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碳是地球系统重要的组成元素之一。地球系统的4个子系统：气体地球、液体地球、固体地球和生物地球子系统，它们密切联系相互制约，不断进行物质与能量的交换，并处于永远的变化之中。4个子系统都既是碳汇，又是碳源，不断进行CO 2 的释放与吸收。这是一种地球系统，它包括4个子系统之间的碳循环与碳平衡过程。4个地球子系统都是属于远离平衡的复杂的巨系统，它们不断进行吸收与释放CO 2 ，总的来说，不可能达到平衡。虽然理论上是存在平衡或趋向平衡的，但实际上，这种理论上的平衡，仅仅是暂时的、动态的平衡，长时间的、稳定的平衡是不可能的，也是不存在的。地球系统的4个子系统的吸收与释放CO 2 的过程，还具有不同尺度的波动性、周期性振荡节律和不确定性等特征，有平衡期和活跃期之分。如地球固体子系统的地壳运动，包括火山、地震等都是释放大量CO 2 的过程，都具有明显的不同尺度的波动性和周期性等特征，液体地球子系统如海洋存在Elnino-Lanina PDO等周期振荡。一般温度高的海水释放CO 2 ，温度低的海水吸收CO 2 ，它们相互重叠，造成了复杂性的运动。所以IPCC认为的自然界或地球系统的CO 2 的释放与吸收已经长期达到平衡的观点尚待研究，地球释放与吸收之间的差额尚需研究，短暂的运态平衡机理仍需进行深入研究，更为重要的是，现在已经有了关于地球净释放CO 2 的实测数据可作为佐证。
现在大气中存在的CO 2 ，应该是经地球系统中其他3个子系统吸收后的净剩余CO 2 量，它一直处于不断的变化之中。CO 2 的浓度由地球系统的不断吸收与释放过程所控制。CO 2 的吸收与释放之差，就成为大气中CO 2 的来源，大气中的CO 2 浓度处于不断变化和波动之中，但总的有一个上升或下降的趋势。
大气圈的碳汇与碳源功能：大气圈既有吸收和储存碳的功能，又有供给碳的功能。大气中碳的储量，在北半球具有明显的季节变化，变差达10~15 ppm,而南半球与赤道地区则不明显，显然与森林作用有关。
（1）在距今约40亿年，地球形成的初期，在混沌状态分为4大圈层的过程中，碳、氨、氢和氧等气体形成了气圈，主要以CO 2 、H 2 O和H 2 的形式存在，当时CO 2 约占30%左右。从距今12亿年前开始出现生命，尤其从距今6亿年以来，随着生物数量的增多，碳循环开始并日益强烈,CO 2 逐渐减少,O 2 逐渐增多，直到今天CO 2 成为稀有气体（0.03% ），这种在生物参与下的碳循环过程，至今不仅没有减弱，而且还依然很强。
（2）温室气体与温室效应、冰室效应。
如果没有温室气体存在，年平均气温不是14℃而是-13 ℃，有日照处炎热，无日照处只有漫反射而且很冷，夜晚将是严寒。CO 2 与H 2 O蒸汽能储存气温如同温室一样。冰室效应是冰雪表面强烈反射阳光，接受太阳辐射能量少，加上释放CO 2 少，气温低，温室效应弱，所以格外冷。在间冰期，极地高纬度地区增温高并快于中低纬度地区就是证明。
（3）由植物参与下的碳循环与碳平衡/动态的非线性的平衡。
地球系统的自组织作用：地球是一个“活体”（Living Body）和“生命体”。CO 2 浓度越高，气温越高越有利于植物生长，而植物越多，吸收CO 2 越多。CO 2 减少，气温就下降，对植物生长不利，结果植物衰退，于是大气中CO 2 开始增多，气温上升，又促进了植物生长繁茂。石炭纪植物生长繁茂，形成煤层接着出现“冰期”，就是碳循环、碳平衡的典型例子。
气象-气候子系统是地球系统的组成部分，属于四大圈层中的大气圈。它不仅与海洋（水圈）子系统、生物（生物圈）子系统、地壳（固体圈）子系统及人类影响关系密切，而且还与地球系统外的太阳、宇宙关系密切，主要体现在不断接受来自太阳辐射的能量。
气象-气候子系统主要是由大气的物质成分和大气运动所构成的。该子系统处于不断运动和变化之中。物质成分形成于地球的早期，后来在地壳的释放及生物的交换过程中不断运动、变化；大气运动的能量是由太阳和地球旋转运动提供的，少数来自地球的内部；太阳辐射、地球形状与旋转方式决定了大气环流特征；海陆分布与地形状况决定了区域性大气运动特征如季风等。
海洋中的碳有4种形式：溶解的无机碳（DIC ），溶解的有机碳（DOC）、有机碳颗粒（POC）和海洋生物。海洋生物群是相对较小的碳汇（库），其中生物固定的碳为3×10 13 g,但对海洋中碳元素的分布状况有很大的影响。DOC包括氨基酸、脂肪酸、糖类、酚类、固醇类等，总量为10.000×10 15 g,POC总量为30×10 15 g,DIC的总量为38.00×10 15 g,海洋的表层只有700×10 15 g。
海洋的碳通量随季节变化较小，海洋主要吸收碳而释放碳的量很少。
海洋子系统是地球系统的重要组成部分之一。海洋占地球面积的70 %，它对其他子系统的影响很大，尤其对气象-气候子系统的作用，如海洋与大气之间的物质与能量的交换，直接或间接控制了气候子系统，如E1ninoLanina、太平洋涛动、大西洋涛动、海洋洋流[如暖流（青潮、黑潮） ]，以及季风等的影响是非常明显的。
海洋系统既是重要的碳汇（库），又是重要的碳源，对于地球系统的碳循环起着十分重要的作用。“海洋是地球之肺”，甚至它的作用比森林还要大。它吸收了大量的来自大气中的CO 2 气体，同时，海洋在蒸发过程中，又释放了大量的CO 2 气体。所以海洋子系统在地球系统的碳平衡过程中起到了十分重要的作用。海洋是由河流输入的CaHCO 3 等物质的沉积地。海洋生物，尤其是海洋微生物、介壳类生物、珊瑚及藻类，吸收了海水中的CO 2 ，经新陈代谢，尤其是在亚热带地区的沉积，即可形成碳汇（库），同时大面积蒸发过程中又释放了大量的CO 2 。海洋系统碳循环的具体特征，尤其是定量数据研究并不完善，因此要加强海洋系统的碳循环研究。
陆地生物圈的碳汇与碳源功能：陆地生物含碳量为560×l0 15 g,其中森林占90 %，凋落物的储量为60×10 15 g,土壤也属生物圈内，它是最大的碳汇，储量约为1 400~1 500×10 15 g。土壤碳因其周转时间的不同，分为活性、衡性和惰性汇3种基本类型。生物子系统应包括土壤在内，因为土壤中生物有较大的比重，所以应该称为生物土壤子系统，简称为生物子系统，它是地球系统中最重要的子系统。由于它的出现部分改变了原来地球系统碳循环的单一性质，即改变了原来无机碳循环的特征，部分变成有机碳循环的特征，即从距今约6亿年前开始的地球系统碳循环分为两大类型，即无机碳循环与有机碳循环。
距今约6亿年前，生命体从无到有，从简单到复杂，从原始生物到哺乳动物，从低级到高级的发展过程，不仅仅是质量上的发展，而且还有数量上的发展。从原来出现的局部地区，扩大到全球范围，甚至从地球表面以上1 km到以下1 km都有生命的踪迹。生命不仅改变了地球表层的面貌，而且还改变了大气的成分，从原来的以CO 2 为主的大气，经过植物的光合作用和生物的呼吸作用，转变为以O 2 和N 2 为主的大气特征,CO 2 成为稀有气体。更为重要的是出现了有机碳循环，并对地球系统产生了重要的影响。生命体的发展不仅仅改变了大气的成分，而且还影响整个生物系统过程。生物系统过程可以称为“有机碳的循环过程”，它不仅影响了气候、海洋子系统，还影响了地壳子系统，而且对人类的影响也很大。
人类社会经济子系统是地球系统的特殊子系统。它不像其他子系统都已经存在了若干年时间，人类社会经济子系统出现并不久，人类出现在第四纪冰期前（250万年前），成长在冰期期间。约在距今120万年时，全球人口约有5万人，而在距今5万年左右的亚冰期全盛时，只剩下约2000人左右，此时人类对地球系统的作用和其他动物的差别不大。但到了近百年来，尤其是经过了第一次和第二次工业革命后，不仅人口猛增，而且生产力也得到了飞跃发展，尤其是经过第三次工业革命之后，人类对地球系统的影响力，包括建设和破坏力都很大。因此虽然人类的影响力，不能和地壳、大气、海洋、生物4大系统相提并论，但它的影响却不容忽视。
岩石圈碳的总储量约9.0×10 7 ×10 15 g,其中化石燃料中的碳存储为5000~10 000×10 15 g;沉积岩，尤其是碳酸岩中碳的存量为7.0×10 7 ×10 15 g。地壳与地幔通过地震与断层、火山与温泉释放的CO 2 气体的数量巨大，暂时还没有定量的数据。
地壳地质子系统是地球系统的一个重要组成部分，这是大家所公认的。地壳地质子系统是一个重要的碳库，在碳循环过程中起重要的作用，人们也认可。但是对它既是碳汇，又是碳源，尤其是CO 2 的释放与吸收则不够清楚。
在地壳及地质体中存储有大量的碳元素和碳的化合物，如煤、石油、天然气等，它们经氧化后形成碳的产品，如CO,CO 2 、CH 4 等气体，通过火山活动、地壳运动及地壳的破裂处溢出，以及煤层气及烃类的渗漏等。地壳及地质体中存储的大量碳元素和碳的其他化合物也可能由另一种方式参与碳循环，如混合岩石的CaCO 3 胶结物或石灰岩在风化过程中，吸收大气中的CO 2 ，经水的化学作用后形成CaHCO 3 溶解于水中，经河流输入海洋，在海底沉积，形成沉积岩。而沉积岩在造山或板块运动作用下，成为陆地、山丘，恢复成原来的状态。这就是地质运动过程中碳循环的特征。还有一种方式是：地壳是自然界中重要的碳库，其中有些以气体的形式存在，如CO,CO 2 、CH 4 等，有的溶于高温高压的地下水中，一旦压力降低，就自动喷出或溢出地壳，即出现地壳“吐气”现象。主要有：火山与温泉、地震与断层活动、石油天然气渗漏与泥火山活动、煤层气等地质吐气过程。