Ważne przy tym by wiedzieć, że na Ziemi toczą się równolegle różnorodne procesy. Jedne z nich liczą się w geologicznej skali czasowej (wolny cykl węglowy), a inne na przykład w rytmie lat i pór roku (szybki cykl węglowy). Przy czym oba te rodzaje procesów są też wzajemnie ze sobą powiązane.
Większość węgla na Ziemi to węgiel nieorganiczny, czyli związany w cząsteczki węglanu wapnia w skałach wapiennych lub w cząsteczki dwutlenku węgla w wodzie i atmosferze. Przy czym w skałach uwięzione jest 99,7% całości ziemskiego węgla, a w atmosferze znajduje się jego bardzo niewiele, bo tylko 1,4% całej reszty. Mimo to właśnie atmosfera pełni kluczową rolę w krążeniu tego pierwiastka.
To właśnie z atmosfery bowiem jest pobierany dwutlenek węgla pochłaniany przez roślinność, oceany i w procesie wietrzenia skał, do niej również powraca uwalniany przy oddychaniu organizmów, a także z wód i wulkanów. Od zakończenia ostatniej epoki lodowcowej do początku rewolucji przemysłowej procesy te były dość dobrze zbilansowane; koncentracja dwutlenku węgla w atmosferze utrzymywała się w granicach 260 – 280 ppm (części na milion), a klimat Ziemi był w zasadzie stabilny.
Opowieść o wolnym cyklu węglowym rozpoczniemy od wietrzenia skał. Dwutlenek węgla obecny w atmosferze rozpuszcza się w chmurach, a powstały roztwór jest lekko kwaśny. Roztwór ten z deszczem opada na skały zawierające krzemian wapnia, takie jak granity i bazalty. Dochodzi wtedy do wietrzenia chemicznego, w wyniku którego powstają węglan wapnia i krzemionka. Związki te mogą wytrącać się z wody i tworzyć skały osadowe.
Zresztą powstałe w ten sposób same skały wapniowe też mogą ulegać wietrzeniu chemicznemu. W kontakcie z wodą i dwutlenkiem węgla powstają z nich jony wodorowęglanowe, a w dalszej kolejności węglanowe.
Część produktów wietrzenia skał dostaje się z wodą do oceanów. Niektóre z żyjących w nich organizmów wykorzystują wapń i jony węglanowe do budowy swych szkielecików i muszelek. Proces ten mógłby wprawdzie przebiegać szybko, jest jednak ograniczony ilościowo przez dostępność substancji mineralnych pochodzących z wietrzenia skał.
Kiedy organizmy te obumierają, ich szkieleciki opadają na dno i z geologicznym upływem czasu tworzą skały osadowe. Skały te mogą potem dostać się na powierzchnię lub w procesie subdukcji w głąb skorupy ziemskiej. W tym pierwszym przypadku ulegają wietrzeniu; w drugim mogą w procesie odwęglenia uwalniać dwutlenek węgla, który wtedy (między innymi w erupcjach wulkanicznych) dostaje się z powrotem do atmosfery.
Szybki cykl węglowy natomiast jest związany przede wszystkim z przemianami materii organicznej. Rośliny w ekosystemach lądowych, a fitoplankton w morskich w procesie fotosyntezy wbudowują węgiel w swoje organizmy w postaci węglowodanów, które potem ulegają dalszym przemianom i krążą w łańcuchach pokarmowych. Większość tego węgla wraca do atmosfery przy oddychaniu lub w procesach rozkładu. Nikła część z nich natomiast, po szeregu przekształceń chemicznych znów w geologicznej skali czasu, magazynuje się w postaci paliw kopalnych i wypada z naturalnego szybkiego obiegu węgla w przyrodzie.
Ponieważ szybki cykl węglowy jest związany z organizmami żywymi, więc w większym stopniu niż procesy cyklu wolnego zależy od temperatury. Toteż obserwuje się sezonowy wzrost jego aktywności w okresie lata na półkuli północnej, gdzie leży więcej lądów na których ta sezonowość zaznacza się najwyraźniej. Nawet badając globalne ocieplenie związane z rewolucją przemysłową, obserwujemy w związku z tym sezonowe wahania zawartości dwutlenku węgla w atmosferze – ale niestety z ogólnym trendem rosnącym.
Trend ten ma związek głównie ze spalaniem paliw kopalnych, który powoduje dodatkową emisję dwutlenku węgla nie zrównoważoną równoczesnym jego pochłanianiem. Gaz ten (i inne gazy cieplarniane) kumuluje się więc w atmosferze. Modele przewidują wprawdzie zrównoważenie tego procesu, ale niestety znowu w geologicznej skali czasowej. Nie ma więc szans na to, abyśmy się tego doczekali.
