地球有碳循环，为什么说石油煤炭不可再生

都说化石能源是不可再生资源，你知道吗？实际上它们是可以再生的。

碳诞生于恒星内部，它随着剧烈的爆炸散布到宇宙空间，然后因为尘埃的聚集慢慢成为地球的一部分。地球上的碳含量几乎是恒定的，几十亿年来只有极少量的增加，这是因为强烈宇宙射线中的中子辐射9000~15000米的高层大气，使一部分氮-14分解为碳-14和氢。碳-14本身不稳定，它会通过β衰变变回到氮-14。地球上碳-14的含量极少，据计算全球碳-14的存量大约仅有50吨，其中大气层有840千克，其它全被固定在陆地材料中。

50吨的碳-14与地球碳总量相比微不足道。 地球上的碳主要是碳-12和碳-13，这是碳的两种稳定同位素，其中碳-12约占碳总量的99%，碳-13约为1% 。科学家们估计有超过6亿亿吨的元素碳以碳酸盐的形式被储存在岩石中，另有约1.5亿亿吨碳存在于一种叫做“油母质”或“干酪根”的固体有机混合物里；在地球中心的铁核中还有大量的碳，它与地核的铁结合成碳化铁Fe₇C₃；地球表面广阔的海洋中溶解和储存了大量碳化合物，其中含有38.4万亿吨碳；相比之下大气中的元素碳含量则要少得多，2000年测量的数值约为7200亿吨。

值得注意的是： 在2018年中期最新测量数据中，大气中二氧化碳的质量浓度达到622ppm 。我们知道地球表面大气总质量约为5.15×10¹⁸千克，这意味着大气中二氧化碳总质量约为32033亿吨，其中 元素碳的质量达到8736亿吨 ，远超过2000年的水平。科学家们认为这主要是由于人类活动每年向大气中排放超过290亿吨CO₂的结果，另外由火山喷发每年向大气贡献了不超过3亿吨二氧化碳。

地球的大气层中最早是没有碳的 ，当它开始形成时，包裹在周围的主要是氢气，还有少量的水蒸汽、甲烷和氨。 随着小行星不断地碰撞，频繁的火山活动将地下大量氮、二氧化碳以及少量惰性气体带到地球表面，形成新的大气层 。这些二氧化碳中的大部分溶解在水里形成早期的碳酸盐岩石，另一部分作为温室气体为早期的地球保温，这也为后来地球生命的产生创造了条件。早期的太阳光度只有今天的70%，更多的温室气体有利于保持地球表面的温度，在大约34亿年前，地球就已经存在早期生命的迹象，这与地下碳的大量排放时间基本吻合。

大量的地质证据表明，在大约24亿年前太古代晚期的数亿年时间里，地球大气和浅海区域大量氧气开始聚集，被称为“大氧化事件”，这是因为 大量蓝藻通过光合作用吸收空气中的二氧化碳，将碳固定在它们体内并向空气中释放氧气 。这些远古藻类和浮游动物死亡后沉入水底，经过数亿年的堆积和几十亿年的地质变化，这些成分复杂的有机化合物的混合物慢慢变成今天被称为“干酪根（Kerogen）”的固体物质。

干酪根是原始藻类、浮游生物和原始陆地植物固定地球大气层中碳的证据，它固定了超过10¹⁶吨（约1.5亿亿吨）元素碳，这些有机物质聚集在地下深处原始的沉积岩中，当其中一部分在地壳中被加热到合适的温度时（ 油窗 ：50-150 °C， 气窗 ：150-200°C，两者都取决于烃源岩加热的速度），某些类型的干酪根会释放原油或天然气，形成油田或气田。

由此我们知道， 石油和天然气本身就是地球碳循环的其中一个产物 。

在地球 历史 的每一个地质时期，都有藻类和浮游生物沉积演化所形成的石油，从这个角度看，地球的石油储藏应当是源源不绝的。今天的渔民们不喜欢大量繁殖的水藻和浮游生物，它们会大量消耗浅层海水中的氧，导致鱼类死亡绝收，但十数亿年之后，这些海藻有可能就是后人的石油。

我此前在《煤炭与钻石，哪个更有价值？》一文中介绍了煤炭的来源，陆地上繁茂的植物在死亡之后慢慢堆积，将它们从空气中吸收的碳固定在地面，随着漫长岁月的地质演化，这些死亡植物在被微生物降解前变成泥碳，进而演化为III型干酪根，也就是我们通常所说的煤炭。

地球表面的碳循环与大量微生物、动植物的生长繁衍密不可分 。植物和藻类通过光合作用将空气中的二氧化碳转化为体内的有机碳，当它们死亡时，这些有机碳的大部分被保存在地面、深埋进泥土、进入地壳，然后变为泥炭和煤；动物和浮游生物通过吃植物和藻类完成碳的转移，它们会呼出二氧化碳，同时也会将一部分碳转化为碳酸盐固定下来，当大量浮游生物的尸体沉积到海底深处，加上某些种类细菌协助分解，它们有机会转化为干酪根或石油。大约有2万亿吨的碳被储存在生物圈、化石燃料中元素碳的存量达到4.13万亿吨，这比空气中的碳要多得多。

植物不只通过光合作用捕获空气中的二氧化碳，它还会通过呼吸作用释放二氧化碳，只不过它们吸收的碳更多；动物会吸入氧气呼出二氧化碳，这些碳大多来自它们所吃的植物。这使得大气中的碳基本保持平衡状态。

由于人类生产活动燃烧大量化石能量，将亿万年来积聚在地下的碳快速释放到大气中；同时又通过砍伐森林获取木材、发展农业减少了植物转化碳的能力，因此在工业革命后大气中碳的存量呈现快速上升的趋势，这将导致全球气候变暖。

照目前的势头，大气中二氧化碳的浓度会不会无限制地上升呢？不一定。土壤通过呼吸作用每年向大气中释放超过1000亿吨元素碳，比人类碳排放要多出十倍以上，但大气中二氧化碳的增量并没有那么多，这在本文的开始部分我们就已经做了计算。这是因为大气中有一多半的二氧化碳被海洋和陆地吸收了，二氧化碳或溶解在水里中和了海水的碱性（海洋的PH值约为8.2），或在阳光的照射下以碳酸盐的形式被封存在了土壤里。随着太阳光照度的增强，被土壤吸收的碳会越来越多，据计算，大气中的二氧化碳浓度有可能在6亿年后达到一个 历史 低点，这对于植物来说并不是件好事情。

我们通过分析地球碳循环的过程，可以发现石油和煤炭是能够再生的，为什么几乎所有的宣传资料甚至包括我们的教科书中都将化石能源列为不可再生资源呢？

因为 化石能源的再生过程是以亿年为时间单位计算的，对于人类来说这个过程太漫长了 。我们人类从智进化至今仅仅20万年，人类利用化石能源的 历史 仅数千年，大规模开采煤炭石油也只有数百年时间。相对于石油和煤炭的产生，人类消耗它们的速度简直快如闪电，即使今天海洋中的浮游生物、森林中的树木有可能再变成石油与煤炭，到那时候人类是否还能存在都将是未知数。从人类发展的角度看，化石能源是不可再生的。

我们的脚下埋藏着超过4万亿吨的煤炭、有数千亿吨碳储存在石油里，更有1.5亿亿吨的碳被封存于干酪根，它们会在合适的地下转化为新的油气田，看起来石油与煤炭是取之不尽的。问题是当这些碳被开采出来燃烧后，它们会被排放到大气中，二氧化碳浓度的升高有可能导致全球变暖，并由此引发严重的气候问题，我们必须要加以重视并努力避免。