Углерод является основой всего органического вещества на Земле и перерабатывается в экосистеме в двух основных процессах: один – углеродный обмен между живыми организмами, а второй – круговорот углерода в течение длительного периода времени через окаменелые органические вещества остатки, выветривание горных пород и вулканическая деятельность. Человеческая деятельность, включая более широкие методы ведения сельского хозяйства и сжигание ископаемого топлива, сильно повлияла на баланс естественного углеродного цикла.
Все живые существа состоят из органических молекул, содержащих атомы углерода. Углерод существует в атмосфере в виде углекислого газа, который реагирует с водой с образованием бикарбоната. Во время фотосинтеза первичные продуценты (или автотрофы) превращают диоксид углерода и бикарбонат в органические углеродсодержащие соединения, такие как глюкоза, для обеспечения энергией роста, поддержания и других процессов.
Гетеротрофы получают органический углерод для роста и поддержания, потребляя автотрофов. В процессе клеточного дыхания эти органические молекулы расщепляются и высвобождают запасенную в них энергию. Побочными продуктами этого процесса являются вода и двуокись углерода, которые выбрасываются в атмосферу через дыхание, продолжая цикл.
Углерод также может возвращаться в окружающую среду в виде отходов животноводства или разлагающегося материала от мертвых организмов. Разлагатели, такие как бактерии и грибки, расщепляют эти материалы на диоксид углерода и органические соединения.
Углерод хранится в течение продолжительных периодов времени в атмосфере, крупных водоемах, океанских отложениях, почве, окаменелых останках животных и внутри Земли. Углекислый газ из атмосферы растворяется в воде океана, вступает в реакцию с молекулами воды и превращается в карбонаты. В сочетании с ионами кальция эти карбонаты составляют панцири карбоната кальция многих морских организмов, таких как кораллы и устрицы. Когда эти организмы умирают, их останки разрушаются и могут опускаться на дно океана и постепенно становиться частью осадка. Этот осадок в конечном итоге образует известняк, который представляет собой крупнейший резервуар углерода на Земле.
Большие долгоживущие деревья тоже могут веками накапливать углерод в своем теле. Будучи гораздо более долгосрочным поглотителем (резервуаром углерода), остатки организмов накапливают углерод в форме ископаемого топлива – например, угля, нефти и природного газа – глубоко под землей на протяжении миллионов лет. Углерод, хранящийся глубоко под поверхностью Земли, может возвращаться на поверхность и в атмосферу во время извержений вулканов.
При сжигании ископаемого топлива и древесины в атмосферу выделяется значительное количество углекислого газа, что приводит к изменению глобального климата. Кроме того, вырубка лесов и более широкие методы ведения сельского хозяйства влияют на естественный углеродный цикл, уменьшая количество органических веществ в почве, уменьшая накопление углерода и увеличивая уровни парниковых газов, таких как метан, в атмосфере.
