对我们许多人来说，全球变暖失控即将导致森林干旱和小岛国被淹没的想法似乎极不可能。气候可能多变，但很少如此恶意。
然而，怀疑论者不妨回顾一下大约800年前的地球历史。今天的英格兰以其阴冷而闻名，当时却以葡萄酒著称。今天的格陵兰岛是一个冰盖环绕的陆地，勉强适合放牧绵羊和驯鹿，而当时它是一片肥沃的土地，维京农民在那里耕种谷物；唉，几百年后，这些同样的北欧定居者将被日益深化的寒冷所驱赶，最后幸存者艰难地将死者埋葬在不断上升的永久冻土中。
再把时钟拨回17000年，北半球的大部分地区看起来就像今天的格陵兰岛内部：一片数千英尺厚的无边无际的冰漠。再拨回500万年，冰就不见了。格陵兰岛名副其实，是一片翠绿的森林之地。再早些时候，从8000万年前南太平洋岛屿特有的面包树化石判断，它简直是热带地区。再拨回3亿年，地球的南部被一场持续了6000万年的冰河时代所笼罩。
气候多变早已不是秘密，它往往会毫无章法、似乎毫无理由地发生反复无常的变化，就像天气一样变幻莫测。这种怪异的行为太平常了。然而，这些变化背后的力量却以神秘的方式运作。气候在各种元素的界面酝酿，在大气层与海洋以及固态星球经常剧烈的表面相遇的地方。偶然的相互作用很容易让整个半球陷入深度冰冻，或者使气温升高，甚至连高纬度地区都像热带温室一样蒸汽弥漫。谜团在于，这是如何发生的？
随着研究人员学会从化石、岩石沉积物和海洋沉积物中细微的化学线索来解读气候变化的戏剧性故事，他们提出了许多解释。大陆的缓慢漂移可以打开和关闭海峡和海洋，改变暖流和寒流的模式。火山可以喷出火山灰云，给地球铺上一层降温的遮阳伞。太阳本身在某些事件中也被指为嫌疑犯，包括将北欧人赶出格陵兰岛的那次；尽管太阳看起来是一个可靠的伴侣，但几十或几百年间，太阳可能会像一根老旧的荧光灯管一样闪烁和脉动。数千年来，地球本身在太空中摇摆，改变了它从太阳那里截获的能量。
然而，这些力量似乎都不足以解释长期的全球气候变化，研究人员一直在寻求解释。奇怪的是，在一次又一次的案例中，他们都看到了二氧化碳的“手”，这种吸热气体现在可能正在使全球变暖。二氧化碳分子对来自太阳的热辐射表现出单向镜子的特性；就像温室玻璃一样，它们允许辐射进入地球，但在辐射逸散到太空之前将其吸收。研究人员认为，早在发动机和工业开始向大气中排放二氧化碳之前，地球的自然呼吸就已经以巨大且有时是持续的“吞吐”方式将气体排放到大气中并将其吸出。例如，在最近的一次全球冰冻期间，大气中的二氧化碳含量已知比今天低30%。
二氧化碳的储存库就是地球本身。深海中的水储存的二氧化碳是大气能够容纳的数十倍。石灰石等岩石储存的二氧化碳是大气能够容纳的数万倍。释放一些储存的二氧化碳到大气中的地质过程可能导致了行星夏季的长时间持续。相反，将二氧化碳从大气中吸走并锁定起来的地质和生物过程可能引发了持续的寒冷期。地球似乎通过调整其二氧化碳毯来改变其温度，就像一个不安的睡者不断地踢开和盖上被褥。
从一开始，地球就经历了剧烈的气候波动。从一开始，二氧化碳似乎就扮演了关键角色。在地球46亿年历史的前半段，气温远高于其应有的水平。太阳在地球形成后不久就形成了，太阳物理学家计算出，在其幼年时期，我们的邻近恒星发出的光和热只有今天的三分之二。在这种情况下，海洋应该已经完全冻结，并保持这种状态长达地球最初的20亿年。然而，解冻的证据是令人信服的。当地球不足10亿年时，生命在某种温暖的液体环境中进化。甚至更早，沉积岩是由湖泊或海洋底部沉降的淤泥形成的。大气中的某种物质保护了地球免受微弱的年轻太阳的冷却影响。
气候学家猜测，那种“某种物质”是二氧化碳浓度，可能比现在的水平高出一千倍。毕竟，他们认为，火山爆发会释放出大量的气体，而早期地球充满了火山活动。但是，在解开气候之谜时，通常情况是，一个谜团的解决方案很快就会创造一个新的谜团。随着太阳在数亿年间逐渐变亮，所有这些二氧化碳的温室效应最终可能会使海洋沸腾。既然这显然没有发生——首先，那会消灭生命——问题仍然是：二氧化碳去哪儿了？当太阳变暖时，地球是如何摆脱其隔热层的？
从大气中吸收二氧化碳的一种方法是化学风化过程。实际上，风化作用将二氧化碳从空气中洗涤出来并储存在岩石中。气体首先溶解在雨水或湿润的土壤中，形成稀酸。酸腐蚀某些类型的岩石，在过程中将二氧化碳化学转化为碳酸氢根离子。碳酸氢根离子随河流流入海洋。在那里，在风化过程中捕获的一些二氧化碳逸散到大气中。其余的与从岩石中溶解的钙离子结合，形成碳酸钙。碳酸盐沉降到海底，最终形成石灰岩和其他沉积岩。二氧化碳被囚禁数百万年。
根据密歇根大学气候学家詹姆斯·沃克及其他研究人员提出的理论，化学风化作用可能充当了行星恒温器，防止地球过热。随着地球在二氧化碳毯下变暖，海洋水的蒸发增加，从而增加了降雨量。降雨量越多，化学风化作用越强。风化作用越强，二氧化碳从大气中蒸馏并进入海底的速度就越快。大气中二氧化碳越少，行星温度就越低。沃克及其同事表示，这种风化循环使地球免于在自身的温室效应中“煮熟”。
其他科学家仍然不相信仅靠物理过程的风化作用就足够了。他们说，虽然这可能使气温下降，但它无法阻止地球变得过于炎热。为了将恒温器再调低几十度，他们又在气候混合物中加入了另一种成分，这种成分可能极大地增强风化作用的效果：那就是生命。
当生命登陆时，可能早在30亿年前，它并没有什么值得一看的——只是一层细菌和简单的藻类。然而，根据纽约大学地球科学家泰勒·沃克和华盛顿特区霍华德大学气候学家大卫·施瓦茨曼的说法，它可能将陆地表面变成了一个虚拟的二氧化碳海绵。这并不是说生物本身能够吸收足够的二氧化碳来降低温度；即使在今天，当生命覆盖世界大部分地区时，大气中储存的二氧化碳与所有生物体中储存的总量一样多。相反，早期微生物会通过创造第一个土壤来加速化学风化。在细菌出现之前，岩石碎片和颗粒只是被冲走，留下裸露的岩石，雨水很容易从上面流走。但是，根据沃克的说法，一些微生物会分泌粘性物质，将细小颗粒像地毯捕获灰尘一样固定住。下雨时，水分被困在这些原始土壤中。溶解的二氧化碳可以持续侵蚀岩石颗粒，而不是在阵雨后短暂地侵蚀。
沃尔克说，在早期地球上，在陆地定居的细菌可能使风化作用增强了一百倍。这可能足以使地球平均降温55度或更多——从115度降至60度。沃尔克说，如果是这样，这些早期基于微生物的土壤可能在使地球冷却到足以让更高级的生命形式进化的过程中发挥了重要作用。
与该领域普遍存在的争议一致，气候学家对沃尔克的理论也存在争议。根据耶鲁大学地球化学家罗伯特·伯纳的说法，他对夏威夷新生火山岩在被藻类和地衣定殖前后进行了风化研究，原始植物几乎没有任何作用。伯纳认为，直到大约4亿年前，生命才成为化学风化以及气候的主要贡献者。那时，更复杂的植物——种子蕨、木贼等——开始将长根深入地下。虽然植物的绿色部分从大气中吸入二氧化碳，但根部将气体呼出到土壤中，并分泌有机酸，与岩石和雨水发生反应，加速风化。
早期的气候记录必然模糊不清；可供解读的资料太少。而过去5亿年的情况则清晰得多，这得益于更丰富的化石和保存更完好的地质线索，例如被冰川推进刮擦的岩石。但如果故事更清晰，它不一定能提供更令人满意的答案。即使太阳已经达到稳定状态，气候剧变也没有变得不那么反复无常。相反，它们可能加剧了。
伯纳和其他人再次将二氧化碳认定为罪魁祸首。5亿年前，大部分早期用来在寒冷太阳下保持地球温暖的二氧化碳“毯子”已经消失。然而，剩下的二氧化碳足以设定全球恒温器。当地球不断从岩石、海洋和空气中吸入和呼出二氧化碳时，它偶尔会喘息和停顿，并频繁地屏住呼吸。结果是数百万年的时期，冰盖紧紧抓住大陆，以及同样长的时期，短吻鳄在温暖的北极夏季晒太阳。
根据伯纳的说法，化学风化作用只是维持地球化学碳循环的众多过程之一。例如，虽然风化作用和随后的沉积作用将二氧化碳深埋在海洋岩石中，但大陆的不断漂移会释放它。化学风化作用使海底富含碳酸盐岩；移动的洋底，像一个巨大的传送带，将这些岩石运到海洋边缘深处的海沟，称为俯冲带。在那里，海底向下弯曲进入地球内部，在移动过程中升温。二氧化碳从碳酸盐层中蒸发出来并逸散到地表，在那里它从火山中喷出，从矿泉中冒泡，或缓慢地从地面渗出。传送带移动得越快，二氧化碳冒泡得越多。
生物体可以使二氧化碳偏离这个循环。植物直接从大气中吸收气体，用它来构建它们的组织，并间接地构建那些吃它们的动物的组织。当生物体死亡和腐烂时，部分二氧化碳会回到大气中。但是当植物和动物的遗骸被掩埋并转化为煤、石油或油页岩，或者散布在沉积岩中时，碳就从循环中移除了。
因此，任何给定时间大气中二氧化碳的含量，都是这些力量相互作用的结果。在板块构造加速的时期，移动海床的传送带以比正常更快的速度运行，导致火山和温泉向大气中泵入更多的二氧化碳。反过来，地球变暖了。相反，当海床传送带减速，或者当新的植物种类进化并提高了风化速率，或者当煤层形成时，碳被封存起来，二氧化碳浓度下降，全球气温也随之下降。
为了了解他的二氧化碳情景与真实气候故事的匹配程度，伯纳用关于每个过程历史的数据对其进行预处理。模型方程经过计算，生成了一条二氧化碳曲线，显示了过去5.7亿年中的两个峰值和两个谷值。两次主要的冰河时代——一次大约在3亿年前，最近的一次始于100万年前——与曲线的预测非常吻合。伯纳说，主要的冰川作用正好符合我的二氧化碳谷值。这对我来说非常有说服力。第二个峰值，在1亿年前，与气候记录中最温暖的时期之一相符，当时恐龙群在阿拉斯加的午夜阳光下吃草，这也同样令人信服。
但伯纳的二氧化碳故事的主要部分却不尽吻合。4.4亿年前的早期冰河时代，与二氧化碳曲线的一个高峰期却异常接近。伯纳承认，这是一个问题：我们正努力解释那时的冰川作用。
伯纳的模型充其量只适用于长期的气候变化。他说，我的模型漏掉了持续时间不超过1000万年的短期爆发。例如，5500万到5000万年前的全球热浪，当时北美西部一直到西雅图都是热带气候，飞狐猴——一种类似松鼠的猴子近亲，现在只在东南亚发现——在距离北极12度的埃尔斯米尔岛的绿色植物中滑翔。伯纳的气候模型表明，在全球变暖时期，板块构造会加速，向大气中泵入更多的吸热气体。即使确实发生了，这种加速也微不足道。然而，这并不意味着二氧化碳没有责任。密歇根大学海洋学家大卫·里亚和他的同事罗伯特·欧文又提出了另一种地质过程，可能导致地壳更快地释放二氧化碳。
里亚从这次特殊暖期的发生时间中得到了提示：它恰好发生在从地质学角度看，一个新世界秩序正在形成的时候。北大西洋正在裂开，格陵兰岛和挪威正在分离。全球各地新的大洋中脊正在形成——那些汹涌的水下火山裂谷，它们产生新的海底。从沿脊水下泉口喷出的富含矿物质的热水改变了海洋化学性质，从而将溶解的二氧化碳从海洋驱赶到大气中。
事实上，从深海海底钻取的沉积物岩心证实了雷亚的观点。与5500万年前炎热夏季突然降临的证据完美契合，这些岩心显示，就在同一时间，水下热泉喷出的铁、锰和其他矿物质的速度是今天的10到100倍。雷亚说，热泉的激增可能使大气中的二氧化碳含量达到现有水平的数倍——全球平均气温也达到了此后从未见过的水平。
在这段短暂的夏季之后不久，地球似乎又一次抛开了它的二氧化碳毯，开始了漫长而断断续续的降温时期。大约4000万年前，南极洲开始形成冰盖，如今几乎覆盖了整个大陆。5000万年前是亚热带的阿拉斯加，2000万年后变成了温带。在东非，降温和干燥将森林变成了稀树草原。在格陵兰岛，森林让位给了苔原，然后，到300万或400万年前，变成了冰雪。
伯纳模型中从大气中排出二氧化碳的过程这次似乎没有起作用。麻省理工学院地质学家莫林·雷莫说，伯纳的曲线显示二氧化碳从1亿年前到5000万年前迅速下降，但那条二氧化碳曲线看起来不像气候曲线。真正的显著降温是在4000万年前之后。
相反，她认为对二氧化碳的控制可能是一种全新的事物：过去4000万年疯狂的造山运动。在此期间，喜马拉雅山脉和青藏高原从海平面上升，形成了地球上最壮丽的山景。根据计算机模型，这些屏障的隆起会改变盛行风向并释放出新的风。而改变后的风会引起气候剧烈的局部变化：中亚变得干燥，而印度则出现更湿润、更温暖的气候，并伴有猛烈的季风。
这些变化也可能导致局部降温，但它们无法解释全球性的寒冷。为了解释这一点，雷莫再次求助于化学风化作用。季风带来的大雨会无情地冲刷陡峭的山坡；山体滑坡会不断地将新鲜物质暴露在外，导致岩石溶解的速度比在平缓地形中快得多。随着化学风化作用将二氧化碳从大气中吸走，气候就会变冷。
然后，大约在一百万年前，气候的整个特征再次改变。持续的降温让位于一系列变化，这些变化构成了近代地质史的主要主题：冰河时代的庄严循环，其中冰盖一波又一波地推进，中间间隔着持续数万年的温暖时期，冰盖退缩回极地巢穴。
在经历了长达一个多世纪的困惑之后，科学家们终于在20世纪70年代完善了一种确定这些冰川周期时间的方法，这种方法也间接地有助于阐明其原因。在从深海沉积物的长岩心样本中提取的微小海洋生物的壳中，他们追溯了海水中微妙的化学波动，这些波动似乎揭示了世界上有多少水从海洋中消失，被锁在冰盖中。冰量信号可以追溯数十万年。
当气候研究人员解开了冰峰和冰谷的节奏时，他们发现了一个在一百多年前首次提出并在20世纪20年代由塞尔维亚天文学家米卢廷·米兰科维奇扩展的被大部分人忽视的理论的支持。米兰科维奇试图从微小的天文变异中寻找冰河时代的原因：2万年和4.1万年的周期中，地球自转轴的倾斜和方向发生变化，以及10万年的周期中，地球绕太阳运行的轨道伸展成一个更极端的椭圆，然后再次放松。这些周期对到达地球的太阳能总量影响不大，但它们确实改变了每年阳光份额在季节之间的分布，尤其是在高纬度地区。通过影响夏季阳光的强度——以及因此影响其融化前一个冬季积雪的能力——季节变化可能足以决定冰川的形成或退却。当科学家们在深海记录中发现轨道周期的清晰回响时，结论就来了：一个持续10万年的冰川进退基本周期，加上2.3万年和4.1万年的小幅波动。
当然，时间上的巧合并不构成因果关系。布朗大学的地质学家约翰·因布里，作为建立天文联系的关键人物，承认只有较短的周期才可证实地与那些时期的太阳能变化有关。它们显然是由辐射变化驱动——强制——的。现在，对于10万年周期，情况并非如此。10万年的辐射变化非常小，大约只有0.5%。它们如此微小，而气候反应却如此之大，以至于气候变化不可能是直接反应。
耶鲁大学气候学家巴里·萨尔茨曼指出，天文理论在其他方面也存在不足。首先，冰盖在北半球和南半球同步推进。10万年的周期本应在两个半球产生相反的效果：当它给北半球带来更强的夏季阳光时，它应该会削弱南半球的阳光，因此你可能会预期冰川作用在两个半球之间摇摆不定。但冰川在同一时间推进，无论是北方还是南方。
这就使得气候学家们在寻找某种全球性因素，这种因素可以作为冰河时代的主要原因，同时又为天文周期的影响留有余地。对于萨尔茨曼和一些其他研究人员来说，这个因素可能是储存在深海中的二氧化碳。在他与耶鲁大学同事柯克·马什共同开发的一个方案中，海洋中的生物（吸收二氧化碳）和洋流（可以将气体再次释放回空气中）可能行动得足够快，足以设定冰川的节奏。在萨尔茨曼和马什的模型中，冰盖的增长、气候变冷以及海洋调节二氧化碳浓度的能力都相互强化，共同构成了一个天然振荡器。通过气候学家尚未完全解开的相互作用，这三者可能会协同作用，使这种气候摆动持续下去，即使没有天文节律器，其自然周期也约为10万年。萨尔茨曼说，它与10万年的天文周期相匹配，只是因为外部强迫给它一个额外的推力，使其同步。
无论是最近的冰河时代、远古的温室气候，还是原始的冰川作用——地球的二氧化碳“毯子”似乎是气候学家们最喜欢归咎于无法解释的气候波动的罪魁祸首。但地球内部的过程并不能解释太阳下的一切。最近的气候异常提醒我们，我们也不能将太阳视为理所当然。尽管它已经进入稳定的中年，但太阳也可能有其反复无常之处。将维京人赶出格陵兰岛的小冰期，是一场始于1450年左右的400年寒冷期。奇怪的是，其最强烈的时期与太阳不寻常的平静期相对应。从1645年到1715年，太阳黑子几乎从太阳表面消失了。
尽管因果关系尚不明确，但近几十年的测量证实，太阳每11年往往会略微变暗，恰逢太阳活动达到周期最低点且太阳黑子稀少。一些科学家推测，17世纪太阳黑子的长期消失是太阳输出大幅下降的迹象，这可以解释小冰期1到2度的降温。包括英国东安格利亚大学的汤姆·威格利在内的其他一些人则将其他寒冷期也归因于太阳。威格利发现，过去9000年中一系列小冰期，记录在山地冰川进退留下的碎屑堆中，似乎与太阳活动的变化相对应。威格利说，所有这些都提供了诱人的暗示，表明太阳自上次冰河时代以来一直在塑造气候，尽管这并非物理因果关系的证据。
无论太阳、海洋或岩石如何运作，它们都无法阻止人类自身在未来几十年内塑造气候。工业化将继续将大气中的二氧化碳含量推高到可能10万年未见的水平，使地球变暖超过5度。但随后，在几个世纪内，熔炉和发动机将耗尽燃料并停滞不前。渐渐地，二氧化碳将再次从大气中排出，像许多埋藏的宝藏一样被锁在海洋深处。在那次地质上短暂的停顿之后，冰川循环将恢复。也许有一天，板块构造将再次涌动，驱逐冰雪，恢复温暖恐龙的温室气候。
