主要内容
碳循环
了解碳是如何通过地球生态系统移动以及人类活动如何改变碳循环。
要点
- 碳是生物体的基本元素。化石燃料对现代人的经济发展也很重要。
- 大气层中的二氧化碳—start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript—由光合生物吸收用于制造有机分子。有机分子通过食物链传递，最后碳分子通过呼吸作用以start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript的形式释放。
- 缓慢的地质过程，包括沉积岩和化石燃料的形成，影响长期的碳循环。
- 例如燃烧化石燃料和砍伐森林的一些人类活动增加了大气start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript含量并影响地球的气候和海洋。
碳：构建基块和染料源
按质量算，你身体的18%由碳原子组成，且这些碳原子对你的存在颇为重要start superscript, 1, end superscript！没有碳，你就没有细胞膜、用作燃料的糖分子、甚至带着用来建立和运行你身体的指示的start text, D, N, A, end text。
碳是我们身体的一部分，但同时它也是我们现代工业的一部分。来自很早以前的植物和藻类的碳化合物组成了我们今天用作能量来源的化石燃料，包括煤和天然气。当这些化石燃料被燃烧时，二氧化碳—start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript—被释放进空气，导致不断升高的大气start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript水平。start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript水平的增高会影响地球的气候，因此它是全球范围内的一大环境问题。
让我们来看看碳循环，以了解大气start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript和生物使用的碳如何融入碳循环的大图景。
碳循环
将碳循环作为两个相互关联的分周期研究最为容易：
- 一个涉及生物有机体之间碳的快速交换
- 另一个涉及经过地质过程的长期碳循环
尽管我们会分开考虑它们，但理解这两个循环是相互连接的很重要。例如，大气和海洋这两个公共库中的start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript既被生物体利用也被地质过程补充和消耗。
当生物埋深地下或沉到海洋底部并形成沉积岩时，有机碳被长期储存。火山活动和较近的人类燃烧化石燃料将这些储存的碳重新带回碳循环。尽管化石燃料的形成发生在较慢的、地质学的时间尺度上，人类正将其中的碳以start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript的形式很快地释放。
生物碳循环
碳通过自养生物进入陆地和水生食物网。几乎所有自养生物都是光合生物，例如植物和藻类。
自养生物从空气中获取二氧化碳或者从水中获得碳酸，并利用它们制造有机化合物，例如葡萄糖。异养生物，例如人类，消耗有机分子，将有机碳沿食物链或食物网传递。
碳如何循环会大气或海洋呢？为了释放含碳分子，例如糖，储存的能量，自养和异养生物在被称为细胞呼吸的过程中分解这些分子。在这个过程中，分子中的碳作为二氧化碳被释放。分解者降解死去的生物和废物时也会释放有机化合物和二氧化碳。
碳在这个生物途径中循环得很快，尤其是在水生生态系统中。总体上，每年估计有1,000到100,000百万吨碳通过这个生物途径。作为对比，一吨大约是一头大象或一辆小轿车的重量start superscript, 2, comma, 3, comma, 4, end superscript！
地质碳循环
碳循环的地质途径比上述的生物途径要花费更长时间。实际上，经过地质途径的碳需要数百万年时间来循环。碳可能在大气、水体(主要是海洋)、海洋沉积物、土壤、岩石、化石燃料、和地球内部被长期储存。
大气中的二氧化碳水平受海洋中的碳储存影响，反之亦然。大气中的二氧化碳溶解在水中并和水分子发生如下反应：
这个过程释放的碳酸—start text, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript, start superscript, 2, minus, end superscript—与start text, C, a, end text, start superscript, 2, plus, end superscript离子结合生成碳酸钙—start text, C, a, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript—海洋生物贝壳的重要组成部分start superscript, 5, end superscript。当生物体死去，它们的残骸可能会下沉并最终成为海底沉积的一部分。经过地质尺度的时间，沉积物会变成石灰石——地球上最大的碳储层。
在陆地上，有机生物分解产生的有机碳或陆地岩石和矿物风化产生的无机碳被储存在土壤中。地下深处则是石油、煤炭和天然气等化石燃料。它们是在厌氧（无氧）条件下分解的植物的残余物。化石燃料需要数百万年去形成。当人们燃烧它们时，碳以二氧化碳的形式被释放到大气层中。
碳进入大气层的另一种方式是通过火山喷发。含碳沉积物在被称为潜没（一个板块在另一个板块下移动）的过程中被带到地球深处。这个过程产生二氧化碳，其可以通过火山喷发或热液喷口被释放进入大气层。
人类对碳循环的影响
自工业革命开始以来，对地球有限化石燃料储备的全球需求不断增加。化石燃料被视为不可再生资源，因为它们的使用速度比地质过程能够生产它们的速度快得多。
当化石燃料被燃烧时，二氧化碳—start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript—被释放进入空气中。化石燃料的使用增加导致大气中的start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript含量升高。砍伐森林也是导致start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript水平升高的主要因素。树木和森林生态系统的其他部分储存碳。如果森林被清除，大部分碳会作为start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript释放start superscript, 6, end superscript。
一些人类活动产生的多余start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript被植物或海洋吸收，但这些过程不能完全抵消二氧化碳的增多。所以大气start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript水平已经升高并将持续升高。start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript水平曾规律地自然涨落很长时间，但现在它已比过去400,000年达到过的都要高，正如下图所示：
为什么大气中有很多start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript很要紧？start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript是一种温室气体。在大气层中，它捕获热量，阻止其幅射进太空。根据大量证据，科学家认为start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript和其他温室气体的高浓度正在引起地球气候的显著变化。如果不采取决定性的改变来减少排放，到2100年地球的温度预计将上升1到5degreesCstart superscript, 8, end superscript。
此外，虽然从温室气体的角度来看，海洋对过量二氧化碳的吸收似乎不错，但从海洋生物的角度来看，这可能一点也不好。正如我们在上面看到的，溶解在海水中的start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript可以与水分子反应产生start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript离子。所以，溶解更多的start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript将导致水变得更酸。更高的酸性将反过来减少start text, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript, start superscript, 2, minus, end superscript浓度，使海洋生物更难建造和维护它们的start text, C, a, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript贝壳start superscript, 9, end superscript。温度和酸度升高都会危害海洋生物，并且被发现和珊瑚白化有关。
关于大气中碳水平增加对气候变化的未来影响的辩论集中在化石燃料上。然而，科学家在模拟和预测这种增长的未来影响时，也必须考虑自然过程，如火山、植物生长、土壤碳水平和呼吸作用。