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二氧化碳作为温室气体的效力强于水汽，但比甲烷要弱一些。然而，考虑到它在地球多处都有现身，它的故事可谓是独一无二。曾几何时，在大气层中有着大量的二氧化碳，不过现在基本都存到地壳里去了，也有一小部分存在海洋和生物圈里（马上就要展开说了）。但是，就算只是这巨大储量的极小部分被释放出来，也要花相当长的时间才能将它从大气中再次清除。因为二氧化碳不会像水汽一样变成降水，也不会像甲烷一样快速反应掉，对二氧化碳而言最快也最有效的沉降方式是溶解在海洋中，但这个方式也缓慢得不行（稍后详述）。所以，二氧化碳会长期逗留、积聚在大气中长达几个世纪甚至更久，并由此大大地影响气候。
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地球上有很多重要的自然反馈机制会增强或抑制气候的波动，其中一些与二氧化碳有关。如果一个反馈回路是正向的（正反馈），就会增强气候变化；如果是负反馈，就会令气候稳定。比如，板块构造活动提供了重要的负反馈机制，使气候可以在数亿年的时间里保持稳定。此外，无论天气、季节还是气候如何变化，板块构造活动都会照常进行，也就保证了负反馈一直起作用，无论地表发生什么。实际上，像我这样的地球物理学家很喜欢去烦我们的气候学同仁，宣称气候学中最重要的就是板块构造活动。这说不定还是真的。
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板块构造反馈又叫作构造碳循环或是地质碳循环，包含几个步骤：首先，板块构造活动将新矿物从地球内部，也就是从地幔和地壳深处输送到地表。这份工作由火山活动和造山运动完成，板块分裂扩张的洋中脊是火山活动的一个地点，另外在俯冲带和碰撞区域上方，板块俯冲下潜到另一板块之下沉入地幔，被拉入这个区域的陆地则被挤压、折叠堆积起来，导致火山活动和造山运动；这种输送也发生在像是夏威夷那样的海洋热点区域，但在重塑地表的工作中，热点区域起的作用很小。在新矿物被带到地表之后，遭遇雨水也好，坠入江河湖海中也罢，都会与水及二氧化碳一起发生化学反应。具体来讲，二氧化碳溶解在水中（尤其是雨滴中，因为雨滴有很大的表面积），从而形成弱酸（实际上就是碳酸，跟碳酸饮料里的是一样的），就会与硅酸盐矿物发生化学反应，产生碳酸盐矿物（像是石灰石和大理石）。通过这种方式，二氧化碳就被从大气中抽吸出来，通过水结合到矿物中，储存到岩石里。如果这些反应产生的矿物质就这么留在原地，就会形成薄薄一层碳酸盐地壳，阻碍更深处的矿物发生反应，最终提取二氧化碳的工作就会停下来。好在还有雨雪风霜、江河冰川侵蚀掉这些矿物，与之发生反应并将之冲进海洋。侵蚀有助于把板块运动输送上来的新鲜矿物暴露出来，使之能继续与二氧化碳反应，让提取工作继续进行。
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侵蚀过程本身会将地球表面磨成一个平面（让整个地球光滑得像台球一样），这个平面会被海洋盖住，从而不再产生进一步侵蚀，二氧化碳的提取工作也会慢下来甚至完全停止（取决于地球表面究竟在海面以下多深，不过这个问题太复杂，我决定还是绕开它为好）。但板块构造活动可不只是带来新矿物而已，它还会不断建起火山、挤出山脉，让侵蚀循环可以畅通无阻。随着被侵蚀的矿物冲进了河流、湖泊，最终进入海洋，碳酸化反应也一路持续，因为水体中都溶解了大量二氧化碳，从而有了酸性。今天大量的海洋碳酸化反应都是通过生物调节实现的，也就是珊瑚礁和浮游生物（例如有孔虫和颗石藻）生成贝壳的反应，但无论如何，碳酸化都会一直进行下去。也正是因为有不间断的碳酸化反应，早期地球大气里的那些二氧化碳（约有60倍标准大气压），绝大部分都变成碳酸盐被束缚在了海底。古代的海底被板块运动推挤、抬升，变成了山脉和陆地。所以，要是没有对二氧化碳的这项地质提取工作，我们的大气层就大致是金星那副模样了。
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然而，二氧化碳并不是真的永久储藏在地下。具体来讲，在活动板块下潜沉入地幔时，俯冲带最终将海底碳酸盐也吞进了地幔里。在地幔的高温环境下，这些岩石中的二氧化碳就被烧了一部分出来，轻轻松松溶解在俯冲带上方熔融状态的地幔中（虽说就像第四章介绍过的，地幔的熔化要归因于水，而水也是从下沉的板块里给烧出来的），在火山爆发时又变成气体回到大气。不过也有些碳酸盐熬过了地幔的灼烧，随后很可能被拽到底下，与深处的地幔混合起来。确实，人们认为地幔反正是保存了大量的碳，尽管浓度并不很高。但考虑到地幔的巨大体积，地幔中碳的净含量恐怕要比地壳和海洋中的地表储藏量大得多，只不过目前这还是极富争议的活跃话题。在地幔中有显著含量的碳，最直接的证据就是钻石。钻石是碳的稳定形态，深埋在几百千米以下的地幔中，并且经常会随着岩浆快速上行“入侵”地壳，并留在被地壳困住的岩浆中。入侵产物中最为知名的莫过于金伯利岩，首次发现于南非一个名叫金伯利（Kimberley）的小镇，并因此得名。火山爆发带来的钻石显然并不能对大气中二氧化碳的含量有多大贡献，但除此之外，地幔也在通过位于洋中脊处的别的火山活动释放二氧化碳，以及，较小的程度上，在像夏威夷那样的热点区域。因此，大气中的二氧化碳有来自地球内部的补充，尽管缓慢但还算稳定，也不会全都被风雨侵蚀出去。这样一来，二氧化碳的缓慢供应便足以保证行星地球的温室覆盖层起到保暖作用。
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这样的地质碳循环——风雨侵蚀新鲜矿物从而提取出二氧化碳，又由火山活动对二氧化碳进行补充——是一个有显著证据支撑的假说，对气候有至关重要的负反馈作用，而这在我们这个故事里就相当于压轴大戏。（这个仍富有争议的负反馈假说，有时又叫作“沃克世界模型”，以詹姆斯·沃克［James C.G.Walker］及其同僚的杰出工作而命名，与更为繁复的“BLAG模型”有异曲同工之妙，后者是我在耶鲁大学从前的同事罗伯特·伯纳[Robert Berner]等人的心血。）对矿物的风雨侵蚀作用由地表温度通过几种方式决定。首先，温度较高会让更多水蒸发，水汽上升凝结变成冰雪之后也就会有更多降水，带来更多的侵蚀作用。（山脉也有助于降水，因为风会将潮湿气团往山坡上吹，在海拔更高的地方水汽更容易凝结。）其次，碳酸化反应也就是风吹雨打带来的反应（新鲜矿物因此变成碳酸盐）在较高温度下进行得更快。因此，如果由于大型火山爆发、森林大火或是对矿物燃料挥霍无度（嗯哼），过量二氧化碳释放到大气中，因温室效应加热带来的升温就会造成更多降水和侵蚀，对矿物的冲刷也加快了，这些全都会将二氧化碳提取出去，于是含量回落。（但这种提取耗时数百万年，因此并不能将人类从挥霍无度的生活中解救出来，除非我们能想出办法让这个过程快马加鞭。）同样，要是二氧化碳水平陡然下降，这在很遥远的过去可能发生过（详见下文），缺乏温室效应加热就会让气温下降，进而限制蒸发、降雨、风雨侵蚀，这就会阻碍二氧化碳提取工作，使它的含量水平不至于降到更低；同时火山活动还在缓慢释放二氧化碳，提升其含量。这样一来，板块构造活动保证了二氧化碳水平和气温都既不会太高也不会太低，至少从相当长的时间尺度（几百万年乃至几千万年）来看是这样。总之，构造旋回使气候在长达几亿年的相当长时间内都能保持相对稳定。不过我们说的“稳定”，意思是不会有幅度高达好几十摄氏度的变化，但地球仍然有可能深陷冰河世纪，或者跌入全球结不出一块冰的酷热。
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气候波动如果较为适中，生命和复杂生命还能演化、存活，但要是有灾难性的波动，生命就在劫难逃了。比如说，失控的温室效应会释放出几乎全部可获取的二氧化碳，蒸干绝大部分海洋，把地球变成真正的地狱，就像金星一样。还好，板块构造活动有效抑制了气候的大型剧烈波动。
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在循环的板块构造之外，海洋、大气圈和冰雪覆盖层也对气候变化有强烈的正反馈作用。这些反馈之所以是正向的，是因为它们增强而非抑制了我们接收到的太阳能量的细微变化。这些变化的原因是太阳辐射波动，以及叫作“米兰科维奇循环”的地球公转与自转的小变动。
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米兰科维奇循环是由20世纪早期塞尔维亚人米卢廷·米兰科维奇（Milutin Milankovic）提出的，他既是天体物理学家，也是地球物理学家。他认为地球自转和公转的变化会导致我们观测到的冰川循环，周期达数万年。米兰科维奇循环描述了三个基本的循环。周期最短的是由地球自转轴的变动引发，自转轴会像陀螺一样慢慢转动，每转动一整圈要花26000年，这个过程叫作进动。进动会使季节发生改变，因此再过13000年，1月份在北半球会变成夏天。第二个循环描述的是地球自转轴倾角的摆动，周期是40000年。摆动的两个端点，一个是比现今状态稍稍更直立一些（也就是更垂直于太阳系盘面），另一个则是比现今状态再倾斜一点，目前的倾角处于两个端点之间。这一摆动会改变“季节之间的变化”（seascnal variation），地球倾斜得越厉害，就会让冬天越冷，夏天越热。最后一个循环是地球的公转轨道会在更接近正圆和更扁一点的椭圆之间来回变动，大致以10万年为周期。这个循环造成了地球在轨道上跟太阳距离的各种变动。这些循环的结合，再加上地球南北两个半球之间的不对称（要归因于陆地和海洋作为不同的覆盖面，对阳光的吸收量不相同），就导致了地球吸收光照量的变动，这些变动分别大致以2万年、4万年和10万年为周期。这些循环已经得到了确证，证据就是深海沉积物中的气候记录。
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米兰科维奇循环导致的地球接收光照变化，实际上很微弱，很难察觉。不过，海洋和大气圈的正反馈放大了这些变化，使它足以启动周期达数万年甚至数十万年的冰河世纪循环（就是冰期和间冰期）。这样一来，当板块构造活动在尽力安抚气候中的大波动时，海洋和冰帽却在大吹大擂，虚张声势，就像演技糟糕的演员或是科学记者一样（有那么点开玩笑了）。
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海洋中能溶解的二氧化碳量决定了一种重要的正反馈机制。这个溶解量极大，比今天大气中的二氧化碳含量要大得多，但比束缚在地壳中的碳酸盐含量又小得多。无论如何，温暖的海水溶解二氧化碳的能力比起冰冷的海水逊色不少，由此产生了一些重要后果。
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想象一下，如果在海洋和大气层中的二氧化碳浓度彼此平衡，那么谁都不会损人利己来增减自己的浓度。而如果在某个米兰科维奇循环期间平均地表温度上升，海洋升温导致自身溶解二氧化碳的能力下降，一些二氧化碳就会被释放到大气中。额外添加到大气中的二氧化碳带来更多温室效应，也会令海洋进一步升温，进而又释放出更多二氧化碳，每况愈下；同样，如果在某个冰期循环中温度下降了，变冷的海洋会吞下更多二氧化碳，造成进一步降温。总之就是，海洋的回应是一种正反馈，气候变化因此增强。海洋回应起来慢条斯理，这是因为需要成百上千年海洋里的水才能充分混合（前一章已提及）。不过，比起米兰科维奇循环带来的变化速度，海洋可以说是相当快的了。
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既然我们已经说到了海洋对于变暖的回应，最好也关注一下海洋对于来自二氧化碳的压力的反应，也就是，海洋对于从别的储藏地（诸如火山爆发、生物质或是化学燃料的燃烧）中释放出二氧化碳的反应。跟上面一样，如果海洋和大气中的二氧化碳浓度互相平衡，但接着有过量二氧化碳倾泻到了大气中，海洋就会溶解其中的一部分，且基本通过高纬度地区下降流的冰冷海水，将这部分二氧化碳带到海洋深处。这个进程同样十分缓慢，因为海洋循环实在太慢了。也正因如此，过量二氧化碳实际上会在大气中滞留好几个世纪。此外，大气中多出来的二氧化碳最终会令海洋升温，火上浇油般从海洋里驱出更多二氧化碳，最终这些二氧化碳会在大气中存留更久，富集起来。（生物区系——就是花草树木——也会通过光合作用提取二氧化碳。但生物体的死亡和降解又在释放二氧化碳。所以只有全球生物总量有所增长，或是死亡的生物体深埋地下以免腐烂时——变成了矿物燃料——对二氧化碳的生物提取才有净效应。然而很明显，砍伐森林和燃烧矿物燃料会抵消这个净效应。）
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另一个重要的正反馈来自南极和北极地区的冰帽。冰雪覆盖层将阳光反射回太空，因此限制了地球吸收的太阳能总量。但如果气温较高，冰雪融化，反射掉的阳光较少，地球表面就会进一步变暖，促使更多冰雪融化，如是循环。同样，要是气温下降了，冰雪覆盖层就会增长，反射掉更多阳光，造成进一步降温，形成更多冰雪，如是往复。
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陆地冰雪的融化，像是冰川以及目前覆盖格陵兰岛和南极洲大陆的冰帽，也会造成海平面的变化。在今天地球迅速升温的气候中，这个变化极为显著，通过低地岛屿的消失就可以明显看出（例如印度洋里的马尔代夫群岛）。漂在海里的冰山融化不会产生这样的效应，这是因为这些水原本已经在海里了，尽管水域温度的净变化还是会因为热胀冷缩造成海平面的小幅变化。举一个极端的例子：如果格陵兰岛和南极洲的冰帽全都融化，海平面会因此上升大约70米，这意味着世界上绝大部分沿海城市都会轻轻松松被淹没。冰的消融还可能通过影响火山释放气体从而对气候产生正反馈作用。具体来讲，从火山上除去冰川的重量，减轻了对底下岩浆的压力，岩浆就会咕咕冒泡（就像打开汽水瓶盖那样），随之爆发。因此，增温和冰川消失可能会使火山释放出更多二氧化碳，带来更大增温，如是循环。不过，这还是一个新出炉的理论，由哈佛大学地球科学家彼得·豪伯斯（Peter Huybers）及查尔斯·朗缪尔（Charles Langmuir）共同提出，目前仍有较多争议。
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来自海洋（及它溶解的二氧化碳）与冰帽的正反馈，增强了气候中无论是加热还是冷却的任何细微波动。如果某个米兰科维奇循环导致地球多吸收了一点额外的阳光，这些正反馈会使气候变得比单单只是得到这点阳光要热得多。同样，如果米兰科维奇循环带来冷却，正反馈会令气候系统变得冷过头。这样的过度反应经年累月，得花上多少年甚至多少世纪才能奏效，但对持续几万年甚或更久的米兰科维奇循环来说，这已经足够快，足够放大这种循环了。以这种方式，我们的气候有了大起大落的波动，形成了2万年到10万年的冰期循环。最近一次的冰河世纪，结束于大约12000年前，并开启了人类文明的黎明。
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从深陷冰河世纪到全球皆是热带，地球上的气候有过万千变化，我无法一一详述，但我们可以了解其中一些精彩片段。第一个就是，有证据表明在不到10亿年前，也就是多细胞生物出现之前，地球至少有一次整个都被冰川覆盖，也就是说被冰雪层层包裹起来，这叫作“雪球事件”。在低纬度热带地区（比如非洲西南部纳米比亚的古地质矿床中）发现了来自这一时期的岩石，就是被当时扩散的冰川携带去的。类似事件后来再没发生过，可能因为只有在那会儿才有恰好合适（或落井下石，就看你的立场了）的各种反馈的结合，使得气温一泻千里，掉进全球冰冻事件中。
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有一个假说完美解释了上述我们说到的所有状况，就是认为，地球有过一个重要的超级大陆，地球科学家称之为罗迪尼亚大陆（Rodinia）。跟另一个众所周知的超级大陆“盘古”不大一样的是，罗迪尼亚大陆以赤道为中心。当这块大陆解体时，它从裂缝中创造了更多的岩浆和新鲜矿物（正如今天的东非大裂谷），在热带分裂成了几块更小的大陆，更多暴露在了潮湿的海岸环境中。热带比别的地方有更充裕的阳光，因此地球上的水分蒸发及降雨，绝大部分都发生在这里。这对于新分裂出来的后罗迪尼亚大陆来说，就意味着狂风暴雨、剧烈侵蚀、大气中的二氧化碳被过量提取。尽管这通常也应该带来降温，并因此使降雨受限，但热带的气温可不会有那么大的变化。因此有限的降温并不能改变热带大陆暴露在大量降雨当中的情形。当降温继续进行，冰帽增长，就会通过反射更多阳光来增强冷却效应。通常来讲，如果大陆位于纬度较高的地区，就像它们如今这样，那冰盖就会遮盖大陆，使之免受风雨侵蚀，也会对二氧化碳提取加以限制，从而缓解冷却效应。但当大陆位于热带地区，冰盖就主要在海里，无法保护大陆。总之，冰面扩张、风雨侵蚀岩石，基本上都在无拘无束地进行，一直到南北两个半球的冰帽增长到非常大，反射了非常多的阳光，于是再也没有什么能阻碍冰帽增长。最后两个冰帽在赤道几乎（或是完全）合二为一，把行星地球整个包在冰里达几千万年。
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幸好，海洋底下还保有小块小块的液态水，生命有赖于此躲过了这场灾难。而最终，地球也从这一事件中恢复了元气，这（当然）是因为板块构造活动亦步亦趋赶了上来。简单来讲，全球冰盖和冰点气温阻断了风雨对岩石的侵蚀，使二氧化碳不再被进一步提取；相反地，在俯冲带（比如火山弧）以及洋中脊持续进行的火山活动会释放二氧化碳，使温室气体水平复原。越积越多的火山灰很可能也有助于把冰面搞得脏兮兮，这样冰面的反射率就降低了。最终，地表又暖和起来，地球这颗行星逃离了冰冻状态。最近一次雪球事件刚好结束于多细胞生命诞生之前，也就是大约6亿年前，这可能是一项助力，触发了复杂生命的兴旺繁盛，也就是寒武纪生命大爆发。
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地球同样也有过几次重大的升温事件，使整个星球都酷热难耐，冰盖完全消失，甚至北极圈内都一片热带风情，在那儿已经发现了棕榈树和史前鳄鱼的化石。最令人瞩目的一次升温事件发生在大约五六千万年前，叫作始新世的年代里，按地质学标准的话，是在恐龙被尤卡坦半岛的小行星撞击事件一扫而空之后没多久。恐龙就是生活在气候十分温暖的年代，只是没有始新世那么暖和。始新世的大气中二氧化碳水平很高，这些二氧化碳很可能是北大西洋的大陆解体、撕裂时，从今天的巴芬湾喷涌而出的大量岩浆正好遇上了海底富含碳酸盐的沉积物，于是灼烧、释放出来的。始新世也标记了几次剧烈的超级增温事件，叫作“过热事件”（hyperthermal），其中一次极为引人注目，学名“古新世—始新世极热事件”（PETM），达到了记录在案的温度极值。（当然，这里的“记录”，并不是真的指有人在彼时彼地测量温度和二氧化碳水平，而是指这些数据可以间接测量到，因为温度会影响海洋和有机体吸收氧及碳的同位素的方式，而这些同位素含量水平，实际上就是某给定元素不同同位素的数量之比，记录在了岩石和化石里。这样一来，测量这些同位素也就相当于测量温度、二氧化碳水平等等。）
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古新世—始新世极热事件极为短暂，可能的诱因是海底释放的甲烷。即便今天，海底的微生物也还在大量生产甲烷，并冰封在一种叫作笼合物的冰里。火山活动释放的二氧化碳（通过灼烧沉积物）带来的升温也会加热海水，如果热到能融化笼合物，便会释放出冰封着的甲烷。甲烷是温室效应极强的气体，会使气候和海洋都进一步升温，于是更多笼合物融化，如是往复，进入强烈的温室效应正反馈。然而，由于大气中氧的含量很高，甲烷会在不到10年里就分解掉，被相当快地从大气里清除出去（实际上是变成了水汽和二氧化碳，这二者的温室效应要弱一些）。甲烷的这些特性，可能就是为何这一极热事件如此剧烈又如此短暂的原因。
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从始新世以来的最近5000万年，地球经历了持续的降温。始新世的澳大利亚和南极洲还连成一片，海岸线朝北向着赤道凸出，伸进温暖的海域。紧贴海岸线的洋流因此会将温暖的海水从温和的气候带向南输送到南极洲的极地，使南极洲保持温暖，不会结冰。但后来澳大利亚从南极洲解体了，朝北向着亚洲移动。南极洲的海岸洋流于是被困于冰冷的极地海域中，就跟今天一样，这叫作绕极流，不再有更暖的海水被输送而来。这在南极洲造成了大幅降温，冰帽开始增长，引发更多降温，推动更多冰层成形，如是往复。
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澳大利亚次大陆向北移动是板块构造活动的一部分，同一个板块构造活动也使印度板块与亚洲板块相碰撞，喜马拉雅山脉因而隆起。这座巨型山脉的出现，很可能也让大量的风雨侵蚀及对二氧化碳的清除在此发生，这就是雷默—拉迪曼假说，以美国古气候学家莫林·雷默（Maureen Raymo）及威廉·拉迪曼（William Ruddiman）共同命名。山脉通常能引发降水，因为潮湿气流会被吹向山坡上海拔较高、气温较低的地方。此外，夏季时大陆增温，会在陆地上形成对流性的上升气流，于是海洋上的潮湿气团就被吸过去填空，这样就在陆地上形成了降雨降雪，以上现象称为季风环流。总之，新近隆起的喜马拉雅山脉引发了更多降水，带来了更多风雨侵蚀，因此对二氧化碳的提取力度更大，由此放大了长期的降温趋势。
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不过在这5000万年的降温中，南极洲在大概3000万年前又一次失去了冰盖，要到再过1500万年的中新世时才失而复得。从中新世开始，地球有了冰帽，近几百万年的气候史细节也更容易弄清，因为有更多的气温“指标”可以测量，这些指标就在冰芯、树木年轮、洞穴沉积物等等之中。这些告诉我们，在最近这几百万年里，反复出现过数次短暂的冰期（也就是冰川事件），分别持续数万年至数十万年不等，这些周期与前面说到的米兰科维奇循环完美贴合。
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最近一次主要的冰期发生在更新世，期间气温虽也有过短暂起伏，总体上还是从大约260万年前一直持续到了约12000年前，也就是人类文明的肇始时刻。但就算从大约700万年前人类出现（晚点我们再来细说这个）算起，地球已经一直有强烈的降温趋势，实质上就是处于冰河世纪，因此在人类存在的所有时间里都有冰帽相伴。简而言之，我们是冰河世纪的产物，没有演化成可以在始新世那样的环境里生存的物种。很大程度上，这也是为什么格陵兰岛和南极洲的冰帽消失对于我们是祸从天降：就算不去考虑由此带来的海平面剧烈变动，我们也会发现自己将身陷整个人类物种从未经历过也从未想要适应的地球环境之中。
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