地球/4c. 大氣中的二氧化碳

地球
4c. 大氣中的二氧化碳

神秘死亡

她的屍體是在開啟金庫時被發現的。埃斯特·潘躺在紐約曼哈頓下城水街55號的保管信託大樓的大型鎖定的銀行金庫裡。監控攝像頭顯示，晚上9點後沒有人進入或離開銀行金庫。她的屍體沒有外傷，金庫沒有強行進入，也沒有丟失任何東西。埃斯特·潘是一位健康的35歲單身母親，有兩個孩子，即將搬進布魯克林的一套新公寓，可以俯瞰曼哈頓天際線。現在她死了。

1986年8月21日，位於尼奧斯湖附近的西非小村莊成為了一幅可怕的死亡景象，當晚，村莊裡的所有生物，包括1746人，突然死亡。寂靜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的聲音。所有人都死了.

每一次神秘的死亡都被歸咎於二氧化碳中毒。人體可以耐受高達5000 ppm或0.5%的二氧化碳水平，但超過3%到4%的水平可能是致命的。當肺部充滿高濃度的二氧化碳時，就會發生一種稱為高碳酸血癥的疾病，導致呼吸性酸中毒。通常，人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含量過高，血液中就會富含碳酸(CO₂ + H₂O → H₂CO₃)，導致二氧化碳分壓高於45 mmHg。

對於尼奧斯湖周圍的村民來說，二氧化碳突然從湖中釋放出來，火山氣體使湖水富含這種氣體，而對於潘女士來說，當她從金庫內拉響火警時，她釋放了二氧化碳，觸發了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吸入的空氣中二氧化碳含量過高的影響。在二氧化碳事件中，沒有比不幸的阿波羅13號登月任務更令人震驚的事件了。

“休斯敦，我們遇到了問題。”

1970年4月14日，協調世界時3:07，距離地球20萬英里，三名男子擠在飛往阿波羅13號的航天器上，聽到了爆炸聲。^[2] 一會兒後，宇航員傑克·斯威格特向地球傳送了一條資訊：“休斯敦，我們這裡出了問題。”服務艙的一個氧氣罐爆炸了，也撕裂了第二個氧氣罐的洞，並切斷了航天器的電源。意識到情況的嚴重性，機組人員迅速爬進了登月艙。航天器距離地球太遠，無法調頭。相反，機組人員必須駕駛航天器繞過月球背面，並將其向地球方向旋轉，如果他們希望活著返回，就必須這樣做。登月艙現在充當了一個綁在正在下沉的船上的救生筏，即服務艙。這個臨時救生筏的設計並非為了容納3名機組人員進行為期4天的返航旅程。氧氣透過關閉航天器電源來節省。水透過關閉冷卻系統來節省，飲水量也減少到每天只有幾盎司。還有一個額外的擔憂；空間艙內二氧化碳的積聚。每次呼氣時，機組人員都會撥出約5%的二氧化碳的空氣。在為期4天的旅程中，二氧化碳會積聚在登月艙內，最終導致高碳酸血癥，即血液中二氧化碳的積聚。機組人員必須弄清楚艙內的空氣還能呼吸多久。

從地球上，電視廣播報道了任務控制中心對情況的嚴重性。阿波羅13號的機組人員必須弄清楚登月艙空氣中不斷上升的二氧化碳問題，如果他們希望再次看到地球，就必須解決這個問題。

凱林曲線

1953年，查爾斯·“戴維”·凱林來到加利福尼亞州帕薩迪納的加州理工學院，獲得博士後研究資助，研究從岩石中提取鈾。他被分配到哈里森·布朗的實驗室，他的實驗室主管是一位充滿活力的人物。他的導師在日本使用的原子彈的開發中起著核心作用。在戰爭期間，他發明了一種生產鈽的新方法，這使得在1945年8月投放到長崎市的“胖子”炸彈中增加了5公斤（11磅）的鈽，導致近10萬人喪生。事件發生後，布朗對自己所負的個人責任感到心碎。他在1945年寫了一本書《我們命運一定是毀滅嗎？》，並開始周遊世界，發表關於核武器危害的演講。哈里森·布朗此前曾建議克萊爾·卡梅倫·帕特森，後者是第一個使用鉛同位素對隕石進行放射性測年，以確定地球的年齡為45億年，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，在那裡，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，但他對大氣科學產生了興趣，著眼於空氣的化學成分，尤其是測量二氧化碳的含量。

基林開始在實驗室裡用一種名為“壓力計”的工具來測量空氣中二氧化碳的含量。壓力計是一個笨重的玻璃管裝置，用於測量隔離的空氣樣本的壓力。空氣樣本透過玻璃球形燒瓶捕獲，在真空狀態下清除空氣並密封。空玻璃球形燒瓶包裹在帆布中，以防止脆弱的玻璃破裂，然後在室外開啟，將捕獲的氣體流入玻璃燒瓶，並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量的，讓化學家們知道物質中含有多少碳。基林用同樣的技術來確定大氣中的二氧化碳含量，他的第一個測量值為 310 ppm，即 0.0310%，這是他在加州蒙特雷附近的大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增加。一個假設是，當氣體變冷時，它會在白天較冷的時段沉降。二氧化碳的摩爾質量為 44.01 g/mol，而氧氣 (O₂) 的摩爾質量為 32 g/mol，氮氣 (N₂) 的摩爾質量為 28 g/mol，因此它是一種明顯更重的氣體，會沉降到較低的海拔、山谷和盆地。除非樣本取自電力廠、工廠或高速公路附近燃燒碳的地方，否則重複的實驗表明，二氧化碳沒有因地點而異，並且始終保持在 310 ppm 左右。

然而，這種晝夜迴圈激起了他的興趣，他進行了另一項分析來測量碳的同位素組成，以追蹤碳的來源。碳 13 (¹³C) 與碳 12 (¹²C) 的比率（稱為 δ¹³C）在由碳與氧鍵合的分子中較高，而在由碳與氫鍵合的分子中較低，這是由於原子質量的差異。該比率的變化表明了空氣中碳的來源。如果 δ¹³C 降低，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 升高，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火山噴發的岩石。基林使用一張名為“基林圖”的圖表發現，隨著大氣中二氧化碳含量的增加，δ¹³C 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。每日數值的變化似乎是由光合作用植物在白天吸收二氧化碳造成的，而在夜晚則沒有進行光合作用，導致二氧化碳在夜間增加。

基林迫切希望將這項研究提升到一個新的高度，透過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，並獲得了美國氣象局的資金，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。由於二氧化碳在光的光譜中吸收紅外線光譜的四個峰值（1437、1955、2013 和 2060 奈米）之間，因此這些波長的光波會被含有二氧化碳的氣體吸收，可以透過測量這些波長的光子數量來確定空氣中含有多少二氧化碳。利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。兩個建議用於測量年度週期的地點是南極洲的南極站和夏威夷的冒納羅亞火山頂。與南極洲相比，夏威夷更容易為工作人員提供全年的住宿，而且 1957 年僅在經過南極附近船隻上進行了一些測量。使用新機器從夏威夷進行的第一次測量是在 1958 年 3 月進行的，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，基林測得的二氧化碳含量上升至 315 ppm，然後下降到 310 ppm，表明由於季節變化，二氧化碳呈現出上升和下降的振盪週期。

地球上的光合作用生物圈在全球範圍內分佈不均，北半球擁有大部分茂密的北方森林。在北半球的春季和夏季，隨著這些茂密的森林植物在春季和夏季的白天生長並變綠，二氧化碳被從大氣中吸收，而在秋季和冬季，隨著這些落葉林的樹木在秋季落葉，植物為寒冷的冬季休眠做準備，二氧化碳會重新回到大氣中。作為年度迴圈，大氣中的二氧化碳含量呈現出一種“有規律的脈衝”，在 2 月份達到峰值，在 8 月下旬達到最低值。

截至 2020 年 5 月的基林曲線。最新的版本可以在這裡找到：https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/

在國際地球物理年的資金到期後，斯克裡普斯海洋研究所計劃提供了資金，但 1964 年國會預算削減幾乎導致了該研究的關閉。戴夫·基林不懈地努力從政府機構獲得贈款和資金，以確保資料收集的持續進行。他堅定的決心可能源於他發現二氧化碳每年都在以越來越快的速度增加。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增加的令人擔憂趨勢已經引起了公眾的注意。2006 年，阿爾·戈爾製作了關於大氣中二氧化碳含量上升的紀錄片“難以忽視的真相”，這部影片源於基林的研究和 1996 年他擔任副總統時釋出的一份科學報告。大氣中二氧化碳含量不斷增加的曲線被稱為“基林曲線”。就像阿波羅 13 號宇宙飛船的艙室中的空氣一樣，二氧化碳的含量正在急劇增加。如今，2020 年，夏威夷的二氧化碳含量已超過 415 ppm（0.0415%）。透過使用冰芯中捕獲的空氣泡來追溯二氧化碳的歷史記錄，大氣中的二氧化碳含量已經從 200 ppm 翻了一番，達到 400 ppm 以上，其中大部分增長髮生在過去的一百年裡。

同位素測量記錄了二氧化碳含量增加的很大一部分來自哪裡。δ¹³C 值今天比以往任何時候都更低，表明二氧化碳的排放主要來自碳氫化合物（碳的有機分子），如木材、煤炭、石油和天然氣。不斷增長的人口和碳氫燃料的指數級使用，再加上森林砍伐和野火增多，是二氧化碳含量增加的根源。這種增加遠遠超過了北半球春季森林再生每年吸收的二氧化碳量。就像氧氣極大地改變了元古代的大氣一樣，二氧化碳的指數級釋放正在極大地改變著今天地球的大氣。

在過去二十年裡，科學家們已經開始從更多樣的地點測量大氣中的二氧化碳。在猶他州，如今有十多個站點監測大氣中的二氧化碳。在鹽湖城，2020 年的二氧化碳濃度在 1 月和 2 月通常會飆升至接近 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谷地，以及龐大的城市人口使用碳氫燃料所致，而位於猶他州東部農村地區的弗魯特蘭的二氧化碳濃度則接近 500 ppm (0.05%)。這意味著，作為基林曲線一部分，在夏威夷測量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偏遠地區。城市中心的二氧化碳濃度幾乎是夏威夷島監測站目前觀測到的二氧化碳濃度的兩倍。這使得這些城市中心成為嚴重的健康風險，人們可能會遭受與新冠病毒等疾病相關的呼吸窘迫綜合徵，該病毒在 2020 年導致超過 20 萬美國人死亡。

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並丟失。2014 年，軌道碳觀測-2 衛星取得了更大的成功，利用紅外光吸收在整個地球上提供了來自太空的一些最佳二氧化碳測量資料。令人驚訝的是，與南半球相比，北半球上空大氣中的二氧化碳含量最高，北美東部、歐洲和東亞的冬季二氧化碳濃度最高。二氧化碳主要集中在大氣層中 15 到 10 公里的高度以下，並且在主要城市中心和大型森林火災附近急劇上升。軌道碳觀測-3 衛星於 2019 年成功發射升空，並安裝在國際空間站上。該儀器能夠比 OCO‑2 更精細地測量二氧化碳，同時還觀察植被反射的光線，以監測全球荒漠化。

由莫爾魏德投影繪製的 OCO-2 任務從 2014 年 9 月到 2015 年 8 月的二氧化碳濃度延時影像，請注意北半球的二氧化碳濃度遠高於南半球。

預測未來大氣中的二氧化碳濃度

阿爾伯特·艾倫·巴特利特是科羅拉多大學物理系的一位睿智的教授，他將自己的一生都獻給了科學事業的一個關鍵方面：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？指數函式最好用一個著名的波斯故事來描述，這個故事最早由 13 世紀的伊本·赫勒敦講述。

這個故事的變體是這樣的：一位富有的商人有一個美麗的女兒，國王渴望娶她為妻。這位商人知道國王對他女兒的愛慕之情，於是向他提議了一項交易。如果國王在 64 天內，每天都在棋盤上，為他支付每個方格一枚硬幣，就可以娶他的女兒。但是，他每天支付的硬幣數量必須是前一天方格的兩倍，直到他填滿棋盤上的 64 個方格。國王的保險庫裡有數百萬美元，用硬幣填滿一個棋盤很容易。他同意了。第一天，國王在第一個方格上放了一枚硬幣。當國王第二天放了 2 枚硬幣時，他嘲笑這數字多麼小，第三天只放了 4 枚硬幣。他哈哈大笑，總共只花了 7 美分，已經到了第四天，他放下了 8 枚硬幣，但事情開始在棋盤的第二行發生變化，到了第 16 天，他不得不放下 32,768 枚硬幣，也就是 327.68 美元。到第三行，價值急劇增加，為了填滿下一行，他不得不支付 42,949,672.96 美元，也就是超過 4200 萬美元，而為了填滿第四行，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達到 184,467,440,737,100,000.00 美元，也就是超過 184 萬億美元！他沒錢了，無法負擔起娶商人的女兒。指數函式也可以反向工作，例如將數字減半，就像在使用放射性衰變進行測年時觀察到的那樣。

與地球大氣中的二氧化碳濃度相關的關鍵問題是，它隨著時間的推移是呈指數增長還是線性增長？檢驗這一點的一種方法是編寫一個數學函式，該函式能夠最好地解釋大氣中二氧化碳的增長情況，並可用於預測其未來的增長情況。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的二氧化碳濃度進行一些預測。每年二氧化碳的年平均增長率是每年的 12 月底和 1 月初的濃度差。在 1958 年至 1959 年之間，增長率為 0.94 ppm，但在 2015 年至 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。這表明增長趨勢向上，更像是指數函式中的情況。

使用夏威夷每年平均二氧化碳濃度最佳擬合的數學方程是一個更復雜的指數多項式函式。

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

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。作為模型，它只是一個預測，只是一個假設，可以透過每年持續收集資料來證偽。利用這個數學模型，我們可以插入任何年份，看看預測的二氧化碳濃度會是多少。對於 2050 年，預測的二氧化碳濃度為 502.55 ppm，年增長率為每年 3.28 ppm。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 410 ppm 的數值相比，它遠低於會使空氣無法呼吸的危險數值，即 1% 到 4% 或 10,000 ppm 到 40,000 ppm。事實上，空氣是可以呼吸的，因為 502.55 ppm 僅為 0.05%。增長率每年都在加速。到 2100 年，也就是從本文寫作之日起 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。

這在像鹽湖城這樣的主要城市可能會更糟，這些城市會在冬季寒冷的日子裡出現空氣質量差，二氧化碳濃度約為 1,000 ppm。雖然不會致命，但如此高的濃度可能會導致呼吸系統不好的居民出現健康問題，例如新生兒、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。下一跳躍到 2150 年，預測二氧化碳濃度將達到 954.15 ppm，增長率為 5.77 ppm。到那時，北半球的大部分地區將含有不健康的空氣。體育賽事和戶外休閒活動將不可取，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。在 23 世紀，情況開始變得更糟。二氧化碳濃度將達到 1,275.20 ppm，每年增長 7.04 ppm。到那時，地形盆地和海平面附近的寒冷地區會導致呼吸問題，尤其是在 1 月和 2 月的寒冷夜晚。

到 2300 年，二氧化碳含量將達到約 2107.80 ppm 或 0.2%，增長率為 9.58 ppm。屆時，人們只能在戶外停留有限的時間，然後回到家中呼吸經過過濾、二氧化碳含量較低的空氣。體育賽事將轉移到室內舉行，因為劇烈運動會導致呼吸衰竭。到 2400 年，二氧化碳含量將達到 3194.40 ppm 或 0.3%，年增長率為 12.12 ppm。到 2500 年，二氧化碳含量將達到 4535.00 ppm，年增長率為 14.66 ppm。屆時，超過 8 小時健康建議劑量，室外空氣將變得幾乎無法長時間呼吸。

到 2797 年，夏威夷的二氧化碳含量將達到 1%，即 10000 ppm，導致北半球大部分地區的大氣無法呼吸。數百萬甚至數十億人將在全球範圍內死亡，因為在二氧化碳濃度超過閾值的幾天裡，他們無法呼吸空氣。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的生命。這段時間非常短暫，因為波斯學者伊本·赫勒敦最早在 13 世紀寫下關於象棋棋盤的故事，時間與現在相差無幾。如果一位 13 世紀的學者寫下了一個今天仍然有效的寓言，你可能會在 28 世紀將哪些知識傳給後代？這個數學模型是人類滅絕最終軌跡的必然結果嗎？

指數增長領域最偉大的學者之一是唐納拉·梅多斯，她在 1996 年的論文《展望可持續世界》中寫道：

“我們很容易並且無休止地談論我們的挫折、懷疑和抱怨，但我們很少談論我們的夢想和價值觀，有時還會感到尷尬。”

必須認識到，在一個可持續的世界中，二氧化碳含量不會超過這些閾值，你，以及全球社會必須共同努力阻止二氧化碳含量的上升，而地球正處於這個全球象棋棋盤的前幾格。如果你想玩一下避免這種未來場景的不同方案，請訪問氣候互動網站 https://www.climateinteractive.org, 並瞭解一些基於不同政策減排二氧化碳排放的計算機模型。唐納拉·梅多斯進一步寫道：

“我們大多數為可持續性而努力的人所能提出的最佳目標是避免災難。我們承諾生存，但除此之外，我們沒有更大的願景。這是一個目光短淺的失敗。”

這聽起來非常樂觀，並且是在大約 25 年前寫下的，當時二氧化碳含量僅為 362 ppm，與今天更迫切的擔憂相比似乎很不相符，因為大氣中的二氧化碳含量已經達到 410 ppm，就像阿波羅 13 號任務一樣，你，以及你所愛的人，都被困在一個空間艙裡，呼吸著迅速惡化的大氣。

古代大氣中的二氧化碳含量曾經這麼高嗎？

對這種數學模型的一種批評是，地球上的碳含量是有限的，並且在達到這些高值之前，碳氫化合物（木材、煤炭、石油和天然氣）資源將被消耗殆盡。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，如果地球的大部分碳重新釋放到大氣中，則二氧化碳的百分比可能高達 95%。這種以二氧化碳為主的大氣層不太可能出現，因為這種釋放需要將所有封存的碳酸鈣轉化為二氧化碳。然而，地球歷史上確實存在二氧化碳含量高於今天的時期。

空氣樣本的測量只能追溯到大約 80 萬年前，因為冰芯資料以及它們捕獲的空氣氣泡只有格陵蘭島和南極洲最古老、埋藏最深的冰一樣古老。冰芯資料表明，過去 80 萬年，二氧化碳含量僅在 175 到 300 ppm 之間波動，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含量更高的事件，我們需要追溯到數百萬年前。然而，隨著時間的推移，直接測量空氣樣本是不可能的，因此科學家們不得不開發了許多替代方法來確定遙遠過去的大氣中二氧化碳含量。

化石葉片的表皮氣孔

植物的光合作用需要氣體交換，吸收二氧化碳並釋放氧氣。植物中的這種氣體交換透過葉片底側的微小開口進行，稱為氣孔。葉片中氣孔的數量是平衡的，因為空氣中二氧化碳含量越高，需要的氣孔數量就越少，而空氣中二氧化碳含量越低，需要的氣孔數量就越多。植物需要最大限度地減少用於氣體交換的氣孔數量，因為氣孔過多會導致水分流失，植物會乾枯。

在顯微鏡下觀察化石葉片，計算每個區域的氣孔數量，以及在受控二氧化碳濃度下培養的植物的溫室實驗，使科學家能夠將大氣中二氧化碳記錄追溯到更早的時間。這種方法有一些侷限性。首先，只能使用今天和古代都存在的植物。最常用於這些實驗的植物是銀杏和水杉葉片，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。這些植物的葉片必須作為化石被發現，並在特定時期內得到良好的儲存。這種替代方法最適合二氧化碳濃度在 200 ppm 到 600 ppm 之間的範圍。超過 600 ppm 的高值，氣孔數量已降至最低，植物在如此高濃度的二氧化碳下，減少開口並不會帶來太多益處。超過 600 ppm 的已釋出值可能都具有相似的或幾乎相同的氣孔密度。在 800 ppm 二氧化碳中生長的植物將具有與在 1500 ppm 二氧化碳中生長的植物類似的氣孔密度。這使得很難計算古代大氣中的二氧化碳含量，當含量較高時，超過 600 ppm。

對化石葉片的研究所得出的結論，再加上岩石記錄中大氣二氧化碳的其他替代方法表明，在過去 2400 萬年中，二氧化碳含量一直保持在 500 ppm 以下，儘管在大約 1630 萬年前的中中新世氣候最適宜時期，二氧化碳含量被認為在 500 到 560 ppm 之間，並且在這一時期，人們觀察到了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，如今南非可以看到類似草原的森林。

追溯到更早的時期，在始新世（距今 5550 萬年到 3400 萬年前），二氧化碳含量被認為遠高於今天，超過 600 ppm。始新世是地球歷史上一個特別溫暖的時期。在猶他州發現了大量的鱷魚化石，以及棕櫚化石。猶他州的環境與今天的路易斯安那州相似，溼潤潮溼，冬季沒有降雪，這一點可以從缺乏冰川沉積物得到證明。溫暖的氣候使得鱷魚、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榮發展，如今這些地區大多是寒冷乾燥的沙漠。二氧化碳含量在約 5000 萬年前的始新世早期氣候最適宜時期逐漸達到峰值。在此期間，巨大的水杉針葉林在高北極地區生長，那裡棲息著貘。一個更加突出的事件發生在 5550 萬年前，被稱為古新世-始新世極熱事件，在該事件中，二氧化碳含量被認為在 7 萬年的短時間內翻了一番。古新世-始新世極熱事件（PETM）被認為使大氣中二氧化碳含量升至 750 ppm 以上，甚至可能升至 1000 到 5000 ppm。之後，這些數值回到了更低的水平，約為 600 ppm。氣候發生了劇烈變化，導致當時生存的哺乳動物發生了重大更替。海洋變得酸化，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。北大西洋最北端下方火山活動導致北冰洋海底釋放甲烷，可能是大氣中二氧化碳含量增加的原因。這一變化進一步加劇了一個正反饋迴路，因為氣候變暖變幹導致北半球發生大規模森林火災，這一現象可以從許多樹棲哺乳動物滅絕得到證明。現代靈長類動物從這場全球性災難的灰燼中崛起，並最終統治了始新世後期森林的迴歸。始新世靈長類動物，作為人類的祖先，是這場災難性全球變暖事件的倖存者。

在恐龍時代，沒有證據表明存在冰川或寒冷氣候。二氧化碳含量可能很高（500 ppm 到 2500 ppm）。

在恐龍時代，大氣中的二氧化碳濃度比哺乳動物時代高得多。根據與恐龍化石一起發現的化石葉片上的氣孔推測，在白堊紀晚期，霸王龍呼吸的空氣中二氧化碳濃度可能高達 500-600 ppm。然而，白堊紀末期的小行星撞擊導致二氧化碳濃度迅速升至約 1600 ppm。恐龍時代是一個長達 1.86 億年的時期，地質記錄中完全沒有冰川，也沒有極地冰蓋的證據。大約在 1.25 億年前，二氧化碳濃度徘徊在 1000 到 1500 ppm 之間，而在侏羅紀時期，二氧化碳濃度可能接近 1000 ppm，至少高於 600 ppm 的閾值。三疊紀時期，特別是在 2 億年前的三疊紀-侏羅紀邊界附近，二氧化碳濃度非常高，達到 1000 ppm 到 2500 ppm，並且由於與大西洋擴張有關的火山活動，可能更高。猶他州，以及北美西部大部分地區，曾經是一個巨大的沙漠。儘管靠近海洋，但這個沙漠極其炎熱乾燥。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覆蓋著巨大的沙丘（沙海或沙地），留下了由這些古代沙子組成的岩層，形成了猶他州摩押附近的拱門國家公園中的地質拱門，以及猶他州斯普林代爾附近的錫安國家公園中的深邃峽谷。隨著時間的推移，越來越難以揭示更早時期的記錄，現代植物不再存在，二氧化碳記錄必須使用其他工具重建。然而，證據表明二氧化碳濃度一直保持在 5000 ppm 以下，當濃度上升到 2000 ppm 以上時，往往會導致重大滅絕事件，例如 PETM 事件和三疊紀-侏羅紀邊界，以及 6600 萬年前恐龍滅絕時的 1500 ppm 以上濃度。

碳同位素

正如之前所討論的，當大氣中的二氧化碳增加時，碳-13 與碳-12 的同位素比率會降低，因為其中大部分碳來自碳氫化合物分子，即與氫結合的碳。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，則比率會很高，因為碳與氧結合；而如果檢查含有有機碳的岩石，例如煤炭，則比率會很低，因為碳與氫結合。你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炭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很困難。然而，總體上存在著一種關係，即較低的或更負的碳同位素比率（更多的碳-12）表明大氣中存在較高濃度的二氧化碳的可能性更大。利用這種替代指標，可以將大氣中二氧化碳的記錄追溯到更早的時期，那時二氧化碳可能已經達到 1%（10,000 ppm）甚至更高的危險高濃度，使空氣變得有毒，無法呼吸。

大滅絕

2.52 億年前發生二疊紀-三疊紀邊界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% 的生命遭到了災難性的滅亡。這次事件的標誌是碳同位素的急劇負偏移，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暗色巖的巨大火山爆發點燃了巨大的煤炭、石油和天然氣儲量。大氣中充滿了硫酸、汞和鉛。這次事件的證據散落在全球的岩石記錄中，在沉積物中可以發現一層薄薄的富含汞的岩石，標誌著這次事件。

大滅絕是地質證據，表明大氣中致命濃度的二氧化碳是可能存在的，而且是一個真正的危險。二氧化碳含量超過 1% 導致了一個幾乎沒有生命的星球，動物生命尤其受到重創。恢復需要數百萬年，這可能導致在接下來的 2.18 億年內北極和南極沒有冰川或冰蓋，這也是三疊紀和侏羅紀時期二氧化碳濃度接近 1000 ppm 的原因，因為地球正在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，以及早石炭紀和密西西比時期，大約 3 億年前，二氧化碳濃度可能要低得多，因為當時大型石炭紀森林從大氣中吸收了二氧化碳，這些森林如今是北美東部、歐洲和俄羅斯燃燒的許多煤炭的來源。這一時期有冰川沉積物的證據，而且當時的世界要冷得多，類似於我們最近的歷史。

跨越時間的地球地質證據表明，大氣中的二氧化碳很容易上升到危險的水平，使動物無法呼吸。這在後 2020 年的世界尤其如此，因為像 COVID-2019 這樣的病毒性呼吸道疾病在二氧化碳含量高的空氣中增加了致死率，並增加了高碳酸血癥的風險。就像在太空中疾馳的阿波羅 13 號飛船的旋轉太空艙，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 號的機組人員不得不解決二氧化碳上升的問題，就像你今天必須解決地球上二氧化碳上升的問題一樣。

二氧化碳清除器

為了解決二氧化碳問題，必須從空氣中去除二氧化碳。這需要將空氣透過一個清除器。清除器是一個與二氧化碳發生反應並釋放氧氣的化學反應。在太空艙中，清除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。利用塑膠袋、紙板和膠帶，任務控制中心開發了一個快速解決方案，使被困的機組人員能夠在月球艙內使用來自服務艙的氫氧化鋰罐。這個問題僅用現有的工具就得到了解決，這些氫氧化鋰罐清除掉了飛船中不斷上升的二氧化碳，足以使機組人員安全返回地球。

地球空氣的二氧化碳清除器是什麼？為了解決這個全球性問題，一些工程師建議發明機械或化學清除器，比如巨大的氫氧化鋰罐，其他人則建議使用轉基因生物，但事實是，地球的二氧化碳清除器就在我們周圍：光合作用生命形式。你星球的健康和你的生存與地球森林、植被、花園、土壤，甚至海洋中的浮游植物的健康息息相關。所有光合作用生命形式都將二氧化碳轉化為氧氣。它們是，並且一直是地球從大氣中清除二氧化碳的偉大清除器。

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b. 大氣中的氧氣。	c. 大氣中的二氧化碳。	d. 溫室氣體。

[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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