Hiilidioksidin kasvihuonekaasuominaisuudet on tunnettu jo yli sadan vuoden ajan. Vuonna 1861 John Tyndall julkaisi laboratoriokokeiden tuloksia, joissa hiilidioksidi havaittiin kasvihuonekaasuksi, joka absorboi lämpösäteilyä (pitkäaaltoista säteilyä). Sittemmin hiilidioksidin absorptio-ominaisuuksia on mitattu tarkemmin vuosikymmenien mittaan laboratoriotutkimuksissa (Herzberg 1953, Burch 1962, Burch 1970 jne.).

Kasvihuoneilmiö tapahtuu, koska kasvihuonekaasut päästävät auringonvalon (lyhytaaltoisen säteilyn) ilmakehän läpi. Maa absorboi auringonvalon, lämpenee ja sitten uudelleensäteilee lämmön (infrapuna- tai pitkäaaltoinen säteily). Lähtevä pitkäaaltoinen säteily absorboituu ilmakehän kasvihuonekaasuihin. Tämä lämmittää ilmakehää, joka vuorostaan uudelleensäteilee pitkäaaltoisen säteilyn kaikkiin suuntiin. Osa siitä päätyy takaisin maanpinnalle. Niinpä hiilidioksidin lisääntyessä odotamme näkevämme vähemmän pitkäaaltoista säteilyä karkaavan avaruuteen hiilidioksidin absorptioaallonpituuksilla. Odotamme myös näkevämme enemmän infrapunasäteilyä palaavan takaisin maanpinnalle samoilla aallonpituuksilla.

Lähtevän pitkäaaltoisen säteilyn satelliittimittaukset

Vuonna 1970 NASA laukaisi IRIS-satelliitin, joka mittasi infrapunaspektriä välillä 400 cm^-1 - 1600 cm^-1. Vuonna 1996 Japanin avaruusjärjestö laukaisi IMG-satelliitin, joka teki samanlaisia mittauksia. Mitattuja spektrejä vertailtiin, jotta nähtäisiin lähtevän säteilyn muutokset tällä 26 vuoden jaksolla (Harries 2001). Tulokseksi saatiin seuraavanlaiset muutokset lähtevässä säteilyssä:

Kuva 1: Muutos spektrissä vuodesta 1970 vuoteen 1996 johtuen vähäisistä kaasuista. "Brightness temperature" ilmaisee vastaavaa mustan kappaleen lämpötilaa (Harries 2001).

Tutkimuksessa havaittiin lähtevän säteilyn vähentyneen aallonpituusalueilla, joilla kasvihuonekaasut, kuten hiilidioksidi (CO₂) ja metaani (CH₄) absorboivat energiaa. Muutos lähtevässä säteilyssä on yhdenmukainen teoreettisten odotuksien kanssa. Niinpä tutkimuksessa löydettiin "suora kokeellinen todiste Maapallon kasvihuoneilmiön merkittävälle lisääntymiselle".

Tämä tulos on vahvistettu myöhemmissä tutkimuksissa, joissa on käytetty uudempaa satelliittidataa. Vuosien 1970 ja 1997 spektrejä vertailtiin uudempaan spektriin, joka mitattiin vuonna 2003 laukaistusta NASAn AIRS-satelliitista (Griggs 2004). Tämä analyysi jatkettiin vuoteen 2006 käyttäen vuonna 2004 laukaistun AURA-satelliitin mittauksia (Chen 2007). Molemmissa tutkimuksissa löydettiin hiilidioksidin spektrikaistoilta muutoksia, jotka täsmäsivät hiilidioksidipitoisuuden nousun perusteella odotettuihin muutoksiin. Niinpä meillä on havaintoihin perustuvia todisteita siitä, että lisääntyvä hiilidioksidi aiheuttaa voimistuvan kasvihuoneilmiön.

Alastulevan pitkäaaltoisen säteilyn pintamittaukset

Pintamittauksissa vuosien 1973 ja 2008 välillä havaitaan kasvava trendi maapallon pinnalle palaavan infrapunasäteilyn määrässä, minkä katsotaan johtuvan ilman lämpenemisestä, kosteuden lisääntymisestä ja ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kasvusta (Wang 2009). Paikallisemmissa tutkimuksissa, kuten alastulevan pitkäaaltoisen säteilyn tutkiminen Keski-Alpeilla, havaitaan alastulevan pitkäaaltoisen säteilyn lisääntyvän, koska kasvihuoneilmiö voimistuu (Philipona 2004).

Tutkimuksessa, jossa tämä vietiin vielä askeleen pidemmälle, korkearesoluutioisen spektridatan analyysissä oli mahdollista määrittää alaspäin tulevan säteilyn kasvun 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 2: Kasvihuonekaasujen säteilyn spektri mitattuna maan pinnalta. Vesihöyryn aiheuttama kasvihuoneilmiö on suodatettu pois, jotta muiden kasvihuonekaasujen vaikutus näkyy selvemmin (Evans 2006).

On olemassa monia eri todisteita siitä, että lisääntyvä hiilidioksidi aiheuttaa voimistuvan kasvihuoneilmiön. Laboratoriotesteissä näkyy kuinka hiilidioksidi absorboi pitkäaaltoista säteilyä. Satelliittimittaukset vahvistavat, että vähemmän pitkäaaltoista säteilyä karkaa avaruuteen hiilidioksidin absorboimilla aallonpituuksilla. Pintamittauksissa näkyy enemmän pitkäaaltoista säteilyä palaavan maan pinnalle samoilla aallonpituuksilla. Tämän energian epätasapainon tuloksena lämpöä on kerääntynyt maapallolle viimeisten 40 vuoden aikana.