دورة الكربون

يوجد الكربون في الغلاف الجوي للأرض في صورتين رئيسيتين: ثاني أكسيد الكربون والميثان . يمتص كلا الغازين الحرارة ويحتفظان بها في الغلاف الجوي، وهما مسؤولان جزئيًا عن ظاهرة الاحتباس الحراري . ^{[ 8 ]} يُحدث الميثان تأثيرًا أكبر في ظاهرة الاحتباس الحراري لكل وحدة حجم مقارنةً بثاني أكسيد الكربون، ولكنه يوجد بتراكيز أقل بكثير، كما أنه أقصر عمرًا من ثاني أكسيد الكربون. لذا، يُساهم ثاني أكسيد الكربون في ظاهرة الاحتباس الحراري العالمي أكثر من الميثان. ^{[ 12 ]}

يُزال ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي بشكل أساسي من خلال عملية التمثيل الضوئي ، ويدخل إلى الغلاف الحيوي الأرضي والمحيطي. كما يذوب ثاني أكسيد الكربون مباشرةً من الغلاف الجوي في المسطحات المائية (المحيطات والبحيرات وغيرها)، بالإضافة إلى ذوبانه في الهطول المطري عند سقوط قطرات المطر عبر الغلاف الجوي. وعند ذوبانه في الماء، يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع جزيئات الماء مكونًا حمض الكربونيك ، الذي يُساهم في حموضة المحيطات. ويمكن بعد ذلك امتصاصه بواسطة الصخور من خلال التجوية. كما يمكنه أيضًا أن يُحمّض الأسطح الأخرى التي يلامسها أو أن يُجرف إلى المحيط. ^{[ 13 ]}

أدت الأنشطة البشرية على مدى القرنين الماضيين إلى زيادة كمية الكربون في الغلاف الجوي بنحو 50% حتى عام 2020، وذلك بشكل رئيسي على هيئة ثاني أكسيد الكربون، سواءً من خلال تعديل قدرة النظم البيئية على امتصاص ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي أو من خلال انبعاثه بشكل مباشر، على سبيل المثال، عن طريق حرق الوقود الأحفوري وصناعة الخرسانة. ^{[ 4 ] [ 8 ]}

في المستقبل البعيد (من ملياري إلى ثلاثة مليارات سنة)، من المرجح أن يزداد معدل امتصاص ثاني أكسيد الكربون في التربة عبر دورة الكربونات والسيليكات نتيجة للتغيرات المتوقعة في الشمس مع تقدمها في العمر. ومن المتوقع أن يؤدي ازدياد سطوع الشمس إلى تسريع وتيرة التجوية السطحية. ^{[ 14 ]} سيؤدي هذا في النهاية إلى ترسب معظم ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي في قشرة الأرض على شكل كربونات. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]} بمجرد أن ينخفض ​​تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى أقل من 50 جزءًا في المليون تقريبًا (تختلف الحدود المسموح بها بين الأنواع)، لن يكون التمثيل الضوئي من _نوع C3 ممكنًا. ^{[ 16 ]} وقد تم التنبؤ بحدوث ذلك بعد 600 مليون سنة من الآن، على الرغم من اختلاف النماذج. ^{[ 18 ]}

بمجرد تبخر محيطات الأرض بعد حوالي 1.1 مليار سنة من الآن، ^{[ 14 ]} فمن المرجح جدًا أن تتوقف حركة الصفائح التكتونية بسبب نقص المياه اللازمة لتليينها. وسيؤدي توقف البراكين عن ضخ ثاني أكسيد الكربون إلى توقف دورة الكربون بعد ما بين مليار وملياري سنة. ^{[ 19 ]}

يشمل الغلاف الحيوي الأرضي الكربون العضوي الموجود في جميع الكائنات الحية البرية، الحية منها والميتة، بالإضافة إلى الكربون المخزن في التربة . يُخزن حوالي 500 جيجا طن من الكربون فوق سطح الأرض في النباتات والكائنات الحية الأخرى، ^{[ 9 ]} بينما تحتوي التربة على ما يقارب 1500 جيجا طن من الكربون. ^{[ 21 ]} معظم الكربون في الغلاف الحيوي الأرضي هو كربون عضوي، ^{[ 22 ]} بينما يُخزن حوالي ثلث كربون التربة في أشكال غير عضوية، مثل كربونات الكالسيوم . ^{[ 23 ]} يُعد الكربون العضوي مكونًا رئيسيًا لجميع الكائنات الحية على الأرض. تستخلصه الكائنات ذاتية التغذية من الهواء على شكل ثاني أكسيد الكربون، وتحوله إلى كربون عضوي، بينما تحصل الكائنات غيرية التغذية على الكربون عن طريق استهلاك كائنات حية أخرى.

نظراً لاعتماد امتصاص الكربون في الغلاف الحيوي الأرضي على العوامل الحيوية، فإنه يتبع دورة يومية وموسمية. وفي قياسات _ثاني أكسيد الكربون ، تظهر هذه السمة بوضوح في منحنى كيلينغ . وتكون هذه السمة أقوى في نصف الكرة الشمالي ، لأن هذا النصف يتمتع بمساحة يابسة أكبر من نصف الكرة الجنوبي، وبالتالي يوفر مساحة أكبر للنظم البيئية لامتصاص الكربون وإطلاقه.

يغادر الكربون الغلاف الحيوي الأرضي بعدة طرق وعلى نطاقات زمنية مختلفة. يؤدي احتراق الكربون العضوي أو تنفسه إلى إطلاقه بسرعة في الغلاف الجوي. كما يمكن تصديره إلى المحيط عبر الأنهار أو أن يبقى محتجزًا في التربة على شكل كربون خامل. ^{[ 24 ]} يمكن أن يبقى الكربون المخزن في التربة هناك لآلاف السنين قبل أن يُجرف إلى الأنهار بفعل التعرية أو يُطلق في الغلاف الجوي من خلال تنفس التربة . بين عامي 1989 و2008، ازداد تنفس التربة بنحو 0.1% سنويًا. ^{[ 25 ]} في عام 2008، بلغ إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية _{الناتجة} عن تنفس التربة حوالي 98 مليار طن ، أي ما يقارب ثلاثة أضعاف كمية الكربون التي يطلقها البشر حاليًا في الغلاف الجوي سنويًا عن طريق حرق الوقود الأحفوري (لا يمثل هذا انتقالًا صافيًا للكربون من التربة إلى الغلاف الجوي، حيث يتم تعويض التنفس إلى حد كبير من خلال مدخلات الكربون إلى التربة). توجد عدة تفسيرات محتملة لهذا الاتجاه، ولكن التفسير الأرجح هو أن ارتفاع درجات الحرارة قد زاد من معدلات تحلل المواد العضوية في التربة ، مما أدى إلى زيادة تدفق ثاني أكسيد الكربون _. وتعتمد مدة احتجاز الكربون في التربة على الظروف المناخية المحلية، وبالتالي على التغيرات التي تطرأ على مسار تغير المناخ . ^{[ 26 ]}

يمكن تقسيم المحيط، من الناحية النظرية، إلى طبقة سطحية تتلامس فيها المياه بشكل متكرر (يوميًا إلى سنويًا) مع الغلاف الجوي، وطبقة عميقة تقع أسفل الطبقة المختلطة النموذجية التي يبلغ عمقها بضع مئات من الأمتار أو أقل، حيث قد تصل الفترة الزمنية بين التلامسات المتتالية إلى قرون. يتم تبادل الكربون غير العضوي المذاب (DIC) في الطبقة السطحية بسرعة مع الغلاف الجوي، مما يحافظ على حالة التوازن. ونظرًا لأن تركيز الكربون غير العضوي المذاب في أعماق المحيط أعلى بنحو 15% ^{[ 27 ]،} ولكن بشكل رئيسي بسبب حجمها الأكبر، فإنها تحتوي على كمية أكبر بكثير من الكربون - فهي أكبر مخزون للكربون النشط في العالم، إذ تحتوي على 50 ضعف ما يحتويه الغلاف الجوي ^{[ 8 ]} - إلا أن الفترة الزمنية اللازمة للوصول إلى حالة التوازن مع الغلاف الجوي تستغرق مئات السنين: فعملية تبادل الكربون بين الطبقتين، والمدفوعة بالدوران الحراري الملحي ، بطيئة. ^{[ 8 ]}

يدخل الكربون إلى المحيط بشكل رئيسي من خلال ذوبان ثاني أكسيد الكربون الجوي، حيث يتحول جزء صغير منه إلى كربونات . كما يمكن أن يدخل المحيط عبر الأنهار على شكل كربون عضوي مذاب . ويتحول الكربون بواسطة الكائنات الحية إلى كربون عضوي من خلال عملية التمثيل الضوئي ، ويمكن أن يتبادل عبر السلسلة الغذائية أو يترسب في الطبقات العميقة الغنية بالكربون في المحيطات على شكل أنسجة رخوة ميتة أو في الأصداف على شكل كربونات الكالسيوم . ويبقى الكربون في هذه الطبقة لفترات طويلة قبل أن يترسب كرسوب أو يعود في النهاية إلى المياه السطحية عبر الدورة الحرارية الملحية. ^{[ 9 ]}

المحيطات قاعدية ( بقيمة أس هيدروجيني حالية تتراوح بين 8.1 و8.2). يؤدي ارتفاع نسبة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي _إلى تحول الأس الهيدروجيني للمحيطات نحو التعادل في عملية تُعرف بتحمض المحيطات . يُعد امتصاص المحيطات لثاني أكسيد الكربون _أحد أهم أشكال عزل الكربون . قد يؤدي معدل انخفاض الأس الهيدروجيني المتوقع إلى إبطاء الترسيب البيولوجي لكربونات الكالسيوم ، مما يقلل من قدرة المحيطات على امتصاص ثاني أكسيد _{الكربون} . ^{[ 28 ] [ 29 ]}

يعمل المكون الجيولوجي لدورة الكربون ببطء مقارنةً بالأجزاء الأخرى من دورة الكربون العالمية. وهو أحد أهم العوامل المحددة لكمية الكربون في الغلاف الجوي، وبالتالي لدرجات الحرارة العالمية. ^{[ 30 ]}

يُخزَّن معظم الكربون الموجود على سطح الأرض بشكل خامل في الغلاف الصخري للأرض . ^{[ 8 ]} وقد خُزِّن جزء كبير من الكربون الموجود في وشاح الأرض هناك عند تكوّن الأرض. ^{[ 31 ]} وترسب جزء منه على شكل كربون عضوي من الغلاف الحيوي. ^{[ 32 ]} ومن الكربون المُخزَّن في الغلاف الأرضي، يُشكِّل الحجر الجيري ومشتقاته حوالي 80%، وهو ناتج عن ترسب كربونات الكالسيوم المُخزَّنة في أصداف الكائنات البحرية. أما النسبة المتبقية البالغة 20% فتُخزَّن على شكل كيروجينات ، وهي نتاج ترسب ودفن الكائنات الأرضية تحت تأثير حرارة وضغط عاليين. ويمكن للكربون العضوي المُخزَّن في الغلاف الأرضي أن يبقى هناك لملايين السنين. ^{[ 30 ]}

يمكن للكربون أن يغادر الغلاف الأرضي بعدة طرق. يُطلق ثاني أكسيد الكربون أثناء تحول الصخور الكربوناتية عندما تنغرز في وشاح الأرض. ويمكن أن ينطلق هذا الكربون إلى الغلاف الجوي والمحيطات عبر البراكين والبقع الساخنة . ^{[ 31 ]} كما يمكن للبشر إزالته من خلال الاستخراج المباشر للكيروجين على شكل وقود أحفوري . بعد الاستخراج، يُحرق الوقود الأحفوري لإطلاق الطاقة وإطلاق الكربون المخزن فيه إلى الغلاف الجوي.

يوضح الرسم البياني على اليمين حركة الكربون الأرضي في دورة الماء، ويتم شرحها أدناه: ^{[ 39 ]}

1. تعمل الجسيمات الجوية كنوى لتكثيف السحب ، مما يعزز تكوين السحب. ^{[ 40 ] [ 41 ]}
2. تمتص قطرات المطر الكربون العضوي وغير العضوي من خلال عملية التقاط الجسيمات وامتصاص الأبخرة العضوية أثناء سقوطها باتجاه الأرض. ^{[ 42 ] [ 43 ]}
3. ينتج عن الاحتراق والانفجارات البركانية جزيئات عطرية متعددة الحلقات شديدة التكثيف (أي الكربون الأسود ) والتي تعود إلى الغلاف الجوي جنبًا إلى جنب مع غازات الدفيئة مثل ثاني أكسيد _{الكربون} . ^{[ 44 ] [ 45 ]}
4. تُثبّت النباتات الأرضية _{ثاني أكسيد الكربون} من الغلاف الجوي عبر عملية التمثيل الضوئي ، وتُعيد جزءًا منه إلى الغلاف الجوي عبر عملية التنفس . ^{[ 46 ]} يُمثّل اللجنين والسليلوز ما يصل إلى 80% من الكربون العضوي في الغابات و60% في المراعي. ^{[ 47 ] [ 48 ]}
5. تختلط المواد العضوية المتساقطة من الأوراق والجذور مع المواد الرسوبية لتكوين تربة عضوية، حيث يتم تخزين الكربون العضوي المشتق من النباتات والكربون العضوي الصخري وتحويله بواسطة النشاط الميكروبي والفطري. ^{[ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]}
6. يمتص الماء الكربون العضوي المذاب (DOC) والكربون غير العضوي المذاب (DIC) المشتق من النباتات والهباء الجوي المترسب أثناء مروره فوق أغصان الأشجار (أي التساقط المباشر ) وعلى طول جذوع النباتات (أي الجريان الساقي ). ^{[ 52 ]} تحدث تحولات بيوجيوكيميائية عندما يتغلغل الماء في محلول التربة وخزانات المياه الجوفية ^{[ 53 ] [ 54 ]} ويحدث الجريان السطحي عندما تكون التربة مشبعة تمامًا، ^{[ 55 ]} أو عندما يكون هطول الأمطار أسرع من تشبع التربة. ^{[ 56 ]}
7. يتحلل الكربون العضوي المشتق من الغلاف الحيوي الأرضي والإنتاج الأولي في الموقع بواسطة المجتمعات الميكروبية في الأنهار والجداول، بالإضافة إلى التحلل الفيزيائي (أي الأكسدة الضوئية )، مما ينتج عنه تدفق _لثاني أكسيد الكربون من الأنهار إلى الغلاف الجوي، وهو ما يعادل تقريبًا كمية الكربون التي يحتجزها الغلاف الحيوي الأرضي سنويًا. ^{[ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]} تتحلل الجزيئات الكبيرة المشتقة من الأرض، مثل اللجنين ^{[ 60 ]} والكربون الأسود ^{[ 61 ]} ، إلى مكونات أصغر ووحدات أحادية ، لتتحول في النهاية إلى ثاني أكسيد الكربون _، أو نواتج أيضية وسيطة، أو كتلة حيوية .
8. تُخزّن البحيرات والخزانات والسهول الفيضية عادةً كميات كبيرة من الكربون العضوي والرواسب، ولكنها تشهد أيضًا تغذية غيرية صافية في عمود الماء، مما ينتج عنه تدفق صافٍ لثاني أكسيد الكربون _إلى الغلاف الجوي أقل بنحو عشرة أضعاف من الأنهار. ^{[ 62 ] [ 59 ]} كما يكون إنتاج الميثان مرتفعًا عادةً في الرواسب اللاهوائية للسهول الفيضية والبحيرات والخزانات. ^{[ 63 ]}
9. عادةً ما يزداد الإنتاج الأولي في مصبات الأنهار نتيجةً لتصدير المغذيات النهرية . ^{[ 64 ] [ 65 ]} ومع ذلك، تُعدّ مياه مصبات الأنهار مصدرًا لثاني أكسيد الكربون _في الغلاف الجوي على مستوى العالم. ^{[ 66 ]}
10. تُخزّن المستنقعات الساحلية الكربون الأزرق وتُصدّره . ^{[ 67 ] [ 68 ] [ 69 ]} ويُعتقد أن للمستنقعات والأراضي الرطبة تدفقًا مكافئًا لثاني أكسيد الكربون _إلى الغلاف الجوي مثل الأنهار، على مستوى العالم. ^{[ 70 ]}
11. تمتص الجروف القارية والمحيط المفتوح عادةً _ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي. ^{[ 66 ]}
12. تقوم المضخة البيولوجية البحرية بعزل جزء صغير ولكنه مهم من ثاني أكسيد الكربون الممتص _على شكل كربون عضوي في الرواسب البحرية ( انظر أدناه ). ^{[ 71 ] [ 39 ]}

ترتبط النظم البيئية البرية والبحرية بشكل رئيسي عبر النقل النهري ، الذي يمثل القناة الرئيسية التي تدخل من خلالها المواد الأرضية المسببة للتآكل إلى النظم المحيطية. وتساهم عمليات تبادل المواد والطاقة بين الغلاف الحيوي الأرضي والغلاف الصخري ، بالإضافة إلى عمليات تثبيت الكربون العضوي وأكسدته، في تنظيم مخزونات الكربون والأكسجين (O2 ₎ في النظام البيئي . ^{[ 72 ]}

يُعد النقل النهري القناة الرئيسية الرابطة بين هذه الخزانات، حيث ينقل صافي الإنتاجية الأولية (وخاصةً في صورة الكربون العضوي المذاب (DOC) والكربون العضوي الجسيمي (POC)) من النظم الأرضية إلى النظم المحيطية. ^{[ 73 ]} أثناء النقل، يعود جزء من الكربون العضوي المذاب (DOC) بسرعة إلى الغلاف الجوي من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال ، مما يؤدي إلى "انبعاث غازات الكربون" بين طبقات التخزين الأرضية والغلاف الجوي. ^{[ 74 ] [ 75 ]} كما يُصدَّر ما تبقى من الكربون العضوي المذاب (DOC) والكربون غير العضوي المذاب (DIC) إلى المحيط. ^{[ 76 ] [ 77 ] [ 78 ]} في عام 2015، قُدِّرت تدفقات تصدير الكربون غير العضوي والعضوي من الأنهار العالمية بـ 0.50-0.70 بيتاغرام كربون في السنة ^{و0.15-0.35 بيتاغرام} كربون في السنة على التوالي. ^{[ 77 ]} من ناحية أخرى، يمكن أن يبقى الكربون العضوي الجسيمي مدفونًا في الرواسب لفترة طويلة، وقد قُدِّر التدفق السنوي العالمي للكربون العضوي الجسيمي من اليابسة إلى المحيطات بـ 0.20 (+0.13، -0.07) جيجا جرام كربون في ^السنة . ^{[ 79 ] [ 72 ]}

المضخة البيولوجية للمحيط هي عملية عزل الكربون ، التي تُحفزها الكائنات الحية في المحيط، من الغلاف الجوي ومياه الجريان السطحي إلى أعماق المحيط ورواسب قاعه . ^{[ 80 ]} لا تُعدّ المضخة البيولوجية نتاج عملية واحدة، بل هي مجموع عدد من العمليات التي يُمكن لكل منها أن تؤثر على الضخ البيولوجي. تنقل هذه المضخة حوالي 11 مليار طن من الكربون سنويًا إلى أعماق المحيط. سيؤدي غياب المضخة البيولوجية في المحيط إلى ارتفاع مستويات _{ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بنحو 400} جزء في المليون مقارنةً بالوضع الحالي. ^{[ 81 ] [ 82 ] [ 83 ]}

يتشكل معظم الكربون المدمج في المواد البيولوجية العضوية وغير العضوية على سطح البحر، حيث يبدأ بالغرق إلى قاع المحيط. ويحصل قاع المحيط على معظم مغذياته من الطبقات العليا من عمود الماء عندما تغرق على شكل ثلج بحري . ويتكون هذا الثلج من حيوانات وميكروبات نافقة أو محتضرة، وفضلات، ورمال، ومواد غير عضوية أخرى. ^{[ 84 ]}

تُعدّ المضخة البيولوجية مسؤولة عن تحويل الكربون غير العضوي المذاب (DIC) إلى كتلة حيوية عضوية، وضخّه على شكل جزيئات أو في صورة ذائبة إلى أعماق المحيط. تُثبّت المغذيات غير العضوية وثاني أكسيد الكربون خلال عملية التمثيل الضوئي بواسطة العوالق النباتية، التي تُطلق بدورها مواد عضوية ذائبة (DOM) وتستهلكها العوالق الحيوانية العاشبة. تُخرج العوالق الحيوانية الأكبر حجمًا، مثل مجدافيات الأرجل ، كريات برازية ، يُمكن إعادة ابتلاعها، فتغرق أو تتجمع مع الفتات العضوي الآخر لتُشكّل تجمعات أكبر حجمًا وأسرع غرقًا. تستهلك البكتيريا جزءًا من المواد العضوية الذائبة (DOM) وتُخضعها لعملية التنفس؛ أما الجزء المتبقي منها، وهو مقاوم للتحلل ، فيُحمل ويُخلط في أعماق البحار. تُستهلك المواد العضوية الذائبة والتجمعات المُصدّرة إلى المياه العميقة وتُخضع لعملية التنفس، مما يُعيد الكربون العضوي إلى خزان الكربون غير العضوي المذاب الهائل في أعماق المحيط. ^{[ 85 ]}

تغوص خلية واحدة من العوالق النباتية بمعدل متر واحد تقريبًا يوميًا. ونظرًا لأن متوسط ​​عمق المحيط يبلغ حوالي أربعة كيلومترات، فقد يستغرق وصول هذه الخلايا إلى قاع المحيط أكثر من عشر سنوات. مع ذلك، ومن خلال عمليات مثل التخثر والطرد في فضلات المفترسات، تتجمع هذه الخلايا لتشكل تجمعات. وتغوص هذه التجمعات بمعدلات تفوق بكثير معدلات غوص الخلايا الفردية، وتُكمل رحلتها إلى الأعماق في غضون أيام. ^{[ 86 ]}

تصل حوالي 1% من الجسيمات الخارجة من سطح المحيط إلى قاع البحر، حيث تُستهلك أو تُعاد تدويرها أو تُدفن في الرواسب. وتتمثل المحصلة النهائية لهذه العمليات في إزالة الكربون العضوي من السطح وإعادته إلى الكربون غير العضوي المذاب في أعماق أكبر، مما يحافظ على تدرج الكربون غير العضوي المذاب من السطح إلى أعماق المحيط. وتعيد الدورة الحرارية الملحية الكربون غير العضوي المذاب من أعماق المحيط إلى الغلاف الجوي على مدى آلاف السنين. ويمكن أن ينغمر الكربون المدفون في الرواسب في وشاح الأرض ويُخزن لملايين السنين كجزء من دورة الكربون البطيئة (انظر القسم التالي). ^{[ 85 ]}

تُعدّ الفيروسات بمثابة "منظمات" لدورة الكربون السريعة، إذ تؤثر على دورات المواد وتدفقات الطاقة في الشبكات الغذائية والحلقة الميكروبية . ^{[ 87 ]} يبلغ متوسط ​​مساهمة الفيروسات في دورة الكربون في النظام البيئي للأرض 8.6%، منها مساهمة أقل في النظم البيئية البحرية (1.4%) مقارنةً بمساهمتها في النظم البيئية البرية (6.7%) والمياه العذبة (17.8%). على مدى الألفي عام الماضية، أدت الأنشطة البشرية وتغير المناخ تدريجيًا إلى تغيير الدور التنظيمي للفيروسات في عمليات دورة الكربون في النظام البيئي. وقد برز هذا التغيير بشكل خاص خلال المئتي عام الماضية نتيجةً للتصنيع السريع وما صاحبه من نمو سكاني. ^{[ 72 ]}

يدخل الكربون بشكل رئيسي إلى الوشاح على هيئة رواسب غنية بالكربونات على الصفائح التكتونية للقشرة المحيطية، والتي تسحب الكربون إلى الوشاح عند انغماسها . لا يُعرف الكثير عن دورة الكربون في الوشاح، وخاصة في أعماق الأرض، لكن العديد من الدراسات سعت إلى تعزيز فهمنا لحركة هذا العنصر وأشكاله داخل هذه المنطقة. على سبيل المثال، أظهرت دراسة أجريت عام 2011 أن دورة الكربون تمتد حتى الوشاح السفلي . حللت الدراسة ماسًا نادرًا فائق العمق في موقع بمدينة جوينا في البرازيل ، وخلصت إلى أن التركيب الكيميائي لبعض شوائب الماس يتطابق مع النتيجة المتوقعة لانصهار البازلت وتبلوره تحت درجات حرارة وضغوط الوشاح السفلي. ^{[ 92 ]} وبالتالي، تشير نتائج البحث إلى أن قطعًا من الغلاف الصخري المحيطي البازلتي تعمل كآلية النقل الرئيسية للكربون إلى باطن الأرض. يمكن لهذه الكربونات المنغمسة أن تتفاعل مع سيليكات الوشاح السفلي ، لتشكل في النهاية ماسًا فائق العمق مثل الماس الذي عُثر عليه. ^{[ 93 ]}

مع ذلك، تواجه الكربونات الهابطة إلى الوشاح السفلي مصائر أخرى إلى جانب تكوين الماس. ففي عام 2011، عُرِّضت الكربونات لبيئة مشابهة لتلك الموجودة على عمق 1800 كيلومتر  داخل باطن الأرض، أي في الوشاح السفلي. وقد أسفر ذلك عن تكوين المغنيزيت والسيديريت وأنواع عديدة من الجرافيت . ^{[ 94 ]} وتدعم تجارب أخرى، بالإضافة إلى الملاحظات البترولوجية ، هذا الادعاء، مشيرةً إلى أن المغنيزيت هو في الواقع أكثر أطوار الكربونات استقرارًا في معظم أجزاء الوشاح. ويعود ذلك في الغالب إلى ارتفاع درجة انصهاره. ^{[ 95 ]} ونتيجةً لذلك، استنتج العلماء أن الكربونات تخضع للاختزال أثناء هبوطها إلى الوشاح قبل أن تستقر في الأعماق بفعل بيئات منخفضة الأكسجين. ^{[ 96 ]} ويعمل المغنيسيوم والحديد ومركبات معدنية أخرى كعوامل مُخفِّفة طوال هذه العملية. ^{[ 97 ]} ويشير وجود أشكال مُختزلة من الكربون، مثل الجرافيت، إلى أن مركبات الكربون تُختزل أثناء هبوطها إلى الوشاح.

يُغير التعدد الشكلي استقرار مركبات الكربونات على أعماق مختلفة داخل الأرض. فعلى سبيل المثال، تشير المحاكاة المختبرية وحسابات نظرية الكثافة الوظيفية إلى أن الكربونات ذات التنسيق الرباعي تكون أكثر استقرارًا على أعماق تقترب من حدود اللب والوشاح . ^{[ 98 ] [ 94 ]} وتشير دراسة أجريت عام 2015 إلى أن الضغط العالي في الوشاح السفلي يتسبب في انتقال روابط الكربون من مدارات مهجنة sp2 _إلى مدارات مهجنة _sp3 ، مما يؤدي إلى ارتباط الكربون بالأكسجين بروابط رباعية السطوح. ^{[ 99 ]} لا تستطيع مجموعات CO3 _{الثلاثية} تكوين شبكات قابلة للبلمرة، بينما تستطيع مجموعات CO4 رباعية السطوح ذلك _، مما يدل على زيادة في عدد تنسيق الكربون ، وبالتالي تغييرات جذرية في خصائص مركبات الكربونات في الوشاح السفلي. فعلى سبيل المثال، تشير دراسات نظرية أولية إلى أن الضغط العالي يتسبب في زيادة لزوجة مصهور الكربونات؛ ويؤدي انخفاض حركة المصهور نتيجة لزيادة لزوجته إلى ترسبات كبيرة من الكربون في أعماق الوشاح. ^{[ 100 ]}

وبناءً على ذلك، يمكن للكربون أن يبقى في الوشاح السفلي لفترات طويلة، لكن تركيزات كبيرة منه غالباً ما تعود إلى الغلاف الصخري. تُعرف هذه العملية باسم انبعاث الكربون، وهي ناتجة عن انصهار الوشاح الكربوني نتيجة انخفاض الضغط، بالإضافة إلى أعمدة الوشاح التي تحمل مركبات الكربون إلى القشرة الأرضية. ^{[ 101 ]} يتأكسد الكربون أثناء صعوده نحو البؤر البركانية الساخنة، حيث يُطلق على شكل ثاني أكسيد الكربون (CO2 ₎ . يحدث هذا لكي تتطابق حالة أكسدة ذرة الكربون مع حالة أكسدة البازلت المتفجر في هذه المناطق. ^{[ 102 ]}

على الرغم من أن وجود الكربون في لب الأرض مؤكدٌ جيدًا، تشير دراسات حديثة إلى إمكانية تخزين كميات كبيرة منه في هذه المنطقة. تنتقل موجات القص (S) عبر اللب الداخلي بسرعة تقارب نصف السرعة المتوقعة لمعظم السبائك الغنية بالحديد. ^{[ 103 ]} ولأن تركيب اللب يُعتقد أنه سبيكة من الحديد البلوري وكمية ضئيلة من النيكل، فإن هذا الشذوذ الزلزالي يدل على وجود عناصر خفيفة، بما فيها الكربون، في اللب. في الواقع، تشير الدراسات التي تستخدم _خلايا سندان الماس لمحاكاة ظروف لب الأرض إلى أن كربيد الحديد (Fe7C3 ₎ يتطابق مع سرعة الموجات وكثافتها في اللب الداخلي. لذلك ، يمكن اعتبار نموذج كربيد الحديد دليلًا على أن اللب يحتوي على ما يصل إلى 67% من كربون الأرض. ^{[ 104 ]} _{علاوة على ذلك، وجدت دراسة أخرى أنه في} ظل ظروف الضغط ودرجة الحرارة في اللب الداخلي للأرض، يذوب الكربون في الحديد مكونًا طورًا مستقرًا بنفس التركيب _Fe7C3 ، وإن كان ببنية مختلفة عن تلك المذكورة سابقًا. ^{[ 105 ]} باختصار، على الرغم من أن كمية الكربون التي يُحتمل تخزينها في لب الأرض غير معروفة، تشير الدراسات الحديثة إلى أن وجود كربيدات الحديد يمكن أن يفسر بعض الملاحظات الجيوفيزيائية. ^{[ 106 ]}

تؤدي الاتجاهات الحالية لتغير المناخ إلى ارتفاع درجات حرارة المحيطات وحموضتها ، مما يُغير النظم البيئية البحرية. ^{[ 111 ]} كما أن الأمطار الحمضية والجريان السطحي الملوث من الزراعة والصناعة يُغيران التركيب الكيميائي للمحيطات. ويمكن أن يكون لهذه التغيرات آثارٌ بالغة على النظم البيئية شديدة الحساسية، كالشعاب المرجانية ، ^{[ 112 ]} مما يُحد من قدرة المحيطات على امتصاص الكربون من الغلاف الجوي على نطاق إقليمي، ويُقلل من التنوع البيولوجي للمحيطات على مستوى العالم.

تُشكل عمليات تبادل الكربون بين الغلاف الجوي ومكونات أخرى من نظام الأرض، والمعروفة مجتمعةً بدورة الكربون، حاليًا آلياتَ تثبيطٍ مهمةً لتأثير انبعاثات الكربون البشرية المنشأ على تغير المناخ. وتستوعب مصارف الكربون في اليابسة والمحيطات حاليًا ما يقارب ربع انبعاثات الكربون البشرية المنشأ سنويًا. ^{[ 113 ] [ 110 ]}

من المتوقع أن تضعف هذه التأثيرات في المستقبل، مما يزيد من تأثير انبعاثات الكربون الناتجة عن الأنشطة البشرية على تغير المناخ. ^{[ 114 ]} ومع ذلك، فإن مدى هذا الضعف غير مؤكد إلى حد كبير، حيث تتوقع نماذج نظام الأرض نطاقًا واسعًا من امتصاص الكربون في اليابسة والمحيطات حتى في ظل سيناريوهات تركيز أو انبعاثات متطابقة في الغلاف الجوي. ^{[ 115 ] [ 110 ] [ 116 ]} كما تؤثر انبعاثات غاز الميثان في القطب الشمالي، والناتجة بشكل غير مباشر عن الاحتباس الحراري الناتج عن الأنشطة البشرية، على دورة الكربون وتساهم في زيادة الاحترار.

استخراج وحرق الكربون الأحفوري

يُعد استخراج وحرق الوقود الأحفوري أكبر وأسرع تأثيرات الإنسان على دورة الكربون والمحيط الحيوي ، إذ ينقل الكربون مباشرةً من الغلاف الأرضي إلى الغلاف الجوي. كما يُنتج ثاني أكسيد الكربون ويُطلق أثناء تكليس الحجر الجيري لإنتاج الكلنكر . ^{[ 118 ]} والكلنكر مادة أولية صناعية للإسمنت .

اعتبارًا من عام 2020تم استخراج ما يقارب 450 جيجا طن من الكربون الأحفوري إجمالاً، وهي كمية تقارب كمية الكربون الموجودة في جميع الكائنات الحية على سطح الأرض. ^{[ 117 ]} وقد تجاوزت معدلات الانبعاثات العالمية المباشرة في الغلاف الجوي في الآونة الأخيرة معدل امتصاصها من قِبل النباتات والمحيطات. ^{[ 119 ] [ 120 ] [ 121 ] [ 122 ]} وكان من المتوقع، بل ومن الملاحظ، أن هذه المصارف تزيل حوالي نصف الكربون المضاف إلى الغلاف الجوي في غضون قرن تقريبًا. ^{[ 117 ] [ 123 ] [ 124 ]} ومع ذلك، فإن المصارف كالمحيطات لها خصائص تشبع متغيرة ، ومن المتوقع أن يبقى جزء كبير (20-35%، استنادًا إلى النماذج المقترنة ) من الكربون المضاف في الغلاف الجوي لقرون أو حتى آلاف السنين. ^{[ 125 ] [ 126 ]}

منذ اختراع الزراعة، أثر الإنسان بشكل مباشر وتدريجي على دورة الكربون على مدى قرون طويلة، وذلك بتغيير مزيج الغطاء النباتي في الغلاف الحيوي الأرضي. ^{[ 123 ]} وعلى مدى القرون القليلة الماضية، أدى التغير المباشر وغير المباشر في استخدام الأراضي وتغطيتها، الناتج عن الأنشطة البشرية، إلى فقدان التنوع البيولوجي ، مما يقلل من قدرة النظم البيئية على الصمود في وجه الضغوط البيئية، ويخفض من قدرتها على امتصاص الكربون من الغلاف الجوي. وبشكل مباشر، يؤدي ذلك في كثير من الأحيان إلى انبعاث الكربون من النظم البيئية الأرضية إلى الغلاف الجوي.

تؤدي إزالة الغابات لأغراض زراعية إلى إزالة الغابات، التي تُخزّن كميات كبيرة من الكربون، واستبدالها، عادةً بمناطق زراعية أو حضرية. يخزن كلا النوعين من الغطاء الأرضي البديل كميات قليلة نسبيًا من الكربون، لذا فإن النتيجة النهائية لهذا التحول هي بقاء المزيد من الكربون في الغلاف الجوي. مع ذلك، يمكن عكس آثار ذلك على الغلاف الجوي ودورة الكربون بشكل عام، سواءً بشكل مقصود أو طبيعي، من خلال إعادة التشجير .