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Il ciclo del carbonio è il ciclo biogeochimico attraverso il quale il carbonio viene scambiato tra la geosfera (all'interno della quale si considerano i sedimenti ed i combustibili fossili), l'idrosfera (mari ed oceani), la biosfera (comprese le acque dolci) e l'atmosfera della Terra. Tutte queste porzioni della Terra sono considerabili a tutti gli effetti riserve di carbonio (carbon sinks). Il ciclo è infatti solitamente inteso come l'interscambio dinamico tra questi quattro distretti. Gli oceani contengono la maggior riserva di carbonio presente sulla Terra, sebbene essa sia solo in piccola parte disponibile all'interscambio con l'atmosfera.
Le dinamiche di interscambio sono legate a processi chimici, fisici, geologici e biologici.
Sembra che anche altri corpi celesti possano avere un ciclo del carbonio, ma esistono pochissime informazioni a tal riguardo.
Il bilancio globale del carbonio è il bilancio degli scambi (entrate e perdite) tra le riserve di carbonio o tra uno specifico ciclo (ad es. atmosfera-biosfera) del ciclo del carbonio. Un esame del bilancio di carbonio di una riserva può fornire informazioni se questa stia funzionando da fonte o da consumatore del biossido di carbonio.
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Circa 1900 miliardi di tonnellate di carbonio sono presenti nella biosfera. Il carbonio è parte essenziale della vita sulla Terra. Esso gioca un ruolo importante nella struttura, biochimica e nutrizione di tutte le cellule viventi. E la vita gioca un ruolo importante nel ciclo del carbonio:
L'immagazzinamento di carbonio nella biosfera è influenzato da diversi processi che si attuano su varie scale temporali: mentre la produttività primaria netta segue un ciclo diurno e stagionale, il carbonio può essere immagazzinato per diverse centinaia di anni negli alberi e fino a migliaia di anni nel suolo. Cambiamenti in questi bacini di carbonio a lungo termine (ad esempio attraverso la deforestazione o l'afforestazione, o attraverso cambiamenti nella respirazione del suolo, legati alla temperatura) possono influenzare direttamente il riscaldamento globale.
Il carbonio può anche lasciare la biosfera, quando la materia organica morta (come la torba) sedimenta e vien ricoperta da altri depositi sedimentari, viene incorporata nella geosfera.
I mari contengono circa 36.000 miliardi di tonnellate di carbonio, in gran parte sotto forma di ione bicarbonato. La presenza di carbonio inorganico, rappresentato da gruppi di carbonio senza legami carbonio-carbonio o carbonio-idrogeno, è importante per le sue reazioni in acqua. Questo scambio di carbonio diventa importante nel controllare il pH degli oceani e può comportarsi sia come sorgente che come assorbente di carbonio a seconda delle condizioni. Il carbonio è scambiato rapidamente tra atmosfera e oceano. Nelle regioni oceaniche di upwelling, il carbonio viene rilasciato verso l'atmosfera. Al contrario, nelle regioni di downwelling il trasferimento di carbonio (CO2) avviene tra atmosfera e oceano. Quando esso è assorbito dall'oceano avviene la formazione di acido carbonico:
Questa reazione può avvenire in entrambe le direzioni, fino a raggiungere l'equilibrio chimico. Un'altra importante reazione che determina il pH oceanico è il rilascio di ioni idrogeno e bicarbonato:
Diversi modelli del ciclo del carbonio possono essere incorporati all'interno del modello globale del clima, in modo da prevedere l'effetto di interazione dei futuri livelli di CO2 sugli oceani e sulla biosfera. Ci sono, comunque, considerevoli dubbi sulla loro effettiva correttezza, sia per quanto riguarda i modelli fisici che biochimici (specialmente quest'ultimo). Tali sistemi mostrano che c'è una relazione diretta tra temperatura e CO2. Ad esempio alcuni ricercatori [2] hanno mostrato che nel loro modello, includendo il ciclo del carbonio, aumenta la quantità di CO2 nell'atmosfera di circa 90 ppmv a 2100 (superiore al valore predetto dai modelli con un ciclo del carbonio non interattivo), portando ad un ulteriore aumento di 0,6°C del riscaldamento (che, a sua volta, può provocare un ulteriore aumento della quantità di CO2 atmosferico).
