二氧化碳是温室效应的罪魁祸首，但没有它就没有今天的人类

2019年5月，地球大气中二氧化碳浓度又创新高，达到415ppm（百万分之415，即0.0415%），为1400万年以来的最大值，这引起了社会各界的广泛关注。

现在一提到二氧化碳，大众都知道它是温室效应的罪魁祸首，有人据此认为它是无用的废气，甚至有害的毒气，与“滋养之气”氧气正好相反。实际上，在地球漫长的演化过程中，二氧化碳居功至伟。

二氧化碳曾是史前大气的主要成分

地球大气的演化分三个阶段：原始大气、次生大气和现在大气。

原始大气由太阳系形成之初的气体组成，主要是宇宙中最丰富的氢、氦等轻元素，大约只存在了几千万年就被强烈的太阳风撕碎，刮到了茫茫的太空之中。

此后，由火山爆发主导的次生大气占据了地球表面，统治地球长达20亿年，主要成分就是氮气和二氧化碳。二氧化碳在今天只是一种微量气体，在当时俨然是大气层中的主角。

太空中观察地球大气层

次生大气是缺氧的还原性大气，还原性的大气和海洋一起，就构成了地球生命的摇篮。

氧气的氧化性具有很强的破坏作用，会将偶然形成的有机大分子氧化，从而扼杀生命孕育的进程。所幸次生大气中没有氧气，原始生命因而生气勃勃。

距今24亿年前，蓝藻的光合作用终于导致了氧气的释放和积累，宣告了次生大气的终结，二氧化碳在地球大气中的主体地位逐步被氧气取代，这就是现在大气。

蓝藻：改造地球大气的先锋

现在大气是地球生命对大气进行改造的结果，没有生命的火星和金星至今仍停留在次生大气阶段，二氧化碳的浓度达到95%以上。

地质史上二氧化碳在大气中越来越少

大气中二氧化碳的浓度取决于地球碳循环的平衡。光合作用吸收二氧化碳、释放氧气，而生物呼吸消耗氧气、排出二氧化碳，这二者能在一定程度上相互补偿。

然而总会有一些有机碳会未经呼吸分解就沉积埋藏于地下，形成了我们今天使用的化石燃料，包括煤、石油和天然气等。因此，生命活动总的来说会导致大气中二氧化碳减少。

火山活动则相反，它能将埋藏于地下的有机碳偶然地大规模释放出来。因此，大气中二氧化碳含量实际上取决于有机碳沉积埋藏与火山活动二者的对抗。

绿色植物走向繁荣以后，后者无法再与前者抗衡，地球碳循环出现了轻微的不平衡。在大的时间尺度上，大气中二氧化碳就越来越少。

在多细胞动物和植物发育之初的寒武纪时期（约5亿年前），大气中二氧化碳的浓度为6000ppm。植物登陆以后，随着光合作用愈发强烈，二氧化碳含量的总体变化趋势是不断下降，到恐龙时代（约1亿年前）已经下降到2000ppm。

寒武纪以来二氧化碳浓度的变化

在新生代的6500万年间，二氧化碳浓度继续下降，终于在极寒的更新世下降到有史以来的最低谷——冰期为180ppm，间冰期为280ppm。

人类扭转了二氧化碳减少的趋势

人类燃烧化石燃料煤、石油和天然气，本质上和火山活动是一样的，都是将埋藏的有机碳转化为二氧化碳释放出来。

现在，人类一年就要燃烧91.4亿吨有机碳，释放335亿吨二氧化碳，从根本上扭转了二氧化碳下降的趋势。

从全新世开始（1.2万年前）到工业革命之前，大气中二氧化碳浓度保持在280ppm。工业革命以来，二氧化碳浓度急剧上升，2013年突破了400ppm，现在更是达到了415ppm。

短短270年间，二氧化碳浓度上升了48%，已经恢复到了1400万年前的水平。人类主导的二氧化碳浓度上升，比大自然主导的二氧化碳浓度下降快5万倍。这才有了今天的温室效应。

近4万年来二氧化碳浓度的变化

二氧化碳多次拯救地球

与现在很多人所想的二氧化碳总是给地球带来麻烦不同，在地质史上，二氧化碳曾多次拯救地球和生命。

在地球形成之初的20亿年里，太阳光比今天暗淡20%到30%，如果不是当时大气中含有大量二氧化碳，整个地球都会被冰封，生命将难以维持，更别说繁衍后代了。

当时的生命形式比较简单，植物还没有出现，大气中二氧化碳含量比今天高10倍到100倍。正因为有了二氧化碳和甲烷这些温室气体，地球才没有被冰川覆盖，生命得以在液态的海洋里孕育。

然而，蓝藻不断吸收二氧化碳并释放氧气，终于在距今24亿年左右引发了氧气危机。

雪球地球

地球开始变冷，几万年间就下降了几十摄氏度，从24亿至21亿年前，地球经历了第一个也是持续时间最长的、最严重的冰期——休伦冰期。

在长达3亿年的时间里，从两极到赤道，整个地球都被冰川覆盖，地表温度为-10℃。

白雪皑皑的地球将更多太阳辐射反射回太空，又进一步加剧了地球的寒冷，使地球的冰冻程度更高。这样的处境本应是不可逆的，难道地球生命将到此终结吗？

这时二氧化碳再度以英雄之姿现身。所幸当时地球内部仍然活跃，火山释放的二氧化碳在冰盖下聚集，直至冲破冰层涌入大气，温室气体骤然增多，几万年间就将地球解封，地表温度得以再度回升。

温室效应使冰川消融

生命进化的38亿年历史中，氧气引发的地表降温曾数次使地球生命陷入危机。例如，奥陶纪末大灭绝和泥盆纪晚期大灭绝的过程中，都曾发生过气候变冷的灾变。

气候变冷会导致海平面下降，使浅海生物赖以生存的大陆架暴露出海面，而海洋生命绝大多数都生活于浅海。每次都是二氧化碳及时出现，将地球生命从严寒中解救出来。

直到今日，二氧化碳仍在为地球保温，它的存在将地表温度维持在15℃左右。如果没有二氧化碳，地表温度将降至-19℃。

不仅如此，人类农耕社会在1万年前的开始也与二氧化碳浓度升高息息相关。较高浓度的二氧化碳使农作物摄入二氧化碳要求的气孔导度（即气孔张开程度）下降，减弱了蒸腾作用，增加了农作物对水的利用效率。要知道，在古代灌溉可是个大问题。

光合作用示意图

因此，可以毫不夸张地说，没有二氧化碳，就没有今天的生命和人类。

人类将随着二氧化碳的消失而灭绝

地球自然碳循环的平衡早已被打破，随着地幔渐渐冷却，地球内部越来越不活跃，火山释放的二氧化碳量更加无法和生物埋藏的有机碳相较量。

现在陆地的森林和绿地每年净吸收110吨二氧化碳，而火山活动只能排放出1.8亿吨二氧化碳。如果没有人类干预，大气中的二氧化碳将被完全抽干。

植物已经在拼命进化，以适应较低的二氧化碳浓度。被子植物的一支——碳四植物，较之传统的碳三植物，能更好地在低二氧化碳浓度下进行光合作用。因此，碳四植物在最近的700万年以来得以繁盛。

玉米是典型的碳四植物

然而，一旦二氧化碳浓度低于150ppm，植物光合作用就会停止，全世界的植物都会死亡。没有了植物，动物和人类也会随之消亡了。根据科学家预测，这大约发生在10亿年以后。

一些微生物可以在百万分之几的二氧化碳浓度下继续光合作用。因此，地球最后的生命将以微生物的形式活到40亿年以后，直至太阳变成红巨星将地球吞没。

绿色植物是温室效应的克星

综上所述，二氧化碳本身不是有害的东西，相反，它是地球碳循环的重要组成部分，是绿色植物赖以生存的养料，也就是整个生物圈的养料。

二氧化碳带来的温室效应已经呵护地球46亿年了，至今仍在为地球保暖。因此，我们不要对二氧化碳和温室效应谈虎色变，要正确地去看待、去应对。

人类对化石燃料的利用，使地质史上被深藏于地下的有机碳重见天日，为大气补充了二氧化碳。这种做法本身也有助于维持地球的碳循环，长远来看对地球环境是有利的。

然而，现在的问题是人类烧的化石燃料太多了，导致二氧化碳浓度上升实在太快。自然碳循环虽偏向于削减二氧化碳浓度的方向，但短期内对控制温室效应没有什么帮助。

地质史上发生的事告诉我们，绿色植物可以有效遏制二氧化碳浓度的上升，是温室效应的克星。尤其是蕴藏生物量巨大的热带雨林，素有地球之肺的美誉。

在距今3亿年前的古生代石炭纪，热带雨林遍布全球，一度将二氧化碳浓度降至与今天差不多的水平。而石炭纪之前的泥盆纪和之后的二叠纪，二氧化碳浓度都在2000ppm左右。

石炭纪的原始森林

今天的绿色植物也在拼命吸收二氧化碳，这导致二氧化碳浓度出现显著的年度周期性变化，与北半球的生长季节负相关。北半球陆地面积更大，有更多植物，因而主导了二氧化碳浓度变化。

二氧化碳浓度在每年5月达到最高峰，之后随着北半球的绿化进程而持续下降，到10月降至最低谷，年度差异有3-9ppm。因此，二氧化碳浓度在2019年5月破纪录也有季节原因。

二氧化碳浓度的年度和季节变化

然而，人类排放的二氧化碳量实在太大，全球的陆地植物只能吸收掉其中的33%，海洋还可以吸收掉24%，另外的43%就排放到大气中去了，这导致二氧化碳浓度以每年2ppm的速度不断升高。

照此速度，要不了200年，大气中二氧化碳浓度就将达到760ppm，这是3400万年前始新世—渐新世大灭绝发生时的水平。当时这个二氧化碳浓度导致了南极冰川的形成。

人类用不到400年就能使冻了3000多万年的南极冰川消融。如果南极冰川全部消融，将导致海平面显著上升，沿海的大城市和工业重镇都将被大海淹没。环境的剧烈变化将引起新一轮的生物大灭绝，届时失去家园的将不仅仅是北极熊。

尽管更多的绿化可以有效遏制温室效应，但现实情况却不尽如人意。直至今日，全球的热带雨林都仍然在不同程度地遭到人为破坏。

只有控制化石燃料的燃烧，并保护好森林和绿地，我们才可以度过当前温室效应这个危机，与地球万物一起面对更加美好的未来。