圖片來源：路透社/Nerijus Adomaitis

氣候變化應該是當今最緊迫的事情了，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果的認知也在不斷上升。

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。自從工業革命開始，這個水平持續上升，在2018年上升到410ppm。地球科學家將重點放在長達數十億年的時間軸上，運用特殊儀器極其清晰地證明了工業社會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（大約相當于這個星球上每平方米都有一個吹風機）。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制，那么平均氣溫會是-15°C（低于水的冰點0°C）。生活將變為不可能。幸運的是，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中發揮了30%的作用，而水蒸氣貢獻了剩下的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間很短（大約是幾個小時到幾天），并且只有在溫度升高時濃度才會增加。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，平均溫度都會增加。

了解大氣中二氧化碳的監管至關重要。在地質時間尺度（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。由于其他環境過程，二氧化碳可以積累和離散，并且通過碳匯的方式儲存。

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，而只有地質時間尺度上的地質沉積才能阻止二氧化碳遠離大氣。

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

鈣質巖是第二次地質碳匯。花崗巖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部件。當沉積在海底時，碳酸鈣最終隔離生成石灰石。

根據估計，這兩種沉積（匯）加在一起是目前大氣中儲存的碳含量的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，第一代大洲興起。風化開始將二氧化碳排向大氣。光合作用的發展有助于減少大氣中的二氧化碳，同時在大約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，但是其促使日后動物的出現成為可能）時期提升了氧含量。二氧化碳濃度下降到“只有”前工業時期水平的20-100倍的水平，再也沒有回到地球最早的濃度。

20億年后，碳循環發生了變化。早在晚泥盆紀到早石炭世（大約3.5億年前），二氧化碳濃度約為1000ppm，哺乳動物也并不存在。能夠合成木質素（復雜的有機聚合物，是維管植物和藻類的重要結構材料，并在細胞壁的形成中特別重要）的維管植物出現在泥盆紀及之后。木質素是一種抗微生物降解的分子，可使大量的有機碳在隨后數百萬年里形成煤炭。結合海西期（晚古生代時期，得名于德國海西山，海西地殼運動形成褶皺）的風化（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期的產生。

然而，在侏羅紀（1.45億年以前）結束時，鐘擺晃動了。恐龍統治著地球，哺乳動物進化，構造活動增加，泛大陸（又稱盤古大陸，是最后一個超級大陸，指古生代到中生代時期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化和有機碳的沉積之后。隨著人類在700萬年以前出現，進化便一直延續。在260萬年的時間里，地球進入了一個新的狀態，其特征是由地球軌道參數引導的冰川與間冰期交替出現，并由短期碳循環放大。11500年前，當地球進入最新的間冰期階段時，二氧化碳達到了前工業化時期。

直到19世紀，大氣中的碳和地球的氣候的故事不過是地質學、生物學和進化論的故事。而在工業革命之后，這個故事發生了翻天覆地的變化，大約出現在30萬年以前的現代人類（晚期智人）開始大規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通過二氧化碳分子的碳同位素特征（“蘇斯效應”，又稱工業效應，指工業時代以來大量燃燒化石燃料導致大氣中的碳14和碳12比例失衡）得到證實。到1970年代末期，氣候學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（IPCC，聯合國附屬跨政府組織，由世界氣象組織和聯合國環境署合作建立，總部在瑞士日內瓦）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候相比，這個變化似乎并不大，平均溫度在當時的7000年里上升了6℃，但是這個變化的速度加快了至少10倍。

平均溫度持續攀升，太陽活動或火山活動等自然參數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。

工業社會在160年的時間里，燃燒了地球大約25%的化石燃料，并突然促使儲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。自然地質封存無法平衡增量，大氣中的二氧化碳持續上升。

圖片來源: CDIAC二氧化碳信息中心

后果迫在眉睫、規模空前、駭人聽聞：極端天氣事件、海平面上升、冰川退縮、海洋酸化、生態系統的破壞和滅絕。地球在其他災難中幸存了下來。雖然目前的變暖將超過許多物種的適應能力，但是生活仍舊要繼續。并不是說這個星球岌岌可危，而是人類社會的未來和當前生態系統的保護形勢嚴峻。

雖然地球科學無法提供解決方案來思考我們的行為和化石燃料消費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和集體意識的提升做貢獻。