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万立方千米。这一数量足以使地球表面5亿平方千米的面积接受每年约1米的降雨量。
大气和海洋环流的能量当然源自于太阳。它使水从湖泊、海洋和陆地蒸发上升。然后，凝聚作用和雨滴生长等作用使这些水以降雨形式回到地表。水的分布地点和数量，很大程度上决定了在各地得以生存的生命形式。
水还通过蒸腾作用从植物树叶转移到空气中。植物的蒸腾作用与水体和土壤的蒸发作用一起，构成土壤水文蒸发和蒸腾作用。在全球平均水平上，海水的蒸发量6倍于陆地的土壤水分蒸发蒸腾总量，尽管后者在某些大陆中央部位可以是主要的局部蒸发源。由水文循环引起的降雨过程既形成沉积物，也使沉积物遭受侵蚀。水将物质从陆地搬运至海洋，使之最终以沉积物形式在海底沉积。在一个相对较短的时期内，沉积循环包括了侵蚀、营养成分搬运及沉积物形成等过程，其中水流起着重要作用。在一个更长的地质时代，沉积、抬升、海底扩张及大陆漂移等过程变得更为重要。水文循环和沉积循环与以下6种元素的含量分布及迁移相互交织在一起：氢、碳、氧、氮、磷和硫。这6种元素又被称为常量营养元素，活着的有机体的95％以上是由这些元素构成的。要维持各种生命形式，就需要这6种元素之间保持合适时空间和量的平衡。尽管大量的这类营养元素以多种方式（有时不易提取）蕴藏在地壳中，但任一时刻这些重要元素的自然供给量却是相当稳定的。因此，为了使生命得以不断再生，需要这些元素进行反复的循环。
氮循环
作为一个重要的营养元素，氮也是化学上最为复杂的元素之一，其循环以多种形式进行。作为氮的原始形态，氮气（N。）占大气的78％。氮气的一部分在土壤和水中转变为含硝酸控的化合物（亚硝酸盐群）。这种转变就是所谓的固氮作用。氮被“固定在”或依附在其他化学元素上，并与其他原子（典型者如氢原子）之间形成牢固的化学键，这一过程亦被称为是氮的硝化作用。氮可以通过火（包括闪电或汽车引擎的点火或经化学施肥的植物的燃烧）以非生物形式固定下来，也可以通过特殊的固氮有机物而以生物方式固定下来。
被固定的氮残留在空气、土壤和水中。一些特殊的细菌在固氮时从植物中汲取能量来完成其工作。这些细菌常常生长在豆科植物的根瘤中，这些植物包括豌豆科的首精、蚕豆、豌豆和三叶草。由于这些植物具有固氮功能，人们通常在农作物生长季节之间种植这些植物，来补充由于大麦、玉米、西红柿等不具固氮功能的植物的生长而造成的土壤中氮的含量的耗损。通过将这种天然肥料吸收到它们的根茎中，使得这些植物能将适当形式的固定氮引入它们的组织中。这些植物然后通过化学过程将固定氮转变为氨基酸，再转为蛋白质。
生物体内以蛋白质形式固定下来的氮，最终将通过氮循环而转变为其原始状态，即大气中的氮气。当含有固定氮的植物死亡或被动物吞食时，这一转变过程也就随之开始。如果它们被动物吞食，则大多数固定氮以动物排泄物或尸体的形式回归自然。这些含有固定氮的产物（包括没有被吞食但死亡了的植物）将遭遇能分解腐生物的脱氮细菌等，后者可使固氮细菌的工作成果一笔勾销。通过脱氮作用，动物排泄物、动物尸体及死亡植物中的大部分固定氮，经过若干过程而转换成氮气，其一部分则转化为氧化亚氮（俗称笑气）。
与水蒸气和CO。一样，氧化亚氮（N刃）也是一种“温室气体”，它可以捕获地球表层的热量。许多年之后，风可以将氧化亚氮吹至大气层的高层，使得氧化亚氮被紫外线所分解。当氧化亚氮被这一作用所破坏时，同时产生其他的氮氧化物气体（NO和NOZ）o有趣的是，平流层中的NO和NO。被认为是对臭氧的含量起了限制作用。大气中的这类氮氧化物通过化学过程被转换为氮或硝酸盐或亚硝酸盐化合物，后者通过雨水带回地球表面时，可被植物所利用。
硫循环
对气候和生命具重要意义的另一个主要的生物地球化学循环是硫循环。作为营养物质的疏通过在蛋白质的结构和功能中所起的重要作用而对所有生物产生影响。某些数量和形式的硫对植物或动物是有毒的，而另一些流则决定着雨水、地表水和土壤的酸性程度，后者又决定了诸如脱氮作用等一些过程的速率。
与氮一样，硫可以有多种存在形式：二氧化硫气体（SO。）或硫化氢气体、亚硫酸盐化合物。其中亚硫酸盐化合物如在阳光下暴露，可以转变成腐蚀性的硫酸。当硫酸颗粒在空气中飘浮时，它们对笼罩在许多工业地区上空的烦人的烟雾的形成起了促进作用，这些地区往往大量使用含硫的燃料。
可以将空气中的二氧化硫气体或硫酸盐化合物颗粒作为硫循环的开始状态。这些硫酸盐化合物从大气圈中或直接降落、或以雨水形式降落，造成地表环境下硫化物的形成。某些形式的硫被植物吸收到其组织中。然后，与氮一样，当这些植物死亡或被动物消化后，植物中的有机硫化物又重返陆地或水中。在这一过程中，细菌又发挥了重要作用，它们能将有机硫转变为硫化氢气体。海洋中由某些浮游植物产生的一种化学物质，会转变为大气中的二氧化硫气体。这些气体可以重新进入大气圈、水和土壤，使循环继续进行。
硫循环通常进行得较为迅速，而含硫岩石的剥蚀、沉积和抬升等其他过程则需要长得多的时间。火山和人类活动（一般是工业活动）将硫带入环境。当人类燃烧含流的矿物燃料时，释放出来的二氧化硫可以与大气中的水分混合，形成酸雨，从而导致环境恶化。由硫酸小颗粒构成的一层烟雾（称为硫酸盐烟雾）既可以引起肺部疾病，也可以改变大气的反照率，因而影响气候系统吸收太阳辐射能的数量，其结果通常是造成地表变冷。不管其成因是由于工业活动引起，还是由于浮游植物或火山引起，这类硫酸盐烟雾可以改变大气中云层的亮度，影响气候。虽然许多问题有待澄清，但能够肯定的是，总的硫循环，特别是人为因素引起的硫酸盐烟雾、酸雨、工业烟雾，构成了主要的物理学、生物学以及健康与社会的问题。
碳循环
对全球变化最有意义的循环是碳循环。我们知道，以二氧化碳（CO。）形式在大气中存在的碳的含量是很少的（目前是0．035％）。在海洋，沉积物和岩石中以各种形式储存的碳的含量相对来说要多得多。植物在光合作用中利用太阳能，将CO。和水结合起来，利用碳合成来构造其组织的碳水化合物和糖类。在春夏时节，伴随日照的增加和温度的上升，植物以更快的速率从空气中吸收CO。
在北半球，每年的春季和秋季之间，空气中CO。的含量下降约3％。每年碳的吸入量相当于数百亿吨的CO。。在植物较为稀少的南半球，空气和植被之间CO。的交换量大约只是北半球的1／3。
随着秋冬季的开始，由于可将CO。转换为碳水化合物的太阳能减少，温度下降，光合作用的速率变慢。因为活着的植物的呼吸作用以及衰亡植物或死亡有机物的腐败作用超过了光合作用的速率，此时，植物碳循环中的另一部分起主导作用。
诚然，介入碳循环的因素并不限于CO。。海水内部复杂的生物学和化学过程控制着空气和海洋间的CO。交换。地球上植物的产地和数量则是另一类控制因素。此外，诚如我们所知道的那样，诸如水、氮等其他营养成分也是维持生命所必需的。它们与碳和生命在一连串环环相扣的生物地球化学循环中相互作用。
前文提及CO。是地球大气圈中的微量气体，这意味着CO。的含量相对来说是不高的，目前只占大气的0035％。但这一微小百分比所代表的大气圈碳的总重量则有7500亿吨，它对大气圈的热平衡具有显著的影响。CO。的气候学作用在于它能让大多数的太阳辐射通过，但它同时也吸收更大比例的红外辐射，捕获地球热辐射的一部分，否则这些热辐射将从大气圈逸散至太空（换言之，如前所述的那样，CO。是一种“温室气体”）。
大气圈中还有其他一些具有强烈温室效应的微量气体，它们的浓度有可能增加。其中比较突出的是甲烷（CH。）。工业革命以来，CH。的浓度已增加了大约150％。动物、细菌以及采矿、农业等人类活动所带来的污染物均可产生甲烷。氧化亚氮的含量也正在增加，这或许是氮肥使用量增长的一个后果。原始的CO。浓度来自于下列几种作用的组合：将气体带至大气圈的火山喷发活动，岩石的形成和风化作用，有机物质的合成和腐败作用，以及将未腐败的有机物质转变为矿物燃料的化学作用。所有上述作用都在较长的地质时期内发生。人类正在挖掘这些矿物燃料，并以比其形成要快得多的速率消耗它们。工业革命以来的150年间，为了满足能源和农业需求，人类活动已使大气CO。的含量增加了20％一30％，大多数的预测结果指出，到２１世纪中叶，大气CO。含量增加100％不是没有可能的。
大海洋
地球大气圈中总有足够的CO。来支持光合作用。我们也知道通过有机的及无机的机制，CO。不停地被风化作用所消耗。如果风化进行得很完全，地表将不会留下足够的CO。来支持植物的生存，而事实上这种情形还未发生。这里，火山作用，特别是沿海底洋中脊的连续的火山作用，发挥着一定的作用。
将格陵兰的所有冰块融化可使全球海平面仅仅上升5米左右，全球所有山谷冰）11融化也不过将使海平面上升一点儿。而将南极巨大的冰川融化则可产生一个大得多的影响，但即使是这一显著的、难以想象的事件，也将只使海平面上升60米。这一数字还不到地质学家们所知的白望纪海平面上升值的四分之一。1亿年前的白正纪，也是一个霸王龙主宰天下的时代。因此，虽然冰川消融确实能使海平面上升一部分，但它显然也不足以解释发生在白玉纪的海平面上升，这次上升使得当时普遍存在着大量的内陆海洋。与现代陆地占地球表面积的30％不同，白玉纪时期陆地只占地球表面积的20％。那么，引起如此高海平面的其他原因会是什么呢？
有两种合乎逻辑的可能性：一是当时地球的水量较现代为多；二是当时的大陆下沉到地壳更深的部位。这些推想并无支持依据，因而被大多数科学家认为是极不可能的。
一旦我们把自己放在地质历史时间框架内进行思考，一个最经得住推敲的解释相对来说也是颇为直观的，这就是在地球的那个早期历史时期，洋盆体积较小，因此当时的海水覆盖了更多的陆地。那么又是什么东西充填了早期的洋盆呢？
最有可能的是来自洋中脊的火山物质，因为l亿年以前洋中脊火山活动的速率可能比新近的要快得多。但是，如果当时构筑成洋中脊的海底火山活动更为频繁，那么，由于火山喷发释放出的气体之一是CO。，当时应有更多的CO。进入地表系统。
尽管今天我们�