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二氧化碳水平正在攀升，接近工业化前大气中 280 百万分比浓度 (ppm) 的两倍，这提出了一个问题：这种温室气体负荷的增加将对气候产生什么影响？ 如果二氧化碳水平的相对较小变化会产生重大影响——意味着我们生活在一个更敏感的气候系统中——那么地球的平均气温可能会升高 6 摄氏度，并伴随出现诸如天气模式改变和海平面上升等结果。一个不那么敏感的气候系统将意味着平均升温低于 2 摄氏度，因此全球变暖的影响也会减少。
人类文明现在正在进行一项实验（而且没有对照），这将最终确定答案。 然而，科学家们也意识到历史可以作为指导：本周发表在《科学》杂志上的两篇新论文分别研究了在石笋中保存的历史记录和微观贝壳，以提供一些线索。
加州大学洛杉矶分校地球和空间科学系的地球科学家阿拉德纳·特里帕蒂及其同事从埋藏在海洋泥浆和岩石柱中的名为有孔虫的微小生物的贝壳中提取了过去 2000 万年大气中二氧化碳浓度的记录。 这些微观动物利用海水中的矿物质建造碳酸钙外壳，这一过程会受到水相对 pH 值（酸度）的影响，而 pH 值又受到大气中二氧化碳水平的控制。 大气中二氧化碳含量越高，意味着海洋的酸性越强。
“我们选择分析的两种物种[Globigerinoides ruber 和 G. sacculifer]都是现在仍然存在的物种，而且这些活着的动物实际上都有光合作用藻类作为共生体，这意味着它们生活在表层海洋中，因为藻类需要阳光才能生存，”特里帕蒂解释说。 这意味着它们的贝壳的化石记录将揭示表层水域的相对酸度，以及硼与钙的比例以及硼本身的特定化学特征。“当海水酸性更强时，就会有更少的硼被纳入碳酸钙贝壳中，”她补充道。
研究人员首先将综合海洋钻探计划远征队在西太平洋热带地区获得的这份化石记录，与来自南极冰芯中捕获的气泡的现有记录相匹配，后者可追溯到 80 万年前，保留了过去大气成分的精确记录。 从而确信该技术的准确性后，他们深入研究了地质时间。
“现代二氧化碳水平上次达到大约是在 1500 万年前，”特里帕蒂说，当时海平面至少高出 25 米，平均气温至少高出 3 摄氏度。“在中新世时期，即地球历史上二氧化碳水平维持在与今天相似的值 [330 至 500 ppm] 的 [时代]，地球要温暖得多，海平面更高，两极冰量大幅减少，降雨分布也大相径庭。”
此外，“在过去 2000 万年中，二氧化碳水平从未像现在这样迅速上升，”特里帕蒂补充道；在过去的 200 年中，二氧化碳浓度已从 280 ppm 攀升至 387 ppm。 而且“我们的工作表明，二氧化碳水平在 100 至 200 百万分比的适度变化与重大的气候转变和温度的大幅变化有关”，这表明气候非常敏感。
在中国湖北省三宝和林竹洞穴中的石笋中保存的近 40 万年冰河时代过渡时期的记录似乎为敏感气候情景提供了证据。 这些石笋由从滴水中渗出的碳酸钙组成，通过它们的成分保存了该地区季风降雨的记录。 明尼苏达大学的古气候学家程海及其同事随后将这一记录与气候转变（例如进入和退出冰河时代）进行了比较。
岩石记录显示，由于地球轨道周期性变化（被称为米兰科维奇周期），这种降雨变化与照射到地球的太阳光相对强度的总体变化同时发生。 根据《科学》杂志上发表的季风记录，在太阳热量增加的同时，二氧化碳水平也开始上升。
“气候系统在全球范围内紧密相连，例如海平面、二氧化碳、冰盖、亚洲季风、区域温度和降水，”程说。 “因此，其中一个的变化可能会引发其他变化。” 这可能意味着气候过于敏感，无法在不改变过去 1 万年来允许人类文明繁荣的条件的情况下容忍当前的二氧化碳水平。