盒子模型 -- 以浴缸为例

具有固定容积水的浴缸，设有进水管和出水管。我们将浴缸中的水看作蓄水池，则进水管和出水管的水流速率就代表了进出浴缸的通量。假设有一个装有100升水的箱体模型，进水和出水的通量都是5升/分钟，则系统处于稳定状态，因为输入通量等于输出通量。

所谓“中和”，无非就是进多少水就出多少水，以保证浴缸里水的总量不变。如何量化这些进出的水呢？科学家们常用这些术语：

1. 库（reservoir）：所谓的“盒子模型”的盒子本身，它有体积，有一定容量。比如浴缸就是个（水）库。库的大小就是浴缸能容纳的水量。

2. 通量（flux）：单位时间内流经某单位面积的物质的量。一分钟内通过水龙头进来的水，排水口流出的水量都是水的通量，体现了浴缸中输入或输出的水的速率。

3. 中和：输入通量等于输出通量时的平衡状态。通量平衡时，库中的物质总量保持不变。假设打开水龙头，以每分钟5升的速率向浴缸注水。同时打开下方排水管，同样的速率向外排水。在这种情况下，输入和输出通量平衡，因此浴缸内水位（水量）不会发生变化。当然，这种平衡状态被打破后，比如，不停地人为用盆向浴缸中加水，导致总输入超过输出，那么水面当然会上升。这时，为了防止水溢出，就需要抓紧采取行动尽量达到“中和”状态。

4. 停留时间（更形象地说：更换时间）：指水在浴缸中的平均停留时间或更换浴缸中的水所需的时间。假设浴缸的容积为100升，水的输入和输出速率均为5升/分钟，则此时浴缸处于稳定状态，体积不会发生变化，水在浴缸中的停留时间为100升/（5升/分钟）或20分钟。换句话说，更换一次浴缸里的水需要20分钟。（注意，这并不代表每滴水都在浴缸里停留20分钟，这只是个统计数据）。这个概念会有助于我们理解让我今天酷暑难耐的大气中的二氧化碳是我造成的、还是我太爷爷那年冬天烧煤取暖导致的。同样道理，今天我们开车上班排出的尾气，是会影响到我退休后的生活、还是会影线到我娃儿以后上班的生活、还是我娃儿的娃儿的娃儿的生活。

盒子模型很简单，只有一个盒子，有进有出，就有了进出平衡的问题。当盒子里装的不是水，而是碳的时候，就是“碳中和”的问题。上图（点击文字有图片的详细说明）说明了我们地球在人类出现之前，地球上的碳就是“中和”的（大气中二氧化碳浓度在280ppm上下浮动），但是随着工业革命的开始，人类燃烧化石燃料和开发利用土地的行为改变了自然的碳循环，提高了大气碳量，导致了近年来明显的气候变化，这就是为什么我们着急想要恢复到碳中和的状态。

我今天的晚饭

既然是“碳”的中和，那吃完海鲜大排档，剩下的贝壳我们用不用特殊处理呢？毕竟贝壳的主要成分是碳酸钙。这就涉及地球上的碳的各种存在形式的问题。碳在地球上以多种氧化状态和化学形式存在，包括大气中的二氧化碳气体，海洋中的无机碳，生物圈中的有机物，固体地球中的碳酸钙和化石燃料。碳的主要储集层是大气、表层海洋、陆地生物圈、深海和岩石圈。

我们最关心的影响到全球气候的碳中和问题，是在讨论哪个碳库的中和呢？大气中人为产生的二氧化碳的命运是什么？要回答这个问题，我们必须了解地球上各个碳库之间的关联，也就是说要看大气和地球系统的其他组成部分，包括海洋、生物圈和岩石圈（固体地球）之间是如何交换碳原子的。