本文將帶你探索，從星辰大海到你我身邊的碳的足跡，在一場場 碳的迴圈 當中尋找答案。
本文正文約5670字，你將用20分鐘的時間，與 碳元素 一起遊歷46億年的地球。
碳， 這個在元素周期表中，排列第六位的化學元素，無所不在、舉足輕重。
驚艷世界的 喀斯特地貌 由 碳 構成，
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大地之上的 萬物生靈 由 碳 構成，
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見證古代文明行程的 木質建築 由 碳 構成，
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推動近現代文明高速發展的
化石燃料，
亦由
碳
構成。
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無可置疑，這是一個 碳 的世界，如今 碳達峰、碳中和 的聲音日益高漲，碳，成為了人類社會的新焦點。
（工業生產活動因產生大量二氧化碳排放，成為碳中和議題下的重要討論物件；下圖為茂名的石化工業區，攝影師@林宇先）
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不過，碳從哪裏來？它如何塑造了地球的過去？又將如何影響我們的未來？
本文將帶你探索，從星辰大海到你我身邊的碳的足跡，在一場場 碳的迴圈 當中尋找答案。
目錄
01 緣起 ：碳從哪裏來
02 無機世界 ：無機碳迴圈
03 碳基生命 ：有機碳迴圈
04 碳基文明 ：人類碳排放
05 氣候革命 ：重塑碳迴圈
01 緣起
宇宙中本沒有 碳元素， 僅由三種元素構成的初始宇宙甚是單調，而隨後誕生的 恒星 則成為了「元素工廠」，利用最初的元素創造出了新的元素，其中3個氦原子核聚在一起，便能生成1個碳原子核， 碳元素 就此誕生。
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不過恒星的生命是有限的，大質素的恒星在死亡之際，會爆發成為絢麗的星雲，其內部蘊含的各種元素也因此彌散開來，宇宙中萬億個「元素工廠」正是如此不斷制造、散播著碳元素。
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約46億年前， 太陽系 在宇宙漫長的演化中誕生了，初生的太陽系已擁有較豐富的元素種類，
各種元素在太陽系內組成塵埃、顆粒，以及更大的天體，其中便包括後來的 地球。
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然而，元素在太陽系內的分布並不均勻，地球誕生的太陽系內部區域是 較重元素 的王國，而包含碳在內的 較輕元素 大多已搭乘太陽風，去到了太陽系的外部區域，這使地球天然缺乏碳元素。
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不過 碳元素 也並沒有完全缺席，總計數十萬萬億噸的碳元素，將在地球生長的過程中以塵埃、顆粒、天體的形式被捕捉，並成為地球的一部份，它們是浩瀚宇宙的亙古余暉，也將是未來地球的命運舵手。
（人類對地球的碳總量仍不甚了解，此處碳總量數值僅為粗略估算）
02 無機世界
隨著地球不斷生長，其捕捉天體的能力越來越強，當原始地球生長到一定大小時，外來的天體能以音速十數倍的速度對地球進行「轟炸」。
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如此高的速度，能夠使撞擊區域熔化、形成巖漿，而當撞擊地球的天體足夠大時，地表的一切都將融化，
巖漿之海
將席卷整個地球表面，這正是約45億年前地球的景象。
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與此同時，氣體從巖漿中釋放，它們含有大量的 二氧化碳 和 水蒸氣， 並逐漸成為當時地球的大氣層，然而二氧化碳和水蒸氣均是典型的 溫室氣體， 它們可以輕易吸收地表輻射造成 溫室效應， 就像為地球套上了一層保溫罩。
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彼時的溫室氣體含量遠高出現代大氣水平，這層保溫罩顯得更加「厚實」，熾熱的地表持續加熱大氣，大氣溫度高達 1200攝氏度， 並長期維持此般高溫。
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不過巖漿海並非永恒的主題，隨著撞擊事件逐漸減少，地表和大氣的溫度開始下降，大氣中的溫室氣體也開始回落地面， 水蒸氣 率先行動，它們凝結為水滴，為地球帶來了第一場連綿不斷的暴雨，約44億年前，雨水匯成的 海洋 誕生了。
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與此同時， 二氧化碳 溶入雨水，變成一種弱酸來到地表，這些酸性雨水可以侵蝕地表巖石，並將剝落的礦物質帶入海洋，生成 碳酸鹽巖 沈沒海底。
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長年累月，大氣中的二氧化碳，不斷地被搬運到 海洋 和 巖石圈 中，這裏也便成為了碳在地球上最主要的儲存庫，被稱為 海洋碳庫 和 巖石圈碳庫。
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不過，二氧化碳會不會就此被海洋和巖石圈一吸而光，使地球完全失去溫室效應呢？
地球 板塊運動 的出現，為碳的歸宿找到了一個平衡點，在地表大幅降溫後，其下方的 軟流圈 仍處在部份熔融的狀態，它似一個巨大的傳送帶，能讓漂浮其上的大洋板塊向陸地板塊俯沖碰撞，曾經的 碳酸鹽巖 將與其他巖石一同融化成巖漿，並轉變為 二氧化碳， 在火山的怒吼中重新噴出地表。
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重返大氣的二氧化碳也並不會無限增多，在板塊運動的作用下，高山隆起、陸地擴張，更多 新鮮巖石 出露地表，溶入雨水、變為弱酸的二氧化碳仍能不斷侵蝕巖石、流入海洋，使大氣中的二氧化碳含量緩慢降低，維系大氣、海洋、巖石圈中的碳平衡。
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至此，大氣既向海洋輸送了碳，又從巖石圈中獲得了補充，大氣、海洋、巖石圈中的碳形成了一個
閉環，
這就是地球上的
無機碳迴圈。
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然而板塊運動是一個相當漫長的過程，若要完整走完這一迴圈，需要花費 數百萬年至數千萬年 的時間，但它就像一個精巧的 恒溫器， 透過調節大氣中二氧化碳的含量，使地球維持在一個較穩定的溫度區間。
而同樣誕生、演化於太陽系內部的 金星、火星， 則因為 缺少健全的碳迴圈 變得截然不同，金星因大氣中的二氧化碳無法被消耗而炎熱無比，火星因大氣中的二氧化碳得不到補充而天寒地凍。
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碳迴圈就像為地球施展了魔法，為地球提供了恰到好處的溫室效應，將其塑造成 最適宜生命誕生 的家園，往後數億年，生命不辱使命地在地球出現，而生命又將反過來，深刻改變地球的碳迴圈。
03 碳基生命
約38億年前，在海洋深處的一個角落， 碳元素 與氧、氫、氮等元素聚在一起逐漸演變成 細胞， 以碳元素為核心的 碳基生命 就此誕生了。
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生命誕生之初的地球幾乎 沒有氧氣， 早期的生命也僅深居海洋搖籃，在漫長歲月中緩緩演化，然而波瀾不驚從不是地球的風格，約27億年前出現的 藍細菌 突然打破了這份寧靜，它們帶來了生命史上最偉大的發明—— 光合作用， 將生命與地球雙雙推向大變革。
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生活在淺海區域的藍藻，能夠利用太陽光將 二氧化碳 和 水 變為自身所需的營養，並 釋放氧氣， 隨著藍藻的大量繁殖，海水和大氣中的 氧氣含量 逐漸提升，大量的二氧化碳也從大氣轉移到生命中。
然而，無機碳迴圈無法立刻填補大量從大氣中逃脫的二氧化碳，溫室效應因此走向衰弱，全球開始變冷，直至冰封。
約在24億年前，地球變成了一個 「雪球地球」。 該時期被稱為休倫冰期，除上述原因外，大氣中大量甲烷被氧化也被認為是此次地球變冷的重要原因之一。
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緊接著的是長達3億年的凜凜寒冬，全球的光合作用都幾近停止，在無機碳迴圈非常緩慢的調節下，大氣中二氧化碳的濃度慢慢回升，地表溫度方才慢慢回到正軌，生命在這場磨礪之後不斷演化，直至植物、動物相繼出現，從海洋登上陸地、飛向天空，組成太陽系中絕無僅有的 生物圈， 構建起一種 新的碳迴圈 模式。
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光合作用的重任落在植物身上，它們用外部環境中的 二氧化碳 生產出生命所需的 有機碳， 其中約4億年前出現的 森林 成為植物界的個中翹楚，它儲存著生物圈中90%以上的有機碳，是名副其實的 森林碳庫。
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隨後，動物透過捕食植物或其他動物，來獲得光合作用產生的 有機碳， 碳便是以此方式從外部環境進入生物圈，並在生物圈中流動起來。
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當動植物死後，微生物登場，它們會將動植物屍體中的 有機碳 分解成 二氧化碳 排出，碳又從生物圈回到了外部環境。
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此外，生命已經適應了氧氣環境，它們還能夠利用 氧氣 進行呼吸，並在這一過程中釋放 二氧化碳， 成為碳從生物圈回到外部環境的又一途徑。
至此，生命中的碳也成功 閉環， 這就是地球上的 短期有機碳迴圈。
（此處未涉及被掩埋的生物屍體在巖石圈中的變化，故為有機碳的短期迴圈）
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這一迴圈如同一支 生命畫筆， 將生物圈與外部環境連成一個整體，使碳元素可以進入、流動、儲存於生物圈，譜繪出龐大的 生物總量 和豐富的 生物種類， 為地球增添色彩。
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有機碳迴圈的周期與動植物壽命相聯系，因此僅 數十年至數百年 便能走完一圈，然而部份的有機碳不甘於 數百年 的短途旅行，它們躲避了被微生物分解的命運，被掩埋至地層深處，轉變為 煤炭、石油、天然氣 等化石燃料，參與到巖石圈的 長期有機碳迴圈 中。
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在自然條件下，它們需要經歷 數千萬年 的板塊運動方能重回大氣，或是擡升至地表，被自然之火燃燒，或是俯沖至軟流圈，隨巖漿一同噴出。
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生命將地球變得豐富多彩，但生命創造的有機碳迴圈是 脆弱 的。
當地球發生大規模的火山爆發，當小行星無情地撞向地球，當地球突然進入寒冷時期，地球上的植物都將因為生存環境的劇變，而難以進行光合作用， 有機碳迴圈 從源頭上遭到了破壞，生態系便也隨之走向奔潰，這便是 生物大滅絕事件 的原因之一。
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所幸，在每次生物大滅絕後，都有幸運的物種續寫地球的生命史詩，有機碳迴圈也會慢慢自我修復，重構地球的勃勃生機。
在滅絕與重生的輪回中，人類也將出現，並踏上通往文明的道路，而文明又將為地球碳迴圈帶來什麽呢？
04 碳基文明
約7000萬年前，非洲板塊、印澳板塊不斷北移並與歐亞板塊碰撞，在這次巨大的碰撞之中， 阿爾卑斯 至 喜馬拉雅 一帶全線隆升，大量新鮮巖石隨之出露地表，大氣中的二氧化碳因侵蝕這些巖石而被大量消耗，地球也在不久後走上 降溫 的道路。
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約260萬年前，地球的南北極均已冰原廣布，隨即進入
大冰期，
此後不久，最早的人屬物種也在這
寒冷
的時代誕生了，此時仍是天然生物圈一員的人類，在捕食與被捕食之間摸索前行。
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約100萬年前，自然界中的 火焰 改變了人類的認知，寒夜中的人類發現火焰竟能如此溫暖，火自此成為人類神往的事物。
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隨後，人類掌握了自己生火的本領，火成為了人類的工具和武器，而人類也因此成為了地球碳迴圈的 新要素， 因為使用火便是將生物中的有機碳轉變為 二氧化碳 並排入大氣的過程，受限於當時人類的數量和用火的規模，這些額外排出的二氧化碳很快便被地球碳迴圈調節了。
但毫無疑問的是，人類自此踏上了 改變地球碳迴圈 的道路。
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約1萬年前，人類已遍布世界各地，植物的 種子 改變了人類的生活，人類發現將種子埋進土裏，便能在一段時間後獲得食物，如此一來便可以定居生活，不再需要依靠遷徙來維系生計。
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這便是 農業 的誕生，人類對地球碳迴圈的切實影響也自此伊始，種植作物離不開土地，而隨著人口的增加、居民點的擴大，人類不得不 砍伐、焚燒森林 來獲得更多的土地，本應在生物圈中存留 數百年 的碳，提前結束了碳迴圈的旅行進入到大氣。
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不久後，世界各地的人類陸續步入文明，人類對農業的需求自然與日俱增，而此時額外排放出的二氧化碳也被大自然記錄了下來。
自7000年前起， 大氣中的二氧化碳濃度 已經開始因人類活動而上升，不過這一上升速度在人類文明早期還非常緩慢，往後六千余年緩緩前行的農業文明並沒有徹底顛覆地球碳迴圈，直到18世紀 工業革命 的降臨。
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1763年，英國的普通維修工 占士·瓦特 偶然得到一個修理蒸汽機的機會，對蒸汽機充滿興趣的瓦特在維修中，發現了傳統蒸汽機效率低下的問題，往後的二十余年，工匠精神推動著瓦特不斷實驗、改造，效率提升數倍的瓦特 改良蒸汽機 最終問世。
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這一次，人類的智慧改變了人類的發展，在瓦特改良蒸汽機後工業革命的進展風起雲湧，1807年，富爾頓發明了蒸汽輪船，1814年，史蒂芬森發明了蒸汽火車，這些碩碩成果從根本上改變了人們的生活、生產方式，人類歷史自此進入快車道滾滾向前。
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這些生產與交通器材，有一個共同點，便是以 化石燃料 作為能量來源，為了適應新社會的生產力水平，大量的 煤炭、石油 被開采並投入使用，它們至今仍是世界運轉的主要動力。
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本應在巖石圈中存留 數千萬年 的碳，大量且迅速地被付之一炬，人類成百萬倍地加速了地層深處有機碳進入大氣的過程，一個 前所未有的碳排放模式 出現了。
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與無機、有機碳迴圈類似，一個「健康」的碳迴圈模式，需要一個有進有出的 閉環， 面對大量被提前釋放的二氧化碳，自然界開始了閉環的嘗試。
森林碳庫 和 海洋碳庫 接手了儲碳的任務，然而森林的面積自農業出現便持續減少，森林的儲碳效率亦不如往昔。
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海洋在過量吸收二氧化碳後會發生酸化，進而又會限制其吸收二氧化碳的效率。
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由於難以追趕人類碳排放的速度，自然界儲碳的任務宣告失敗，自工業革命以來人類所排放的二氧化碳約30%存於森林，約30%流入海洋，而約40%則留在了大氣，這正是這一碳迴圈模式所面臨的重大問題 沒有成功閉環。
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大氣中二氧化碳濃度因此迅速提高，從工業革命前的280ppm上升至了如今的415ppm，這比大自然調節大氣中二氧化碳的速度快了 上萬倍。
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最近的研究顯示，目前大氣中二氧化碳的濃度達到200萬年來的最高值，全球地表溫度也因溫室效應的加劇達到10萬年來的最高值，地球碳迴圈無疑發生了顛覆性的改變，一系列 環境與氣候問題 接踵而至。
（以上數據來自政府間氣候變遷專門委員會第六次評估報告，即IPCC AR6，報告同時指出人類導致的氣候變遷也使得極端天氣更加頻繁，包括幹旱、暴雨等）
因為地球碳迴圈的改變，北極夏季的海冰將消融殆盡，「北冰洋」這一名字也將變為歷史的符號，
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因為地球碳迴圈的改變，馬爾代夫等小島嶼國家將不復存在，成為茫茫大海中的一滴眼淚，
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因為地球碳迴圈的改變，幹旱將更加肆意，收集雨水或成為我們艱難的求生手段，
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因為地球碳迴圈的改變，暴雨將更加頻繁，防洪排澇或成為我們習以為常的生活，
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點亮文明之光的人類如今面臨著巨大的挑戰，站在人類生態的命運轉折點，氣候革命的號角已然吹響。
05 氣候革命
在氣候變遷的議題上，沒有任何一人能夠置身事外，而人類社會的有識之士們已經開始行動。
1992年6月各國政府首腦匯聚巴西裏約熱內盧，參加聯合國的地球高峰會議，150多個國家在會議期間簽署的【聯合國氣候變遷框架公約】成為全球應對氣候變遷的第一條國際公約。
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一場場氣候峰會的激烈討論，一項項補充條款的具體政策緊隨公約誕生，人類共同部署著應對氣候變遷的戰略將氣候革命推向 最前線， 即 控制二氧化碳的排放。
然而，農業生產、基礎建設、民眾生活無可避免地需要使用大量能源，而在世界範圍內 化石能源 的使用仍然占壓倒性優勢，減少碳排放便意味著要減少能源的使用，全球的現代化行程都將受到阻礙。
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但是，維系發展的生產活動不能停止，城市夜晚的萬家燈火不能熄滅，尋找 化石能源替代品 便是關鍵的突破口。
一架架風車拔地而起，一座座大壩跨江而生，一片片電池板連片成海，它們將大自然的 風能、水能、太陽能 收入囊中以不排放二氧化碳的清潔方式，為人類社會發電，為氣候革命充能。
（世界各地的清潔能源設施，從上至下依次為中國遼寧的海上風電場、巴西伊泰普水電站、摩洛哥努奧三期光熱電站，攝影師@No one 曉東、視覺中國、祁凱）
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這些能源被稱為
清潔能源，
在氣候變遷的背景下，它們成為世界的新潮流，中國也承諾在未來10年裏，將清潔能源在一次能源消費的比重從16%提升至25%。
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不過僅靠能源結構的調整來減少二氧化碳的排放，還不足以減緩全球快速變暖的趨勢。
氣候革命的 新高潮 也已出現，即 去除已排放的二氧化碳， 這一思路將為人類活動下的碳迴圈模式尋找一個 閉環 的方式，人類首先從大自然中汲取經驗，透過 植樹造林 來制造更多的森林碳庫，為大氣中「過量」的二氧化碳尋找新家。
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但在大量的二氧化碳面前，森林的儲碳能力亦有上限，遊刃於工業化兩百余年的人類開始在技術領域實作突破，探索超越人們想象力的技術手段，工業活動中產生的二氧化碳被收集起來，經運輸後或被註入廢棄油氣田，或被註入深部含鹽水層，甚至被註入幾千米深的海底，讓源自巖石圈的碳，重新回到巖石圈，這便是 碳的捕集與封存 技術。
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如此一來，即使人類活動產生二氧化碳的總量不變，其 凈排放量 也能得到降低，而當未來的某一天，人類能將一定時間內產生的的二氧化碳都從大氣中去除，讓它們存於森林、流入海洋、回歸地層，這便是實作了這場氣候革命的一大目標—— 碳中和。
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實作這一目標無疑是困難且漫長的，自1992年的地球高峰會議已經過去了將近30年，氣候變遷的討論熱度仍然居高不下，但人類在氣候革命每一步中的實踐、創新、突破，都在不斷給予我們希望，在減少碳排放上，2020年全球一次能源消費量和碳排放量較上年分別下降了4.5%和6.3%，達到1945年以來的最大降幅。
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在去除已排放的二氧化碳上，2020年全球商業碳捕集與封存設施已能夠每年永久封存4000萬噸二氧化碳，相比2010年水平已經翻了2倍。
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而就在這場氣候革命如火如荼之際，中國亦向世界宣布了我們的「雙碳目標」，在2030年前實作 碳達峰， 即全國碳排放自此不再逐年增長，在2060年前實作 碳中和， 即實作碳的凈零排放。
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這意味著，我們將推進能源供給側的改革，我們將擁有更多的清潔能源發電站，我們將擁有更高的森林覆蓋率，我們將擁有更先進的碳捕集與封存技術。
而這一切的核心是，我們將在 發展的過程中 解決發展帶來的問題，我們將在 發展的過程中 迎接一個更美好的地球。
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來自浩瀚宇宙的碳元素已在地球巡遊了46億年，在一場場 碳的迴圈 中塑造了過去和現在的地球，
湛藍、深邃、美麗。
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如今的人類，正式接過了塑造地球的接力棒，未來的地球將是何模樣，需看我們將如何科學且自然地與這個碳的世界相處。
全文完。
本文創作團隊
參考文獻
星球研究所
解構世間萬物，探索極致世界
···The End···
