太熱了，等不及減少碳排放，能不能把碳塞回地裏去丨展卷_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2022-08-07 10:57
為什麼要關注地球上的碳？因為碳無處不在，不可或缺，又神秘莫測。在一顆碳行星上，碳貫穿着生命的始終，沒有任何其他元素對我們這些碳基生物如此重要。地球從哪裏來的，最終會變成什麼樣？該怎樣應對全球氣候變化？碳科學或將為人類的一些重大問題提供答案。從某種意義上説，碳的故事就是一切的故事。
撰文 | 羅伯特·哈森（Robert M. Hazen）
翻譯 | 董漢文、曾令森（中國地質科學院地質研究所）
徒步在意大利中部曼齊亞納卡爾達拉（Caldara di Manziana）佈滿田園風光的羣山之間，四周森林和鮮花環繞，鳥兒的歌唱不絕於耳。你萬萬想不到，在這裏能見到印有骷髏頭和交叉骨圖案的死亡警告標誌牌。它所預警的是什麼呢？帶電圍欄、靶場，還是周圍有熊出沒？
接着你會來到一個小山谷，這是一片毫無生氣的窪地，光禿禿的土壤與青翠的高地形成了鮮明對比。這到底是怎麼回事？
原來這都是二氧化碳搞的鬼。它從地下滲出，無色無味，比普通空氣重，因此它會沉到地面，填滿最低的窪地。在清風吹拂的日子裏，這無關緊要，地表的氣流會被迅速驅散。但在沒有風的日子裏，密度更高的二氧化碳會取代可供呼吸的空氣，引發致命的危險。獵人們是最常見的受害者，他們的狗貼地行走，會先面臨窒息，如果這時獵人急忙衝向他的愛犬，不顧危險地跪在狗身邊，他也會因此受難。
碳在循環
碳是移動的。作為變化的洋殼的一部分，碳從陽光照射的地表俯衝進地球深部；作為深部地幔流體的重要組成部分，碳可以從土壤中滲出，也可以從活火山中噴出。碳原子以固體岩石為載體從海洋和空氣中沉澱出來，在經歷風化作用後，又從固體岩石回到海洋和空氣中。碳原子一旦被釋放，就會跟隨宏大的洋流環繞地球，並藉助變幻莫測的氣流到達世界各地。一直以來，從微生物到植物，再到人類，活細胞使用和再利用碳原子的速度遠遠超過非生命世界中碳循環的速度。
當熾熱的含碳岩漿從深處上湧時，二氧化碳會隨着火山噴發被一起帶出（正如前面提到的，在意大利的某些山區，偶爾會有獵人和獵狗因二氧化碳窒息而死）。岩漿在上湧的過程中，會影響碳酸鹽礦物的岩層，使它們在高温下分解，將地幔和地殼中的二氧化碳混在一起。
上述這些都是宏大的地球碳循環的一部分，這個循環過程創造了大氣，並對大氣進行着補充。
地球上所有的化學元素都會經歷循環，碳也不例外。碳循環是入門教科書和科普網站的重要內容，這些介紹往往包括碳原子的各種儲庫以及碳原子在這些儲庫之間的運動。在YouTube 上搜索“碳循環圖像”，搜索結果會顯示海洋和大氣、石灰岩和化石燃料、動物和植物，所有這些內容都帶有小箭頭，指示碳是如何從一個儲庫移動到另一個儲庫的。一些圖表還添加了冒煙的火山，暗示了更深層的過程，但地球深部的碳作為大氣的根本來源，卻很少被詳細考慮。
深部碳被忽視的原因很好理解，相對於地球表層附近快速的碳循環，深部碳循環顯得非常緩慢。一個碳原子從進入地球深處到返回地表需要數百萬年的時間，這個過程的細節在很大程度上是隱秘而不確定的。沒有人知道地球深部有多少碳，我們也不確定那裏的碳有哪些不同形式。
我們可以確定的是，全球碳循環一定是從大氣到地球深部再返回大氣的過程。鋪在海洋底部的黑色玄武岩和其他岩石冰冷、緻密，比下面熱而軟的地幔還緻密。在重力作用下，巨大的洋殼板塊攜帶着富含碳酸鹽礦物的沉積物、玄武岩層以及正在分解的生物殘骸，一起向下俯衝數百英里。這個過程不可阻擋，碳從地表“越陷越深”，進入我們難以觸及的地球深處。
如果地表的碳被持續不斷地以這種方式遷移至深部，而沒有別的碳來補充，那麼地殼中的碳會在幾億年內耗盡。假如地表的碳就這樣被剝離，依賴碳的生物圈也將不復存在。幸運的是，深部的碳會逐漸浮出地表。隨着俯衝的富碳岩石的温度升高，碳酸鹽礦物和有機分子開始分解，產生二氧化碳和其他小分子。其中一些分子從它們的岩石“墓穴”中掙脱出來，形成上升的流體，最終返回地表。火山噴發是這些深部氣體最主要的釋放途徑，深部碳從地下逸出到地表並擴散進入大氣，這個廣泛發生的彌散過程暗示深部有更大的碳通量，不過具體數值很難量化。
全球尺度的碳循環過程大部分隱藏在人們視線之外，理解其中最隱蔽的環節一開始就是深碳觀測計劃的主要目標之一。這項工作內容豐富多樣，數百名科學家在世界各地的數十個野外觀測站和實驗室裏，共同解決各類具有挑戰性的問題。他們對動態的深部碳循環的研究可以歸結為3 個問題：到底有多少碳進入深部？碳在深部會發生什麼變化？又有多少碳返回地表？
碳的平衡
人類生活改變全球碳循環的方式目前備受關注。數十億年來，地球似乎在向深部俯衝的碳和火山釋放的碳之間找到了一種平衡，這種平衡有助於穩定氣候和環境。但是這種持續不斷的碳循環的穩定性究竟如何？進入地球深部的總碳量，包括封存於岩石中的、埋藏在沉積物裏的、俯衝進入地幔的，這部分碳與通過火山和其他較為温和的方式返回地表的總碳量是否完全相等，大自然並未做出規定。但對於深碳觀測計劃來説，沒有什麼比二者的平衡更重要了。
地球的碳循環是平衡的嗎？瑪麗·埃德蒙茲的研究顯示，很多俯衝帶將大量碳埋在了地球深部。相反，特里·普蘭克認為通過俯衝作用來封存碳極其困難，這不是一種普遍的規則。那麼到底哪個理論是正確的呢？
2015 年，兩位極具遠見卓識的深碳觀測計劃領導人——哥倫比亞大學的彼得·凱萊門（Peter Kelemen）和加州大學洛杉磯分校的克雷格·曼寧（Craig Manning），試圖用一張簡潔的深部碳循環圖表來總結所有數據，類似教科書中的碳循環圖表。這張精緻的圖表上有6 個紅色箭頭，每個箭頭都代表了地表和深部之間的一處重要的碳通量，每個箭頭旁都有一個或多個小方框，上面記錄着以兆噸（megaton，百萬噸）為單位的每年的碳通量。該插圖在深碳觀測計劃的數百場研討會和講座中出現過，它已經成為一個標誌，表明我們對地球上的碳還有多少需要了解。
需要強調的是，沒有任何一個箭頭或它們對應的方框是受到嚴格約束的。凱萊門和曼寧估計，山脊和海洋島嶼火山每年的碳排放量為8 兆-42 兆噸，弧火山每年的碳排放量為18 兆-43 兆噸。對於快速返回地殼和空氣當中的俯衝碳，最低估計值為每年14 兆噸，最高估計值可達前者的5 倍。最令人警醒的是，計算分析顯示，從地表到深部的淨碳通量最高達52兆噸，而最低為0！
我們觀測到了一些表明地球碳平衡可能在發生變化的跡象。我們的星球已經冷卻了超過40 億年，曾經在深部高温環境下分解的碳酸鹽礦物，或許現在可以在現代較冷的條件下繼續向下俯衝到更深的位置。時間也改變了這種固有的平衡，地球不斷“學習”新技巧，將碳封存在黑色頁岩、富含貝殼的石灰岩、煤和浮游生物遺骸沉積形成的軟泥中。隨着氣候變化和海洋化學性質的改變，碳運動的機制和速率也隨之發生變化。
或許是一個幸運的巧合，在地球歷史的大部分時間裏，通過俯衝進入深部的總碳量與通過火山噴發和其他作用釋放的總碳量基本平衡。因此，當厚厚的海藻墊和茂密的熱帶森林在為生命找尋碳時，能夠獲得充足的碳來滋養生命。
儘管關於碳平衡的研究尚沒有定論，也還有很多工作有待完成，但一些科學家已得出了一個重要推論，即碳平衡可能已經發生了變化。歸因於能夠形成碳酸鹽的浮游生物，海洋沉積物中封存的碳比以前的大多數時代都多。其中一些碳可能已經開始了進入深地幔的漫長旅程。由於地球在過去40 多億年裏一直在冷卻，俯衝下去的碳酸鹽並不容易分解成能夠通過火山噴發返回地表的二氧化碳——下去的不一定會上來。儘管具體數字尚不確定，但大多數計算結果表明，表層碳被掩埋的速度可能越來越快，生命所需的碳在短短几億年內就會耗盡。不過也不要為此而失眠，因為這只是地質尺度上的緩慢變化。顯而易見的是，地球碳循環在持續不斷地變化，將繼續讓人驚訝。
這並不是説我們可以忽略對碳的擔憂。假如你真的會因為不斷變化的碳循環而失眠，那麼先不要把注意力放在地球上，多看看我們自己。
大氣的變換
很多東西在燃燒時都會不可避免地產生二氧化碳這種副產品，不管它是有名的亞歷山大圖書館、加利福尼亞州的一片灌木叢、德累斯頓的一所房子，還是一疊舊報紙或是一把斯特拉迪瓦里小提琴。從舊石器時代的古人學會控制火開始，人類就一直通過燃燒燃料來温暖住所、烹飪食物並照亮夜間黑暗的道路。長期以來，人類的碳“足跡”，或者説大氣中碳的淨增減量，是處於平衡狀態的。我們燃燒木材時會產生二氧化碳，而新的樹木生長時要消耗二氧化碳。
隨着深埋於地下的富碳燃料的發現，平衡開始發生變化。在工業革命之前數千年的時間裏，儘管泥炭、煙煤和石油一直在被少量開採，但它們還不足以對大氣平衡造成顯著改變。到了工業革命時代（電氣革命和機械化運輸革命緊隨其後），平衡才發生了真正的改變。能源需求的激增伴隨着石油和煤的大量開採，推動了科技社會的瘋狂發展，人類迎來了繁榮和物質享受的浪潮。
在過去的200 年裏，我們開採了數千億噸富含碳的煤和石油，目前每年這些燃料的燃燒會向大氣中排放約400 億噸二氧化碳，這個數量是世界上所有火山二氧化碳排放量的1 000 倍。人類的活動徹底打破了碳循環的平衡。
對碳及其在氣候變化中的作用，我們沒必要含糊其辭，以下4 個事實是無可爭辯的。
事實一：二氧化碳和甲烷是強温室氣體。它們的分子捕獲太陽輻射，減少了地球向太空輻射的能量。大氣中二氧化碳和甲烷的濃度越高，意味着大氣捕獲的太陽能越多。
事實二：地球大氣中二氧化碳和甲烷的含量正在迅速增加。關於此事實的證據有不同的來源，其中研究人員對被困在極地冰層中的來自過去的氣泡進行的研究（每1.6 千米冰心對應大約100 萬年的時間），為現今大氣的變化提供了直接的確鑿證據。在過去的100 萬年中，二氧化碳的濃度幾乎一直在0.02% 和0.028% 之間波動，最低值對應於地球上的冰期。而在20 世紀中葉，該值突破了0.03%，這可能是數千萬年以來首次出現這種情況。2015 年，二氧化碳濃度超過了0.04%。每項分析都表明，這個數值的上升速度比幾百萬年來的任何時候都要快。大氣中甲烷含量的升高更加顯著，100 萬年來，甲烷濃度幾乎都在4×10-7 和7×10-7 之間波動，該值同樣與冰期的到來和離去有關。而在過去的200 年中，甲烷濃度增加了約2 倍，飆升至2×10-6。與二氧化碳一樣，甲烷濃度比數百萬年來的任何時候都高，而且比以往上升的速度更快。
事實三：人類活動，尤其每年燃燒數以十億噸計的化石燃料，是造成幾乎所有大氣成分變化的主要原因。
事實四：1個多世紀以來，地球一直在變暖。1880 年以來的記錄顯示，最熱的12 年都發生在過去20 年中。2014 年比以往任何一年都熱，2015 年全球平均地表温度比2014 年高出不止0.1 攝氏度，2016 年再創歷史新高，2017 年幾乎和2016 年一樣熱。21 世紀頭20 年的平均氣温比1個世紀前高了不止1 攝氏度。
幾乎所有研究過以上事實的科學家都達成了以下共識：人類活動正在導致地球升温。這個結論不是意見或推測，也跟政治或經濟無關，這不是研究人員為了獲得更多資金的策略，也不是某些環保主義者誇大其詞的新聞報道。
有關地球的情況有一些是真實的，氣候變暖就是其中之一。
在如此短的時間內，大氣中碳的含量翻倍，隨之而來的全球變暖是前所未有的。人類正在進行一場沒有預案、沒有安全保障的地球工程實驗，意想不到的後果已經開始顯現。
隨着大氣中二氧化碳含量的增加，海洋中二氧化碳的含量也已相應升高。雖然海洋酸度的上升幅度較小，但這一變化具有明顯的破壞性，因為酸化的海水會侵蝕碳酸鹽殼並導致珊瑚死亡。一些海洋生物學家擔心，全球範圍內的淺海生態系統會崩潰。
受大氣和海洋變暖的影響，無論是中緯度的高海拔山區還是極地地區都出現了前所未有的冰川消融。在許多沿海地區，海平面已經明顯上升，也許是幾英尺，也許是更多，總之這無可避免。海洋深度的變化並不是什麼新鮮事。在過去的數百萬年裏，地球至少經歷了10 次冰期，那些時期地球上多達5% 的水被凍結成冰蓋和冰川，海平面因此下降了數百英尺。與之相反的時期，地球上曾僅有不到2% 的水被冰封起來，海平面也經歷了至少10 次的抬升，逐漸接近或略高於現代海平面的高度。
令人擔憂的是，冰川正在以空前的速度消失，南極巨大的冰架正在碎裂。隨着更多的冰融化，海洋逐漸變深，增加100 英尺（30.5 米）的情況並非沒有先例。如果按照目前的趨勢繼續發展下去，生活在沿海地區的數億人可能會在幾個世紀內流離失所，某些州（特別是佛羅里達州和特拉華州）和某些國家（荷蘭、孟加拉國和一些太平洋島國）也將不復存在。
大氣和海洋變暖還會影響氣候，如導致降雨模式發生變化、強風暴的強度更大，原本使某些地區變暖、某些地區變冷的洋流也可能發生變化。2017 年，安大略省滑鐵盧大學的丹尼爾·斯科特（Daniel Scott）為氣候變化對21 個冬奧會場地舊址的影響（這些影響是可變的，有時甚至是矛盾的）建立了模型，並一直預測到了未來的2040 年。在20 世紀，所有這些場館都持續保持寒冷，冬季氣温在冰點以下的天數在90% 以上。但斯科特的模型顯示，包括加拿大温哥華、挪威奧斯陸和奧地利因斯布魯克在內的9 個雪地將變得不可利用，因為其冬季會有四分之一以上的時間温度在冰點以上。2014 年冬季奧運會的舉辦地俄羅斯索契在斯科特的模型中表現最差，預計到2040 年，那裏的冬季一半以上時間氣温會高於0 攝氏度。
氣候變化的破壞性影響已經在全球的生態系統中顯現了，不過，氣候變化也並非一無是處。在格陵蘭島的北極區域，1000 年以來，人們一直在寒冷、黑暗的冬季裏以冰釣為生，現在他們可以享受全年開放的水域；在加拿大中部，作物的生長季變得更長；大西洋和太平洋之間無冰的西北航道可能會加速全球航運過程；一些被冰層覆蓋的岩石有史以來第一次裸露出來，礦業公司開始可以勘探到更豐富的礦石。
但其他變化實在令人不安，這些變化對任何人都沒有好處。非洲撒哈拉沙漠快速擴張，吞併了曾經穩定的村莊。不知多少個世紀以來，北極地區過於寒冷，不容易發生蟲害。但有史以來第一次，這裏在七八月份遭受了成羣的蚊子和黑蠅的侵襲。生態區每年向北移動數英里，這可能超出了森林、田野及候鳥可以適應的速度。
科學家可以預見甚至緩解由地球變暖引起的許多穩定的增量變化。但是，帶來最大風險的“臨界點”（超過臨界點後，氣候變化將陡然加速）是我們難以預料的。甲烷是一種比二氧化碳温室效應更強的氣體，危害性可能也更大。地球上幾乎所有的甲烷都被封存在地殼中，如凍土帶和大陸架下巨大的富含甲烷的冰層。雖然很難定量估算，但專家們一致認為，全球範圍的冰中甲烷的含量是所有其他來源的數百倍，其中所含的碳可能超過了所有其他化石燃料的總含碳量。幾千年來，甲烷一直是地球碳循環的被動部分，處於休眠狀態，被埋在地下。
最終的災難場景恐怕就是全球範圍內甲烷的正反饋，那時，地球氣候越過了讓一些人在夜間冒着冷汗驚醒的臨界點。氣候變暖會導致冰層融化和甲烷釋放，從而引起更嚴重的氣候變暖和更大規模的冰層融化，大氣中的甲烷含量可能會飆升，温度也會隨之繼續升高。我們不知道這是否會發生，但這種正反饋一旦開始，一切可能就太晚了。
我們要明白，無論我們對地球做了什麼，無論未來會發生什麼變化，生命都將繼續存在，碳也會繼續循環。但是，我們人類為即將到來的變化做好準備了嗎？
解決方案
人類繼續向大氣中排放大量二氧化碳，這猶如一場無形的、不受控制的洪流，將產生此前數百萬年都不曾出現的影響。這並不是危言聳聽，飆升的二氧化碳含量不會騙人，後果也在產生。否認這個事實的人若不是無知，就是貪婪，或者兼而有之。
對於個人來説，我們應該做些什麼呢？在這個時代，帶領人們過上碳中和的生活是一項艱鉅的挑戰，因為碳排放遍及整個社會，阻礙了我們許多美好願望的實現。你會為“清潔”能源建造一個巨大的風力渦輪機嗎？在此過程中，你可能需要砍伐大量植被，併為地基澆築在生產過程中會排放大量二氧化碳的混凝土。你會開電動車嗎？電力可能來自使用化石燃料的發電廠。利用好公共交通和有機農業，使用再生鋁和布制尿布，所有這些行動都可以有效減少能源消耗，但在某種程度上仍然依賴於碳基燃料。不管你住在城市還是農場，或是介於兩者之間的任何地方，你都很可能是温室氣體的淨生產者。
科學家往往是樂觀主義者。儘管上述全球性變化可能會帶來意想不到的災難，但我們仍在尋找解決方案，並且看到了一些機遇。彼得·凱萊門就是這樣一個樂觀主義者。凱萊門在哥倫比亞大學著名的拉蒙特-多爾蒂地球觀測站工作。該觀測站坐落在哈德遜河附近帕利塞茲地區著名的玄武岩懸崖上，就在哥倫比亞大學曼哈頓主校區的對岸，是研究地球岩石、海洋和大氣的好地方。
儘管凱萊門的眼前是壯觀的岩層，他卻將目光投向了遙遠的阿拉伯半島阿曼的雄偉山地。在那裏，受陽光炙烤的土地一年中大部分時間的温度都高達60 攝氏度。凱萊門在此處研究過地球上最奇特的岩石之一——蛇綠岩，這種巨大的地幔巖塊本應被埋在數十英里以下，但不知何故卻出現在了1 萬英尺（約3000米）高的山頂。
乍一看，凱萊門是一個隨和的人。他蓄着柔軟的、略帶灰白的鬍鬚，無論是遇見老朋友還是新朋友，他都會不由自主地微笑，與你握手，用一種舒緩、輕鬆的語氣説話。他給人一種閒散的感覺，你會想和他一起走一段長長的路。不過，第一印象可能會產生誤導。
在阿曼從事地質工作可不適合閒散的地質學家。阿曼文化在一定程度上是熱誠待人的，但在那裏開展野外地質工作卻不那麼容易，因為這項工作似乎帶有一定的侵略性。外國人對他們的土地動手動腳，這難免令他們產生敵意。而凱萊門想要的還不僅僅是從路邊的露頭上敲下幾塊石頭，他想在這裏打鑽以取出數千英尺下的岩心。因此，在這裏工作會遇到一些可以理解的延遲和障礙。研究者必須獲得由土地、水利、礦產等部門批准的許可證，必須僱用阿曼當地的鑽井公司並支付相應的費用。此外，由於沒有人在這些蛇綠岩山脈上開展過鑽探，新研究可能需要採用新規定，但似乎還沒有一個權威機構對此有確切的把握。
延誤意味着工作處於不確定狀態，實地考察被擱置，旅行計劃被取消。考慮到這些行政障礙，許多科學家會放棄去這裏開展研究。但凱萊門有決心、有動力，還有在外人看來彷彿無限的耐心和冷靜。等了很多年以後，阿曼鑽探項目終於啓動，並取得了歷史性成果。
凱萊門的研究再次證實了一些我們已有的認知，阿曼的蛇綠岩山脈是地幔岩石在板塊構造的作用下仰衝到較淺的玄武岩洋殼之上所形成的。這些地幔岩石富含鎂和鈣，但硅含量很少，當暴露在地球大氣中時，它們會與二氧化碳迅速反應，形成由碳酸鎂和碳酸鈣構成的縱橫交錯的白色脈體。
凱萊門和他的同事發現，這種碳酸鹽礦物的形成速度非常驚人。蛇綠岩從空氣中吸收二氧化碳，以極快的速度形成新的碳酸鹽礦物。當富含礦物質的地下水從露頭滲出時，你甚至可以看到晶體在池塘或水池中形成、生長。很多礦物只有在地球深部的高温環境下才能快速形成，而蛇綠岩不同，其形成過程在室温下也能發生，當然不可否認的是，阿曼的平均温度比你家客廳的温度要高得多。這些新生礦物比原來的礦物佔據了更大的體積，使地層得到擴展。這或許可以解釋為什麼儘管當地幾乎沒有地震活動，但阿曼的山脈仍然在以每年幾毫米的速度升高。
凱萊門的腦海中浮現出以下結論：蛇綠岩在不停地消耗二氧化碳。阿曼擁有大量蛇綠岩，足以將人類產生的所有二氧化碳封存數百年。目前，阿曼政府並不想參與這項封存計劃——該國的經濟基礎是石油，而不是碳封存。但這些岩石不會消失，它們為解決地球碳危機做出貢獻的前景仍然存在。彼得·凱萊門是一位耐心的樂觀主義者。
譯者介紹：《碳如何玩轉地球》是本什麼樣的書？
撰文 | 董漢文
2021年夏天，我突然接到江蘇鳳凰科學技術出版社的邀請，翻譯一本與碳相關的科普讀物《Symphony in C：Carbon and the Evolution of (Almost) Everything》，誠惶誠恐。當得知該書作者是地質學家羅伯特·哈森（Robert·Hazen）時，我又欣喜若狂。
羅伯特·哈森（Robert·Hazen）是一位了不起的地質學家，我仰慕他很久了。哈森是美國卡內基研究所高級研究員、喬治梅森大學地球科學教授，曾任美國礦物學學會主席曾，並作為首席研究員主持深碳觀測計劃（Deep Carbon Observatory，簡稱DCO）。哈森先後獲得麻省理工學院地質學學士和碩士學位、哈佛大學地球科學博士學位。哈森是一位非常高產的地質學家，截至目前已公開發表400多篇文章、出版25部書，其中包括多部暢銷科普書，尤其是那本《地球的故事》（或《千面地球》）深深地吸引着我，一度作為我的牀頭讀物，翻閲過很多遍，也向很多朋友推薦過。哈森非常熱衷向公眾傳播科學，而且形式多樣，如廣播、電視、公共講座和視頻課程等，為此還獲得了美國礦物學學會獎及其傑出公眾傳播獎等獎項。
“能翻譯哈森的書，是何等榮幸的事兒呀！”，我心裏想。想到這裏，我沒有過多猶豫便欣然接受了邀請。
這本書是由斯隆基金會（the Sloan Foundation）資助的深碳觀測計劃（Deep Carbon Observatory，簡稱DCO）項目的一部分，該項目由哈森擔任首席科學家，旨在召集世界各地不同領域的科學家，共同解決地球上碳的奧秘。
在這本書中，哈森巧妙地將自己對碳科學的理解與管絃樂背景相結合，對整本書進行了巧妙的編排。為了構建一個連貫的框架，他想到古希臘關於世界物質組成的“四大元素説”，即土、氣、火和水。每一種元素都有其特性，每一種都是宇宙不可或缺的組成部分，但都是所有物質創造的源泉。在元素週期表的原子中，僅有碳元素表現出“土、氣、火和水”這四種經典元素不同的特徵，為整本書提供了一個“四樂章”框架。正如一支交響樂，這本書的四個樂章在主題、情感和節奏方面各不相同。
第一樂章“土之運動：晶體中的碳”明確了礦物和岩石是地球牢固的晶體基礎。這一運動始於創世之初，早在地球形成之前，那時碳原子是由較小的“碎片”合成的。接着地球上的礦藏開始出現並進行演化，這也代表着晶體形式的含碳化合物的多樣性和豐富性的日益增長。
第二樂章“氣之運動：循環中的碳”主要講述地球上宏偉的碳循環。碳原子在儲庫之間不斷移動——在海洋和大氣之間交換位置，通過板塊構造進入地球內部，並通過數百座活火山釋放的高温氣體回到地表。數百萬年來，這種深部碳循環一直保持着一種穩定的平衡，但人類活動可能正在改變這種平衡，從而造成意想不到的後果。
第三樂章“火之運動：材料中的碳”講述碳在能源、工業和新興高科技領域發揮着活躍的作用。碳是眾多材料的組成元素，這些材料具有無數不同的特性，碳貫穿了我們的日常生活。
最後，第四樂章“水之運動：生命中的碳”探索了生命的起源和演化，將碳科學的諸多主題彙集到一起。
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