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O ciclo biológico do Carbono é relativamente rápido: estima-se que a renovação do carbono atmosférico ocorre a cada 20 anos.

Na ausência da influência antropogênica (causada pelo homem), no ciclo biológico existem três reservatórios ou "stocks": terrestre (20.000 Gt), atmosfera (750 Gt), oceanos (40.000 Gt). Este ciclo desempenha um papel importante nos fluxos de carbono entre os diversos stocks, através dos processos da fotossíntese e da respiração.

Através do processo da fotossíntese, as plantas absorvem a energia solar e CO2 da atmosfera, produzindo oxigênio e hidratos de carbono (açúcares como a glicose), que servem de base para o crescimento das plantas. Os animais e as plantas utilizam os hidratos de carbono pelo processo de respiração, utilizando a energia contida nos hidratos de carbono e emitindo CO2. Juntamente com a decomposição orgânica (forma de respiração das bactérias e fungos), a respiração devolve o carbono, biologicamente fixado nos stocks terrestres (nos tecidos da biota, na camada de solo e na turfa), para a atmosfera.

As equações químicas que regem estes dois processos são:

Fotossíntese
6CO2 + 6H2O + energía (luz solar) → C6H12O6 + 6O2

Respiração
C6H12O6 (matéria orgânica) + 6O2 → 6CO2 + 6 H2O + energia

É possível verificar que a maior troca entre o stock terrestre e stock atmosférico resulta dos processos da fotossíntese e da respiração. Nos dias de Primavera e Verão as plantas absorvem a luz solar e o CO2 da atmosfera e, paralelamente, os animais, plantas e micróbios, através da respiração devolvem o CO2. Quando a temperatura ou umidade é muito baixa, por exemplo no Inverno ou em desertos, a fotossíntese e a respiração reduz-se ou cessa, assim como o fluxo de carbono entre a superfície terrestre e a atmosfera. Devido à declinação da Terra e à desigual distribuição de vegetação dos hemisférios, existe uma flutuação ao longo do ano a qual é visível nos diversos gráficos da variação da concentração anual do CO2, como por