地球温暖化对环境的影响，姑且不论其评价的真伪，但其作为对人类命运有重大影响的问题，已引起全球舆论的关注，因二氧化碳所造成的地球温暖化问题令人十分棘手，在这里人类本身既是祸首亦是受害者。现在只是耸人听闻地提出了这一问题，而尚无确凿的关于此方面的科学根据。从研究气候变迁的角度来看“只有在掌握弄清了过去的气候变动原因的基础上才有可能预测未来的气候。”人们担心二氧化碳浓度的增加，会引起气候的温暖化。纵观地球出现生物以来的气候，也许曾一度出现过二氧化碳浓度增加为主因环境球温暖化现象。为了根本地弄清这一问题，首先必须明确地球温暖化的机理。

气候变动及其原因

若考察一下人类出现以来第四纪的平均温度，就知道这是一个明显的寒冷时代，也叫做冰川时代，在这寒冷的第四纪中，并不是一直地持续寒冷，而是由和像现在一样的温暖时期的周期性气候变动的组合形成的。关于气候变动的主要原因，迄今为止有以下几种解释。

宇宙尘返射率说

太阳系在宇宙空间运行，一旦进入宇宙尘浓度高的空间，会因其减少太阳向地球的辐射量，于是开始了冰川时期。对于在地球的进化中以10亿年为周期产生的始生代和原生代两冰川时期，宇宙尘说显得较为有力。

地球公转轨道变动说

地球所接受的太阳的总热量在假定太阳内部活动恒定的前提下取决于太阳光线的入射角及太阳与地球间距离的变化。即地球从太阳接受的能量取决于下述3个周期的合成周期，即地轴的倾斜变化周期（黄道倾角现为23.5°）约4万年、地球公转轨道（椭圆）的离心率变化周期约9.3万年，由太阳和月亮引起的地轴进动周期约2.2万年。在3个周期中如果三个波谷相重叠则地球接受能量最少即是相对应的寒冷时期，反之接受能量最大的3个波峰相重叠时则是对应的温暖时期。这种Milankvitch（1941）学说已为深海沉积物中的有孔虫壳的氧同位素分析值的周期性变化所证实。

太阳放热量变动说

太阳的活动如同已观测到的黑子数的变动周期为11年那样，以从10年到10亿年为周期变动着，也许这正是造成地球气候变动的原因。利用人造卫星对太阳的放射热变动量的观测刚刚开始，目前对于太阳活动的实际情况尚不十分明了，但太阳内部存在着变动则是无可置疑的事实。

大气组成变化说

太阳供给地球的能源大部被反射回宇宙空间，其中仅一部分被大气吸收使地球变暖。如果大气中二氧化碳等温室作用气体增加后，则来自太阳的热能就不会返回宇宙空间而蓄积于大气圈，因而导致地球的温暖化。在南极大陆的冰川所混入的气泡中，所保存冰川期的气泡中二氧化碳浓度一般为250 ppm以下，间冰期为280 ppm。可以认为二氧化碳浓度与古气候的变迁存在着一定的关系。但是二氧化碳浓度增高与地球温暖化之间二者孰为因果则不能轻易断定。并且1960年二氧化碳的浓度高达300 ppm已超过丁间冰期的二氧化碳浓度，而现在更达到了350 ppm以上，但迄今尚未观测到属于间冰期的那种温暖化现象。

火山喷出物说

1883年在印度尼西亚的克拉喀托火山发生的爆发可以说是世界近代火山喷发史上一次最大的爆发，喷出的火山灰呈带状覆盖在地球北纬30°～南纬45°之间的上空。较细的火山灰进入了成层圈并漂浮达2~3年之久，由于火山灰使太阳光的入射量减少，引起世界性的气温下降。因此大型火山的连续喷发、也许是冰川期开始的原因。

尚有许多关于气候变动方面的学说，在此恕不赘述。自从有人类出现以来的第四纪周期性气候变动的原因，以地球公转轨道变动说最为易于接受，并已从深海沉积物中有孔壳虫的氧同位素体分析中被验证。但是也有人指出此种由轨道变动引起的阳光总量的变化，不足以引起像冰川期、间冰期这样大的气候变动，该学说存在的问题是它假定太阳的活动是恒定的，而实际上太阳则处在不断的变化之中。与此相反，近来引人注目的二氧化碳温室效应，则尚无其与全球气候变动有关的证据。

二氧化碳浓度变化与生物进化

地球的大气从地球诞生时的原始大气经过行星大气阶段演化成现在的组成。地球大气最初的成分通常依据现在海水中熔解的氯化物、石灰岩及大气中的氮气量来推定。海水中总重为1.46×10²¹ kg如以水蒸气存在则可达到300个大气压，石灰岩中的二氧化碳总重为0.25×10²¹ kg相当于50个大气压。海水中氯离子的总重量为26×10¹⁶ kg超过了现在大气中氯的总重3.9×10¹⁸ kg，那时大气的主要成分为H₂O-CO₂-HCl-N₂，尽管大气的主要成分发生了很大的变化，但地球的平均气温变动范围却始终在生物可能生存的6~42℃之间，而自有光合作用的植物以来，平均气温未超过30℃。而且在从地球形成之初的不适宜生命生存的初始大气向现在的大气成分变化的过程中，由于生物诞生产生的生物化学过程和生物所引起的环境改变起了很大的作用。

生命的诞生

随着地球的冷却，水蒸气凝聚后以强酸性雨的形式降落于地表。聚集在低地的雨水成为强酸性的海水、在与周围地表岩石发生激烈反应后仍呈酸性状态。在38亿年前的地球大气中由于不存在游离氧，所以高能量的太阳紫外线直接倾注到地表，在水中产生了复杂的有机化合物，并在这含有多种有机物汤中诞生了原核生物。

最早的光合成

在约29亿年前，原始的叶绿索生物用二氧化碳进行光合成，游离氧首次作为其副产物出现。在目前所发现的最早的古石灰岩中观察到的沉积结构，并不具有无机化学沉淀或蒸发岩的特点，而是迭层的藻结构。由于在全球范围内的原生代层中都发现了迭层石灰岩构造，因此可以断定在20亿年以前生命圈就已在全球范围内广泛分布。氧气开始在地球大气中占有一定的分压是在沉积物氧化达到饱和时的20亿年前，在约18亿年前大气中氧的浓度约为现在的1%，已经可以阻挡阳光中的紫外线直达地表，并形成了使原始动物群有进化可能的环境。

出现环境石灰质壳的生物

在约6亿年前的寒武纪，出现了具有石灰质壳的贝和海胆，并可以根据具有石灰质壳生物的存在事实来推断海水中pH值上升的程度。并且在这一时代从世界各地发现了岩盐沉积物，亦可以推测海水中的盐分浓度的增大了。直至古生代前期在大气圈和水圈中大量存在二氧化碳，经过石灰藻和珊瑚虫的代谢后，作为石灰岩沉积下来。作为早期地球大气的主要成分二氧化碳被以石灰岩形式固定下来的这一情况，也可以从地壳中二氧化碳约90%。以石灰岩形式存在这一点来确认。

大煤田的形成

在约3亿年前的石炭纪由于羊齿植物的繁茂，使陆地上的岩石风化及土壤化速度加快，从岩石和土壤中溶出的喊金属使海水的pH值从7上升到8。并且在古生代前期繁荣的三叶虫和古珊瑚都将其生态地位让位于菊石和新造礁珊瑚。在约2.5亿年以前发生的无脊椎动物变迁，是地质时代中最大的生物群更替现象，由于繁茂的羊齿植物进行的光合作用，大气中氧的浓度升高，二氧化碳浓度下降，造成古生代末期温室效应下降，也许这正是其后冰川期来临的原因，因此生物只有在二氧化碳这一保温“毛毯”的包裹下才有生存的可能。对于大部分植物的光合作用来说二氧化碳浓度在300~1000 ppm的范围内是最适宜的，而冰川期的200 ppm以下则对光合作用来说是处于饥饿状态，因此盲目地降低二氧化碳的浓度，从有效利用太阳能的角度来看，并不是明智的措施。

浮游性有孔虫壳的深海沉积

约1亿年前的中生代白垩纪因恐龙和菊石的灭绝而闻名，同时也是在生物地球化学上最重要的石灰质深海沉积开始的时代。古生代的石灰岩由浅海性海洋生物的遗骸和骨骼成，它们沉积在易进入循环系统的浅海海底。与此相反，白垩纪出现的浮游性有孔虫和圆石藻则沉积在1000米深的海底，半永久性地从表层海水循环系统中脱离，使海水中的碳酸盐浓度降低。但是由于在水深4000米以上的深海重碳酸浓度极高，石灰质物质在这里又重新溶解。根据对深海沉积物的研究表明，深海向循环系统提供了大量二氧化碳，并且白垩纪的海底扩张活动造成的火山喷发亦向大气中排出了大量的二氧化碳，据推算白垩纪大气中二氧化碳浓度达到了1000 ppm以上。当时在陆地上，正处于以从针叶树、凤尾松、银杏等裸子植物为代表的中古植代向以稻、麦、菊等被子植物为代表的新植物代转换的变革时代，这种植物类的更换，肯定会对以裸子植物为食物恐龙产生巨大的影响。在温暖且富二氧化碳环境中出现的被子植物，由于生长旺盛消耗了大量二氧化。另外海洋中的藻、圆石藻及有孔虫大量繁殖，将海底火山提供的二氧化碳以有机物和碳酸盐的形式从海水中回收并沉入海底。上述陆地和海洋的生物生产活动，消耗固定了大量大气中的二氧化碳，致使二氧化碳的浓度从第三纪中期开始下降至目前水平。

结来语

地球原始大气飞逸到宇宙空间后，由地球内部的脱气物质产生了H₂O-CO₂-HCl-N₂系大气，但是随着原始海洋的形成H₂O-HCl变成了海水，大气圈中仅剩下了CO₂-N₂。在其后的地质时代中由于植物的光合作用，转变成了现在的N₂-O₂大气。地壳中85%的二氧化碳是在40亿年前脱气产生的，其中大部分在古生代被以石灰岩形式固定了下来。其后伴随着1亿年前的海底扩张，海底火山喷发的气体向大气中提供了大量二氧化碳，使大气中的二氧化碳浓度一度达到了1000~3000 ppm。在这种富二氧化碳的环境中，在海洋表层藻、圆石藻及浮游性有孔虫大量繁殖，其残骸沉入海底后，成为石油的起源物质和石灰岩。而同时陆地上的植物界发生了白垩纪变革，光合作用极度活跃，从而积蓄了大量形成煤田的原材料。若消耗化石燃料，向大气中放出二氧化碳，预计最终亦只会使大气中的二氧化碳达到白垩纪的水平。但从目前的石灰岩采掘量和化石燃料资源储量来看，将来的二氧化碳浓度不会超过1000 PPm。第四纪的二氧化廉浓度变动在200~300 PPm之间，已接近植物光合作用的最低极限，距最佳条件中相距甚远。利用化石燃料资源引起的大气中二氧化碳浓度的增加不会超过白垩纪的最高点。但是如何使二氧化碳适应地球环境既是解决地球环境的目标，也与解决成倍增长的世界人口的粮食问题密切相关。尤其是初始地球大气的起源是由内部脱气构成的，而由于生物的代谢过程导致了早期大气转变为现在的大气成分这一地质事实，给人类如何解决二氧化碳问题提供了一个启示。

［日本の科学と技术，1992年第4期］