De koolstofcyclus is een van de vele biogeochemische cycli waardoor de verschillende voor het leven noodzakelijke verbindingen, zoals water, stikstof, zwavel, koolstof en fosfor worden continu gerecycled via metabolische, geologische en meteorologische processen. Koolstof bestaat als koolstofdioxide in de atmosfeer en wordt opgelost in de oceanen, als organische koolstof in levende organismen en als onderdeel van sedimentmineralen zoals calciumcarbonaat. Normaal gesproken worden bewegingen van koolstof tussen deze verschillende reservoirs effectief in evenwicht gebracht, zodat de hoeveelheid koolstof in elk relatief constant is of slechts in de loop van millennia verandert. Sinds de industriële revolutie hebben mensen echter fossiele brandstoffen verbrand en enorme hoeveelheden koolstof in de atmosfeer geloosd, wat verstrekkende gevolgen kan hebben voor het klimaat en de ecosystemen.
Biologische factoren
Koolstof is een van de belangrijkste elementen voor het leven en maakt per definitie deel uit van alle organische moleculen. Kooldioxide in de atmosfeer wordt omgezet in organische koolstof door fotosynthetische planten, algen en fytoplankton, ook wel bekend als "producenten". Bijna alle andere organismen, inclusief alle dieren, krijgen uiteindelijk hun koolstof van deze producenten. Alle organismen, inclusief producenten, geven koolstofdioxide af als gevolg van cellulaire ademhaling, het proces waarbij koolhydraten worden gemetaboliseerd om de energie vrij te geven die nodig is voor het leven. Tussen de effecten van fotosynthese en cellulaire ademhaling, koolstofcycli tussen de atmosfeer en de biosfeer. De belangrijkste uitzonderingen zijn die organismen, meestal fytoplankton en andere dieren met schelpen gemaakt van calcium carbonaat, die onder sediment op de bodem van de oceaan worden begraven voordat hun koolstof erdoor kan worden vrijgegeven ontleding. Deze koolstof wordt effectief verwijderd uit de biologische en atmosferische delen van de koolstofcyclus en neemt uiteindelijk de vorm aan van kalksteen of, onder bepaalde omstandigheden, olie, steenkool of aardgas.
Geologische factoren
Op hetzelfde moment dat er langzaam meer kalksteen en koolstofhoudende mineralen worden gevormd, worden bestaande sedimenten langzaam uitgehold door de krachten van wind en neerslag. Kalksteen en andere sedimenten worden opgelost door regenwater, waardoor koolstof weer vrijkomt in de biosfeer. Subductie, die optreedt wanneer een tektonische plaat onder een andere wordt gedwongen, is ook een belangrijk onderdeel van de koolstofcyclus. Sedimenten die koolstof bevatten, worden ver genoeg onder het oppervlak geduwd om te smelten en uiteindelijk hun koolstof vrij te geven. Deze koolstof komt plotseling vrij, als onderdeel van vulkaanuitbarstingen, en geleidelijk, als lekken door warmwaterbronnen, kloven en ventilatieopeningen.
Fossiele brandstoffen
De primaire impact van mensen op de koolstofcyclus is door de verbranding van fossiele brandstoffen, waardoor anders begraven koolstof in de atmosfeer vrijkomt. Fossiele brandstoffen, waaronder aardolie, aardgas en steenkool, worden in bijna elk aspect van de wereldeconomie gebruikt. Auto's zijn het meest zichtbare voorbeeld, maar in feite wordt meer koolstofdioxide geproduceerd door kolen- en aardgasfabrieken die elektriciteit produceren voor zowel industrieel als residentieel gebruik. Ook de industriële landbouw draait op fossiele energie. Alle kunstmatige meststoffen worden gesynthetiseerd door een proces waarbij fossiele brandstoffen worden verbrand - meestal aardgas. Verschillende studies hebben veranderingen in kooldioxide in de afgelopen halve eeuw gevolgd. Het langstlopende onderzoek is in 1958 begonnen door Charles Keeling op Hawaï, en het toont een snelle stijging van het koolstofgehalte in de atmosfeer aan. Bewijs uit ijskernen suggereert dat koolstofniveaus hoger zijn dan in een half miljoen jaar
Ontbossing
Door wijdverbreide ontbossing, vooral in tropische gebieden, komt er meer koolstof vrij door ontbinding en wordt er minder koolstof vastgelegd via fotosynthese, het proces waarbij planten en sommige bacteriën de energie van zonlicht gebruiken om koolhydraten op te bouwen uit kooldioxide uit de atmosfeer. Hoewel sommige gebieden zijn gereserveerd als natuurreservaten, zijn er veel meer kwetsbaar voor verbranding en kap voor de houtoogst en het kappen van landbouwgrond.
Het broeikas effect
De grootste zorg over het verhogen van het kooldioxidegehalte komt voort uit het feit dat kooldioxide een broeikasgas is. Het vangt infraroodstraling van het aardoppervlak op die anders de ruimte in zou ontsnappen, waardoor de planeet effectief wordt geïsoleerd en de temperatuur stijgt. Het International Panel on Climate Change van de VN is, samen met veel mensen in de wetenschappelijke gemeenschap, van mening dat mensen de koolstofcyclus voldoende verstoren om het wereldwijde klimaat drastisch veranderen, met mogelijk enorme gevolgen voor de biodiversiteit, de landbouw, het weer en de algehele gezondheid van elk ecosysteem op de planeet.
