（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）
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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）
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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
「
目录
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
」
01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）
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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）
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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▼
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）
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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）
02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）
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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）
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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）
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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1200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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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，因这一过程不依赖有机物而存在，故称无机碳循环，制图@龙雁翎/星球研究所）
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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）
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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
03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）
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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）
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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@Wikimedia Commons）
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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）
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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）
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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▼
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）
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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）
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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▼
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）
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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）
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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）
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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？
04碳基文明
约7000万年前非洲板块、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▼
约260万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）
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约100万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▼
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）
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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▼
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▼
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7000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@Wikimedia Commons）
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1763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@Wikimedia Commons）
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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1807年，富尔顿发明了蒸汽轮船1814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▼
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▼
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）
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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280ppm上升至了如今的415ppm这比大自然调节大气中二氧化碳的速度快了上万倍（近1000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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最近的研究显示
目前大气中二氧化碳的浓度达到200万年来的最高值全球地表温度也因温室效应的加剧达到10万年来的最高值地球碳循环无疑发生了颠覆性的改变
一系列环境与气候问题接踵而至（以上数据来自政府间气候变化专门委员会第六次评估报告，即IPCC AR6，报告同时指出人类导致的气候变化也使得极端天气更加频繁，包括干旱、暴雨等）
因为地球碳循环的改变北极夏季的海冰将消融殆尽“北冰洋”这一名字也将变为历史的符号▼
因为地球碳循环的改变马尔代夫等小岛屿国家将不复存在成为茫茫大海中的一滴眼泪（请横屏观看，马尔代夫库拉马提岛俯瞰图，其与诸多岛屿小国家将首先受到气候变化带来的影响，摄影师@陈立稳）
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因为地球碳循环的改变干旱将更加肆意收集雨水或成为我们艰难的求生手段▼
因为地球碳循环的改变暴雨将更加频繁防洪排涝或成为我们习以为常的生活（2021年7月郑州特大暴雨后的灾情，摄影师@焦潇翔）
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点亮文明之光的人类如今面临着巨大的挑战站在人类生态的命运转折点气候革命的号角已然吹响
05气候革命
在气候变化的议题上没有任何一人能够置身事外而人类社会的有识之士们已经开始行动
1992年6月各国政府首脑汇聚巴西里约热内卢参加联合国的地球高峰会议150多个国家在会议期间签署的《联合国气候变化框架公约》成为全球应对气候变化的第一条国际公约（2021年格拉斯哥气候大会期间的气候游行，纸板上书写着“立即践行气候正义”，图片来源@联合国官网）
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一场场气候峰会的激烈讨论一项项补充条款的具体政策紧随公约诞生人类共同部署着应对气候变化的战略将气候革命推向最前线即控制二氧化碳的排放
然而农业生产、基础建设、民众生活无可避免地需要使用大量能源而在世界范围内化石能源的使用仍然占压倒性优势减少碳排放便意味着要减少能源的使用全球的现代化进程都将受到阻碍（2020年全球一次能源消费比例，制图@罗梓涵/星球研究所）
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但是维系发展的生产活动不能停止城市夜晚的万家灯火不能熄灭寻找化石能源替代品便是关键的突破口
一架架风车拔地而起一座座大坝跨江而生一片片电池板连片成海它们将大自然的风能、水能、太阳能收入囊中以不排放二氧化碳的清洁方式为人类社会发电为气候革命充能（请滑动查看，世界各地的清洁能源设施，从左至右依次为中国辽宁的海上风电场、巴西伊泰普水电站、摩洛哥努奥三期光热电站，摄影师@No one 晓东、视觉中国、祁凯）
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发表于 2021-12-16 22:42
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