甚么是碳循环?
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撰文：唐恒伟 李细明 2012年9月
碳是构成生命的重要原素，亦是所有有机物质﹙从化石燃料到脱氧核糖核酸﹙DNA﹚﹚的基本成份。碳循环是指碳原素在各个自然的储存库﹙包括︰大气、海洋、生物圈、岩石和化石燃料等﹚之间不断交换和循环的生物-地质-化学循环。 透过不同的方式，碳在各个储存库间流动。例如︰植物在光合作用过程中从大气吸收二氧化碳，动植物在呼吸作用时释出二氧化碳或甲烷﹙在缺气的情况下﹚至大气中。这些过程与植物的生命周期息息相关，从大气中二氧化碳浓度的季节变化，可得知植物的生长季节。在北半球冬季植物凋谢腐化，大气的二氧化碳浓度因而上升。在春季，植物开始生长，需吸收二氧化碳以作光合作用，这时大气的二氧化碳浓度则下降。但这种浓度的自然变化幅度，远小于由人类使用化石燃料所致的浓度升幅﹙图一﹚。 二氧化碳亦会在大气和海洋之间不停交换。这过程主要受海水表面温度、海水酸硷值、海洋环流、海洋生物光合作用和呼吸作用影响。低温的海水有利于吸收大气中的二氧化碳。在高纬度地区冬季，密度高且含丰富二氧化碳的冰冷海水从洋面沉入深层海洋﹙请参看什么是温盐环流？﹚；在热带地区，上升的洋流将海水从深层海洋送回洋面并把二氧化碳释回大气中。此外，海洋生物亦透过光合作用和呼吸作用与海洋交换二氧化碳。部分死去生物含丰富碳原素的遗骸最后会下沉到海床并沉积成石灰岩，移除了大气中部分碳原素。酸化的海洋会减少海洋的二氧化碳容量，然而海水的酸硷值和对抗酸化的缓冲能力可籍由石灰岩﹙即碳酸钙Calcium carbonate﹚溶化得以回复，这些过程需时数十至数千年不等。 在更长的时间尺度里，二氧化碳和水会结合形成碳酸，碳酸又会溶解岩石里的钙﹙Calcium﹚和镁﹙Magnesium﹚形成不可溶的碳酸盐﹙Carbonates﹚。此外，二氧化碳、雨水和石灰岩亦可发生化学作用形成可溶的碳酸氢钙﹙Calcium bicarbonates﹚，此过程称之为风化作用，需时数百万年。那些不可溶的碳酸化合物最终会被冲进海洋并沉积在海床。而那些可溶的碳酸氢钙亦会在海底沉淀成沉积岩。地球的板块运动会令海洋板块连带积存在海底的沉积岩 一并隐没在地球的地幔里。最后，碳原素会透过火山活动回归到大气中。 在一个自然或不受干扰的碳循环里，碳储存库之间的碳交换大致是平衡的，换句话说，大气中的二氧化碳浓度是相对稳定的。事实上，在工业革命发生前的一万年里，大气中的二氧化碳浓度一直维持在260至280 ppm之间。自从工业革命，人类活动如燃烧化石能源、大量砍伐树木和改变土地用途，已经扰乱了碳循环。为要了解因燃烧化石燃料而大量排进大气中的二氧化碳到底何去何从，科学家利用全球碳循环模式进行研究，结果发现虽然海洋对吸收此种温室气体起重要作用，但大部分的二氧化碳仍会留在大气中一段时间，等待更慢的移除过程例如风化作用或碳酸化合物的沉积。图二显示了90年代的全球碳循环。根据IPCC第四份评估报告，新排放到大气中的二氧化碳有50%会在30年内从大气中被移除，有30%会在数世纪内被移除，但有20%的二氧化碳会长留在大气中数千年。换言之，留在大气中的二氧化碳所带来的气候效应亦会持续一段很长时间。  图一︰夏威夷Manua Loa天文台每月观测所得的大气中二氧化碳浓度变化，可见二氧化碳浓度的季节性变化叠加在人类活动所导致的长期上升趋势中﹙来源︰美国 Scripps Institution of Oceanography﹚
 图二︰90年代的全球碳循环。黑色斜体数字为工业革命前主要碳存库之间每年的碳流量﹙单位︰亿吨碳/年﹚；红色斜体数字为人类活动所导致的额外碳流量。黑色正体数字代表工业革命前碳存库的存量﹙单位︰亿吨碳﹚；红色正体数字为人类活动所导致的存量改变﹙来源︰IPCC, 2007﹚
参考资料：
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