圖片來源：路透社/Nerijus Adomaitis

氣候變化應(yīng)該是當(dāng)今最緊迫的事情了，不論是從政治意義還是生存的意義來說。氣候變化是大眾行為的結(jié)果的認(rèn)知也在不斷上升。

在11500年里，大氣中二氧化碳的濃度徘徊在280 ppm（parts per million百萬分率；工業(yè)化前的“正常值”），平均地表溫度大約是15攝氏度左右。自從工業(yè)革命開始，這個(gè)水平持續(xù)上升，在2018年上升到410ppm。地球科學(xué)家將重點(diǎn)放在長達(dá)數(shù)十億年的時(shí)間軸上，運(yùn)用特殊儀器極其清晰地證明了工業(yè)社會(huì)多么突然地改變了并且正在改變地球氣候。

地球氣候的主要引擎是太陽。我們的恒星每年平均表面功率是342W/m2（大約相當(dāng)于這個(gè)星球上每平方米都有一個(gè)吹風(fēng)機(jī)）。地球吸收了大約70%然后將其他部分反射出去。如果這是唯一的氣候機(jī)制，那么平均氣溫會(huì)是-15°C（低于水的冰點(diǎn)0°C）。生活將變?yōu)椴豢赡?。幸運(yùn)的是，一些被吸收的能量又以紅外輻射的形式反射出來，與可見光不同，紅外輻射與大氣中存在的溫室氣體（GHGs）相互作用，將熱量輻射回地球表面。這種溫室效應(yīng)目前使我們的平均溫度保持在15°C左右。

主要的溫室氣體是水蒸氣和備受爭議的二氧化碳。二氧化碳在溫室效應(yīng)中發(fā)揮了30%的作用，而水蒸氣貢獻(xiàn)了剩下的70%，不過二氧化碳具有總體的升溫能力，而水蒸氣沒有。水蒸氣在大氣中停留的時(shí)間很短（大約是幾個(gè)小時(shí)到幾天），并且只有在溫度升高時(shí)濃度才會(huì)增加。二氧化碳在大氣中能徘徊100年，其濃度不受溫度控制。因此，二氧化碳是引起變暖的主因：如果二氧化碳濃度增加，那么不論其趨勢如何，平均溫度都會(huì)增加。

了解大氣中二氧化碳的監(jiān)管至關(guān)重要。在地質(zhì)時(shí)間尺度（10萬年以上），火山氣體是二氧化碳的主要來源，平均每年有4億噸的二氧化碳（0.4 GtCO2/y）通過這一方式逸散。但二氧化碳并不只是在大氣層中不斷積累。由于其他環(huán)境過程，二氧化碳可以積累和離散，并且通過碳匯的方式儲(chǔ)存。

例如，海洋的碳含量是大氣的50倍。然而，溶解在海洋中的二氧化碳很容易向大氣釋放，而只有地質(zhì)時(shí)間尺度上的地質(zhì)沉積才能阻止二氧化碳遠(yuǎn)離大氣。

第一次地質(zhì)沉積是有機(jī)質(zhì)的沉積。活生物體含有通過光合作用從大氣中的二氧化碳構(gòu)建的有機(jī)碳，死亡的生物經(jīng)常被送到海洋、湖泊和沼澤的底部。因此，大量的有機(jī)碳隨著時(shí)間的推移積聚在海洋和大陸沉積物中，其中一些最終轉(zhuǎn)化為化石燃料（石油、天然氣和煤）。

鈣質(zhì)巖是第二次地質(zhì)碳匯?；◢弾r或玄武巖等巖石被地表水淹沒，鈣和碳酸氫根離子被沖洗到海洋中。海洋生物利用它們來建造由碳酸鈣制成的硬質(zhì)部件。當(dāng)沉積在海底時(shí)，碳酸鈣最終隔離生成石灰石。

根據(jù)估計(jì)，這兩種沉積（匯）加在一起是目前大氣中儲(chǔ)存的碳含量的5-10萬倍。

地球大氣中的二氧化碳含量差異很大。數(shù)十年的研究使我們得以繪制出44億年前地球完全誕生后的歷史主線。

地球早期的大氣層富含二氧化碳（將近是現(xiàn)在水平的1萬倍），而氧氣則十分稀少。在太古代（38-25億年前），生命第一次爆發(fā)，第一代大洲興起。風(fēng)化開始將二氧化碳排向大氣。光合作用的發(fā)展有助于減少大氣中的二氧化碳，同時(shí)在大約23億年前的大氧化事件（大氣中游離氧含量突然增加，原因尚不明，但是其促使日后動(dòng)物的出現(xiàn)成為可能）時(shí)期提升了氧含量。二氧化碳濃度下降到“只有”前工業(yè)時(shí)期水平的20-100倍的水平，再也沒有回到地球最早的濃度。

20億年后，碳循環(huán)發(fā)生了變化。早在晚泥盆紀(jì)到早石炭世（大約3.5億年前），二氧化碳濃度約為1000ppm，哺乳動(dòng)物也并不存在。能夠合成木質(zhì)素（復(fù)雜的有機(jī)聚合物，是維管植物和藻類的重要結(jié)構(gòu)材料，并在細(xì)胞壁的形成中特別重要）的維管植物出現(xiàn)在泥盆紀(jì)及之后。木質(zhì)素是一種抗微生物降解的分子，可使大量的有機(jī)碳在隨后數(shù)百萬年里形成煤炭。結(jié)合海西期（晚古生代時(shí)期，得名于德國海西山，海西地殼運(yùn)動(dòng)形成褶皺）的風(fēng)化（其遺跡可以在法國的中央高原或美國的阿巴拉契亞山脈中找到），有機(jī)碳埋葬將大氣中的二氧化碳降低到與如今（甚至低于如今）的水平，并且在促使3.2-2.8億年前的冰川時(shí)期的產(chǎn)生。

然而，在侏羅紀(jì)（1.45億年以前）結(jié)束時(shí)，鐘擺晃動(dòng)了?？铸埥y(tǒng)治著地球，哺乳動(dòng)物進(jìn)化，構(gòu)造活動(dòng)增加，泛大陸（又稱盤古大陸，是最后一個(gè)超級(jí)大陸，指古生代到中生代時(shí)期3.35-1.75億年存在的大陸）被撕裂。二氧化碳增加到500-2000ppm，并保持在這個(gè)高水平上，保持了1億年左右的溫暖的溫室氣候。

從5500萬年前開始，地球隨著二氧化碳的減少而降溫，特別是在喜馬拉雅隆起以及隨后風(fēng)化和有機(jī)碳的沉積之后。隨著人類在700萬年以前出現(xiàn)，進(jìn)化便一直延續(xù)。在260萬年的時(shí)間里，地球進(jìn)入了一個(gè)新的狀態(tài)，其特征是由地球軌道參數(shù)引導(dǎo)的冰川與間冰期交替出現(xiàn)，并由短期碳循環(huán)放大。11500年前，當(dāng)?shù)厍蜻M(jìn)入最新的間冰期階段時(shí)，二氧化碳達(dá)到了前工業(yè)化時(shí)期。

直到19世紀(jì)，大氣中的碳和地球的氣候的故事不過是地質(zhì)學(xué)、生物學(xué)和進(jìn)化論的故事。而在工業(yè)革命之后，這個(gè)故事發(fā)生了翻天覆地的變化，大約出現(xiàn)在30萬年以前的現(xiàn)代人類（晚期智人）開始大規(guī)模地開采和燃燒化石燃料。

到1950年，通過化石燃料燃燒使大氣中二氧化碳增加的事實(shí)通過二氧化碳分子的碳同位素特征（“蘇斯效應(yīng)”，又稱工業(yè)效應(yīng)，指工業(yè)時(shí)代以來大量燃燒化石燃料導(dǎo)致大氣中的碳14和碳12比例失衡）得到證實(shí)。到1970年代末期，氣候?qū)W家觀察到整體溫度變暖趨勢的加速。1988年成立的政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC，聯(lián)合國附屬跨政府組織，由世界氣象組織和聯(lián)合國環(huán)境署合作建立，總部在瑞士日內(nèi)瓦）在2012年表示，自1901年以來，平均氣溫升高了0.9℃。與上一次冰川消融的時(shí)候相比，這個(gè)變化似乎并不大，平均溫度在當(dāng)時(shí)的7000年里上升了6℃，但是這個(gè)變化的速度加快了至少10倍。

平均溫度持續(xù)攀升，太陽活動(dòng)或火山活動(dòng)等自然參數(shù)無法解釋這種快速變暖。原因是人類明確地向大氣中增加溫室氣體，而高收入國家居民人均排放最多溫室氣體。

工業(yè)社會(huì)在160年的時(shí)間里，燃燒了地球大約25%的化石燃料，并突然促使儲(chǔ)存碳逸散到大氣中破壞天然通量。這種新的人為通量每年增加28Gt（總噸）的二氧化碳，是火山的50倍。自然地質(zhì)封存無法平衡增量，大氣中的二氧化碳持續(xù)上升。

圖片來源: CDIAC二氧化碳信息中心

后果迫在眉睫、規(guī)模空前、駭人聽聞：極端天氣事件、海平面上升、冰川退縮、海洋酸化、生態(tài)系統(tǒng)的破壞和滅絕。地球在其他災(zāi)難中幸存了下來。雖然目前的變暖將超過許多物種的適應(yīng)能力，但是生活仍舊要繼續(xù)。并不是說這個(gè)星球岌岌可危，而是人類社會(huì)的未來和當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)形勢嚴(yán)峻。

雖然地球科學(xué)無法提供解決方案來思考我們的行為和化石燃料消費(fèi)中必須要改變的一切，他們可以也必須要為目前的全球變暖的知識(shí)和集體意識(shí)的提升做貢獻(xiàn)。