碳循環細部

碳循環是地球氣候系統的核心動力學變數，整合生物地球化學、海洋學、地質學與大氣科學。本節著重於現代量化、人為擾動與未來情境。

全球碳預算（Global Carbon Project, 2023）

2013-2022 平均：

• 化石燃料 + 工業：9.6 ± 0.5 Pg C/yr
• 土地利用改變：1.1 ± 0.7 Pg C/yr
• 總排放：10.7 Pg C/yr
• 大氣增加：5.1 ± 0.02 Pg C/yr
• 陸域吸收：3.1 ± 0.9 Pg C/yr
• 海洋吸收：2.8 ± 0.4 Pg C/yr
• 預算不平衡：-0.3（模型誤差）

大氣 CO₂ 從 1750 年的 277 ppm 升至 2023 年的 419 ppm，工業革命以來累積人為排放約 670 Pg C，其中 60% 仍留在大氣或被海洋與陸域吸收，40% 進入循環。

海洋碳化學

CO₂ 進入海洋的化學反應級聯：

CO₂(g) ↔ CO₂(aq) (Henry's law)
CO₂(aq) + H₂O ↔ H₂CO₃
H₂CO₃ ↔ HCO₃⁻ + H⁺
HCO₃⁻ ↔ CO₃²⁻ + H⁺

在 pH 8.1 的海水中，溶解無機碳分布為：CO₂ ~1%、HCO₃⁻ ~91%、CO₃²⁻ ~8%。

Revelle factor（緩衝因子）約 9-15，表示 CO₂(aq) 變化比 DIC 變化大 9-15 倍。此緩衝能力使海洋吸 CO₂ 效率隨時間下降。

生物泵的細部機制

1. 顆粒有機碳（POC）通量：浮游植物死亡或被攝食後以 marine snow 形式沉降
2. 碳酸鹽碳泵：有孔蟲、球石藻、翼足螺形成 CaCO₃ 殼沉降
3. 微生物碳泵：DOC 經微生物轉化為難分解形式長期封存
4. mesopelagic 鯨抽水：海洋哺乳類垂直運動運輸營養與碳

Martin curve：F(z) = F(100) × (z/100)^(-b)，b 約 0.86，意味著大部分有機碳在 mesopelagic 區（200-1000m）被再礦化，僅約 1% 達深海封存。

陸域碳匯的不確定性

CMIP6 ESM 模型對 2100 年陸域碳匯預測範圍從 +400 Pg C（強匯）到 -200 Pg C（轉為源），不確定性極大。關鍵驅動因子：

• N、P 限制下 CO₂ 施肥效應減弱
• 熱帶森林對氣候敏感性
• 永凍土碳釋放速率
• 林火頻率變化

永凍土碳炸彈

北極永凍土儲存約 1,460-1,600 Pg C，是大氣儲量的兩倍。融化釋放 CO₂ 與 CH₄（GWP100 = 27），形成自我強化反饋。Schuur et al.（Nature 2015）估計 21 世紀末永凍土碳釋放可達 100-200 Pg C。

碳同位素的研究意義

δ¹³C：化石燃料 ¹³C 較輕（~-28‰），大氣 δ¹³C 從 -6.5‰ 下降至 -8.5‰（Suess effect），是人為 CO₂ 來源的直接指紋。

Δ¹⁴C：化石燃料無 ¹⁴C，dilution 已使大氣 ¹⁴C/¹²C 下降，但 1950s 核試爆又使其暫時升高（bomb spike），這成為精確定年的工具。

負排放技術（CDR）

IPCC 1.5°C 路徑全部需要 CDR：

• 造林與保育森林：1-5 Pg C/yr potential
• BECCS（生物能源 + 碳捕集封存）：0.5-5 Pg C/yr
• DAC（直接空氣捕集）：技術可行但成本高
• 增強風化：水成岩粉撒於農田
• 海洋鹼性增強
• 藍碳（紅樹林、海草床）

碳預算與 1.5°C 目標

IPCC AR6 估算剩餘碳預算（66% 機率達 1.5°C）僅 250 Pg C（截至 2020 年），以當前 10.9 Pg C/yr 排放速率約 22 年用完。