Svante Arrhenius - Svante Arrhenius

Svante Arrhenius
Arrhenius2.jpg
Svante Arrhenius około 1910 r.
Urodzić się
Svante August Arrhenius

( 1859-02-19 )19 lutego 1859
Zmarł 2 października 1927 (1927-10-02)(w wieku 68 lat)
Sztokholm , Szwecja
Narodowość szwedzki
Alma Mater
Znany z
  • Obliczanie ocieplenia dla podwójnego dwutlenku węgla w atmosferze.
Nagrody
Kariera naukowa
Pola
Doradca doktorski
Doktoranci Oskar Benjamin Klein

Svante sierpnia Arrheniusa ( / ə R ı n i ə s , ə R n i ə s / ə- pierwiastków ziem rzadkich -nee-əs, -⁠ RAY - , szwedzkie:  [svânːtɛ arěːnɪɵs] ; 19 lutego 1859 - 02 października 1927 ) był szwedzkim naukowcem . Pierwotnie fizyk , ale często określany mianem chemika , Arrhenius był jednym z twórców chemii fizycznej . Otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1903 roku, stając się pierwszym szwedzkim laureatem Nobla. W 1905 został dyrektorem Instytutu Nobla, w którym pozostał do śmierci.

Arrhenius jako pierwszy wykorzystał zasady chemii fizycznej do oszacowania stopnia, w jakim wzrost stężenia atmosferycznego dwutlenku węgla jest odpowiedzialny za wzrost temperatury powierzchni Ziemi. W latach sześćdziesiątych Charles David Keeling wykazał, że ilość spowodowanej przez człowieka emisji dwutlenku węgla do powietrza jest wystarczająca, aby spowodować globalne ocieplenie .

Równanie Arrheniusa , kwas Arrheniusa , baza Arrheniusa, księżycowy krater Arrheniusa , Marsa krater Arrheniusa , góra Arrheniusfjellet , a Arrheniusa Labs na Uniwersytecie w Sztokholmie zostały tak nazwane na pamiątkę jego wkład do nauki.

Biografia

Wczesne lata

Arrhenius urodził się 19 lutego 1859 roku w Vik (pisane również Wik lub Wijk), niedaleko Uppsali , Królestwa Szwecji , Zjednoczonego Królestwa Szwecji i Norwegii , jako syn Svante Gustava i Karoliny Thunberg Arrhenius. Jego ojciec był geodetą na Uniwersytecie w Uppsali , awansując na stanowisko nadzorcze. W wieku trzech lat Arrhenius nauczył się czytać bez zachęty rodziców, a obserwując, jak ojciec dodaje liczby do jego ksiąg rachunkowych, stał się cudem arytmetycznym . W późniejszym życiu Arrhenius był głęboko zafascynowany pojęciami matematycznymi, analizą danych i odkrywaniem ich związków i praw.

W wieku ośmiu lat wstąpił do miejscowej szkoły katedralnej, zaczynając od piątej klasy , wyróżniając się w fizyce i matematyce , a którą ukończył jako najmłodszy i najzdolniejszy uczeń w 1876 roku.

Dysocjacja jonowa

Na Uniwersytecie w Uppsali był niezadowolony z głównego wykładowcy fizyki i jedynego członka wydziału, który mógł go nadzorować w dziedzinie chemii, Pera Teodora Cleve'a , więc wyjechał na studia do Instytutu Fizyki Szwedzkiej Akademii Nauk w Sztokholmie pod kierunkiem fizyk Erik Edlund w 1881 roku.

Jego praca koncentruje się na przewodności z elektrolitami . W 1884 r. na podstawie tej pracy wysłał do Uppsali do doktoratu 150-stronicową rozprawę na temat przewodnictwa elektrolitycznego . Nie zrobiło to wrażenia na profesorach, wśród których był Cleve i otrzymał stopień IV stopnia, ale w jego obronie został przeklasyfikowany na III stopień. Późniejsze rozszerzenie tej pracy przyniosło mu w 1903 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii .

Arrhenius w swojej rozprawie z 1884 r. wysunął 56 tez, z których większość byłaby do dziś akceptowana bez zmian lub z niewielkimi modyfikacjami. Najważniejszą ideą w rozprawie było jego wyjaśnienie faktu, że stałe krystaliczne sole po rozpuszczeniu dysocjują na sparowane naładowane cząstki, za co otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1903 roku. Wyjaśnienie Arrheniusa było takie, że tworząc roztwór sól rozpada się na naładowane cząstki, którym wiele lat wcześniej Michael Faraday nadał nazwę jony . Faraday wierzył, że jony powstają w procesie elektrolizy , to znaczy, że do powstania jonów niezbędne jest zewnętrzne źródło prądu stałego. Arrhenius zaproponował, że nawet przy braku prądu elektrycznego wodne roztwory soli zawierają jony. Zaproponował więc, że reakcje chemiczne w roztworze są reakcjami między jonami.

Rozprawa nie zrobiła wrażenia na profesorach w Uppsali, ale Arrhenius wysłał ją do wielu naukowców w Europie, którzy rozwijali nową naukę chemii fizycznej , takich jak Rudolf Clausius , Wilhelm Ostwald i JH van't Hoff . Byli pod znacznie większym wrażeniem, a Ostwald przyjechał nawet do Uppsali, aby przekonać Arrheniusa, by dołączył do jego zespołu badawczego. Arrhenius jednak odmówił, ponieważ wolał zostać przez jakiś czas w Szwecji i Norwegii (jego ojciec był bardzo chory i umrze w 1885 roku) i został umówiony w Uppsali.

W rozszerzeniu swojej teorii jonowej Arrhenius zaproponował definicje kwasów i zasad w 1884 roku. Uważał, że kwasy są substancjami, które wytwarzają jony wodorowe w roztworze, a zasady są substancjami, które wytwarzają jony wodorotlenowe w roztworze.

Okres środkowy

Lehrbuch der kosmischen Physik , 1903

W 1885 Arrheniusa obok otrzymał grant podróży z Szwedzkiej Akademii Nauk, który umożliwił mu badania z Ostwald w Rydze (obecnie Łotwa ), przy Friedrich Kohlrauscha w Würzburgu , Niemcy , z Ludwiga Boltzmanna w Graz, Austria , i furgonetki Hoff w Amsterdamie .

W 1889 r. Arrhenius wyjaśnił, że większość reakcji wymaga dodatkowej energii cieplnej, formułując koncepcję energii aktywacji , bariery energetycznej, którą należy pokonać, zanim zareagują dwie cząsteczki. Równanie Arrheniusa pozwala podstawę ilościowej zależności między energią aktywacji i szybkości, przy której zachodzi reakcja.

W 1891 został wykładowcą w Stockholms University College ( Stockholms Högskola , obecnie Stockholm University ), awansując na profesora fizyki (z dużym sprzeciwem) w 1895 i rektora w 1896.

nagrody Nobla

Około 1900 roku Arrhenius zaangażował się w tworzenie Instytutów Nobla i Nagród Nobla . Został wybrany członkiem Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk w 1901 roku. Do końca życia był członkiem Komitetu Noblowskiego Fizyki i de facto członkiem Komitetu Nobla ds. Chemii. Swoją pozycję wykorzystywał do organizowania nagród dla swoich przyjaciół ( Jakub van't Hoff , Wilhelm Ostwald , Theodore Richards ) i prób odmówienia ich swoim wrogom ( Paul Ehrlich , Walther Nernst , Dmitri Mendelejew ). W 1901 Arrhenius został wybrany do Szwedzkiej Akademii Nauk, wbrew silnej opozycji. W 1903 został pierwszym Szwedem, który otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii . W 1905 roku, po założeniu Instytutu Badań Fizycznych Nobla w Sztokholmie, został mianowany rektorem instytutu, na którym pozostał aż do emerytury w 1927 roku.

W 1911 zdobył pierwszą nagrodę Willarda Gibbsa.

Członkostwo w stowarzyszeniu

W 1909 roku został wybrany Honorowym Członkiem Holenderskiego Towarzystwa Chemicznego .

Został członkiem zagranicznym Royal Society (ForMemRS) w 1910 roku.

W 1912 został wybrany Honorowym Członkiem Zagranicznym Amerykańskiej Akademii Sztuk i Nauk

W 1919 został członkiem zagranicznym Królewskiej Holenderskiej Akademii Sztuki i Nauki .

Późniejsze lata

Grób rodziny Arrhenius w Uppsali

Ostatecznie teorie Arrheniusa stały się powszechnie akceptowane i zwrócił się on ku innym tematom naukowym. W 1902 zaczął badać problemy fizjologiczne w kategoriach teorii chemicznej. Stwierdził, że reakcje w żywych organizmach iw probówce przebiegają według tych samych praw.

W 1904 wygłosił na Uniwersytecie Kalifornijskim cykl wykładów, których celem było zilustrowanie zastosowania metod chemii fizycznej do badania teorii toksyn i antytoksyn , a które zostały opublikowane w 1907 roku pod tytułem Immunochemia . Zwrócił również uwagę na geologię (pochodzenie epok lodowcowych ), astronomię , kosmologię fizyczną i astrofizykę , wyjaśniając narodziny Układu Słonecznego przez zderzenie międzygwiezdne. Uważał, że ciśnienie promieniowania odpowiada za komety , koronę słoneczną , zorzę polarną i światło zodiakalne .

Pomyślał, że życie mogło zostać przeniesione z planety na planetę transportem zarodników , według teorii znanej obecnie jako panspermia . Pomyślał o idei języka uniwersalnego , proponując modyfikację języka angielskiego .

Był członkiem zarządu Szwedzkiego Towarzystwa Higieny Rasowej (założonego w 1909 r.), które wówczas popierało mendelizm , a około 1910 r. przyczyniło się do tematu antykoncepcji. Jednak do 1938 r. w Królestwie Szwecji zakazano informacji i sprzedaży środków antykoncepcyjnych . Gordon Stein napisał, że Svante Arrhenius był ateistą. W ostatnich latach pisał zarówno podręczniki, jak i książki popularne, starając się podkreślić potrzebę dalszej pracy nad poruszanymi przez siebie tematami. We wrześniu 1927 zachorował na ostry nieżyt jelitowy i zmarł 2 października. Został pochowany w Uppsali.

Małżeństwa i rodzina

Był dwukrotnie żonaty, najpierw ze swoją byłą uczennicą Sofią Rudbeck (1894-1896), z którą miał jednego syna, Olofa Arrheniusa  [ sv ; fr ] , a następnie Marii Johansson (1905-1927), z którą miał dwie córki i syna.

Arrhenius był dziadkiem bakteriolog Agnes Wold , chemika Svante Wold  [ sv ] i oceanicznego biogeochemika Gustafa Arrheniusa  [ sv ; fr ] .

Efekt cieplarniany

Ten artykuł z 1902 r. przypisuje Arrheniusowi teorię, że spalanie węgla może spowodować pewien stopień globalnego ocieplenia, który ostatecznie doprowadzi do wyginięcia człowieka.

Opracowując teorię wyjaśniającą epoki lodowcowe , Arrhenius w 1896 r. jako pierwszy zastosował podstawowe zasady chemii fizycznej do obliczenia szacunkowego stopnia, w jakim wzrost atmosferycznego dwutlenku węgla (CO 2 ) spowoduje wzrost temperatury powierzchni Ziemi przez szklarnię. efekt . Obliczenia te doprowadziły go do wniosku, że spowodowane przez człowieka emisje CO 2 ze spalania paliw kopalnych i innych procesów spalania są wystarczająco duże, aby spowodować globalne ocieplenie. Ten wniosek został gruntownie przetestowany, zdobywając miejsce w centrum współczesnej nauki o klimacie. Arrhenius w tej pracy opierał się na wcześniejszych pracach innych znanych naukowców, w tym Josepha Fouriera , Johna Tyndalla i Claude'a Pouilleta . Arrhenius chciał ustalić, czy gazy cieplarniane mogą przyczynić się do wyjaśnienia zmienności temperatury między okresami lodowcowymi i międzylodowcowymi. Arrhenius wykorzystał obserwacje księżyca w podczerwieni – przez Franka Washingtona Very i Samuela Pierponta Langleya z Obserwatorium Allegheny w Pittsburghu – do obliczenia, ile promieniowania podczerwonego (ciepła) jest wychwytywane przez CO 2 i parę wodną (H 2 O) w ziemskiej atmosferze. Posługując się „prawem Stefana” (lepiej znanym jako prawo Stefana–Boltzmanna ), sformułował to, co nazwał „regułą”. W swojej pierwotnej formie reguła Arrheniusa brzmi następująco:

jeśli ilość kwasu węglowego wzrasta w postępie geometrycznym, wzrost temperatury wzrośnie prawie w postępie arytmetycznym.

Tutaj Arrhenius odnosi się do CO 2 jako do kwasu węglowego (co we współczesnym użyciu odnosi się tylko do postaci wodnej H 2 CO 3 ). Następujące sformułowanie reguły Arrheniusa jest nadal w użyciu:

gdzie jest stężenie CO 2 na początku (czas zero) badanego okresu (jeśli ta sama jednostka stężenia jest używana dla obu i , nie ma znaczenia, która jednostka stężenia jest używana); Jest CO 2 stężenie przy końcu okresu będącego przedmiotem badań; ln jest logarytmem naturalnym (= logarytm o podstawie e ( log e )); i jest przyrostem temperatury, innymi słowy zmianą szybkości nagrzewania powierzchni Ziemi ( wymuszanie radiacyjne ), która jest mierzona w watach na metr kwadratowy . Wyprowadzone z atmosferycznych modeli transferu radiacyjnego wykazały, że (alfa) dla CO 2 wynosi 5,35 (± 10%) W/m 2 dla atmosfery ziemskiej.

Arrhenius na pierwszej konferencji Solvaya poświęconej chemii w 1922 r. w Brukseli .

Na podstawie informacji od swojego kolegi Arvida Högboma Arrhenius był pierwszą osobą, która przewidziała, że ​​emisje dwutlenku węgla pochodzące ze spalania paliw kopalnych i innych procesów spalania są wystarczająco duże, aby spowodować globalne ocieplenie. W swoich obliczeniach Arrhenius uwzględnił sprzężenie zwrotne ze zmian pary wodnej, a także efekty równoleżnikowe, ale pominął chmury, konwekcję ciepła w górę atmosfery i inne istotne czynniki. Jego praca jest obecnie postrzegana nie jako dokładna kwantyfikacja globalnego ocieplenia, ale jako pierwsza demonstracja, że ​​wzrost atmosferycznego CO 2 spowoduje globalne ocieplenie, przy czym wszystko inne jest równe.

Święty Arrhenius (1909)

Wartości absorpcji Arrheniusa dla CO 2 i jego wnioski spotkały się z krytyką Knuta Ångströma w 1900 roku, który opublikował pierwsze nowoczesne widmo absorpcji w podczerwieni CO 2 z dwoma pasmami absorpcji i opublikował wyniki eksperymentalne, które wydawały się wykazywać, że absorpcja promieniowania podczerwonego przez gaz w atmosfera była już „nasycona”, tak że dodawanie więcej nie robiło żadnej różnicy. Arrhenius odpowiedział zdecydowanie w 1901 ( Annalen der Physik ), całkowicie odrzucając krytykę. Poruszył ten temat krótko w technicznej książce zatytułowanej Lehrbuch der kosmischen Physik (1903). Później napisał Världarnas utveckling (1906) (niem. Das Werden der Welten [1907], ang.: Worlds in the Making [1908]) skierowany do szerokiej publiczności, w którym sugerował, że emisja CO 2 przez człowieka byłaby wystarczająco silna, aby uniemożliwić światu wejście w nową epokę lodowcową i że potrzebna byłaby cieplejsza ziemia, aby wyżywić szybko rosnącą populację:

„W pewnym stopniu temperatura powierzchni ziemi, jak zobaczymy za chwilę, jest uwarunkowana właściwościami otaczającej ją atmosfery, a zwłaszcza przepuszczalnością tej ostatniej dla promieni ciepła”. (str. 46)
„To, że otoczki atmosferyczne ograniczają straty ciepła z planet, zasugerował około 1800 roku wielki francuski fizyk Fourier. Jego idee zostały następnie rozwinięte przez Pouilleta i Tyndalla. Ich teorię nazwano teorią cieplarni, ponieważ uważali, że atmosfera zachowywała się jak tafle szklane w szklarniach”. (str. 51)
„Jeśli ilość kwasu węglowego [ CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 (kwas węglowy) ] w powietrzu spadnie do połowy obecnej wartości procentowej, temperatura spadnie o około 4°; -kwartał obniżyłby temperaturę o 8°. Z drugiej strony każde podwojenie procentowej zawartości dwutlenku węgla w powietrzu podniosłoby temperaturę powierzchni ziemi o 4°; wzrosnąć o 8°." (str. 53)
„Chociaż morze, absorbując kwas węglowy, działa jak regulator o ogromnej pojemności, który pochłania około pięciu szóstych produkowanego kwasu węglowego, to jednak zdajemy sobie sprawę, że niewielki procent kwasu węglowego w atmosferze może być spowodowany postępem przemysłu zmienić się w zauważalnym stopniu w ciągu kilku stuleci”. (str. 54)
„Odkąd teraz ciepłe epoki przeplatają się z okresami lodowcowymi, nawet po pojawieniu się człowieka na ziemi, musimy zadać sobie pytanie: czy jest prawdopodobne, że w nadchodzących epokach geologicznych odwiedzi nas nowy okres lodowcowy, który wyprowadzi nas z nasze kraje o umiarkowanym klimacie do gorętszego klimatu Afryki? Wydaje się, że nie ma zbyt wielu podstaw do takich obaw. Ogromne spalanie węgla przez nasze zakłady przemysłowe wystarcza, aby w odczuwalnym stopniu zwiększyć procentową zawartość dwutlenku węgla w powietrzu”. (str. 61)
„Często słyszymy lament, że węgiel zgromadzony na ziemi jest marnowany przez obecne pokolenie bez myśli o przyszłości i jesteśmy przerażeni straszliwym zniszczeniem życia i mienia, które nastąpiło po erupcjach wulkanów w naszych czasach. znaleźć swego rodzaju pociechę w stwierdzeniu, że tu, jak w każdym innym przypadku, dobro miesza się ze złem.Pod wpływem wzrastającego udziału kwasu węglowego w atmosferze możemy mieć nadzieję, że wieki będą bardziej wyrównane i lepsze. klimat, zwłaszcza jeśli chodzi o chłodniejsze regiony ziemi, wieki, kiedy ziemia wyda znacznie obfitsze plony niż obecnie, z korzyścią dla szybko rozmnażającej się ludzkości”. (str. 63)

W tej chwili, akceptowanym wyjaśnieniem konsensusu jest to, że historycznie, wymuszanie orbitalne wyznaczało czas epok lodowcowych, przy czym CO 2 pełnił rolę niezbędnego sprzężenia zwrotnego wzmacniającego . Jednak uwalnianie CO 2 od czasu rewolucji przemysłowej zwiększyło CO 2 do poziomu niespotykanego od 10 do 15 milionów lat temu, kiedy średnia globalna temperatura powierzchni była do 6 ° C cieplejsza niż obecnie i prawie cały lód stopił się, podnosząc światowy poziom mórz do około 100 stóp wyższy niż obecnie.

Arrhenius oszacował na podstawie poziomu CO 2 w swoim czasie, że zmniejszenie poziomu o 0,62–0,55 obniżyłoby temperaturę o 4–5 °C (Celsjusza), a wzrost CO 2 o 2,5 do 3 razy spowodowałby wzrost temperatury o 8– 9 °C w Arktyce. W swojej książce Worlds in the Making opisał „cieplarnianą” teorię atmosfery.

Pracuje

  • 1884, Recherches sur la Conductibilité galvanique des électrolytes , rozprawa doktorska, Sztokholm, Wydawnictwo Królewskie, PA Norstedt & Söner, 155 stron.
  • 1896a, Ueber den Einfluss des Atmosphärischen Kohlensäurengehalts auf die Temperatur der Erdoberfläche , w Proceedings of the Royal Swedish Academy of Science, Sztokholm 1896, Tom 22, I N. 1, strony 1-101.
  • 1896b, O wpływie kwasu węglowego w powietrzu na temperaturę ziemi , Londyn, Edynburg i Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science (seria piąta), kwiecień 1896. vol 41, strony 237-275.
  • 1901a, Ueber die Wärmeabsorption durch Kohlensäure , Annalen der Physik, tom 4, 1901, strony 690-705.
  • 1901b, Über Die Wärmeabsorption Durch Kohlensäure Und Ihren Einfluss Auf Die Temperatura Der Erdoberfläche . Streszczenie obrad Królewskiej Akademii Nauk, 58, 25–58.
  • Arrhenius, Svante. Die Verbreitung des Lebens im Weltenraum . Die Umschau, Frankfurt nad. M., 7, 1903, 481–486.
  • Lehrbuch der kosmischen Physik (w języku niemieckim). 1 . Lipsk: Hirzel. 1903.
  • 1906, Die vermutliche Ursache der Klimaschwankungen , Meddelanden från K. Vetenskapsakademiens Nobelinstitut, t. 1 nr 2, s. 1–10
  • 1908, Das Werden der Welten (Światy w tworzeniu; ewolucja wszechświata), Wydawnictwo Akademickie, Lipsk, 208 stron.

Zobacz też

Bibliografia

Źródła

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki