מחזור הפחמן נחלק לשני סוגים: הראשון - מחזור הפחמן המהיר, הידוע גם כמחזור הפחמן הביולוגי, אשר מתרחש בביוספירה ועשוי לארוך כמה ימים או חודשים[2]. השני - מחזור הפחמן האיטי, הידוע גם כמחזור הפחמן הגאולוגי, אשר מתרחש בסלעיכדור הארץ ונפרש על פני מיליוני שנים.
בין הגורמים המשפיעים על מחזור הפחמן ניתן למנות את האטמוספירה, עולם החי והצומח, האוקיינוסים, פנים כדור הארץ ופעילות אנושית. לשינויים במחזור הפחמן יש השפעה על האקלים, בהיותו חלק מגזי החממה[3]. מחזור הפחמן מאפשר את כל תהליכי החיים וכולל בתוכו גם את מחזור המימן והחמצן.
מחזור הפחמן המהיר
במחזור הפחמן המהיר מעורבים יצורים חיים - צמחים, בעלי חיים - והאטמוספירה. התהליכים הללו אורכים בדרך כלל כמה ימים או חודשים ועוברים בהם כמאתיים מיליארד טונות פחמן בשנה[2].
ישנם שני תהליכים עיקריים המעורבים במחזור הפחמן: פוטוסינתזה ונשימה תאית. שני התהליכים הללו, שמשלימים זה את זה במחזורי החומרים, הם גם שני התהליכים העיקריים במחזורי החמצן והמימן. בנוסף, שלושת היסודות מופיעים יחדיו בתרכובות אורגניות שבונות את גופם של האורגניזמים.
התרכובת האי-אורגנית של מחזור הפחמן היא פחמן דו-חמצני, אשר נקלט מהאוויר על ידי היצרנים, כאשר הכוונה היא בעיקר לצמחים הירוקים בטבע. בנוסף לכך, ישנם חיידקים אשר מבצעים גם כן פוטוסינתזה. צמחים וחיידקים אלו בונים את הפחמימהגלוקוז במהלך תהליך הפוטוסינתזה המפיק את האנרגיה הדרושה לפעילותם, לוויסות תהליכים, לבניית גופם ולרבייה. לאחר שצמחים אלו נאכלים, עוברת אנרגיה במארג המזון לשאר הצרכנים, ואיתה גם הפחמן. רק האנרגיה והפחמן ששימשו לבניית גופו של הצמח ממשיכים לעבור בשרשרת המזון. הצרכן שניזון מהצמח ממשיך להעביר את הפחמן במארג המזון (כאשר נטרף וכדומה) וכך עובר הפחמן במארג המזון. מולקולת הפחמן (הפחמימה) מאבדת מהאנרגיה שלה במהלך המחזור עד שהיא הופכת לאי-אורגנית, נטולת אנרגיה זמינה. גם המפרקים השונים נוטלים מהפחמן את האנרגיה שלו והופכים אותו לאי-אורגני ובכך משלימים את המחזור. מפרקים אלו הם בעיקר חיידקיםהטרוטרופים, אשר מפרקים אורגניזמים לאחר שאלו מתו, כגון צמחים שכמשו (נבלו) ובעלי חיים שמתו, וגורמים לריקבון.
מכאן, שאילולא היה הפחמן מוחזר לאוויר, בין אם על ידי המפרקים השונים ובין אם על ידי התערבות האדם על ידי הפקת נפט ושימושו וכן הלאה, תהליכי החיים היו נפסקים, לדעת החוקרים לאחר 400 שנה. כמות הפחמן בסביבה המימית הייתה מספיקה לפחות זמן, וזאת משום שיותר פחמן נמצא בה שכן הוא מומס טוב במים.[דרוש מקור]
מחזור הפחמן האיטי
במחזור הפחמן האיטי נע הפחמן בין סלעים, קרקע, אוקיינוס ואטמוספירה, באמצעות תגובות כימיות ופעילות טקטונית. התהליך אורך בערך 100-200 מיליון שנה, ומערב 10–100 מיליון טונות פחמן מדי שנה. רוב הפחמן בכדור-הארץ - כ-65,500 מיליארדי טונות - נאגר בסלעים[1].
20% ממעבר הפחמן מהאטמוספירה לסלעים מתבסס על שקיעת שרידי צמחים ובעלי חיים בשכבות של בוץ. במהלך מיליוני שנים נדחסים הבוץ והפחמן תחת חום ולחץ גבוה ויוצרים סלעי משקע, כגון פצלים. במקרים מסוימים, כאשר צמחים מתים מצטברים מהר יותר משהם יכולים להירקב, שכבות של פחמן אורגני הופכות לנפט, פחם או גז טבעי[1].
80% הנותרים של הסלעים מכילי הפחמן נוצרים כאשר פחמן דו-חמצני מהאטמוספירה מומס בטיפות המים שבאוויר ובתגובה כימית נוצרת חומצה פחמתית (H2CO3). גשם המכיל חומצה פחמתית גורם לבלייה כימית של הסלע ומשחרר יוניסידן, מגנזיום, אשלגן או נתרן. אלה נסחפים אל האוקיינוס על-ידי הנהרות. באוקיינוס מתחברים יוני הסידן עם יונים ביקרבונטים ויוצרים סידן פחמתי. תהליך זה מתבצע על ידי יצורים ימיים בוני-קונכייה כמו אלמוגים, ופלנקטון. במותם, הם שוקעים לקרקעית האוקיינוס. לאורך זמן, שכבות הקונכיות והמשקעים המצטברות על הקרקעית נדחסות לכדי סלע משקע, כגון סלעי גיר ונגזרותיהם, וכך נאגר הפחמן בסלעים[1].
חוקרים מעריכים שמדי שנה סוחפים הנהרות כ-200 מיליון טונות פחמן אל האוקיינוס[4]. מעבר הפחמן מהסלעים לאטמוספירה נעשה באופן טבעי בהתפרצויות הרי געש, אשר משחררים לאוויר 130–380 מיליון טונות פחמן דו-חמצני בשנה[2].
השפעת פעילות אנושית
תהליכי בירוא ושריפת יערות מקטינים את מקורות קליטת הפחמן מהאטמוספירה ומובילים בעקיפין לפליטה של כמיליארד טון פחמן בשנה.[2]
גם דלקים פוסיליים, פחם, נפט וגז טבעי, הם חלק ממחזור הפחמן. פחמן שמקורו בצמחים ובעלי חיים קדומים, אשר קלטו אותו מהאוויר (במקרה של יצרנים) או מהמזון (במקרה של צרכנים) והשתמשו בו לבניית גופם. הפחמן נשאר כלוא בשכבות גאולוגיות שונות בצורה של חומר אורגאני במשך זמן רב עד שבני אדם מפיקים ושורפים את הדלקים על מנת לייצר אנרגיה. בתהליך הבעירה נפלט הפחמן לאטמוספירה בצורת פחמן דו-חמצני.
סלעי הגיר, המכילים סידן פחמתי, משמשים כחומר גלם בתעשיית המלט, שם מתרחש תהליך הפולט כמויות של פחמן לאטמוספירה בצורה של פחמן דו-חמצני וכך נסגר מעגל נוסף של מחזור פחמן. בתעשיית המלט כיום מחליפים חלק מסלעי הגיר באפר פחם מתחנות כוח פחמיות ובכך מקטינים את פליטת הפחמן הדו-חמצני לאוויר.[דרוש מקור]
