荐读｜解读地球气候的“碳密码”：人类还能力挽狂澜吗？（来互动）

碳，元素周期表中的第六号元素，是地球生命的基础，也是人类文明的燃料。从远古时期的第一簇火焰到现代社会的能源革命，碳始终是推动文明进步的核心力量。然而，当人类将地底封存的亿万年的碳释放到大气中时，这颗“生命基石”却悄然化身气候“开关”——全球变暖、海平面上升、极端天气频发，人类在享受碳的馈赠时，也正面临前所未有的生存挑战。

碳的史诗，是一部文明与自然博弈的历史，也是一场关于未来的终极拷问。在《第六号元素》一书中，作者西奥多・P. 斯诺和唐・布朗利从宇宙学视角，探究碳在宇宙诞生、地球演化、生命起源及人类文明进程中的重要意义，剖析其对气候变化、能源转型和未来科技发展的影响。以下内容摘编自《第六号元素》。

碳的多面角色：生命基石与气候“开关”

奇妙的碳元素以非凡的方式造福于人类。可能正是100多万年前人类学会了如何生火，才使得人类超越了地球上所有其他生物。我们可以用它来取暖、做饭，将森林开垦成农田。

最终，碳的氧化能提供能量这一认识，演变成对地球上巨大的地下化石燃料库进行大规模开采。这种“大自然的礼物”为工业革命提供了动力，并为我们生活的现代世界提供了能量。如果没有将含碳化合物燃烧成二氧化碳的过程，也许人类永远不会超越其他动物。

丰富的能源也使人口增长到80亿，不受约束的人口增长和前所未有的碳燃烧相结合，让人们意识到我们在“玩火”，会产生严重后果。大气中二氧化碳含量的增加导致全球变暖，严重威胁着人口过剩的现代世界。

在20世纪，地表的平均温度大约每10年上升0.1摄氏度，但在过去几十年里，上升速度在加快。气温增高的主要原因通常与大气中二氧化碳的增加及其温室效应有关。这个过程以前看起来很神秘，但现在被认为是至关重要的，并不断出现在新闻中。

地球气候的“碳密码”

过去，人们对温室效应重要性的认识进展缓慢。早在19世纪20年代，人们就首次注意到了温室效应，尽管当时并没有用这个名字来称呼它。约瑟夫·傅里叶主要是一位数学家和物理学家，但在晚年，他对大气加热产生了兴趣，并证明了地球的大气温度比它应该有的要高。

1900年之前，瑞典科学家阿尔维德·赫格布姆注意到，工厂排放的二氧化碳提高了大气中的二氧化碳水平。赫格布姆的同事斯万特·阿伦尼乌斯认为，海洋对二氧化碳的摄入将使二氧化碳的排放达到平衡，从而阻止它在大气中积聚。二氧化碳在海洋表面被吸收，一段时间以来，人们认为这将使温度稳定在一个舒适的水平。这个判断没错，但它赖以成立的时间尺度不对。海洋的平均深度接近4千米，从洋面到海底的混合过程需要很长时间。

然而，二氧化碳并不是全球变暖的唯一罪魁祸首。

水蒸气、甲烷、臭氧和各种氯氟碳化物也参与其中，并吸收红外辐射。实际上，这些气体比二氧化碳更有效地吸收热量，除了水蒸气，它们的含量都较低。水蒸气是温室气体造成地球整体变暖的主要原因，二氧化碳在很大程度上则是目前大气加热增强的原因，因为其浓度正在持续快速增长。这种含碳分子浓度的变化对气候稳定性和不稳定性造成了重大影响，这种影响将持续多年。

地球的“恒温器”——碳酸盐–硅酸盐循环

地球上的碳循环是一个复杂而又精妙的系统，主要包括长期碳循环和短期碳循环。长期碳循环主要涉及岩石圈和板块运动，其时间尺度可达数千万年。在这个过程中，碳通过一系列的地质作用在大气、海洋和岩石圈之间进行交换。

其中，碳酸盐-硅酸盐循环是长期碳循环的重要组成部分。它起着恒温器的作用，有助于在地质时间尺度上调节地表温度，而板块构造运动引起的物质全球循环则是这种恒温器发挥神奇作用的一个关键因素。

碳酸盐–硅酸盐循环始于雨水。雨水中含有来自大气中二氧化碳的碳酸（H2CO3）。这种弱酸溶解了岩石中的钙，使得一些含钙离子到达海洋，在那里它们被用来制造贝壳和骨骼，最终到达海底，形成石灰岩等碳酸盐沉积物。

在板块运动的作用下，这些碳酸盐岩可能会被俯冲带带入地球内部，在高温高压的条件下，碳酸盐分解，释放出二氧化碳，重新回到大气中。这个过程就像一个巨大的 “碳调节阀门”，通过调节大气中二氧化碳的含量，维持着地球气候的相对稳定。

另一个是由生物过程驱动的较快的循环，通常被称为短期循环。短期循环的周期与植物生长和死亡的季节同步，以年为周期吸收碳并释放氧。这个周期被视为大气中二氧化碳的一个小的年度振荡。

在这个循环中，植物通过光合作用吸收大气中的二氧化碳，将其转化为有机物质，储存在体内。动物通过摄取植物或其他动物，获取有机碳。而生物的呼吸作用和微生物的分解作用又会将有机碳氧化，以二氧化碳的形式释放回大气中。此外，海洋也是短期碳循环的重要参与者，海洋中的浮游植物通过光合作用吸收二氧化碳，部分二氧化碳还会溶解在海水中，与海水发生化学反应，形成碳酸和碳酸盐。

尽管当前的变暖期正在给我们的星球带来巨大的变化，但地球以前也经历过巨大变化。过去的剧烈温度变化包括暖期，当然还有冰期。就在12 000年前，西雅图、芝加哥和纽约还处在被纵横千米的冰川覆盖的状态。人类在这个冰期幸存下来，在过去的12 000年里，自文明诞生以来，我们一直在享受一个相对温暖的间冰期。在过去的100万年里，地球经历了10多个寒冷时期，极地以外的地方都结了冰。在这段时间里，实际上冰期是常态，每一次都持续大约10万年。随着时间的推移，在过去的100万年中，只有一小部分中纬度地区的温度像人类有记录的历史中所经历的那般温暖。

从寒冷的冰期到温暖的间冰期，从“雪球地球”的极端寒冷到温室气候的高温时期，这些气候变化都与碳循环的变化密切相关。在冰期，大气中二氧化碳浓度较低，温室效应减弱，导致全球气温下降；而在间冰期，二氧化碳浓度升高，气温回升。这种气候的周期性变化，不仅影响着地球上生物的演化和分布，也塑造了地球独特的自然景观。

碳危机！人类如何“力挽狂澜”？

二氧化碳浓度的迅速上升给人类带来了严重问题，因为它改变了气候、海洋酸度和海平面的高度。我们的食物供应、淡水供应、天气和许多其他问题都受到二氧化碳浓度上升的影响。

在过去半个世纪里二氧化碳浓度已经上升了超过30%。按照目前预计的增长速度，50年后二氧化碳浓度将达到约500 ppm，到2100年足以将海平面抬升约1米，到2300年海平面将上升几米。对海平面快速抬升的主要担忧是它给地球上复杂的系统组合带来的压力，这些系统包括空气、陆地、水和生物系统。即使现在所有化石燃料的排放都停止了，由于所涉及的地球过程的惯性，海平面也会继续上升。

对未来海平面的预测是基于渐进式变暖的估计做出的，但一些模型表明，情况可能会更加混乱。如果整个南极冰架变化过大，可能就需要考虑其中的非线性过程，它可能会大幅度升高全球温度，加速海平面上升。

詹姆斯·汉森是哥伦比亚大学的兼职教授，他发出了可怕的警告：如果不采取任何措施来减缓气候变暖，或者至少停止加剧气候变暖，那么灾难将迫在眉睫。他的观点引发了相当大的争议。他在1988年出席一场参议院关于能源和自然资源的会议时证实，人们高度相信人类产生的温室气体积累正在导致全球变暖。许多人认为，他的证词是引起国际社会对全球变暖关注的分水岭。当汉森还是NASA的一名雇员时，他受到了政府干预的审查，但科学界向政府施加了足够的压力来改变这种状况。2007年，阿尔·戈尔和联合国政府间气候变化专门委员会因在气候变化方面的出色工作而共同荣获诺贝尔和平奖，这标志着公众对全球变化的认可。

地球大气中的碳在所有化学元素中是独一无二的，它受到全世界人民和政府的关注。人类正前所未有地将注意力聚焦到第六号元素，并花费数万亿美元来减少它对气候的影响，以便维持我们星球非凡的宜居性，并将地球保持为太阳系中独特的“花园星球”。

地球是一个复杂的所在，了解其工作原理和预测其未来是一项艰巨的挑战。实现可靠预测的一个重要因素是对地球及其众多的相互作用过程进行详细的监测。全球监测方案的例子有NASA轨道碳观测站（OCO-2和OCO-3）、深碳观测计划（DCO），以及欧洲航天局的哥白尼计划。哥白尼计划将启动一个耗资数十亿美元的地球监测项目，名为“哥白尼人为二氧化碳监测”（CO2M），该项目将涉及多个轨道航天器。

正如人们经常暗示的那样，无论事情会变得多么糟糕，当前的全球气候变暖似乎不太可能导致世界末日，甚至我们星球上生命的灭绝。行星很难被摧毁，灭绝所有生命的情形在过去数十亿年中还没有出现过。植物和动物有点儿脆弱，但微生物的生命是强健的。一旦一个星球被微生物占据，就需要极端的过程才能对其进行全球性灭杀。生命可能会在人类对我们星球所造成的任何程度的破坏中幸存。

生命的终结，甚至地球的终结，最终都会到来，但这只会发生在遥远的未来，那时，我们已经理解在这一进程中，太阳将不可避免地变得更亮、更大。