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現在一提到二氧化碳，大眾都知道它是溫室效應的罪魁禍首，有人據此認為它是無用的廢氣，甚至有害的毒氣，與“滋養之氣”氧氣正好相反。實際上，在地球漫長的演化過程中，二氧化碳居功至偉。 二氧化碳曾是史前大氣的主要成分 地球大氣的演化分三個階段：原始大氣、次生大氣和現在大氣。 原始大氣由太陽系形成之初的氣體組成，主要是宇宙中最豐富的氫、氦等輕元素，大約只存在了幾千萬年就被強烈的太陽風撕碎，刮到了茫茫的太空之中。 此后，由火山爆發主導的次生大氣占據了地球表面，統治地球長達20億年，主要成分就是氮氣和二氧化碳。二氧化碳在今天只是一種微量氣體，在當時儼然是大氣層中的主角。 太空中觀察地球大氣層 次生大氣是缺氧的還原性大氣，還原性的大氣和海洋一起，就構成了地球生命的搖籃。 氧氣的氧化性具有很強的破壞作用，會將偶然形成的有機大分子氧化，從而扼殺生命孕育的進程。所幸次生大氣中沒有氧氣，原始生命因而生氣勃勃。 距今24億年前，藍藻的光合作用終于導致了氧氣的釋放和積累，宣告了次生大氣的終結，二氧化碳在地球大氣中的主體地位逐步被氧氣取代，這就是現在大氣。 藍藻：改造地球大氣的先鋒 現在大氣是地球生命對大氣進行改造的結果，沒有生命的火星和金星至今仍停留在次生大氣階段，二氧化碳的濃度達到95%以上。 地質史上二氧化碳在大氣中越來越少 大氣中二氧化碳的濃度取決于地球碳循環的平衡。光合作用吸收二氧化碳、釋放氧氣，而生物呼吸消耗氧氣、排出二氧化碳，這二者能在一定程度上相互補償。 然而總會有一些有機碳會未經呼吸分解就沉積埋藏于地下，形成了我們今天使用的化石燃料，包括煤、石油和天然氣等。因此，生命活動總的來說會導致大氣中二氧化碳減少。 火山活動則相反，它能將埋藏于地下的有機碳偶然地大規模釋放出來。因此，大氣中二氧化碳含量實際上取決于有機碳沉積埋藏與火山活動二者的對抗。 綠色植物走向繁榮以后，后者無法再與前者抗衡，地球碳循環出現了輕微的不平衡。在大的時間尺度上，大氣中二氧化碳就越來越少。 在多細胞動物和植物發育之初的寒武紀時期（約5億年前），大氣中二氧化碳的濃度為6000ppm。植物登陸以后，隨著光合作用愈發強烈，二氧化碳含量的總體變化趨勢是不斷下降，到恐龍時代（約1億年前）已經下降到2000ppm。 寒武紀以來二氧化碳濃度的變化 在新生代的6500萬年間，二氧化碳濃度繼續下降，終于在極寒的更新世下降到有史以來的最低谷——冰期為180ppm，間冰期為280ppm。 人類扭轉了二氧化碳減少的趨勢 人類燃燒化石燃料煤、石油和天然氣，本質上和火山活動是一樣的，都是將埋藏的有機碳轉化為二氧化碳釋放出來。 現在，人類一年就要燃燒91.4億噸有機碳，釋放335億噸二氧化碳，從根本上扭轉了二氧化碳下降的趨勢。 從全新世開始（1.2萬年前）到工業革命之前，大氣中二氧化碳濃度保持在280ppm。工業革命以來，二氧化碳濃度急劇上升，2013年突破了400ppm，現在更是達到了415ppm。 短短270年間，二氧化碳濃度上升了48%，已經恢復到了1400萬年前的水平。人類主導的二氧化碳濃度上升，比大自然主導的二氧化碳濃度下降快5萬倍。這才有了今天的溫室效應。 近4萬年來二氧化碳濃度的變化 二氧化碳多次拯救地球 與現在很多人所想的二氧化碳總是給地球帶來麻煩不同，在地質史上，二氧化碳曾多次拯救地球和生命。 在地球形成之初的20億年里，太陽光比今天暗淡20%到30%，如果不是當時大氣中含有大量二氧化碳，整個地球都會被冰封，生命將難以維持，更別說繁衍后代了。 當時的生命形式比較簡單，植物還沒有出現，大氣中二氧化碳含量比今天高10倍到100倍。正因為有了二氧化碳和甲烷這些溫室氣體，地球才沒有被冰川覆蓋，生命得以在液態的海洋里孕育。 然而，藍藻不斷吸收二氧化碳并釋放氧氣，終于在距今24億年左右引發了氧氣危機。 雪球地球 地球開始變冷，幾萬年間就下降了幾十攝氏度，從24億至21億年前，地球經歷了第一個也是持續時間最長的、最嚴重的冰期——休倫冰期。 在長達3億年的時間里，從兩極到赤道，整個地球都被冰川覆蓋，地表溫度為-10℃。 白雪皚皚的地球將更多太陽輻射反射回太空，又進一步加劇了地球的寒冷，使地球的冰凍程度更高。這樣的處境本應是不可逆的，難道地球生命將到此終結嗎？ 這時二氧化碳再度以英雄之姿現身。所幸當時地球內部仍然活躍，火山釋放的二氧化碳在冰蓋下聚集，直至沖破冰層涌入大氣，溫室氣體驟然增多，幾萬年間就將地球解封，地表溫度得以再度回升。 溫室效應使冰川消融 生命進化的38億年歷史中，氧氣引發的地表降溫曾數次使地球生命陷入危機。例如，奧陶紀末大滅絕和泥盆紀晚期大滅絕的過程中，都曾發生過氣候變冷的災變。 氣候變冷會導致海平面下降，使淺海生物賴以生存的大陸架暴露出海面，而海洋生命絕大多數都生活于淺海。每次都是二氧化碳及時出現，將地球生命從嚴寒中解救出來。 直到今日，二氧化碳仍在為地球保溫，它的存在將地表溫度維持在15℃左右。如果沒有二氧化碳，地表溫度將降至-19℃。 不僅如此，人類農耕社會在1萬年前的開始也與二氧化碳濃度升高息息相關。較高濃度的二氧化碳使農作物攝入二氧化碳要求的氣孔導度（即氣孔張開程度）下降，減弱了蒸騰作用，增加了農作物對水的利用效率。要知道，在古代灌溉可是個大問題。 光合作用示意圖 因此，可以毫不夸張地說，沒有二氧化碳，就沒有今天的生命和人類。 人類將隨著二氧化碳的消失而滅絕 地球自然碳循環的平衡早已被打破，隨著地幔漸漸冷卻，地球內部越來越不活躍，火山釋放的二氧化碳量更加無法和生物埋藏的有機碳相較量。 現在陸地的森林和綠地每年凈吸收110噸二氧化碳，而火山活動只能排放出1.8億噸二氧化碳。如果沒有人類干預，大氣中的二氧化碳將被完全抽干。 植物已經在拼命進化，以適應較低的二氧化碳濃度。被子植物的一支——碳四植物，較之傳統的碳三植物，能更好地在低二氧化碳濃度下進行光合作用。因此，碳四植物在最近的700萬年以來得以繁盛。
玉米是典型的碳四植物 然而，一旦二氧化碳濃度低于150ppm，植物光合作用就會停止，全世界的植物都會死亡。沒有了植物，動物和人類也會隨之消亡了。根據科學家預測，這大約發生在10億年以后。 一些微生物可以在百萬分之幾的二氧化碳濃度下繼續光合作用。因此，地球最后的生命將以微生物的形式活到40億年以后，直至太陽變成紅巨星將地球吞沒。 綠色植物是溫室效應的克星 綜上所述，二氧化碳本身不是有害的東西，相反，它是地球碳循環的重要組成部分，是綠色植物賴以生存的養料，也就是整個生物圈的養料。 二氧化碳帶來的溫室效應已經呵護地球46億年了，至今仍在為地球保暖。因此，我們不要對二氧化碳和溫室效應談虎色變，要正確地去看待、去應對。 人類對化石燃料的利用，使地質史上被深藏于地下的有機碳重見天日，為大氣補充了二氧化碳。這種做法本身也有助于維持地球的碳循環，長遠來看對地球環境是有利的。
然而，現在的問題是人類燒的化石燃料太多了，導致二氧化碳濃度上升實在太快。自然碳循環雖偏向于削減二氧化碳濃度的方向，但短期內對控制溫室效應沒有什么幫助。 地質史上發生的事告訴我們，綠色植物可以有效遏制二氧化碳濃度的上升，是溫室效應的克星。尤其是蘊藏生物量巨大的熱帶雨林，素有地球之肺的美譽。 在距今3億年前的古生代石炭紀，熱帶雨林遍布全球，一度將二氧化碳濃度降至與今天差不多的水平。而石炭紀之前的泥盆紀和之后的二疊紀，二氧化碳濃度都在2000ppm左右。
石炭紀的原始森林 今天的綠色植物也在拼命吸收二氧化碳，這導致二氧化碳濃度出現顯著的年度周期性變化，與北半球的生長季節負相關。北半球陸地面積更大，有更多植物，因而主導了二氧化碳濃度變化。 二氧化碳濃度在每年5月達到最高峰，之后隨著北半球的綠化進程而持續下降，到10月降至最低谷，年度差異有3-9ppm。因此，二氧化碳濃度在2019年5月破紀錄也有季節原因。
二氧化碳濃度的年度和季節變化 然而，人類排放的二氧化碳量實在太大，全球的陸地植物只能吸收掉其中的33%，海洋還可以吸收掉24%，另外的43%就排放到大氣中去了，這導致二氧化碳濃度以每年2ppm的速度不斷升高。 照此速度，要不了200年，大氣中二氧化碳濃度就將達到760ppm，這是3400萬年前始新世—漸新世大滅絕發生時的水平。當時這個二氧化碳濃度導致了南極冰川的形成。 人類用不到400年就能使凍了3000多萬年的南極冰川消融。如果南極冰川全部消融，將導致海平面顯著上升，沿海的大城市和工業重鎮都將被大海淹沒。環境的劇烈變化將引起新一輪的生物大滅絕，屆時失去家園的將不僅僅是北極熊。
盡管更多的綠化可以有效遏制溫室效應，但現實情況卻不盡如人意。直至今日，全球的熱帶雨林都仍然在不同程度地遭到人為破壞。 只有控制化石燃料的燃燒，并保護好森林和綠地，我們才可以度過當前溫室效應這個危機，與地球萬物一起面對更加美好的未來。 |
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