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碳很可能是生命中最重要的元素。每一种生物都需要碳来运作，而大多数有机分子都是由氢和碳分子链组成的。你身体18%的物质完全由碳构成，没有碳，你就没有DNA、细胞，甚至基本的葡萄糖分子来代谢能量。由于碳的电子结构，它对生命非常有用。它有4个价电子，这使得它能产生无穷无尽的有机化合物。碳也是许多岩石和矿物的重要成分。 碳循环是指碳在大气、海洋、地质地层和地球生物系统中循环的生物地球化学过程。碳循环，以及水、氮、磷的循环，形成了一个极其重要的相互作用的网络，这是我们所知道的生命所必需的。 碳循环:概述 碳循环涉及地球系统重要组成部分之间的碳转移。这些成分构成了地球上大部分的碳储备。碳循环的 4个主要组成部分是: 大气中 海洋 陆地生物圈(生命系统) 地质来源(沉积物/地壳及地幔) 这四个独立的系统相互作用，相互循环碳。碳在这四种成分之间的循环是由各种各样的化学反应促进的。随着时间的推移，这些循环已经发展到在每个成分中保持一个接近恒定水平的碳。由于人类碳排放在过去150年呈指数增长，碳循环已被严重抵消。 碳循环的子循环 一般来说，碳循环分为两个子循环;第一个是关于生物间碳物质的短期转移，第二个是关于碳通过地质过程的长期循环。这两个子循环是分开的，但又相互关联，因为它们都依赖于相同的碳储量，并且相互影响。 生物碳循环 在第一个亚循环(称为生物碳循环)中，以大气二氧化碳形式存在的碳被光自养生物吸收并转化为有机分子。这些有机分子被异养生物消耗，异养生物产生碳废物，并将二氧化碳排放回土壤和大气中。有机分子分解成碳成分的过程叫做细胞呼吸。环境中的分解者在消耗死生物体和植物物质时，会进一步分解废物。每年，大约有10万吨到1亿吨的碳通过这些途径循环。 地质碳循环 第二个循环(有时称为地质碳循环)需要更长的时间来循环碳。大气中的二氧化碳溶解在海洋中，与水分子反应生成碳酸氢盐。碳酸氢盐是许多海洋动物的主要组成部分，如软体动物的贝壳。当这些生物死亡时，它们含有碳的残骸成为海底沉积物的一部分。随着时间的推移，这些沉积物中的碳渗入地质地层，形成石灰石和其他矿物化合物。这些碳沉积通过地面渗入土壤，或转化为人类燃烧的化石燃料，将二氧化碳释放到大气中。一般来说，地质碳循环需要数百万年的时间才能使物质在海洋和地球地质地层中循环。 生物碳循环与地质碳循环相互联系、相互补充。地质循环中的碳沉积也被植物吸收并用于光合作用。海洋中的碳会蒸发到大气中，而地震、构造运动和火山爆发等地质活动会把碳放回大气中。生物碳循环和地质碳循环共同构成了地球上的总碳循环。如果没有这两个亚循环的复杂相互作用，就不会有生命所必需的碳量。 让我们深入研究碳循环的每个组成部分，看看它是如何吸收和循环碳的。 碳循环的组成部分 大气 大气中的碳在地球上所有主要的碳汇之间转移。资料来源:公共领域 大气层是地球上最大的碳汇之一，估计含有7200亿吨(10亿吨= 10亿吨)或碳。大气中的碳主要以二氧化碳和甲烷(CH4)的形式存在。这两种气体都是温室气体，它们吸收热量，使大气变暖。在这两者中，二氧化碳的存在比例更大，而甲烷的寿命则短得多。在过去的200年里，由于人类活动的推动，大气中的二氧化碳含量几乎翻了一番。 二氧化碳主要通过进入陆地生物圈的自养生物的光合作用从大气中去除。这是所有异养生物吃的有机物质的直接来源，包括人类。大气中的碳是有机分子的基本组成部分。通过消耗碳的异养生物的呼出、海洋的蒸发和地质活动，碳被循环回到大气中。碳在大气中循环的速度因许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汇。在任何时候，地球上93%以上的碳都包含在海洋中，要么溶解在水中，要么以藻类、珊瑚和海底动物的形式存在。有三个主要的过程可以促进碳在海洋中的循环。 溶解度泵涉及海洋吸收大气中的二氧化碳。大气中的二氧化碳溶解到海洋中，通过以下化学方程式反应生成碳酸和碳酸氢盐:CO2 H2O → H HCO3− 这种机制还可以控制海洋的pH值，使其保持在略碱性。 第二种机制被称为碳酸盐岩泵。碳酸钙是海洋动物硬壳的主要成分，如软体动物、浮游植物和其他无脊椎动物。海洋中的钙离子与碳酸氢盐离子结合产生碳酸钙并释放二氧化碳：Ca2 2HCO3− ⇔ CaCO3 H2O CO2 生物泵是指通过海洋中的光合生物来固定碳物质。像陆地上的植物一样，海洋生物，如蓝藻、藻类和浮游生物，通过光合作用吸收二氧化碳，并制造出其他海洋动物赖以为生的有机分子。 在工业革命之前，海洋主要是大气碳的来源。由于人类的碳排放，这种关系已经逆转，现在海洋作为大气碳的汇。海洋温度的上升对海洋有效吸收碳的能力产生了负面影响。 陆地生物圈 陆地生物圈是指陆地生态系统和生物的整体。大部分碳元素存在于森林、树木和土壤中。生物圈中的碳主要是通过陆地光自养生物的活动引入的，它们利用碳来制造有机物质。这些物质通过异养生物对植物的消耗在生物圈中循环。当动物吃植物时，它们的碳被用来驱动细胞呼吸，将二氧化碳释放回大气。在有氧呼吸的情况下，产生甲烷。无氧呼吸产生甲烷。死亡的植物物质也会在土壤中沉淀，在土壤中它可以长期保持惰性碳的状态。 地质资源 |
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