編者注：我們釋出這篇來自1959年7月刊的文章，旨在為在波蘭波茲南舉行的聯合國氣候變化框架公約會議上討論的一些問題提供歷史視角，該會議於12月1日開始，持續至12月12日。
解釋全球氣候變化的理論幾乎與天氣一樣多種多樣。更常見的理論將氣候變化歸因於奧林匹克式的力量，這些力量範圍從地質構造運動和噴吐塵埃的火山到太陽輻射的長期變化和地球軌道的偏心率。只有所謂的二氧化碳理論考慮了人類活動可能對氣候產生某些影響的可能性。該理論認為，在本世紀，人類正在不知不覺地透過其工業和農業活動提高地球的溫度。
即使是二氧化碳理論也不是新的；基本的想法最早在1861年由著名的英國物理學家約翰·廷德爾精確地闡述。他將氣候溫度變化歸因於大氣中二氧化碳含量的變化。根據該理論，二氧化碳控制溫度，因為空氣中的二氧化碳分子吸收紅外輻射。大氣中的二氧化碳和其他氣體對於將太陽能量傳遞到地球的可見輻射幾乎是透明的。但是地球反過來又以光譜中不可見的紅外區域重新輻射出大部分能量。這種輻射在非常接近二氧化碳光譜的主要吸收帶（13至17微米）的波長處最強。當二氧化碳濃度足夠高時，即使是其較弱的吸收帶也變得有效，並且吸收了更多的紅外輻射[參見第42頁的圖表]。由於二氧化碳層阻止其逸入太空，因此捕獲的輻射會使大氣變暖。
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這種“溫室”效應的一個常見的例子是夏天停在陽光下一段時間的封閉汽車的升溫。與大氣層一樣，汽車的窗戶對於太陽的可見輻射是透明的，可見輻射使汽車內部的裝飾和金屬變暖；這些材料反過來又將其部分熱量以紅外輻射的形式重新釋放出來。玻璃，像二氧化碳一樣，吸收部分這種輻射，從而捕獲熱量，並且汽車內部的溫度升高。
水蒸氣和臭氧以及二氧化碳也具有這種效應，因為它們也吸收紅外區域的能量。但是，二氧化碳引起的氣候影響幾乎完全獨立於其他兩種氣體的量。在很大程度上，它們的吸收帶出現在光譜的不同區域。此外，幾乎所有的水蒸氣都停留在地面附近，而二氧化碳則更均勻地擴散到整個大氣層。因此，在整個大氣層的大部分割槽域，二氧化碳是決定輻射通量變化的主要因素。
地球目前大氣層中2.3 X 1012（23000億）噸二氧化碳約佔其總質量的0.03％。大氣中二氧化碳的量取決於從其他三個主要儲層（海洋、岩石和生物體）供應和提取的量。海洋含有約1.3 X 1014噸二氧化碳，約為空氣的50倍。一些氣體溶解在水中，但大部分以碳酸鹽化合物的形式存在。海洋每年與大氣交換約2000億噸二氧化碳。當平衡被破壞時，海洋可能會吞沒或吐出數十億噸額外的二氧化碳。這抑制了大氣中二氧化碳含量的波動：當大氣濃度升高時，海洋傾向於吸收大部分過量；當濃度下降時，海洋儲層會補充它。
大氣和海洋都不斷地與岩石和生物體交換二氧化碳[參見第44-45頁的插圖]。它們從釋放地球內部氣體的火山活動以及生物的呼吸和腐爛中獲得二氧化碳；它們透過岩石的風化和植物的光合作用失去二氧化碳。隨著這些過程的速度變化，大氣中二氧化碳的含量也隨之變化，從而改變輻射平衡並升高或降低地球的溫度。
當然，在任何特定的地質時代，其他因素都可能影響氣候。儘管如此，讓我們檢查一些已知的地質歷史事實，看看有多少可以用大氣中二氧化碳含量的變化來解釋。
對岩層的研究表明，在過去的十億年中，世界大部分地區都具有熱帶氣候。大約每2.5億年，這種熱帶時期就會被相對較短的冰川期所打破，冰川期將地球的大部分地區埋在冰蓋之下。這些寒冷時期持續數百萬年，在此期間，隨著溫度的升高和降低，冰川會多次退縮和前進。例如，在當前冰川紀元的最後62萬年中，深海沉積物顯示出10個不同的溫度週期。二氧化碳理論很可能解釋了這些溫度波動。
大氣-海洋系統中二氧化碳濃度的下降以及全球溫度下降的時期可能是由多種發展引起的。隨著岩石風化速率的增加，火山活動速率可能會減慢，或者特別茂盛的植被層可能會吸收大量的二氧化碳，並在沼澤地區形成新的煤層和其他有機沉積物。在地質學上的短暫時間後，大氣-海洋平衡對二氧化碳供應不足的調整可能會使大氣濃度降至0.015％，僅為當前值的一半。計算表明，空氣中二氧化碳含量減少50％將使地球的平均溫度降低6.9華氏度。
我們可以相當肯定，如此急劇的溫度下降將導致冰川蔓延到地球上。隨著冰蓋的增長，海洋縮小；在冰川期的高峰期，冰蓋包含海洋水量的5％至10％。然而，冰川幾乎不含二氧化碳，因為與相同體積的海水相比，冰可以容納非常少量的碳酸鹽。因此，縮小的海洋積累了過量的二氧化碳，它們必須將其釋放到大氣中才能恢復平衡。因此，迴圈接近尾聲：隨著二氧化碳返回大氣，地球的溫度升高，冰融化。海洋充滿到以前的水平，重新吸收它們釋放的二氧化碳，一個新的冰川時代開始了。
只要大氣-海洋系統中的二氧化碳總量沒有變化，這種溫度振盪的迴圈就會趨於重複。完整週期的週期將主要取決於冰蓋形成、增長到最大尺寸和融化所需的時間。估計表明，這應該需要大約50,000年，與觀察到的週期時間一致。迴圈中的其他時間因素，例如海洋-大氣系統在二氧化碳濃度變化後達到平衡所需的時間，可能要短得多。然而，該系統永遠無法完全達到平衡，因為冰川的凍結和融化與大氣中二氧化碳的波動不同步。冰川形成緩慢，融化緩慢，因此在地球從冰河時代恢復的數千年裡，來自融化冰川的寒風繼續使地球變冷。
此處提出的解釋冰川迴圈的機制在任何方面都不依賴於為說明目的而假設的特定數字。只要迴圈的一個階段的溫度下降到足以導致冰蓋增長，而在另一個階段的溫度升高到足以導致冰蓋融化，就會發生這種振盪。大氣中相對少量二氧化碳的變化提供了充足的餘地來使溫度擺動超過任一極端。振盪被地球溼度的伴隨變化所加強。較冷的大氣層容納的水蒸氣較少，因此進一步減少了大氣對地球表面發射的紅外輻射的吸收。然而，與此同時，地球的雲層覆蓋變厚，降水增加，儘管大氣中水蒸氣的負擔減少了。雲頂透過將熱量輻射到太空而冷卻；當大氣中的二氧化碳較少時，雲頂會損失更多的熱能，因此變得更冷。隨著溫度梯度的增加，雲層內部的對流增加。結果是雲層更大，降水更多。此外，由於雲層將太陽的可見輻射反射回太空，因此到達地球的太陽能減少，溫度進一步降低。
地質記錄表明，生物圈儲存和轉換二氧化碳的巨大能力也對氣候變化產生了影響。我們知道，植物每年借用600億噸二氧化碳用於光合作用。在目前的條件下，有機世界每年透過呼吸作用和腐爛幾乎償還所有這些債務。新化石燃料沉積物的形成最多僅扣留1億噸二氧化碳，或少於光合作用年用量的0.2％。然而，曾經有一段時間，提款量要大得多。在石炭紀時期，當大部分煤炭和石油沉積物形成時，大約有1014噸二氧化碳從大氣-海洋系統中提取出來。這種驚人的損失必定使地球的溫度降至非常寒冷的水平；不足為奇的是，在此時期之後橫掃地球的巨大冰川可能是歷史上最廣闊的。
植物目前進行光合作用消耗二氧化碳的能力為我們提供了有關過去時代大氣中二氧化碳含量的有趣線索。植物幾乎完全適應它們接收到的光譜範圍和光照強度，但它們在二氧化碳濃度是當前濃度五到十倍的大氣中生長得更快更茂盛；實際上，花商有時會在溫室中釋放罐裝二氧化碳以促進植物生長。因此，目前大氣中的二氧化碳濃度一定異常低。顯然，植物的進化與地質過去大氣中更高的濃度有關。這一假設也得到了已知事實的支援，即地球的氣候在地質時期的大部分時間裡都較溫暖；據推測，當時的大氣層含有更高比例的二氧化碳。
過去地質時代大氣中的大部分二氧化碳現在都埋藏在地球自身的二氧化碳儲層中。地球的熱泉和火山每年向大氣中倒回約1億噸二氧化碳。地球反過來每年透過岩石的風化作用重新捕獲大致相同的量。但是，這種平衡在造山時期被打破。實際上，二氧化碳理論提供了一個重要的聯絡，以解釋最後兩個冰川時代相對於其之前的造山時期的時機。
這些造山運動高潮與大冰蓋形成之間至少間隔了數百萬年。如果冰川作用僅僅是由陸地抬升或火山灰塵使天空略微變暗引起的，那麼在冰川開始之前就不應該有很大的時間滯後。但是，這些劇變使大量的火成岩暴露於溶解在沖刷它們的雨水中的微量大氣二氧化碳的化學作用之下。經過數百萬年的時間，岩石的風化作用從空氣中捕獲了大量的二氧化碳。隨著大氣濃度的充分降低，溫度下降，使年輕的山脈為隨後蔓延到地球上的冰川提供了天然的誕生地。
一些造山時期並沒有產生冰川。在這些時期，火山釋放的二氧化碳（在造山運動的早期尤其活躍）可能與新暴露岩石的碳酸鹽消耗相平衡。實際上，一個充滿活火山的景觀很容易釋放出比岩石可能吸收的更多的二氧化碳，因此地球的溫度會升高到足以阻止冰川的擴張。
火山活動、煤炭形成或二氧化碳濃度的任何其他區域性擾動的地質影響不僅限於其發生的區域。如果地球一個半球的二氧化碳量急劇上升或下降，則另一個半球的濃度變化也相當快。在不到幾十年的時間內，兩個半球的濃度變得相同。根據二氧化碳理論，這種快速擴散有助於解釋冰川在兩個半球同時前進和後退的事實。
在過去的一個世紀中，一種新的地質力量已開始對地球的二氧化碳平衡產生影響[參見第43頁的圖表]。透過燃燒化石燃料，人類每年向大氣中排放約60億噸二氧化碳。他的農業活動又釋放出20億噸。與它們取代的森林相比，糧田和牧場儲存的二氧化碳量要少得多，而土壤的耕作使細菌產生的大量二氧化碳逸入空氣中。
並非所有這80億噸多餘的二氧化碳都留在大氣中。植物去除了一部分。當大氣濃度升高時，植物會使用更多的二氧化碳進行光合作用。然而，在幾年內，光合作用速率的增加被呼吸作用和腐爛過程速率的增加所平衡。最終結果只是生物圈中二氧化碳含量略有增加。
人類活動新增到大氣中的大部分二氧化碳最終將被海洋吸收[參見第46頁的圖表]。為了預測人類活動對氣候的影響，我們必須計算出這種情況發生的速度有多快。最近的研究表明，溶解在海洋中的二氧化碳量在約1000年內達到與大氣二氧化碳壓力平衡的狀態，並且海洋吸收新增到空氣中的任何二氧化碳的大約一半。在更長的時間內，可能需要數千年，海洋在系統中再次達到平衡之前，會在碳酸鹽化合物中吸收更多額外的二氧化碳。這些平衡速率非常重要，因為只要人類燃燒大量的化石燃料，它們就會控制地球的溫度。
我們只需要推斷現有的溫度和化石燃料消耗記錄即可預測未來的氣候。非常準確的世界每年化石燃料消耗量記錄表明，在過去的100年中，人類已向大氣中增加了約3600億噸二氧化碳。結果，大氣濃度增加了約13％。二氧化碳理論預測，這種增加應使地球的平均溫度升高華氏一度。這幾乎與過去一個世紀在世界各地記錄的平均增幅完全相同！如果燃料消耗量繼續以目前的速度增長，到2000年，我們將向空氣中排放超過1萬億噸二氧化碳。這應該使地球的平均溫度升高3.6度。
在不到1000年的時間內，如果消耗量繼續以當前的速度增長，我們將耗盡目前已知的煤炭和石油儲量。到那時，我們將使空氣中的二氧化碳噸位增加18倍。當海洋-大氣系統恢復平衡時，空氣中的二氧化碳濃度將比今天高10倍，地球將變暖22度。在另外幾千年後，當海洋的碳酸鹽含量達到平衡時，濃度仍將比今天高四倍。屆時地球的溫度將比目前的平均溫度高出約12.5度。
與此同時，海洋中的二氧化碳含量將增加一倍。這提出了一個關於海洋生物福祉的附帶問題。我們知道，二氧化碳濃度的增加會增加水的酸度，並且許多海洋動物對酸度的變化極為敏感。然而，如果空氣中的二氧化碳含量增加七倍，海水的酸度（pH值）最多不會比目前的數值高出0.5。因此，二氧化碳濃度的變化雖然對氣候有如此深遠的影響，但可能不會干擾未來的海洋生物。也許只有人類會感到不舒服。
在未來半個世紀中，我們將能夠非常確鑿地用二氧化碳理論來檢驗其他氣候變化理論。由於我們現在可以獨立於大氣層的扭曲影響來測量太陽的能量輸出，我們將看到地球的溫度趨勢是否與測得的太陽輻射波動相關。如果火山灰是更重要的因素，那麼我們可能會觀察到地球的溫度跟隨大型火山噴發次數的波動。但是，如果二氧化碳是最重要的因素，那麼只要人類消耗地球的化石燃料儲量，長期溫度記錄就會持續上升。