 2006).

Planeetalle kerääntyy lämpöä

Kun energiaa tulee enemmän kuin sitä karkaa avaruuteen, ilmastoomme kerääntyy lämpöä. Planeetan kokonaislämmön kasvaminen on määritelty laskemalla yhteen meren, ilmakehän, maan ja jään lämpösisällöt (Murphy 2009). Meren lämpösisältö määritettiin 3000 metrin syvyydelle asti. Ilmakehän lämpösisältö laskettiin pintalämpötilamittausten ja troposfäärin lämpökapasiteetin perusteella. Maan ja jään lämpösisältö (eli energia, joka tarvitaan jään sulattamiseen) laskettiin myös mukaan.

Kuva 4. Maapallon kokonaislämpösisältö vuodesta 1950 (Murphy 2009). Merien mittaukset on lähteestä Domingues et al 2008.

Vuosien 1970 ja 2003 välillä planeetallemme on kerääntynyt lämpöä 190260 gigawatin tahdilla pääosan energiasta mennessä meriin. Tyypillisen ydinvoimalan teho on yksi gigawatti, joten kuvittele 190000 ydinvoimalaa puskemassa kaiken tuottamansa energian suoraan mereen. Entä vuoden 2003 jälkeen? Meren lämpösisällöstä 2000 metrin syvyyteen asti vuosien 2003 ja 2008 välillä on tehty kartta (von Schuckmann 2009). Maailman meriin on kerääntynyt lämpöä vuoden 2008 lopulle asti tahdilla 0,77 ± 0,11 Wm⁻², joka on sopusoinnussa muiden planeettamme energian epätasapainoa määritelleiden tutkimusten kanssa (Hansen 2005, Trenberth 2009). Planeetallemme kerääntyy edelleen lämpöä.

Kuva 5. Globaalin keskimääräisen lämpövaraston aikasarja (0–2000 m) ilmaistuna yksiköissä 10⁸ Jm^-2.

Meillä on siis suora todisteketju siitä, että aiheutamme ilmaston lämpenemistä. Ihmisten hiilidioksidipäästöt ylittävät ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden nousun vaatiman määrän selvästi. Satelliiteista ja maan pinnalta tehdyt mittaukset vahvistavat voimistuneen kasvihuoneilmiön. Kokonaislämpösisällön laskeminen ja meren lämpötilan mittaukset vahvistavat planeettamme energian epätasapainon.