为什么要关注地球上的碳？因为碳无处不在，不可或缺，又神秘莫测。在一颗碳行星上，碳贯穿着生命的始终，没有任何其他元素对我们这些碳基生物如此重要。地球从哪里来的，最终会变成什么样？该怎样应对全球气候变化？碳科学或将为人类的一些重大问题提供答案。从某种意义上说，碳的故事就是一切的故事。
撰文 | 罗伯特·哈森（Robert M. Hazen）
翻译 | 董汉文、曾令森（中国地质科学院地质研究所）
徒步在意大利中部曼齐亚纳卡尔达拉（Caldara di Manziana）布满田园风光的群山之间，四周森林和鲜花环绕，鸟儿的歌唱不绝于耳。你万万想不到，在这里能见到印有骷髅头和交叉骨图案的死亡警告标志牌。它所预警的是什么呢？带电围栏、靶场，还是周围有熊出没？接着你会来到一个小山谷，这是一片毫无生气的洼地，光秃秃的土壤与青翠的高地形成了鲜明对比。这到底是怎么回事？原来这都是二氧化碳搞的鬼。
它从地下渗出，无色无味，比普通空气重，因此它会沉到地面，填满最低的洼地。在清风吹拂的日子里，这无关紧要，地表的气流会被迅速驱散。但在没有风的日子里，密度更高的二氧化碳会取代可供呼吸的空气，引发致命的危险。猎人们是最常见的受害者，他们的狗贴地行走，会先面临窒息，如果这时猎人急忙冲向他的爱犬，不顾危险地跪在狗身边，他也会因此受难。
碳是移动的。
作为变化的洋壳的一部分，碳从阳光照射的地表俯冲进地球深部；作为深部地幔流体的重要组成部分，碳可以从土壤中渗出，也可以从活火山中喷出。碳原子以固体岩石为载体从海洋和空气中沉淀出来，在经历风化作用后，又从固体岩石回到海洋和空气中。碳原子一旦被释放，就会跟随宏大的洋流环绕地球，并借助变幻莫测的气流到达世界各地。
一直以来，从微生物到植物，再到人类，活细胞使用和再利用碳原子的速度远远超过非生命世界中碳循环的速度。
当炽热的含碳岩浆从深处上涌时，二氧化碳会随着火山喷发被一起带出（正如前面提到的，在意大利的某些山区，偶尔会有猎人和猎狗因二氧化碳窒息而死）。岩浆在上涌的过程中，会影响碳酸盐矿物的岩层，使它们在高温下分解，将地幔和地壳中的二氧化碳混在一起。
上述这些都是宏大的地球碳循环的一部分，这个循环过程创造了大气，并对大气进行着补充。地球上所有的化学元素都会经历循环，碳也不例外。碳循环是入门教科书和科普网站的重要内容，这些介绍往往包括碳原子的各种储库以及碳原子在这些储库之间的运动。在YouTube上搜索“碳循环图像”，搜索结果会显示海洋和大气、石灰岩和化石燃料、动物和植物，所有这些内容都带有小箭头，指示碳是如何从一个储库移动到另一个储库的。
一些图表还添加了冒烟的火山，暗示了更深层的过程，但地球深部的碳作为大气的根本来源，却很少被详细考虑。
深部碳被忽视的原因很好理解，相对于地球表层附近快速的碳循环，深部碳循环显得非常缓慢。一个碳原子从进入地球深处到返回地表需要数百万年的时间，这个过程的细节在很大程度上是隐秘而不确定的。没有人知道地球深部有多少碳，我们也不确定那里的碳有哪些不同形式。
我们可以确定的是，全球碳循环一定是从大气到地球深部再返回大气的过程。铺在海洋底部的黑色玄武岩和其他岩石冰冷、致密，比下面热而软的地幔还致密。在重力作用下，巨大的洋壳板块携带着富含碳酸盐矿物的沉积物、玄武岩层以及正在分解的生物残骸，一起向下俯冲数百英里。这个过程不可阻挡，碳从地表“越陷越深”，进入我们难以触及的地球深处。
如果地表的碳被持续不断地以这种方式迁移至深部，而没有别的碳来补充，那么地壳中的碳会在几亿年内耗尽。假如地表的碳就这样被剥离，依赖碳的生物圈也将不复存在。幸运的是，深部的碳会逐渐浮出地表。随着俯冲的富碳岩石的温度升高，碳酸盐矿物和有机分子开始分解，产生二氧化碳和其他小分子。其中一些分子从它们的岩石“墓穴”中挣脱出来，形成上升的流体，最终返回地表。
火山喷发是这些深部气体最主要的释放途径，深部碳从地下逸出到地表并扩散进入大气，这个广泛发生的弥散过程暗示深部有更大的碳通量，不过具体数值很难量化。
全球尺度的碳循环过程大部分隐藏在人们视线之外，理解其中最隐蔽的环节一开始就是深碳观测计划的主要目标之一。这项工作内容丰富多样，数百名科学家在世界各地的数十个野外观测站和实验室里，共同解决各类具有挑战性的问题。他们对动态的深部碳循环的研究可以归结为三个问题：到底有多少碳进入深部？碳在深部会发生什么变化？又有多少碳返回地表？
人类生活改变全球碳循环的方式目前备受关注。
数十亿年来，地球似乎在向深部俯冲的碳和火山释放的碳之间找到了一种平衡，这种平衡有助于稳定气候和环境。但是这种持续不断的碳循环的稳定性究竟如何？进入地球深部的总碳量，包括封存于岩石中的、埋藏在沉积物里的、俯冲进入地幔的，这部分碳与通过火山和其他较为温和的方式返回地表的总碳量是否完全相等，大自然并未做出规定。但对于深碳观测计划来说，没有什么比二者的平衡更重要了。地球的碳循环是平衡的吗？
玛丽·埃德蒙兹的研究显示，很多俯冲带将大量碳埋在了地球深部。相反，特里·普兰克认为通过俯冲作用来封存碳极其困难，这不是一种普遍的规则。那么到底哪个理论是正确的呢？
2015年，两位极具远见卓识的深碳观测计划领导人——哥伦比亚大学的彼得·凯莱门（Peter Kelemen）和加州大学洛杉矶分校的克雷格·曼宁（Craig Manning），试图用一张简洁的深部碳循环图表来总结所有数据，类似教科书中的碳循环图表。
这张精致的图表上有六个红色箭头，每个箭头都代表了地表和深部之间的一处重要的碳通量，每个箭头旁都有一个或多个小方框，上面记录着以兆吨（megaton，百万吨）为单位的每年的碳通量。该插图在深碳观测计划的数百场研讨会和讲座中出现过，它已经成为一个标志，表明我们对地球上的碳还有多少需要了解。
需要强调的是，没有任何一个箭头或它们对应的方框是受到严格约束的。
凯莱门和曼宁估计，山脊和海洋岛屿火山每年的碳排放量为8兆-42兆吨，弧火山每年的碳排放量为18兆-43兆吨。对于快速返回地壳和空气当中的俯冲碳，最低估计值为每年14兆吨，最高估计值可达前者的5倍。最令人警醒的是，计算分析显示，从地表到深部的净碳通量最最高达52兆吨，而最低为0！我们观测到了一些表明地球碳平衡可能在发生变化的迹象。
我们的星球已经冷却了超过40亿年，曾经在深部高温环境下分解的碳酸盐矿物，或许现在可以在现代较冷的条件下继续向下俯冲到更深的位置。时间也改变了这种固有的平衡，地球不断“学习”新技巧，将碳封存在黑色页岩、富含贝壳的石灰岩、煤和浮游生物遗骸沉积形成的软泥中。随着气候变化和海洋化学性质的改变，碳运动的机制和速率也随之发生变化。
或许是一个幸运的巧合，在地球历史的大部分时间里，通过俯冲进入深部的总碳量与通过火山喷发和其他作用释放的总碳量基本平衡。因此，当厚厚的海藻垫和茂密的热带森林在为生命找寻碳时，能够获得充足的碳来滋养生命。尽管关于碳平衡的研究尚没有定论，也还有很多工作有待完成，但一些科学家已得出了一个重要推论，即碳平衡可能已经发生了变化。归因于能够形成碳酸盐的浮游生物，海洋沉积物中封存的碳比以前的大多数时代都多。
其中一些碳可能已经开始了进入深地幔的漫长旅程。由于地球在过去40多亿年里一直在冷却，俯冲下去的碳酸盐并不容易分解成能够通过火山喷发返回地表的二氧化碳——下去的不一定会上来。尽管具体数字尚不确定，但大多数计算结果表明，表层碳被掩埋的速度可能越来越快，生命所需的碳在短短几亿年内就会耗尽。不过也不要为此而失眠，因为这只是地质尺度上的缓慢变化。显而易见的是，地球碳循环在持续不断地变化，将继续让人惊讶。
这并不是说我们可以忽略对碳的担忧。假如你真的会因为不断变化的碳循环而失眠，那么先不要把注意力放在地球上，多看看我们自己。
很多东西在燃烧时都会不可避免地产生二氧化碳这种副产品，不管它是有名的亚历山大图书馆、加利福尼亚州的一片灌木丛、德累斯顿的一所房子，还是一叠旧报纸或是一把斯特拉迪瓦里小提琴。从旧石器时代的古人学会控制火开始，人类就一直通过燃烧燃料来温暖住所、烹饪食物并照亮夜间黑暗的道路。
长期以来，人类的碳“足迹”，或者说大气中碳的净增减量，是处于平衡状态的。我们燃烧木材时会产生二氧化碳，而新的树木生长时要消耗二氧化碳。随着深埋于地下的富碳燃料的发现，平衡开始发生变化。在工业革命之前数千年的时间里，尽管泥炭、烟煤和石油一直在被少量开采，但它们还不足以对大气平衡造成显著改变。到了工业革命时代（电气革命和机械化运输革命紧随其后），平衡才发生了真正的改变。
能源需求的激增伴随着石油和煤的大量开采，推动了科技社会的疯狂发展，人类迎来了一场繁荣和物质享受的浪潮。
在过去的200年里，我们开采了数千亿吨富含碳的煤和石油，目前每年这些燃料的燃烧会向大气中排放约400亿吨二氧化碳，这个数量是世界上所有火山二氧化碳排放量的1,000倍。人类的活动彻底打破了碳循环的平衡。对碳及其在气候变化中的作用，我们没必要含糊其辞，以下四个事实是无可争辩的。
事实一：二氧化碳和甲烷是强温室气体。它们的分子捕获太阳辐射，减少了地球向太空辐射的能量。大气中二氧化碳和甲烷的浓度越高，意味着大气捕获的太阳能越多。
事实二：地球大气中二氧化碳和甲烷的含量正在迅速增加。关于此事实的证据有不同的来源，其中研究人员对被困在极地冰层中的来自过去的气泡进行的研究，为现今大气的变化提供了直接的确凿证据。
在过去的100万年中，二氧化碳的浓度几乎一直在0.02%和0.028%之间波动，最低值对应于地球上的冰期。而在20世纪中叶，该值突破了0.03%，这可能是数千万年以来首次出现这种情况。2015年，二氧化碳浓度超过了0.04%。每项分析都表明，这个数值的上升速度比几百万年来的任何时候都要快。
大气中甲烷含量的升高更加显著，100万年来，甲烷浓度几乎都在4×10-7和7×10-7之间波动，该值同样与冰期的到来和离去有关。而在过去的200年中，甲烷浓度增加了约2倍，飙升至2×10-6。与二氧化碳一样，甲烷浓度比数百万年来的任何时候都高，而且比以往上升的速度更快。
事实三：人类活动，尤其每年燃烧数以十亿吨计的化石燃料，是造成几乎所有大气成分变化的主要原因。
事实四：一个多世纪以来，地球一直在变暖。1880年以来的记录显示，最热的12年都发生在过去20年中。2014年比以往任何一年都热，2015年全球平均地表温度比2014年高出不止0.1摄氏度，2016年再创历史新高，2017年几乎和2016年一样热。21世纪头20年的平均气温比一个世纪前高了不止1摄氏度。
几乎所有研究过以上事实的科学家都达成了以下共识：人类活动正在导致地球升温。这个结论不是意见或推测，也跟政治或经济无关，这不是研究人员为了获得更多资金的策略，也不是某些环保主义者夸大其词的新闻报道。有关地球的情况有一些是真实的，气候变暖就是其中之一。
在如此短的时间内，大气中碳的含量翻倍，随之而来的全球变暖是前所未有的。人类正在进行一场没有预案、没有安全保障的地球工程实验，意想不到的后果已经开始显现。随着大气中二氧化碳含量的增加，海洋中二氧化碳的含量也已相应升高。虽然海洋酸度的上升幅度较小，但这一变化具有明显的破坏性，因为酸化的海水会侵蚀碳酸盐壳并导致珊瑚死亡。一些海洋生物学家担心，全球范围内的浅海生态系统会崩溃。
受大气和海洋变暖的影响，无论是中纬度的高海拔山区还是极地地区都出现了前所未有的冰川消融。在许多沿海地区，海平面已经明显上升，也许是几英尺，也许是更多，总之这无可避免。海洋深度的变化并不是什么新鲜事。在过去的数百万年里，地球至少经历了10次冰期，那些时期地球上多达5%的水被冻结成冰盖和冰川，海平面因此下降了数百英尺。
与之相反的时期，地球上曾仅有不到2%的水被冰封起来，海平面也经历了至少10次的抬升，逐渐接近或略高于现代海平面的高度。
令人担忧的是，冰川正在以空前的速度消失，南极巨大的冰架正在碎裂。随着更多的冰融化，海洋逐渐变深，增加100英尺（30.5米）的情况并非没有先例。如果按照目前的趋势继续发展下去，生活在沿海地区的数亿人可能会在几个世纪内流离失所，某些州（特别是佛罗里达州和特拉华州）和某些国家（荷兰、孟加拉国和一些太平洋岛国）也将不复存在。
大气和海洋变暖还会影响气候，如导致降雨模式发生变化、强风暴的强度更大，原本使某些地区变暖、某些地区变冷的洋流也可能发生变化。2017年，安大略省滑铁卢大学的丹尼尔·斯科特（Daniel Scott）为气候变化对21个冬奥会场地旧址的影响（这些影响是可变的，有时甚至是矛盾的）建立了模型，并一直预测到了未来的2040年。在20世纪，所有这些场馆都持续保持寒冷，冬季气温在冰点以下的天数在90%以上。
但斯科特的模型显示，包括加拿大温哥华、挪威奥斯陆和奥地利因斯布鲁克在内的9个雪地将变得不可利用，因为其冬季会有四分之一以上的时间温度在冰点以上。2014年冬季奥运会的举办地俄罗斯索契在斯科特的模型中表现最差，预计到2040年，那里的冬季一半以上时间气温会高于0摄氏度。
气候变化的破坏性影响已经在全球的生态系统中显现了，不过，气候变化也并非一无是处。在格陵兰岛的北极区域，1000年以来，人们一直在寒冷、黑暗的冬季里以冰钓为生，现在他们可以享受全年开放的水域；在加拿大中部，作物的生长季变得更长；大西洋和太平洋之间无冰的西北航道可能会加速全球航运过程；一些被冰层覆盖的岩石有史以来第一次裸露出来，矿业公司开始可以勘探到更丰富的矿石。
但其他变化实在令人不安，这些变化对任何人都没有好处。非洲撒哈拉沙漠快速扩张，吞并了曾经稳定的村庄。不知多少个世纪以来，北极地区过于寒冷，不容易发生虫害。但有史以来第一次，这里在七八月份遭受了成群的蚊子和黑蝇的侵袭。生态区每年向北移动数英里，这可能超出了森林、田野及候鸟可以适应的速度。
科学家可以预见甚至缓解由地球变暖引起的许多稳定的增量变化。
但是，带来最大风险的“临界点”（超过临界点后，气候变化将陡然加速）是我们难以预料的。甲烷是一种比二氧化碳温室效应更强的气体，危害性可能也更大。地球上几乎所有的甲烷都被封存在地壳中，如冻土带和大陆架下巨大的富含甲烷的冰层。虽然很难定量估算，但专家们一致认为，全球范围的冰中甲烷的含量是所有其他来源的数百倍，其中所含的碳可能超过了所有其他化石燃料的总含碳量。
几千年间，甲烷一直是地球碳循环的被动部分，处于休眠状态，被埋在地下。
最终的灾难场景恐怕就是全球范围内甲烷的正反馈，那时，地球气候越过了让一些人在夜间冒着冷汗惊醒的临界点。气候变暖会导致冰层融化和甲烷释放，从而引起更严重的气候变暖和更大规模的冰层融化，大气中的甲烷含量可能会飙升，温度也会随之继续升高。我们不知道这是否会发生，但这种正反馈一旦开始，一切可能就太晚了。
我们要明白，无论我们对地球做了什么，无论未来会发生什么变化，生命都将继续存在，碳也会继续循环。但是，我们人类为即将到来的变化做好准备了吗？
人类继续向大气中排放大量二氧化碳，这犹如一场无形的、不受控制的洪流，将产生此前数百万年都不曾出现的影响。这并不是危言耸听，飙升的二氧化碳含量不会骗人，后果也在产生。否认这个事实的人若不是无知，就是贪婪，或者兼而有之。
对于个人来说，我们应该做些什么呢？
在这个时代，带领人们过上碳中和的生活是一项艰巨的挑战，因为碳排放遍及整个社会，阻碍了我们许多美好愿望的实现。你会为“清洁”能源建造一个巨大的风力涡轮机吗？在此过程中，你可能需要砍伐大量植被，并为地基浇筑在生产过程中会排放大量二氧化碳的混凝土。你会开电动车吗？电力可能来自使用化石燃料的发电厂。
利用好公共交通和有机农业，使用再生铝和布制尿布，所有这些行动都可以有效减少能源消耗，但在某种程度上仍然依赖于碳基燃料。不管你住在城市还是农场，或是介于两者之间的任何地方，你都很可能是温室气体的净生产者。
科学家往往是乐观主义者。尽管上述全球性变化可能会带来意想不到的灾难，但我们仍在寻找解决方案，并且看到了一些机遇。彼得·凯莱门就是这样一个乐观主义者。凯莱门在哥伦比亚大学著名的拉蒙特-多尔蒂地球观测站工作。该观测站坐落在哈德逊河附近帕利塞兹地区著名的玄武岩悬崖上，就在哥伦比亚大学曼哈顿主校区的对岸，是研究地球岩石、海洋和大气的好地方。
尽管凯莱门的眼前是壮观的岩层，他却将目光投向了遥远的阿拉伯半岛阿曼的雄伟山地。在那里，受阳光炙烤的土地一年中大部分时间的温度都高达60摄氏度。凯莱门在此处研究过地球上最奇特的岩石之一——蛇绿岩，这种巨大的地幔岩块本应被埋在数十英里以下，但不知何故却出现在了1万英尺（约3000米）高的山顶。
乍一看，凯莱门是一个随和的人。他蓄着柔软的、略带灰白的胡须，无论是遇见老朋友还是新朋友，他都会不由自主地微笑，与你握手，用一种舒缓、轻松的语气说话。他给人一种闲散的感觉，你会想和他一起走一段长长的路。不过，第一个印象可能会产生误导。
在阿曼从事地质工作可不适合闲散的地质学家。阿曼文化在一定程度上是热诚待人的，但在那里开展野外地质工作却不那么容易，因为这项工作似乎带有一定的侵略性。
外国人对他们的土地动手动脚，这难免令他们产生敌意。而凯莱门想要的还不仅仅是从路边的露头上敲下几块石头，他想在这里打钻以取出数千英尺下的岩心。因此，在这里工作会遇到一些可以理解的延迟和障碍。研究者必须获得由土地、水利、矿产等部门批准的许可证，必须雇用阿曼当地的钻井公司并支付相应的费用。此外，由于没有人在这些蛇绿岩山脉上开展过钻探，新研究可能需要采用新规定，但似乎还没有一个权威机构对此有确切的把握。
延误意味着工作处于不确定状态，实地考察被搁置，旅行计划被取消。考虑到这些行政障碍，许多科学家会放弃去这里开展研究。但凯莱门有决心、有动力，还有在外人看来仿佛无限的耐心和冷静。等了很多年以后，阿曼钻探项目终于启动，并取得了历史性成果。
凯莱门的研究再次证实了一些我们已有的认知，阿曼的蛇绿岩山脉是地幔岩石在板块构造的作用下仰冲到较浅的玄武岩洋壳之上所形成的。
这些地幔岩石富含镁和钙，但硅含量很少，当暴露在地球大气中时，它们会与二氧化碳迅速反应，形成由碳酸镁和碳酸钙构成的纵横交错的白色脉体。凯莱门和他的同事发现，这种碳酸盐矿物的形成速度非常惊人。蛇绿岩从空气中吸收二氧化碳，以极快的速度形成新的碳酸盐矿物。当富含矿物质的地下水从露头渗出时，你甚至可以看到晶体在池塘或水池中形成、生长。
很多矿物只有在地球深部的高温环境下才能快速形成，而蛇绿岩不同，其形成过程在室温下也能发生，当然不可否认的是，阿曼的平均温度比你家客厅的温度要高得多。这些新生矿物比原来的矿物占据了更大的体积，使地层得到扩展。这或许可以解释为什么尽管当地几乎没有地震活动，但阿曼的山脉仍然在以每年几毫米的速度升高。
凯莱门的脑海中浮现出以下结论：蛇绿岩在不停地消耗二氧化碳。阿曼拥有大量蛇绿岩，足以将人类产生的所有二氧化碳封存数百年。目前，阿曼政府并不想参与这项封存计划——该国的经济基础是石油，而不是碳封存。但这些岩石不会消失，它们为解决地球碳危机做出贡献的前景仍然存在。彼得·凯莱门是一位耐心的乐观主义者。