今天，分享一篇碳之四乐章，希望以下碳之四乐章的内容对您有用。
《碳如何玩转地球：从万物起源到现代文明》，[美]罗伯特·M.哈森著，董汉文、曾令森译，江苏凤凰科学技术出版社2022年7月出版，定价：59.8元
■董汉文
2020年，我国明确提出碳达峰、碳中和目标，即二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。现今，人们对碳的理解还不到位，例如碳的行为、碳的起源、碳的循环及碳的应用等诸多科学问题。
正是在这样的背景下，我们翻译了《碳如何玩转地球：从万物起源到现代文明》一书，正好可以弥补这一知识空缺。我们还在书中增加了注解、补充和更新了相关知识点，使该书更具专业性和可读性。本书由中国科学院院士、中国地质科学院地质研究所研究员李廷栋作序推荐。
本书是由美国艾尔弗·斯隆基金会资助的深碳观测计划（DCO）项目的一部分，该项目由罗伯特·哈森担任首席科学家，旨在召集世界各地不同领域的科学家，共同揭开地球上碳的奥秘。
哈森是美国卡内基研究所高级研究员、乔治·梅森大学地球科学教授，曾任美国矿物学学会主席，并作为首席研究员主持了DCO。哈森先后获得麻省理工学院地质学学士和硕士学位、哈佛大学地球科学博士学位。截至目前，他已公开发表400多篇文章、出版25部书。
不仅如此，他还非常热衷向公众传播科学，而且形式多样，如广播、电视、公共讲座和视频课程等，为此获得了美国矿物学学会奖及杰出公众传播奖等奖项。本书是哈森的最新著作。
作者在书中巧妙地将自己对碳科学的理解与管弦乐背景相结合，对整本书进行了巧妙的编排。为了构建一个连贯的框架，他想到古希腊关于世界物质组成的“四大元素说”，即土、气、火和水。而在元素周期表的原子中，仅有碳元素表现出“土、气、火和水”这四种经典元素不同的特征，这为整本书提供了一个“四乐章”框架。正如一曲交响乐，这本书的四个乐章在主题、情感和节奏方面各不相同。
第一乐章《土之运动：晶体中的碳》，明确了矿物和岩石是地球牢固的晶体基础。这一运动始于创世之初，早在地球形成之前，那时碳原子是由较小的“碎片”合成的。接着地球上的矿藏开始出现并进行演化，这也代表着晶体形式的含碳化合物的多样性和丰富性的日益增长。
第二乐章《气之运动：循环中的碳》，主要讲述地球上宏伟的碳循环。
碳原子在储库之间不断移动——在海洋和大气之间交换位置，通过板块构造进入地球内部，并通过数百座活火山释放的高温气体回到地表。数百万年来，这种深部碳循环一直保持着一种稳定的平衡，但人类活动可能正在改变这种平衡，从而造成意想不到的后果。这个主题正如交响乐的第二乐章，节奏时常缓慢、柔和。
碳在能源、工业和新兴高科技领域发挥着活跃的作用，这就需要第三乐章《火之运动：材料中的碳》有力、快节奏的谐谑曲与之相配。
碳是众多材料的组成元素，这些材料具有无数不同的特性，造福着人类社会的方方面面。正如碳贯穿了我们的日常生活，科学家和音乐家的故事也穿插在谐谑曲中，交相辉映。
最后，第四乐章《水之运动：生命中的碳》探索了生命的起源和演化。随着生命从地球的原始海洋中出现，乐章缓缓展开；之后伴随着生命演化的多样性与创新性，乐章陡然加速。碳的交响乐迅速走向尾声，碳科学的诸多主题也汇集到一起。
正如书中所述，元素周期表中的每一种化学元素都很特殊，尽管如此，有些元素还是比别的元素更特殊。在元素周期表种类繁多的元素中，第6号元素，即碳元素，在地球的演化过程中扮演着重要的角色。
地球上没有比固态的内核更遥远、更难以穿透的东西了。在我们脚下超过5150千米的深处，地球内核的元素承受着超过300万个大气压的高压和5000摄氏度甚至更高的高温。几十年以来，传统观点一直认为内核是由铁镍合金组成的。与熔融态的外核类似，内核中一种或多种较轻元素只占一小部分，主要成分还是铁。
然而这里面存在一个问题，与声波的特性相关。地震波有2种不同形式。当原子和分子连续碰撞时，会产生速度更快的纵波（P波），就像倒下的多米诺骨牌一样。介质质点的振动方向与P波的传播方向一致。在内核中，铁镍合金与观察到的P波速度相匹配。
与之相对的另一种波为横波（S波），这种波触发的原子运动可以类比人们在足球场里模拟“波浪”的场景，人们站起来又坐下，波浪会在体育场里循环。介质质点的振动方向垂直于S波的传播方向。出人意料的是，S波在内核中的传播速度仅为铁中的一半左右。
针对这个问题，美国密歇根大学的地质学家李洁教授团队设计了一种巧妙的实验。他们对一种铁原子和碳原子比例为7：3的高密度化合物进行了研究。
根据获得的数据反演至地球内核的条件，他们发现实验结果几乎与地震观测结果完全匹配，即在碳化铁中，P波的传播速度与在铁中的类似，但S波的传播速度要比在铁中慢得多。虽然这一发现并不足以证明碳以碳化铁的形式存在于地球内核中，但至少有这种可能。
随后由德国巴伐利亚实验地球化学和地球物理研究所的博士生克莱门斯·普雷舍尔领衔的研究团队，将上述同一化合物同时置于高压和高温下，发现了不同寻常的弹性性质，他们将这种弹性描述为“类橡胶性”。尽管这不是对矿物性质的典型描述，但它表明对于地球深部碳，我们要了解的还有很多。
（作者系中国地质科学院地质研究所副研究员）
