谢娜魔法蔡少芬朱茵:二氧化碳与气候

原文

前言：请注意，请一定注意！这是一次“挖坟”行动，这是一个“出土文物”。本文并不是发表于哥本哈根后的2010年，而是1956年，在绝大部分在阅读本文的读者出生之前。这一年，毛主席说要“百花齐放，百家争鸣”；这一年，老舍写了《茶馆》；这一年，艾森豪威尔同学又当了美国总统；这一年，日本爆发水俣病……，这一年发生了很多事情都成了过去。如果要评选一个话题能让人从1956年谈论到2010，那非得是“二氧化碳和气候”莫属。而且，更让人惊奇的是，五十年前科学界的声音，在今天听起来依然那么靠谱（虽然其中有些数据和理论需要更新了，但是我们没有修改，请批判阅读）；五十年前科学界的声音，在今天，依然没有被众多民众所耳熟能详，这到底应该说是庆幸，还是悲哀？

1956年的问题，请不要再延续到2056年。

一篇1956年发表于《美国科学家》(American Scientist)的文章探讨了气候变化的问题；近期的两个评注指出这篇文章与目前的环境问题密切相关。

一直以来科学家都很热衷于解释气候变化的问题。自有地质记录以来，至少十分之九的时间里地球的平均温度都高于它现在的温度。在这些温暖期之间则是长达几百万年的大冰期，大冰期之间大约间隔两千五百万年。但目前我们更感兴趣的是近六十年间的气候变暖。

关于气候变化的理论数不胜数。那么有没有可以解释大部分已知气候状况的理论呢？目前最广为接受的解释包括地球接收到太阳能的变化，大气中火山灰含量的变化，以及大陆平均海拔的变化。尽管这些因素可能在特定时期特定地点影响地球的气候，但是没有一个可以较全面地解释全球性气候变化状况。

二氧化碳造成气候变化的理论是50年前最被认可的理论，但是近年来它的拥护者减少了。尽管如此，最近的研究仍表明通常被提出以反对这个观点的理论都是不成立的。所以也是时候重新考虑大气中二氧化碳含量的变化问题，以及它是不是可以为众多全球性的气候变化提供令人满意的解释。

由于地球表面和大气层中的温度相对较低，所以由地球向太空辐射的波段实际上集中在红外段。所以知道大气中的哪些成分主要吸收红外波就十分重要。大气中含量最多的气体分别是氧气、氮气和氩气，但是这三种气体几乎不吸收红外辐射。如果我们的大气中只有这三种气体的话，地球的气候将会比现在冷的多，地球表面的热辐射会毫无阻拦的冲向太空，导致地球表面降温更快。

幸运的是，另外三种气体也相对少量的存在于大气中：二氧化碳，水蒸气和臭氧。不像那些在空气中含量丰富的气体，这三种少量气体却是吸收红外波的主力军。大气中二氧化碳的浓度约为0.03%（体积比例），并且通过精确测量可知它的分布相当均匀。水蒸气和臭氧在大气中的比例也很低，但是确切数值会随时间地点而变化。

二氧化碳、水蒸气及臭氧的红外吸收能力在很大程度上决定了我们的气候。它们的作用经常被拿来与温室对比。太阳光穿过透明玻璃将热能带进温室，但植物与其他物体发出的红外形式的热能大部分都被玻璃阻隔。热能被有效的存留在温室内，温度也自然比外面高得多。

类似的，地球表面的温度受到大气在可见波段和红外波段的透过性控制。太阳射向地球表面的能量主要以可见光形式存在，所以在晴朗的天气里，大气透明度高，几乎所有的可见光频段都可以透过，太阳的能量衰减很少。但是如果想要温暖的气候，热能就必须被保持在靠近地球表面的位置，并且不能立刻被辐射出去。大气对于大部分红外频段的波都是不透或者部分不透的，这要感谢前文所述的三种含量不多的气体。因此地球表面辐射出的能量不能自由的冲向太空，不然地球表面就不会像现在这样温暖。大气之于地球就像玻璃之于温室。二氧化碳理论声称，随着二氧化碳含量升高，大气可以阻挡的能量波段将会变宽，辐射出去的能量将会更有效的被阻挡在地球表面，从而导致温度升高。最新计算表明如果大气中的二氧化碳量加倍，地球表面温度将上升3.6摄氏度；如果二氧化碳量减半，那地球表面温度将下降3.8摄氏度。

二氧化碳理论是于1861年由Tyndall首次提出的。最初的计算只能用非常粗略的方法完成。由于二氧化碳的存在，吸收光谱的谱线可多达上千条，由于每条谱线的强度宽度不同，它们的图谱都非常复杂。甚至由于谱线的强度和宽度会随着温度和压力变化，大气中不同高度的谱线图样都是不同的。直到最近，精确的红外测量法的出现、理论的发展以及高速电子计算机的应用才解决了这个问题，使得准确测量二氧化碳对地球表面温度的影响成为可能。

水蒸气某种程度上与二氧化碳的吸收区间相同，这也是反对二氧化碳理论的基础。根据这个理论可知，水蒸气的吸收力如此强大，即使二氧化碳浓度改变，辐射出的能量应该都不至有什么变化。但是这个结论是建立在早期计算的基础上的，这些计算只是复杂的大气红外能量流动的粗略近似。近期更加精确的计算分析了这两种气体吸收谱的详细结构，发现他们在红外吸收上基本是互相独立的。有两个重要原因支持这个结果：（1）二氧化碳和水蒸气谱线的频段基本没有什么相互联系，所以这些谱线并不会因为谱线位置相近而重叠；（2）水蒸气本就很低的浓度会随着高度增加而急剧下降，但二氧化碳的浓度却基本是均匀分布的。基于第二个原因，即使在地球表面水蒸气的吸收力在某个吸收区间强过二氧化碳，那么稍高于地表的高度上二氧化碳的作用就会强过水蒸气很多。通过谨慎的估算可以发现由于二氧化碳造成的全球气温变化，不会因为水蒸气的红外吸收作用而降低超过20％。

二氧化碳理论还有一个更进一步的反对观点：二氧化碳吸收带的中央频段在大气中是完全不透的，二氧化碳含量的变化不会影响它的红外吸收。如果针对于二氧化碳吸收带中心左右各一微米的波段来说，这句话是完全正确的。但是这个理论忽略了二氧化碳除了这部分完全吸收波段之外的数百条谱线。由于二氧化碳含量造成的能量吸收差异，在部分透过的波段是最为显著的；地表温度所带来的吸收差异也是由这些波段决定的。

由此可以发现，似乎不存在一种理论可以从根本上反驳二氧化碳改变气候论。不仅如此，这个理论提出，二氧化碳含量虽然会变化，但只要这个变化在合理范围内，所造成的温度变化已经足以明显的改变气候。不妙的是平均温度的小小变化就可以对气候造成相当大的影响。例如很多权威机构预估过，假如平均温度降低1.5到8度，地球表面的很多区域将再次被冰川覆盖。类似的，平均温度只要上升4度，那地球的大部分地区都会变成热带气候了。

在讨论二氧化碳如何影响气候的细节之前，有必要先了解一下影响二氧化碳平衡——包括海洋与大气的二氧化碳交换——的各个因素。

大气中二氧化碳的最大消耗者是光合作用，每年大约要消耗60 x 10⁹吨。在稳定状态下，由呼吸作用和腐烂的动植物遗体所释放出的二氧化碳量应该是完全等同于消耗量的，但前提是没有形成新的煤炭，石油和其他有机沉降物。至少目前来看，损失量非常之小（每年0.01 x 10⁹吨），在实际情况中基本可以忽略不计。如果这个吸收释放二氧化碳的稳定状态被干扰了，例如，大气中的二氧化碳含量忽然增加，那么光合作用消耗的二氧化碳也会增加。不过在几年之后，腐烂的遗体和呼吸作用释放的二氧化碳也会随之增加。在光合作用中被用掉的碳元素大约在10年之内会被生物圈返还回大气，所有碳原子返还的时间大约是250年。算上所有会影响二氧化碳平衡的因素，这个有机世界会在几年之内重归平衡。

无机世界中最重要的两个影响因素，一个是由温泉、火山和其他地球内部来源释放出的二氧化碳，一个是火成岩在风化过程中形成的碳酸盐。现在这两个过程刚好基本互相平衡。第一个过程释放的和第二个过程减少的二氧化碳量都大约为每年0.1 x 10⁹吨。所以在只考虑自然因素的情况下，大气中每年被消耗和被返还的二氧化碳量差不多相等。这里所用的数字都只是数量级层面的预估。精确的平均值还需要更细致的估算。

不过最近，人们又为二氧化碳平衡找到了一个新的重要因素。它由Callendar（Guy Stewart Callendar）首次提出，化石燃料的燃烧目前每年向大气释放约6.0 x 10⁹吨的二氧化碳，并且这个数字还在逐年递增。如今这个因素已经是无机世界中最重要的一个。所以人类自身的行为使得大气中的二氧化碳以每100年30%的速度增加。这对气候的影响稍后将会进一步讨论。

海洋是一个巨大的二氧化碳贮存库；一些二氧化碳以气体形式溶于水，但是大部分都是以离子化程度不同的碳酸盐形式存在。基于已知的海水的电离常数，可以计算出相对已知数量的海洋中的碳酸盐，大气中的二氧化碳压为多少可以与之平衡。现在二氧化碳压强大约为3 x 10^-4个大气压；大气中有2.3 x 10¹²吨二氧化碳，而海洋中有130 x 10¹²吨二氧化碳及碳酸盐。所以海洋中的二氧化碳是大气中的50多倍。如果环境条件改变，海洋可以增加或减少大气中的二氧化碳量。

近期Kulp用放射性碳元素确定了纽芬兰纬度的深海海水在1700年前是位于海洋表面的。这表明深海的海水也许需要几万年才可以完成由表面到海底再回到表面的完整循环。但只有海洋表面的水可以从大气中吸收二氧化碳。由于海洋表面和深处的水之间只有很微弱的循环作用，大气海洋系统要想在某种扰乱之后重归平衡所需的时间至少与海水完全循环一次的时间相等。

接下来让我们看一下不同地质时期，大气中二氧化碳含量的不同以及这种不同与气候的相互关系。有趣的是很多气候变化都可以简单自然的被二氧化碳理论解释。

上一个冰川世大约持续了100万年，其中包含四个被间冰期分隔开的冰川期，这是很早以前已经为人所知的了。最近Wiseman研究了深海海底的沉积物，发现有证据表明过去62万年至少有10个不同的温度阶段。似乎冰川世的一个基本属性就是气候会持续波动。冰川范围增大然后消退，如此反复多次直到冰川世结束。没有什么其他的理论能够给出一个简单直接的答案，解释这种长达一百万年冰川世中的气候波动现象。

为了弄清楚这些波动出现的原因，让我们看一个图表，图表的两个坐标轴分别是大气中的二氧化碳含量和大气-海洋系统中二氧化碳的总量。这些曲线是按上文所述的方法计算出来的，前提是假设平均温度的变化与二氧化碳理论预测的相一致。当海洋的体积处于它现在的0.90，0.95以及1.00倍时的曲线都被画出，以为海洋随不同冰川期的体积变化留出误差空间。

现在的二氧化碳分压值（3 x 10^-4大气压）和整个大气-海洋系统的二氧化碳总量（1.32 x 10¹⁴吨）在图中用“P”表示。让我们假设一百万年前二氧化碳平衡还不太稳定，整个大气海洋系统中的二氧化碳总量下降了7%至1.23 x 10¹⁴并且在剩下的冰川期中都维持在这个较低的水平。再让我们进一步假设如果温度降低3.8摄氏度，巨大的冰层会再次形成并覆盖相当大范围的陆地。随着二氧化碳量的降低，大气海洋系统将会最终达到平衡，即图中的“G”点。新的二氧化碳分压为1.5 x 10^-4大气压。根据这个理论这个气压变化将导致温度降低3.8摄氏度，这足以导致另一个冰川期的开始。

假设我们同意权威人士对于冰川的估算数据，即冰山达到它可以达到的最大体积时，含水量约为海水的5%。鉴于永久存在于冰块中的碳酸盐非常少量，海洋在损失掉结冰的水之后，剩下的水中所含碳酸盐就明显超标了。于是它们会释放二氧化碳，从而使得大气中的二氧化碳量升高。

之后大气-海洋系统在大约几万年之后再次达到了平衡，即图中的“N”点。这一点代表的是海洋的体积为目前的95%时的平衡状态，大气中的二氧化碳分压为2.5 x 10^-4个大气压。但是当二氧化碳分压到达这个值的时候，地球表面的平均温度会达到现在的水平。这个温度太高，以致于冰川会开始融化。这个过程大概需要几千年，并使得海洋最终回到最初的体积。如此一来相对海水体积的增长，水中的碳酸盐便不够了；大气-海洋系统的平衡不复存在。海洋会从大气中吸收二氧化碳，直到经过几万年之后再次取得平衡，即图中的“G”点。这个循环会持续下去，但是整个海洋-大气系统的二氧化碳总量会一直保持在1.23 x 10¹⁴吨。一个完整的循环所需的时间与海洋的循环速率有关，估计大约为5万年，或者更久。

气候就这样从冰川期到间冰期持续的波动，直到二氧化碳总量因某个因素改变而升高，从而打破平衡。当二氧化碳总量稍稍减少，低于现在的水平，气候就不会处于平衡状态，而是会持续的波动。另一方面，如果某些因素导致二氧化碳总量大幅下降（大约30%或者更多），那一个永久的冰川期就会到来，没有任何波动。为了更加清晰的解释这个循环中的不同状态，我们假设了一些特定的数字。但是很容易可以澄清的是，已得到的结论中没有一个是需要依靠这些假定数字的计算得出的。还需要指出的是，在这个二氧化碳循环中，如果在每一个阶段海洋都有足够的时间达到碳酸钙平衡，那么图中的曲线形状会有一点改变，但是上文已得到的结论不会有根本的变化。

形成更大面积的冰川除了需要更低的温度，也需要更多的降水量。许多关于气候改变的理论都很难解释降水量增加的现象。例如，在很多关于太阳的理论中，阳光辐射强度的降低使得地表温度也降低。但是同时，促使大气循环运动的能量也降低了。变慢的循环应当意味着云量和降水的减少。于是为了给实际情况中增加的降水量找到一个巧妙但又不需要改变太阳理论的解释，便将冰川期的出现归结为太阳辐射的增加。而略微上升的平均温度则用以解释增加的降水量。

二氧化碳理论则为冰川期的降水增加提供了简单明了的解释。决定一朵云降水量的因素之一，就是这朵云上表面热能的散失量。如果散失量升高，云彩上表面温度就会下降，从而使得上下表面的温差增大。因为这些强烈的对流，这朵云就更有可能降雨。所以平均来看，上表面热能散失更多的云会带来更多的降水。

根据二氧化碳理论，当冰川开始形成的时候大气中的二氧化碳含量会稍低于正常值。由于热能更快的向太空释放，所以不仅是地球表面，云层上表面的温度也会低一些。最近的一些计算表明，若二氧化碳压强变为现在的一半，那么在4千米处的云层上表面温度将会低2.2摄氏度。并且当二氧化碳量降低的时候，上升的能量流将会冲击云层的下表面。因此这种巨大温差会带来更剧烈的上下表面对流；降雨量将会大幅增加。所以根据二氧化碳理论，降温降水就一起来了。

大量地质证据表明，距今最近的两次大冰期都各有其前奏——冰期开始之前的几百万年里都发生过极其剧烈的造山运动。又一次，二氧化碳理论似乎是唯一可以解释二者间为何有这么长时间延迟的理论。大规模造山期时，巨大数量的火成岩抬升出水面，接受风化剥蚀。在多山地区，岩石主动破碎的区域深入地下，影响范围远大于平原地区。而火成岩的风化产物则是碳酸盐，因而使二氧化碳离开大气圈。

二氧化碳理论对于时间延迟的解释是：在大规模造山运动之后，岩石的风化速率加快，大量的二氧化碳离开大气圈进入岩石圈。经过几百万年的消耗，大气二氧化碳含量的降低程度足以引发一次冰川期。根据山脉抬升之后风化速率增加的程度估计，人们计算出这一时间延迟应该在一百万年的数量级上。

但是，造山期伴随着火山喷发和热泉活动，它们必定会从地球内部释放出大量的二氧化碳。要通过风化作用把这些额外的二氧化碳消耗掉，还要多花好几百万年的时间。因此，倘若地球内部释放出大量二氧化碳，那么从造山运动的起始到继之发生的冰川期，实际的时间间隔可能远长于一百万年。确实，倘若二氧化碳的量十分巨大，风化作用甚至可能无法使它在大气中的浓度降低到足以引发冰川的程度——而事实上地史中某些造山运动之后也并没有发生大规模冰川事件。其它的理论——譬如大气中火山灰含量增加从而遮挡了阳光，或者陆地表面平均海拔的抬升，都很难解释为何冰川没有在重大造山运动之后立刻形成。

二氧化碳也可以转化为煤、石油以及其它有机形式埋藏，从而离开大气层；但地质历史上这一转化速率的变化范围极大。在今天，这一转化相对而言不很重要。但是像石炭纪这样的时期，沼泽和浅海广布，生物作用固定的二氧化碳数量可能极其巨大。到石炭纪末期，由于大量二氧化碳被固定在新生成的煤和石油矿藏中，它在大气中的浓度可能降到了极低的水平；而石炭纪末的冰川事件也可能是地球历史上最为严重的，这一事实意味深长。

碳同位素测年的数据表明，近期以来气候变化在南北半球是同步的。二十世纪上半叶，南北半球几乎所有已知的冰川都在退缩。按照二氧化碳理论，此类气候变化也确实应该在两个半球同时发生。半球间的气体交换相对而言速度很快，即使碳平衡中的某个因素在一个半球发生改变，使这里的二氧化碳突然增加，从地质时间的尺度来看也会很快恢复平衡——可能不过几十年。应当提一句，即使两半球大气二氧化碳含量相同，也可能出现其一有冰川而另一没有的情况。倘若某个半球拥有广阔的山脉而另一半球相对平坦，那么冰川可以向多山地区延伸，却无法在同等平均温度下形成于平地上。

二氧化碳理论为冰川期的起始以及冰期中的气候波动都提供了合理的解释。但是什么因素使得二氧化碳总量增加，导致冰川期的结束呢？一种可能是，随着地面剥蚀愈发平坦，岩石风化也相应减弱，消耗二氧化碳的速度放慢。此外，被广布的冰川覆盖的区域，其风化速率很可能降低。因此随着冰川期走向尾声，风化导致的大气二氧化碳流失速率减缓，总量逐渐增加，直到地表温度高到不允许冰川继续形成。地球历史上，大规模的造山运动大概每隔两亿五千万年发生一次，而每一次造山运动导致的大气二氧化碳缺乏时段里，都相应发生了冰川事件。

那么近来发生的全球范围内气温升高又是因为何种原因呢？这一气候变暖趋势会持续下去吗？二氧化碳理论可能会提供答案。上文中我们已经讨论过，燃烧化石燃料每年向大气圈中排放60亿吨二氧化碳。如果这些额外的二氧化碳全部留在大气层中，仅这一项就可以使平均温度每一百年升高1.1度。一项对1900年以来世界温度记录的详细研究表明，平均温度的升高速率正是此值。当然，二者的相符也可能仅仅是巧合。【ENT Note:附文2指出这似乎确实是巧合。】

随着大气中二氧化碳浓度的上升，碳平衡中两个因素可能受到影响。第一是海洋可能会吸收更多的二氧化碳，从而与大气中增长的浓度达到平衡。然而，只有表层海水能够溶解二氧化碳，而鉴于大洋环流的缓慢速率，这一过程很可能要花费近万年才能平衡。当二氧化碳增加时，我们可以假定大气-海洋系统达到平衡，然后计算出可能被海洋吸收的碳量上限；但是在碳突然增加之后的头几个世纪内，实际的吸收额度都将远低于最大值。

第二个可能改变的因素是光合作用消耗碳量；二氧化碳浓度增加后可以维持更高水平的光合作用。前文已讨论过，这一过程可以暂时地从大气中把部分额外的二氧化碳固定到生物圈里。但是，不用几年时间，呼吸作用和分解作用速率的增加就会把这一进程拉回平衡点，最终只会有极少量的二氧化碳可以永久离开大气圈。因此，看样子大部分进入大气额外的二氧化碳都会留在那里，至少待上几个世纪。

尽管二十世纪上半叶全球气候的变化到底是不是由工业活动的增加所导致，仍然存在一些问题；但是毫无疑问，随着工业活动的增加，它导致的后果将愈发严重。几个世纪以内，人类向大气中释放的二氧化碳就会积累到足以给气候带来深远影响的程度。

考虑到工业增长的因素，保守的估计表明，已知的石油和煤储量将在约1000年之内用尽。倘若事实如此，那么就会有多达4 × 10¹³吨的二氧化碳在此过程中进入大气，此数值是大气中现有量的17倍；而大气-海洋系统的总二氧化碳量则会从1.32 x 10¹⁴吨增加到1.72 x 10¹⁴吨。即便假定在一千年之后大气和海洋能够达到平衡，大气中最终的二氧化碳分压仍然会达到3 x 10^-3个大气压，这是当前值的10倍；仅此一项导致的升温就可高达13.4摄氏度。诚然，海洋二氧化碳的增加会导致海底碳酸钙的缓慢溶解；但就算我们进一步假定碳酸钙溶解的过程也能达到平衡，二氧化碳分压仍然会高达1.1 x 10^-3个大气压，对应升温7.0摄氏度。最后这个数值只是因人类工业活动升温的下限，因为时间太短，所有的过程不会都达到平衡。而我们对能源的需求增长得如此之快，即便是核燃料的应用都不大可能对化石燃料的使用量产生重大影响。

不幸的是，很难找到直接的证据来指示过去地质时期里的大气二氧化碳浓度。事实上，就是在二十世纪上半叶，通过直接测量也不太能确定二氧化碳浓度是否在升高。按照测量数据直接绘出的图表可以很好地拟合成一条直线，逐渐升高，在五十年内升高百分之十。但是，大部分测量的概率误差都太大了，致使最终结果并非十分有把握。鉴于此数值对于气候的重要性，我们应当在全球多个地区建立常规的二氧化碳浓度监测站，持续几十年。考虑到二氧化碳浓度和气团（整体运动的大团空气）曾经历的地区以及季节因素都有关联，为获得可靠的平均值，我们需要大量的测量。这样，凭借现有的分析手段，目前预言的速度——每十年升高百分之三——应该很容易检测出来。至于更早时期的二氧化碳浓度，迄今为止我们还只能泛泛地讨论影响碳平衡的可能因子，无法深入研究。但是，倘若我们能进一步探明大气-海洋平衡，并测量出古海洋温度和古碳酸盐沉积速率，我们可以推算出过去历史时期内二氧化碳的浓度。

一些有趣的证据表明，大气二氧化碳含量在过去有一段时间比现在要多得多。我们知道，植物在五倍到十倍的大气二氧化碳浓度下会生长得极为旺盛和迅速。实际上在温室里人们有时人为释放二氧化碳来促进生长。植物对光的适应近乎完美，可以最大程度地利用太阳光的光谱和强度以便光合作用；相比之下奇怪的是，为什么植物没有把自己调节成更适于现在的二氧化碳浓度呢？对此事实最简单的解释是，植物诞生时大气二氧化碳含量比今天要多得多，而后续的大部分时间里二氧化碳也高于现在。地球历史上大部分时间的平均气温都高过现在，很可能与此有关——事实上地质证据表明，自从寒武纪以来，百分之九十的时间气温都比现在温暖。

海水pH值的变化为过去的二氧化碳含量提供了更多的证据。当大气-海洋系统处于平衡时，对于任意的大气二氧化碳含量，有一确定的海水pH与之对应。此外，很多海生动物对于pH值十分敏感，通常而言较高等的海洋生物要比低等的更敏感。譬如，倘若pH改变超过0.5，鲱鱼就会死去；但是像海胆、硅藻和其它藻类这样的生物忍耐范围超过1.0。

这一事实暗示，自从这些动物演化出来到现在，海水pH值的变化幅度并未超越上面提到的范围，或者充其量也是极其缓慢的改变，让这些动物有足够的时间去适应新的环境。然而，即使用最严格的要求——海水pH改变量不得超过0.5，大气二氧化碳含量要上下波动五十倍才能和海水保持平衡。因此，大气中可能发生过二氧化碳的巨大改变而不影响海洋和陆地生物；而在更长的时间尺度上，动物甚至可以适应更大程度的变化。

所有关于碳同位素测年的计算都是基于大气二氧化碳浓度不变的假定。假如本文提出的大气二氧化碳浓度改变的理论成立的话，那么末次冰期中二氧化碳的减少将意味着冰川退去之前的所有碳同位素定年都需重新校正。

其它能够吸收光谱红外部分的气体，倘若浓度或者分布发生了变化，也会以类似于二氧化碳的方式影响到地表温度。臭氧和水蒸气是已知仅有的两种既吸收红外线又在大气中有足够浓度、能产生可见的效应的气体。至于这些气体浓度的变化对大气将有何种影响，相关的讨论很少，毕竟这些改变似乎和确定的地质因素没有直接关联，不像二氧化碳与造山运动和冰川那样明显。但是，近来的计算表明，臭氧分布的改变确实可以对地表温度产生可见的影响。正常情况下臭氧大部分集中于同温层，在低海拔地区含量相对较少。但是垂直气流运动偶尔会将大量的臭氧从同温层带到近地面处，使近地臭氧含量大增，并足以使地表温度提高几摄氏度。

相对湿度与高度有关且常常改变，因此水蒸气也可对地表温度产生类似影响。诸如此类相对快速的温度变化是叠加在二氧化碳的影响之上的；相比之下二氧化碳变化的作用在较长时间内更加持续和稳定。但是，水蒸气也可能产生长期效应，因为随着温度的降低，大气可容纳水蒸气总量会迅速下降。在冰期中大气的容水量很小，因此来自地表的红外辐射能量更容易逃逸至太空中。所以，一旦冰期开始，水蒸气对于红外辐射能量的影响将使地表温度进一步降低。这一时期增加的云量也会将太阳辐射反射回太空，加剧了温降。总之冰期时温度的下降程度很可能要比单从二氧化碳理论计算出的幅度还要大。

人们业已提出许多不同的气候变化理论。随着我们不断发现新的关于历史上气候变化的证据，每一种理论为了解释已知事实都将受到愈发严厉的检测。对于余下的半个世纪，每一种气候变化的主要理论给出的气温变化趋势预测都不尽相同。当二十世纪结束时，把实际记录和这些预测对比一下，将是对这些理论的一个重要检测。

太阳周期理论认为气温将会在几十年内趋于降低。在最近一次太阳黑子的80年大周期中，其活动峰值很可能发生于1947年。因此，当我们用取平均值的方法剔除较短周期的干扰之后，我们应当发现从太阳获得的总能量（包括紫外线）将会在几十年内持续减少。另一方面，除非测量显示出太阳辐射量相应地持续增长，否则太阳周期理论将无法解释平均温度的持续上升

地球大陆平均海拔的提升极其缓慢，显然不可能用来解释几个世纪内的温度变化。不过，火山灰理论则预测，当火山活动向大气中喷入大量火山灰之后，几年之内温度将会有可见的降低。上一次此类喷发是1912年，阿留申群岛的Katmai火山。要想获得足够的数据用以验证该理论的预测，还需要等待更多的此类火山喷发。就目前而言，很有可能是火山产生了小规模气候扰动，而大趋势则由其它因素决定。

另一方面，二氧化碳理论是唯一一个预测在本世纪余下的四十余年里平均温度将持续上升的理论，根据就是工业活动导致的大气二氧化碳积累。事实上，几个世纪之后由于这个因素导致的温度升高幅度可能会很大，以致对我们的后代产生严重威胁。从大气中人为移除大量的二氧化碳将是极端费时费力费钱的举动。倘若在二十世纪末，平均温度持续增长，而更多的测量表明大气二氧化碳也随之增长，那么我们就可以有把握地认为，二氧化碳是导致气候变化的一个决定性因素。