气候变化应该是当今最紧迫的事情了，不论是从政治意义还是生存的意义来说。气候变化是大众行为的结果的认知也在不断上升。在11500年里，大气中二氧化碳的浓度徘徊在280 ppm（parts per million百万分率；工业化前的正常值），平均地表温度大约是15摄氏度左右。自从工业革命开始，这个水平持续上升，在2018年上升到410ppm。地球科学家将重点放在长达数十亿年的时间轴上，运用特殊仪器极其清晰地证明了工业社会多么突然地改变了并且正在改变地球气候。
气候，温室气体和二氧化碳
地球气候的主要引擎是太阳。我们的恒星每年平均表面功率是342W/m2（大约相当于这个星球上每平方米都有一个吹风机）。地球吸收了大约70%然后将其他部分反射出去。如果这是唯一的气候机制，那么平均气温会是-15C（低于水的冰点0C）。生活将变为不可能。幸运的是，一些被吸收的能量又以红外辐射的形式反射出来，与可见光不同，红外辐射与大气中存在的温室气体（GHGs）相互作用，将热量辐射回地球表面。这种温室效应目前使我们的平均温度保持在15C左右。主要的温室气体是水蒸气和备受争议的二氧化碳。二氧化碳在温室效应中发挥了30%的作用，而水蒸气贡献了剩下的70%，不过二氧化碳具有总体的升温能力，而水蒸气没有。水蒸气在大气中停留的时间很短（大约是几个小时到几天），并且只有在温度升高时浓度才会增加。二氧化碳在大气中能徘徊100年，其浓度不受温度控制。因此，二氧化碳是引起变暖的主因：如果二氧化碳浓度增加，那么不论其趋势如何，平均温度都会增加。



碳汇
了解大气中二氧化碳的监管至关重要。在地质时间尺度（10万年以上），火山气体是二氧化碳的主要来源，平均每年有4亿吨的二氧化碳（0.4 GtCO2/y）通过这一方式逸散。但二氧化碳并不只是在大气层中不断积累。由于其他环境过程，二氧化碳可以积累和离散，并且通过碳汇的方式储存。例如，海洋的碳含量是大气的50倍。然而，溶解在海洋中的二氧化碳很容易向大气释放，而只有地质时间尺度上的地质沉积才能阻止二氧化碳远离大气。
第一次地质沉积是有机质的沉积。活生物体含有通过光合作用从大气中的二氧化碳构建的有机碳，死亡的生物经常被送到海洋、湖泊和沼泽的底部。因此，大量的有机碳随着时间的推移积聚在海洋和大陆沉积物中，其中一些最终转化为化石燃料（石油、天然气和煤）。钙质岩是第二次地质碳汇。花岗岩或玄武岩等岩石被地表水淹没，钙和碳酸氢根离子被冲洗到海洋中。海洋生物利用它们来建造由碳酸钙制成的硬质部件。当沉积在海底时，碳酸钙最终隔离生成石灰石。根据估计，这两种沉积（汇）加在一起是目前大气中储存的碳含量的5-10万倍。
时间推移中的地球大气
地球大气中的二氧化碳含量差异很大。数十年的研究使我们得以绘制出44亿年前地球完全诞生后的历史主线。地球早期的大气层富含二氧化碳（将近是现在水平的1万倍），而氧气则十分稀少。在太古代（38-25亿年前），生命第一次爆发，第一代大洲兴起。风化开始将二氧化碳排向大气。光合作用的发展有助于减少大气中的二氧化碳，同时在大约23亿年前的大氧化事件（大气中游离氧含量突然增加，原因尚不明，但是其促使日后动物的出现成为可能）时期提升了氧含量。二氧化碳浓度下降到只有前工业时期水平的20-100倍的水平，再也没有回到地球最早的浓度。
20亿年后，碳循环发生了变化。早在晚泥盆纪到早石炭世（大约3.5亿年前），二氧化碳浓度约为1000ppm，哺乳动物也并不存在。能够合成木质素（复杂的有机聚合物，是维管植物和藻类的重要结构材料，并在细胞壁的形成中特别重要）的维管植物出现在泥盆纪及之后。木质素是一种抗微生物降解的分子，可使大量的有机碳在随后数百万年里形成煤炭。结合海西期（晚古生代时期，得名于德国海西山，海西地壳运动形成褶皱）的风化（其遗迹可以在法国的中央高原或美国的阿巴拉契亚山脉中找到），有机碳埋葬将大气中的二氧化碳降低到与如今（甚至低于如今）的水平，并且在促使3.2-2.8亿年前的冰川时期的产生。
然而，在侏罗纪（1.45亿年以前）结束时，钟摆晃动了。恐龙统治着地球，哺乳动物进化，构造活动增加，泛大陆（又称盘古大陆，是最后一个超级大陆，指古生代到中生代时期3.35-1.75亿年存在的大陆）被撕裂。二氧化碳增加到500-2000ppm，并保持在这个高水平上，保持了1亿年左右的温暖的温室气候。从5500万年前开始，地球随着二氧化碳的减少而降温，特别是在喜马拉雅隆起以及随后风化和有机碳的沉积之后。随着人类在700万年以前出现，进化便一直延续。在260万年的时间里，地球进入了一个新的状态，其特征是由地球轨道参数引导的冰川与间冰期交替出现，并由短期碳循环放大。11500年前，当地球进入最新的间冰期阶段时，二氧化碳达到了前工业化时期。



崭新的故事：工业革命
直到19世纪，大气中的碳和地球的气候的故事不过是地质学、生物学和进化论的故事。而在工业革命之后，这个故事发生了翻天覆地的变化，大约出现在30万年以前的现代人类（晚期智人）开始大规模地开采和燃烧化石燃料。到1950年，通过化石燃料燃烧使大气中二氧化碳增加的事实通过二氧化碳分子的碳同位素特征（苏斯效应，又称工业效应，指工业时代以来大量燃烧化石燃料导致大气中的碳14和碳12比例失衡）得到证实。到1970年代末期，气候学家观察到整体温度变暖趋势的加速。1988年成立的政府间气候变化专门委员会（IPCC，联合国附属跨政府组织，由世界气象组织和联合国环境署合作建立，总部在瑞士日内瓦）在2012年表示，自1901年以来，平均气温升高了0.9℃。与上一次冰川消融的时候相比，这个变化似乎并不大，平均温度在当时的7000年里上升了6℃，但是这个变化的速度加快了至少10倍。平均温度持续攀升，太阳活动或火山活动等自然参数无法解释这种快速变暖。原因是人类明确地向大气中增加温室气体，而高收入国家居民人均排放最多温室气体。
我们的故事将会如何结束？
工业社会在160年的时间里，燃烧了地球大约25%的化石燃料，并突然促使储存碳逸散到大气中破坏天然通量。这种新的人为通量每年增加28Gt（总吨）的二氧化碳，是火山的50倍。自然地质封存无法平衡增量，大气中的二氧化碳持续上升。后果迫在眉睫、规模空前、骇人听闻：极端天气事件、海平面上升、冰川退缩、海洋酸化、生态系统的破坏和灭绝。地球在其他灾难中幸存了下来。虽然目前的变暖将超过许多物种的适应能力，但是生活仍旧要继续。并不是说这个星球岌岌可危，而是人类社会的未来和当前生态系统的保护形势严峻。虽然地球科学无法提供解决方案来思考我们的行为和化石燃料消费中必须要改变的一切，他们可以也必须要为目前的全球变暖的知识和集体意识的提升做贡献。