碳很可能是生命中最重要的元素。每一種生物都需要碳來運作，而大多數(shù)有機分子都是由氫和碳分子鏈組成的。你身體18%的物質(zhì)完全由碳構成，沒有碳，你就沒有DNA、細胞，甚至基本的葡萄糖分子來代謝能量。由于碳的電子結構，它對生命非常有用。它有4個價電子，這使得它能產(chǎn)生無窮無盡的有機化合物。碳也是許多巖石和礦物的重要成分。
碳循環(huán)是指碳在大氣、海洋、地質(zhì)地層和地球生物系統(tǒng)中循環(huán)的生物地球化學過程。碳循環(huán)，以及水、氮、磷的循環(huán)，形成了一個極其重要的相互作用的網(wǎng)絡，這是我們所知道的生命所必需的。
碳循環(huán):概述
碳循環(huán)涉及地球系統(tǒng)重要組成部分之間的碳轉移。這些成分構成了地球上大部分的碳儲備。碳循環(huán)的
4個主要組成部分是:
大氣中
海洋
陸地生物圈(生命系統(tǒng))
地質(zhì)來源(沉積物/地殼及地幔)
這四個獨立的系統(tǒng)相互作用，相互循環(huán)碳。碳在這四種成分之間的循環(huán)是由各種各樣的化學反應促進的。隨著時間的推移，這些循環(huán)已經(jīng)發(fā)展到在每個成分中保持一個接近恒定水平的碳。由于人類碳排放在過去150年呈指數(shù)增長，碳循環(huán)已被嚴重抵消。
碳循環(huán)的子循環(huán)
一般來說，碳循環(huán)分為兩個子循環(huán);第一個是關于生物間碳物質(zhì)的短期轉移，第二個是關于碳通過地質(zhì)過程的長期循環(huán)。這兩個子循環(huán)是分開的，但又相互關聯(lián)，因為它們都依賴于相同的碳儲量，并且相互影響。
生物碳循環(huán)
在第一個亞循環(huán)(稱為生物碳循環(huán))中，以大氣二氧化碳形式存在的碳被光自養(yǎng)生物吸收并轉化為有機分子。這些有機分子被異養(yǎng)生物消耗，異養(yǎng)生物產(chǎn)生碳廢物，并將二氧化碳排放回土壤和大氣中。有機分子分解成碳成分的過程叫做細胞呼吸。環(huán)境中的分解者在消耗死生物體和植物物質(zhì)時，會進一步分解廢物。每年，大約有10萬噸到1億噸的碳通過這些途徑循環(huán)。
地質(zhì)碳循環(huán)
第二個循環(huán)(有時稱為地質(zhì)碳循環(huán))需要更長的時間來循環(huán)碳。大氣中的二氧化碳溶解在海洋中，與水分子反應生成碳酸氫鹽。碳酸氫鹽是許多海洋動物的主要組成部分，如軟體動物的貝殼。當這些生物死亡時，它們含有碳的殘骸成為海底沉積物的一部分。隨著時間的推移，這些沉積物中的碳滲入地質(zhì)地層，形成石灰石和其他礦物化合物。這些碳沉積通過地面滲入土壤，或轉化為人類燃燒的化石燃料，將二氧化碳釋放到大氣中。一般來說，地質(zhì)碳循環(huán)需要數(shù)百萬年的時間才能使物質(zhì)在海洋和地球地質(zhì)地層中循環(huán)。
生物碳循環(huán)與地質(zhì)碳循環(huán)相互聯(lián)系、相互補充。地質(zhì)循環(huán)中的碳沉積也被植物吸收并用于光合作用。海洋中的碳會蒸發(fā)到大氣中，而地震、構造運動和火山爆發(fā)等地質(zhì)活動會把碳放回大氣中。生物碳循環(huán)和地質(zhì)碳循環(huán)共同構成了地球上的總碳循環(huán)。如果沒有這兩個亞循環(huán)的復雜相互作用，就不會有生命所必需的碳量。
讓我們深入研究碳循環(huán)的每個組成部分，看看它是如何吸收和循環(huán)碳的。
碳循環(huán)的組成部分
大氣
大氣中的碳在地球上所有主要的碳匯之間轉移。資料來源:公共領域
大氣層是地球上最大的碳匯之一，估計含有7200億噸(10億噸= 10億噸)或碳。大氣中的碳主要以二氧化碳和甲烷(CH4)的形式存在。這兩種氣體都是溫室氣體，它們吸收熱量，使大氣變暖。在這兩者中，二氧化碳的存在比例更大，而甲烷的壽命則短得多。在過去的200年里，由于人類活動的推動，大氣中的二氧化碳含量幾乎翻了一番。
二氧化碳主要通過進入陸地生物圈的自養(yǎng)生物的光合作用從大氣中去除。這是所有異養(yǎng)生物吃的有機物質(zhì)的直接來源，包括人類。大氣中的碳是有機分子的基本組成部分。通過消耗碳的異養(yǎng)生物的呼出、海洋的蒸發(fā)和地質(zhì)活動，碳被循環(huán)回到大氣中。碳在大氣中循環(huán)的速度因許多因素而有很大的不同。
海洋
就其本身而言，地球上的海洋是地球上最大的碳匯。在任何時候，地球上93%以上的碳都包含在海洋中，要么溶解在水中，要么以藻類、珊瑚和海底動物的形式存在。有三個主要的過程可以促進碳在海洋中的循環(huán)。
溶解度泵涉及海洋吸收大氣中的二氧化碳。大氣中的二氧化碳溶解到海洋中，通過以下化學方程式反應生成碳酸和碳酸氫鹽:CO2 H2O → H HCO3?
這種機制還可以控制海洋的pH值，使其保持在略堿性。
第二種機制被稱為碳酸鹽巖泵。碳酸鈣是海洋動物硬殼的主要成分，如軟體動物、浮游植物和其他無脊椎動物。海洋中的鈣離子與碳酸氫鹽離子結合產(chǎn)生碳酸鈣并釋放二氧化碳：Ca2 2HCO3? ? CaCO3 H2O CO2
生物泵是指通過海洋中的光合生物來固定碳物質(zhì)。像陸地上的植物一樣，海洋生物，如藍藻、藻類和浮游生物，通過光合作用吸收二氧化碳，并制造出其他海洋動物賴以為生的有機分子。
在工業(yè)革命之前，海洋主要是大氣碳的來源。由于人類的碳排放，這種關系已經(jīng)逆轉，現(xiàn)在海洋作為大氣碳的匯。海洋溫度的上升對海洋有效吸收碳的能力產(chǎn)生了負面影響。
陸地生物圈
陸地生物圈是指陸地生態(tài)系統(tǒng)和生物的整體。大部分碳元素存在于森林、樹木和土壤中。生物圈中的碳主要是通過陸地光自養(yǎng)生物的活動引入的，它們利用碳來制造有機物質(zhì)。這些物質(zhì)通過異養(yǎng)生物對植物的消耗在生物圈中循環(huán)。當動物吃植物時，它們的碳被用來驅動細胞呼吸，將二氧化碳釋放回大氣。在有氧呼吸的情況下，產(chǎn)生甲烷。無氧呼吸產(chǎn)生甲烷。死亡的植物物質(zhì)也會在土壤中沉淀，在土壤中它可以長期保持惰性碳的狀態(tài)。
地質(zhì)資源
