mały|upright=2|Przepływ węgla (pierwiastka) w miliardach ton na rok. Obieg węgla w przyrodzie – biologiczne, chemiczne i fizyczne procesy zachodzące na Ziemi, w wyniku których następuje ciągła wymiana węgla jako pierwiastka znajdującego się w atmosferze, w wodzie, organizmach żywych, ich szczątkach oraz w skorupie ziemskiej.
Szybki i powolny cykl węglowy Większość przepływów węgla pomiędzy wodami, atmosferą a biomasą jest odwracalna w skali czasowej dni, miesięcy i lat. Wynika to z krótkiego czasu życia większości organizmów, jak również stałego mieszania warstw wody i z szybkiej wymiany gazów pomiędzy oceanem a atmosferą. Jedynie niewielka część krążącego w szybkim obiegu węgla ulega długotrwałemu związaniu w glebie (np. torfowiska), w skale w lub pogrzebaniu w warstwie osadów.
Elementy naturalnego cyklu węglowego thumb|Ponad 99% węgla w atmosferze jest związane w cząsteczkach , którego stężenie rośnie. Na wykresie stężenie dwutlenku węgla w powietrzu – tzw. Krzywa Keelinga Węgiel jako pierwiastek stanowi około 0,03% masy skorupy ziemskiejhttps://www.thoughtco.com/chemical-composition-of-earths-crust-elements-607576 Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. „Chemical Composition of the Earth’s Crust – Elements.” ThoughtCo, Aug. 28, 2020, thoughtco.com/chemical-composition-of-earths-crust-elements-607576., 0,0027% masy wody morskiejhttps://www.soest.hawaii.edu/oceanography/courses/OCN623/Spring2013/Chem_composition_of_SW-2013_handouts.pdf Broecker i Takahashi (1978) [data dostępu 2021-05-17]. i 0,017% masy atmosfery. W organizmach żywych jednak jego udział jest znacznie wyższy – od kilku do kilkunastu procent.
Atmosfera Węgiel w atmosferze występuje prawie wyłącznie w postaci dwutlenku węgla (99% całej zawartości) i metanu. Węgiel trafia do atmosfery przede wszystkim z organizmów żywych i martwej biomasy zlokalizowanej na powierzchni ziemi, w glebie lub pod powierzchnią wody. Wymiana węgla z atmosferą jest podstawą życia na lądzie. Choć ilość węgla w atmosferze wydaje się niewielka (ok. 900 mld ton), odgrywa on kluczową rolę w obiegu, bo krąży po całej kuli ziemskiej i wyrównuje stężenia tego gazu w wodach i ekosystemach. Węgiel trafia do atmosfery również z powierzchni oceanów np. podczas odparowywania małych kropel wody. Stężenie dwutlenku węgla w atmosferze i wodzie morskiej w normalnych warunkach jest w równowadze. Dopływ węgla w wyniku działalności wulkanicznej jest niewielki – dolne szacunki mówią o 53 mln ton dwutlenku węgla roczniehttps://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6904619/ The emissions of CO2 and other volatiles from the world’s subaerial volcanoes Fischer, Tobias P.; Arellano, Santiago; Carn, Simon; Aiuppa, Alessandro; Galle, Bo; Allard, Patrick; Lopez, Taryn; Shinohara, Hiroshi; Kelly, Peter; Werner, Cynthia; Cardellini, Carlo, Scientific Reports (9), (2019) [data dostępu 2021-05-18]., górne o 130–230 milionów ton rocznie.
Biomasa Węgiel w postaci dwutlenku węgla () jest asymilowany przez organizmy samożywne (fotoautotrofy w tym rośliny zielone w procesie fotosyntezy i przez chemoautotrofy np. bakterie siarkowe w procesie chemosyntezy), następnie włączany w cząsteczki glukozy, która ulega dalszym przemianom. Część glukozy zostaje z kolei zużyta do budowy komórek i tkanek, a część zużyta jako materiał energetyczny. Zwierzęta zjadając rośliny lub zwierzęta wykorzystują zawarty w związkach organicznych węgiel do budowy swojego ciała, a także w celach energetycznych. Podczas procesów energetycznych węgiel zawarty w związkach chemicznych jest utleniany i w postaci dwutlenku węgla w procesie oddychania jest wydalany do atmosfery lub wody.
Węgiel występuje we wszystkich organizmach żywych w postaci węglowodanów, tłuszczów i białek. Wytworzenie tych substancji ze związków nieorganicznych wymaga dostarczenia energii. Węgiel w postaci nieorganicznej jest absorbowany przez organizmy samożywne z wody lub powietrza na drodze wymiany gazowej i wbudowywany w tkanki. Następnie może zostać przekształcony w ciało innego organizmu (np. konsumenta), lub zostać martwą materią organiczną i w końcu trafić do wody, gleby lub atmosfery. Utlenianie związków organicznych powoduje wydzielenie energii, stąd większość martwej materii organicznej zostaje wykorzystana przez detrytusożerców lub w inny sposób ulega rozkładowi do substancji nieorganicznychhttps://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/szybki-cykl-weglowy-czesc-1-atmosfera-i-ekosystemy-ladowe-377 Nauka o Klimacie: Szybki cykl węglowy 1 [data dostępu 2021-05-17].. Roczna emisja dwutlenku węgla z rozpadu materiału organicznego w lasach i obszarach trawiastych wynosi 220 miliardów ton (równocześnie podobna ilość jest absorbowana przez inne procesy naturalne, głównie fotosyntezę, dzięki temu te elementy szybkiego obiegu węglowego się równoważą).
Gleby thumb|upright=1.2|left|Torf (Lewis, Szkocja) Węgiel występuje w glebie przede wszystkim w postaci martwej materii organicznej. Tempo jej rozkładu (i usuwania węgla z gleby) zależy przede wszystkim od dostępu tlenu. Najniższa zawartość węgla jest w glebach pustynnych i wysokogórskich, gdzie roślinność jest uboga, a oprócz tego panuje swobodny dostęp powietrza do gleby. W większości gleb uwalnianie węgla do atmosfery równoważy jego coroczne odkładanie. Wyjątkiem są torfowiska, na których ze względu na wysoki poziom wód gruntowych nie ma dostępu powietrza do głębszych warstw gleby. W takich warunkach część obumarłej materii się nie rozkłada, tylko akumuluje powodując odkładanie pokładów torfu. Torfowiska zajmują ok. 3% całej powierzchni lądów i magazynują 1/3 całego węgla zgromadzonego w biomasie i glebiehttps://www.carbonbrief.org/climate-change-and-deforestation-threaten-worlds-largest-tropical-peatland Climate change and deforestation threaten world’s largest tropical peatland. Daisy Dunne, Carbon Brief (ang.) [data dostępu 2021-05-19].. Jeden hektar torfowiska odkłada od kilkuset kilogramów do dwóch ton węgla roczniehttps://krytykapolityczna.pl/kraj/swiat-musi-ugrzazc-w-bagnie-i-to-doslownie-bo-inaczej-zabraknie-nam-wody/ W. Kotowski Świat musi ugrząźć w bagnie. I to dosłownie, bo zabraknie nam wody Krytyka Polityczna [data dostępu 2021-05-17].. Bardzo wysoka zawartość węgla występuje też na obszarze wieloletniej zmarzliny, gdzie następuje odkładanie się martwej materii organicznej w stale zamrożonej warstwie gleby. Martwa materia z gleby uczestniczy w szybkim cyklu węglowym z wyjątkiem węgla długotrwale zmagazynowanego w torfie lub wieloletniej zmarzlinie. Węgiel wykluczony z szybkiego cyklu węglowego może do niego wrócić po zmianie warunków panujących w glebie np. w wyniku suszy, pożaru lub zmiany klimatu.
Skały i osady Litosfera jest największym rezerwuarem węgla na naszej planecie. Większa część tego pierwiastka występuje w skorupie ziemskiej w postaci skał węglanowych i rozproszonych złóż kerogenu i innych węglowodorów (w tym węgli kopalnych, ropy naftowej i gazu ziemnego). Jedynie niewielka część występuje w formie na tyle skoncentrowanej, aby możliwa była opłacalna eksploatacja w celach energetycznych. Węgiel osadza się w glebie w procesie sedymentacji w zbiornikach wodnych (szczególnie w warunkach beztlenowych) lub wskutek pogrzebania gleb organicznych (np. torfu) pod innymi warstwami osadów. Wytworzenie węgla kamiennego lub ropy naftowej trwa zwykle co najmniej kilkadziesiąt milionów lat. Osadzanie węgla w litosferze to bardzo powolny proces, o kilka rzędów wielkości mniejszy niż obieg w szybkim cyklu węglowym. Węgiel ze skał wraca do szybkiego obiegu węglowego w momencie rozpuszczania skał węglanowych wodą opadową (o lekko kwaśnym odczynie wskutek obecności dwutlenku węgla w powietrzu) lub w momencie wydostania się węglowodorów na powierzchnię (np. Jezioro Asfaltowe). Szybkość rozpuszczania skał zależy m.in. od temperatury i intensywności opadów. W gorącym klimacie procesy wietrzenia są bardziej intensywne, co powoduje przyspieszone usuwanie węgla z atmosfery i osłabienie efektu cieplarnianego. W ten sposób temperatura Ziemi stabilizowana jest w długim horyzoncie czasowym na poziomie zdatnym dla życiahttps://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/wolny-cykl-weglowy-i-termostat-weglowy-380 Nauka o Klimacie: Wolny cykl węglowy i termostat węglowy [data dostępu 2021-05-18]..
Morza i Oceany thumb|upright=1.6|right|Większość węgla w oceanach występuje w postaci jonów kwasu węglowego – anionu wodorowęglanowego i anionu węglanowego. Ich ilość względem siebie (i względem rozpuszczonego gazowego ) zależy od pH roztworu. Na niebiesko zaznaczono obecne pH wody morskiej. Woda w oceanach styka się z dwoma potężnymi rezerwuarami węgla – atmosferą i osadami węglowymi na dnie oceanów. W normalnych warunkach (stabilne stężenie CO2 w atmosferze) dopływ węgla z atmosfery jest w równowadze z wydzielaniem przez ocean. Pochłanianie dwutlenku węgla zachodzi przede wszystkim w strefach umiarkowanych i podbiegunowych, gdyż w niskiej temperaturze rozpuszczalność w wodzie jest wyższa. Na skutek cyrkulacji oceanicznej woda w tych regionach opada i rozpływa się w głębinach na niższe szerokości geograficzne. Po drodze następuje dodatkowy dopływ węgla z powierzchniowych warstw oceanu wskutek opadania martwych szczątków organicznych w głębiny. W miejscach, gdzie wskutek upwellingu woda wypływa z głębin na powierzchnię następuje wydzielanie węgla w postaci do atmosfery. Przy okazji następuje też powrót wapnia na powierzchnię, gdyż woda w głębinach, ze względu na niższe pH i wyższe ciśnienie rozpuszcza część węglanu wapnia opadającego na dnohttps://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/szybki-cykl-weglowy-czesc-2-wegiel-w-oceanach-378 Nauka o Klimacie: Szybki cykl węglowy 2 [data dostępu 2021-05-18]..
Oprócz dwutlenku węgla i jonów węglanowych w oceanie występują też rozpuszczone związki organiczne oraz żywa biomasa. Niewielka część osadów nie rozpuszcza się, ale zostaje pogrzebana na dnie morskim i staje się częścią skał osadowych. Tempo trwałego osadzania węgla na dnie morza rośnie w sytuacji pojawienia się na dnie strefy beztlenowej. Występowanie takich warunków jest powiązane z wysokim stężeniem w atmosferze i gorącym klimatemhttps://www.researchgate.net/publication/228628185_Oceanic_Euxinia_in_Earth_History_Causes_and_Consequences Katja M. Meyer, Lee R. Krump Oceanic Euxinia in Earth History: Causes and Consequences Annual Review of Earth and Planetary Sciences 36(1), (2008) [data dostępu 2021-05-18].. Przyspieszone wiązanie CO2 w litosferze przy wysokich temperaturach powietrza jest jednym ze sprzężeń zwrotnych tworzących „termostat węglowy” stabilizujący klimat Ziemi w skali czasowej setek tysięcy i milionów lat.
W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat na skutek nagłego wzrostu stężenia dwutlenku węgla w atmosferze powierzchnia oceanu zaczęła absorbować ten gaz powodując jego zakwaszanie. Od czasów przedprzemysłowych średnie pH wody w oceanie spadło z 8,21 do 8,10.https://www.co2.earth/carbon-in-the-ocean CO2 Now: Carbon in the Ocean (ang.) [data dostępu 2021-05-18]. Dalszy wzrost stężenia CO2 w powietrzu będzie zagrażał życiu wielu organizmów morskich stanowiących istotny element łańcucha pokarmowego, które wykorzystują węglan wapnia do budowy swoich skorupek.
Wpływ człowieka + Zasoby węgla w głównych rezerwuarach na Ziemi. Rezerwuar Ilość[gigatony] Atmosfera 720 Oceany (całkowity) 38 400 Całkowity nieorganiczny 37 400 Warstwa powierzchniowa 670 Warstwa głębin 36 730 Całkowity organiczny 1000 Litosfera Osady węglanowe > 60 000 000 Kerogen 15 000 000 Biosfera lądowa (całkowity) 2000 Biomasa żywa 600–1000 Biomasa martwa 1200 Biosfera wodna 1–2 Paliwa kopalne (całkowity) 4130 Węgiel 3510 Ropa naftowa 230 Gaz 140 Inne (torf) 250