地球/4c. 大气中的二氧化碳

地球
4c. 大气中的二氧化碳

神秘死亡

她的尸体是在打开金库时被发现的。埃斯特·潘躺在纽约曼哈顿下城水街55号的保管信托大楼的大型锁定的银行金库里。监控摄像头显示，晚上9点后没有人进入或离开银行金库。她的尸体没有外伤，金库没有强行进入，也没有丢失任何东西。埃斯特·潘是一位健康的35岁单身母亲，有两个孩子，即将搬进布鲁克林的一套新公寓，可以俯瞰曼哈顿天际线。现在她死了。

1986年8月21日，位于尼奥斯湖附近的西非小村庄成为了一幅可怕的死亡景象，当晚，村庄里的所有生物，包括1746人，突然死亡。寂静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的声音。所有人都死了.

每一次神秘的死亡都被归咎于二氧化碳中毒。人体可以耐受高达5000 ppm或0.5%的二氧化碳水平，但超过3%到4%的水平可能是致命的。当肺部充满高浓度的二氧化碳时，就会发生一种称为高碳酸血症的疾病，导致呼吸性酸中毒。通常，人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含量过高，血液中就会富含碳酸(CO₂ + H₂O → H₂CO₃)，导致二氧化碳分压高于45 mmHg。

对于尼奥斯湖周围的村民来说，二氧化碳突然从湖中释放出来，火山气体使湖水富含这种气体，而对于潘女士来说，当她从金库内拉响火警时，她释放了二氧化碳，触发了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吸入的空气中二氧化碳含量过高的影响。在二氧化碳事件中，没有比不幸的阿波罗13号登月任务更令人震惊的事件了。

“休斯敦，我们遇到了问题。”

1970年4月14日，协调世界时3:07，距离地球20万英里，三名男子挤在飞往阿波罗13号的航天器上，听到了爆炸声。^[2] 一会儿后，宇航员杰克·斯威格特向地球发送了一条信息：“休斯敦，我们这里出了问题。”服务舱的一个氧气罐爆炸了，也撕裂了第二个氧气罐的洞，并切断了航天器的电源。意识到情况的严重性，机组人员迅速爬进了登月舱。航天器距离地球太远，无法调头。相反，机组人员必须驾驶航天器绕过月球背面，并将其向地球方向旋转，如果他们希望活着返回，就必须这样做。登月舱现在充当了一个绑在正在下沉的船上的救生筏，即服务舱。这个临时救生筏的设计并非为了容纳3名机组人员进行为期4天的返航旅程。氧气通过关闭航天器电源来节省。水通过关闭冷却系统来节省，饮水量也减少到每天只有几盎司。还有一个额外的担忧；空间舱内二氧化碳的积聚。每次呼气时，机组人员都会呼出约5%的二氧化碳的空气。在为期4天的旅程中，二氧化碳会积聚在登月舱内，最终导致高碳酸血症，即血液中二氧化碳的积聚。机组人员必须弄清楚舱内的空气还能呼吸多久。

从地球上，电视广播报道了任务控制中心对情况的严重性。阿波罗13号的机组人员必须弄清楚登月舱空气中不断上升的二氧化碳问题，如果他们希望再次看到地球，就必须解决这个问题。

凯林曲线

1953年，查尔斯·“戴维”·凯林来到加利福尼亚州帕萨迪纳的加州理工学院，获得博士后研究资助，研究从岩石中提取铀。他被分配到哈里森·布朗的实验室，他的实验室主管是一位充满活力的人物。他的导师在日本使用的原子弹的开发中起着核心作用。在战争期间，他发明了一种生产钚的新方法，这使得在1945年8月投放到长崎市的“胖子”炸弹中增加了5公斤（11磅）的钚，导致近10万人丧生。事件发生后，布朗对自己所负的个人责任感到心碎。他在1945年写了一本书《我们命运一定是毁灭吗？》，并开始周游世界，发表关于核武器危害的演讲。哈里森·布朗此前曾建议克莱尔·卡梅伦·帕特森，后者是第一个使用铅同位素对陨石进行放射性测年，以确定地球的年龄为45亿年，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，在那里，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，但他对大气科学产生了兴趣，着眼于空气的化学成分，尤其是测量二氧化碳的含量。

基林开始在实验室里用一种名为“压力计”的工具来测量空气中二氧化碳的含量。压力计是一个笨重的玻璃管装置，用于测量隔离的空气样本的压力。空气样本通过玻璃球形烧瓶捕获，在真空状态下清除空气并密封。空玻璃球形烧瓶包裹在帆布中，以防止脆弱的玻璃破裂，然后在室外打开，将捕获的气体流入玻璃烧瓶，并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量的，让化学家们知道物质中含有多少碳。基林用同样的技术来确定大气中的二氧化碳含量，他的第一个测量值为 310 ppm，即 0.0310%，这是他在加州蒙特雷附近的大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增加。一个假设是，当气体变冷时，它会在白天较冷的时段沉降。二氧化碳的摩尔质量为 44.01 g/mol，而氧气 (O₂) 的摩尔质量为 32 g/mol，氮气 (N₂) 的摩尔质量为 28 g/mol，因此它是一种明显更重的气体，会沉降到较低的海拔、山谷和盆地。除非样本取自电力厂、工厂或高速公路附近燃烧碳的地方，否则重复的实验表明，二氧化碳没有因地点而异，并且始终保持在 310 ppm 左右。

然而，这种昼夜循环激起了他的兴趣，他进行了另一项分析来测量碳的同位素组成，以追踪碳的来源。碳 13 (¹³C) 与碳 12 (¹²C) 的比率（称为 δ¹³C）在由碳与氧键合的分子中较高，而在由碳与氢键合的分子中较低，这是由于原子质量的差异。该比率的变化表明了空气中碳的来源。如果 δ¹³C 降低，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 升高，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火山喷发的岩石。基林使用一张名为“基林图”的图表发现，随着大气中二氧化碳含量的增加，δ¹³C 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。每日数值的变化似乎是由光合作用植物在白天吸收二氧化碳造成的，而在夜晚则没有进行光合作用，导致二氧化碳在夜间增加。

基林迫切希望将这项研究提升到一个新的高度，通过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，并获得了美国气象局的资金，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。由于二氧化碳在光的光谱中吸收红外线光谱的四个峰值（1437、1955、2013 和 2060 纳米）之间，因此这些波长的光波会被含有二氧化碳的气体吸收，可以通过测量这些波长的光子数量来确定空气中含有多少二氧化碳。利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。两个建议用于测量年度周期的地点是南极洲的南极站和夏威夷的冒纳罗亚火山顶。与南极洲相比，夏威夷更容易为工作人员提供全年的住宿，而且 1957 年仅在经过南极附近船只上进行了一些测量。使用新机器从夏威夷进行的第一次测量是在 1958 年 3 月进行的，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，基林测得的二氧化碳含量上升至 315 ppm，然后下降到 310 ppm，表明由于季节变化，二氧化碳呈现出上升和下降的振荡周期。

地球上的光合作用生物圈在全球范围内分布不均，北半球拥有大部分茂密的北方森林。在北半球的春季和夏季，随着这些茂密的森林植物在春季和夏季的白天生长并变绿，二氧化碳被从大气中吸收，而在秋季和冬季，随着这些落叶林的树木在秋季落叶，植物为寒冷的冬季休眠做准备，二氧化碳会重新回到大气中。作为年度循环，大气中的二氧化碳含量呈现出一种“有规律的脉冲”，在 2 月份达到峰值，在 8 月下旬达到最低值。

截至 2020 年 5 月的基林曲线。最新的版本可以在这里找到：https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/

在国际地球物理年的资金到期后，斯克里普斯海洋研究所计划提供了资金，但 1964 年国会预算削减几乎导致了该研究的关闭。戴夫·基林不懈地努力从政府机构获得赠款和资金，以确保数据收集的持续进行。他坚定的决心可能源于他发现二氧化碳每年都在以越来越快的速度增加。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增加的令人担忧趋势已经引起了公众的注意。2006 年，阿尔·戈尔制作了关于大气中二氧化碳含量上升的纪录片“难以忽视的真相”，这部影片源于基林的研究和 1996 年他担任副总统时发布的一份科学报告。大气中二氧化碳含量不断增加的曲线被称为“基林曲线”。就像阿波罗 13 号宇宙飞船的舱室中的空气一样，二氧化碳的含量正在急剧增加。如今，2020 年，夏威夷的二氧化碳含量已超过 415 ppm（0.0415%）。通过使用冰芯中捕获的空气泡来追溯二氧化碳的历史记录，大气中的二氧化碳含量已经从 200 ppm 翻了一番，达到 400 ppm 以上，其中大部分增长发生在过去的一百年里。

同位素测量记录了二氧化碳含量增加的很大一部分来自哪里。δ¹³C 值今天比以往任何时候都更低，表明二氧化碳的排放主要来自碳氢化合物（碳的有机分子），如木材、煤炭、石油和天然气。不断增长的人口和碳氢燃料的指数级使用，再加上森林砍伐和野火增多，是二氧化碳含量增加的根源。这种增加远远超过了北半球春季森林再生每年吸收的二氧化碳量。就像氧气极大地改变了元古代的大气一样，二氧化碳的指数级释放正在极大地改变着今天地球的大气。

在过去二十年里，科学家们已经开始从更多样的地点测量大气中的二氧化碳。在犹他州，如今有十多个站点监测大气中的二氧化碳。在盐湖城，2020 年的二氧化碳浓度在 1 月和 2 月通常会飙升至接近 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谷地，以及庞大的城市人口使用碳氢燃料所致，而位于犹他州东部农村地区的弗鲁特兰的二氧化碳浓度则接近 500 ppm (0.05%)。这意味着，作为基林曲线一部分，在夏威夷测量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偏远地区。城市中心的二氧化碳浓度几乎是夏威夷岛监测站目前观测到的二氧化碳浓度的两倍。这使得这些城市中心成为严重的健康风险，人们可能会遭受与新冠病毒等疾病相关的呼吸窘迫综合征，该病毒在 2020 年导致超过 20 万美国人死亡。

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并丢失。2014 年，轨道碳观测-2 卫星取得了更大的成功，利用红外光吸收在整个地球上提供了来自太空的一些最佳二氧化碳测量数据。令人惊讶的是，与南半球相比，北半球上空大气中的二氧化碳含量最高，北美东部、欧洲和东亚的冬季二氧化碳浓度最高。二氧化碳主要集中在大气层中 15 到 10 公里的高度以下，并且在主要城市中心和大型森林火灾附近急剧上升。轨道碳观测-3 卫星于 2019 年成功发射升空，并安装在国际空间站上。该仪器能够比 OCO‑2 更精细地测量二氧化碳，同时还观察植被反射的光线，以监测全球荒漠化。

由莫尔魏德投影绘制的 OCO-2 任务从 2014 年 9 月到 2015 年 8 月的二氧化碳浓度延时影像，请注意北半球的二氧化碳浓度远高于南半球。

预测未来大气中的二氧化碳浓度

阿尔伯特·艾伦·巴特利特是科罗拉多大学物理系的一位睿智的教授，他将自己的一生都献给了科学事业的一个关键方面：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？指数函数最好用一个著名的波斯故事来描述，这个故事最早由 13 世纪的伊本·赫勒敦讲述。

这个故事的变体是这样的：一位富有的商人有一个美丽的女儿，国王渴望娶她为妻。这位商人知道国王对他女儿的爱慕之情，于是向他提议了一项交易。如果国王在 64 天内，每天都在棋盘上，为他支付每个方格一枚硬币，就可以娶他的女儿。但是，他每天支付的硬币数量必须是前一天方格的两倍，直到他填满棋盘上的 64 个方格。国王的保险库里有数百万美元，用硬币填满一个棋盘很容易。他同意了。第一天，国王在第一个方格上放了一枚硬币。当国王第二天放了 2 枚硬币时，他嘲笑这数字多么小，第三天只放了 4 枚硬币。他哈哈大笑，总共只花了 7 美分，已经到了第四天，他放下了 8 枚硬币，但事情开始在棋盘的第二行发生变化，到了第 16 天，他不得不放下 32,768 枚硬币，也就是 327.68 美元。到第三行，价值急剧增加，为了填满下一行，他不得不支付 42,949,672.96 美元，也就是超过 4200 万美元，而为了填满第四行，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达到 184,467,440,737,100,000.00 美元，也就是超过 184 万亿美元！他没钱了，无法负担起娶商人的女儿。指数函数也可以反向工作，例如将数字减半，就像在使用放射性衰变进行测年时观察到的那样。

与地球大气中的二氧化碳浓度相关的关键问题是，它随着时间的推移是呈指数增长还是线性增长？检验这一点的一种方法是编写一个数学函数，该函数能够最好地解释大气中二氧化碳的增长情况，并可用于预测其未来的增长情况。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的二氧化碳浓度进行一些预测。每年二氧化碳的年平均增长率是每年的 12 月底和 1 月初的浓度差。在 1958 年至 1959 年之间，增长率为 0.94 ppm，但在 2015 年至 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。这表明增长趋势向上，更像是指数函数中的情况。

使用夏威夷每年平均二氧化碳浓度最佳拟合的数学方程是一个更复杂的指数多项式函数。

{\text{CO2 in ppm}}=0.0127({\text{year}})^{2}-48.824({\text{year}})+47,220

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。作为模型，它只是一个预测，只是一个假设，可以通过每年持续收集数据来证伪。利用这个数学模型，我们可以插入任何年份，看看预测的二氧化碳浓度会是多少。对于 2050 年，预测的二氧化碳浓度为 502.55 ppm，年增长率为每年 3.28 ppm。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 410 ppm 的数值相比，它远低于会使空气无法呼吸的危险数值，即 1% 到 4% 或 10,000 ppm 到 40,000 ppm。事实上，空气是可以呼吸的，因为 502.55 ppm 仅为 0.05%。增长率每年都在加速。到 2100 年，也就是从本文写作之日起 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。

这在像盐湖城这样的主要城市可能会更糟，这些城市会在冬季寒冷的日子里出现空气质量差，二氧化碳浓度约为 1,000 ppm。虽然不会致命，但如此高的浓度可能会导致呼吸系统不好的居民出现健康问题，例如新生儿、患有新冠病毒和流感等病毒性呼吸道疾病的人、患有哮喘和糖尿病的老年人。下一跳跃到 2150 年，预测二氧化碳浓度将达到 954.15 ppm，增长率为 5.77 ppm。到那时，北半球的大部分地区将含有不健康的空气。体育赛事和户外休闲活动将不可取，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。在 23 世纪，情况开始变得更糟。二氧化碳浓度将达到 1,275.20 ppm，每年增长 7.04 ppm。到那时，地形盆地和海平面附近的寒冷地区会导致呼吸问题，尤其是在 1 月和 2 月的寒冷夜晚。

到 2300 年，二氧化碳含量将达到约 2107.80 ppm 或 0.2%，增长率为 9.58 ppm。届时，人们只能在户外停留有限的时间，然后回到家中呼吸经过过滤、二氧化碳含量较低的空气。体育赛事将转移到室内举行，因为剧烈运动会导致呼吸衰竭。到 2400 年，二氧化碳含量将达到 3194.40 ppm 或 0.3%，年增长率为 12.12 ppm。到 2500 年，二氧化碳含量将达到 4535.00 ppm，年增长率为 14.66 ppm。届时，超过 8 小时健康建议剂量，室外空气将变得几乎无法长时间呼吸。

到 2797 年，夏威夷的二氧化碳含量将达到 1%，即 10000 ppm，导致北半球大部分地区的大气无法呼吸。数百万甚至数十亿人将在全球范围内死亡，因为在二氧化碳浓度超过阈值的几天里，他们无法呼吸空气。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的生命。这段时间非常短暂，因为波斯学者伊本·赫勒敦最早在 13 世纪写下关于象棋棋盘的故事，时间与现在相差无几。如果一位 13 世纪的学者写下了一个今天仍然有效的寓言，你可能会在 28 世纪将哪些知识传给后代？这个数学模型是人类灭绝最终轨迹的必然结果吗？

指数增长领域最伟大的学者之一是唐纳拉·梅多斯，她在 1996 年的论文《展望可持续世界》中写道：

“我们很容易并且无休止地谈论我们的挫折、怀疑和抱怨，但我们很少谈论我们的梦想和价值观，有时还会感到尴尬。”

必须认识到，在一个可持续的世界中，二氧化碳含量不会超过这些阈值，你，以及全球社会必须共同努力阻止二氧化碳含量的上升，而地球正处于这个全球象棋棋盘的前几格。如果你想玩一下避免这种未来场景的不同方案，请访问气候互动网站 https://www.climateinteractive.org, 并了解一些基于不同政策减排二氧化碳排放的计算机模型。唐纳拉·梅多斯进一步写道：

“我们大多数为可持续性而努力的人所能提出的最佳目标是避免灾难。我们承诺生存，但除此之外，我们没有更大的愿景。这是一个目光短浅的失败。”

这听起来非常乐观，并且是在大约 25 年前写下的，当时二氧化碳含量仅为 362 ppm，与今天更迫切的担忧相比似乎很不相符，因为大气中的二氧化碳含量已经达到 410 ppm，就像阿波罗 13 号任务一样，你，以及你所爱的人，都被困在一个空间舱里，呼吸着迅速恶化的大气。

古代大气中的二氧化碳含量曾经这么高吗？

对这种数学模型的一种批评是，地球上的碳含量是有限的，并且在达到这些高值之前，碳氢化合物（木材、煤炭、石油和天然气）资源将被消耗殆尽。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，如果地球的大部分碳重新释放到大气中，则二氧化碳的百分比可能高达 95%。这种以二氧化碳为主的大气层不太可能出现，因为这种释放需要将所有封存的碳酸钙转化为二氧化碳。然而，地球历史上确实存在二氧化碳含量高于今天的时期。

空气样本的测量只能追溯到大约 80 万年前，因为冰芯数据以及它们捕获的空气气泡只有格陵兰岛和南极洲最古老、埋藏最深的冰一样古老。冰芯数据表明，过去 80 万年，二氧化碳含量仅在 175 到 300 ppm 之间波动，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含量更高的事件，我们需要追溯到数百万年前。然而，随着时间的推移，直接测量空气样本是不可能的，因此科学家们不得不开发了许多替代方法来确定遥远过去的大气中二氧化碳含量。

化石叶片的表皮气孔

植物的光合作用需要气体交换，吸收二氧化碳并释放氧气。植物中的这种气体交换通过叶片底侧的微小开口进行，称为气孔。叶片中气孔的数量是平衡的，因为空气中二氧化碳含量越高，需要的氣孔数量就越少，而空气中二氧化碳含量越低，需要的氣孔数量就越多。植物需要最大限度地减少用于气体交换的气孔数量，因为气孔过多会导致水分流失，植物会干枯。

在显微镜下观察化石叶片，计算每个区域的气孔数量，以及在受控二氧化碳浓度下培养的植物的温室实验，使科学家能够将大气中二氧化碳记录追溯到更早的时间。这种方法有一些局限性。首先，只能使用今天和古代都存在的植物。最常用于这些实验的植物是银杏和水杉叶片，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。这些植物的叶片必须作为化石被发现，并在特定时期内得到良好的保存。这种替代方法最适合二氧化碳浓度在 200 ppm 到 600 ppm 之间的范围。超过 600 ppm 的高值，气孔数量已降至最低，植物在如此高浓度的二氧化碳下，减少开口并不会带来太多益处。超过 600 ppm 的已发布值可能都具有相似的或几乎相同的气孔密度。在 800 ppm 二氧化碳中生长的植物将具有与在 1500 ppm 二氧化碳中生长的植物类似的气孔密度。这使得很难计算古代大气中的二氧化碳含量，当含量较高时，超过 600 ppm。

对化石叶片的研究所得出的结论，再加上岩石记录中大气二氧化碳的其他替代方法表明，在过去 2400 万年中，二氧化碳含量一直保持在 500 ppm 以下，尽管在大约 1630 万年前的中中新世气候最适宜时期，二氧化碳含量被认为在 500 到 560 ppm 之间，并且在这一时期，人们观察到了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，如今南非可以看到类似草原的森林。

追溯到更早的时期，在始新世（距今 5550 万年到 3400 万年前），二氧化碳含量被认为远高于今天，超过 600 ppm。始新世是地球历史上一个特别温暖的时期。在犹他州发现了大量的鳄鱼化石，以及棕榈化石。犹他州的环境与今天的路易斯安那州相似，湿润潮湿，冬季没有降雪，这一点可以从缺乏冰川沉积物得到证明。温暖的气候使得鳄鱼、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荣发展，如今这些地区大多是寒冷干燥的沙漠。二氧化碳含量在约 5000 万年前的始新世早期气候最适宜时期逐渐达到峰值。在此期间，巨大的水杉针叶林在高北极地区生长，那里栖息着貘。一个更加突出的事件发生在 5550 万年前，被称为古新世-始新世极热事件，在该事件中，二氧化碳含量被认为在 7 万年的短时间内翻了一番。古新世-始新世极热事件（PETM）被认为使大气中二氧化碳含量升至 750 ppm 以上，甚至可能升至 1000 到 5000 ppm。之后，这些数值回到了更低的水平，约为 600 ppm。气候发生了剧烈变化，导致当时生存的哺乳动物发生了重大更替。海洋变得酸化，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。北大西洋最北端下方火山活动导致北冰洋海底释放甲烷，可能是大气中二氧化碳含量增加的原因。这一变化进一步加剧了一个正反馈回路，因为气候变暖变干导致北半球发生大规模森林火灾，这一现象可以从许多树栖哺乳动物灭绝得到证明。现代灵长类动物从这场全球性灾难的灰烬中崛起，并最终统治了始新世后期森林的回归。始新世灵长类动物，作为人类的祖先，是这场灾难性全球变暖事件的幸存者。

在恐龙时代，没有证据表明存在冰川或寒冷气候。二氧化碳含量可能很高（500 ppm 到 2500 ppm）。

在恐龙时代，大气中的二氧化碳浓度比哺乳动物时代高得多。根据与恐龙化石一起发现的化石叶片上的气孔推测，在白垩纪晚期，霸王龙呼吸的空气中二氧化碳浓度可能高达 500-600 ppm。然而，白垩纪末期的小行星撞击导致二氧化碳浓度迅速升至约 1600 ppm。恐龙时代是一个长达 1.86 亿年的时期，地质记录中完全没有冰川，也没有极地冰盖的证据。大约在 1.25 亿年前，二氧化碳浓度徘徊在 1000 到 1500 ppm 之间，而在侏罗纪时期，二氧化碳浓度可能接近 1000 ppm，至少高于 600 ppm 的阈值。三叠纪时期，特别是在 2 亿年前的三叠纪-侏罗纪边界附近，二氧化碳浓度非常高，达到 1000 ppm 到 2500 ppm，并且由于与大西洋扩张有关的火山活动，可能更高。犹他州，以及北美西部大部分地区，曾经是一个巨大的沙漠。尽管靠近海洋，但这个沙漠极其炎热干燥。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覆盖着巨大的沙丘（沙海或沙地），留下了由这些古代沙子组成的岩层，形成了犹他州摩押附近的拱门国家公园中的地质拱门，以及犹他州斯普林代尔附近的锡安国家公园中的深邃峡谷。随着时间的推移，越来越难以揭示更早时期的记录，现代植物不再存在，二氧化碳记录必须使用其他工具重建。然而，证据表明二氧化碳浓度一直保持在 5000 ppm 以下，当浓度上升到 2000 ppm 以上时，往往会导致重大灭绝事件，例如 PETM 事件和三叠纪-侏罗纪边界，以及 6600 万年前恐龙灭绝时的 1500 ppm 以上浓度。

碳同位素

正如之前所讨论的，当大气中的二氧化碳增加时，碳-13 与碳-12 的同位素比率会降低，因为其中大部分碳来自碳氢化合物分子，即与氢结合的碳。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，则比率会很高，因为碳与氧结合；而如果检查含有有机碳的岩石，例如煤炭，则比率会很低，因为碳与氢结合。你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炭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很困难。然而，总体上存在着一种关系，即较低的或更负的碳同位素比率（更多的碳-12）表明大气中存在较高浓度的二氧化碳的可能性更大。利用这种替代指标，可以将大气中二氧化碳的记录追溯到更早的时期，那时二氧化碳可能已经达到 1%（10,000 ppm）甚至更高的危险高浓度，使空气变得有毒，无法呼吸。

大灭绝

2.52 亿年前发生二叠纪-三叠纪边界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% 的生命遭到了灾难性的灭亡。这次事件的标志是碳同位素的急剧负偏移，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暗色岩的巨大火山爆发点燃了巨大的煤炭、石油和天然气储量。大气中充满了硫酸、汞和铅。这次事件的证据散落在全球的岩石记录中，在沉积物中可以发现一层薄薄的富含汞的岩石，标志着这次事件。

大灭绝是地质证据，表明大气中致命浓度的二氧化碳是可能存在的，而且是一个真正的危险。二氧化碳含量超过 1% 导致了一个几乎没有生命的星球，动物生命尤其受到重创。恢复需要数百万年，这可能导致在接下来的 2.18 亿年内北极和南极没有冰川或冰盖，这也是三叠纪和侏罗纪时期二氧化碳浓度接近 1000 ppm 的原因，因为地球正在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，以及早石炭纪和密西西比时期，大约 3 亿年前，二氧化碳浓度可能要低得多，因为当时大型石炭纪森林从大气中吸收了二氧化碳，这些森林如今是北美东部、欧洲和俄罗斯燃烧的许多煤炭的来源。这一时期有冰川沉积物的证据，而且当时的世界要冷得多，类似于我们最近的历史。

跨越时间的地球地质证据表明，大气中的二氧化碳很容易上升到危险的水平，使动物无法呼吸。这在后 2020 年的世界尤其如此，因为像 COVID-2019 这样的病毒性呼吸道疾病在二氧化碳含量高的空气中增加了致死率，并增加了高碳酸血症的风险。就像在太空中疾驰的阿波罗 13 号飞船的旋转太空舱，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 号的机组人员不得不解决二氧化碳上升的问题，就像你今天必须解决地球上二氧化碳上升的问题一样。

二氧化碳清除器

为了解决二氧化碳问题，必须从空气中去除二氧化碳。这需要将空气通过一个清除器。清除器是一个与二氧化碳发生反应并释放氧气的化学反应。在太空舱中，清除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。利用塑料袋、纸板和胶带，任务控制中心开发了一个快速解决方案，使被困的机组人员能够在月球舱内使用来自服务舱的氢氧化锂罐。这个问题仅用现有的工具就得到了解决，这些氢氧化锂罐清除掉了飞船中不断上升的二氧化碳，足以使机组人员安全返回地球。

地球空气的二氧化碳清除器是什么？为了解决这个全球性问题，一些工程师建议发明机械或化学清除器，比如巨大的氢氧化锂罐，其他人则建议使用转基因生物，但事实是，地球的二氧化碳清除器就在我们周围：光合作用生命形式。你星球的健康和你的生存与地球森林、植被、花园、土壤，甚至海洋中的浮游植物的健康息息相关。所有光合作用生命形式都将二氧化碳转化为氧气。它们是，并且一直是地球从大气中清除二氧化碳的伟大清除器。

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b. 大气中的氧气。	c. 大气中的二氧化碳。	d. 温室气体。

[1] ttps://www.nytimes.com/2000/07/29/nyregion/woman-dies-of-suffocation-after-locking-herself-in-a-vault.html

[2] NASA, 2009

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