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。
本文正文约5670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，
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大地之上的 万物生灵 由 碳 构成，
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见证古代文明进程的 木质建筑 由 碳 构成，
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推动近现代文明高速发展的
化石燃料，
亦由
碳
构成。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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」。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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）
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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，
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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，
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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，
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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，
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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。
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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。
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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。
（世界各地的清洁能源设施，从上至下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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这些能源被称为
清洁能源，
在气候变化的背景下，它们成为世界的新潮流，中国也承诺在未来10年里，将清洁能源在一次能源消费的比重从16%提升至25%。
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不过仅靠能源结构的调整来减少二氧化碳的排放，还不足以减缓全球快速变暖的趋势。
气候革命的 新高潮 也已出现，即 去除已排放的二氧化碳， 这一思路将为人类活动下的碳循环模式寻找一个 闭环 的方式，人类首先从大自然中汲取经验，通过 植树造林 来制造更多的森林碳库，为大气中「过量」的二氧化碳寻找新家。
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但在大量的二氧化碳面前，森林的储碳能力亦有上限，游刃于工业化两百余年的人类开始在技术领域实现突破，探索超越人们想象力的技术手段，工业活动中产生的二氧化碳被收集起来，经运输后或被注入废弃油气田，或被注入深部含盐水层，甚至被注入几千米深的海底，让源自岩石圈的碳，重新回到岩石圈，这便是 碳的捕集与封存 技术。
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如此一来，即使人类活动产生二氧化碳的总量不变，其 净排放量 也能得到降低，而当未来的某一天，人类能将一定时间内产生的的二氧化碳都从大气中去除，让它们存于森林、流入海洋、回归地层，这便是实现了这场气候革命的一大目标—— 碳中和。
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实现这一目标无疑是困难且漫长的，自1992年的地球高峰会议已经过去了将近30年，气候变化的讨论热度仍然居高不下，但人类在气候革命每一步中的实践、创新、突破，都在不断给予我们希望，在减少碳排放上，2020年全球一次能源消费量和碳排放量较上年分别下降了4.5%和6.3%，达到1945年以来的最大降幅。
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在去除已排放的二氧化碳上，2020年全球商业碳捕集与封存设施已能够每年永久封存4000万吨二氧化碳，相比2010年水平已经翻了2倍。
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而就在这场气候革命如火如荼之际，中国亦向世界宣布了我们的「双碳目标」，在2030年前实现 碳达峰， 即全国碳排放自此不再逐年增长，在2060年前实现 碳中和， 即实现碳的净零排放。
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这意味着，我们将推进能源供给侧的改革，我们将拥有更多的清洁能源发电站，我们将拥有更高的森林覆盖率，我们将拥有更先进的碳捕集与封存技术。
而这一切的核心是，我们将在 发展的过程中 解决发展带来的问题，我们将在 发展的过程中 迎接一个更美好的地球。
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来自浩瀚宇宙的碳元素已在地球巡游了46亿年，在一场场 碳的循环 中塑造了过去和现在的地球，
湛蓝、深邃、美丽。
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如今的人类，正式接过了塑造地球的接力棒，未来的地球将是何模样，需看我们将如何科学且自然地与这个碳的世界相处。
全文完。
本文创作团队
参考文献
星球研究所
解构世间万物，探索极致世界
···The End···
