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Der Kohlenstoffkreislauf ist einer von mehreren biogeochemischen Kreisläufen, bei denen die verschiedenen lebensnotwendigen Verbindungen wie Wasser, Stickstoff, Schwefel, Kohlenstoff und Phosphor kontinuierlich durch metabolische, geologische und meteorologische Prozesse recycelt werden. Kohlenstoff kommt als Kohlendioxid in der Atmosphäre vor und wird in den Ozeanen, als organischer Kohlenstoff in lebenden Organismen und als Teil von Sedimentmineralien wie Calciumcarbonat gelöst. Normalerweise gleichen sich Kohlenstoffbewegungen zwischen diesen verschiedenen Lagerstätten effektiv aus, so dass die Kohlenstoffmenge in jedem relativ konstant ist oder sich nur im Laufe der Jahrtausende ändert. Seit der industriellen Revolution verbrennen die Menschen jedoch fossile Brennstoffe und geben große Mengen Kohlenstoff an die Atmosphäre ab, was weitreichende Auswirkungen auf Klima und Ökosysteme haben kann.
Biologische Faktoren
Kohlenstoff ist eines der wichtigsten Elemente für das Leben und per definitionem Bestandteil aller organischen Moleküle. Kohlendioxid in der Atmosphäre wird von photosynthetischen Pflanzen, Algen und Phytoplankton, auch als "Produzenten" bekannt, in organischen Kohlenstoff umgewandelt. Fast alle anderen Organismen, einschließlich aller Tiere, beziehen letztendlich ihren Kohlenstoff von diesen Produzenten. Alle Organismen, einschließlich der Hersteller, setzen durch Zellatmung Kohlendioxid frei. Dabei werden Kohlenhydrate metabolisiert, um die für das Leben notwendige Energie freizusetzen. Zwischen den Auswirkungen der Photosynthese und der Zellatmung treten Kohlenstoffkreisläufe zwischen der Atmosphäre und der Biosphäre auf. Die wichtigsten Ausnahmen sind Organismen, meistens Phytoplankton und andere Tiere mit Schalen aus Kalziumkarbonat, die am Meeresboden unter Sedimenten begraben werden, bevor ihr Kohlenstoff durch Zersetzung freigesetzt werden kann. Dieser Kohlenstoff wird effektiv aus den biologischen und atmosphärischen Teilen des Kohlenstoffkreislaufs entfernt und liegt schließlich in Form von Kalkstein oder unter bestimmten Bedingungen in Form von Öl, Kohle oder Erdgas vor.
Geologische Faktoren
Während sich langsam mehr Kalksteine und kohlenstoffhaltige Mineralien bilden, werden vorhandene Sedimente durch Wind- und Niederschlagskräfte langsam abgetragen. Kalkstein und andere Sedimente werden durch Regenwasser aufgelöst und geben Kohlenstoff an die Biosphäre zurück. Eine Subduktion, die auftritt, wenn eine tektonische Platte unter eine andere gedrückt wird, ist ebenfalls ein wichtiger Teil des Kohlenstoffkreislaufs. Kohlenstoffhaltige Sedimente werden so weit unter die Oberfläche gedrückt, dass sie schmelzen und schließlich Kohlenstoff freisetzen. Dieser Kohlenstoff wird im Zuge von Vulkanausbrüchen plötzlich freigesetzt und tritt allmählich durch heiße Quellen, Risse und Öffnungen aus.
Fossile Brennstoffe
Der primäre Einfluss des Menschen auf den Kohlenstoffkreislauf besteht in der Verbrennung fossiler Brennstoffe, die ansonsten vergrabenen Kohlenstoff in die Atmosphäre abgeben. Fossile Brennstoffe wie Erdöl, Erdgas und Kohle werden in nahezu allen Bereichen der Weltwirtschaft eingesetzt. Autos sind das sichtbarste Beispiel, aber mehr Kohlendioxid wird tatsächlich in Kohle- und Erdgasanlagen erzeugt, die sowohl für den industriellen als auch für den privaten Gebrauch Strom produzieren. Die industrielle Landwirtschaft wird auch mit fossilen Brennstoffen betrieben. Alle Kunstdünger werden durch einen Prozess synthetisiert, bei dem fossile Brennstoffe - in der Regel Erdgas - verbrannt werden. Verschiedene Studien haben Veränderungen in Kohlendioxid im letzten halben Jahrhundert verfolgt. Die am längsten laufende Studie wurde 1958 von Charles Keeling in Hawaii begonnen und zeigt einen raschen Anstieg des atmosphärischen Kohlenstoffgehalts. Hinweise auf Eisbohrkerne deuten darauf hin, dass der Kohlenstoffgehalt höher ist als in einer halben Million Jahren
Abholzung
Durch die weit verbreitete Entwaldung, insbesondere in tropischen Gebieten, wird mehr Kohlenstoff durch Zersetzung freigesetzt und weniger Kohlenstoff durch Photosynthese gebunden. Pflanzen und einige Bakterien nutzen die Energie des Sonnenlichts, um Kohlenhydrate aus Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu bilden. Obwohl einige Gebiete als Naturschutzgebiete ausgewiesen wurden, sind weit mehr für das Verbrennen und Abholzen zum Zweck der Holzernte und der Rodung landwirtschaftlicher Flächen anfällig.
Der Treibhauseffekt
Die Hauptsorge bezüglich der Erhöhung des Kohlendioxidgehalts beruht auf der Tatsache, dass Kohlendioxid ein Treibhausgas ist. Es fängt Infrarotstrahlung von der Erdoberfläche ein, die sonst in den Weltraum entweichen würde, wodurch der Planet effektiv isoliert und seine Temperatur erhöht würde. Das Internationale Gremium der Vereinten Nationen für Klimawandel und viele Mitglieder der wissenschaftlichen Gemeinschaft sind der Ansicht, dass der Kohlenstoffkreislauf durch den Menschen so stark gestört wird, dass sich das globale Klima drastisch ändert, was möglicherweise enorme Auswirkungen auf die biologische Vielfalt, die Landwirtschaft, das Wetter und die allgemeine Gesundheit aller Menschen hat Ökosystem auf dem Planeten.