Stosunkowo elementarne procesy fizyczne pozwalają nam zaglądać w klimatyczną przeszłość naszej planety. W tej krótkiej notatce omówimy dwa spośród wielu zjawisk pozwalających szacować temperaturę w dawno minionych wiekach.

Oprócz najbardziej rozpowszechnionych izotopów  i „zwykła” woda we wszystkich stanach skupienia zawiera około 0,2% stabilnego izotopu Dokładna wartość zależy od pochodzenia wody. Woda pochodząca z opadów musiała kiedyś wyparować z oceanów, a ciepło parowania jest nieco mniejsze dla lżejszych izotopów. Prawdopodobieństwo wyparowania opisane jest rozkładem Boltzmanna,

i jest mniejsze dla cząsteczek wody zawierających Zależy ono także od temperatury: im temperatura wyższa, tym większy względny udział izotopu w atmosferycznej parze wodnej. Ponieważ pokrywa lodowa w okolicach biegunów Ziemi bierze się przede wszystkim z opadów, badając próbki starego lodu pochodzącego z głębokich odwiertów, można wyznaczać średnią temperaturę na Ziemi w czasie, kiedy ten lód powstawał. Uzyskane opisaną metodą dane wskazują na w miarę stabilną temperaturę w ciągu ostatnich  lat, wcześniej miała zaś miejsce epoka lodowcowa, przerywana jednak okresami gwałtownego ocieplenia. Porównując lód arktyczny z antarktycznym, można także zaobserwować występowanie tzw. huśtawki biegunowej, czyli oscylacyjnych zaburzeń światowego przepływu ciepła, powodujących, że po niewielkiej dodatniej fluktuacji temperatury na Grenlandii pojawia się z opóźnieniem jeszcze mniejsze ochłodzenie na Antarktydzie i odwrotnie.

Fiolka zawierająca ostatnie tchnienie Edisona, pobrane na łożu śmierci, eksponowana jest na poczesnym miejscu w Muzeum Forda w Detroit.

Ludzka zapobiegliwość oraz naturalne procesy spowodowały, że mamy obecnie dostęp do próbek powietrza z różnych chwil w przeszłości. Można dzięki temu stwierdzić, że w połowie XVIII wieku atmosfera ziemska składała się w 0,0039% z pary wodnej, w 0,00028% z ditlenku węgla mniej niż co milionowa jej cząsteczka była cząsteczką metanu  Energie drgań atomów tworzących te cząsteczki odpowiadają długości fali elektromagnetycznej rzędu mikrometrów; takie fale, emitowane z powierzchni Ziemi, są silnie absorbowane przez cząsteczki ,  i  a potem w wyniku spontanicznej emisji częściowo zawracane. Powoduje to efekt cieplarniany, czyli znaczący wychwyt zwrotny ziemskiego ciepła: symulacje komputerowe pokazują, że nawet tak niewielka domieszka powyższych substancji, tzw. gazów cieplarnianych, powoduje podniesienie średniej temperatury na powierzchni Ziemi z  przy ich nieobecności, do  W antarktycznym lodzie można znaleźć uwięzione bąbelki powietrza sprzed nawet  lat, a wyznaczenie stężenia zawartego w nich  i  pozwala oszacować średnią temperaturę powierzchni Ziemi w tak odległej przeszłości. Dostępne obecnie wyniki pokazują gwałtowny wzrost stężenia tych gazów cieplarnianych w ciągu ostatnich 250 lat:  o 38%, a  o 160%. Wzrost ten odróżnia się wyraźnie od długookresowych, stabilnych zmian stężenia tych substancji, jakie można zaobserwować w całym badanym okresie.

Czy opisane powyżej dane pozwalają z zadowalającą dokładnością przewidzieć, co stanie się z klimatem na Ziemi w ciągu najbliższych stu lat? Zadanie to jest niezwykle trudne, trzeba bowiem oprócz średniej temperatury uwzględnić także obieg wody w atmosferze i pamiętać, że ewentualne zmiany klimatu mogą silnie zależeć od regionu (używana w tym kontekście nazwa „globalne ocieplenie” jest więc dość myląca). Porównując przewidywania różnych symulacji, badacze wolą raczej szacować prawdopodobieństwa wystąpienia różnych zjawisk. Na przykład, prawdopodobieństwo zwiększenia średniej temperatury powierzchni Ziemi o co najmniej  w wyniku stałej emisji gazów cieplarnianych na poziomie sprzed kilku lat (6 mln ton  w 1990 roku i 8 mln ton  w 2007 roku) szacuje się na 40–80%. Czy to dużo? Na to pytanie muszą sobie sami odpowiedzieć i decydenci kierujący światową gospodarką, i zwykli obywatele.

[Cytowane informacje pochodzą z wykładu T. Stockera wygłoszonego w CERN-ie we wrześniu 2009 r.]