地球/4c. 大气中的二氧化碳
她的尸体是在打开金库时发现的。埃斯特·佩恩躺在纽约下曼哈顿沃特街 55 号的托管信托大厦内的一个巨大的锁定的银行金库里。安全摄像头显示，晚上 9 点后没有人进出银行金库。她的尸体没有外伤，金库没有被强行进入，也没有任何东西丢失。埃斯特·佩恩是一位健康的 35 岁单身母亲，有两个孩子，她即将搬进一间位于布鲁克林的可以俯瞰曼哈顿天际线的新公寓。现在她死了。
1986 年 8 月 21 日，靠近尼奥斯湖的西非小村庄变成了一个可怕的死亡场景，当晚，村庄里的所有生物，包括 1,746 人，突然死亡。无声的早晨没有昆虫的声音，没有公鸡的叫声，也没有孩子们在街上玩耍。 所有人都死了。
每一起神秘的死亡都被归咎于二氧化碳中毒。人体可以承受高达 5,000 ppm 或 0.5% 的二氧化碳浓度，但超过 3% 到 4% 的浓度可能是致命的。当肺部充满高浓度的二氧化碳时，会导致呼吸性酸中毒，这种情况被称为高碳酸血症。通常情况下，身体能够通过肺部排出代谢过程中产生的二氧化碳，但如果空气中二氧化碳过多，血液中碳酸含量会增加 (CO2 + H2O → H2CO3)，导致二氧化碳分压超过 45 毫米汞柱。
对于尼奥斯湖周围的村民来说，二氧化碳是突然从湖中释放出来的，火山气体使湖水富含这种气体，而在佩恩女士的案例中，她在拉响了金库内的火警时释放了二氧化碳，这会触发二氧化碳喷雾作为灭火剂。[1] 潜水员、潜艇操作员和宇航员都担心呼吸的空气中二氧化碳过多带来的影响。在二氧化碳中，没有比命运多舛的阿波罗 13 号任务飞往月球更具戏剧性的事件了。
1970 年 4 月 14 日，协调世界时 3:07，距离地球 200,000 英里，三名男子挤在飞往阿波罗 13 号宇宙飞船的途中听到了爆炸声。[2] 一瞬间之后，宇航员杰克·斯威格特向地球发送了一条信息“休斯顿，我们这里出了点问题。”服务舱上的一个氧气罐爆炸了，这也撕裂了第二个氧气罐上的一个洞，并切断了宇宙飞船的电源。意识到情况的严重性，机组人员迅速钻进了登月舱。宇宙飞船距离地球太远，无法掉头。相反，机组人员必须驾驶宇宙飞船绕过月球的远端，然后将其反弹回地球，如果他们希望活着回来。登月舱现在就像一艘救生筏绑在一艘正在下沉的船上，服务舱。这个临时救生筏并没有设计成在 4 天的返程中容纳 3 名机组人员。通过关闭宇宙飞船来节省氧气。通过关闭冷却系统来节省水，每天的饮用水量仅限于几盎司。还有一个额外的担忧；太空舱内二氧化碳的积聚。每次呼气时，机组人员都会排出约 5% 二氧化碳的空气。在 4 天的旅程中，二氧化碳会在登月舱内积聚，最终导致高碳酸血症死亡；血液中二氧化碳的积聚。机组人员必须弄清楚太空舱内的空气还能呼吸多久。
从地球上，电视广播员从任务控制中心报道了情况的严重性。阿波罗 13 号的机组人员必须解决登月舱空气中二氧化碳上升的问题，如果他们想活着看到地球。
1953 年，查尔斯“戴夫”凯林获得了加州帕萨迪纳加州理工学院的博士后研究经费，用于研究从岩石中提取铀。被分配到哈里森·布朗的实验室，他的实验室主管证明是一位充满活力的领导者。他的导师在研制日本使用的核弹方面发挥了核心作用。在战争期间，他发明了一种新的钚生产方法，使“胖子”炸弹中添加了超过 5 公斤 (11 磅) 的钚，该炸弹于 1945 年 8 月被投放到长崎市，导致近 100,000 人死亡。事件发生后，布朗对这些死亡事件负有的个人责任感到心碎。他在 1945 年写了一本书《毁灭必须是我们的命运吗？》，并开始在世界各地进行演讲，讲述核武器的危害。哈里森·布朗之前曾建议克莱尔·卡梅伦·帕特森，他是第一个使用铅同位素对陨石进行放射性年代测定，以确定地球年龄为 45 亿年的人，当时他在芝加哥大学。1951 年，哈里森·布朗与妻子离婚并再婚，在加州理工学院任教，正是在这里，一位新的化学博士后研究员查尔斯·凯林于 1953 年来到他的实验室。最初，凯林的任务是从岩石中提取铀，但他的兴趣转向了大气科学，研究空气的化学成分，尤其是测量二氧化碳的含量。
凯林着手在实验室里制作一种仪器，使用一种叫做压力计的工具来测量空气中的二氧化碳含量。压力计是一系列笨重的玻璃管，用于测量隔离的空气样本的压力。通过使用一个玻璃球形烧瓶来捕获空气样本，在真空中清空空气并锁定。用帆布包裹起来，这样脆弱的玻璃就不会碎裂，打开空的玻璃球形烧瓶在外面，然后将流入玻璃烧瓶的捕获气体带回实验室进行分析。压力计最初是用来测量化学实验中碳氢化合物燃烧产生的二氧化碳的量的，使化学家能够知道材料中含有多少碳。凯林用同样的技术来确定大气中的二氧化碳含量，他第一次测得的值是 310 ppm，即 0.0310%，这是他在加州蒙特利附近的比格苏尔进行的一系列测量中发现的。
有趣的是，基林发现二氧化碳浓度在夜间略有上升。一个假设是，当气体冷却时，它会在一天中较冷的部分沉降。二氧化碳的摩尔质量为 44.01 克/摩尔，而氧气的摩尔质量为 32 克/摩尔，氮气的摩尔质量为 28 克/摩尔，因此二氧化碳是一种明显更重的气体，会沉入较低的海拔、山谷和盆地。除非样品取自发电厂、工厂或高速公路附近燃烧碳的地方，否则重复的实验表明，二氧化碳不会因地点而异，并保持在 310 ppm 附近。
然而，这种昼夜循环引起了他的兴趣，他进行了另一项分析，以测量碳的同位素组成，以追踪碳的来源。碳-13 (13C) 与碳-12 (12C) 的比例 [这被称为 δ13C] 在由碳与氧键合形成的分子中较高，而在由碳与氢键合形成的分子中较低，这是因为原子质量的差异。这种比例的变化表明了空气中碳的来源。如果 δ13C 下降，则碳的来源是来自碳氢化合物组成的分子，包括燃烧或燃烧有机化合物（木材、石油、煤炭、天然气），而如果 δ13C 上升，则碳的来源是来自碳酸盐组成的分子，包括燃烧或燃烧石灰石和其他来自火山喷发的岩石。基林发现，使用被称为“基林曲线”的图表，随着大气中二氧化碳的增加，δ13C 的值下降。这表明大气中二氧化碳的主要来源或通量主要是与有机化合物或碳氢化合物的交换。日值的改变似乎是由光合作用植物在白天吸收二氧化碳造成的，而这种吸收在夜晚不会进行，从而导致二氧化碳在夜间增加。
基林渴望将这项研究提升到一个新的高度，观察大气中二氧化碳的年度或年度变化。他撰写了资助提案，以进一步开展他的研究，并从气象局获得了资金，作为“国际地球物理年”（1957-1958 年）的一部分。利用这些资金，基林购买了四台新的红外气体分析仪。由于二氧化碳在光线的红外光谱中四个峰值（1437、1955、2013 和 2060 纳米）之间吸收光波，因此这些波长的光波会被含有二氧化碳的气体吸收，并且可以测量这些波长处的光子数量，以确定空气中含有多少二氧化碳。使用这种更先进的工具，基林希望从世界各地的偏远地区收集测量数据。两个提议测量年度循环的地点是南极洲的南极站和夏威夷的冒纳罗亚山顶。与南极洲相比，夏威夷更适合全年派遣人员，而且 1957 年只有几艘经过南极附近的船只进行了测量。1958 年 3 月，夏威夷使用新机器进行了第一次测量，结果为 313 ppm（0.0313%）。在接下来的几年里，基林和他的工作人员测量了二氧化碳的变化。从 1958 年 3 月到 1960 年 3 月，基林测量到二氧化碳升至 315 ppm，然后下降到 310 ppm，这表明由于季节变化，二氧化碳存在一个上升和下降的振荡周期。
地球的生物圈光合作用在全球分布不均，大部分密集的北方森林位于北半球。在北半球的春季和夏季，当这些密集的森林植物在春季和夏季的白天生长并变得绿色时，二氧化碳会被从大气中吸收，而在北半球的秋季和冬季，当这些落叶林的树叶在秋季落下，植物为寒冷的冬季进入休眠状态时，二氧化碳会重新回到大气中。作为一年一度的循环，大气中的二氧化碳含量是一个有节奏的脉冲，在 2 月份达到最高值，在 8 月下旬达到最低值。
国际地球物理年的资金结束后，斯克里普斯海洋研究所提供了资金，但 1964 年国会预算削减几乎使这项研究终止。戴夫·基林不懈地努力争取资金，以维持数据收集工作，从各个政府机构获得拨款和资金。他顽强的决心很可能是源于这样一个发现：二氧化碳每年的增长速度越来越快。1970 年，夏威夷的二氧化碳含量为 328 ppm（0.0328%），1980 年为 341 ppm（0.0341%），1990 年为 357 ppm（0.0357%），2000 年为 371 ppm（0.0371%）。2005 年，戴夫·基林去世，但二氧化碳含量不断上升的趋势已引起公众的关注。2006 年，艾尔·戈尔制作了纪录片“难以忽视的真相”，讲述了大气中二氧化碳含量上升的问题，这源于基林的研究和 1996 年他担任副总统时的一份科学报告。大气中二氧化碳含量不断上升的图表被称为“基林曲线”。就像阿波罗 13 号飞船舱内的空气一样，二氧化碳的含量正在急剧增加。今天，2020 年，夏威夷的二氧化碳含量已经超过 415 ppm（0.0415%）。通过使用冰芯中捕获的气泡将二氧化碳记录回溯到过去，大气中的二氧化碳含量已经从 200 ppm 增加到 400 ppm 以上，其中大部分增长发生在过去一百年里。
同位素测量记录了二氧化碳含量增加的很大一部分来自何处。δ13C 的值比以往任何时候都更负，表明二氧化碳的排放主要是来自碳氢化合物（有机碳分子），如木材、煤炭、石油和天然气。人口不断增长和碳氢燃料的指数级使用，加上森林砍伐和野火的增加，是二氧化碳含量增加的来源。这种增加远大于北半球森林春季重新生长每年吸收的二氧化碳。就像氧气彻底改变了元古代的大气一样，今天二氧化碳的指数级释放正在彻底改变地球的大气。
在过去的二十年里，科学家们开始从更多不同的地点测量大气中的二氧化碳。在犹他州，如今有十几个站点监测着大气中的二氧化碳。在盐湖城，2020 年的二氧化碳浓度通常在 1 月和 2 月会飙升至接近 700 ppm (0.07%) 的水平，这是由于二氧化碳气体沉入瓦萨奇前沿的山谷以及城市人口大量使用碳氢燃料造成的。而位于犹他州东部农村地区的弗鲁特兰，其二氧化碳浓度也接近 500 ppm (0.05%) 的高值。这意味着，作为基林曲线一部分的夏威夷测得的二氧化碳浓度与犹他州相比微不足道，因为该岛位于太平洋的孤立位置。城市地区的二氧化碳浓度几乎是夏威夷岛监测站目前观测到的两倍。这使得这些城市中心成为健康风险，人们会遭受与呼吸窘迫综合征相关的疾病，例如 2020 年导致 20 多万美国人死亡的冠状病毒。
2009 年，美国宇航局计划发射的 轨道碳观测卫星 在发射台上遭遇失败，最终丢失。2014 年，轨道碳观测卫星-2 成功发射，并利用红外光吸收技术，对地球上的二氧化碳进行了迄今为止最精确的太空测量。令人惊叹的是，与南半球相比，北半球上空大气中的二氧化碳含量更高，北美东部、欧洲和东亚地区的冬季二氧化碳浓度最高。二氧化碳主要集中在大气层 15 到 10 公里以下，并且在主要城市中心和大型森林火灾地区急剧上升。轨道碳观测卫星-3 于 2019 年成功发射升空，安装在国际空间站上。该仪器对二氧化碳的测量精度高于 OCO‑2，同时还可以观察植被的反射光，以监测全球沙漠化。
预测未来大气中的二氧化碳
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阿尔伯特·艾伦·巴特利特 是科罗拉多大学物理系的一位德高望重的教授，他将自己的科学生涯都投入到一个关键方面：教导学生如何理解 指数函数。什么是 指数函数，它与预测地球未来大气中的二氧化碳浓度有什么关系？一个著名的波斯故事可以很好地描述指数函数，这个故事最早由 13 世纪的 伊本·赫勒敦 讲述。
这个故事的一个变体是这样的：一位富有的商人有一个美丽的女儿，国王想要娶她。商人知道国王对女儿的爱有多深，就向国王提议了一个交易。如果在 64 天内，国王每天在棋盘上为他支付一个便士，他就可以嫁给他女儿。但国王每天支付的便士数要比前一天翻倍，直到他将棋盘上的 64 个方格都填满。国王金库里有数百万美元，用便士填满一个棋盘对他来说轻而易举。他同意了。第一天，国王在第一个方格上放了一个便士。第二天国王放了 2 个便士，他嘲笑这个数字如此之小，第三天只放了 4 个便士。他哈哈大笑，总共只花了 7 美分，但已经到了第四天，他放下了 8 个便士，但到了棋盘的第二排，情况开始发生变化，到第 16 天，他不得不支付 32,768 个便士，也就是 327.68 美元。到了第三排，这个数字增长得更加迅速，为了填满下一排，他不得不支付 42,949,672.96 美元，也就是 4200 多万美元。为了填满第四排，他不得不支付 10,995,116,277.76 美元，也就是 100 亿美元。事实上，如果国王要填满所有 64 个方格，最后一个方格的总额将是 184,467,440,737,100,000.00 美元，也就是超过 184 万亿美元！他的钱不够，无法负担娶商人的女儿。指数函数也可以反过来起作用，例如减半，就像用放射性衰变测年观察到的那样。
涉及地球大气中二氧化碳的关键问题是：它随着时间的推移是呈指数增长还是线性增长？检验这一点的方法之一是写一个数学函数，它能最好地解释大气中二氧化碳的增长，这可以用来预测其未来增长。利用基林曲线从 1958 年至今的完整数据集，我们可以利用这些数据对未来二氧化碳的浓度进行一些预测。每年二氧化碳的年平均增长率是每年的 12 月底与 1 月初浓度之间的差值。在 1958 年到 1959 年之间，增长率为 0.94 ppm，但在 2015 年到 2016 年之间，增长率跃升至 3.00 ppm。在过去的二十年里，增长率从未低于 1.00 ppm。表明增长趋势向上，更像指数函数。
使用夏威夷每年二氧化碳的平均值，得到的最佳拟合数学方程是一个更复杂的 多项式指数函数。
这个近似模型解释了自 1958 年以来记录的数据，可以应用于未来。作为一个模型，它只是预测的依据，只是一个假设，可以通过每年持续的数据收集来推翻。利用这个数学模型，我们可以输入任何年份，并查看预测的二氧化碳浓度。对于 2050 年，预测的二氧化碳浓度将为 502.55 ppm，年增长率为 3.28 ppm/年。就像故事中的国王一样，你可能会嘲笑这个数字。与 2020 年左右的 410 ppm 相比，它远低于使空气无法呼吸的危险值，即 1% 到 4%，也就是 10,000 ppm 到 40,000 ppm。事实上，空气仍然可以呼吸，因为 502.55 ppm 仅仅是 0.05%。增长率将逐年加速。到 2100 年，即本文撰写之日起 80 年后，预测的二氧化碳浓度将达到 696.60 ppm，年增长率为 4.50 ppm/年。
在像 盐湖城 这样的主要城市，情况可能更糟，这些城市将在寒冷的冬日经历糟糕的空气质量，二氧化碳浓度将达到 1000 ppm 左右。虽然不致命，但如此高的浓度可能会给呼吸功能不佳的市民造成健康问题，例如新生儿、患有冠状病毒和流感等病毒性呼吸系统疾病的人、患有哮喘和糖尿病的老年人。再跳到 2150 年，预测的二氧化碳浓度为 954.15 ppm，增长率为 5.77 ppm/年。到那时，北半球的大部分地区都将充满不健康的空气。体育赛事和户外娱乐将不建议进行，尽管人们仍然可以在户外呼吸空气，但可能会开发空气过滤系统来降低室内二氧化碳浓度。进入 23 世纪，情况开始变得更糟。二氧化碳浓度将达到 1275.20 ppm，年增长率为 7.04 ppm/年。到那时，地形盆地和海平面附近的寒冷地区将引发呼吸问题，尤其是在 1 月和 2 月的寒冷夜晚。
到 2300 年，二氧化碳浓度将达到 2107.80 ppm 左右，即 0.2%，增长率为 9.58 ppm/年。到那时，人们只能在户外待有限的时间，然后回家呼吸二氧化碳浓度较低的过滤后的空气。体育赛事将移到室内举行，因为剧烈运动会引发呼吸衰竭。在 2400 年，二氧化碳浓度将达到 3194.40 ppm，即 0.3%，年增长率为 12.12 ppm/年。到 2500 年，二氧化碳浓度将达到 4535.00 ppm，年增长率为 14.66 ppm/年。到那时，超过 8 小时健康建议剂量，户外空气将变得几乎无法在较长时间内呼吸。
到 2797 年，夏威夷的二氧化碳浓度将达到 1%，即 10,000 ppm，导致北半球大部分地区的大气无法呼吸。全球数百万甚至数十亿人将因无法呼吸空气而死亡，因为二氧化碳浓度将超过阈值。如果这个模型成立，并且预测是正确的，地球将在未来 777 年内摆脱人类和大多数动物生命。这只是一段很短的时间，因为棋盘的故事最早是由波斯学者伊本·赫勒丹记录下来的，大约是在过去相同的时间段内。如果一位生活在 13 世纪的学者写了一个至今仍然有效的寓言，那么你可能会把哪些知识传达给 28 世纪的后代？这个数学模型是人类灭绝的最终轨迹的确定性吗？
指数增长的伟大学者之一是 多内拉·梅多斯，他在 1996 年的论文“展望可持续世界”中写道：
“我们轻松地、无休止地谈论着我们的挫折、疑虑和抱怨，但我们很少谈论我们的梦想和价值观，有时甚至会感到尴尬。”
重要的是要意识到，一个可持续的世界，二氧化碳不会超过这些阈值，你和全球社会可以避免二氧化碳的上升，而地球正处于这个全球棋盘的前几格。如果你想玩各种避免这种未来的情景，请查看气候互动网站，https://www.climateinteractive.org, 以及一些基于不同政策减少排放到大气中的二氧化碳的计算机模型。多内拉·梅多斯进一步写道：
“我们大多数致力于可持续发展的人提出的最佳目标是避免灾难。我们承诺生存，而不是更多。这是视野的失败。”
这听起来非常乐观，而且是在大约 25 年前写成的，当时二氧化碳含量仅为 362 ppm，与今天更迫切的恐惧似乎不匹配，因为二氧化碳含量已达到 410 ppm，就像阿波罗 13 号任务一样，你和所有你爱的人都被困在一个太空舱里，呼吸着迅速恶化的大气。
它曾经这么高吗？古代大气中的二氧化碳
[edit | edit source]对这种数学模型的批评之一是，地球上的碳含量是有限的，并且碳氢化合物（木材、煤炭、石油和天然气）资源将在达到这些高值之前很久就会枯竭。来自火星和金星的地质和行星证据，以及关于太古代大气层的证据表明，如果地球上大部分碳重新释放回大气层，二氧化碳含量可能高达 95%。这种以二氧化碳为主的大气层不太可能出现，因为这种释放需要所有封存的碳酸钙转化为二氧化碳。然而，地球历史上曾有过二氧化碳浓度高于现在的时期。
空气样本的测量仅追溯到 80 万年前，因为冰芯数据以及它们捕获的空气泡只有格陵兰和南极洲最古老、埋藏最深的冰一样古老。冰芯数据表明，过去 80 万年来，二氧化碳浓度仅在 175 到 300 ppm 之间变化，从未超过 400 ppm，不像今天的值。如果我们想了解过去二氧化碳浓度更高的事件，我们必须回溯到几百万年前。然而，随着时间的推移，直接测量空气样本变得不可能，因此科学家们不得不开发出一些代理指标来确定遥远过去的二氧化碳浓度。
化石叶片的氣孔
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植物的光合作用需要气体交换，其中二氧化碳被吸收，氧气被释放。植物中的这种气体交换通过叶片底部的微小开口（称为气孔）进行。叶片中的气孔数量是平衡的，因为空气中二氧化碳越多，需要的氣孔数量就越少，而空气中二氧化碳越少，气孔数量就越多。植物需要将用于气体交换的气孔数量降到最低，因为过多的气孔会导致水分流失，植物会干枯。
在显微镜下观察化石叶片并计算单位面积的气孔数量，以及在受控二氧化碳浓度下生长的植物进行的温室实验，使科学家能够将大气中二氧化碳的记录追溯到过去。这种方法有一些局限性。首先，只有今天和古代都存在的植物才能使用。这些实验最常使用 银杏 和 水杉 叶片，它们是活化石植物，拥有悠久的化石记录，可以追溯到 2 亿多年前。必须找到这些植物的叶片作为化石，并具有良好的保存状态，以便用于特定时期。这种代理指标在 200 ppm 到 600 ppm 的二氧化碳浓度范围内效果最好。高于 600 ppm 的高值，气孔数量已降至最低，在如此高的二氧化碳浓度下，植物拥有更少的开口并不会带来太多好处。已发表的高于 600 ppm 的值很可能具有相似或几乎相同的氣孔密度。在 800 ppm 二氧化碳中生长的植物与在 1,500 ppm 二氧化碳中生长的植物的氣孔密度相似。这使得很难计算古代大气中的二氧化碳，尤其是在高于 600 ppm 的情况下。
对化石叶片的研究，再加上岩石记录中其他大气二氧化碳代理指标表明，过去 2400 万年来，二氧化碳一直保持在 500 ppm 以下，尽管在大约 1630 万年前的中中新世气候最适宜期，二氧化碳浓度据认为在 500 到 560 ppm 之间，在此期间观察到温暖气候的化石证据。在此期间，格陵兰岛没有冰盖，北美西部和欧洲大部分地区被干旱环境覆盖，以及今天在南非看到的类似草原的森林。
追溯更远，在始新世时期（5550 万到 3400 万年前），二氧化碳浓度被认为远高于今天，超过 600 ppm。始新世是地球历史上一个特别温暖的时期。犹他州发现大量鳄鱼化石，以及棕榈化石。犹他州的环境类似于今天的 路易斯安那州，湿润潮湿，冬天没有降雪，因为缺乏冰川沉积物的证据。温暖的气候使鳄鱼、早期灵长类动物和半热带森林在犹他州东部以及北美大部分地区繁衍生息，而今天许多地方是寒冷干燥的沙漠。二氧化碳的积累在始新世早期气候最适宜期（大约 5000 万年前）达到顶峰。在此期间，巨大的水杉针叶林在高纬度北极地区生长，那里栖息着貘。一个更加突然的事件发生在 5550 万年前，称为 古新世-始新世热极值，据认为在此期间，二氧化碳在短短 7 万年的时间内翻了一番。古新世-始新世热极值，或称 PETM，据认为使大气中二氧化碳浓度升至 750 ppm 以上，可能升至 1000 到 5000 ppm。之后，二氧化碳浓度回落到大约 600 ppm。气候发生了巨大变化，导致当时生存的哺乳动物发生重大更替。海洋酸化，碳酸含量升高，有证据表明全球平均气温上升了 6 到 8 摄氏度。来自北大西洋最北端下方火山活动的海底甲烷释放，可能是大气中二氧化碳含量增加的原因。由于更温暖和干燥的气候导致北半球爆发大规模森林火灾，这进一步加剧了这种正反馈，森林火灾的证据是许多树栖哺乳动物的灭绝。现代灵长类动物从这场全球性事件的焦炭中崛起，并最终主宰了始新世晚期森林的回归。作为人类祖先的始新世灵长类动物，是这场灾难性全球变暖事件的幸存者。
在恐龙时代，二氧化碳浓度比哺乳动物时代更高。在白垩纪晚期，根据与恐龙一起发现的化石叶片上的气孔，霸王龙呼吸的空气中可能含有 500-600 ppm 的二氧化碳。然而，白垩纪末期的陨石撞击导致二氧化碳浓度飙升至约 1,600 ppm。恐龙时代是一个漫长的时期，持续了 1.86 亿年，地质记录中完全没有冰川，也没有极地冰盖的证据。在大约 1.25 亿年前，二氧化碳浓度徘徊在 1,000 到 1,500 ppm 之间，而在侏罗纪时期，浓度可能接近 1,000 ppm，至少超过 600 ppm 的阈值。三叠纪时期，特别是在 2 亿年前的三叠纪-侏罗纪界线附近，二氧化碳浓度非常高，从 1,000 ppm 达到 2,500 ppm，甚至可能更高，这是由于与大西洋开裂相关的火山活动造成的。犹他州和北美大部分西部都是一个巨大的广阔沙漠。尽管靠近海洋，但沙漠极其炎热干燥。就像今天的沙特阿拉伯一样，犹他州在三叠纪和侏罗纪时期被巨大的沙丘（沙海或沙丘地）覆盖，留下了由这些古代沙子形成的岩石层，形成了位于犹他州莫阿布附近的拱门国家公园的岩石拱门，以及位于犹他州斯普林代尔的锡安国家公园的深邃峡谷。要揭示更久远的记录变得更加困难，因为不再存在现代植物，必须使用其他工具重建二氧化碳记录。然而，证据表明，二氧化碳浓度保持在 5,000 ppm 阈值以下，而当浓度升高到 2,000 ppm 以上时，往往会导致重大灭绝事件，例如古新世-始新世热最大期（PETM）事件和三叠纪-侏罗纪界线，以及 6600 万年前恐龙灭绝时的 1,500 ppm 以上的浓度。
如前所述，当大气中的二氧化碳浓度增加时，碳-13 与碳-12 的同位素比率会下降，因为大部分碳来自碳氢化合物分子，即碳与氢键合。地质学家可以测量岩石中碳同位素的比率。然而，将岩石中的同位素碳比率等同于大气中的二氧化碳含量是复杂的。例如，如果检查含有碳酸钙的岩石，比率会很高，因为碳与氧键合，而如果检查含有有机碳的岩石，例如煤，比率会很低，因为碳与氢键合。您只能比较来自类似类型岩石的值。然而，不同的树木和形成煤的不同类型的植物可以具有不同的碳同位素比率，甚至已经证明，在不同纬度沉积的岩石可以具有不同的碳同位素，这使得弄清同位素比率与古代大气中二氧化碳浓度之间的关系变得困难。然而，总的来说，较低或更负的碳同位素比率（更多碳-12）表明大气中二氧化碳浓度很高的可能性更大。使用这种指标，可以将大气中二氧化碳的记录追溯到更早的时期，当时二氧化碳浓度可能已达到危险的 1%（10,000 ppm）甚至更高，使空气变得有毒，无法呼吸。
2.52 亿年前发生的二叠纪-三叠纪界线事件被称为“大灭绝”是有原因的。保存在岩石记录中的是地球上 83% 到 97% 的生命灾难性死亡。该事件以碳同位素的突然负偏移为标志，表明大气中存在大量二氧化碳。海洋变得酸化和缺氧（缺乏氧气），全球海洋温度达到了 5 亿年来最高的水平。一次被称为西伯利亚地盾的巨大火山喷发点燃了巨大的煤炭沉积物、被困的石油和天然气。大气中充满了硫酸、汞和铅。这些事件的证据散布在全球岩石记录中，在沉积物中可以找到一层薄薄的富含汞的岩石，标志着这一事件。
大灭绝是地质证据，证明大气中存在致命水平的二氧化碳是可能的，也是一个真正的危险。二氧化碳浓度超过 1% 导致了一个几乎死亡的世界，动物生命受到特别严重的打击。恢复花了数百万年，可能阻止了接下来的 2.18 亿年内出现任何冰河时代或极地冰盖，也是三叠纪和侏罗纪时期二氧化碳浓度接近 1,000 ppm 的原因，因为地球从这次事件中恢复过来。
在大灭绝事件之前，二氧化碳浓度可能低于 500 ppm，事实上，在早二叠纪时期以及更早的宾夕法尼亚纪和密西西比纪（大约 3 亿年前），由于大型石炭纪森林吸收了大气中的二氧化碳，二氧化碳浓度可能低得多，如今这些森林是北美东部、欧洲和俄罗斯燃烧的大部分煤炭的来源。该时期冰川沉积物的证据是已知的，而且世界要冷得多，类似于我们最近的历史。
随着时间的推移收集的地质证据表明，大气中的二氧化碳很容易升高到危险水平，使动物无法呼吸空气。这在 2020 年后的世界中尤其如此，在该世界中，像 COVID-2019 这样的病毒性呼吸道疾病在高浓度二氧化碳的空气中增加了死亡率，增加了高碳酸血症的风险。就像阿波罗 13 号飞船在太空中急速飞行的旋转太空舱一样，警报闪烁，地球飞船上的空气也变得富含二氧化碳。阿波罗 13 号的机组人员必须解决二氧化碳不断上升的问题，就像你今天必须解决地球上二氧化碳不断上升的问题一样。
为了解决二氧化碳问题，必须从空气中去除二氧化碳。这需要将空气通过过滤器。过滤器是一种化学反应，与二氧化碳反应并释放氧气。在太空舱中，过滤器由氢氧化锂罐组成，阿波罗 13 号面临的问题是，月球舱没有足够的氢氧化锂罐来去除不断上升的二氧化碳。使用塑料袋、纸板和胶带，任务控制中心找到了一个快速解决方案，允许被困的机组人员使用服务舱中的氢氧化锂罐在月球舱内。这个问题只用现有的工具就解决了，这些氢氧化锂罐足以清除航天器中不断上升的二氧化碳，从而确保机组人员安全返回地球。
地球空气的二氧化碳过滤器是什么？为了解决这个问题，一些工程师建议发明机械或化学过滤器，比如巨大的氢氧化锂罐，另一些人建议使用转基因生物，但事实是，地球的二氧化碳过滤器就在我们周围：进行光合作用的生命形式。你所在星球的健康和你自己的存在都与地球森林、植被、花园、土壤，甚至海洋中的浮游植物的健康息息相关。所有进行光合作用的生命形式都将二氧化碳转化为氧气。它们一直是地球上从大气中清除二氧化碳的大过滤器。
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