Сванте Август Аррениус: человек, который рассчитал глобальное потепление

Он потратил год своей жизни, выполняя арифметические вычисления вручную — десятки тысяч расчетов без помощи какой-либо машины — чтобы ответить на вопрос, который никто не задавал должным образом: что произойдет с температурой Земли, если изменить количество углекислого газа в воздухе? Ответ, к которому он пришел в 1896 году, о том, что удвоение его количества нагреет планету примерно на четыре градуса Цельсия, настолько близок к современным оценкам, что это вызывает беспокойство. Он также считал, что это будет скорее благом.

Арифметический вундеркинд из Вика

Он родился 19 февраля 1859 года в Вике (Vik), недалеко от Уппсалы, в семье Сванте Густава Аррениуса (Svante Gustav Arrhenius), землемера, работавшего в Уппсальском университете, и Каролины Тунберг (Carolina Thunberg). В три года он самостоятельно научился читать. Наблюдая за тем, как отец ведет бухгалтерские книги, он превратился в арифметического вундеркинда — навык, который позже станет важнее, чем кто-либо мог предположить. В восемь лет он поступил в местную соборную школу, сразу в пятый класс, и окончил ее в 1876 году как самый молодой и способный ученик.

Уппсальский университет разочаровал его. Ему не нравилось преподавание физики, и у него не было терпения к химику Перу Теодору Клеве (Per Teodor Cleve), поэтому в 1881 году он уехал в Стокгольм, чтобы работать в Физическом институте Шведской академии наук под руководством Эрика Эдлунда (Erik Edlund).

Диссертация, которую он чуть не провалил

В 1884 году он представил стопятидесятистраничную диссертацию о проводимости электролитов, содержащую пятьдесят шесть отдельных тезисов. Ее центральный тезис был еретическим: что при растворении соли в воде она сама собой распадается на заряженные частицы — ионы — присутствующие в растворе независимо от того, проходит ли через него ток. Майкл Фарадей (Michael Faraday) считал, что электролиз создает ионы, Аррениус же утверждал, что они уже там присутствуют.

Его экзаменаторы, среди которых был Клеве, не были впечатлены. Диссертация получила диплом четвертого класса, повышенный до третьего после защиты — оценка, которая на практике закрыла двери для академической карьеры. Большинство из пятидесяти шести тезисов сегодня, с незначительными изменениями, считаются верными.

Он разослал копии за границу. Рудольф Клаузиус (Rudolf Clausius), Вильгельм Оствальд (Wilhelm Ostwald) и Якобус Хенрикус Вант-Гофф (Jacobus Henricus van 't Hoff) прочли их и были поражены. Оствальд лично приехал в Уппсалу, чтобы предложить ему работу в Риге. Аррениус отказался — его отец был тяжело болен и умер в 1885 году, — но затем грант на поездку позволил ему отправиться в путь, работая с Оствальдом в Риге и Лейпциге, Фридрихом Кольраушем (Friedrich Kohlrausch) в Вюрцбурге, Людвигом Больцманом (Ludwig Boltzmann) в Граце и Вант-Гоффом в Амстердаме. Это было лучшее образование в области новой физической химии, которое только существовало, и он получил его благодаря тому, что его изначально отвергли.

Уравнение и премия

В Лейпциге в 1889 году, работая бок о бок с Оствальдом, он вывел формулу, которая носит его имя. Уравнение Аррениуса описывает, как скорость химической реакции зависит от температуры и энергии активации — барьера, который молекулы должны преодолеть, прежде чем они вообще смогут прореагировать. Это одно из фундаментальных соотношений химической кинетики, используемое ежедневно — от проектирования промышленных процессов до оценки срока годности лекарств.

В 1891 году он стал лектором в Стокгольмском университете, в 1895 году — профессором физики, несмотря на возражения нескольких коллег, а в 1896 году — ректором. В 1903 году он получил Нобелевскую премию по химии за теорию электролитической диссоциации — ту самую ионную теорию, которую экзаменаторы из Уппсалы оценили на четвертый класс. Он стал первым шведским нобелевским лауреатом.

Год арифметики

Работа 1896 года «О влиянии угольной кислоты в воздухе на температуру поверхности земли» (On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground) стала трудом, который перерос его самого. Аррениус хотел узнать, могут ли колебания содержания углекислого газа в атмосфере объяснить ледниковые периоды. Он взял измерения интенсивности лунного света, сделанные Сэмюэлем Лэнгли (Samuel Langley) между 1885 и 1887 годами, и использовал их, чтобы вычислить, насколько сильно водяной пар и углекислый газ поглощают тепло. Затем он вычислил средние температуры и влажность по всему миру и подсчитал, что произойдет при 67%, 150%, 200%, 250% и 300% от уровня углекислого газа его времени. Работа заняла у него год ручных вычислений.

Его вывод был эмпирическим правилом, которое цитируют до сих пор: если количество угольной кислоты растет в геометрической прогрессии, температура будет расти почти в арифметической прогрессии. Он обнаружил, что удвоение углекислого газа нагреет Землю примерно на 4°C, а учетверение — примерно на 8°C. Он опирался на работы Жозефа Фурье (Joseph Fourier), Клода Пуйе (Claude Pouillet) и Джона Тиндаля (John Tyndall), но именно он первым применил физическую химию к этим числам.

В самой работе 1896 года почти ничего не говорилось о сжигании угля. Это появилось в его популярной книге «Миры в становлении» (Worlds in the Making, 1908), где он оценил, что человеческие выбросы достаточно велики, чтобы нагреть планету, — и приветствовал эту перспективу. Он утверждал, что потепление предотвратит следующий ледниковый период и улучшит урожаи на холодном севере. Подъем уровня моря в его расчетах не фигурировал.

Империя и ее использование

С 1901 года он заседал в Шведской королевской академии наук, а до конца жизни — в Нобелевском комитете по физике и фактически в комитете по химии. Он использовал свою должность: продвигал союзников к наградам и работал над блокированием конкурентов. В 1905 году он основал Нобелевский институт физических исследований в Стокгольме и руководил им до выхода на пенсию в 1927 году.

Его интересы были широки. Он обратился к физиологической химии и показал, что реакции в живых тканях подчиняются тем же законам, что и реакции в колбе; его лекции в Калифорнии 1904 года о токсинах и антитоксинах стали книгой «Иммунохимия» (Immunochemistry, 1907). Он писал о ледниковых периодах и астрофизике, выдвинул гипотезу панспермии о том, что жизнь может дрейфовать между планетами в виде спор. Менее почетным фактом является его членство в совете Шведского общества расовой гигиены, основанного в 1909 году — ассоциации, которую необходимо упоминать в любом честном рассказе о нем.

Почему Сванте называют гением

Дело здесь не столько в чисто блестящем интеллекте, сколько в независимости суждений, сохранявшейся вопреки вердиктам институтов. Ионная теория была оценена профессиональными химиками на четверку, но оказалась верной; Оствальд, Вант-Гофф и Клаузиус сразу увидели то, чего не смогла увидеть Уппсала, а Нобелевский комитет согласился девятнадцать лет спустя. Редко кому удается быть правым в двадцать пять лет, столкнувшись с таким количеством экспертной оппозиции.

Климатические исследования демонстрируют другую способность: терпение того рода, которым сегодня почти никто не обладает. В работе 1896 года не было никакой концептуальной хитрости — механизм парникового эффекта был описан Фурье и измерен Тиндалем. Аррениус внес готовность потратить год на ручные расчеты, чтобы превратить качественный эффект в число, и полученный им показатель чувствительности поразительно близок к тому, что сегодня выдают суперкомпьютеры.

Есть и веские контраргументы. Его оценка климата была частично удачной: она основывалась на данных Лэнгли о лунном свете и на упрощениях, которые позже были отвергнуты учеными, и десятилетиями научное сообщество считало его результат слишком грубым, чтобы доверять ему. Его интерпретация того, что означает потепление, была ошибочной — он считал его благом. Его поведение в Нобелевском комитете было фракционным, а участие в расовой гигиене — предосудительным. Он был грозным вычислителем и исключительно упрямым мыслителем; слово «гений» лучше подходит к его отказу принять плохой вердикт, чем к любой отдельной вспышке озарения.

Наследие

Он скончался в Уппсале 2 октября 1927 года от острого кишечного заболевания. До этого его осыпали почестями: медаль Дэви в 1902 году, первая премия Уилларда Гиббса в 1911 году, Фарадеевская лекция в 1914 году, медаль Франклина в 1920 году, статус иностранного члена Королевского общества в 1910 году.

Кратеры на Луне и Марсе носят его имя, как и горы Аррениусфьеллет (Arrheniusfjellet) на Шпицбергене и лаборатории Аррениуса в Стокгольмском университете. И по совпадению, которое не осталось незамеченным, отец климатической активистки Греты Тунберг (Greta Thunberg), Сванте Тунберг (Svante Thunberg), был назван в честь Аррениуса, будучи дальним родственником по семейной линии.