Redigerer Biosfære (avsnitt)

== Prosesser i biosfæren ==
Dynamiske interaksjoner skjer mellom den [[Liv|biotiske]] delene, altså de levende delene av biosfæren og de [[abiotisk]]e, altså de livløse delene som [[atmosfære]], [[litosfæren]] og [[hydrosfæren]] på jorden. [[Energi]], [[vann]], [[gasser]] og [[næringsstoff]]er utveksles mellom delene både i tid og rom. Slike utvekslinger avhenger av og kan endres av miljøene i områdene. For eksempel var det tidlige livsformer på jorden som ved kjemiske prosesser skapte den oksygenrike atmosfæren. Disse prosessene var [[fotosyntese]], [[respirasjon]] og karbonatdannelse. De interaktive prosessene mellom biosfæren og de abiotiske delene virker sammen for å opprettholde en slags planetlikevekt. Disse prosessene, så vel som de som kan forstyrre denne likevekten, involverer en rekke vitenskapelige og sosioøkonomiske spørsmål.<ref name=UoC />

=== Energistrøm og klima ===
[[Fil:Fqtq great wave sun heating.gif|mini|[[Koronamasseutbrudd]] på solens over{{shy}}flate. Solen er avgjørende for livet på jorden, og solens sykluser som [[Solflekk|solflekk{{shy}}aktivitet]] påvirker jordens klima. {{byline|Patrick McCaule}}]]

En viktig årsak bak livet på jorden er at den ligger i solens [[beboelig sone]], altså at den verken er for nært eller for langt unna til at vann finnes i flytende form og at liv kan eksistere.<ref>{{Kilde www | forfatter= Lissauer, Jack J. | url= https://www.britannica.com/science/habitable-zone | tittel= Habitable zone | besøksdato= 4. april 2021 | utgiver= britannica.com | arkiv_url= | dato = }}</ref> [[Solen]], som alle andre stjerner, skaper energi ved [[fusjon]]. I solens kjerne produseres energi ved at [[hydrogen]]atomer omdannes til [[helium]]kjerner. Kjernen innerst i solen er praktisk talt den eneste delen som produserer varme gjennom fusjon. Energien overføres fra kjernen gjennom de påfølgende lagene, og til slutt når den frem til solens [[fotosfære]]. Ved fotosfæren strømmer energien ut i verdensrommet som [[sollys]] eller som [[kinetisk energi]] i form av partikler som slynges ut.<ref>{{Kilde www | forfatter= Cain, Fraser | url= https://phys.org/news/2015-12-sun-energy.html | tittel= How does the sun produce energy? | besøksdato= 2. april 2021 | utgiver= Phys.org | arkiv_url= | dato = 14. desember 2015 }}</ref>

Dersom det hadde vært strålingsbalanse ved alle jordens breddegrader, altså at innstrålingen av kortbølget stråling på et hvert sted skulle vært eksakt balansert av utstrålt langbølget stråling, ville klimaet vært svært ugjestmildt. Under slike forhold ville ikke dagens livsformer på jorden vært mulig.<ref name=Oort>{{Kilde artikkel | forfattere =  Oort, Abraham H. | tittel = The Energy Cycle of the Earh | publikasjon =  Scientific American – The Biosphere | år = september 1970 | bind =  223 | hefte = 3 | sider = 54–63 }}</ref> Atmosfæren og havstrømmene redistribuerer varme og [[masse]] på hver av jordens halvkuler, hvilket fører til ulikheter i innstråling og utstråling. Atmosfærens strømmer drives av at tettheten til luften blir mindre når den varmes opp, noe som gir oppdrift i henhold til [[Arkimedesloven|Arkimedes' lov]]. Oppe i høyden mister luftmassene energi etter som de stråler ut varm til verdensrommet, dermed blir luften kaldere og tettere noe som får den til å synke ned mot jorden. Effekten av atmosfærens samlede energitransport er 5·10<sup>16</sup> W.{{sfn|Jørgensen|2000|p=134–147}} På jorden vil klimaet på ulike steder ha karakteristiske særegenheter. For eksempel er temperaturene lavere desto lengre fra ekvator en kommer og været har sesongvariasjoner på midlere og høye [[breddegrad]]er. Nær ekvator er temperaturen lite sesongavhengig, mens nedbøren ofte er årstidsavhengig.{{sfn|Molles & Sher|2019|p=14–16}} I noen deler av verden har også havstrømmer betydning for klimaet på landjorden.{{sfn|Molles & Sher|2019|p=51}}

==== Solstråling, jordbanen og årstidsvariasjoner ====
[[Fil:Earth tilt animation.gif|mini|alt=Animert skisse av jordaksens helning i forhold til jordens bane rundt solen er årsaken til årstidene.|Jordaksens helning i forhold til jordens bane rundt solen er årsaken til årstidene.]]

Solens elektromagnetiske utstråling (''[[luminositet]]'') er på rundt 3,9·10<sup>26</sup> W. Det er en viss variasjon i denne utstrålingen, men den er meget liten. Dog øker strålingen noe over svært lang tid, for eksempel var strålingen {{nowrap|70 %}} av dagens verdi for 4,5 milliarder år siden. ''[[Lysfluks]]en'' er konstant utover i verdensrommet, mens derimot ''flukstettheten'' (intensiteten av strålingen) avtar med kvadratet av avstanden. Jordens bane rundt solen har en midlere avstand på 150 millioner&nbsp;km, og i denne avstanden har solstrålingen en effekt på rundt 1367 W/m<sup>2</sup>. En kaller denne effekten for [[solkonstanten]]. [[Solstråling|Solstrålene]] fordeler seg ut over tverrsnitt av jordkloden (dagsiden) med et areal på ''πr<sup>2</sup>'', der ''r'' er jordens radius. Imidlertid er hele jordens overflate ''4πr<sup>2</sup>'', og siden jorden roterer blir energien jevnt fordelt, dermed blir gjennomsnittlig solstråling på jordoverflaten 1/4· 1367 = 342 W/m<sup>2</sup>. I tillegg gir jorden selv ett lite tillegg på grunn av [[geotermisk energi]] fra jordens indre, denne er på 0,1 W/m<sup>2</sup>.{{sfn|Jørgensen|2000|p=134–147}}

Jordbanen er noe [[Eksentrisitet|eksentrisk]], altså at den ikke former en perfekt sirkel, slik at avstanden mellom solen og jorden varierer mellom 147 og 152 millioner&nbsp;km. Variasjonen er slik at jorden er nærmest solen i januar, og den får da {{nowrap|7 %}} mer sollys enn i juli, når den er lengst unna. Sykliske variasjoner i eksentriteten og flere andre [[baneelement]]er, gjør at det over en tidsskala på tusenvis av år oppstår endringer i solinnstrålingen som fører til [[klimaendring]]er og [[istid]]er. En annen faktor som har mye å si for solinnstråling på jordoverflaten er [[Solvinkelens effekt på klima|solens vinkel]] på himmelen. Sterkest er solen når den står rett opp på himmelen (nær [[ekvator]]) og svakest når den ligger nær horisonten (nær nord- eller sørpol). Vinkelen avhenger både av breddegrad og årstid.{{sfn|Jørgensen|2000|p=134–147}}

[[Aksehelning|Jordaksens helning]] og ujevn oppvarming av jordens overflate gir forskjellig klima på jorden og sesongvariasjoner ([[årstid]]er). Disse to faktorene bestemmer klimavariasjonene som igjen påvirker fordeling av biomer på jorden. Jordens kuleform gjør at solstrålene avgir energi ujevnt til overflaten, slik at der solstrålene treffer jorden i rett vinkel er energien mest konsentrert. Jordaksens helning (23,5°) bestemmer på hvilke breddegrader solen står høyest på himmelen, i tillegg til at vinkelen avgjør hvor mye energi [[Den nordlige halvkule|den nordlige]] og [[Den sydlige halvkule|sørlige halvkule]] mottar. Denne energifordelingen er sesongavhengig. Når det er [[sommer]] på den nordlige halvkule, er det den som får mest solenergi og lange dager, mens den sørlige halvkule får minst og har dermed [[vinter]] og korte dager. Ved [[vårjevndøgn|vår]]- og [[høstjevndøgn]] står solen rett over ekvator, og nordlig og sørlig halvkule får nøyaktig like mye solinnstråling.{{sfn|Molles & Sher|2019|p=14–16}}

{{multiple image
 | align = center
 | width = 200
 | footer = Animasjon som viser årstidsvariasjoner for biosfæren. På disse kartene vises vegetasjon på landjorden med en skala fra brun (lav vegetasjon) til mørkegrønn (mye vegetasjon); på havoverflaten er fytoplankton indikert på en skala fra lilla (lav) til gul (høy).
 | image1 = Globe Spin.gif
 | alt1 = 
 | caption1 = 
 | image2 = NorthAmericaCycle Small.gif
 | alt2 = 
 | caption2 = 
 | image3 = LaNina Mollweide.gif
 | alt3 = 
 | caption3 = 
 | image4 = Mollweide Cycle.gif
 | alt4 = 
 | caption4 = 
}}

==== Drivhuseffekten ====
[[Fil:Drivhuseffekten.png|mini|upright=1.8|Enkelt diagram som viser mekanismene for drivhuseffekten. Solstråling varmer opp jordoverflaten, noe som fører til at jordoverflaten sender ut varmestråling som atmosfæren delvis absorberer. Atmosfæren sender noe av denne strålingen tilbake til jorden, kjent som  [[atmosfærisk tilbakestråling]] markert med den oransje pilen nedover. <small>Illustrasjon: Finn Bjørklid</small>]]

{{hoved|Drivhuseffekt}}

Solstrålene som når jordens overflaten vil enten [[Refleksjon (fysikk)|reflekteres]] eller [[Elektromagnetisk absorpsjon|absorberes]], det siste vil si at solstrålene varmer opp jordoverflaten. Der jordoverflaten er dekket av snø kan så mye som 80&nbsp;% av sollyset reflekteres ([[albedo]]), en grønn skog reflekterer derimot opptil {{nowrap|25 %}} og absorberer {{nowrap|75 %}} av lyset. De delene av jorden som reflekterer minst er havet, spesielt om lyset treffer i rett vinkel, eller asfalterte flater, hvor refleksjonen er på bare {{nowrap|7 %}}. Absorpsjon og oppvarmingen av jordoverflaten fører til utstråling av langbølget strålingen ([[Infrarød stråling|infrarødt lys]]), som i denne sammenhengen kalles ''[[terrestrisk stråling]]''. Oppe i atmosfæren blir den langbølget strålingen absorbert av [[vanndamp]]. På grunn av vannmolekylets struktur har vanndampen mange energinivåer som dermed tar opp stråling over ett bredt [[Elektromagnetisk spekter|spektrum]]. Andre betydningsfulle gasser er [[karbondioksid]], [[metan]] og [[dinitrogenoksid]]. Disse gassene kalles [[klimagass]]er fordi de har betydning for jordens klima. Gassmolekylene som absorberer langbølget stråling vil i neste omgang [[Emisjon (fysikk)|emittere]] (stråle ut) energi, der noe av den langbølgede strålingen går ut i verdensrommet og en annen del blir strålt tilbake til jordoverflaten, kjent som [[atmosfærisk tilbakestråling]]. Denne mekanismen kalles for [[drivhuseffekt]]en og sørger for at [[temperatur]]en på jorden er høyere enn hva den ellers ville ha vært.{{sfn|Jørgensen|2000|p=134–147}}

På globalt nivå er jordens energibalanse drevet av absorpsjon av sollys og utstråling av energi til verdensrommet. Solstråling med en effekt på 238 W/m<sup>2</sup> blir tatt opp av jorden og atmosfæren. Atmosfæren og dens drivhuseffekt gjør at jorden har en global midlere overflatetemperatur på {{nowrap|288 K}} ([[Kelvin]]), noe som er {{nowrap|33 K}} høyere enn hva temperaturen ville vært uten atmosfæren. Ved jordens overflate er energien fra solen balansert av oppvarming av jordoverflaten (landjord, vann og hav), terrestrisk stråling, [[Følbar varme|følbar]] og [[latent varme]], samt horisontal varmetransport i havet. Følbar- og latent varme innebærer i denne sammenhengen henholdsvis oppadgående varme luftstrømmer i atmosfæren og fordampning av vann fra jordoverflaten.{{sfn|Jørgensen|2000|p=134–147}}

Endringer av klimaet på grunn av [[klimapådriv]], som økt innhold av klimagasser eller endret planetbane, endrer energibalansen i klimasystemet. Disse endringene kan bli forsterket eller svekket på grunn av [[Tilbakekoblingsmekanisme (klima)|tilbakekoblingsmekanismer]]. Det er to hovedtyper av disse mekanismene, nemlig positive og negative. De negative er med på å stabilisere klimaet og reduserer virkningen av klimapådriv. De positive tilbakekoblingene får en ekstern påvirkning til å gi en enda større endring i form av en forsterkende effekt. Et eksempel på en negativ tilbakekobling er at en endring av klimapådriv (økning) gir en varmere jordoverflate, som øker utstrålingen av langbølget varmestråling og dermed bidrar til å reduserer temperaturen på jordens overflate. Et eksempel på en positiv tilbakekoblingsmekanisme er mengden snø på jordoverflaten. Ved et endret klimapådriv (økning) vil mengden snø bli mindre, dermed reduseres jordens albedo slik at mer av solstrålene absorberes og jordoverflatens temperatur øker. I neste omgang får dette enda mer snø til å smelte. Det finnes mange slike mekanismer og typisk virker flere samtidig, med kombinert dempning og forsterkning av den opprinnelige endringen.{{sfn|Jørgensen|2000|p=134–147}}

Dersom visse terskelverdier overskrives, kan klimatiske forhold endres fra én tilstand til en annen. Disse mekanismene kalles for [[vippepunkt (klima)|vippepunkter]].<ref>{{Kilde www| forfatter= | url= https://www.pik-potsdam.de/services/infodesk/tipping-elements/kippelemente?set_language=en| tittel= Tipping Elements – the Achilles Heels of the Earth System| besøksdato= 4. mars 2019| utgiver= Potsdam – Institut für Klimafolgenforschung| arkiv_url= https://web.archive.org/web/20190913235916/https://www.pik-potsdam.de/services/infodesk/tipping-elements/kippelemente?set_language=en| dato= | arkiv-dato= 2019-09-13| url-status= yes}}</ref> Et eksempel på et slikt vippepunkt er reduksjon av [[Grønlandsisen]] på grunn av varmere klima. Denne økte smeltingen blir ikke kompensert av økt snøfall om vinteren, samt at smeltingen forsterkes av positive tilbakekoblinger. Smeltingen av Grønlandsisen kan være irreversibel, både når det gjelder dens utstrekning (areal) og volum. Dette på grunn av en tilbakekoblingmekanisme knyttet til overflatens høyde over havet. Når iskappen smelter, reduseres dens høyde over havet, dermed blir en stadig større del av isens overflate liggende lavere, og dermed i et varmere klima som fremskynder prosessen.<ref>{{Kilde bok | forfatter=  Stocker, T. Thomas., m.fl. | utgivelsesår=2014 | tittel= Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change  | utgiver = Intergovernmental Panel on Climate Change | utgivelsessted= Cambridge og New York | språk=engelsk | url=http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1/ | side = 1116 }}</ref>

==== Atmosfærisk sirkulasjon ====
[[Fil:Earth Global Circulation2-no.svg|mini|alt=Skisse av jordkloden og dens store sirkulasjonsmønstre som danner seks celler. Solens oppvarming av jordoverflaten er årsak til mønstrene.|Jordkloden og dens store sirkulasjonsmønstre danner seks celler. Solens oppvarming av jordoverflaten er årsak til mønstrene.]]

{{hoved|Atmosfærisk sirkulasjon}}

Solen varmer opp jordoverflaten og luftmassene ved ekvator og får disse til å stige opp. Luften er varm og fuktig, men etter hvert som den stiger oppover [[Kondensasjon|kondenserer]] fuktigheten på grunn av lavere [[trykk]] og temperatur, dermed formes [[sky]]er. Det dannes derfor ofte kraftig nedbør ved ekvator, noe som er karakteristisk for tropisk klima. Mye av luftmassene som stiger opp ved ekvator driver mot nord og sør. Etter hvert kjøles luften ned, får større [[tetthet]] og ved 30° nordlig og sørlig breddegrad synker luften ned til jorden. Denne luftmassen er tørr, og når den sveiper over bakken tilbake til ekvator tar den til seg fuktighet, noe som skaper ørkener. Disse luftstrømmene nord og sør for ekvator som er drevet av termiske prosesser, former to store luftsirkulasjoner, eller celler, som omslutter hele jordens ekvator. Kraftige luftstrømmer omfatter ikke bare ekvator, men hele jordkloden, et i et system kalt ''atmosfærisk sirkulasjon''. Fra ekvator mot nordpolen er det tre store sirkulasjonsceller, og tilsvarende fra ekvator mot sørpolen. Cellene rett nord og sør for ekvator kalles [[hadleycelle]]ne, deretter kommer [[ferrelcelle]]ne mellom 30° og 60° nordlig og sørlig breddegrad. Lengst mot nord og sør finner en [[polarcelle]]ne, som kjennetegnes med fuktig og kjølig klima der luftmassene stiger opp ved 60° nordlig og sørlig breddegrad.{{sfn|Molles & Sher|2019|p=14–16}}<ref>{{Kilde www | forfatter= | url= https://www.britannica.com/science/atmospheric-circulation | tittel= Atmospheric circulation | besøksdato= 13. desember 2020 | utgiver= Encyclopædia Britannica | arkiv_url= | dato = }}</ref>

Luftsirkulasjonene kompliseres av at jorden roterer, dermed vil luftmassene avbøyes ettersom jordoverflaten forflytter seg under luftmassene. Fenomenet er kjent som [[Coriolis-kraft|Coriolis-effekten]] og former dominerende vindretninger på jordoverflaten. De dominerende vindretningene er forskjellig rundt om på jorden. På den nordlige halvkule blåser vinden fra 30° nordlig breddegrad mot ekvator fra nordøst, og på den sørlige halvkule blåser vinden fra 30° sørlig breddegrad mot ekvator fra sørøst. Disse vindene er kjent som [[passatvind]]ene. Mellom breddegrad 30° og 60° på den nordlige og sørlige halvkule vil dominerende vindretning være fra vest, og området betegnes [[vestavindsbeltet]]. Kommer en enda lengre nord enn 60° vil dominerende vindretning være fra øst, kjent som [[polar østavind]].{{sfn|Molles & Sher|2019|p=14–16}}

Alle disse fenomenene får betydning for klima og vær på jorden, noe som i sin tur påvirker geografisk distribusjon av [[biom]]er.{{sfn|Molles & Sher|2019|p=14–16}} Plantetyper og diversitet i en region har avgjørende betydning for resten av økosystemet.{{sfn|Molles & Sher|2019|p=12–14}}

==== Havsirkulasjon ====
[[Fil:Thermohaline Circulation-no.svg|mini|[[Termohalin sirkulasjon]] i havet]]

Havstrømmene drives av vind, solens oppvarming av havoverflaten og tilførsel av ferskvann. Av stor betydning er [[vestavindsbeltet]] ved ved mildere breddegrader og [[passatvind]] i tropene, som både skaper kraftige havstrømmer og blander næringsstoffer fra overflaten og ned i vannet. Tilførsel av ferskvann og oppvarming av havet har betydning for havstrømmene ved at forskjellig temperatur og saltinnhold styrer strømmene. I havet er det fire regioner der spesielt omfattende dyphavsdanndelse skjer ved at vannet både kjøles ned og får stort saltinnhold. Disse stedene er Nordishavet, Labradorhavet og to steder ved Antarktis der store vannmasser kontinuerlig synker ned mot havbunnen. [[Golfstrømmen]] er viktig ved at den transporterer varmt vann fra ekvator. Vannet nedkjøles på veien nordover og synker ned ved [[Nordishavet]] og [[Labradorhavet]], dermed dannes en kaldvannstrøm som bringer vannmassene i retur mot sør.{{sfn|Jørgensen|2000|p=298–304}}

Golfstrømmen er del av den [[termohalin sirkulasjon|termohaline omveltningsirkulasjonen]], denne sørger for å transportere en varmeeffekt på 1 PW (en billiard kW) mot Nord-Atlanteren. Den kontinuerlige varmetilførselen sørger for at Nord-Europa for en betydelig høyere gjennomsnittstemperatur enn en finner på tilsvarende breddegrader andre steder i verden. Det er spesielt om vinteren at denne varmetilførselen er stor, noe som forhindrer dannelse av havis i Nord-Europa og dessuten sørger for at temperaturforskjellen mellom vinter og sommer ikke blir stor. Denne sirkulasjonen sørger også for stor fuktighetstransport mot nord. Alle disse forholdene gjør at Europa har stort innslag av [[temperert løvskog]].{{sfn|Jørgensen|2000|p=298–304}}

I Stillehavet er det ingen dyphavsdannelse og dermed heller ingen termohalin sirkulasjon. Dette forklarer hvorfor klimaet på høye breddegrader i Stillehavet er så forskjellig fra områdene ved Nord-Atlanteren.{{sfn|Jørgensen|2000|p=298–304}}

[[El Niño|El Niño-sørlig oscillasjon]], eller bare El Niño, er et storskala atmosfærisk og oseanisk fenomen som har betydning for økosystemer på global skala. Fenomenet inntreffer ved at en varm havstrøm opptrer på vestkysten av Peru ved juletider. At den heter sørlige oscillasjon har å gjøre med en svinging i atmosfærens trykk som forplanter seg over hele Stillehavet. Dette har å gjøre med at redusert barometertrykk (lavere lufttrykk) i den østlige delen av Stillehavet sammenfaller med en økning i den vestlige delen. Og motsatt skjer svingningen den andre veien, med trykkøkning og lavere sjøtemperatur i den østlige delen av Stillehavet ledsaget av reduksjon i vest, kalt La Niña. Systemet gir storstilte klimavariasjoner i Nord-Amerika, Sør-Amerika, Australia, Sør-Asia, Afrika og deler av Sør-Europa, som får betydning for utbredelse av organismer, strukturen av økologiske samfunn og økosystemprosesser.{{sfn|Molles & Sher|2019|p=491–491}}

==== Biosfæren og indirekte effekter på klima ====
Biologiske prosesser har innvirkning på jordoverflatens energibalanse og dermed på klimasystemet. Effekten er størst for landjordens vegetasjon, som blant annet påvirker jordoverflatens albedo, vinder langs jordoverflaten og [[varmestrøm]]mer fra jorden.{{sfn|Jørgensen|2000|p=134–147}}

Jordoverflatens albedo er vanligvis mørkere når bakken er dekket av vegetasjon enn om den er bar. Dette får betydning for absorpsjon av sollys.{{sfn|Jørgensen|2000|p=134–147}}

I skogkledde områder vil trærne påvirke luftstrømmene. Påvirkningen er i form av turbulens og at friksjon «bremser» vinden.{{sfn|Jørgensen|2000|p=134–147}}

Vegetasjonen påvirker varmestrømmer fra bakken på flere ulike måter. Rotsystemet til vegetasjonen sirkulerer vann via [[transpirasjon]], altså utskillelse av vann via bladene, noe som endrer strømmen av latent varme i forhold til om jordoverflaten var bar. Enda en virkning av vegetasjon har å gjøre med endring av forholdet mellom følbar og latent varmestrøm via bladenes [[spalteåpning]]er. Spalteåpninger er bladenes små åpninger som tar inn karbondioksid som bruk til fotosyntesen, mens de skiller ut [[oksygen]] og vanndamp. Alle disse effektene har betydning både for energi- og vannbalansen i atmosfæren over landjorden, dessuten har dette betydning for biofysiske tilbakekoblingsmekanismer.{{sfn|Jørgensen|2000|p=134–147}}

De biokjemiske prosessene i jordens økosystemer påvirker også næringskjedene for [[grunnstoff]]er og atmosfærens sammensetning. Disse prosessene har igjen stor betydning for den globale energibalansen og atmosfærens dynamikk. En av de faktorene i klimasystemet som påvirkes er styrken av drivhuseffekten, der karbonsyklusen spiller inn. Konsentrasjonen av oksygen påvirker den stratosfæriske absorpsjonen av sollys og oksygenkonsentrasjonen i atmosfæren er igjen noe som påvirker plantelivet. Enda et eksempel er produksjon av kjemiske stoffer som [[dimetylsulfid]] (organisk svovelforbindelse) i alger i havet som virker som [[kondensasjonskjerne]]r i atmosfæren, og konsentrasjonen av disse påvirker skydekket.{{sfn|Jørgensen|2000|p=134–147}}

=== Biogeokjemiske sykluser ===
Av de over 90 grunnstoffene som finnes naturlig på jorden er det mellom 30 og 40 som er nødvendige for levende organismer. [[Karbon]], hydrogen, oksygen, [[nitrogen]] og [[fosfor]] finnes i store mengder, og disse fem stoffene utgjør samlet {{nowrap|97 %}} av all massen i [[protoplasma]], altså massen som utgjør [[celle]]r i levende organismer. De stoffene som organismer trenger i store mengder kalles makronæringsstoffer, mens de som trengs i små mengder kalles [[sporstoff]]er.{{sfn|Fimreite|1997|p=33–34}} Stoffer som alle levende organismer trenger i små mengde er [[svovel]], [[natrium]], [[kalium]], [[kalsium]], [[magnesium]], [[jern]], [[mangan]], [[kobolt]], [[kobber]], [[sink]] og [[klor]]. Noen organismer trenger også mindre mengder av [[aluminium]], [[Bor (grunnstoff)|bor]], [[brom]], [[jod]], [[selen]], [[krom]], [[molybden]], [[vanadium]], [[silisium]], [[strontium]], [[barium]] og [[nikkel]]. I tillegg er det flere andre stoffer som er nødvendig for visse typer organismer.<ref name=HGE/>

Kjemiske stoffer, både de som er essensielle for organismene og andre stoffer, sirkulerer i jordsystemet fra omgivelsene til organismene og tilbake til omgivelsene. Disse sirkulære overgangene kalles for biogeokjemiske sykluser eller stoffsykluser. Ordet næringssykluser brukes også, men da om grunnstoffer som er essensielle for levende organismer. For flere av stoffene finnes det reservoarer eller lagre der stoffet finnes i store mengder, det kan være snakk om at de er opplagret og utilgjengelig på kort sikt, eller motsatt at de er lett tilgjengelige. Noen av stoffene som inngår i biogeokjemiske sykluser opptrer som gasser i atmosfæren. En sier at atmosfæren er reservoar for disse, dette gjelder for eksempel nitrogen og karbon i form av karbondioksid. Andre stoffer er sedimentære og finnes i jordskorpen, noe eksempler fosfor, kalium og svovel.{{sfn|Fimreite|1997|p=33–34}}

==== Vannets kretsløp ====
[[Fil:Vannkretsløpet.jpg|mini|Bevegelsen av vann rundt, over og gjennom jorden kalles vannets kretsløp. {{byline|United States Geological Survey|Illustrasjon}}]]
{{hoved|Vannets kretsløp}}

Vann er vesentlig for alt levende liv, både ved at det er en viktig del av alle organismer og virker som medium for biologiske prosesser. Via geologiske prosesser medvirker vann til [[erosjon]] og massetransport, dermed bidrar det til distribusjon av næringsstoffer som oppløses i vann. Vann har også en rolle i transport og omsetning av energi. Når vann fryser til is er det store energimengder som tas opp, og motsatt når is smelter eller vann fordamper. På grunn av disse [[faseovergang]]ene bidrar vannet på jorden til å dempe temperatursvingninger som oppstår ved variasjoner i solstrålingen. Egenskaper med vann som kommer til nytte i disse prosessene er høy [[Løsning (kjemi)|oppløsningsevne]], høy [[spesifikk varmekapasitet]] og god [[Termisk konduktivitet|varmeledningsevne]].{{sfn|Fimreite|1997|p=35–37}}

Jordens gravitasjon holder vannet på plass, men allikevel forsvinner litt vann kontinuerlig i toppen av atmosfæren ([[fotolyse]]). Bare én gang i jorden historie har en vesentlig mengde vann gått tapt, det skjedde for over 3,8 milliarder år siden da et objekt kolliderte med jorden og slynget store vannmasser ut i verdensrommet. I nyere tid tilføres biosfæren rundt 9 milliarder tonn vann årlig ved forbrenning av [[Fossilt brensel|fossile energikilder]], dette på grunn av hydrogenet i olje, kull og gass. Dette er imidlertid en forsvinnende liten mengden relativt sett.{{sfn|Smil|2002|p=124}}

Vannets sirkulasjon drives av fordampning fra jordoverflaten og nedbør. Svært lite av vannet som er i sirkulasjon går gjennom økosystemene, altså tas opp av planter og dyr. Sirkulasjonsmønstrene i atmosfæren bestemmer mye av fordelingen av nedbøren på jordoverflaten. Passatvindene som går fra kjølige områder til ekvator, fører med seg fuktig luft som kondenserer og blir til nedbør over ekvator. Størst årlig nedbør opptrer derfor ved ekvator.{{sfn|Fimreite|1997|p=35–37}}

==== Karbonsyklusen ====
[[File:Carbon cycle-cute diagram-no.svg|mini|Karbon utveksles i store mengder mellom atmosfæren og biosfæren, i en del av et større kretsløp kalt [[karbonkretsløpet]]. {{byline|Kevin Saff|Illustrasjon}}]]
{{hoved|Karbonkretsløpet}}

Karbon inngår i fotosyntesen der næringsstoffer blir til organisk materiale. Karbon finnes i alt levende og dødt materiale. Det finnes i store mengder opplagret i kull, olje og gass, i tillegg til at et stort reservoar også finnes i atmosfæren og i vann. Fotosyntesen tar altså opp karbon fra atmosfæren, og dette tilbakeføres ved respirasjon både fra levende og døde planter via [[nedbryter]]e. Karbon i form av karbondioksid utveksles således i store mengder mellom atmosfæren og biosfæren.{{sfn|Fimreite|1997|p=37–39}}

Den globale produksjonen av karbon i fotosyntesen er 170 Pg per år (170 billiarder kg), der 50 Pg skjer i havet og 120 Pg på landjorden. Denne strømmen av karbon fra atmosfæren er praktisk talt eksakt balansert av en strøm tilbake, blant annet ved respirasjon fra planter i form av karbondioksid. Av dette er det en mengde på 0,2 Pg karbon per år som akkumuleres, kjent som karbonsluk. Vulkaner gir et bidrag på rundt 0,1 Pg karbon per år, en nesten like stor strøm frigjøres ved oksidasjon av organisk karbon i berggrunnen. Bidraget fra forbrenning av fossile energikilder er på 5 Pg per år. I tillegg bidrar avskoging med 1–2 Pg karbon per år.{{sfn|Jørgensen|2000|p=146–158}}

På grunn av forbrenning av fossile energikilder er karbonsyklusen modifisert, noe som blant annet gir [[global oppvarming]] og [[havforsuring]].<ref>Mamen, Jostein:{{snl|global oppvarming|Global oppvarming }}</ref><ref>Lauvset, Siv:{{snl|havforsuring|Havforsuring}}</ref> En konsekvens av dette er at mange organismer som er tilpasset et gitt klima får behov for å migrere, for eksempel bevege seg nordover mot regioner med mer passende temperaturer. Dette har skjedd i tidligere tiders klimaendringer, men utfordringene med dagens endringer er at økningen skjer hurtig og at leveområdene i utgangspunktet er fragmenterte.{{sfn|Fimreite|1997|p=37–39}}

==== Nitrogensyklusen ====
[[Fil:Nitrogen Cycle.svg|mini|Nitrogen finnes i store mengder i atmosfæren og stoffer som inneholder nitrgoen viktig for plantevekst.]]

Nitrogen er et viktig stoff i biosfæren som næringsstoff for planter. I organismer inngår det som viktig ingrediens for [[protein]] og [[nukleinsyre]]r. Det finnes i store mengder i atmosfæren ({{nowrap|77 %}} etter volum), men er sjeldent i jordskorpen. For plantevekst er nitrogen ofte en minimumsfaktor. Nitrogen kan ikke tas opp direkte av plantene,{{sfn|Fimreite|1997|p=40–44}} men bakterier omdanner nitrogengass til [[ammonium]] som er lettere tilgjengelig for levende organismer. Denne prosessen kalles [[nitrogenfiksering]] og er en like viktig prosess i biosfæren som fotosyntese.<ref>Sirevåg, Reidun: {{snl|nitrogenfiksering|nitrogenfiksering}}</ref> I hav og vann er den viktigste kilden til nitrogenforbindelser avrenning fra landjorden, i form av [[nitrat]]er og andre nitrogenforbindelser.{{sfn|Fimreite|1997|p=40–44}}

Den motsatte reaksjonen av nitrogenfiksering kalles denitrifikasjon. Dette er også en prosess som skjer i bakterier, og oppstår som regel i sammenheng med liten oksygentilførsel og organisk materiale. Under slike prosesser blir nitrater redusert til [[nitritt]], [[nitrogenoksid]], fritt nitrogen og ammonium. Denitrifikasjon fører nitrogen tilbake til atmosfæren, og skjer både på landjorden og i vann og hav.{{sfn|Fimreite|1997|p=40–44}}

Nitrogensyklusen blir påvirket ved industriell nitrogenfiksering ved [[kunstgjødsel]]produksjon og utslipp av nitrogenoksider (NO<sub>x</sub>) ved forbrenning av fossile energikilder. Nitrogenoksider blir oksidert i atmosfæren til nitrat som avsettes via nedbøren.<ref>Aarnes, Halvor: {{snl|nitrogensyklus|Nitrogensyklus}}</ref> Nitrogen i for store mengder i luft og vann er et stort problem mange steder i verden. Blant annet fører det til omfattende algeoppblomstring i elver, innsjøer og kyst, noe som svekker vannkvalitet, matressurser og habitater. I verste fall oppstår oksygenmangel som gir sykdommer eller død hos fisk. Algeoppblomstringer kan også være skadelig for folkehelsen på grunn av giftstoffer og bakterievekst.<ref name=epa>{{Kilde www | forfatter= | url= https://www.epa.gov/nutrientpollution/issue | tittel= Nutrient Pollution | besøksdato= 21. februar 2021 | utgiver= U.S. Environmental Protection Agency}}</ref>

==== Fosforsyklusen ====
[[Fil:Baltic blooms ESA21514635.jpeg|mini|Algeoppblomstring rundt [[Gotland]] i [[Østersjøen]] fotografert fra en satellitt. Avrenning fra industri og landbruk forårsaker overgjødsling og kraftig algevekst. Algeoppblomstring er et stadig problem i Østersjøen og andre havområder, men er også et naturlig fenomen slik et foto som dette ikke kan avgjøre hva som er hva.{{byline|European Space Agency}}]]

Fosfor inngår i nukleinsyre, som finnes i de to stoffene [[DNA]] (deoksyribonukleinsyre) og [[RNA]] (ribonukleinsyre) som er fundamentale i biologiske prosesser. [[Adenosintrifosfat|ATP]] (adenosintrifosfat) som er grunnleggende for cellenes energiomsetning, inneholder også fosfor. Stoffet inngår i biologiske prosesser, men er allikevel et sjeldent grunnstoff. Det finnes i forskjellige mineraler, som for eksempel [[apatitt]], men i mineralsk form er det et uorganisk og tungt oppløselig stoff. Ved hjelp av organiske syrer blir fosfor gjort tilgjengelig for planter, først og fremst ved at bakterier i plantenes rotsone bryter ned karbohydrater. Fosfor finnes også i døde organiske materialer og mikroorganismer sørger for at stoffet gjøres tilgjengelig for planter. Stoffet renner ut i havet og tilbakeføres til landjorden via fisk og sjøfugl, for eksempel i form av avføring fra sjøfugl (guano).{{sfn|Fimreite|1997|p=45–46}} Fosfor er et viktig næringsstoff i kunstgjødsel, som morderne landbruk benytter i store mengder.<ref>Bjørnå, Finn: {{snl|fosforgjødsel|Fosforgjødsel}}</ref> På grunn av omfattende bruk av fosfor havner mye i vann og vassdrag, skadene det fører til er de samme som for nitrogen.<ref name=epa />

==== Svovelsyklusen ====
Svovel er viktig i biologiske prosesser fordi det inngår i [[aminosyrer]], som igjen inngår i [[protein]]er. Svovel finnes tilgjengelig i naturen i mange former og i store mengder, for eksempel i form av [[sulfid]] og [[sulfat]]. Olje og kull inneholder også en del svovel. For plantene er uorganisk sulfat den viktigste kilden. De fleste av svovelforbindelsene i dyr og planter blir nedbrutt av bakterier og sopp når disse dør. Dette skjer via flere kjemiske prosesser. Svovelsyklusen har både en fase i atmosfæren og en i sedimenter på landjorden og i vann og hav. I miljøer med lite luftforurensning er sedimenter det viktigste reservoaret, men om det er mye luftforurensning er også atmosfæren et stort reservoar av svovel.{{sfn|Fimreite|1997|p=46–50}}