编者注：我们发布这篇来自1959年7月刊的文章，旨在为在波兰波兹南举行的联合国气候变化框架公约会议上讨论的一些问题提供历史视角，该会议于12月1日开始，持续至12月12日。
解释全球气候变化的理论几乎与天气一样多种多样。更常见的理论将气候变化归因于奥林匹克式的力量，这些力量范围从地质构造运动和喷吐尘埃的火山到太阳辐射的长期变化和地球轨道的偏心率。只有所谓的二氧化碳理论考虑了人类活动可能对气候产生某些影响的可能性。该理论认为，在本世纪，人类正在不知不觉地通过其工业和农业活动提高地球的温度。
即使是二氧化碳理论也不是新的；基本的想法最早在1861年由著名的英国物理学家约翰·廷德尔精确地阐述。他将气候温度变化归因于大气中二氧化碳含量的变化。根据该理论，二氧化碳控制温度，因为空气中的二氧化碳分子吸收红外辐射。大气中的二氧化碳和其他气体对于将太阳能量传递到地球的可见辐射几乎是透明的。但是地球反过来又以光谱中不可见的红外区域重新辐射出大部分能量。这种辐射在非常接近二氧化碳光谱的主要吸收带（13至17微米）的波长处最强。当二氧化碳浓度足够高时，即使是其较弱的吸收带也变得有效，并且吸收了更多的红外辐射[参见第42页的图表]。由于二氧化碳层阻止其逸入太空，因此捕获的辐射会使大气变暖。
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这种“温室”效应的一个常见的例子是夏天停在阳光下一段时间的封闭汽车的升温。与大气层一样，汽车的窗户对于太阳的可见辐射是透明的，可见辐射使汽车内部的装饰和金属变暖；这些材料反过来又将其部分热量以红外辐射的形式重新释放出来。玻璃，像二氧化碳一样，吸收部分这种辐射，从而捕获热量，并且汽车内部的温度升高。
水蒸气和臭氧以及二氧化碳也具有这种效应，因为它们也吸收红外区域的能量。但是，二氧化碳引起的气候影响几乎完全独立于其他两种气体的量。在很大程度上，它们的吸收带出现在光谱的不同区域。此外，几乎所有的水蒸气都停留在地面附近，而二氧化碳则更均匀地扩散到整个大气层。因此，在整个大气层的大部分区域，二氧化碳是决定辐射通量变化的主要因素。
地球目前大气层中2.3 X 1012（23000亿）吨二氧化碳约占其总质量的0.03％。大气中二氧化碳的量取决于从其他三个主要储层（海洋、岩石和生物体）供应和提取的量。海洋含有约1.3 X 1014吨二氧化碳，约为空气的50倍。一些气体溶解在水中，但大部分以碳酸盐化合物的形式存在。海洋每年与大气交换约2000亿吨二氧化碳。当平衡被破坏时，海洋可能会吞没或吐出数十亿吨额外的二氧化碳。这抑制了大气中二氧化碳含量的波动：当大气浓度升高时，海洋倾向于吸收大部分过量；当浓度下降时，海洋储层会补充它。
大气和海洋都不断地与岩石和生物体交换二氧化碳[参见第44-45页的插图]。它们从释放地球内部气体的火山活动以及生物的呼吸和腐烂中获得二氧化碳；它们通过岩石的风化和植物的光合作用失去二氧化碳。随着这些过程的速度变化，大气中二氧化碳的含量也随之变化，从而改变辐射平衡并升高或降低地球的温度。
当然，在任何特定的地质时代，其他因素都可能影响气候。尽管如此，让我们检查一些已知的地质历史事实，看看有多少可以用大气中二氧化碳含量的变化来解释。
对岩层的研究表明，在过去的十亿年中，世界大部分地区都具有热带气候。大约每2.5亿年，这种热带时期就会被相对较短的冰川期所打破，冰川期将地球的大部分地区埋在冰盖之下。这些寒冷时期持续数百万年，在此期间，随着温度的升高和降低，冰川会多次退缩和前进。例如，在当前冰川纪元的最后62万年中，深海沉积物显示出10个不同的温度周期。二氧化碳理论很可能解释了这些温度波动。
大气-海洋系统中二氧化碳浓度的下降以及全球温度下降的时期可能是由多种发展引起的。随着岩石风化速率的增加，火山活动速率可能会减慢，或者特别茂盛的植被层可能会吸收大量的二氧化碳，并在沼泽地区形成新的煤层和其他有机沉积物。在地质学上的短暂时间后，大气-海洋平衡对二氧化碳供应不足的调整可能会使大气浓度降至0.015％，仅为当前值的一半。计算表明，空气中二氧化碳含量减少50％将使地球的平均温度降低6.9华氏度。
我们可以相当肯定，如此急剧的温度下降将导致冰川蔓延到地球上。随着冰盖的增长，海洋缩小；在冰川期的高峰期，冰盖包含海洋水量的5％至10％。然而，冰川几乎不含二氧化碳，因为与相同体积的海水相比，冰可以容纳非常少量的碳酸盐。因此，缩小的海洋积累了过量的二氧化碳，它们必须将其释放到大气中才能恢复平衡。因此，循环接近尾声：随着二氧化碳返回大气，地球的温度升高，冰融化。海洋充满到以前的水平，重新吸收它们释放的二氧化碳，一个新的冰川时代开始了。
只要大气-海洋系统中的二氧化碳总量没有变化，这种温度振荡的循环就会趋于重复。完整周期的周期将主要取决于冰盖形成、增长到最大尺寸和融化所需的时间。估计表明，这应该需要大约50,000年，与观察到的周期时间一致。循环中的其他时间因素，例如海洋-大气系统在二氧化碳浓度变化后达到平衡所需的时间，可能要短得多。然而，该系统永远无法完全达到平衡，因为冰川的冻结和融化与大气中二氧化碳的波动不同步。冰川形成缓慢，融化缓慢，因此在地球从冰河时代恢复的数千年里，来自融化冰川的寒风继续使地球变冷。
此处提出的解释冰川循环的机制在任何方面都不依赖于为说明目的而假设的特定数字。只要循环的一个阶段的温度下降到足以导致冰盖增长，而在另一个阶段的温度升高到足以导致冰盖融化，就会发生这种振荡。大气中相对少量二氧化碳的变化提供了充足的余地来使温度摆动超过任一极端。振荡被地球湿度的伴随变化所加强。较冷的大气层容纳的水蒸气较少，因此进一步减少了大气对地球表面发射的红外辐射的吸收。然而，与此同时，地球的云层覆盖变厚，降水增加，尽管大气中水蒸气的负担减少了。云顶通过将热量辐射到太空而冷却；当大气中的二氧化碳较少时，云顶会损失更多的热能，因此变得更冷。随着温度梯度的增加，云层内部的对流增加。结果是云层更大，降水更多。此外，由于云层将太阳的可见辐射反射回太空，因此到达地球的太阳能减少，温度进一步降低。
地质记录表明，生物圈储存和转换二氧化碳的巨大能力也对气候变化产生了影响。我们知道，植物每年借用600亿吨二氧化碳用于光合作用。在目前的条件下，有机世界每年通过呼吸作用和腐烂几乎偿还所有这些债务。新化石燃料沉积物的形成最多仅扣留1亿吨二氧化碳，或少于光合作用年用量的0.2％。然而，曾经有一段时间，提款量要大得多。在石炭纪时期，当大部分煤炭和石油沉积物形成时，大约有1014吨二氧化碳从大气-海洋系统中提取出来。这种惊人的损失必定使地球的温度降至非常寒冷的水平；不足为奇的是，在此时期之后横扫地球的巨大冰川可能是历史上最广阔的。
植物目前进行光合作用消耗二氧化碳的能力为我们提供了有关过去时代大气中二氧化碳含量的有趣线索。植物几乎完全适应它们接收到的光谱范围和光照强度，但它们在二氧化碳浓度是当前浓度五到十倍的大气中生长得更快更茂盛；实际上，花商有时会在温室中释放罐装二氧化碳以促进植物生长。因此，目前大气中的二氧化碳浓度一定异常低。显然，植物的进化与地质过去大气中更高的浓度有关。这一假设也得到了已知事实的支持，即地球的气候在地质时期的大部分时间里都较温暖；据推测，当时的大气层含有更高比例的二氧化碳。
过去地质时代大气中的大部分二氧化碳现在都埋藏在地球自身的二氧化碳储层中。地球的热泉和火山每年向大气中倒回约1亿吨二氧化碳。地球反过来每年通过岩石的风化作用重新捕获大致相同的量。但是，这种平衡在造山时期被打破。实际上，二氧化碳理论提供了一个重要的联系，以解释最后两个冰川时代相对于其之前的造山时期的时机。
这些造山运动高潮与大冰盖形成之间至少间隔了数百万年。如果冰川作用仅仅是由陆地抬升或火山灰尘使天空略微变暗引起的，那么在冰川开始之前就不应该有很大的时间滞后。但是，这些剧变使大量的火成岩暴露于溶解在冲刷它们的雨水中的微量大气二氧化碳的化学作用之下。经过数百万年的时间，岩石的风化作用从空气中捕获了大量的二氧化碳。随着大气浓度的充分降低，温度下降，使年轻的山脉为随后蔓延到地球上的冰川提供了天然的诞生地。
一些造山时期并没有产生冰川。在这些时期，火山释放的二氧化碳（在造山运动的早期尤其活跃）可能与新暴露岩石的碳酸盐消耗相平衡。实际上，一个充满活火山的景观很容易释放出比岩石可能吸收的更多的二氧化碳，因此地球的温度会升高到足以阻止冰川的扩张。
火山活动、煤炭形成或二氧化碳浓度的任何其他局部扰动的地质影响不仅限于其发生的区域。如果地球一个半球的二氧化碳量急剧上升或下降，则另一个半球的浓度变化也相当快。在不到几十年的时间内，两个半球的浓度变得相同。根据二氧化碳理论，这种快速扩散有助于解释冰川在两个半球同时前进和后退的事实。
在过去的一个世纪中，一种新的地质力量已开始对地球的二氧化碳平衡产生影响[参见第43页的图表]。通过燃烧化石燃料，人类每年向大气中排放约60亿吨二氧化碳。他的农业活动又释放出20亿吨。与它们取代的森林相比，粮田和牧场储存的二氧化碳量要少得多，而土壤的耕作使细菌产生的大量二氧化碳逸入空气中。
并非所有这80亿吨多余的二氧化碳都留在大气中。植物去除了一部分。当大气浓度升高时，植物会使用更多的二氧化碳进行光合作用。然而，在几年内，光合作用速率的增加被呼吸作用和腐烂过程速率的增加所平衡。最终结果只是生物圈中二氧化碳含量略有增加。
人类活动添加到大气中的大部分二氧化碳最终将被海洋吸收[参见第46页的图表]。为了预测人类活动对气候的影响，我们必须计算出这种情况发生的速度有多快。最近的研究表明，溶解在海洋中的二氧化碳量在约1000年内达到与大气二氧化碳压力平衡的状态，并且海洋吸收添加到空气中的任何二氧化碳的大约一半。在更长的时间内，可能需要数千年，海洋在系统中再次达到平衡之前，会在碳酸盐化合物中吸收更多额外的二氧化碳。这些平衡速率非常重要，因为只要人类燃烧大量的化石燃料，它们就会控制地球的温度。
我们只需要推断现有的温度和化石燃料消耗记录即可预测未来的气候。非常准确的世界每年化石燃料消耗量记录表明，在过去的100年中，人类已向大气中增加了约3600亿吨二氧化碳。结果，大气浓度增加了约13％。二氧化碳理论预测，这种增加应使地球的平均温度升高华氏一度。这几乎与过去一个世纪在世界各地记录的平均增幅完全相同！如果燃料消耗量继续以目前的速度增长，到2000年，我们将向空气中排放超过1万亿吨二氧化碳。这应该使地球的平均温度升高3.6度。
在不到1000年的时间内，如果消耗量继续以当前的速度增长，我们将耗尽目前已知的煤炭和石油储量。到那时，我们将使空气中的二氧化碳吨位增加18倍。当海洋-大气系统恢复平衡时，空气中的二氧化碳浓度将比今天高10倍，地球将变暖22度。在另外几千年后，当海洋的碳酸盐含量达到平衡时，浓度仍将比今天高四倍。届时地球的温度将比目前的平均温度高出约12.5度。
与此同时，海洋中的二氧化碳含量将增加一倍。这提出了一个关于海洋生物福祉的附带问题。我们知道，二氧化碳浓度的增加会增加水的酸度，并且许多海洋动物对酸度的变化极为敏感。然而，如果空气中的二氧化碳含量增加七倍，海水的酸度（pH值）最多不会比目前的数值高出0.5。因此，二氧化碳浓度的变化虽然对气候有如此深远的影响，但可能不会干扰未来的海洋生物。也许只有人类会感到不舒服。
在未来半个世纪中，我们将能够非常确凿地用二氧化碳理论来检验其他气候变化理论。由于我们现在可以独立于大气层的扭曲影响来测量太阳的能量输出，我们将看到地球的温度趋势是否与测得的太阳辐射波动相关。如果火山灰是更重要的因素，那么我们可能会观察到地球的温度跟随大型火山喷发次数的波动。但是，如果二氧化碳是最重要的因素，那么只要人类消耗地球的化石燃料储量，长期温度记录就会持续上升。