Contents
Foreword. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Preamble. Air and Life. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
A Long-Lasting Pandemic. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
The Evolution of Ideas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Air and Life. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1. Air Pollution: A Long History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Air Pollution in Ancient Times . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Lead Pollution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
The Medieval Period. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
The Industrial Revolution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
London’s “Great Smog” in 1952 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Los Angeles Smog. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Air Pollution in Other Parts of the World. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
The Tragedy of the Commons and Ecological Equity. . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2. The Conquest of the Vertical. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
The Weight of Air. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Florence’s Fountain Builders and Torricelli’s Tube. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Blaise Pascal’s Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
The Elastic Air of Boyle and Mariotte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Balloon Ascents and the Law of Perfect Gases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
The Vertical Structure of the Atmosphere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3. Air or “Airs”?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
The Galileo of Brabant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Fixed Air. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
The Phlogiston Controversy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Proponents of the Phlogiston Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Proponents of the Oxygen Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
The Discovery of Noble Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Trace Gases in the Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4. Air in Motion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Atmospheric Circulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
The Origin and Trajectory of Storms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
The First Weather Services. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Empirical Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Theoretical Work. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
The Bergen School. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Newton’s Laws. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
The Determinism of Newton and Laplace. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Atmospheric Dynamics Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
The First Numerical Weather Forecasts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
The Role of Electronic Computers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
The Development of Numerical Forecasting in the United States. . . . . . . . . 146
Atmosphere and Chaos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Turbulence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Technological Revolution and Atmospheric Observation. . . . . . . . . . . . . . . 167
5. The Upper Layers of the Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
The Polar Aurora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
The Mystery of the Green Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Nightglow or Airglow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
The Oxygen Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Water Vapor and Hydrogen Compounds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
The International Geophysical Year. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
The Thermosphere, the Hydrogen Layer, and the Helium Belt. . . . . . . . . . . 203
The Ionosphere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
6. The Protective Ozone Layer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Ozone in the Laboratory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
Ozone in the Air. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Ozone Measurements in Parc Montsouris, Paris. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
An Ozone Layer in the Stratosphere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Global Distribution of Stratospheric Ozone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
Vertical Distribution of Ozone in the Stratosphere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
Balloons to Explore the Stratosphere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Rocket Measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
The Space Age. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Photochemical Ozone Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
7. Greenhouse gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
The Discovery of the Greenhouse Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
Gases that Warm the Planet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Carbon Dioxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
Methane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
Nitrous Oxide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
Water Vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
Other Greenhouse Gases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
Calculating the Greenhouse Effect. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
8. The Photochemical Reactor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
Photochemistry of Stratospheric Ozone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
Carbon Monoxide Photochemistry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
The Metastable Oxygen Atom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
OH: The Atmospheric Detergent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
Ozone in the Troposphere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
Observations of Tropospheric Chemical Species on a Global Scale. . . . . . . . 312
Mathematical Models of Tropospheric Chemistry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
International Cooperation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
9. Airborne Particles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
The First Ideas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
Particles and Microbes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
Particles in the Stratosphere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
Organic Aerosols. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
Aerosols and Clouds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
Particles and Atmospheric Electricity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
Aerosols and Climate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
10. The Human Footprint. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
Wildfires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
Poison Gas as a Chemical Weapon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
Acid Precipitation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
Supersonic Aviation and the Ozone Layer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
A Hole in the Ozone Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
Nuclear Winter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
Microplastics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
11. Climate Change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
From Antiquity to the Industrial Revolution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
A Climate Change Survey in France. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
Svante Arrhenius and Guy Callendar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
The Keeling Curve. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
Polar Ice: An Archive of Climate’s History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
Climate Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
The Charney Report. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
The Response of the Oil Industry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
The International Dimension. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
The Political Process and Climate Agreements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
Solutions to the Climate Problem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
The Complexity of the Earth System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
Epilogue. Advances in Knowledge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
Science Through the Ages. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
Antiquity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
From the Eighth to the Fourteenth Century . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
The Fifteenth Century . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
The Sixteenth Century. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
The Seventeenth Century . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
The Eighteenth Century. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
The Nineteenth Century. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
The Twentieth Century. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
The Twenty-First Century. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
Future Challenges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
Index of names. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
