137億年前的氫二氧一
地球大氣中的二氧化碳濃度是多少時最有利於生態繁榮和人類的福祉？
二氧化碳（CO₂）就像人類科技一樣，是一把雙刃劍。二氧化碳是地球能夠保持適宜生存溫度的一個重要物質，當然這也與地球處於太陽系宜居帶有很大的關係。在地球工業革命產生之前，地球上的CO₂濃度是280PPM，而到2019年5月份，CO₂的濃度以及飆升到了415PPM。
根據各國環境組織的測算，2019年5月份的地球CO₂濃度是1400萬年至今以來的峰值，並且還以每年2%的增長率在逐漸增加。如果人類還是按照當前的發展形勢，那麼預計到2220年，地球CO₂濃度將會達到760PPM，瞭解地球環境和物種歷史的人們，可能都對760PPM非常熟悉。沒錯，這正是3400萬年前【始新世-漸新世】這一時期物種大滅絕的CO₂濃度。
二氧化碳濃度是一把“雙刃劍”，但現在的全球氣候變化，不僅僅與二氧化碳濃度有關，還與甲烷，氟氯烴以及一氧化碳濃度有關，更與人類的活動有關
雖然造成溫室效應最主要的氣體是CO₂，但是CO₂濃度絕不是越低越好。在地球的歷史上，二氧化碳是地球大氣層中的主要氣體，由於地球所處太陽系的位置和CO₂的存在，才使的地球的平均溫度能夠維持在適宜各種生物生存的範圍，地球上的各類物種才得以發展和延續。
若不是地球早期的CO₂，那麼整個地球將會被永久冰封。許多人都聽說過冰河世紀，其實這就是CO₂濃度偏低的原因。隨著早期地球環境的不斷變化，地球上的早期熱帶雨林逐漸將地球表面覆蓋，通過植物的光合作用，CO₂濃度越來越低，而氧氣濃度則與CO₂背道而馳，當CO₂濃度降到峰值時，在24億年前引發了全球變冷，而後的幾萬年裡，地表溫度降低了幾十攝氏度，隨後導致了持續3億年的【休倫冰期】。
可以看到，二氧化碳濃度對於人類來說，有好有壞，是一把“雙刃劍”。按照各國機構的測算，二氧化碳在適宜濃度下，可將地表溫度維持在15攝氏度左右。根據科學研究，如果地球不存在二氧化碳，那麼地球溫度將會降至零下19攝氏度，當二氧化碳濃度低於155PPM時，植物的光合作用就會停止，導致氧氣濃度的降低甚至消失。
所以，考慮到人類的福祉和地球生態系統的穩定，在其他條件一切正常的情況下，二氧化碳濃度應該維持在180PPM-280PPM這個區間最為適合。而導致現在全球氣候變化的因素其實不僅僅包含著二氧化碳濃度的升高，更多的是因為人類文明的發展致使大氣中甲烷，氟氯烴以及一氧化碳濃度升高。
所以現在中國在極力的推行減碳排放，綠色出行，為的就是能夠減少甲烷，氟氯烴，一氧化碳和二氧化碳等化學物質的排放。當然最主要的原因還是因為人類的活動，應對全球變化不止是中國的事，更是全球各個國家共同的事，人類應該積極踐行“人類命運共同體”的科學理念，積極應對全球氣候變化。
(以上數據請參考美國國家海洋和大氣管理局NOAA)
宇宙科學室
人們經常會問，二氧化碳的濃度僅佔地球大氣的0.041%，它如何對全球氣候產生重要影響？此外，人類活動產生的二氧化碳也只佔其中的32%。研究顯示，二氧化碳對氣候產生巨大影響的關鍵在於，它能夠吸收地球表面散發的熱量，並阻止其逃逸到太空中。
19世紀50年代，當科學家首次發現二氧化碳對氣候的重要性時，就對它的影響力感到驚訝。英國的John Tyndall和美國的Eunice Foote分別發現，二氧化碳、水蒸氣和甲烷均能吸收熱量，其他氣體則不能。當考慮到達地球表面的太陽輻射量時，科學家計算出地球已經比它應有的溫度高出33℃。對這種差異最好的解釋是，大氣保留了熱量，使得地球變暖了。
Tyndall和Foote研究表明，大氣中99%的氣體是氮氣和氧氣，但它們並不吸收熱量，對地球溫度基本沒有影響。而大氣中濃度較小的氣體與地球溫度的維持密切相關。這些氣體能通過捕獲熱量創造了一種自然的溫室效應，使得地球宜於居住。
地球不斷地接收到來自太陽的能量，並將它們輻射回太空。為了使溫度保持恆定，地球從太陽接收到的淨熱量必須和它散發出去的熱量相平衡。由於太陽是熱的，它主要以短波輻射的形式散發能量，主要是紫外線和可見光。而地球冷得多，所以它以紅外輻射的形式釋放熱量，而紅外線的波長也更長。
二氧化碳和其他吸熱氣體的分子結構，使它們能夠吸收紅外輻射。分子中原子間的鍵能以特定的方式振動。當光子的能量和分子震動的頻率相對應時，能量會被吸收並轉移到分子上。二氧化碳和其他吸熱的氣體中含有三個或者更多的原子，能與地球發出的紅外輻射的頻率相對應。而氧和氮分子中只有兩個原子，不會吸收紅外輻射。
大部分來自於太陽的短波輻射在通過大氣層時，不會被吸收，但是大部分從地球散發出去的紅外輻射則會被大氣層中的二氧化碳等氣體吸收。隨後，這些氣體可以釋放或者重新輻射熱量，其中一些熱量會地球表面，使地表變得更溫暖。
科學家通過觀察太陽系中所有行星的紅外信號，來了解它們的氣候和大氣組成。例如，金星的溫度為470℃，因為它厚厚的大氣層中含有96.5%的二氧化碳。此外，通過量化大氣中保留並返回地球表面的紅外輻射，科學家還能為天氣預報和氣候模型提供了信息。
人們有時會問，既然水蒸氣吸收了更多的紅外線輻射，而且水蒸氣和二氧化碳兩種氣體吸收的波長相同，那麼為什麼二氧化碳會對氣候能產生如此重要的影響呢？究其原因在於，地球上層大氣控制著逃逸到太空的輻射。上層大氣的密度要比地面低得多，其中含有的水蒸氣也要比地面附近少得多。這就意味著，二氧化碳的增加會顯著影響到有多少紅外輻射逃逸到太空中。
你有沒有注意到，即使在夜間沙漠和森林的平均溫度相同，但沙漠往往比森林要冷？這是由於沙漠上空的大氣沒有太多的水蒸氣，它們釋放出的輻射很容易逃逸到太空。在較潮溼的地區，地球表面輻射的熱量會被空氣中的水蒸氣捕獲。同樣，由於空氣中有更多的水蒸氣，多雲的夜晚也會比晴朗的夜晚更溫暖。
從過去的氣候變化中，我們可以看出二氧化碳的影響。100萬年前的冰岩顯示，在溫暖期，地球上的二氧化碳濃度很高，約為0.028%。但在冰川時期，地球溫度要比20世紀低4到7℃，而此時二氧化碳只佔大氣總量的0.018%。
儘管水蒸氣對自然溫室效應更為重要，但大氣中二氧化碳的變化已經推動了過去溫度的改變。而大氣中的水蒸汽含量會受溫度影響。隨著地球變暖，大氣層可以容納更多的水蒸氣，這會放大了初始的升溫過程，這個過程被稱為“水蒸氣反饋”。因此，二氧化碳的變化一直是過去氣候變化的關鍵因素。
大氣中少量的二氧化碳就能產生巨大的影響，這不足為奇。就像我們服用的藥物只佔我們體重的一小部分，但我們希望它們能影響我們的身體。今天的二氧化碳水平比人類歷史上任何時候都要高。科學家們普遍認為，自19世紀80年代以來，地球表面的平均溫度已經上升了約1℃，而人為增加的二氧化碳和其他吸熱氣體極有可能是導致這一現象的主要原因。
如果人類還不採取行動控制二氧化碳的排放，到2100年，大氣中的二氧化碳佔比可能會達到0.1%，是工業革命前水平的三倍多。這種改變將給地球帶來巨大的後果，且比地球以往的轉變更加迅速。如果不採取行動，這一小片大氣層就會造成大問題。
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