碳，元素周期表中的第六號元素，是地球生命的基礎，也是人類文明的燃料。從遠古時期的第一簇火焰到現代社會的能源革命，碳始終是推動文明進步的核心力量。然而，當人類將地底封存的億萬年的碳釋放到大氣中時，這顆“生命基石”卻悄然化身氣候“開關”——全球變暖、海平面上升、極端天氣頻發，人類在享受碳的饋贈時，也正面臨前所未有的生存挑戰。

碳的史詩，是一部文明與自然博弈的歷史，也是一場關于未來的終極拷問。在《第六號元素》一書中，作者西奧多?P. 斯諾和唐?布朗利從宇宙學視角，探究碳在宇宙誕生、地球演化、生命起源及人類文明進程中的重要意義，剖析其對氣候變化、能源轉型和未來科技發展的影響。以下內容摘編自《第六號元素》。

碳的多面角色：生命基石與氣候“開關”

奇妙的碳元素以非凡的方式造福于人類。可能正是100多萬年前人類學會了如何生火，才使得人類超越了地球上所有其他生物。我們可以用它來取暖、做飯，將森林開墾成農田。

最終，碳的氧化能提供能量這一認識，演變成對地球上巨大的地下化石燃料庫進行大規模開采。這種“大自然的禮物”為工業革命提供了動力，并為我們生活的現代世界提供了能量。如果沒有將含碳化合物燃燒成二氧化碳的過程，也許人類永遠不會超越其他動物。

豐富的能源也使人口增長到80億，不受約束的人口增長和前所未有的碳燃燒相結合，讓人們意識到我們在“玩火”，會產生嚴重后果。大氣中二氧化碳含量的增加導致全球變暖，嚴重威脅著人口過剩的現代世界。

在20世紀，地表的平均溫度大約每10年上升0.1攝氏度，但在過去幾十年里，上升速度在加快。氣溫增高的主要原因通常與大氣中二氧化碳的增加及其溫室效應有關。這個過程以前看起來很神秘，但現在被認為是至關重要的，并不斷出現在新聞中。

地球氣候的“碳密碼”

過去，人們對溫室效應重要性的認識進展緩慢。早在19世紀20年代，人們就首次注意到了溫室效應，盡管當時并沒有用這個名字來稱呼它。約瑟夫·傅里葉主要是一位數學家和物理學家，但在晚年，他對大氣加熱產生了興趣，并證明了地球的大氣溫度比它應該有的要高。

1900年之前，瑞典科學家阿爾維德·赫格布姆注意到，工廠排放的二氧化碳提高了大氣中的二氧化碳水平。赫格布姆的同事斯萬特·阿倫尼烏斯認為，海洋對二氧化碳的攝入將使二氧化碳的排放達到平衡，從而阻止它在大氣中積聚。二氧化碳在海洋表面被吸收，一段時間以來，人們認為這將使溫度穩定在一個舒適的水平。這個判斷沒錯，但它賴以成立的時間尺度不對。海洋的平均深度接近4千米，從洋面到海底的混合過程需要很長時間。

然而，二氧化碳并不是全球變暖的唯一罪魁禍首。

水蒸氣、甲烷、臭氧和各種氯氟碳化物也參與其中，并吸收紅外輻射。 實際上，這些氣體比二氧化碳更有效地吸收熱量，除了水蒸氣，它們的含量都較低。水蒸氣是溫室氣體造成地球整體變暖的主要原因，二氧化碳在很大程度上則是目前大氣加熱增強的原因，因為其濃度正在持續快速增長。這種含碳分子濃度的變化對氣候穩定性和不穩定性造成了重大影響，這種影響將持續多年。

地球的“恒溫器”——碳酸鹽–硅酸鹽循環

地球上的碳循環是一個復雜而又精妙的系統，主要包括長期碳循環和短期碳循環。長期碳循環主要涉及巖石圈和板塊運動，其時間尺度可達數千萬年。在這個過程中，碳通過一系列的地質作用在大氣、海洋和巖石圈之間進行交換。

其中，碳酸鹽-硅酸鹽循環是長期碳循環的重要組成部分。它起著恒溫器的作用，有助于在地質時間尺度上調節地表溫度，而板塊構造運動引起的物質全球循環則是這種恒溫器發揮神奇作用的一個關鍵因素。

碳酸鹽–硅酸鹽循環始于雨水。雨水中含有來自大氣中二氧化碳的碳酸（H2CO3）。這種弱酸溶解了巖石中的鈣，使得一些含鈣離子到達海洋，在那里它們被用來制造貝殼和骨骼，最終到達海底，形成石灰巖等碳酸鹽沉積物。

在板塊運動的作用下，這些碳酸鹽巖可能會被俯沖帶帶入地球內部，在高溫高壓的條件下，碳酸鹽分解，釋放出二氧化碳，重新回到大氣中。這個過程就像一個巨大的 “碳調節閥門”，通過調節大氣中二氧化碳的含量，維持著地球氣候的相對穩定。

另一個是由生物過程驅動的較快的循環，通常被稱為短期循環。短期循環的周期與植物生長和死亡的季節同步，以年為周期吸收碳并釋放氧。這個周期被視為大氣中二氧化碳的一個小的年度振蕩。

在這個循環中，植物通過光合作用吸收大氣中的二氧化碳，將其轉化為有機物質，儲存在體內。動物通過攝取植物或其他動物，獲取有機碳。而生物的呼吸作用和微生物的分解作用又會將有機碳氧化，以二氧化碳的形式釋放回大氣中。此外，海洋也是短期碳循環的重要參與者，海洋中的浮游植物通過光合作用吸收二氧化碳，部分二氧化碳還會溶解在海水中，與海水發生化學反應，形成碳酸和碳酸鹽。

盡管當前的變暖期正在給我們的星球帶來巨大的變化，但地球以前也經歷過巨大變化。過去的劇烈溫度變化包括暖期，當然還有冰期。就在12 000年前，西雅圖、芝加哥和紐約還處在被縱橫千米的冰川覆蓋的狀態。人類在這個冰期幸存下來，在過去的12 000年里，自文明誕生以來，我們一直在享受一個相對溫暖的間冰期。在過去的100萬年里，地球經歷了10多個寒冷時期，極地以外的地方都結了冰。在這段時間里，實際上冰期是常態，每一次都持續大約10萬年。隨著時間的推移，在過去的100萬年中，只有一小部分中緯度地區的溫度像人類有記錄的歷史中所經歷的那般溫暖。

從寒冷的冰期到溫暖的間冰期，從“雪球地球”的極端寒冷到溫室氣候的高溫時期，這些氣候變化都與碳循環的變化密切相關。在冰期，大氣中二氧化碳濃度較低，溫室效應減弱，導致全球氣溫下降；而在間冰期，二氧化碳濃度升高，氣溫回升。這種氣候的周期性變化，不僅影響著地球上生物的演化和分布，也塑造了地球獨特的自然景觀。

碳危機！人類如何“力挽狂瀾”？

二氧化碳濃度的迅速上升給人類帶來了嚴重問題，因為它改變了氣候、海洋酸度和海平面的高度。我們的食物供應、淡水供應、天氣和許多其他問題都受到二氧化碳濃度上升的影響。

在過去半個世紀里二氧化碳濃度已經上升了超過30%。按照目前預計的增長速度，50年后二氧化碳濃度將達到約500 ppm，到2100年足以將海平面抬升約1米，到2300年海平面將上升幾米。對海平面快速抬升的主要擔憂是它給地球上復雜的系統組合帶來的壓力，這些系統包括空氣、陸地、水和生物系統。即使現在所有化石燃料的排放都停止了，由于所涉及的地球過程的慣性，海平面也會繼續上升。

對未來海平面的預測是基于漸進式變暖的估計做出的，但一些模型表明，情況可能會更加混亂。如果整個南極冰架變化過大，可能就需要考慮其中的非線性過程，它可能會大幅度升高全球溫度，加速海平面上升。

詹姆斯·漢森是哥倫比亞大學的兼職教授，他發出了可怕的警告：如果不采取任何措施來減緩氣候變暖，或者至少停止加劇氣候變暖，那么災難將迫在眉睫。他的觀點引發了相當大的爭議。他在1988年出席一場參議院關于能源和自然資源的會議時證實，人們高度相信人類產生的溫室氣體積累正在導致全球變暖。許多人認為，他的證詞是引起國際社會對全球變暖關注的分水嶺。當漢森還是NASA的一名雇員時，他受到了政府干預的審查，但科學界向政府施加了足夠的壓力來改變這種狀況。2007年，阿爾·戈爾和聯合國政府間氣候變化專門委員會因在氣候變化方面的出色工作而共同榮獲諾貝爾和平獎，這標志著公眾對全球變化的認可。

地球大氣中的碳在所有化學元素中是獨一無二的，它受到全世界人民和政府的關注。人類正前所未有地將注意力聚焦到第六號元素，并花費數萬億美元來減少它對氣候的影響，以便維持我們星球非凡的宜居性，并將地球保持為太陽系中獨特的“花園星球”。

地球是一個復雜的所在，了解其工作原理和預測其未來是一項艱巨的挑戰。實現可靠預測的一個重要因素是對地球及其眾多的相互作用過程進行詳細的監測。全球監測方案的例子有NASA軌道碳觀測站（OCO-2和OCO-3）、深碳觀測計劃（DCO），以及歐洲航天局的哥白尼計劃。哥白尼計劃將啟動一個耗資數十億美元的地球監測項目，名為“哥白尼人為二氧化碳監測”（CO2M），該項目將涉及多個軌道航天器。

正如人們經常暗示的那樣，無論事情會變得多么糟糕，當前的全球氣候變暖似乎不太可能導致世界末日，甚至我們星球上生命的滅絕。行星很難被摧毀，滅絕所有生命的情形在過去數十億年中還沒有出現過。植物和動物有點兒脆弱，但微生物的生命是強健的。一旦一個星球被微生物占據，就需要極端的過程才能對其進行全球性滅殺。生命可能會在人類對我們星球所造成的任何程度的破壞中幸存。

生命的終結，甚至地球的終結，最終都會到來，但這只會發生在遙遠的未來，那時，我們已經理解在這一進程中，太陽將不可避免地變得更亮、更大。

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