什麼是碳循環？

唐恒偉、李細明

2012年9月

碳是構成生命的重要原素，亦是所有有機物質﹙從化石燃料到脫氧核糖核酸﹙DNA﹚﹚的基本成份。碳循環是指碳原素在各個自然的儲存庫﹙包括︰大氣、海洋、生物圈、岩石和化石燃料等﹚之間不斷交換和循環的生物-地質-化學循環。

透過不同的方式，碳在各個儲存庫間流動。例如︰植物在光合作用過程中從大氣吸收二氧化碳，動植物在呼吸作用時釋出二氧化碳或甲烷﹙在缺氣的情況下﹚至大氣中。這些過程與植物的生命週期息息相關，從大氣中二氧化碳濃度的季節變化，可得知植物的生長季節。在北半球冬季植物凋謝腐化，大氣的二氧化碳濃度因而上升。在春季，植物開始生長，需吸收二氧化碳以作光合作用，這時大氣的二氧化碳濃度則下降。但這種濃度的自然變化幅度，遠小於由人類使用化石燃料所致的濃度升幅﹙圖一﹚。

二氧化碳亦會在大氣和海洋之間不停交換。這過程主要受海水表面溫度、海水酸鹼值、海洋環流、海洋生物光合作用和呼吸作用影響。低溫的海水有利於吸收大氣中的二氧化碳。在高緯度地區冬季，密度高且含豐富二氧化碳的冰冷海水從洋面沉入深層海洋﹙請參看什麼是溫鹽環流？﹚；在熱帶地區，上升的洋流將海水從深層海洋送回洋面並把二氧化碳釋回大氣中。此外，海洋生物亦透過光合作用和呼吸作用與海洋交換二氧化碳。部分死去生物含豐富碳原素的遺骸最後會下沉到海床並沉積成石灰岩，移除了大氣中部分碳原素。酸化的海洋會減少海洋的二氧化碳容量，然而海水的酸鹼值和對抗酸化的緩衝能力可籍由石灰岩﹙即碳酸鈣Calcium carbonate﹚溶化得以回復，這些過程需時數十至數千年不等。

在更長的時間尺度裏，二氧化碳和水會結合形成碳酸，碳酸又會溶解岩石裏的鈣﹙Calcium﹚和鎂﹙Magnesium﹚形成不可溶的碳酸鹽﹙Carbonates﹚。此外，二氧化碳、雨水和石灰岩亦可發生化學作用形成可溶的碳酸氫鈣﹙Calcium bicarbonates﹚，此過程稱之為風化作用，需時數百萬年。那些不可溶的碳酸化合物最終會被沖進海洋並沉積在海床。而那些可溶的碳酸氫鈣亦會在海底沉澱成沉積岩。地球的板塊運動會令海洋板塊連帶積存在海底的沉積岩一併隱沒在地球的地幔裏。最後，碳原素會透過火山活動回歸到大氣中。

在一個自然或不受干擾的碳循環裏，碳儲存庫之間的碳交換大致是平衡的，換句話說，大氣中的二氧化碳濃度是相對穩定的。事實上，在工業革命發生前的一萬年裏，大氣中的二氧化碳濃度一直維持在260至280 ppm之間。自從工業革命，人類活動如燃燒化石能源、大量砍伐樹木和改變土地用途，已經擾亂了碳循環。為要了解因燃燒化石燃料而大量排進大氣中的二氧化碳到底何去何從，科學家利用全球碳循環模式進行研究，結果發現雖然海洋對吸收此種溫室氣體起重要作用，但大部分的二氧化碳仍會留在大氣中一段時間，等待更慢的移除過程例如風化作用或碳酸化合物的沉積。圖二顯示了90年代的全球碳循環。根據IPCC第四份評估報告，新排放到大氣中的二氧化碳有50%會在30年內從大氣中被移除，有30%會在數世紀內被移除，但有20%的二氧化碳會長留在大氣中數千年。換言之，留在大氣中的二氧化碳所帶來的氣候效應亦會持續一段很長時間。

圖一︰夏威夷Manua Loa天文台每月觀測所得的大氣中二氧化碳濃度變化，可見二氧化碳濃度的季節性變化疊加在人類活動所導致的長期上升趨勢中﹙來源︰美國 Scripps Institution of Oceanography﹚

圖二︰90年代的全球碳循環。黑色斜體數字為工業革命前主要碳存庫之間每年的碳流量﹙單位︰億噸碳/年﹚；紅色斜體數字為人類活動所導致的額外碳流量。黑色正體數字代表工業革命前碳存庫的存量﹙單位︰億噸碳﹚；紅色正體數字為人類活動所導致的存量改變﹙來源︰IPCC, 2007﹚

參考資料：
[1] H. Riebeek, 2011: "The carbon cycle". NASA Earth Observatory webpage.
[2] D. Archer et al, 2009: Atmospheric lifetime of fossil-fuel carbon dioxide. Annual review of Earth and planetary science. Vol. 37, 117-134. DOI: 10.1146/annurev.earth.031208.100206
[3] IPCC, 2007: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change