在地质历史时期中，地表气候系统会发生重大改变，比如全球性长周期冷暖（冰期-间冰期）模式，以及短周期以及区域性冷暖模式（千年百年尺度的冷暖旋回）波动。这些模式归结于古海洋学的研究范畴。至于更短的十年尺度以及年季尺度，可归结为现代气候研究。

在全球温度变化的大背景下，其中最为重要的反馈成分是全球CO₂的循环。

CO₂是一种温室气体。太阳光射入到地球表面，加热大地，变热的地面物质会辐射红外光。当这些红外光反射到大气层时，会被CO₂吸收，同时一部分被大气层重新反射回地表。于是地球就像穿了一件热外套，地表温度会逐渐升高。

相反，如果大气中的CO₂减少，地球的温度也会相应下降。

C原子会在无机和有机界进行循环。地球生命，无论是否利用氧气呼吸，其身体骨架都是由C组成的。这取决于C有良好的性质，它外面有四个电子。其中两个电子可以被用来和左右两个C的电子形成共价键，就像手拉手一样，形成骨架。剩余的两个电子可以和H与O等元素组成共价键。如果C链是一辆火车，H和O等就是货物。这辆火车装不同的货物，就会形成不同的物质，火车长短不一，也是不同的物质。一般情况下，分子中碳骨架上的碳原子数目不同，从一到十，分别被命名为甲乙丙丁戊己庚辛壬癸，这是中国古代历法中的“十天干”。比如，甲烷分子中就只有一个碳，乙醇（酒精）分子中有两个碳，丙酮的分子中有三个碳。

这种碳氢氧结构的分子中含有大量能量，在含氧环境中，一点火就会着，释放出能量。这些物质是有机质，也就是有能量的物质。我们吃一个馒头，里面的淀粉就是葡萄糖链组成的，含有大量热量。

此外，还有碳酸钙CaCO₃这样的无机质，其中的碳就叫做无机碳，缺乏有机质中的能量。不过从原子角度，有机碳和无机碳是一样的。

CO₂溶解到水中后，会发生一系列神奇的化学反应。CO₂和H₂O以及氢离子相互吸引，结合在一起形成松散的碳酸分组H₂CO₃、HCO₃^-以及CO₃^2-。或者也可以认为HCO₃^-以及CO₃^2-是H₂CO₃分别丢掉一个H⁺和两个H⁺的结果。这样看来，CO₂在水中的形式多样，有CO₂、H₂CO₃、HCO₃^-以及CO₃^2-等形式，所以，在计算海水中CO₂浓度的时候，这些形式都要考虑。

除了这种无机形式，海洋中还会含有很多有机小颗粒，也是海洋中碳的载体。这些有机小颗粒一部分会沉入海底保存起来，一部分在沉降过程中，被生物和细菌利用，再次变成无机碳的形式。即使沉入海底的有机碳，也只有一部分能被保留，很大一部分还是会与海底的氧气发生反应，以CO₂的形式释放出来。所以，对于一个古老的海底水团，其中CO₂的含量就会偏高。如果这个水团的通风状态不好，就像一个屋子里不通风一样，CO₂的含量就会增加，海水同时会变酸。在这种情况下，海底沉积物中先前沉积下来的无机CaCO₃就会在酸性海水中被溶解。类似的道理，当海水中CO₂含量增加时，一些海洋中的生物，其壳体成分是CaCO₃（硅质的除外），也会被溶解，其生存就会受到威胁。

CO₂在水中的溶解度与温度有关。温度越低，其溶解度越高。温度越高，CO₂反而会从水中逃逸。夏天我们从冰箱里拿一瓶可乐，然后放在太阳底下晒一晒，就能体会在这一点。

于是，大气CO₂含量和全球平均气温会出现一种同步正反馈现象。当地球温度增加时，海洋浅部海水中的CO₂就会释放到空气中，进一步增加温室效应。反过来，当地球温度降低时，海洋中会从空气中吸收更多的CO₂，更加有利于温度降低。

大气和浅表海水之间由于温度变化造成的CO₂交换有两个特点：瞬时以及规模小。所谓瞬时，是相对于地质记录而言，我们几乎分辨不出二者之间有无滞后效应，几乎同步变化。同时，因为这种交换只涉及浅部海水，即使局部海域CO₂在这种尺度上通量很大，也不会对全球CO₂造成很大的冲击。

在赤道区温度高，理论上是海水释放CO₂的地方。在高纬度地区，气温低，海水利于吸收空气中的CO₂。但总的说来，这种浅部海水与空气的CO₂交换，全球会达到某种平衡，全球的平均气温不会波动太大（这里不是指春夏秋冬的气温波动）。

但是，还有更多的CO₂被藏在深层水。只有把深层水搅动起来，让深层水中的CO₂参与全球碳循环，才能形成全球性的大规模气候模态的转变。让深层水参与，时间尺度会更长，而且会涉及海水的垂向运动问题。所以，在天文轨道尺度，比如2万年、4万年、10万年等周期上，CO₂与全球温度会有一定的滞后效应。

前人研究发现了一个悖论。太阳在10万年周期上引起的太阳辐射变化量很小，可是，在过去50-60万年以来，地球气候体系中出现了很大的10万年周期波动，而且幅度很大。这里面出现了能量不匹配问题，好似小毛驴拉大车，不好理解。这种现象更是被称之为10万年周期之谜。

在现实生活中，这种现象不是没有，比如点炮竹。一个炮竹蕴含的能量很大，释放它只需要一根火柴。依据这个思路，我们再思考一下CO₂和全球平均气温十万年周期变化之谜。

如果把思路类推一下，那么在十万年周期上，火柴没点燃炮竹爆炸之前，应该处于一种长周期的CO₂封存过程，最为理想的区域当然是深海。这种封存是波动性的，有点像玩老虎机的感觉。这种博彩游戏不会让参与者一直输，而且波动式，一会儿赢点，一会输点，但是，只要是时间一长，大部分人处于输钱的状态。

之前我们讲到，在任何时刻，地球不同区域或处于释放CO₂或吸收CO₂的状态。当全球整体慢慢变冷，地球CO₂的收支也会不平衡。有些海域通过多种机制（比如生物泵）更容易吸收一些CO₂，藏于海底，全球空气CO₂含量慢慢地处于整体下降状态。但是，在全球大气CO₂含量整体降低的趋势上，可以叠加很多由于短周期的浅海和大气的CO₂交换造成的短周期（百年、千年尺度）的CO₂脉动（在世纪记录中，我们叫做D-O旋回）。

渡过严寒，当海底蕴藏了足量的CO₂，只等时机，等候点炮竹的火柴，就会快速释放。这根火柴就是10万年和2万年周期的叠加。在古气候模式中，我们确实会看到这种情况，一两万年的严寒天气后（比如末次盛冰期），就会迎来全球快速升温，CO₂快速释放（全新世）。综上所述，全球大气CO₂含量下降缓慢，释放快速，呈现锯齿状的模式，全球平均温度也如此。

地球在冰期和间冰期时，浅表海洋和大气的交换以及效果还是有一定区别的。在冷期，大气CO₂含量下降，这样对注入新的CO₂非常敏感。所以，在冷期，会出现很多的短周期冷暖旋回（D-O旋回）。但是，在暖期，空气中CO₂含量的本底值已经很高，再加入一些额外的CO₂，效果并不那么明显，所以，在暖期就会感觉缺少很多千年尺度的变化。不是没有这些快速变化，只是冰期相比，不那么明显。

在40-50Ma，地球的温度更高，海洋表层和大气的CO₂交换已经达到平衡，应该不会出现明显的很短周期的波动。但是，却会出现几千年到万年尺度的CO₂波动，归结原因，还是因为深层水可以被涉及。

前人用“临界点理论”来讨论气候模式变化，我这里用“点炮竹理论”来解释。这个说法，其实还需要很多数据的支持。

不管怎么说，浅层海水和深层海水对全球气候的影响，肯定是不一样。

联想到之前的海水年龄模式，北大西洋的深层水很年轻，而北太平洋深层水则很年老。所以，我们一样可以推导出这样的结论：对于短尺度气候事件，北大西洋深层水的模态就很重要。而对于长尺度的气候变化，北太平洋就显得重要，因为其体积大，CO₂存量大。太平洋海底的沉积物、太平洋地区的俯冲带深渊等等都是长周期CO₂的重要贡献者。

在更长的构造十年尺度上，额外的CO2来源就显得重要了。全球火山喷发带来地球深部的CO₂是一个重要选项。比如，地球好好地在正确的气候模式下运转，会突然变化，火山的作用不可忽视。

陆地上的植物也参与了重要的CO₂循环过程。从没有植物到有植物，地球整体会通过有机质的产生于埋藏（比如煤），降低了全球大气中的CO₂，长此以往，地球的温度会降低。在季节和短周期尺度，植物发育作用还是很大的额，比如亚马逊森林、云南地区的森林、南海巽他陆架的红树林等等。我们经常会发现，卖啥吆喝啥。研究某个地区，就会强调这个地区的重要性。我的建议是，要整体考虑。

一个极端的例子就是恐龙时代为什么天气热，恐龙排气产生的甲烷贡献很大！按照这个说法，全球养奶牛会对温室气体排放贡献显著。不知以后全球碳中和时代，这要不要收CO₂税。如果换算到个人，是不是也会产生这种奇怪的税收—个人温室气体排放税。