炭素循環（カーボンサイクル）とは｜仕組みと人為的CO2増加の影響
炭素循環（カーボンサイクル）の仕組みと人為的CO2増加が地球・海洋酸性化や気候に与える影響を図解でわかりやすく解説。
炭素循環とは、地球上で炭素がさまざまな場所（大気、陸上の生物、土壌、海洋、堆積物・岩石など）に貯蔵され、それらの間を移動（出入り）する仕組みのことです。炭素循環には、数百万年以上の時間をかけて進む「長期の循環」と、季節や年単位で繰り返される「短期の循環」があり、両者が重なり合って地球の炭素収支を決めています。
炭素が大気に入る（供給源）
大気中に炭素が加わる主な過程は次の通りです。
特に過去100年ほどの間に人間の活動（化石燃料燃焼や土地利用の変化）が大気中へ放出するCO2は急増しており、簡略な比較では「人為的排出は火山由来の年間排出量の約100倍」と表現されることがあります（年ごとの投入量に関する大まかな比較です）。この人為的な追加が現在の気候変動の主要因です。
大気から炭素が取り出される（吸収源）
大気中のCO2が減る主な過程は以下です。
- 植物や藻類による光合成での固定：大気中のCO2を有機物に変換します。これが陸域や海洋の炭素吸収の第一歩です。
- 生物の死骸が分解されることで一部は再びCO2として放出されますが、分解が進まないまま埋もれると長期間隔離されます。
- 一部の有機物や炭素は土砂として堆積し、やがて堆積岩や化石燃料（石炭、石油、ガス）になることがあります。
土壌中に保持される炭素は短期的〜中長期的に大気から隔離されるため、土壌は重要な炭素貯蔵庫です。また、植物由来の炭素の一部は長期間土壌中に留まります。
岩石・風化・海洋の役割
雨水が大気中のCO2と反応してわずかに酸性化した炭酸水は、岩石を化学的に溶かす作用を持ちます。これを風化と呼びます。風化によって生成された物質（主に炭酸塩イオンや重炭酸イオン）は河川を通じて海に運ばれ、そこでカルシウムなどと結合して炭酸カルシウムの殻や堆積物を作ります。
"風化は岩石を溶かすのに欠かせない大気中の二酸化炭素を大量に消費する"
さらに、海洋は大気中のCO2を物理的にも化学的にも吸収します。現在、海は毎年大気から放出される量より多くのCO2を取り込んでいるため大気のCO2増加を部分的に緩和していますが、その結果として海洋のpHは低下し、いわゆる「海洋酸性化」が進行しています。酸性化は貝類やサンゴなどの炭酸カルシウムを使う生物に影響を与え、生態系や食物連鎖に波及します。
長期循環とプレートテクトニクス
堆積した炭素は長い時間をかけて岩石となり、大気中の二酸化炭素量に比べてはるかに多くの炭素が地殻内に蓄えられています（図には示されていない場合があります）。地殻が海洋プレートの沈み込み（サブダクション）によってマントルへと運ばれると、そこで高温・高圧の条件下で炭素が再び放出され、火山活動として大気中に戻されます。プレートテクトニクスに伴うこのプロセスが、地質学的時間スケールで炭素循環を完結させます。
人為的CO2増加の影響とフィードバック
- 温室効果の強化：大気中CO2の増加は地球全体の放射収支を変え、気温上昇（気候変動）を引き起こします。
- 海洋酸性化：上で述べたように、海のCO2吸収は酸性化を進め、生態系サービスや漁業に影響する恐れがあります。
- 吸収源の変化：温暖化により陸域・海洋のCO2吸収能力が変わる可能性があり、たとえば北方では永久凍土の融解による有機炭素の放出（正のフィードバック）や、海洋の二酸化炭素吸収率の低下などが懸念されます。
- 長期的影響：化石燃料を燃やして放出された炭素の一部は数百年〜数千年にわたって大気と交換され、完全に元に戻るには地質学的時間が必要です。
対策と重要点
気候変動の緩和には、化石燃料の燃焼量削減、陸域・海洋の健全な炭素吸収源の保全・回復（森林再生、土壌管理、湿地保全など）、および可能であれば大気中のCO2を直接除去する技術（吸収・貯留）の研究と適切な導入が重要です。炭素循環は多くの時間スケールとプロセスが絡み合うため、短期的な対策と長期的な地球化学的サイクルの理解の両方が求められます。
炭素循環の図。黒色の数字は、各段階でどれだけの炭素が蓄えられているかを数十億トン単位で表しています（「GtC」はギガトンの炭素を意味し、2004年頃に記録された数字です）。紫色の数字は、各段階の間を毎年どれだけ炭素が移動しているかを示しています。この図で定義されている堆積物には、約7000万GtCの炭酸塩岩やケロゲン（その他の有機物の堆積物）は含まれていません。
概要
炭素循環とは、生態系の中で炭素がリサイクルされていく過程のことです。生物に含まれる炭素の濃度（18％）は、地球に含まれる炭素の濃度（0.19％）の100倍近くにもなります。つまり、生物は生物以外の環境から炭素を抽出しているのです。生命が存続するためには、この炭素を再利用しなければなりません。炭素の循環については、図を参照してください。炭素がこの循環の中でどのような経路を通っているかというと、大気中の二酸化炭素が植物に吸収され、光合成で糖分を生成し、植物がエネルギーに利用します。植物が死ぬと分解され、植物に蓄えられた炭素は何百万年もかけて石炭（化石燃料）になります。石炭は燃やされて二酸化炭素を放出し、大気中に放出されます。
現在、炭素循環と人間の活動がどのようにそれに影響を与えているかは、国際的なニュースで大きな話題となっています。化石燃料は再生不可能な資源であり、簡単には代替できません。1900年以降、化石燃料の使用量は20年ごとに約2倍に増加しています。この二酸化炭素の放出は、温室効果や酸性雨の原因となっています。
炭素循環は、ジョセフ・プリーストリーとアントワーヌ・ラヴォワジエによって発見され、ハンフリー・ダヴィによって普及した。
関連ページ
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質問と回答
Q:炭素循環とは何ですか?
A:炭素循環とは、地球上で炭素が貯蔵され、交換される仕組みのことです。何億年もかかるプロセスもあれば、毎年起こるプロセスもあります。
Q: 炭素循環に入る主な方法は何ですか?
A:炭素循環の主な経路は、火山と、石炭やガスなどの化石燃料の燃焼です。近年では、化石燃料を燃やすことによって、火山の100倍以上のCO2が大気中に放出されていると言われています。
Q:光合成は、どのようにして大気中のCO2を除去しているのですか?
A:生物の光合成は、大気中のCO2を取り込み、エネルギーを生産しています。その一部は死んで分解されるときに放出されますが、一部は堆積岩の中に埋もれてしまいます。
Q:風化によって岩石はどのように溶かされるのですか?
A: 風化作用によって雨で洗い流された二酸化炭素は、希薄な炭酸として岩石と反応し、岩石を溶かして破壊します。また、その過程で土砂として堆積し、サイクルが完成します。
Q:CO2はどこに溶けているのですか?
A: CO2は海にも溶け込んでいて、大気中に放出されたり、堆積岩の一部になったりして、長い間留まっています。
Q:人間が大気中に加えたCO2は、火山によるものと比べてどのくらい多いのですか?
A:火山によって加えられた1トンのCO2に対して、人間が燃焼によって加えたCO2は、過去100年間で約100トンです。
Q:岩石を溶かすのに必要な大気中の二酸化炭素の大量消費は何ですか?
A:風化は、岩石を溶解するのに不可欠な大気中の二酸化炭素の大量消費源です。
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