8.4.1 以季節∼世紀為時間尺幅的碳循環

Keeling在夏威夷冒納島量測的近四十五年來之大氣中二氧化碳含量增加的曲線（圖1-1），明顯地顯示燃燒化石燃料及土地利用（燒森林、種稻米、畜牧）等造成CO₂含量增加的現象，在這上昇的趨勢中，可明顯看到季節性起伏。夏季時CO₂含量較低，這是因為光合作用的速率高於植物腐敗的速率，而使較多的CO₂由大氣輸往生物儲存庫（圖8-5）。

由圖8-5，我們可以探討二氧化碳濃度增高與全球暖化間的關係。我們可這樣問：為什麼有5×1016 莫耳的碳在大氣儲存庫，而有20×1016 莫耳的碳在生物儲存庫中？而不是反過來？是那些因素決定了這些貯存庫的大小？

對這些問題，科學家還無法確切回答。有人認為，一旦二氧化碳濃度增加，會增加光合作用的速率，把空氣中的碳輸入生物界，這是所謂「二氧化碳肥料效應」（carbon dioxide fertilization effect），有助於維持地球系統的穩定狀態。另方面，有些學者認為，溫度增高反會增加生物質腐化（氧化）的速率，釋放更多的二氧化碳，而使得CO₂濃度與暖化形成互相加強的正向回饋（positive feedback），致使地球體系趨向變暖（圖8-5）。

有些學者認為生物界中的生態作用扮演了重要角色。設若光合作用增強，製造了更多的生物質（biomass），就能養活更多動物，越多動物，呼吸作用越強，就又把碳送回大氣，這種生態作用及食物鏈所形成的回饋機制，也有助於保持大氣及生物圈二個碳庫的穩定狀態。

8.4.2 以萬年為時間尺幅的碳循環

由以上的討論來看，似乎生物庫、大氣庫、淺海庫之間，靠著一些回饋機制，可以保持穩定的平衡，而為了探討大氣中CO₂增加的現象，及繼續排放CO₂的後果等，我們必然要討論到下一個問題：為什麼大氣－生物－淺海三者合起來的碳庫存量是30×1016 莫耳，而不是更多或更少呢？要解這個問題，就必須把深洋庫也拉進來看（圖8-6）。深洋庫的庫存量比前者大了十倍有餘，總碳量為320×1016 莫耳，滯留時間為1500年；深洋與其他三個較小的貯存庫間碳的交換速率較低，每年只有0.2×1016 莫耳，這個交換的速率則與海水化學及海水的酸鹼值（pH）有關，主要的化學反應如下：

CO₂溶入海水中，分解成氫離子（H⁺）與碳酸氫根離子（HCO₃^-）：

CO₂＋H₂O H₂CO₃ H⁺＋HCO₃^-

因此，CO₂的分壓（partial pressure），就與海水中H⁺離子濃度形成正比的關係，即：

P_（CO2）＝a〔H⁺〕〔HCO₃^-〕

此處，a是一個反應常數。

海水中的碳酸氫根離子也能進一步分解成氫離子和碳酸根離子（CO3⁼）：

HCO₃^- H⁺＋CO₃⁼

此處，CO₃^＝濃度，則受控於海水中酸鹼度（〔H⁺〕）及碳酸氫根離子的濃度：

〔CO₃⁼〕＝b〔HCO₃^-〕／〔H⁺〕

當海水中〔CO₃^＝〕夠高，大於碳酸根離子的飽和濃度時，能與Ca⁺⁺形成碳酸鈣；反之，碳酸鈣會溶解：

CO₃^＝＋Ca⁺⁺ CaCO₃

圖8-7顯示，由南極冰蕊的氣泡中所測得的過去十六萬年大氣中CO₂濃度的變化。上次間冰期（13∼11萬年前）的濃度高達290 ppm，與現次間冰期，工業革命前的濃度相當；而在冰期鼎盛時期，濃度可低到180 ppm。CO₂濃度冰期低，間冰期高，與溫度呈正相關的現象，似乎CO₂與氣溫有正向的回饋關係。這種冰期－間冰期旋迴中，大氣中超過100 ppm的長期起落的現象，學者咸信，與碳進出深海庫有關；換言之，深海碳庫稍微增減碳量，那怕是1／1000，就會在大氣這個較小的碳庫中造成明顯的波動。而深海的含碳量，則受到海水pH值所影響，pH值又受到溶解態的碳量及海水的鹼度（alkalinity）控制。

地質時代中，CO₂的濃度曾比近代高許多，白堊紀時可能高達2000ppm。這種長時間尺幅（106∼108 years）的變化則牽涉到沈積物乃至地函庫的生地化循環，因為時間尺幅長，速率緩慢（圖8-8），與近期內的CO₂增減現象無直接的關係，本章不予討論，有興趣的讀者可以參考Walker（1993）。