Khí nhà kính được phát hiện qua ba bước trong thế kỷ 19: Joseph Fourier (thập niên 1820) lập luận rằng khí quyển giữ cho Trái Đất ấm hơn; Eunice Foote (1856) và John Tyndall (1859–1861) chứng minh bằng thí nghiệm rằng hơi nước và CO₂ hấp thụ nhiệt, còn nitơ và oxy gần như trong suốt; Svante Arrhenius (1896) là người đầu tiên tính ra con số: tăng gấp đôi CO₂ sẽ làm Trái Đất ấm thêm khoảng 5–6 °C. Hiểu biết về khí nhà kính vì vậy đã có từ trước khi xe hơi ra đời.
Fourier: vì sao Trái Đất không lạnh hơn
Joseph Fourier, nhà toán học Pháp nổi tiếng với chuỗi Fourier, nghiên cứu sự truyền nhiệt. Trong các bài viết khoảng năm 1824–1827, ông tự hỏi: một hành tinh ở khoảng cách này tới Mặt Trời, nếu chỉ nhận và tỏa nhiệt như một quả cầu trần trụi, sẽ lạnh hơn nhiều so với thực tế. Thứ gì giữ phần chênh lệch đó?
Fourier gợi ý rằng khí quyển cho ánh sáng Mặt Trời đi qua dễ dàng hơn so với "nhiệt tối" (bức xạ mà ta nay gọi là hồng ngoại) tỏa ra từ mặt đất. Ông so sánh với chiếc hộp kính của Horace-Bénédict de Saussure, một nhà khoa học Thuỵ Sĩ đã đo nhiệt độ trong hộp nhiều lớp kính phơi nắng. Fourier không đo được khí nào làm việc đó, và cũng không dùng chữ "hiệu ứng nhà kính" — chữ này xuất hiện muộn hơn nhiều.
Eunice Foote 1856: những chiếc bình phơi nắng
Eunice Newton Foote là nhà khoa học nghiệp dư và nhà hoạt động vì quyền phụ nữ người Mỹ. Bà đặt nhiệt kế vào các ống thuỷ tinh chứa những loại khí khác nhau rồi phơi nắng. Ống chứa "khí axit cacbonic" (CO₂) nóng lên nhiều nhất và nguội chậm nhất; không khí ẩm nóng hơn không khí khô.
Kết quả được trình bày tại hội nghị của Hiệp hội vì sự tiến bộ của khoa học Mỹ (AAAS) tháng 8/1856 — do nhà khoa học Joseph Henry đọc thay — và in cùng năm trên American Journal of Science. Trong bài, Foote gợi ý rằng nếu khí quyển xưa kia chứa nhiều CO₂ hơn thì nhiệt độ Trái Đất đã cao hơn. Công trình của bà bị lãng quên gần 150 năm, tới khoảng năm 2010 mới được các nhà sử học khoa học nhắc lại.
Cần nói rõ giới hạn: thí nghiệm của Foote đo tổng hiệu ứng làm nóng dưới ánh nắng, chưa tách riêng được phần hấp thụ hồng ngoại — thứ thật sự tạo nên hiệu ứng nhà kính. Bước đó thuộc về Tyndall.
Tyndall: đo từng khí với "nhiệt tối"
John Tyndall, nhà vật lý người Ireland làm việc tại Royal Institution ở London, bắt đầu loạt thí nghiệm năm 1859. Ông dựng một thiết bị đo khá tinh xảo cho thời đó:
- Một nguồn nhiệt (khối kim loại chứa nước sôi) phát ra bức xạ hồng ngoại.
- Một ống dài chứa khí cần đo, hai đầu bịt bằng muối mỏ (vì thuỷ tinh chặn hồng ngoại).
- Một pin nhiệt điện đo lượng nhiệt đi qua, đặt cân bằng với một nguồn nhiệt thứ hai để đọc được chênh lệch rất nhỏ.
Kết quả, trình bày trong bài giảng Bakerian năm 1861: oxy, nitơ và hydro gần như trong suốt với bức xạ nhiệt. Trong khi đó hơi nước, CO₂, mê-tan ("khí than mỏ"), ozone và nhiều khí phức tạp khác hấp thụ rất mạnh, dù chỉ có mặt với lượng nhỏ. Tyndall kết luận hơi nước là khí quan trọng nhất giữ nhiệt cho Trái Đất, và nhận xét rằng chỉ cần thay đổi nhỏ trong thành phần các khí này cũng có thể gây ra những thay đổi khí hậu mà các nhà địa chất đã thấy dấu vết, như các kỷ băng hà.
Điểm mấu chốt của Tyndall: 99% không khí (nitơ và oxy) không giữ nhiệt; khả năng giữ nhiệt nằm ở các khí chiếm phần rất nhỏ.
Arrhenius 1896: phép tính đầu tiên
Svante Arrhenius, nhà hoá học Thuỵ Điển (giải Nobel Hoá học 1903 về lý thuyết điện ly), quan tâm tới nguyên nhân các kỷ băng hà. Năm 1896, ông công bố bài Về ảnh hưởng của axit cacbonic trong không khí lên nhiệt độ mặt đất trên tạp chí Philosophical Magazine.
Ông dùng số đo bức xạ hồng ngoại từ Mặt Trăng của nhà thiên văn Mỹ Samuel Langley — ánh trăng đi qua những quãng khí quyển dày mỏng khác nhau tùy độ cao của trăng — để ước lượng mức hấp thụ của CO₂ và hơi nước. Rồi ông tính tay, theo từng dải vĩ độ và từng mùa, nhiệt độ sẽ thay đổi bao nhiêu nếu lượng CO₂ thay đổi. Công việc kéo dài cả năm trời.
Kết quả chính: giảm CO₂ xuống còn khoảng 55–62% mức lúc đó đủ làm Trái Đất lạnh đi chừng 4–5 °C, đủ cho một kỷ băng hà; tăng gấp đôi sẽ làm ấm lên khoảng 5–6 °C. Ông cũng đã tính đến cơ chế khuếch đại của hơi nước: không khí ấm hơn giữ nhiều hơi nước hơn, và hơi nước lại giữ thêm nhiệt.
Đồng nghiệp của ông, Arvid Högbom, ước tính lượng CO₂ do đốt than lúc đó tương đương lượng do núi lửa thải ra. Arrhenius cho rằng phải mất hàng nghìn năm mới tăng gấp đôi và coi đó là điều có lợi cho các nước lạnh như Thuỵ Điển. Ông đúng về hướng, nhưng sai rất xa về tốc độ.
Những phản bác và hơn nửa thế kỷ ngủ quên
Năm 1900, Knut Ångström (con trai nhà vật lý Anders Ångström) cho trợ lý làm thí nghiệm và kết luận rằng thêm CO₂ không làm tăng hấp thụ, vì dải hấp thụ của CO₂ đã "bão hoà" và trùng với hơi nước. Phản bác này được nhiều người tin suốt mấy thập kỷ.
Về sau người ta hiểu nó sai ở chỗ nào: thí nghiệm ở mặt đất với áp suất cao đo không đủ tinh, và quan trọng hơn, khí quyển là nhiều lớp chồng lên nhau. Ở các tầng cao, lạnh và khô, hơi nước rất ít nên CO₂ thêm vào vẫn đẩy độ cao tỏa nhiệt ra vũ trụ lên cao hơn, nơi lạnh hơn, khiến Trái Đất tỏa nhiệt kém đi. Nhà vật lý Gilbert Plass làm rõ điều này bằng máy tính năm 1956, dựa trên phổ hấp thụ đo chính xác hơn sau Thế chiến.
Mốc thời gian
| Năm | Người | Đóng góp |
|---|---|---|
| Khoảng 1824–1827 | Joseph Fourier | Khí quyển giữ nhiệt cho Trái Đất |
| 1856 | Eunice Foote | CO₂ và hơi nước nóng lên mạnh dưới nắng |
| 1859–1861 | John Tyndall | Đo hấp thụ hồng ngoại của từng khí |
| 1896 | Svante Arrhenius | Tính độ nhạy khí hậu: gấp đôi CO₂ → ấm khoảng 5–6 °C |
| 1938 | Guy Callendar | Gắn CO₂ tăng với số đo nhiệt độ thực tế đang tăng |
| 1956 | Gilbert Plass | Phản bác lập luận "bão hoà" bằng mô hình nhiều lớp |
| 1958 | Charles David Keeling | Bắt đầu đo CO₂ liên tục ở Mauna Loa (khoảng 315 ppm) |
| 1967 | Syukuro Manabe, Richard Wetherald | Mô hình bức xạ – đối lưu đầu tiên đáng tin; Manabe nhận Nobel Vật lý 2021 |
Con số của Arrhenius so với hôm nay
Đại lượng Arrhenius tính chính là cái ngày nay gọi là độ nhạy khí hậu cân bằng: Trái Đất ấm lên bao nhiêu khi CO₂ tăng gấp đôi rồi để đủ lâu cho hệ thống ổn định. Báo cáo IPCC AR6 của Nhóm I (2021) đưa khoảng "rất có thể" là 2,5–4 °C, giá trị ước tính tốt nhất 3 °C. Con số 5–6 °C của Arrhenius cao hơn, nhưng với phương pháp tính tay và dữ liệu thô của năm 1896, việc ông ra đúng bậc độ lớn là đáng nể.
Về nồng độ: mức tiền công nghiệp khoảng 280 ppm; Keeling đo khoảng 315 ppm năm 1958; tính tới năm 2024 khoảng 420–425 ppm. Tức là đã tăng khoảng 50% so với tiền công nghiệp, trong khoảng hai thế kỷ thay vì hàng nghìn năm như Arrhenius hình dung.
Góc nhìn hôm nay
Lịch sử này giúp tránh hai hiểu lầm hay gặp. Một là nghĩ rằng khoa học về khí nhà kính mới có vài chục năm: thật ra các nguyên lý vật lý đã được đo trong phòng thí nghiệm từ thập niên 1850. Hai là nghĩ rằng vì hơi nước là khí nhà kính mạnh nhất nên CO₂ không quan trọng: hơi nước tự điều chỉnh theo nhiệt độ (mưa xuống khi dư), còn CO₂ ở lại khí quyển rất lâu và đóng vai trò cái núm vặn, hơi nước khuếch đại theo — chính Arrhenius đã đưa cơ chế này vào phép tính.
Để đọc thêm, có thể tìm cuốn The Discovery of Global Warming của nhà sử học Spencer Weart (Viện Vật lý Hoa Kỳ có bản trực tuyến cập nhật). Royal Institution ở London vẫn giữ phòng thí nghiệm và một số dụng cụ của Tyndall; trạm Mauna Loa ở Hawaii vẫn đo CO₂ mỗi ngày.
Câu hỏi thường gặp
Ai phát hiện ra hiệu ứng nhà kính?
Không có một người duy nhất. Joseph Fourier nêu ý tưởng khí quyển giữ nhiệt vào thập niên 1820, Eunice Foote (1856) và John Tyndall (1859–1861) chứng minh bằng thí nghiệm rằng CO₂ và hơi nước giữ nhiệt, còn Svante Arrhenius (1896) tính ra mức ấm lên khi CO₂ thay đổi.
Eunice Foote là ai?
Eunice Foote là nhà khoa học người Mỹ, năm 1856 công bố thí nghiệm cho thấy ống chứa CO₂ phơi nắng nóng lên nhiều nhất. Công trình của bà bị lãng quên lâu và chỉ được nhắc lại rộng rãi từ khoảng năm 2010. Thí nghiệm của bà chưa tách riêng phần hấp thụ hồng ngoại như Tyndall làm sau đó.
Arrhenius dự đoán Trái Đất nóng lên bao nhiêu?
Năm 1896, Arrhenius tính rằng nếu CO₂ trong khí quyển tăng gấp đôi, nhiệt độ trung bình sẽ tăng khoảng 5–6 °C. Ước tính hiện đại của IPCC AR6 là khoảng 2,5–4 °C, tốt nhất 3 °C. Ông nghĩ việc tăng gấp đôi sẽ mất hàng nghìn năm.
Vì sao nitơ và oxy không phải khí nhà kính?
Phân tử nitơ và oxy gồm hai nguyên tử giống nhau, khi dao động không tạo ra thay đổi điện tích nên gần như không hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Tyndall đã đo thấy chúng gần như trong suốt với "nhiệt tối". CO₂, hơi nước, mê-tan có cấu trúc cho phép hấp thụ mạnh ở các dải hồng ngoại.
Lập luận "CO₂ đã bão hoà" sai ở đâu?
Năm 1900, Knut Ångström cho rằng thêm CO₂ không làm tăng hấp thụ. Nhưng khí quyển gồm nhiều lớp: thêm CO₂ đẩy độ cao mà nhiệt thoát ra vũ trụ lên cao hơn, nơi lạnh hơn, nên Trái Đất tỏa nhiệt kém đi. Gilbert Plass đã chỉ ra điều này năm 1956.
