地球/4c. 大氣中的二氧化碳
她的屍體是在開啟金庫時發現的。埃斯特·佩恩躺在紐約下曼哈頓沃特街 55 號的託管信託大廈內的一個巨大的鎖定的銀行金庫裡。安全攝像頭顯示，晚上 9 點後沒有人進出銀行金庫。她的屍體沒有外傷，金庫沒有被強行進入，也沒有任何東西丟失。埃斯特·佩恩是一位健康的 35 歲單身母親，有兩個孩子，她即將搬進一間位於布魯克林的可以俯瞰曼哈頓天際線的新公寓。現在她死了。
1986 年 8 月 21 日，靠近尼奧斯湖的西非小村莊變成了一個可怕的死亡場景，當晚，村莊裡的所有生物，包括 1,746 人，突然死亡。無聲的早晨沒有昆蟲的聲音，沒有公雞的叫聲，也沒有孩子們在街上玩耍。 所有人都死了。
每一起神秘的死亡都被歸咎於二氧化碳中毒。人體可以承受高達 5,000 ppm 或 0.5% 的二氧化碳濃度，但超過 3% 到 4% 的濃度可能是致命的。當肺部充滿高濃度的二氧化碳時，會導致呼吸性酸中毒，這種情況被稱為高碳酸血癥。通常情況下，身體能夠透過肺部排出代謝過程中產生的二氧化碳，但如果空氣中二氧化碳過多，血液中碳酸含量會增加 (CO2 + H2O → H2CO3)，導致二氧化碳分壓超過 45 毫米汞柱。
對於尼奧斯湖周圍的村民來說，二氧化碳是突然從湖中釋放出來的，火山氣體使湖水富含這種氣體，而在佩恩女士的案例中，她在拉響了金庫內的火警時釋放了二氧化碳，這會觸發二氧化碳噴霧作為滅火劑。[1] 潛水員、潛艇操作員和宇航員都擔心呼吸的空氣中二氧化碳過多帶來的影響。在二氧化碳中，沒有比命運多舛的阿波羅 13 號任務飛往月球更具戲劇性的事件了。
1970 年 4 月 14 日，協調世界時 3:07，距離地球 200,000 英里，三名男子擠在飛往阿波羅 13 號宇宙飛船的途中聽到了爆炸聲。[2] 一瞬間之後，宇航員傑克·斯威格特向地球傳送了一條資訊“休斯頓，我們這裡出了點問題。”服務艙上的一個氧氣罐爆炸了，這也撕裂了第二個氧氣罐上的一個洞，並切斷了宇宙飛船的電源。意識到情況的嚴重性，機組人員迅速鑽進了登月艙。宇宙飛船距離地球太遠，無法掉頭。相反，機組人員必須駕駛宇宙飛船繞過月球的遠端，然後將其反彈回地球，如果他們希望活著回來。登月艙現在就像一艘救生筏綁在一艘正在下沉的船上，服務艙。這個臨時救生筏並沒有設計成在 4 天的返程中容納 3 名機組人員。透過關閉宇宙飛船來節省氧氣。透過關閉冷卻系統來節省水，每天的飲用水量僅限於幾盎司。還有一個額外的擔憂；太空艙內二氧化碳的積聚。每次呼氣時，機組人員都會排出約 5% 二氧化碳的空氣。在 4 天的旅程中，二氧化碳會在登月艙內積聚，最終導致高碳酸血癥死亡；血液中二氧化碳的積聚。機組人員必須弄清楚太空艙內的空氣還能呼吸多久。
從地球上，電視廣播員從任務控制中心報道了情況的嚴重性。阿波羅 13 號的機組人員必須解決登月艙空氣中二氧化碳上升的問題，如果他們想活著看到地球。
1953 年，查爾斯“戴夫”凱林獲得了加州帕薩迪納加州理工學院的博士後研究經費，用於研究從岩石中提取鈾。被分配到哈里森·布朗的實驗室，他的實驗室主管證明是一位充滿活力的領導者。他的導師在研製日本使用的核彈方面發揮了核心作用。在戰爭期間，他發明了一種新的鈽生產方法，使“胖子”炸彈中添加了超過 5 公斤 (11 磅) 的鈽，該炸彈於 1945 年 8 月被投放到長崎市，導致近 100,000 人死亡。事件發生後，布朗對這些死亡事件負有的個人責任感到心碎。他在 1945 年寫了一本書《毀滅必須是我們的命運嗎？》，並開始在世界各地進行演講，講述核武器的危害。哈里森·布朗之前曾建議克萊爾·卡梅倫·帕特森，他是第一個使用鉛同位素對隕石進行放射性年代測定，以確定地球年齡為 45 億年的人，當時他在芝加哥大學。1951 年，哈里森·布朗與妻子離婚並再婚，在加州理工學院任教，正是在這裡，一位新的化學博士後研究員查爾斯·凱林於 1953 年來到他的實驗室。最初，凱林的任務是從岩石中提取鈾，但他的興趣轉向了大氣科學，研究空氣的化學成分，尤其是測量二氧化碳的含量。
凱林著手在實驗室裡製作一種儀器，使用一種叫做壓力計的工具來測量空氣中的二氧化碳含量。壓力計是一系列笨重的玻璃管，用於測量隔離的空氣樣本的壓力。透過使用一個玻璃球形燒瓶來捕獲空氣樣本，在真空中清空空氣並鎖定。用帆布包裹起來，這樣脆弱的玻璃就不會碎裂，開啟空的玻璃球形燒瓶在外面，然後將流入玻璃燒瓶的捕獲氣體帶回實驗室進行分析。壓力計最初是用來測量化學實驗中碳氫化合物燃燒產生的二氧化碳的量的，使化學家能夠知道材料中含有多少碳。凱林用同樣的技術來確定大氣中的二氧化碳含量，他第一次測得的值是 310 ppm，即 0.0310%，這是他在加州蒙特利附近的比格蘇爾進行的一系列測量中發現的。
有趣的是，基林發現二氧化碳濃度在夜間略有上升。一個假設是，當氣體冷卻時，它會在一天中較冷的部分沉降。二氧化碳的摩爾質量為 44.01 克/摩爾，而氧氣的摩爾質量為 32 克/摩爾，氮氣的摩爾質量為 28 克/摩爾，因此二氧化碳是一種明顯更重的氣體，會沉入較低的海拔、山谷和盆地。除非樣品取自發電廠、工廠或高速公路附近燃燒碳的地方，否則重複的實驗表明，二氧化碳不會因地點而異，並保持在 310 ppm 附近。
然而，這種晝夜迴圈引起了他的興趣，他進行了另一項分析，以測量碳的同位素組成，以追蹤碳的來源。碳-13 (13C) 與碳-12 (12C) 的比例 [這被稱為 δ13C] 在由碳與氧鍵合形成的分子中較高，而在由碳與氫鍵合形成的分子中較低，這是因為原子質量的差異。這種比例的變化表明了空氣中碳的來源。如果 δ13C 下降，則碳的來源是來自碳氫化合物組成的分子，包括燃燒或燃燒有機化合物（木材、石油、煤炭、天然氣），而如果 δ13C 上升，則碳的來源是來自碳酸鹽組成的分子，包括燃燒或燃燒石灰石和其他來自火山噴發的岩石。基林發現，使用被稱為“基林曲線”的圖表，隨著大氣中二氧化碳的增加，δ13C 的值下降。這表明大氣中二氧化碳的主要來源或通量主要是與有機化合物或碳氫化合物的交換。日值的改變似乎是由光合作用植物在白天吸收二氧化碳造成的，而這種吸收在夜晚不會進行，從而導致二氧化碳在夜間增加。
基林渴望將這項研究提升到一個新的高度，觀察大氣中二氧化碳的年度或年度變化。他撰寫了資助提案，以進一步開展他的研究，並從氣象局獲得了資金，作為“國際地球物理年”（1957-1958 年）的一部分。利用這些資金，基林購買了四臺新的紅外氣體分析儀。由於二氧化碳在光線的紅外光譜中四個峰值（1437、1955、2013 和 2060 奈米）之間吸收光波，因此這些波長的光波會被含有二氧化碳的氣體吸收，並且可以測量這些波長處的光子數量，以確定空氣中含有多少二氧化碳。使用這種更先進的工具，基林希望從世界各地的偏遠地區收集測量資料。兩個提議測量年度迴圈的地點是南極洲的南極站和夏威夷的冒納羅亞山頂。與南極洲相比，夏威夷更適合全年派遣人員，而且 1957 年只有幾艘經過南極附近的船隻進行了測量。1958 年 3 月，夏威夷使用新機器進行了第一次測量，結果為 313 ppm（0.0313%）。在接下來的幾年裡，基林和他的工作人員測量了二氧化碳的變化。從 1958 年 3 月到 1960 年 3 月，基林測量到二氧化碳升至 315 ppm，然後下降到 310 ppm，這表明由於季節變化，二氧化碳存在一個上升和下降的振盪週期。
地球的生物圈光合作用在全球分佈不均，大部分密集的北方森林位於北半球。在北半球的春季和夏季，當這些密集的森林植物在春季和夏季的白天生長並變得綠色時，二氧化碳會被從大氣中吸收，而在北半球的秋季和冬季，當這些落葉林的樹葉在秋季落下，植物為寒冷的冬季進入休眠狀態時，二氧化碳會重新回到大氣中。作為一年一度的迴圈，大氣中的二氧化碳含量是一個有節奏的脈衝，在 2 月份達到最高值，在 8 月下旬達到最低值。
國際地球物理年的資金結束後，斯克裡普斯海洋研究所提供了資金，但 1964 年國會預算削減幾乎使這項研究終止。戴夫·基林不懈地努力爭取資金，以維持資料收集工作，從各個政府機構獲得撥款和資金。他頑強的決心很可能是源於這樣一個發現：二氧化碳每年的增長速度越來越快。1970 年，夏威夷的二氧化碳含量為 328 ppm（0.0328%），1980 年為 341 ppm（0.0341%），1990 年為 357 ppm（0.0357%），2000 年為 371 ppm（0.0371%）。2005 年，戴夫·基林去世，但二氧化碳含量不斷上升的趨勢已引起公眾的關注。2006 年，艾爾·戈爾製作了紀錄片“難以忽視的真相”，講述了大氣中二氧化碳含量上升的問題，這源於基林的研究和 1996 年他擔任副總統時的一份科學報告。大氣中二氧化碳含量不斷上升的圖表被稱為“基林曲線”。就像阿波羅 13 號飛船艙內的空氣一樣，二氧化碳的含量正在急劇增加。今天，2020 年，夏威夷的二氧化碳含量已經超過 415 ppm（0.0415%）。透過使用冰芯中捕獲的氣泡將二氧化碳記錄回溯到過去，大氣中的二氧化碳含量已經從 200 ppm 增加到 400 ppm 以上，其中大部分增長髮生在過去一百年裡。
同位素測量記錄了二氧化碳含量增加的很大一部分來自何處。δ13C 的值比以往任何時候都更負，表明二氧化碳的排放主要是來自碳氫化合物（有機碳分子），如木材、煤炭、石油和天然氣。人口不斷增長和碳氫燃料的指數級使用，加上森林砍伐和野火的增加，是二氧化碳含量增加的來源。這種增加遠大於北半球森林春季重新生長每年吸收的二氧化碳。就像氧氣徹底改變了元古代的大氣一樣，今天二氧化碳的指數級釋放正在徹底改變地球的大氣。
在過去的二十年裡，科學家們開始從更多不同的地點測量大氣中的二氧化碳。在猶他州，如今有十幾個站點監測著大氣中的二氧化碳。在鹽湖城，2020 年的二氧化碳濃度通常在 1 月和 2 月會飆升至接近 700 ppm (0.07%) 的水平，這是由於二氧化碳氣體沉入瓦薩奇前沿的山谷以及城市人口大量使用碳氫燃料造成的。而位於猶他州東部農村地區的弗魯特蘭，其二氧化碳濃度也接近 500 ppm (0.05%) 的高值。這意味著，作為基林曲線一部分的夏威夷測得的二氧化碳濃度與猶他州相比微不足道，因為該島位於太平洋的孤立位置。城市地區的二氧化碳濃度幾乎是夏威夷島監測站目前觀測到的兩倍。這使得這些城市中心成為健康風險，人們會遭受與呼吸窘迫綜合徵相關的疾病，例如 2020 年導致 20 多萬美國人死亡的冠狀病毒。
2009 年，美國宇航局計劃發射的 軌道碳觀測衛星 在發射臺上遭遇失敗，最終丟失。2014 年，軌道碳觀測衛星-2 成功發射，並利用紅外光吸收技術，對地球上的二氧化碳進行了迄今為止最精確的太空測量。令人驚歎的是，與南半球相比，北半球上空大氣中的二氧化碳含量更高，北美東部、歐洲和東亞地區的冬季二氧化碳濃度最高。二氧化碳主要集中在大氣層 15 到 10 公里以下，並且在主要城市中心和大型森林火災地區急劇上升。軌道碳觀測衛星-3 於 2019 年成功發射升空，安裝在國際空間站上。該儀器對二氧化碳的測量精度高於 OCO‑2，同時還可以觀察植被的反射光，以監測全球沙漠化。
預測未來大氣中的二氧化碳
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阿爾伯特·艾倫·巴特利特 是科羅拉多大學物理系的一位德高望重的教授，他將自己的科學生涯都投入到一個關鍵方面：教導學生如何理解 指數函式。什麼是 指數函式，它與預測地球未來大氣中的二氧化碳濃度有什麼關係？一個著名的波斯故事可以很好地描述指數函式，這個故事最早由 13 世紀的 伊本·赫勒敦 講述。
這個故事的一個變體是這樣的：一位富有的商人有一個美麗的女兒，國王想要娶她。商人知道國王對女兒的愛有多深，就向國王提議了一個交易。如果在 64 天內，國王每天在棋盤上為他支付一個便士，他就可以嫁給他女兒。但國王每天支付的便士數要比前一天翻倍，直到他將棋盤上的 64 個方格都填滿。國王金庫裡有數百萬美元，用便士填滿一個棋盤對他來說輕而易舉。他同意了。第一天，國王在第一個方格上放了一個便士。第二天國王放了 2 個便士，他嘲笑這個數字如此之小，第三天只放了 4 個便士。他哈哈大笑，總共只花了 7 美分，但已經到了第四天，他放下了 8 個便士，但到了棋盤的第二排，情況開始發生變化，到第 16 天，他不得不支付 32,768 個便士，也就是 327.68 美元。到了第三排，這個數字增長得更加迅速，為了填滿下一排，他不得不支付 42,949,672.96 美元，也就是 4200 多萬美元。為了填滿第四排，他不得不支付 10,995,116,277.76 美元，也就是 100 億美元。事實上，如果國王要填滿所有 64 個方格，最後一個方格的總額將是 184,467,440,737,100,000.00 美元，也就是超過 184 萬億美元！他的錢不夠，無法負擔娶商人的女兒。指數函式也可以反過來起作用，例如減半，就像用放射性衰變測年觀察到的那樣。
涉及地球大氣中二氧化碳的關鍵問題是：它隨著時間的推移是呈指數增長還是線性增長？檢驗這一點的方法之一是寫一個數學函式，它能最好地解釋大氣中二氧化碳的增長，這可以用來預測其未來增長。利用基林曲線從 1958 年至今的完整資料集，我們可以利用這些資料對未來二氧化碳的濃度進行一些預測。每年二氧化碳的年平均增長率是每年的 12 月底與 1 月初濃度之間的差值。在 1958 年到 1959 年之間，增長率為 0.94 ppm，但在 2015 年到 2016 年之間，增長率躍升至 3.00 ppm。在過去的二十年裡，增長率從未低於 1.00 ppm。表明增長趨勢向上，更像指數函式。
使用夏威夷每年二氧化碳的平均值，得到的最佳擬合數學方程是一個更復雜的 多項式指數函式。
這個近似模型解釋了自 1958 年以來記錄的資料，可以應用於未來。作為一個模型，它只是預測的依據，只是一個假設，可以透過每年持續的資料收集來推翻。利用這個數學模型，我們可以輸入任何年份，並檢視預測的二氧化碳濃度。對於 2050 年，預測的二氧化碳濃度將為 502.55 ppm，年增長率為 3.28 ppm/年。就像故事中的國王一樣，你可能會嘲笑這個數字。與 2020 年左右的 410 ppm 相比，它遠低於使空氣無法呼吸的危險值，即 1% 到 4%，也就是 10,000 ppm 到 40,000 ppm。事實上，空氣仍然可以呼吸，因為 502.55 ppm 僅僅是 0.05%。增長率將逐年加速。到 2100 年，即本文撰寫之日起 80 年後，預測的二氧化碳濃度將達到 696.60 ppm，年增長率為 4.50 ppm/年。
在像 鹽湖城 這樣的主要城市，情況可能更糟，這些城市將在寒冷的冬日經歷糟糕的空氣質量，二氧化碳濃度將達到 1000 ppm 左右。雖然不致命，但如此高的濃度可能會給呼吸功能不佳的市民造成健康問題，例如新生兒、患有冠狀病毒和流感等病毒性呼吸系統疾病的人、患有哮喘和糖尿病的老年人。再跳到 2150 年，預測的二氧化碳濃度為 954.15 ppm，增長率為 5.77 ppm/年。到那時，北半球的大部分地區都將充滿不健康的空氣。體育賽事和戶外娛樂將不建議進行，儘管人們仍然可以在戶外呼吸空氣，但可能會開發空氣過濾系統來降低室內二氧化碳濃度。進入 23 世紀，情況開始變得更糟。二氧化碳濃度將達到 1275.20 ppm，年增長率為 7.04 ppm/年。到那時，地形盆地和海平面附近的寒冷地區將引發呼吸問題，尤其是在 1 月和 2 月的寒冷夜晚。
到 2300 年，二氧化碳濃度將達到 2107.80 ppm 左右，即 0.2%，增長率為 9.58 ppm/年。到那時，人們只能在戶外待有限的時間，然後回家呼吸二氧化碳濃度較低的過濾後的空氣。體育賽事將移到室內舉行，因為劇烈運動會引發呼吸衰竭。在 2400 年，二氧化碳濃度將達到 3194.40 ppm，即 0.3%，年增長率為 12.12 ppm/年。到 2500 年，二氧化碳濃度將達到 4535.00 ppm，年增長率為 14.66 ppm/年。到那時，超過 8 小時健康建議劑量，戶外空氣將變得幾乎無法在較長時間內呼吸。
到 2797 年，夏威夷的二氧化碳濃度將達到 1%，即 10,000 ppm，導致北半球大部分地區的大氣無法呼吸。全球數百萬甚至數十億人將因無法呼吸空氣而死亡，因為二氧化碳濃度將超過閾值。如果這個模型成立，並且預測是正確的，地球將在未來 777 年內擺脫人類和大多數動物生命。這只是一段很短的時間，因為棋盤的故事最早是由波斯學者伊本·赫勒丹記錄下來的，大約是在過去相同的時間段內。如果一位生活在 13 世紀的學者寫了一個至今仍然有效的寓言，那麼你可能會把哪些知識傳達給 28 世紀的後代？這個數學模型是人類滅絕的最終軌跡的確定性嗎？
指數增長的偉大學者之一是 多內拉·梅多斯，他在 1996 年的論文“展望可持續世界”中寫道：
“我們輕鬆地、無休止地談論著我們的挫折、疑慮和抱怨，但我們很少談論我們的夢想和價值觀，有時甚至會感到尷尬。”
重要的是要意識到，一個可持續的世界，二氧化碳不會超過這些閾值，你和全球社會可以避免二氧化碳的上升，而地球正處於這個全球棋盤的前幾格。如果你想玩各種避免這種未來的情景，請檢視氣候互動網站，https://www.climateinteractive.org, 以及一些基於不同政策減少排放到大氣中的二氧化碳的計算機模型。多內拉·梅多斯進一步寫道：
“我們大多數致力於可持續發展的人提出的最佳目標是避免災難。我們承諾生存，而不是更多。這是視野的失敗。”
這聽起來非常樂觀，而且是在大約 25 年前寫成的，當時二氧化碳含量僅為 362 ppm，與今天更迫切的恐懼似乎不匹配，因為二氧化碳含量已達到 410 ppm，就像阿波羅 13 號任務一樣，你和所有你愛的人都被困在一個太空艙裡，呼吸著迅速惡化的大氣。
它曾經這麼高嗎？古代大氣中的二氧化碳
[edit | edit source]對這種數學模型的批評之一是，地球上的碳含量是有限的，並且碳氫化合物（木材、煤炭、石油和天然氣）資源將在達到這些高值之前很久就會枯竭。來自火星和金星的地質和行星證據，以及關於太古代大氣層的證據表明，如果地球上大部分碳重新釋放回大氣層，二氧化碳含量可能高達 95%。這種以二氧化碳為主的大氣層不太可能出現，因為這種釋放需要所有封存的碳酸鈣轉化為二氧化碳。然而，地球歷史上曾有過二氧化碳濃度高於現在的時期。
空氣樣本的測量僅追溯到 80 萬年前，因為冰芯資料以及它們捕獲的空氣泡只有格陵蘭和南極洲最古老、埋藏最深的冰一樣古老。冰芯資料表明，過去 80 萬年來，二氧化碳濃度僅在 175 到 300 ppm 之間變化，從未超過 400 ppm，不像今天的值。如果我們想了解過去二氧化碳濃度更高的事件，我們必須回溯到幾百萬年前。然而，隨著時間的推移，直接測量空氣樣本變得不可能，因此科學家們不得不開發出一些代理指標來確定遙遠過去的二氧化碳濃度。
化石葉片的氣孔
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植物的光合作用需要氣體交換，其中二氧化碳被吸收，氧氣被釋放。植物中的這種氣體交換透過葉片底部的微小開口（稱為氣孔）進行。葉片中的氣孔數量是平衡的，因為空氣中二氧化碳越多，需要的氣孔數量就越少，而空氣中二氧化碳越少，氣孔數量就越多。植物需要將用於氣體交換的氣孔數量降到最低，因為過多的氣孔會導致水分流失，植物會乾枯。
在顯微鏡下觀察化石葉片並計算單位面積的氣孔數量，以及在受控二氧化碳濃度下生長的植物進行的溫室實驗，使科學家能夠將大氣中二氧化碳的記錄追溯到過去。這種方法有一些侷限性。首先，只有今天和古代都存在的植物才能使用。這些實驗最常使用 銀杏 和 水杉 葉片，它們是活化石植物，擁有悠久的化石記錄，可以追溯到 2 億多年前。必須找到這些植物的葉片作為化石，並具有良好的儲存狀態，以便用於特定時期。這種代理指標在 200 ppm 到 600 ppm 的二氧化碳濃度範圍內效果最好。高於 600 ppm 的高值，氣孔數量已降至最低，在如此高的二氧化碳濃度下，植物擁有更少的開口並不會帶來太多好處。已發表的高於 600 ppm 的值很可能具有相似或幾乎相同的氣孔密度。在 800 ppm 二氧化碳中生長的植物與在 1,500 ppm 二氧化碳中生長的植物的氣孔密度相似。這使得很難計算古代大氣中的二氧化碳，尤其是在高於 600 ppm 的情況下。
對化石葉片的研究，再加上岩石記錄中其他大氣二氧化碳代理指標表明，過去 2400 萬年來，二氧化碳一直保持在 500 ppm 以下，儘管在大約 1630 萬年前的中中新世氣候最適宜期，二氧化碳濃度據認為在 500 到 560 ppm 之間，在此期間觀察到溫暖氣候的化石證據。在此期間，格陵蘭島沒有冰蓋，北美西部和歐洲大部分地區被幹旱環境覆蓋，以及今天在南非看到的類似草原的森林。
追溯更遠，在始新世時期（5550 萬到 3400 萬年前），二氧化碳濃度被認為遠高於今天，超過 600 ppm。始新世是地球歷史上一個特別溫暖的時期。猶他州發現大量鱷魚化石，以及棕櫚化石。猶他州的環境類似於今天的 路易斯安那州，溼潤潮溼，冬天沒有降雪，因為缺乏冰川沉積物的證據。溫暖的氣候使鱷魚、早期靈長類動物和半熱帶森林在猶他州東部以及北美大部分地區繁衍生息，而今天許多地方是寒冷乾燥的沙漠。二氧化碳的積累在始新世早期氣候最適宜期（大約 5000 萬年前）達到頂峰。在此期間，巨大的水杉針葉林在高緯度北極地區生長，那裡棲息著貘。一個更加突然的事件發生在 5550 萬年前，稱為 古新世-始新世熱極值，據認為在此期間，二氧化碳在短短 7 萬年的時間內翻了一番。古新世-始新世熱極值，或稱 PETM，據認為使大氣中二氧化碳濃度升至 750 ppm 以上，可能升至 1000 到 5000 ppm。之後，二氧化碳濃度回落到大約 600 ppm。氣候發生了巨大變化，導致當時生存的哺乳動物發生重大更替。海洋酸化，碳酸含量升高，有證據表明全球平均氣溫上升了 6 到 8 攝氏度。來自北大西洋最北端下方火山活動的海底甲烷釋放，可能是大氣中二氧化碳含量增加的原因。由於更溫暖和乾燥的氣候導致北半球爆發大規模森林火災，這進一步加劇了這種正反饋，森林火災的證據是許多樹棲哺乳動物的滅絕。現代靈長類動物從這場全球性事件的焦炭中崛起，並最終主宰了始新世晚期森林的迴歸。作為人類祖先的始新世靈長類動物，是這場災難性全球變暖事件的倖存者。
在恐龍時代，二氧化碳濃度比哺乳動物時代更高。在白堊紀晚期，根據與恐龍一起發現的化石葉片上的氣孔，霸王龍呼吸的空氣中可能含有 500-600 ppm 的二氧化碳。然而，白堊紀末期的隕石撞擊導致二氧化碳濃度飆升至約 1,600 ppm。恐龍時代是一個漫長的時期，持續了 1.86 億年，地質記錄中完全沒有冰川，也沒有極地冰蓋的證據。在大約 1.25 億年前，二氧化碳濃度徘徊在 1,000 到 1,500 ppm 之間，而在侏羅紀時期，濃度可能接近 1,000 ppm，至少超過 600 ppm 的閾值。三疊紀時期，特別是在 2 億年前的三疊紀-侏羅紀界線附近，二氧化碳濃度非常高，從 1,000 ppm 達到 2,500 ppm，甚至可能更高，這是由於與大西洋開裂相關的火山活動造成的。猶他州和北美大部分西部都是一個巨大的廣闊沙漠。儘管靠近海洋，但沙漠極其炎熱乾燥。就像今天的沙烏地阿拉伯一樣，猶他州在三疊紀和侏羅紀時期被巨大的沙丘（沙海或沙丘地）覆蓋，留下了由這些古代沙子形成的岩石層，形成了位於猶他州莫阿布附近的拱門國家公園的岩石拱門，以及位於猶他州斯普林代爾的錫安國家公園的深邃峽谷。要揭示更久遠的記錄變得更加困難，因為不再存在現代植物，必須使用其他工具重建二氧化碳記錄。然而，證據表明，二氧化碳濃度保持在 5,000 ppm 閾值以下，而當濃度升高到 2,000 ppm 以上時，往往會導致重大滅絕事件，例如古新世-始新世熱最大期（PETM）事件和三疊紀-侏羅紀界線，以及 6600 萬年前恐龍滅絕時的 1,500 ppm 以上的濃度。
如前所述，當大氣中的二氧化碳濃度增加時，碳-13 與碳-12 的同位素比率會下降，因為大部分碳來自碳氫化合物分子，即碳與氫鍵合。地質學家可以測量岩石中碳同位素的比率。然而，將岩石中的同位素碳比率等同於大氣中的二氧化碳含量是複雜的。例如，如果檢查含有碳酸鈣的岩石，比率會很高，因為碳與氧鍵合，而如果檢查含有有機碳的岩石，例如煤，比率會很低，因為碳與氫鍵合。您只能比較來自類似型別岩石的值。然而，不同的樹木和形成煤的不同型別的植物可以具有不同的碳同位素比率，甚至已經證明，在不同緯度沉積的岩石可以具有不同的碳同位素，這使得弄清同位素比率與古代大氣中二氧化碳濃度之間的關係變得困難。然而，總的來說，較低或更負的碳同位素比率（更多碳-12）表明大氣中二氧化碳濃度很高的可能性更大。使用這種指標，可以將大氣中二氧化碳的記錄追溯到更早的時期，當時二氧化碳濃度可能已達到危險的 1%（10,000 ppm）甚至更高，使空氣變得有毒，無法呼吸。
2.52 億年前發生的二疊紀-三疊紀界線事件被稱為“大滅絕”是有原因的。儲存在岩石記錄中的是地球上 83% 到 97% 的生命災難性死亡。該事件以碳同位素的突然負偏移為標誌，表明大氣中存在大量二氧化碳。海洋變得酸化和缺氧（缺乏氧氣），全球海洋溫度達到了 5 億年來最高的水平。一次被稱為西伯利亞地盾的巨大火山噴發點燃了巨大的煤炭沉積物、被困的石油和天然氣。大氣中充滿了硫酸、汞和鉛。這些事件的證據散佈在全球岩石記錄中，在沉積物中可以找到一層薄薄的富含汞的岩石，標誌著這一事件。
大滅絕是地質證據，證明大氣中存在致命水平的二氧化碳是可能的，也是一個真正的危險。二氧化碳濃度超過 1% 導致了一個幾乎死亡的世界，動物生命受到特別嚴重的打擊。恢復花了數百萬年，可能阻止了接下來的 2.18 億年內出現任何冰河時代或極地冰蓋，也是三疊紀和侏羅紀時期二氧化碳濃度接近 1,000 ppm 的原因，因為地球從這次事件中恢復過來。
在大滅絕事件之前，二氧化碳濃度可能低於 500 ppm，事實上，在早二疊紀時期以及更早的賓夕法尼亞紀和密西西比紀（大約 3 億年前），由於大型石炭紀森林吸收了大氣中的二氧化碳，二氧化碳濃度可能低得多，如今這些森林是北美東部、歐洲和俄羅斯燃燒的大部分煤炭的來源。該時期冰川沉積物的證據是已知的，而且世界要冷得多，類似於我們最近的歷史。
隨著時間的推移收集的地質證據表明，大氣中的二氧化碳很容易升高到危險水平，使動物無法呼吸空氣。這在 2020 年後的世界中尤其如此，在該世界中，像 COVID-2019 這樣的病毒性呼吸道疾病在高濃度二氧化碳的空氣中增加了死亡率，增加了高碳酸血癥的風險。就像阿波羅 13 號飛船在太空中急速飛行的旋轉太空艙一樣，警報閃爍，地球飛船上的空氣也變得富含二氧化碳。阿波羅 13 號的機組人員必須解決二氧化碳不斷上升的問題，就像你今天必須解決地球上二氧化碳不斷上升的問題一樣。
為了解決二氧化碳問題，必須從空氣中去除二氧化碳。這需要將空氣透過過濾器。過濾器是一種化學反應，與二氧化碳反應並釋放氧氣。在太空艙中，過濾器由氫氧化鋰罐組成，阿波羅 13 號面臨的問題是，月球艙沒有足夠的氫氧化鋰罐來去除不斷上升的二氧化碳。使用塑膠袋、紙板和膠帶，任務控制中心找到了一個快速解決方案，允許被困的機組人員使用服務艙中的氫氧化鋰罐在月球艙內。這個問題只用現有的工具就解決了，這些氫氧化鋰罐足以清除航天器中不斷上升的二氧化碳，從而確保機組人員安全返回地球。
地球空氣的二氧化碳過濾器是什麼？為了解決這個問題，一些工程師建議發明機械或化學過濾器，比如巨大的氫氧化鋰罐，另一些人建議使用轉基因生物，但事實是，地球的二氧化碳過濾器就在我們周圍：進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與地球森林、植被、花園、土壤，甚至海洋中的浮游植物的健康息息相關。所有進行光合作用的生命形式都將二氧化碳轉化為氧氣。它們一直是地球上從大氣中清除二氧化碳的大過濾器。
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