気候変動は、政治的にも地球上の生命にとっても、現代で最も緊急性の高い課題かもしれない。地球規模の気候が公的な行動の対象であるという認識が高まっている。
1万1500年もの間、大気中の二酸化炭素（CO2）濃度は約280 ppm（産業革命以前の「通常」の水準）で推移し、地表の平均気温は約15°Cであった。産業革命以降、この濃度は継続的に上昇し、2018年には410 ppmに達した。数十億年単位の時間スケールを対象とする地球科学は、産業社会がいかに急速に地球の気候を変化させ、現在も変化させつつあるかを極めて明確に示すのに独自の適性を備えている。
気候、温室効果ガス、CO2
地球の気候の主たる原動力は太陽である。この恒星は、地表への平均出力として年あたり342 W/m2をもたらす（惑星の1平方メートルごとにほぼヘアドライヤー1台分に相当）。地球はこのうち約70%を吸収し、残りを反射する。これが唯一の気候メカニズムだとすると、平均気温は-15°C（水の氷点0°Cを下回る）になるだろう。生命は存在しえなかった可能性が高い。幸いなことに、吸収されたエネルギーの一部は赤外線として再放射され、可視光と異なり、大気中に存在する温室効果ガス（GHG）と相互作用して、熱を地表へ向けて放射し返す。この温室効果により、現在、平均気温はおよそ15°Cに保たれている。
主要な温室効果ガスは水蒸気と、議論の多い二酸化炭素（CO2）である。二酸化炭素は温室効果全体の最大30%に寄与し、水蒸気は約70%をもたらす。ただし、CO2には水蒸気にはない全体的な温暖化力がある。大気中の水蒸気の滞留時間は非常に短く（数時間から数日）、その濃度は気温が上昇した場合にのみ増加しうる。CO2は大気中に100年間とどまり、その濃度は気温によってのみ制御されるわけではない。したがって、CO2は温暖化の引き金となりうる：CO2濃度が上昇すれば、その独自の傾向にかかわらず、平均気温は上昇する。
炭素吸収源
したがって、大気中のCO2がどのように調節されているかを理解することは極めて重要である。地質学的時間スケール（10万年以上）において、火山ガスがCO2の主要な発生源であり、年平均4億トン（0.4 GtCO2/y）である。ただし、CO2は大気中で際限なく蓄積するわけではない。他の環境プロセスによって大気中と出入りし、炭素吸収源として知られる貯蔵庫に蓄えられる。
例えば海洋には、大気の50倍もの炭素が含まれている。ただし、海洋に溶解したCO2は容易に大気中へ放出されうる一方、地質学的な吸収源のみが、地質学的時間スケールにおいてCO2を大気から隔離し続ける。
最初の地質学的吸収源は堆積性有機物である。生物は大気中のCO2から光合成によって構築された有機炭素を含んでおり、死んだ生物は海底、湖沼、沼地の底に沈むことが多い。その結果、膨大な量の有機炭素が長い時間をかけて海洋および陸域の堆積物に蓄積され、そのうちの一部は最終的に化石燃料（石油、天然ガス、石炭）へと変化する。
石灰質の岩石が第二の地質学的炭素吸収源である。花崗岩や玄武岩などの岩石は、風化され、地表水によってカルシウムイオンと重炭酸イオンが海へ洗い流される。海洋生物はこれを用いて炭酸カルシウムからなる硬い部分を形成する。海底に堆積した炭酸カルシウムは、最終的に石灰岩として隔離される。
推定値によっては、これら二つの吸収源を合わせると、5万から10万倍の炭素が現在の大気中に含まれる量より多く蓄えられている。
地球の大気の経年変化
地球大気中のCO2量は大きく変動してきた。数十年にわたる研究により、地球が完全に形成された後の44億年前以降の歴史の主要な流れを描くことができる。
地球の初期の大気は、CO2に極めて富んでいた（現代の水準の最大1万倍）一方、酸素（O2）は乏しかった。太古代（38億〜25億年前）には、生命が初めて繁栄し、最初の大陸が形成された。風化作用により大気中のCO2が除去され始めた。光合成の発達は大気中のCO2の減少に寄与し、一方で大酸化イベント（約23億年前）の間に酸素濃度を上昇させた。CO2濃度は産業革命以前の水準の「わずか」20〜100倍まで低下し、地球の最初期の時代の濃度に戻ることは二度となかった。
その20億年後、炭素循環は変化した。デボン紀後期から石炭紀前期（約3億5000万年前）にかけて、CO2濃度は約1,000 ppmであった。哺乳類はまだ存在しなかった。デボン紀にはリグニンを合成できる維管束植物が出現し、拡大した。リグニンは微生物による分解に強い分子であり、数百万年にわたって膨大な有機炭素を石炭として蓄積させることを可能にした。ヘルシニア山脈（その痕跡はフランスのマシフ・サントラルや米国のアパラチア山脈に見られる）の風化と組み合わさり、有機炭素の埋没により大気中のCO2は現在と同程度（あるいはそれ以下）の水準まで引き下げられ、3億2000万年前から2億8000万年前の間に大規模な氷河期を引き起こした。
ジュラ紀末期（1億4500万年前）になると、しかし、振り子は逆に振れていた。恐竜が地球を支配し、哺乳類が進化し、地殻変動活動が活発化し、最後の超大陸パンゲア（分裂した）。CO2濃度は500〜2,000 ppmまで増加し、高い水準を維持して1億年間にわたり温暖な温室気候を保った。
5500万年前から、地球はCO2の減少に伴って冷却していった。特にヒマラヤ隆起とそれに続く風化および有機炭素堆積の増加が影響した。進化は続き、ヒト科の動物が700万年前に出現した。260万年前、地球は、地球の軌道要素によって規則的な間隔で主導され、短期の炭素循環によって増幅された氷期と間氷期の交互の繰り返しを特徴とする新たな状態に入った。CO2濃度は、地球が最新の間氷期に入った1万1500年前に産業革命以前の水準に達した。
新たな物語：産業革命
19世紀まで、大気中の炭素と地球の気候の物語は、地質学、生物学、進化の物語であった。その物語は産業革命を境に急激に変化した。現生人類（ホモ・サピエンス）は、おそらく30万年前に出現し、大規模に化石燃料の採掘と燃焼を始めた。
1950年までに、化石燃料の燃焼によって大気に加えられたCO2は、既に証明されていた。これは、炭素同位体の特徴（CO2分子の「スース効果」として知られる）により裏付けられた。1970年代後半までに、気候科学者は、全体的な気温が温暖化する方向への急速な変動を観測した。1988年に設立されたIPCCは、2012年の時点で平均気温が1901年以降0.9°C上昇したことを示した。最後の脱氷期（約7000年の間に平均気温がおよそ6°C上昇した）と比べると、この変化は控えめに見えるかもしれないが、少なくとも10倍速い。
平均気温は上昇を続けており、太陽活動や火山活動などの自然要因では、これほど急速な温暖化を説明できない。原因は、人類による温室効果ガスの大気への付加であることが明白であり、高所得国は、住民一人当たりで最も多くのCO2を排出している。
私たちの物語はどのように終わるのか？
産業社会は、160年以内に地球の化石燃料の約25%を燃焼させ、大気から炭素を隔離していた自然のフラックスを突然反転させた。この新たな人為的フラックスは、代わりに追加しており、 年あたり28 GtのCO₂は火山の50倍に相当する。自然の地質学的隔離ではこれを補うことができず、大気中のCO2は上昇を続けている。
影響は差し迫っており、数多く、深刻である。極端な気象現象、海面上昇、氷河の後退、海洋酸性化、生態系の攪乱、そして絶滅である。地球そのものは、これまでにも他の大災害を生き延びてきた。現在の温暖化は多くの種の適応能力を上回るが、生命は存続するだろう。危機に瀕しているのは地球ではない。危機にあるのは、人類社会の未来と現在の生態系の保全である。
地球科学は、私たちの行動や化石燃料の消費において必要な変化を考えるための解決策を提供することはできないが、現在進行中の地球温暖化についての知識と集合的な認識に貢献することができるし、貢献しなければならない。
