Svante Arrhenius

Svante August Arrhenius ( , ; 19. Februar 1859 - 2. Oktober 1927) war ein schwedischer Wissenschaftler. Arrhenius, der ursprünglich Physiker war, aber oft als Chemiker bezeichnet wird, war einer der Begründer der Wissenschaft der physikalischen Chemie. Er erhielt 1903 den Nobelpreis für Chemie und war damit der erste schwedische Nobelpreisträger. Im Jahr 1905 wurde er zum Direktor des Nobelinstituts ernannt, wo er bis zu seinem Tod blieb.

Arrhenius war der erste, der die Prinzipien der physikalischen Chemie anwandte, um abzuschätzen, inwieweit der Anstieg des atmosphärischen Kohlendioxids für den Anstieg der Oberflächentemperatur der Erde verantwortlich ist. Seine Arbeit spielte eine wichtige Rolle bei der Entstehung der modernen Klimawissenschaft. In den 1960er Jahren maß Charles David Keeling zuverlässig den Kohlendioxidgehalt in der Luft und stellte fest, dass dieser anstieg und gemäß der Treibhaushypothese ausreichte, um eine signifikante globale Erwärmung zu verursachen.

Die Arrhenius-Gleichung, die Arrhenius-Säure, die Arrhenius-Basis, der Mondkrater Arrhenius, der Marskrater Arrhenius, der Berg Arrheniusfjellet und die Arrhenius-Labors an der Universität Stockholm wurden zum Gedenken an seine wissenschaftlichen Beiträge so benannt.

Biografie

Frühere Jahre

Arrhenius wurde am 19. Februar 1859 in Vik (auch Wik oder Wijk genannt), in der Nähe von Uppsala, im Königreich Schweden, als Sohn von Svante Gustav und Carolina Thunberg Arrhenius geboren, die evangelisch waren. Sein Vater war als Landvermesser für die Universität Uppsala tätig und stieg bis zu einer leitenden Position auf. Im Alter von drei Jahren brachte Arrhenius sich selbst das Lesen bei, ohne von seinen Eltern dazu ermutigt worden zu sein, und wurde durch die Beobachtung der Additionen seines Vaters in seinen Geschäftsbüchern zu einem arithmetischen Wunderkind. In seinem späteren Leben begeisterte sich Arrhenius für mathematische Konzepte, die Analyse von Daten und die Entdeckung ihrer Zusammenhänge und Gesetze.

Mit acht Jahren trat er in die örtliche Domschule ein, begann in der fünften Klasse, zeichnete sich in Physik und Mathematik aus und schloss 1876 als jüngster und fähigster Schüler ab.

Ionische Dissoziation

An der Universität Uppsala war er mit dem Hauptlehrer für Physik und dem einzigen Fakultätsmitglied, das ihn in Chemie hätte betreuen können, Per Teodor Cleve, unzufrieden, so dass er 1881 an das Physikalische Institut der Schwedischen Akademie der Wissenschaften in Stockholm zu dem Physiker Erik Edlund wechselte.

Seine Arbeit konzentrierte sich auf die Leitfähigkeiten von Elektrolyten. Auf der Grundlage dieser Arbeit reichte er 1884 in Uppsala eine 150-seitige Dissertation über die elektrolytische Leitfähigkeit ein, mit der er promoviert wurde. Sie beeindruckte die Professoren, zu denen auch Cleve gehörte, nicht und er erhielt einen Abschluss vierter Klasse, wurde aber nach seiner Verteidigung wieder als drittklassig eingestuft. Später brachten ihm Erweiterungen eben dieser Arbeit den Nobelpreis für Chemie 1903 ein.

Arrhenius stellte in seiner Dissertation aus dem Jahr 1884 56 Thesen auf, von denen die meisten auch heute noch unverändert oder mit geringfügigen Änderungen akzeptiert werden würden. Die wichtigste Idee in der Dissertation war seine Erklärung der Tatsache, dass feste kristalline Salze beim Auflösen in paarweise geladene Teilchen zerfallen, wofür er 1903 den Nobelpreis für Chemie erhalten sollte. Arrhenius' Erklärung war, dass sich das Salz bei der Bildung einer Lösung in geladene Teilchen aufspaltet, die Michael Faraday viele Jahre zuvor als Ionen bezeichnet hatte. Faraday war davon ausgegangen, dass Ionen bei der Elektrolyse entstehen, d. h. dass eine externe Gleichstromquelle erforderlich ist, um Ionen zu bilden. Arrhenius schlug vor, dass wässrige Lösungen von Salzen auch ohne elektrischen Strom Ionen enthalten. Er schlug also vor, dass chemische Reaktionen in Lösung Reaktionen zwischen Ionen sind.

Die Dissertation beeindruckte die Professoren in Uppsala nicht, aber Arrhenius schickte sie an eine Reihe von Wissenschaftlern in Europa, die die neue Wissenschaft der physikalischen Chemie entwickelten, wie Rudolf Clausius, Wilhelm Ostwald und Jacobus Henricus van 't Hoff. Sie waren sehr viel beeindruckter, und Ostwald kam sogar nach Uppsala, um Arrhenius zu überreden, sich seinem Forschungsteam in Riga anzuschließen. Arrhenius lehnte jedoch ab, da er es vorzog, eine Zeit lang in Schweden-Norwegen zu bleiben (sein Vater war sehr krank und starb 1885) und eine Stelle in Uppsala erhalten hatte.

In einer Erweiterung seiner Ionentheorie schlug Arrhenius 1884 Definitionen für Säuren und Basen vor. Er vertrat die Auffassung, dass Säuren Stoffe sind, die in Lösung Wasserstoffionen erzeugen, und dass Basen Stoffe sind, die in Lösung Hydroxidionen erzeugen.

Mittleres Zeitalter

1885 erhielt Arrhenius ein Reisestipendium der Schwedischen Akademie der Wissenschaften, das ihm Studienaufenthalte bei Ostwald in Riga (heute in Lettland), bei Friedrich Kohlrausch in Würzburg, Deutschland, bei Ludwig Boltzmann in Graz, Österreich, und bei Jacobus Henricus van 't Hoff in Amsterdam ermöglichte.

1889 erklärte Arrhenius die Tatsache, dass die meisten Reaktionen zusätzliche Wärmeenergie benötigen, um abzulaufen, indem er das Konzept der Aktivierungsenergie formulierte, eine Energiebarriere, die überwunden werden muss, bevor zwei Moleküle reagieren. Die Arrhenius-Gleichung liefert die quantitative Grundlage für die Beziehung zwischen der Aktivierungsenergie und der Geschwindigkeit, mit der eine Reaktion abläuft.

1891 wurde er Dozent an der Stockholmer Hochschule (Stockholms Högskola, heute Universität Stockholm), 1895 wurde er (gegen viele Widerstände) zum Professor für Physik befördert und 1896 zum Rektor.

Nobelpreise

Um 1900 beteiligte sich Arrhenius an der Gründung der Nobel-Institute und der Verleihung der Nobelpreise. Im Jahr 1901 wurde er zum Mitglied der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften gewählt. Für den Rest seines Lebens war er Mitglied des Nobelkomitees für Physik und de facto auch Mitglied des Nobelkomitees für Chemie. Er nutzte seine Positionen, um seinen Freunden (Jacobus van 't Hoff, Wilhelm Ostwald, Theodore Richards) Preise zu verschaffen und seinen Feinden (Paul Ehrlich, Walther Nernst, Dmitri Mendelejew) diese zu verweigern. Im Jahr 1901 wurde Arrhenius gegen starken Widerstand in die Schwedische Akademie der Wissenschaften gewählt. Im Jahr 1903 wurde er als erster Schwede mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Nach der Gründung des Nobel-Instituts für physikalische Forschung in Stockholm im Jahr 1905 wurde er zum Rektor des Instituts ernannt, ein Amt, das er bis zu seiner Pensionierung im Jahr 1927 innehatte.

Im Jahr 1911 erhielt er den ersten Willard-Gibbs-Preis.

Gesellschaftsmitgliedschaften

1908 wurde er zum internationalen Mitglied der United States National Academy of Sciences gewählt.

Im Jahr 1909 wurde er zum Ehrenmitglied der Niederländischen Chemischen Gesellschaft gewählt.

1910 wurde er Foreign Member of the Royal Society (ForMemRS).

1911 wurde er zum Internationalen Mitglied der Amerikanischen Philosophischen Gesellschaft gewählt.

1912 wurde er zum ausländischen Ehrenmitglied der American Academy of Arts and Sciences gewählt.

1919 wurde er ausländisches Mitglied der Königlich Niederländischen Akademie der Künste und Wissenschaften.

Spätere Jahre

Mit der Zeit wurden Arrhenius' Theorien allgemein anerkannt, und er wandte sich anderen wissenschaftlichen Themen zu. Im Jahr 1902 begann er, physiologische Probleme im Sinne der chemischen Theorie zu untersuchen. Er stellte fest, dass die Reaktionen in lebenden Organismen und im Reagenzglas denselben Gesetzen folgten.

1904 hielt er an der Universität von Kalifornien eine Vorlesungsreihe, deren Ziel es war, die Anwendung der Methoden der physikalischen Chemie auf das Studium der Theorie der Toxine und Antitoxine zu veranschaulichen, und die 1907 unter dem Titel Immunochemie veröffentlicht wurde. Er widmete sich auch der Geologie (Entstehung der Eiszeiten), der Astronomie, der physikalischen Kosmologie und der Astrophysik, indem er die Entstehung des Sonnensystems durch interstellare Kollisionen erklärte. Er betrachtete den Strahlungsdruck als Ursache für Kometen, die Sonnenkorona, das Polarlicht und das Zodiakallicht.

Er war der Meinung, dass das Leben durch den Transport von Sporen von Planet zu Planet gebracht worden sein könnte, eine Theorie, die heute als Panspermie bekannt ist. Er hatte die Idee einer universellen Sprache und schlug eine Abwandlung der englischen Sprache vor.

Er war Vorstandsmitglied der „Schwedischen Gesellschaft für Rassenhygiene“ (gegründet 1909), die damals den Mendelismus befürwortete, und leistete um 1910 einen Beitrag zum Thema Verhütungsmittel. Bis 1938 waren jedoch Information und Verkauf von Verhütungsmitteln im Königreich Schweden verboten. Gordon Stein schrieb, dass Svante Arrhenius ein Atheist war. In seinen letzten Lebensjahren schrieb er sowohl Lehrbücher als auch populäre Bücher und versuchte, die Notwendigkeit weiterer Arbeiten zu den von ihm behandelten Themen zu betonen. Im September 1927 erkrankte er an einem akuten Darmkatarrh und starb am 2. Oktober. Er wurde in Uppsala beigesetzt.

Verheiratungen und Familie

Er war zweimal verheiratet, zunächst mit seiner ehemaligen Schülerin Sofia Rudbeck (1894-1896), mit der er einen Sohn, , hatte, und dann mit Maria Johansson (1905-1927), mit der er zwei Töchter und einen Sohn hatte.

Arrhenius war der Großvater der Bakteriologin Agnes Wold, des Chemikers Svante Wold und des Meeresbiogeochemikers .

Treibhauseffekt

Bei der Entwicklung einer Theorie zur Erklärung der Eiszeiten nutzte Arrhenius 1896 als erster die Grundprinzipien der physikalischen Chemie, um das Ausmaß zu berechnen, in dem ein Anstieg des atmosphärischen Kohlendioxids (CO₂) die Oberflächentemperatur der Erde durch den Treibhauseffekt erhöhen wird. Diese Berechnungen führten ihn zu dem Schluss, dass die vom Menschen verursachten CO₂-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe und anderen Verbrennungsprozessen groß genug sind, um eine globale Erwärmung zu verursachen. Diese Schlussfolgerung wurde ausgiebig getestet und hat sich einen festen Platz in der modernen Klimawissenschaft erobert. Arrhenius baute in dieser Arbeit auf den früheren Arbeiten anderer berühmter Wissenschaftler wie Joseph Fourier, John Tyndall und Claude Pouillet auf. Arrhenius wollte herausfinden, ob Treibhausgase zur Erklärung der Temperaturschwankungen zwischen Eiszeiten und Zwischeneiszeiten beitragen könnten. Arrhenius nutzte Infrarotbeobachtungen des Mondes - von Frank Washington Very und Samuel Pierpont Langley am Allegheny Observatory in Pittsburgh - um zu berechnen, wie viel Infrarotstrahlung (Wärme) von CO₂ und Wasserdampf (H₂O) in der Erdatmosphäre eingefangen wird. Unter Verwendung des „Stefanschen Gesetzes“ (besser bekannt als Stefan-Boltzmann-Gesetz) formulierte er eine so genannte „Regel“. In ihrer ursprünglichen Form lautet Arrhenius' Regel wie folgt: Wenn die Menge der Kohlensäure in geometrischer Progression zunimmt, wird die Temperaturerhöhung fast in arithmetischer Progression zunehmen. Hier bezieht sich Arrhenius auf CO₂ als Kohlensäure (was sich im modernen Sprachgebrauch nur auf die wässrige Form H₂CO₃ bezieht). Die folgende Formulierung der Arrhenius'schen Regel ist auch heute noch in Gebrauch:

$\Delta F=\alpha \ln(C/C_{0})$

wobei $C_{0}$ die CO₂-Konzentration zu Beginn (Zeitpunkt Null) des untersuchten Zeitraums ist (wenn für $C$ und $C_{0}$ die gleiche Konzentrationseinheit verwendet wird, spielt es keine Rolle, welche Konzentrationseinheit verwendet wird); $C$ ist die CO₂-Konzentration am Ende des untersuchten Zeitraums; ln ist der natürliche Logarithmus (= log Basis e (<! --vorlage 7-->)); und $\Delta F$ ist die Temperaturerhöhung, also die Änderung der Aufheizrate der Erdoberfläche (Strahlungsantrieb), die in Watt pro Quadratmeter gemessen wird. Ableitungen aus atmosphärischen Strahlungstransfermodellen haben ergeben, dass $\alpha$ (alpha) für CO₂ 5,35 (± 10%) W/m² für die Erdatmosphäre beträgt.

Auf der Grundlage von Informationen seines Kollegen Arvid Högbom war Arrhenius der erste, der vorhersagte, dass die Kohlendioxidemissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe und anderen Verbrennungsprozessen groß genug waren, um eine globale Erwärmung zu verursachen. Arrhenius bezog in seine Berechnungen die Rückkopplung durch Veränderungen des Wasserdampfs sowie Breiteneffekte ein, ließ aber Wolken, die Konvektion von Wärme nach oben in der Atmosphäre und andere wesentliche Faktoren außer Acht. Seine Arbeit gilt heute weniger als genaue Quantifizierung der globalen Erwärmung als vielmehr als erster Nachweis, dass ein Anstieg des atmosphärischen CO₂ unter sonst gleichen Bedingungen eine globale Erwärmung verursacht. Arrhenius' Absorptionswerte für CO₂ und seine Schlussfolgerungen wurden 1900 von Knut Ångström kritisiert, der das erste moderne Infrarot-Absorptionsspektrum von CO₂ mit zwei Absorptionsbanden veröffentlichte und experimentelle Ergebnisse vorlegte, die zu zeigen schienen, dass die Absorption von Infrarotstrahlung durch das Gas in der Atmosphäre bereits „gesättigt“ war, so dass eine weitere Zugabe keinen Unterschied machen konnte. Arrhenius antwortete 1901 (Annalen der Physik) mit Nachdruck und wies die Kritik vollständig zurück. In einem Fachbuch mit dem Titel Lehrbuch der kosmischen Physik (1903) ging er kurz auf das Thema ein. Später schrieb er Världarnas utveckling (1906) (deutsch: Das Werden der Welten [1907], englisch: Worlds in the Making [1908]), der sich an ein allgemeines Publikum richtete und in dem er behauptete, dass der menschliche Ausstoß von CO₂ stark genug sei, um eine neue Eiszeit zu verhindern, und dass eine wärmere Erde notwendig sei, um die schnell wachsende Bevölkerung zu ernähren:

„Die Temperatur der Erdoberfläche wird, wie wir gleich sehen werden, bis zu einem gewissen Grade durch die Eigenschaften der sie umgebenden Atmosphäre und insbesondere durch die Durchlässigkeit derselben für die Wärmestrahlen bedingt.“ (p. 46)

„Dass die atmosphärischen Umhüllungen die Wärmeverluste der Planeten begrenzen, wurde um 1800 von dem großen französischen Physiker Fourier vorgeschlagen. Seine Ideen wurden später von Pouillet und Tyndall weiter entwickelt. Ihre Theorie wurde als „Theorie der heißen Häuser“ bezeichnet, weil sie davon ausgingen, dass sich die Atmosphäre wie die Glasscheiben von heißen Häusern verhält.“ (p. 51)

„Wenn die Menge an Kohlensäure [ CO₂ + H₂O → H₂CO₃ (Kohlensäure) ] in der Luft auf die Hälfte ihres gegenwärtigen Prozentsatzes sinken würde, würde die Temperatur um etwa 4° fallen; eine Verringerung auf ein Viertel würde die Temperatur um 8° senken. Andererseits würde eine Verdoppelung des Prozentsatzes von Kohlendioxid in der Luft die Temperatur der Erdoberfläche um 4° erhöhen; und wenn das Kohlendioxid um das Vierfache erhöht würde, würde die Temperatur um 8° steigen.“ (p. 53)

„Obwohl das Meer, indem es Kohlensäure aufnimmt, als ein Regulator von riesiger Kapazität wirkt, der etwa fünf Sechstel der produzierten Kohlensäure aufnimmt, erkennen wir doch, dass der geringe Prozentsatz an Kohlensäure in der Atmosphäre durch die Fortschritte der Industrie im Laufe einiger Jahrhunderte zu einem merklichen Grad verändert werden kann.“ (p. 54)

„Da nun auch nach dem Erscheinen des Menschen auf der Erde Warmzeiten mit Eiszeiten abgewechselt haben, müssen wir uns fragen: Ist es wahrscheinlich, dass wir in den kommenden geologischen Zeitaltern von einer neuen Eiszeit heimgesucht werden, die uns aus unseren gemäßigten Ländern in die heißeren Klimazonen Afrikas treiben wird? Für eine solche Befürchtung scheint es nicht viel Grund zu geben. Die enorme Verbrennung von Kohle in unseren Industrieanlagen reicht aus, um den Prozentsatz von Kohlendioxid in der Luft auf ein spürbares Maß zu erhöhen.“ (p. 61)

„Wir hören oft Klagen darüber, dass die in der Erde gespeicherte Kohle von der gegenwärtigen Generation ohne jeden Gedanken an die Zukunft vergeudet wird, und wir sind entsetzt über die schreckliche Zerstörung von Leben und Eigentum, die den Vulkanausbrüchen unserer Tage gefolgt ist. Ein gewisser Trost liegt in der Überlegung, dass sich auch hier, wie in jedem anderen Fall, das Gute mit dem Bösen vermischt. Durch den Einfluss des zunehmenden Prozentsatzes an Kohlensäure in der Atmosphäre können wir hoffen, Zeitalter mit ausgeglichenerem und besserem Klima zu erleben, besonders in den kälteren Regionen der Erde, Zeitalter, in denen die Erde viel reichhaltigere Ernten als jetzt hervorbringen wird, zum Nutzen der sich schnell fortpflanzenden Menschheit.“ (p. 63)

Gegenwärtig ist die allgemein anerkannte Erklärung, dass in der Vergangenheit der orbitale Antrieb den Zeitpunkt der Eiszeiten bestimmt hat, wobei CO₂ als wesentliche verstärkende Rückkopplung wirkt. Die Freisetzung von CO₂ seit der industriellen Revolution hat jedoch den CO₂-Gehalt auf ein Niveau erhöht, das seit 10 bis 15 Millionen Jahren nicht mehr erreicht wurde, als die globale durchschnittliche Oberflächentemperatur bis zu wärmer war als heute und fast das gesamte Eis geschmolzen war, wodurch der Meeresspiegel weltweit um etwa 30 m höher lag als heute.

Arrhenius schätzte auf der Grundlage der CO₂-Werte zu seiner Zeit, dass eine Verringerung der Werte um 0,62-0,55 die Temperaturen um 4-5 °C (Celsius) senken würde und ein Anstieg um das 2,5- bis 3-fache des CO₂ einen Temperaturanstieg von 8-9 °C in der Arktis verursachen würde. In seinem Buch Worlds in the Making beschrieb er die Theorie des „heißen Hauses“ in der Atmosphäre.

Werke

• 1884, Recherches sur la conductibilité galvanique des électrolytes, Dissertation, Stockholm, Königliches Verlagshaus, P. A. Norstedt & Söner, 155 Seiten.
• 1896a, Ueber den Einfluss des atmosphärischen Kohlensäurengehalts auf die Temperatur der Erdoberfläche, in: Proceedings of the Royal Swedish Academy of Science, Stockholm 1896, Band 22, I N. 1, Seiten 1-101.
• 1896b, On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground, London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science (fifth series), April 1896. vol 41, pages 237-275.
• 1901a, Über die Wärmeabsorption durch Kohlensäure, Annalen der Physik, Band 4, 1901, Seiten 690-705.
• 1901b, Über Die Wärmeabsorption Durch Kohlensäure Und Ihren Einfluss Auf Die Temperatur Der Erdoberfläche. Abstract of the proceedings of the Royal Academy of Science, 58, 25-58.
• Arrhenius, Svante. Die Verbreitung des Lebens im Weltenraum. Die Umschau, Frankfurt a. M., 7, 1903, 481-486.
• 1906, Die vermutliche Ursache der Klimaschwankungen, Meddelanden från K. Vetenskapsakademiens Nobelinstitut, Vol 1 No 2, Seiten 1-10
• 1908, Das Werden der Welten (Worlds in the making; the evolution of the universe), Academic Publishing House, Leipzig, 208 Seiten.

Siehe auch

• Arrhenius-Gesetz
• Arrhenius-Plot
• Geschichte der Wissenschaft vom Klimawandel
• Néel-Relaxationstheorie, auch Néel-Arrhenius-Theorie genannt
• Viskositätsmodelle für Gemische
• James Croll
• Eunice Newton Foote
• George Perkins Marsh
• Milutin Milanković
• Greta Thunberg - Klimaaktivistin und entfernte Verwandte von Arrhenius

Externe Links

• Svante Arrhenius (1859-1927)
• Obs 50 (1927) 363 - Nachruf (ein Absatz)
• PASP 39 (1927) 385 - Nachruf (ein Absatz)
• „On the influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground“, Arrhenius, 1896, online und analysiert auf BibNum Archived 16 August 2022 at the Wayback Machine [für die englische Analyse auf 'à télécharger' klicken]
• „Enter the Anthropocene: Climate Science in the Early 20th Century“, Podcast über Arrhenius, Guy Callendar und Charles David Keeling, Initial Conditions, Episode 2
• einschließlich der Nobelvorlesung, 11. Dezember 1903, „Entwicklung der Theorie der elektrolytischen Dissoziation“.
• A Tribute to the Memory of Svante Arrhenius (1859-1927) - a scientist ahead of his time, veröffentlicht 2008 von der Königlich Schwedischen Akademie der Ingenieurwissenschaften