冰雪包裹的「雪球」地球。圖片來源：celestiamotherlode.net
人類科學家一直期望了解大氣層中的二氧化碳和地球氣候系統之間的關係，一些通常的做法是運用科學模型和現實觀察進行科學研究。不過最近一段時間，科學家又把眼光放到了遠古時期。發表在《美國國家科學院學報》上的一篇論文表明，過去24億年裡，活火山不斷釋放大量的二氧化碳將地球從此前的「雪球」狀態中解放出來。而在《科學》發表的另一篇論文則認為，2.5億年前存在一系列的火山大爆發，不僅釋放了足夠的二氧化碳才徹底將地球變暖，同時也使得海洋變酸，90%的海洋物種死亡，三分之二的陸地生物隨之滅絕，這也就是大滅絕時代。
兩篇文章都顯示大氣中的二氧化碳濃度對地球氣候的影響是巨大的，所以可推知即使我們現在排放的少量二氧化碳也會對地球環境產生顯著影響。
哈佛大學榮休地質學家保羅·霍夫曼（Paul Hoffman）在上世紀九十年代幫助完善了地球曾經是「雪球」的理論假說：遠古時期大陸逐漸漂移到離赤道更近的地方，那裡的二氧化碳經雨水被攜帶到地球表面，由於和巖石發生了化學反應，不能再從太陽吸收熱量，從而導致地球逐漸變冷，致使海冰逐漸蔓延到今天的溫帶地區，同時海冰會將更多的日光反射回太空，加劇了地球變冷過程。
幾個大陸的冰川沉積物證明確實發生過這種現象。霍夫曼介紹：「冰原曾經在南北半球延伸到幾近赤道的地方。過去大部分地質學家都反對這一觀點，但現在基本都接受了。」 反對所謂「雪球」假說的論證認為，如果地球完全結冰封凍，那麼冰層將很難融解。但顯然，不論過去還是現在，二氧化碳都在融冰過程中起到了重要作用。
最近的新研究在此理論基礎上較為準確地估算了當時地球的確切溫度。德國哥廷根大學的地質學家丹尼爾·赫瓦茨（Daniel Hewartz）表示，根據在格陵蘭島以及南極洲冰蓋採集到的遠古冰芯，可以測算過去不同時期的氣溫。此外，冰樣中包裹的氣泡讓科學家得以測算不同時期空氣中的二氧化碳濃度。
但是冰樣最多只能回溯到80萬年前，因此赫瓦茨與同事們又將目光投向火山巖。不同時期的火山巖漿在冰蓋融水中冷卻，生成的巖石中會包含當時冰蓋融水中的氧元素，通過測定不同重量的氧原子，便可回溯測算不同時期的地球氣溫。
霍夫曼表示：「這一方法的創新之處在於能夠定量計算冰原表層之上的氣溫。」主要的缺陷在於可滿足研究需求的巖石分布有限，並且對於其所處時期的判定還存在不確定性，「還無法清晰揭示更大範圍的地理學圖景」。
海洋酸度是大氣超量二氧化碳濃度的印記。地球結束雪球時代的時期，與海洋酸度極高之時具有高度一致性。《科學》雜誌發表的研究表明，在大約2.52億年前，海洋酸度急劇升高，當時地球正發生科學所知最大程度的物種滅絕。例如在二疊紀-三疊紀或者二疊紀末發生的物種大滅絕就導致了大量的物種消失，尤其是海洋生物。
愛丁堡大學參與此項研究的瑞秋·伍德（Rachel Wood）表示，大量釋放的甲烷是地球顯著變暖的一部分原因，「現在我們又知道了一個新的因素」。海洋酸化的證據來自遠古時期的石灰巖。當巖石形成之際，酸性環境決定了硼元素與之發生化合反應的方式。因此，不同時期的石灰巖沉積其硼含量多寡也會有細微差別。
伍德及其同事在西伯利亞的廣袤地區發現了大量由一系列火山爆發形成的火山巖，它們能夠佐證二氧化碳的釋放並導致海洋酸化。伴隨物種滅絕的海洋酸化「一直是科學家們的猜測，但是此前一直沒有得到證明。」這一酸化過程歷經10000年左右，其間每年釋放的二氧化碳很可能少於現在人類每年排放的二氧化碳，但是累積起來足以將海洋變成一個有毒的巨型酸水池。
伍德補充說，「讓人擔憂的是我們已經看到海洋酸化的跡象」，例如由於海水酸化腐蝕，貝類動物生成貝殼耗能增大，「海洋隨二氧化碳日益增加而產生的反應十分複雜，我們很難發現物種滅絕的臨界點」。
上述對遠古時期二氧化碳與氣候變化的關係研究還有待進一步的確證，但是其結果與過去一個世紀以來科學家們揭示的氣候變化圖景高度吻合，二氧化碳不僅在十億年前是驅動氣候系統變化的關鍵因素，今天依舊如此。不同之處在於人類對於向大氣中排放的二氧化碳已經有了有一定的控制能力。（常旭旻 編譯）