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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

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