Maapallon historian aikana on ollut jaksoja, jolloin ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on ollut nykyistä suurempi. Mielenkiintoista kyllä, planeetallamme tapahtui laajamittaista jäätiköitymistä joidenkin näiden jaksojen aikana. Onko tämä ristiriidassa hiilidioksidin lämmitysvaikutuksen kanssa? Ei ole ja siihen on yksi yksinkertainen selitys; hiilidioksidi ei ole ainoa ilmastoa ohjaava tekijä. Ymmärtääksemme menneisyyden ilmastoa, meidän täytyy huomioida myös muut ilmastoa ohjaavat pakotteet. Tätä varten eräässä tutkimuksessa laitettiin yhteen 490 proksisarjaa, joista muodostettiin ilmakehän hiilidioksidipitoisuus viimeisen 540 miljoonan vuoden ajalta (Royer 2006). Tämä ajanjakso tunnetaan nimellä fanerotsooinen aioni.

Kuva 1: Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus fanerotsooisen aionin aikana. Katkoviiva esittää GEOCARB-hiilenkiertomallin ennustuksen ja harmaa varjostus esittää epävarmuusaluetta. Kiinteä viiva esittää proksisarjan tasoitettuna (Royer 2006).

Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on saavuttanut hurjia lukuja kaukana menneisyydessä saavuttaen huippunsa yli 5000 ppm:ssä myöhäisellä ordovikikaudella noin 440 miljoonaa vuotta sitten. Kauemmaksi menneisyyteen mentäessä kuitenkin myös Auringon aktiivisuus vähenee. Varhaisen fanerotsooisen aionin aikana (johon ordovikikausi kuuluu) Auringon säteily oli noin 4 % heikompaa kuin nykyään. Kuvassa 2 esitetään hiilidioksidin ja Auringon vaihtelun yhdistetty vaikutus. Ajanjaksot, jolloin laajoilla alueilla oli jäätiköitä, on esitetty varjostettuina alueina.

Kuva 2: Hiilidioksidin ja Auringon yhdistetty säteilypakote fanerotsooisen aionin ajalta. Arvot on annettu suhteessa esiteollisen ajan tilanteeseen (hiilidioksidipitoisuus = 280 ppm; Auringon tehotiheys (eli irradianssi) = 342 W/m²). Tummat varjostetut alueet esittävät ajanjaksoja, joilta on vahvoja todisteita laajasta jäätiköitymisestä.

Alhaisen hiilidioksidipitoisuuden ajanjaksot osuvat samaan aikaan laajojen jäätiköitymisten kanssa (yhdellä merkittävällä poikkeuksella, josta keskustellaan alla). Tämä johtaa hiilidioksidi-jäätiköityminen -kynnysarvon konseptiin, eli tarvittavaan hiilidioksiditasoon, jotta jäätiköityminen voi alkaa. Kun Aurinko on vähemmän aktiivinen, kynnysarvo on paljon korkeampi. Kun esimerkiksi kynnysarvon on nykyiselle maapallolle arvioitu olevan 500 ppm, vastaava kynnysarvo myöhäisellä ordovikikaudella (450 miljoonaa vuotta sitten) oli 3000 ppm.

Aivan viime aikoihin asti luultiin kuitenkin, että myöhäisen ordovikikauden hiilidioksidipitoisuus oli paljon suurempi kuin 3000 ppm. Tämä oli ongelmallista, koska maapallolla oli silloin laajaa jäätiköitymistä. Myöhäisen ordovikikauden hiilidioksidimittaukset ovat harvassa. Hiilidioksidin proksisarjoissa on tämän ajanjakson lähellä vain yksi mittaus, jonka arvo on 5600 ppm. Koska Auringon säteily oli noin 4 % vähäisempää kuin nykyään, hiilidioksidin pitäisi laskea alle 3000 ppm:n, jotta jäätiköityminen voisi alkaa. Olisiko hiilidioksidipitoisuus voinut laskea niin alas? Mittausdatan ajallinen erottelukyky on niin pieni, ettei siitä voi vetää johtopäätöksiä.

Strontiumin isotooppien tutkimus sedimenttisarjoista antaa lisätietoa tähän kysymykseen (Young 2009). Kiviaineksen rapautuminen poistaa hiilidioksidia ilmakehästä. Rapautuminen vapauttaa myös tiettyä strontiumin isotooppia, jota kulkeutuu meriin jokien huuhtomana. Strontiumin isotooppien suhdetta merten sedimenttikerroksissa voidaan käyttää mantereiden rapautumisen määrän indikaattorina. Strontiumin mittaussarjat osoittavat, että ordovikikauden keskivaiheilla rapautumisen määrä kasvoi, joka johti lisääntyneeseen hiilidioksidin kulutukseen rapautumisprosessissa. Tätä kuitenkin tasapainotti lisääntynyt tulivuorien ilmakehään syöksemä hiilidioksidi. Noin 446 miljoonaa vuotta sitten vulkaaninen toiminta väheni kun taas kivien rapautumisen määrä pysyi edelleen korkealla. Tämä aiheutti hiilidioksidipitoisuuden vähenemisen alle 3000 ppm:n, mikä aloitti viilenemisen. Osoittautuu siis, että vähenevä ilmakehän hiilidioksidipitoisuus oli myöhäisen ordovikikauden jäätiköitymisen aiheuttaja.

Näemme siis, että kun vertaillaan nykypäivän ilmastoa 500 miljoonaa vuotta vanhoihin ajanjaksoihin, on otettava huomioon, että Auringon aktiivisuus oli silloin vähäisempää kuin nykyään. Entä ajanjaksot lähempänä nykypäivää? Viimeisin ajanjakso, jolloin ilmakehän hiilidioksidipitoisuus oli yhtä korkealla kuin nykyään (noin 400 ppm), oli noin 15 miljoonaa vuotta sitten mioseeniepookin keskivaiheilla. Minkälainen sen ajan ilmasto oli? Globaali lämpötila oli 3-6 celsiusastetta korkeampi kuin nykyään. Merenpinta oli noin 20-35 metriä korkeammalla. Arktisella alueella ei ollut pysyvää "jäälakkia" ja Antarktiksella sekä Grönlannissa oli vain hyvin vähän jäätä. Hiilidioksidin ja ilmaston läheinen yhteys johti tutkijan tekemään johtopäätöksen: "Geologiset havainnot, joita meillä on nyt viimeiselle 20 miljoonalle vuodelle, tukevat vahvasti ajatusta siitä, että hiilidioksidi on tärkeä ilmastoa ohjaava tekijä läpi maapallon historian". (Tripati 2009).

Jos ilmastotieteilijät väittäisivät hiilidioksidin olevan ainoa ilmastoa ohjaava tekijä, silloin korkea hiilidioksidipitoisuus jäätiköitymisen aikana olisi ongelmallista. Kuka tahansa ilmastotieteilijä kuitenkin kertoisi, että hiilidioksidi ei ole ainoa ilmastoa ohjaava tekijä. Ilmastotieteilijä Dana Royer sanoo sen parhaiten: "Geologiset aikasarjat ovat aarrearkkuja sisältäen runsaasti "vaihtoehtoisia maapalloja", joiden ansiosta tutkijat voivat tutkia miten maapallon järjestelmän eri komponentit käyttäytyvät erilaisilla ilmastopakotteilla." Menneet korkeamman hiilidioksidipitoisuuden jaksot eivät ole ristiriidassa sen käsityksen kanssa, että hiilidioksidi nostaa globaalia lämpötilaa. Päinvastoin, ne vahvistavat hiilidioksidin ja ilmaston läheisen kytkennän.