Сванте Август Аррениус ForMemRS ( / ə ˈ r iː n i ə s , ə ˈ r eɪ n i ə s / ə- REE -nee-əs, - RAY - , [3] [4] Шведский: [ˈsvânːtɛ aˈrěːnɪɵs] ; 19 февраля 1859 — 2 октября 1927) был шведским учёным . Первоначально физик , но часто упоминаемый как химик , Аррениус был одним из основателей науки физической химии . Он получил Нобелевскую премию по химии в 1903 году, став первым шведским лауреатом Нобелевской премии. В 1905 году он стал директором Нобелевского института, где и оставался до своей смерти. [5]
Аррениус был первым, кто использовал принципы физической химии для оценки степени, в которой увеличение содержания углекислого газа в атмосфере ответственно за повышение температуры поверхности Земли. Его работа сыграла важную роль в появлении современной климатической науки . [6] В 1960-х годах Чарльз Дэвид Килинг надежно измерил уровень углекислого газа, присутствующего в воздухе, показав, что он увеличивается и что, согласно гипотезе о парниковом эффекте, этого достаточно, чтобы вызвать значительное глобальное потепление . [7]
Уравнение Аррениуса , кислота Аррениуса , основание Аррениуса, лунный кратер Аррениус , марсианский кратер Аррениус , [8] гора Аррениусфьеллет и лаборатории Аррениуса в Стокгольмском университете были названы так в ознаменование его вклада в науку.
Аррениус родился 19 февраля 1859 года в Вике (также пишется Вик или Вейк), недалеко от Уппсалы , Королевство Швеция , в семье Сванте Густава и Каролины Тунберг Аррениус, которые были лютеранами. [9] Его отец был землемером в Уппсальском университете , перейдя на руководящую должность. В возрасте трех лет Аррениус самостоятельно научился читать без поощрения родителей и, наблюдая, как его отец складывает числа в своих бухгалтерских книгах, стал арифметическим вундеркиндом . В более поздние годы жизни Аррениус был глубоко увлечен математическими концепциями, анализом данных и открытием их взаимосвязей и законов. [ необходима цитата ]
В возрасте восьми лет он поступил в местную соборную школу , начав обучение в пятом классе, отличившись в физике и математике и окончив ее в 1876 году как самый юный и способный ученик. [ необходима цитата ]
В Уппсальском университете он был недоволен главным преподавателем физики и единственным преподавателем, который мог бы руководить его занятиями по химии, Пером Теодором Клеве , поэтому в 1881 году он ушел учиться в Физический институт Шведской академии наук в Стокгольме под руководством физика Эрика Эдлунда . [10]
Его работа была сосредоточена на проводимости электролитов . В 1884 году, основываясь на этой работе, он представил 150-страничную диссертацию по электролитической проводимости в Уппсалу для получения докторской степени . Она не произвела впечатления на профессоров, среди которых был и Клив, и он получил степень четвертого класса, но после его защиты она была переклассифицирована в третью степень. Позже, расширения этой самой работы принесли ему Нобелевскую премию по химии 1903 года . [11]
Аррениус выдвинул 56 тезисов в своей диссертации 1884 года, большинство из которых до сих пор принимаются без изменений или с небольшими изменениями. Самой важной идеей в диссертации было его объяснение того факта, что твердые кристаллические соли при растворении распадаются на парные заряженные частицы, за что он получил Нобелевскую премию по химии 1903 года. Объяснение Аррениуса состояло в том, что при образовании раствора соль распадается на заряженные частицы, которые Майкл Фарадей много лет назад назвал ионами . Фарадей считал, что ионы образуются в процессе электролиза , то есть для образования ионов необходим внешний источник постоянного тока. Аррениус предположил, что даже при отсутствии электрического тока водные растворы солей содержат ионы. Таким образом, он предположил, что химические реакции в растворе являются реакциями между ионами. [12] [13] [14]
Диссертация не произвела впечатления на профессоров в Уппсале, но Аррениус отправил ее ряду ученых в Европе, которые разрабатывали новую науку физической химии , таким как Рудольф Клаузиус , Вильгельм Оствальд и Якобус Хенрикус ван 'т Хофф . Они были гораздо более впечатлены, и Оствальд даже приехал в Уппсалу, чтобы убедить Аррениуса присоединиться к его исследовательской группе в Риге. Однако Аррениус отказался, поскольку он предпочел остаться в Швеции-Норвегии на некоторое время (его отец был очень болен и умрет в 1885 году) и получил назначение в Уппсале. [12] [13] [14]
В 1884 году , развивая свою ионную теорию, Аррениус предложил определения кислот и оснований . Он считал, что кислоты — это вещества, которые образуют в растворе ионы водорода , а основания — это вещества, которые образуют в растворе ионы гидроксида .
В 1885 году Аррениус получил грант на поездку от Шведской академии наук, что позволило ему учиться у Оствальда в Риге (ныне в Латвии ), у Фридриха Кольрауша в Вюрцбурге , Германия , у Людвига Больцмана в Граце, Австрия , и у Якоба Генрикуса ван 'т Хоффа в Амстердаме .
В 1889 году Аррениус объяснил тот факт, что для протекания большинства реакций требуется дополнительная тепловая энергия, сформулировав концепцию энергии активации — энергетического барьера, который необходимо преодолеть, прежде чем две молекулы вступят в реакцию. Уравнение Аррениуса дает количественную основу соотношения между энергией активации и скоростью протекания реакции.
В 1891 году он стал преподавателем Стокгольмского университетского колледжа ( Stockholms Högskola , ныне Стокгольмский университет ), в 1895 году получил повышение до профессора физики (несмотря на сильное сопротивление), а в 1896 году стал ректором .
Около 1900 года Аррениус стал участвовать в создании Нобелевских институтов и Нобелевских премий . В 1901 году он был избран членом Королевской шведской академии наук . До конца своей жизни он был членом Нобелевского комитета по физике и фактическим членом Нобелевского комитета по химии. Он использовал свое положение, чтобы организовать премии для своих друзей ( Якобус ван 'т Хофф , Вильгельм Оствальд , Теодор Ричардс ) и попытаться лишить их своих врагов ( Пауль Эрлих , Вальтер Нернст , Дмитрий Менделеев ). [15] В 1901 году Аррениус был избран в Шведскую академию наук, несмотря на сильное сопротивление. В 1903 году он стал первым шведом, удостоенным Нобелевской премии по химии . В 1905 году, после основания Нобелевского института физических исследований в Стокгольме, он был назначен ректором института и оставался на этой должности до выхода на пенсию в 1927 году.
В 1911 году он выиграл первую премию Уилларда Гиббса. [16]
В 1908 году он был избран международным членом Национальной академии наук США. [17]
В 1909 году он был избран почетным членом Нидерландского химического общества. [18]
В 1910 году он стал иностранным членом Королевского общества (ForMemRS). [19]
В 1911 году он был избран международным членом Американского философского общества. [20]
В 1912 году он был избран иностранным почетным членом Американской академии искусств и наук [21].
В 1919 году он стал иностранным членом Королевской Нидерландской академии искусств и наук . [22]
В конце концов теории Аррениуса стали общепринятыми, и он обратился к другим научным темам. В 1902 году он начал исследовать физиологические проблемы с точки зрения химической теории. Он определил, что реакции в живых организмах и в пробирке следуют одним и тем же законам.
В 1904 году он прочитал в Калифорнийском университете курс лекций, целью которого было проиллюстрировать применение методов физической химии к изучению теории токсинов и антитоксинов , и который был опубликован в 1907 году под названием Иммунохимия . [23] [24] Он также обратил свое внимание на геологию (происхождение ледниковых периодов ), астрономию , физическую космологию и астрофизику , объясняя рождение Солнечной системы путем межзвездного столкновения. Он рассматривал давление излучения как объяснение комет , солнечной короны , северного сияния и зодиакального света .
Он считал, что жизнь могла переноситься с планеты на планету посредством переноса спор , эта теория теперь известна как панспермия . [23] [25] Он размышлял об идее универсального языка , предлагая модификацию английского языка .
Он был членом правления Шведского общества расовой гигиены (основано в 1909 году), которое в то время поддерживало менделизм , и внес вклад в тему контрацепции около 1910 года. Однако до 1938 года информация и продажа контрацептивов были запрещены в Королевстве Швеция. Гордон Штейн писал, что Сванте Аррениус был атеистом. [26] [27] В последние годы своей жизни он писал как учебники, так и популярные книги, пытаясь подчеркнуть необходимость дальнейшей работы над темами, которые он обсуждал. В сентябре 1927 года он слег с приступом острого кишечного катара и умер 2 октября. Он был похоронен в Уппсале.
Он был женат дважды: сначала на своей бывшей ученице Софии Рудбек (1894–1896), от которой у него был сын Улоф Аррениус
, а затем на Марии Юханссон (1905–1927), от которой у него было две дочери и сын.Аррениус был дедушкой бактериолога Агнес Вольд [28] , химика Сванте Вольда [ 29] и биогеохимика океана Густава Аррениуса . [30]
Разрабатывая теорию для объяснения ледниковых периодов , Аррениус в 1896 году первым использовал основные принципы физической химии для расчета оценок степени, в которой увеличение содержания углекислого газа в атмосфере (CO 2 ) увеличит температуру поверхности Земли через парниковый эффект . [7] [32] [33] Эти расчеты привели его к выводу, что выбросы CO 2 , вызванные деятельностью человека, от сжигания ископаемого топлива и других процессов горения, достаточно велики, чтобы вызвать глобальное потепление. Этот вывод был тщательно проверен, завоевав место в основе современной науки о климате. [34] [35] В этой работе Аррениус опирался на предыдущие работы других известных ученых, включая Жозефа Фурье , Джона Тиндаля и Клода Пуйе . Аррениус хотел определить, могут ли парниковые газы способствовать объяснению колебаний температуры между ледниковыми и межледниковыми периодами. [36] Аррениус использовал инфракрасные наблюдения Луны — Фрэнка Вашингтона Вери и Сэмюэля Пирпонта Лэнгли в обсерватории Аллегейни в Питтсбурге — чтобы вычислить, сколько инфракрасного (теплового) излучения захватывается парами CO 2 и воды (H 2 O) в атмосфере Земли. Используя «закон Стефана» (более известный как закон Стефана-Больцмана ), он сформулировал то, что он назвал «правилом». В своей первоначальной форме правило Аррениуса звучит следующим образом:
Здесь Аррениус называет CO 2 угольной кислотой (что в современном использовании относится только к водной форме H 2 CO 3 ). Следующая формулировка правила Аррениуса используется и сегодня: [37]
где - концентрация CO 2 в начале (время ноль) изучаемого периода (если для и используется одна и та же единица концентрации , то не имеет значения, какая единица концентрации используется); - концентрация CO 2 в конце изучаемого периода; ln - натуральный логарифм (= основание логарифма e ( log e )); и - прирост температуры, другими словами, изменение скорости нагрева поверхности Земли ( радиационное воздействие ), которое измеряется в ваттах на квадратный метр . [37] Выводы из моделей атмосферного переноса излучения показали, что (альфа) для CO 2 составляет 5,35 (± 10%) Вт/м 2 для атмосферы Земли. [38]
Основываясь на информации своего коллеги Арвида Хёгбома , [39] Аррениус был первым человеком, который предсказал, что выбросы углекислого газа от сжигания ископаемого топлива и других процессов горения были достаточно большими, чтобы вызвать глобальное потепление. В своих расчетах Аррениус включил обратную связь от изменений в водяном паре, а также широтные эффекты, но он опустил облака, конвекцию тепла вверх в атмосфере и другие существенные факторы. Его работа в настоящее время рассматривается не как точная количественная оценка глобального потепления, а как первая демонстрация того, что увеличение содержания CO 2 в атмосфере вызовет глобальное потепление, при прочих равных условиях.
Значения поглощения Аррениуса для CO 2 и его выводы подверглись критике со стороны Кнута Ангстрема в 1900 году, который опубликовал первый современный инфракрасный спектр поглощения CO 2 с двумя полосами поглощения и опубликовал экспериментальные результаты, которые, казалось, показывали, что поглощение инфракрасного излучения газом в атмосфере уже «насыщено», так что добавление большего количества не может иметь никакого значения. Аррениус резко ответил в 1901 году ( Annalen der Physik ), полностью отвергнув критику. Он кратко коснулся этой темы в технической книге под названием Lehrbuch der kosmischen Physik (1903). Позднее он написал работу «Världarnas utveckling» (1906) (нем. Das Werden der Welten [1907], англ. Worlds in the Making [1908]), адресованную широкой аудитории, в которой он предположил, что выбросы CO2 в результате деятельности человека будут достаточно сильными, чтобы предотвратить вступление мира в новый ледниковый период, и что для того, чтобы прокормить быстро растущее население, потребуется более теплая Земля:
В настоящее время общепринятым объяснением является то, что исторически орбитальное воздействие установило время ледниковых периодов, при этом CO 2 действовал как существенная усиливающая обратная связь . [40] [41] Однако выбросы CO 2 после промышленной революции увеличили CO 2 до уровня, не наблюдавшегося с 10–15 миллионов лет назад, когда глобальная средняя температура поверхности была на 6 °C (11 °F) выше, чем сейчас, и почти весь лед растаял, подняв уровень мирового океана примерно на 100 футов (30 м) выше, чем сегодня. [42]
Аррениус подсчитал, основываясь на уровнях CO 2 в его время, что снижение уровней на 0,62–0,55 приведет к снижению температуры на 4–5 °C (по Цельсию), а увеличение в 2,5–3 раза CO 2 вызовет повышение температуры на 8–9 °C в Арктике. [32] [43] В своей книге «Миры в процессе становления» он описал «тепличную» теорию атмосферы. [44]
(1859-1927), лауреат Нобелевской премии по химии (1903), был убежденным атеистом и автором «Эволюции миров» и других работ по космической физике.