Sevalne lastnosti ogljikovega dioksida so znane že več kot stoletje. Leta 1861 so bili objavljeni prvi rezultati laboratorijskih poskusov. John Tyndall je objavil rezultate laboratorijskih meritev, ki so pokazale toplogredni učinek (absorpcijo termičnega – t.i. »dolgovalovnega« - sevanja) ogljikovega dioksida. Danes so lastnosti sevalnega spektra CO₂ natančno določene kot rezultat desetletij laboratorijskih meritev (Herzberg in Herzberg, 1953; Burch in sod., 1962; Burch in sod., 1970 in drugi).

Na kratko opišimo t. i. učinek tople grede. Toplogredni plini v atmosferi prepuščajo sončno svetlobo (t. i. »kratkovalovno sevanje«) do površja Zemlje. Površje se tako neposredno segreva od sonca in nato energijo oddaja v obliki termičnega (»dolgovalovnega«) sevanja. Sevanje površja zemlje v dolgovalovnem delu spektra pa potem prestrežejo in delno absorbirajo toplogredni plini v atmosferi, ki ponovno re-emitirajo prestreženo sevanje v vseh smereh – delno torej tudi v smeri proti površju Zemlje. Energija tega dela izsevanega energijskega toka je torej ujeta v spodnjih plasteh atmosfere in povzroča višjo ravnovesno temperaturo površja Zemlje (v primerjavi z razmerami brez toplogrednega učinka). Posledično lahko pričakujemo, da večja količina ogljikovega dioksida v ozračju povzroči, da se več energije »ujame« v spodnjih plasteh atmosfere zaradi povečanega termalnega (»dolgovalovnega«) sevanja CO₂ (tudi) v smeri proti površju Zemlje. 

Slika 1: Shema toplogrednega učinka na Zemlji.

Satelitske meritve izhodnega dolgovalovnega sevanja

Leta 1970 je NASA izstrelila satelit IRIS, ki meri izhodno sevanje atmosfere v dolgovalovnem delu spektra v valovnih dolžinah med 6,25 mikrometra (valovno število 1600 cm^-1) in 25 mikrometri (valovno število 400 cm^-1). Leta 1996 je japonska vesoljska agencija izstrelila satelit IMG, ki je zabeležil podobne izmerjene vrednosti. Obe vrsti podatkov sta bili primerljivi. Na podlagi primerjave je bila ocenjena sprememba izhodnega dolgovalovnega sevanja v obdobju 26 let (Harries in sod., 2001). Analizirane spremembe so prikazane na spodnji sliki.

Slika 2: Spremembe v dolgovalovnem spektru med leti 1970 in 1996. Na sliki so označeni deli spektra, kjer sevajo posamezni atmosferski plini. Izraz "Brightness temperature" označuje temperaturo, ki bi jo ob enakem izsevanem toku imelo idealno črno telo (Harries in sod., 2001).

Primerjava je pokazala upad izhodnega sevanja v tistih valovnih dolžinah, kjer toplogredni plini, kot so ogljikov dioksid (CO₂) in metan (CH₄), absorbirajo energijo. Spremembe v izhodnem sevanju se ujemajo s teoretičnimi pričakovanji. Omenjena študija je torej z meritvami potrdila teoretično pričakovanje, da povečana vsebnost toplogrednih plinov poveča ogrevanje površja Zemlje. 

Tudi kasnejše študije, ki so uporabile novejše satelitske podatke, so ta rezultat potrdile – npr. študija, ki je uporabila meritve leta 2003 izstreljenega Nasinega satelita AIRS (Griggs in Harries, 2004). Ta analiza je bila nadgrajena z uporabo podatkov leta 2004 izstreljenega satelita AURA; dodani so bili podatki do leta 2006 z uporabo podatkov iz satelita AURA začela v letu 2004 (Chen in sod., 2007). Obe študiji sta potrdili pričakovane spremembe izhodnega sevanja v delu dolgovalovnega spektra, kjer so absorpcijske črte CO₂.

Prizemne meritve dolgovalovnega sevanja 

Pregled zbranih podatkov meritev dolgovalovnega sevanja ozračja v smeri proti površju Zemlje za obdobje 1973-2008 nam kaže pozitiven trend. K povečanemu dolgovalovnemu sevanju poleg večje količine CO₂ prispevajo tudi višja temperatura zraka in večja absolutna vlažnost zraka (Wang in Liang, 2009). Do zaključka, da se atmosfersko dolgovalovno sevanje navzdol povečuje zaradi učinka tople grede, so prišle tudi nekatere regionalne študije, npr. analiza atmosferskega dolgovalovnega sevanja navzdol na območju osrednjih Alp (Philipona in sod., 2004).

Korak naprej je bil narejen s pomočjo analize meritev dolgovalovnega spektra v visoki ločljivosti, ki so znanstvenikom omogočile vpogled v prispevke vsakega izmed atmosferskih toplogrednih plinov k skupni spremembi dolgovalovnega sevalnega toka (Evans in Puckrin, 2006). Rezultati so pripeljali avtorje do sklepa, da »bodo podatki teh meritev s svojo težo lahko učinkovito odpravili dvome o povezavi med povečano koncentracijo toplogrednih plinov v atmosferi in globalnim segrevanjem površja Zemlje«.

Slika 3: Spekter sevanja toplogrednih plinov (meritve pri tleh). Prikazani so prispevki posameznih toplogrednih plinov (prispevek vodne pare je odstranjen iz prikaza). Vir: Evans in Puckrin, 2006 

Torej obstajajo raznovrstni empirični dokazi, da je povečanje vsebnosti ogljikovega dioksida povzročilo okrepljen učinek tople grede. Laboratorijski poskusi so pokazali, da ogljikov dioksid absorbira dolgovalovno sevanje. Satelitske meritve so potrdile, da v vesolje uhaja manj dolgovalovnega sevanja pri tistih valovnih dolžinah, kjer sevanje absorbira in emitira ogljikov dioksid. Meritve dolgovalovnega sevanja pri tleh kažejo na povečan sevalni energijski tok iz atmosfere proti površju Zemlje v enakih valovnih dolžinah. Rezultat neuravnoteženosti energijskih tokov pa je kopičenje toplote v zadnjih 40 letih.