什么是碳循环？
碳循环是元素碳在不同环境中的位移运动
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碳循环是元素碳在不同环境中的置换运动，包括岩石、土壤、海洋和植物。这可以防止它在大气中完全积聚并稳定地球的温度。对于地质学来说，有两种类型的碳循环：慢的，需要几十万年；快的，需要几十到 10 万年。
碳
碳是一种在岩石中大量存在的化学元素，在较小程度上存在于土壤、海洋、蔬菜、大气、生物和物体的有机体中。它是在恒星中锻造而成的，是宇宙中第四丰富的元素，对我们所知的地球上生命的维持必不可少。然而，他也是一个重大问题的原因之一：气候变化。
在很长一段时间内（数百万到数千万年），构造板块的运动和碳渗入地球内部的速度的变化都会改变全球温度。地球在过去的 5000 万年里经历了这种变化，从白垩纪的极端炎热气候（大约 145 到 6500 万年前）到更新世的冰川气候（大约 180 万到 11500 年前）。
缓慢的循环
通过一系列化学反应和构造活动，碳在缓慢发生的碳循环中需要 100 到 2 亿年的时间才能在岩石、土壤、海洋和大气之间移动。平均而言，每年有 10 到 1 亿吨碳经历缓慢循环。相比之下，人类向大气排放的碳大约为 100 亿吨，而快速的碳循环从每年 10 到 1000 亿碳。
碳从大气到岩石圈（岩石）的运动始于降雨。大气中的碳与水结合形成碳酸，通过雨水沉积在地表。这种酸在称为化学风化的过程中溶解岩石，释放出钙、镁、钾或钠离子。这些离子被输送到河流和从河流到海洋。
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在海洋中，钙离子与碳酸氢根离子结合形成碳酸钙，这是抗酸剂的活性成分。在海洋中，大多数碳酸钙是由造壳（钙化）生物（如珊瑚）和浮游生物（如球石藻和有孔虫）产生的。这些生物死亡后，它们会沉入海底。随着时间的推移，贝壳和沉积物层被压实并变成岩石，储存碳，形成石灰岩等沉积岩。
大约 80% 的碳酸盐岩是通过这种方式生成的。其余 20% 含有分解的来自生物的碳（有机碳）。数百万年来，热量和压力压缩富含碳的有机物质，形成页岩等沉积岩。在特殊情况下，当死亡植物的有机物迅速积累，来不及分解时，有机碳层就会变成油、煤或天然气，而不是页岩等沉积岩。
在缓慢循环中，碳通过火山活动返回大气。这是因为当地球和海洋地壳的表面发生碰撞时，一个下沉到另一个下面，它携带的岩石在极端高温和高压下融化。加热的岩石重新结合成硅酸盐矿物，释放出二氧化碳。
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当火山爆发时，它们会将气体排放到大气中，并用硅质岩覆盖地球，重新开始循环。火山每年排放 130 至 3.8 亿公吨的二氧化碳。相比之下，人类每年排放约 300 亿吨二氧化碳——是燃烧化石燃料的火山的 100 到 300 倍。
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例如，如果由于火山活动增加，大气中的二氧化碳上升，温度上升，导致更多的降雨，溶解更多的岩石，产生更多的离子，最终在海底沉积更多的碳。重新平衡缓慢的碳循环需要几十万年的时间。
然而，慢循环还包含一个稍快的部分：海洋。在表面，空气与水相遇，二氧化碳气体溶解并排出海洋，与大气不断交换。一旦进入海洋，二氧化碳气体就会与水分子发生反应，释放出氢气，从而使海洋变得更酸。氢与岩石风化产生的碳酸盐反应生成碳酸氢根离子。
在工业时代之前，海洋将二氧化碳排放到大气中，与海洋在岩石磨损过程中吸收的碳保持平衡。然而，随着大气中碳浓度的增加，海洋现在从大气中吸收的碳多于释放的碳。几千年来，海洋将吸收多达 85% 的人们通过燃烧化石燃料排放到大气中的额外碳，但这个过程很缓慢，因为它与水从海洋表面到深处的运动有关。
与此同时，风、洋流和温度控制着海洋从大气中去除二氧化碳的速度。 （参见地球观测站的海洋碳平衡。）在冰河时代开始和结束的几千年里，海洋温度和洋流的变化很可能有助于去除碳并将碳恢复到大气中。
快速碳循环
碳经历快速碳循环所需的时间是在一生中测量的。快速碳循环基本上是碳在地球或生物圈中的生命形式中的运动。每年约有 1,000 至 100,000 百万公吨的碳经历快速碳循环。
碳在生物学中起着至关重要的作用，因为它能够在看似无穷无尽的复杂有机分子阵列中形成许多键——每个原子最多四个。许多有机分子含有与其他碳原子形成强键的碳原子，结合成长链和环。这种碳链和碳环是活细胞的基础。例如，DNA 由围绕碳链构建的两个相互缠绕的分子组成。
长碳链中的键含有大量能量。当电流分开时，储存的能量被释放。这种能量使碳分子成为所有生物的极好燃料来源。
植物和浮游植物是快速碳循环的主要组成部分。浮游植物（海洋中的微生物）和植物通过将二氧化碳吸收到它们的细胞中来将二氧化碳从大气中排出。利用来自太阳的能量，植物和浮游生物将二氧化碳 (CO2) 和水结合形成糖 (CH2O) 和氧气。化学反应是这样的：
CO2 + H2O + 能量 = CH2O + O2
碳从植物中移动并返回大气是可能发生的，但它们都涉及相同的化学反应。植物分解糖分以获得生长所需的能量。动物（包括人）吃植物或浮游生物并分解植物的糖分以获取能量。植物和浮游生物死亡和腐烂（被细菌吃掉）或被火烧毁。在所有情况下，氧气与糖结合以释放水、二氧化碳和能量。基本的化学反应是这样的：
CH2O + O2 = CO2 + H2O + 能量
在所有四个过程中，反应中释放的二氧化碳通常最终会进入大气。快速的碳循环与植物生命的关系如此密切，以至于可以通过二氧化碳在大气中的漂浮方式来看出生长季节。在北半球冬季，当很少有陆地植物生长而许多植物正在腐烂时，大气中的二氧化碳浓度会增加。在春天，当植物再次开始生长时，浓度会下降。就像地球在呼吸一样。
碳循环的变化
在不受干扰的情况下，快速和缓慢的碳循环使大气、陆地、植物和海洋中的碳浓度保持相对恒定。但是，当一个水库中的碳含量发生任何变化时，这种影响就会波及其他水库。
在地球的过去，碳循环已经随着气候变化而改变。地球轨道的变化会改变地球从太阳接收的能量，并导致冰河时代和地球当前气候等温暖时期的循环。 （见米卢廷·米兰科维奇）当北半球夏季变冷和冰在地球上积聚时，冰河时代就形成了，这反过来又减慢了碳循环。与此同时，一些因素，包括较低的温度和浮游植物生长的增加，可能增加了海洋从大气中去除的碳量。大气中碳的下降导致进一步冷却。同样，在 10,000 年前的最后一个冰河时代结束时，随着温度升高，大气中的二氧化碳急剧增加。
地球轨道的变化以可预测的周期不断发生。大约 30,000 年后，地球的轨道将发生足够的变化，将北半球的阳光减少到导致最后一次冰河时代的水平。
今天，碳循环的变化因人而发生。我们通过燃烧化石燃料和砍伐森林来破坏碳循环。
森林砍伐会释放储存在树干、茎和叶中的碳——生物量。通过清理森林，那些在生长过程中会从大气中吸收碳的植物被消灭了。世界范围内的趋势是用单一栽培和牧场取代森林，因为它们储存的碳更少。我们还暴露了将腐烂植物中的碳排放到大气中的土壤。目前，人类每年通过土地利用变化向大气排放不到 10 亿吨碳。
在没有人为干预的情况下，化石燃料中的碳将在缓慢的碳循环中通过数百万年的火山活动缓慢泄漏到大气中。通过燃烧煤、石油和天然气，我们加速了这一过程，每年向大气释放大量碳（需要数百万年才能积累的碳）。通过这样做，我们将碳从慢循环转移到快循环。 2009 年，人类通过燃烧化石燃料向大气中排放了约 84 亿吨碳。
自工业革命开始以来，当人们开始燃烧化石燃料时，大气中二氧化碳的浓度从大约 280 ppm 增加到 387 ppm，增加了 39%。这意味着对于大气中的每百万个分子，其中 387 个现在是二氧化碳——这是两百万年来的最高浓度。甲烷浓度从 1750 年的十亿分之 715 增加到 2005 年的十亿分之 1,774，这是至少 650,000 年来的最高浓度。
改变碳循环的影响
图片：碳循环 - 美国宇航局
所有额外的碳都需要去某个地方。到目前为止，陆地和海洋植物已经吸收了大气中 55% 的额外碳，而大约 45% 仍留在大气中。最终，土壤和海洋吸收了大部分额外的二氧化碳，但多达 20% 的二氧化碳可以在大气中保留数千年。
大气中过量的碳使地球变暖，并帮助陆地植物长得更大。海洋中过多的碳使水的酸性更强，使海洋生物处于危险之中。在文章“海洋酸化：地球面临的严重问题”中了解有关此主题的更多信息。
大气层
大气中残留如此多的二氧化碳意义重大，因为二氧化碳是控制地球温度的最重要气体。二氧化碳、甲烷和卤化碳是温室气体，它们会吸收多种能量——包括地球发出的红外线能量（热量）——然后再将其重新释放。重新发射的能量向四面八方传播，但有些会返回地球，加热地表。如果没有温室气体，地球将被冻结在 -18°C。由于有大量温室气体，地球就像金星一样，那里的大气温度保持在 400°C 左右。
因为科学家们知道每种温室气体吸收的能量波长以及大气中气体的浓度，他们可以计算每种气体对全球变暖的贡献有多大。大约 20% 的地球温室效应是由二氧化碳引起的；水蒸气约占50%；云占 25%。其余部分是由小颗粒（气溶胶）和较小的温室气体（如甲烷）引起的。
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空气中水蒸气的浓度受地球温度的控制。温度升高会蒸发更多的海洋水，扩大气团并导致更大的湿度。冷却导致水蒸气凝结并以雨、雨夹雪或雪的形式落下。
另一方面，二氧化碳在比水更宽的大气温度范围内仍然是气体。二氧化碳分子提供维持水蒸气浓度所需的初始热量。当二氧化碳浓度下降时，地球变冷，一些水蒸气从大气中下降，由水蒸气引起的温室加热下降。同样，当二氧化碳浓度上升时，空气温度上升，更多的水蒸气蒸发到大气中——这会放大温室的供暖。
因此，虽然二氧化碳对温室效应的贡献小于水蒸气，但科学家们发现二氧化碳是决定温度的气体。二氧化碳控制着大气中水蒸气的含量，从而控制着温室效应的大小。
二氧化碳浓度的增加已经导致地球变暖。虽然温室气体在增加，但自 1880 年以来，全球平均气温上升了 0.8 摄氏度（1.4 华氏度）。
根据当前的二氧化碳浓度，这种温度升高并不是我们将看到的所有变暖。温室供暖不会立即发生，因为海洋会吸收热量。这意味着由于大气中已经存在二氧化碳，地球的温度将至少再升高 0.6 摄氏度（1 华氏度）。温度上升的程度在一定程度上取决于人类未来释放到大气中的碳量。
海洋
人们排放到大气中的二氧化碳中，约有 30% 通过直接化学交换扩散到海洋中。将二氧化碳溶解在海洋中会产生碳酸，从而增加水的酸度。或者更确切地说，略带碱性的海洋变得不那么碱性了。自 1750 年以来，海洋表面的 pH 值下降了 0.1，酸度变化了 30%。
海洋酸化以两种方式影响海洋生物。首先，碳酸与水中的碳酸根离子反应生成碳酸氢盐。然而，这些相同的碳酸根离子正是像珊瑚这样的造壳动物制造碳酸钙壳所需要的。由于可用的碳酸盐较少，动物需要消耗更多的能量来建造它们的外壳。结果，贝壳最终变得越来越薄和脆弱。
其次，酸性水越多，它溶解碳酸钙的效果就越好。从长远来看，这种反应将使海洋吸收过量的二氧化碳，因为更多的酸性水会溶解更多的岩石，释放更多的碳酸根离子，并增加海洋吸收二氧化碳的能力。然而，与此同时，更多的酸性水会溶解海洋生物的碳酸盐壳，使它们变得粗糙和脆弱。
变暖的海洋——温室效应的产物——也会减少浮游植物的数量，浮游植物在寒冷、营养丰富的水域中生长最好。这可能会限制海洋通过快速碳循环从大气中提取碳的能力。
另一方面，二氧化碳对植物和浮游植物的生长至关重要。二氧化碳的增加可以通过给少数直接从水中吸收二氧化碳的浮游植物和海洋植物（如海草）施肥来促进生长。然而，二氧化碳的增加对大多数物种没有帮助。
地球
陆地上的植物吸收了人类排放到大气中的二氧化碳的大约 25%。植物吸收的碳量每年变化很大，但总的来说，自 1960 年代以来，全球植物吸收的二氧化碳量有所增加，其中只有一部分是化石燃料排放的直接结果。
随着更多的大气二氧化碳可在光合作用中转化为植物物质，植物能够长得更大。这种增长的增加被称为碳肥。模型预测，如果大气中的二氧化碳增加一倍，植物可以多生长 12% 到 76%，只要没有其他因素（例如缺水）限制它们的生长。然而，科学家们不知道在现实世界中有多少二氧化碳会促进植物生长，因为植物需要的不仅仅是二氧化碳才能生长。
植物还需要水、阳光和养分，尤其是氮。如果一株植物没有这些东西中的一个，它就不会生长，无论其他需要多么丰富。植物可以从大气中吸收多少碳是有限制的，这个限制因地区而异。到目前为止，似乎二氧化碳施肥会促进植物生长，直到植物达到可用水或氮量的限制。
碳吸收的一些变化是土地使用决策的结果。农业变得更加集约化，因此我们可以在更少的土地上种植更多的食物。在高纬度和中纬度地区，废弃的土地正在恢复为森林，这些森林在木材和土壤中储存的碳比作物多得多。在许多地方，我们通过灭火来防止植物碳进入大气。这允许木质材料（储存碳）积聚。所有这些土地利用决策都在帮助植物吸收北半球人类释放的碳。
然而，在热带地区，森林被砍伐，通常是通过火灾，这会释放二氧化碳。 2008 年，森林砍伐约占人类二氧化碳排放总量的 12%。
由于气候变化，陆地碳循环的最大变化很可能发生。二氧化碳会升高温度，延长生长季节并增加湿度。这两个因素都导致了一些额外的植物生长。然而，温暖的温度也会给植物带来压力。随着生长季节的延长和温暖，植物需要更多的水才能生存。科学家们已经看到证据表明，由于高温和缺水，北半球的植物在夏季生长缓慢。
当生长季节变长时，干燥和缺水的植物也更容易受到火灾和昆虫的影响。在遥远的北方，气温升高的影响最大，森林已经开始燃烧更多，将植物和土壤中的碳释放到大气中。热带森林也极易变干。由于水分减少，热带树木会减慢生长速度并吸收更少的碳，或者死亡并将储存的碳释放到大气中。
由温室气体上升引起的变暖也会“烤”土壤，加快碳在某些地方流失的速度。这在遥远的北方尤其令人担忧，那里的冻土——永久冻土——正在解冻。永久冻土层含有丰富的植物碳沉积物，这些碳沉积物已经积累了数千年，因为寒冷减缓了腐烂速度。当土壤变暖时，有机物会腐烂，碳——以甲烷和二氧化碳的形式——进入大气。
目前的研究估计，北半球的永久冻土层含有 16720 亿吨（Petagrams）的有机碳。如果只有 10% 的永久冻土融化，它可能会向大气中释放足够多的二氧化碳，使 2100 年的温度升高 0.7 摄氏度（1.3 华氏度）。
碳循环研究
科学家们尚未回答的关于碳循环的许多问题都围绕着它是如何变化的。现在，大气中的碳含量比至少 200 万年以来的任何时候都多。随着碳通过循环，循环中的每个储层都会发生变化。
这些变化会如何？随着气温升高和气候变化，植物会发生什么？它们从大气中去除的碳会比返回的多吗？他们的生产力会降低吗？永久冻土层会在大气中融化多少额外的碳，这会在多大程度上加剧变暖？海洋环流或变暖会改变海洋吸收碳的速度吗？海洋生物的生产力会降低吗？海洋会酸化多少，会产生什么影响？
NASA 在回答这些问题时的作用是提供全球卫星观测和相关的实地观测。到 2011 年初，两种类型的卫星仪器正在收集与碳循环相关的信息。
中分辨率成像光谱仪 (MODIS) 仪器使用 NASA 的 Terra 和 Aqua 卫星，测量碳植物和浮游植物在生长过程中转化为物质的数量，这种测量称为净初级生产力。 MODIS 传感器还测量发生了多少火灾以及它们在何处燃烧。
两颗 Landsat 卫星提供了海洋珊瑚礁的详细视图、陆地上的生长情况以及土地覆盖的变化情况。可以看到城市的发展或从森林到农场的转变。该信息至关重要，因为土地使用占人类所有碳排放量的三分之一。
未来的 NASA 卫星将继续进行这些观测，还将测量大气中的二氧化碳和甲烷、高度和植被结构。
所有这些措施都将帮助我们了解全球碳循环如何随时间变化。它们将帮助我们评估我们对碳循环的影响，将碳释放到大气中或找到将其储存在其他地方的方法。他们将向我们展示气候变化如何改变碳循环以及变化的循环如何改变气候。
然而，我们大多数人会以更个性化的方式观察碳循环的变化。对我们来说，碳循环就是我们吃的食物、家里的电力、汽车的汽油以及我们头顶的天气。由于我们是碳循环的一部分，我们对生活方式的决定会在整个循环中产生涟漪效应。同样，碳循环的变化也会影响我们的生活方式。随着我们每个人逐渐了解我们在碳循环中的作用，知识使我们能够控制我们的个人影响并了解我们在周围世界中看到的变化。
