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碳如何玩转地球

2022/9/2 来源：不详

北京著名皮肤病医院 http://pf.39.net/bdfyy/qsnbdf/150717/4658077.html

本文正文约字

你将用20分钟的时间

与碳元素一起

游历46亿年的地球

碳

这个在元素周期表中

排列第六位的化学元素

无所不在、举足轻重

惊艳世界的喀斯特地貌

由碳构成

（喀斯特地貌主要由碳酸盐类岩石构成，含有碳元素；下图为广西阳朔老寨山的喀斯特景观，摄影师

于海童）

▼

大地之上的万物生灵

由碳构成

（构成地球生物细胞的主要元素中，碳元素是核心，因此地球上所有的生命都被称为碳基生命；下图为肯尼亚纳特龙湖的火烈鸟，摄影师

梅元皎）

▼

见证古代文明进程的木质建筑

由碳构成

（木质建筑材料源于生物，故含有碳元素；请横屏观看下图，故宫太和殿，是我国著名的木结构殿宇，摄影师

冯思绪）

▼

推动近现代文明高速发展的化石燃料

亦由碳构成

（化石燃料包括煤炭、石油等，由古代生物的残骸形成，故含有碳元素；下图为俄罗斯露天煤矿，图片来源

视觉中国）

▼

无可置疑

这是一个碳的世界

如今

碳达峰、碳中和的声音日益高涨

碳

成为了人类社会的新焦点

（工业生产活动因产生大量二氧化碳排放，成为碳中和议题下的重要讨论对象；下图为茂名的石化工业区，摄影师

林宇先）

▼

不过

碳从哪里来？

它如何塑造了地球的过去？

又将如何影响我们的未来？

本文将带你探索

从星辰大海到你我身边的碳的足迹

在一场场碳的循环当中寻找答案

「

01缘起：碳从哪里来

02无机世界：无机碳循环

03碳基生命：有机碳循环

04碳基文明：人类碳排放

05气候革命：重塑碳循环

」

缘起

宇宙中本没有碳元素

仅由三种元素构成的初始宇宙

甚是单调

而随后诞生的恒星则成为了“元素工厂”

利用最初的元素创造出了新的元素

其中3个氦原子核聚在一起

便能生成1个碳原子核

碳元素就此诞生

（宇宙中最初的元素为氢、氦、锂，其通过原子核聚合可以产生其他新的元素，即核聚变过程；下图为氦的聚变产生碳的过程示意，其中氦4和碳12分别为氦元素和碳元素的主要存在形式，制图

罗梓涵/星球研究所）

▼

不过恒星的生命是有限的

大质量的恒星在死亡之际

会爆发成为绚丽的星云

其内部蕴含的各种元素也因此弥散开来

宇宙中万亿个“元素工厂”

正是如此不断制造、散播着碳元素

（蟹状星云，是一颗大质量恒星爆发后的残骸，图片来源

NASA）

▼

约46亿年前

太阳系在宇宙漫长的演化中诞生了

初生的太阳系已拥有较丰富的元素种类

各种元素在太阳系内组成尘埃、颗粒

以及更大的天体

其中便包括后来的地球

（从月球上拍摄的地球，图片来源

NASA）

▼

然而

元素在太阳系内的分布并不均匀

地球诞生的太阳系内部区域

是较重元素的王国

而包含碳在内的较轻元素

大多已搭乘太阳风

去到了太阳系的外部区域

这使地球天然缺乏碳元素

（太阳系八大行星及地球元素比例示意，制图

罗梓涵/星球研究所）

▼

不过碳元素也并没有完全缺席

总计数十万万亿吨的碳元素

将在地球生长的过程中

以尘埃、颗粒、天体的形式被捕捉

并成为地球的一部分

它们是浩瀚宇宙的亘古余晖

也将是未来地球的命运舵手

（人类对地球的碳总量仍不甚了解，此处碳总量数值仅为粗略估算）

无机世界

随着地球不断生长

其捕捉天体的能力越来越强

当原始地球生长到一定大小时

外来的天体能以音速十数倍的速度

对地球进行“轰炸”

（天苑四恒星系统中的小行星带，此处仅作示意，图片来源

NASA）

▼

如此高的速度

能够使撞击区域熔化、形成岩浆

而当撞击地球的天体足够大时

地表的一切都将融化

岩浆之海将席卷整个地球表面

这正是约45亿年前地球的景象

（现代火山喷发，早期的地球处处皆为此般景象，图片来源

视觉中国）

▼

与此同时

气体从岩浆中释放

它们含有大量的二氧化碳和水蒸气

并逐渐成为当时地球的大气层

然而二氧化碳和水蒸气均是典型的温室气体

它们可以轻易吸收地表辐射

造成温室效应

就像为地球套上了一层保温罩

（地球早期的岩浆海及大气层形成示意，制图

罗梓涵/星球研究所）

▼

彼时的温室气体含量远高出现代大气水平

这层保温罩显得更加“厚实”

炽热的地表持续加热大气

大气温度高达摄氏度

并长期维持此般高温

（现代火山产生的岩浆流，此处仅作示意，图片来源

视觉中国）

▼

不过岩浆海并非永恒的主题

随着撞击事件逐渐减少

地表和大气的温度开始下降

大气中的温室气体也开始回落地面

水蒸气率先行动

它们凝结为水滴

为地球带来了第一场连绵不断的暴雨

约44亿年前

雨水汇成的海洋诞生了

（海洋形成于44亿年的数据源自澳大利亚西北部发现的锆石，而事实上在地球形成的早期，岩浆海与海洋可能反复出现过；下图为从宇宙中眺望地球的海洋，摄影师

汤洪波）

▼

与此同时

二氧化碳溶入雨水

变成一种弱酸来到地表

这些酸性雨水可以侵蚀地表岩石

并将剥落的矿物质带入海洋

生成碳酸盐岩沉没海底

（二氧化碳除了通过侵蚀陆地岩石进入海洋外，也能够直接从大气进入海洋，此处着重阐述第一种过程；下图为二氧化碳进入海洋与岩石圈示意，制图

龙雁翎/星球研究所）

▼

长年累月

大气中的二氧化碳

不断地被搬运到海洋和岩石圈中

这里也便成为了碳在地球上最主要的储存库

被称为海洋碳库和岩石圈碳库

（英国多佛白崖，白色的崖壁即碳酸盐岩构成的海洋沉积物，但此处碳酸盐岩是生物成因，图片来源

视觉中国）

▼

不过

二氧化碳会不会就此被海洋和岩石圈一吸而光

使地球完全失去温室效应呢？

地球板块运动的出现

为碳的归宿找到了一个平衡点

在地表大幅降温后

其下方的软流圈仍处在部分熔融的状态

它似一个巨大的传送带

能让漂浮其上的大洋板块向陆地板块俯冲碰撞

曾经的碳酸盐岩将与其他岩石一同融化成岩浆

并转变为二氧化碳

在火山的怒吼中重新喷出地表

（位于西北太平洋堪察加半岛的火山爆发，是太平洋板块向欧亚板块俯冲所引发的地质活动，图片来源

NASA）

▼

重返大气的二氧化碳也并不会无限增多

在板块运动的作用下

高山隆起、陆地扩张

更多新鲜岩石出露地表

溶入雨水、变为弱酸的二氧化碳

仍能不断侵蚀岩石、流入海洋

使大气中的二氧化碳含量缓慢降低

维系大气、海洋、岩石圈中的碳平衡

（南阿尔卑斯山脉，当山体被降雨侵蚀时，便会伴随着二氧化碳的消耗，摄影师

刘世辉）

▼

至此

大气既向海洋输送了碳

又从岩石圈中获得了补充

大气、海洋、岩石圈中的碳

形成了一个闭环

这就是地球上的无机碳循环

（无机碳循环示意图，因这一过程诞生时生命尚未出现，故称无机碳循环，制图

龙雁翎/星球研究所）

▼

然而板块运动是一个相当漫长的过程

若要完整走完这一循环

需要花费数百万年至数千万年的时间

但它就像一个精巧的恒温器

通过调节大气中二氧化碳的含量

使地球维持在一个较稳定的温度区间

而同样诞生、演化于太阳系内部的金星、火星

则因为缺少健全的碳循环变得截然不同

金星因大气中的二氧化碳无法被消耗

而炎热无比

火星因大气中的二氧化碳得不到补充

而天寒地冻

（金星、地球、火星温室效应对比图；导致行星地表温度差异的因素包括行星距太阳远近、大气层厚度等，其中碳循环的完整与否亦是此三颗行星地表温度差异的主要因素之一，制图

罗梓涵/星球研究所）

▼

碳循环就像为地球施展了魔法

为地球提供了恰到好处的温室效应

将其塑造成最适宜生命诞生的家园

往后数亿年

生命不辱使命地在地球出现

而生命又将反过来

深刻改变地球的碳循环

碳基生命

约38亿年前

在海洋深处的一个角落

碳元素与氧、氢、氮等元素聚在一起

逐渐演变成细胞

以碳元素为核心的碳基生命就此诞生了

（美国黄石公园的大棱镜温泉，泉周的艳丽色彩源自各种细菌，而细菌正是最古老的生命之一，图片来源

视觉中国）

▼

生命诞生之初的地球几乎没有氧气

早期的生命也仅深居海洋摇篮

在漫长岁月中缓缓演化

然而波澜不惊从不是地球的风格

约27亿年前出现的蓝细菌

突然打破了这份宁静

它们带来了生命史上最伟大的发明

光合作用

将生命与地球双双推向大变革

（澳大利亚鲨鱼湾星空下的叠层石，叠层石是蓝细菌等微生物在生长过程中形成的沉积构造，摄影师

Tea-tia）

▼

生活在浅海区域的蓝藻

能够利用太阳光

将二氧化碳和水变为自身所需的营养

并释放氧气

随着蓝藻的大量繁殖

海水和大气中的氧气含量逐渐提升

大量的二氧化碳也从大气转移到生命中

然而

无机碳循环无法立刻填补

大量从大气中逃脱的二氧化碳

温室效应因此走向衰弱

全球开始变冷，直至冰封

约在24亿年前

地球变成了一个“雪球地球”

（该时期被称为休伦冰期，除上述原因外，大气中大量甲烷被氧化也被认为是此次地球变冷的重要原因之一；雪球地球想象图，其以现代地球为底，此处仅作示意，图片来源

WikimediaCommons）

▼

紧接着的是长达3亿年的凛凛寒冬

全球的光合作用都几近停止

在无机碳循环非常缓慢的调节下

大气中二氧化碳的浓度慢慢回升

地表温度方才慢慢回到正轨

生命在这场磨砺之后不断演化

直至植物、动物相继出现

从海洋登上陆地、飞向天空

组成太阳系中绝无仅有的生物圈

构建起一种新的碳循环模式

（动植物群落，他们构成了地球的生物圈，图片来源

视觉中国）

▼

光合作用的重任落在植物身上

它们用外部环境中的二氧化碳

生产出生命所需的有机碳

其中约4亿年前出现的森林

成为植物界的个中翘楚

它存储着生物圈中90%以上的有机碳

是名副其实的森林碳库

（位于南美洲的亚马孙热带雨林，为地球上最大森林，图片来源

视觉中国）

▼

随后

动物通过捕食植物或其他动物

来获得光合作用产生的有机碳

碳便是以此方式从外部环境进入生物圈

并在生物圈中流动起来

（正在进食的熊猫，摄影师

周孟棋）

▼

当动植物死后

微生物登场

它们会将动植物尸体中的有机碳

分解成二氧化碳排出

碳又从生物圈回到了外部环境

（即将枯萎的胡杨，在一定条件下，枯萎的树木将被分解为二氧化碳、水、无机盐等物质，摄影师

陶洪）

▼

此外

生命已经适应了氧气环境

它们还能够利用氧气进行呼吸

并在这一过程中释放二氧化碳

成为碳从生物圈回到外部环境的又一途径

至此

生命中的碳也成功闭环

这就是地球上的短期有机碳循环

（此处未涉及被掩埋的生物尸体在岩石圈中的变化，故为有机碳的短期循环；下图为短期有机碳循环示意图，制图

龙雁翎/星球研究所）

▼

这一循环如同一支生命画笔

将生物圈与外部环境连成一个整体

使碳元素可以进入、流动、储存于生物圈

谱绘出庞大的生物总量和丰富的生物种类

为地球增添色彩

（正在过河的角马群，图片来源

视觉中国）

▼

有机碳循环的周期与动植物寿命相联系

因此仅数十年至数百年便能走完一圈

然而部分的有机碳

不甘于数百年的短途旅行

它们躲避了被微生物分解的命运

被掩埋至地层深处

转变为煤炭、石油、天然气等化石燃料

参与到岩石圈的长期有机碳循环中

（化石燃料形成示意，其中煤炭以陆上植物形成为例，石油、天然气以海洋生物形成为例，制图

龙雁翎/星球研究所）

▼

在自然条件下

它们需要经历数千万年的板块运动

方能重回大气

或是抬升至地表，被自然之火燃烧

或是俯冲至软流圈，随岩浆一同喷出

（阿塞拜疆的泥火山，是由地下天然气在压力作用下，夹带泥浆喷出地表所形成的泥丘，在自然条件下出露地表的天然气将被氧化为二氧化碳进入大气，图片来源

视觉中国）

▼

生命将地球变得丰富多彩

但生命创造的有机碳循环是脆弱的

当地球发生大规模的火山爆发

当小行星无情地撞向地球

当地球突然进入寒冷时期

地球上的植物都将因为生存环境的剧变

而难以进行光合作用

有机碳循环从源头上遭到了破坏

生态系统便也随之走向奔溃

这便是生物大灭绝事件的原因之一

（地球历史上至少发生过5次生物大灭绝事件，历次事件的原因均无定论，但植物光合作用的降低而导致的食物链崩溃被认为是多次事件的原因之一，如规模最大的二叠纪-三叠纪灭绝事件，以及最为人们熟知的恐龙大灭绝事件；请横屏观看下图，为禄丰龙化石，摄影师

周明佳）

▼

所幸

在每次生物大灭绝后

都有幸运的物种续写地球的生命史诗

有机碳循环也会慢慢自我修复

重构地球的勃勃生机

在灭绝与重生的轮回中

人类也将出现

并踏上通往文明的道路

而文明又将为地球碳循环带来什么呢？

碳基文明

约万年前

非洲板块、印澳板块不断北移

并与欧亚板块碰撞

在这次巨大的碰撞之中

阿尔卑斯至喜马拉雅一带全线隆升

大量新鲜岩石随之出露地表

大气中的二氧化碳因侵蚀这些岩石

而被大量消耗

地球也在不久后走上降温的道路

（喜马拉雅山的南迦巴瓦峰，摄影师

行影不离）

▼

约万年前

地球的南北极均已冰原广布

随即进入大冰期

此后不久

最早的人属物种也在这寒冷的时代诞生了

此时仍是天然生物圈一员的人类

在捕食与被捕食之间摸索前行

（生活在数十万年前的北京猿人形象，其在物种分类上属于人属的直立人，是最早的人属物种之一，图片来源

视觉中国）

▼

约万年前

自然界中的火焰改变了人类的认知

寒夜中的人类发现火焰竟能如此温暖

火自此成为人类神往的事物

（闪电是自然起火的原因之一，摄影师

李雨森）

▼

随后

人类掌握了自己生火的本领

火成为了人类的工具和武器

而人类也因此成为了地球碳循环的新要素

因为使用火便是将生物中的有机碳

转变为二氧化碳并排入大气的过程

受限于当时人类的数量和用火的规模

这些额外排出的二氧化碳

很快便被地球碳循环调节了

但毫无疑问的是

人类自此踏上了改变地球碳循环的道路

（火已成为现代人类不可或缺的事物，下图为彝族火把节，摄影师

潘泉）

▼

约1万年前

人类已遍布世界各地

植物的种子改变了人类的生活

人类发现将种子埋进土里

便能在一段时间后获得食物

如此一来便可以定居生活

不再需要依靠迁徙来维系生计

（现代收割水稻的场景，摄影师

肖奕叁）

▼

这便是农业的诞生

人类对地球碳循环的切实影响也自此伊始

种植作物离不开土地

而随着人口的增加、居民点的扩大

人类不得不砍伐、焚烧森林来获得更多的土地

本应在生物圈中存留数百年的碳

提前结束了碳循环的旅行

进入到大气

（遭到砍伐的亚马孙热带雨林，摄影师

视觉中国）

▼

不久后

世界各地的人类陆续步入文明

人类对农业的需求自然与日俱增

而此时额外排放出的二氧化碳

也被大自然记录了下来

自年前起

大气中的二氧化碳浓度

已经开始因人类活动而上升

不过这一上升速度

在人类文明早期还非常缓慢

往后六千余年缓缓前行的农业文明

并没有彻底颠覆地球碳循环

直到18世纪工业革命的降临

（第一次工业革命的场景画作，图片来源

WikimediaCommons）

▼

年

英国的普通维修工詹姆斯·瓦特

偶然得到一个修理蒸汽机的机会

对蒸汽机充满兴趣的瓦特

在维修中发现了传统蒸汽机效率低下的问题

往后的二十余年

工匠精神推动着瓦特不断实验、改造

效率提升数倍的瓦特改良蒸汽机最终问世

（詹姆斯·瓦特的画像，桌上正是改良蒸汽机的图纸，图片来源

WikimediaCommons）

▼

这一次

人类的智慧改变了人类的发展

在瓦特改良蒸汽机后

工业革命的进展风起云涌

年，富尔顿发明了蒸汽轮船

年，史蒂芬森发明了蒸汽火车

这些硕硕成果

从根本上改变了人们的生活、生产方式

人类历史自此进入快车道

滚滚向前

（运行中的现代蒸汽火车，摄影师

姚金辉）

▼

这些生产与交通设备

有一个共同点

便是以化石燃料作为能量来源

为了适应新社会的生产力水平

大量的煤炭、石油被开采并投入使用

它们至今仍是世界运转的主要动力

（辽宁抚顺西露天矿，摄影师

杨诚）

▼

本应在岩石圈中存留数千万年的碳

大量且迅速地被付之一炬

人类成百万倍地加速了

地层深处有机碳进入大气的过程

一个前所未有的碳排放模式出现了

（人类活动的碳排放示意，制图

龙雁翎/星球研究所）

▼

与无机、有机碳循环类似

一个“健康”的碳循环模式

需要一个有进有出的闭环

面对大量被提前释放的二氧化碳

自然界开始了闭环的尝试

森林碳库和海洋碳库接手了储碳的任务

然而森林的面积

自农业出现便持续减少

森林的储碳效率亦不如往昔

（森林大火，与森林砍伐均为森林碳库的杀手，图片来源

视觉中国）

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海洋在过量吸收二氧化碳后

会发生酸化

进而又会限制其吸收二氧化碳的效率

（海洋酸化将严重影响海洋的生物多样性，珊瑚是易受影响的物种之一，图片来源

视觉中国）

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由于难以追赶人类碳排放的速度

自然界储碳的任务宣告失败

自工业革命以来人类所排放的二氧化碳

约30%存于森林

约30%流入海洋

而约40%则留在了大气

这正是这一碳循环模式所面临的重大问题

没有成功闭环

（人类活动碳排放的去向示意，大部分的碳留在了大气中，而它们在短期内无法参与碳循环，制图

龙雁翎/星球研究所）

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大气中二氧化碳浓度因此迅速提高

从工业革命前的ppm

上升至了如今的ppm

这比大自然调节大气中二氧化碳的速度

快了上万倍

（近0年大气中二氧化碳浓度变化，制图

罗梓涵/星球研究所）

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