Тема 2. Строение И ВОЗРАСТ Земли

1. В чем состоит суть античных представлений о Вселенной?

2. Согласуется ли гелиоцентрическая гипотеза с современными представлениями о строении Вселенной?

3. В какой галактике находится Солнечная система?

5. В каких известных формах находится вещество во Вселенной?

6. Сколько химических элементов образует вещество Солнечной системы?

7. Как объясняют космогонические гипотезы происхождение планет Солнечной системы?

8. Чем определяется распределение химических элементов между планетами Солнечной системы?

9. Каков наиболее вероятный химический состав ядра Земли?

10. Где расположен центр масс системы Земля-Луна?

Земля (от общеславянского корня «зем» слов пол, низ), третья от Солнца планета и пятая по размеру и массе среди планет Солнечной системы. Важнейшим отличием Земли от других планет Солнечной системы является существование на ней жизни в форме биополимерных тел (систем), достигшей с появлением человека особой ноостадии (стадии разума)[24]. Условия для развития жизни в привычных нам формах на других планетах не обнаружены. Однако жизнь — естественный этап развития материи, поэтому Землю нельзя считать единственным обитаемым космическим телом, а земные формы жизни её единственно возможными формами[25].

Образование Земли сопровождалось дифференциацией вещества, которой способствовал постепенный разогрев недр, в основном за счёт теплоты, выделявшейся при миграции масс под действием силы тяжести, экзотермических реакциях образования химических соединений из свободных элементов и распаде радиоактивных элементов. В результате дифференциации Протоземля разделилась на концентрически расположенные слои — геосферы, различающиеся химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами. Дифференциация вещества Земли происходила и происходит на протяжении всей геологической истории.

Современный радиус Земли 6370 км. По скорости прохождения сейсмических волн установлено, что в центре Земли имеется ядро радиусом 3450 км, состоящее из сверхплотного вещества в особом состоянии (рис. 3). В ядре температура видимо не превышает 4000÷5000°С, а давление не более 3000 т/см². Выше ядра выделен особый вещественный комплекс – мантия толщиной 2900 км. Мантия составляет около 80% объема Земли. Сцепление между веществом ядра и мантией отсутствует. Вязкость вещества внешнего ядра на много порядков меньше вязкости вещества мантии. Нижняя часть мантии, прилегающая к ядру, на глубинах от поверхности Земли более 700 км находится в пластичном состоянии.

Верхняя часть мантии расслоена и состоит из горных пород, плотность которых возрастает с глубиной. В интервале 70÷250 км в мантии выделяется слой размягчения (пониженной вязкости) - астеносфера. Из мантии к поверхности Земли идёт тепловой поток, в 20 тысяч раз меньший чем от Солнца (в среднем 0,06 вт/м² суммарно около 2,5´10¹³вт). Температура мантии ниже температуры полного расплавления горных пород (под материками температура порядка 600÷700°С). Считается, что в астеносфере происходит медленное перемещение масс в горизонтальном направлении под влиянием неравномерной нагрузки со стороны внешней твердой оболочки - земной коры (восстановление изостатического равновесия). В верхней мантии до глубины 700 кмотмечаются очаги землетрясений, что указывает на значительную прочность слагающего её материала; отсутствие более глубоких сейсмических очагов объясняется пластичностью вещества, либо отсутствием механических напряжений превышающих пределы прочности вещества нижней мантии. Из наиболее лёгких и легкоплавких веществ, возникла расположенная над мантией земная кора мощностью 5÷70 км (в среднем 16 км).

Область распространения горных пород, включающая часть мантии выше астеносферы и земная кора образуют литосферу. Современная литосфера – продукт развития литосфер геологического прошлого.

Земная кора — самая верхняя из твёрдых оболочек Земли и единственная из внутренних геосфер, доступная непосредственному изучению. Земная кора – субстрат, непосредственно на котором осуществляется основная деятельность человечества и главный источник минерального сырья. Физическим выражением внешней границы земной коры является рельеф[26]. Нижней границей земной коры считается поверхность, выделенная А. Мохоровичичем, при прохождении которой сверху вниз скорость продольных сейсмических волн скачком увеличивается с 6,7÷7,6 км/сек до 7,9÷8,2 км/сек, что можно интерпретировать как увеличения упругости и плотности вещества. В средней части земной коры на уровне т. н. границы Конрада (7÷18 км) установлены прерывистые субгоризонтальные зоны, отличающиеся по уменьшению скорости прохождения продольных волн и резкому снижению электрического сопротивления от вмещающей среды. В сверхглубокой скважине СГ-3, пробуренной на Кольском полуострове на глубине 7÷10 км зафиксировано увеличение пористости и флюидопритоков. К этим глубинам приурочены очаги большинства землетрясений.[27]

Земная кора на материках и под океаном различна. Материковая земная кора изучена лучше, обычно имеет мощность 35÷45 км, в горных районах до 70 км[28]. Верхнюю часть материковой земной коры составляет прерывистый слой (чехол), состоящий из разновозрастных осадочных и вулканических горных пород. Первоначальное залегание пород чехла нередко осложнено складками и разрывами. В некоторых местах (на щитах) чехол отсутствует. Под чехлом толща материковой коры (фундамент) разделяется на 2 слоя с условными названиями: верхний — «гранитный» слой (скорость продольных волн до 6,4 км/сек), нижний — «базальтовый» слой (6,4÷7,6 км/сек). Полагают, что «гранитный» слой сложен гранитоидами и гнейсами, а «базальтовый» слой базальтоидами, габброидами и сильно метаморфизованными осадочными породами.

Считается, что в земной коре с глубиной уменьшается содержание кремнезёма и соединений алюминия и возрастает содержание окислов железа и магния, светлые и легкие (плотность 2,65) магматические породы сменяются темными и более плотными (плотность >2,9). В целом материковая кора сложена горными породами невысокой плотности, поэтому континенты возвышаются над океанскими впадинами. Земная кора близка к состоянию изостазии (равновесию): чем плотнее или толще какой-либо участок земной коры, тем глубже он погружен в мантию. Этим объясняется обращенный характер поверхности мантии под горными сооружениями («корни» гор).

Земная кора под океанами имеет мощность 5÷10 км и разделяется на 3 слоя. Под слоем морских осадков мощностью от 0 до 1 км, вероятно, залегают серпентиниты и базальтоиды с прослоями осадков, со скоростями продольных волн 4÷6 км/сек, суммарной мощностью 1÷2,5 км. В нижнем слое мощностью в среднем около 5 км скорость прохождения сейсмических волн 6,4÷7,0 км/сек[29]. Вероятно, он сложен габбро. В переходной зоне от материка к океану выделяют земную кору промежуточного типа.

Температура земной коры с глубиной возрастает в среднем на 30ºС/км. Содержание радиоактивных калия, урана и тория в гранитном слое под материками теоретически может генерировать этот тепловой поток. Тепловой поток океанической коры на порядок превышает величину возможного радиогенного тепла. Тепловой поток из недр под океанами можно объяснить распадом металлогидридов в периферийной зоне земного ядра.

Земная кора является глобальным, составным геологическим телом и состоит из отдельных частей (структурно-вещественных элементов). В строении земной коры выделяют относительно спокойные области — платформы и тектонически активные глубокие линейные прогибы — геосинклинали.

Геосинклиналь - это обширный, тектоническая активный вытянутый участок земной коры, характеризующийся значительными вертикальными движениями с последовательным образованием прогиба, заполнением его осадками и преобразованием прогиба в складчатое горное сооружение, которое постепенно разрушается, что приводит к выравниванию рельефа и формированию платформенного чехла на складчатом основании (фундаменте).

Платформа - крупный (несколько тысяч км в поперечнике), относительно устойчивый участок земной коры выдержанной мощности, характеризующийся низкой сейсмичностью, специфической вулканической деятельностью и слабо расчленённым рельефом (А.Д. Архангельский, 1932). Переход отдельных частей земной коры из геосинклинальной в платформенную стадию развития происходит в масштабах планеты не одновременно.

Характерная черта строения платформ — наличие двух структурных этажей в составе земной коры. Нижний, этаж (фундамент) сложен дислоцированными метаморфизованными и гранитизированными породами и представляет собой образование доплатформенной (геосинклинальной) стадии развития. По времени образования складчатого фундамента платформы разделяют на древние и молодые.

Древние платформы, составляющие ядра современных материков, возникли более 600 млн. лет назад (например, Восточноевропейская (Русская) и Сибирская платформы). В составе кристаллического фундамента древних платформ преобладают сильно дислоцированные граниты, гнейсы и кристаллические сланцы.

Фундаментом молодых платформ принято считать комплекс умеренно дислоцированных и слабо метаморфизованных осадочных и вулканогенных пород при подчинённом значении гранитов, имеющих возраст менее 600 млн. лет. К молодым платформ относятся равнинные части Западной Сибири, Предкавказья и др.

Верхний этаж (чехол) древних и молодых платформ возник в платформенную стадию и состоит из осадочных и эффузивных пород, залегающих обычно горизонтально с размывом и несогласием на фундаменте.

Наиболее крупные структурные элементы древних платформ — щиты и плиты. В пределах щитов вследствие длительного поднятия и размыва почти полностью отсутствует осадочный чехол и на поверхность выступает фундамент платформ (например, Балтийский и Алданский щиты). Плиты имеют мощный (3÷5 км) осадочный чехол и типичное для платформ двухэтажное строение.

Развитие платформ определяется движениями фундамента, а также процессами, происходящими в смежных геосинклиналях. Окраины платформ периодически втягиваются в опускания с накоплением континентальных обломочных, а также угле- или соленосных лагунных и мелководно-морских песчано-глинистых и карбонатных отложений. Периодическая активизация тектонических движений, связанная преимущественно с эпохами горообразования (орогенеза) в геосинклиналях, приводит к частичному преобразованию платформ (главным образом на их периферии) в эпиплатформенные орогены. При этом происходит поднятие платформ и возникает вторичный горный рельеф. С эпохами орогенеза связано также и оживление магматической деятельности, выражающееся в образовании траппов.

Выше земной коры расположены внешние прерывистая водная (гидросфера) и воздушная (атмосфера)оболочки, которые сформировались из паров и газов, выделившихся при дегазации из недр Земли.

Большую часть поверхности Земли занимает Мировой океан (361,1 млн. км² или 70,8%), суша (149,1 млн. км²или 29,2%) и образует шесть материков: Евразию, Африку, Северную Америку, Южную Америку, Антарктиду и Австралию, а также острова. Мировой океан расчленяется материками на Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый. Северное полушарие Земли — материковое (суша здесь занимает 39% поверхности), а Южное — океаническое (суша составляет 19% поверхности). Преобладающая часть поверхности Западного полушария занята водой, Восточного — сушей.

Обобщенный профиль суши и дна океанов образует две гигантские «ступени» — материковую и океаническую. Среднее превышение суши от поверхности Мирового океана (абсолютная отметка) +875 м. Средняя глубина океана около 3800 м. Высочайшая вершина мира — гора Джомолунгма в Гималаях — достигает 8848 м. Глубочайшая океанская впадина - Марианский желоб в Тихом океане имеет абсолютную отметку -11 022 м. Размах абсолютных отметок между горой Джомолунгмой и Марианской впадиной почти 20 км.

Около 94% общего объёма гидросферы сосредоточено в океанах и морях; 4% заключено в подземных водах; около 2% — во льдах и снегах (главным образом Антарктики, Арктики и Гренландии); 0,4% — в поверхностных водах суши (в реках, озёрах, болотах). Незначительное количество воды содержится в атмосфере и организмах. Все формы водных масс гидросферы взаимно обращаемы. В общем круговороте влаги наиболее подвижна влага атмосферы. Ежегодное количество осадков, выпадающих на земную поверхность, равно количеству воды, испарившейся с поверхности суши и океанов. В литосфере содержится от 1 до 1,3 млрд. км³ воды, что близко к её объему в гидросфере. Значительное количество воды литосферы находится в связанном состоянии в составе минералов и горных пород. В более глубоких частях Земли сосредоточено порядка 13÷15 млрд. км³ воды.

Атмосферой называют газовую среду выше земной коры. Сухой атмосферный воздух у поверхности содержит по объёму 78,08% азота, 20,95% кислорода (~10^-6% озона), 0,93% аргона и около 0,03% углекислого газа. Не более 0,1% приходится на водород, неон, гелий, метан, криптон и др. газы. В атмосфере содержится (1,3-1,5)´10¹³ т воды. Во влажном воздухе содержание водяного пара у земной поверхности колеблется от 3÷4% в тропиках до 2´10^-5% в Антарктиде. Очень изменчивы аэрозольные компоненты воздуха, включающие пыль почвенного, органического, техногенного и космического происхождения, частички сажи, пепла и минеральных солей. Наиболее плотным слоем атмосферы является прилежащая к земной коре тропосфера, на которую приходится 75% от массы атмосферы. При отсутствии атмосферы средняя температура на Земле составляла бы -19°С. Общие сведения о геосферах представлены в табл. 3.

Строение Земли (без верхней атмосферы) (БСЭ с изменениями)

Геосферы	Расстояние границы от поверхности Земли, км	Объём ´ 10¹⁸, м³	Плотность, кг/м³	Масса ´ 10¹⁸, т	Доля массы геосферы от массы Земли, %
Тропосфера	до высоты 12*	1,5	1,22 (н. у.)	~0,003	~ 10 ^-6
Гидросфера	до 11	1,4		1,4	0,02
Земная кора	5÷70	10,2			0,48
Мантия	до 2900	896,6	3300÷5700		67,2
Ядро	6371 (центр Земли)	175,2	9400÷12300		32,3
Вся Земля		1083,4		5976**	100,0

* Атмосфера простирается на ~ 20 тыс. км. **¹/₄₄₈ доля массы внешних планет и ¹/₃₃₀₀₀₀ массы Солнца.

Земля обладает гравитационным, магнитным и электрическим (геофизическими) полями. Действием гравитационного поля обусловлены сферическая форма Земли, многие черты рельефа земной поверхности, течение рек, движение ледников и др. процессы.

Магнитное поле создаётся в результате вращения Земли и особого состояния вещества в недрах. Магнитное поле занимает область, которая намного превосходит объём Земли, а форма напоминает комету с хвостом направленным от Солнца. Эту область называют магнитосферой. Положение северного географического полюса смещается в сторону Северной Америки со скоростью ~11 см в год[30].

С магнитным полем Земли связано её электрическое поле. Литосфера несёт отрицательный электрический заряд, который компенсируется объёмным положительным зарядом атмосферы, так что в целом Земля, по-видимому, электронейтральна.

В пределах геофизических полей Земли, происходит поглощение и преобразование галактических космических лучей, рентгеновского, ультрафиолетового, оптического и радиоизлучений Солнца. Магнитосфера и особенно атмосфера задерживают большую часть жёсткой электромагнитной и корпускулярной радиации и защищают от их смертоносного воздействия живые организмы. Земля получает 5,4×10²⁴ МДж/год лучистой энергии Солнца, но лишь около 50% ее достигает поверхности Земли и служит главным источником энергии ветра, океанических течений и др.

Линейная скорость вращения Земли меняется от 465 м/сек на экваторе до 0 м/сек на полюсах. Зависимость линейной скорости вращения, а, следовательно, и центробежной силы от широты приводит к различию значений ускорения силы тяжести на разных широтах. Скорость вращения Земли несколько меняется в течение года из-за воздействия Луны и сезонных перемещений воздушных масс и влаги. Поскольку Земля имеет сплюснутую форму (избыток массы у экватора), а орбита Луны не лежит в плоскости земного экватора, притяжение Луны вызывает медленный поворот земной оси в пространстве (полный оборот происходит за 26 тыс. лет). На это движение накладываются периодические колебания положения оси (основной период 18,6 года).

Ось вращения Земли отклонена и от нормали к плоскости большого круга небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца на 23°26,5'. На протяжении ХХ века этот угол уменьшался на 0,47" за год. Наклон оси вращения Земли к плоскости большого круга приводит к смене времён года. Гравитационное влияние Луны, Солнца и планет вызывает периодические изменения эксцентриситета орбиты и наклона оси Земли, что является одной из причин многовековых изменений климата[31].

Земля имеет сложную форму, определяемую совместным действием гравитации и центробежных сил, вызванных осевым вращением Земли, а также совокупностью внутренних и внешних рельефообразующих сил. Приближённо форму Земли описывают уровенной поверхностью гравитационного потенциала (т. е. поверхность, во всех точках перпендикулярную к направлению отвеса), совпадающую с поверхностью воды в океанах (при отсутствии волн, приливов, течений и возмущений, вызванных изменением атмосферного давления). Эту поверхность называют геоидом. Объём, ограниченный этой поверхностью, считается объёмом Земли. За средний радиус Земли принимают радиус шара того же объёма, что и объём геоида[32]. Для территории России за поверхность геоида принята условная поверхность, совпадающая с многолетним средним уровнем воды в Финском заливе, зафиксированном на специальном замерном пункте (Кронштадском футштоке). Расстояния по вертикали от этого уровня до любой точки называется ее абсолютной отметкой.

Поверхность Земли, гидросферу, а также прилегающие слои атмосферы и земной коры объединяют под названием географической, или ландшафтной[33] оболочки. Географическая оболочка явилась ареной возникновения жизни, развитию которой способствовало наличие на Земли физических и химических условий, необходимых для синтеза органических молекул. Прямое или косвенное участие живых организмов во многих геохимических процессах имеет глобальные масштабы, и качественно изменило географическую оболочку, преобразовав химический состав атмосферы, гидросферы и отчасти земной коры. Возраст углеродистого вещества в горных породах (~3,8 млрд. лет) указывает на дату возникновения хемосинтезирующих бактерий - начало биологической эволюции.

Жизнь на Земле - форма существования биополимерных тел (систем), способных к саморепликации в условиях постоянного обмена веществ и энергии с окружающей средой. Первые (бактереподобные) организмы были безъядерными[34] одноклеточными и получали энергию, расщепляя H₂S. Схема реакции хемосинтеза[35] приведена ниже (1).

Содержание кислорода в атмосфере 4,5÷4,3 млрд. лет назад не превышало 0,02%. Основными компонентами атмосферы были углекислота, азот, сернистый ангидрид, аммиак, метан. Примерно 3,1÷3,3 млрд. лет назад вслед за бактериями появляются простейшие водоросли, осуществляющие фотосинтез. Содержание кислорода в атмосфере превысило 0,02%. Через 500÷700 млн. лет содержание кислорода в атмосфере достигло 0,2%, а еще через 1,5 млрд. лет благодаря деятельности многоклеточных организмов достигло 2%. Накопление свободного кислорода в атмосфере зафиксировано появлением красноцветных породных комплексов, с которыми связаны основные ресурсы железных руд практически на всех континентах. С увеличением доли свободного кислорода возник защитный озоновый слой, что позволило организмам выйти за пределы гидросферы[36].

Совокупность организмов и среда их обитания составляют неразрывное целое. Это позволяет рассматривать эволюцию биосферы и земной коры как единый и непрерывный процесс. В ходе эволюции возрастает количество видов растений и животных, совершенствуется организация и усложняются их функции.

Изучение условий осадконакопления, магматических и тектонических процессов, соотношений радиоактивных изотопов и продуктов их распада, окаменевших органических остатков и продуктов их жизнедеятельности позволило расчленить геологическую историю Земли на крупные геохронологические этапы (табл. 4).

Возраст Земли как геологического тела оценивается в 4,5÷4,7 млрд. лет.[37] Период геологической истории до распространения скелетных животных носит название криптозоя, после их распространения фанерозоя.

Возраст древнейших горных пород доступных изучению по данным радиометрии[38] составляет 4 млрд. лет[39], причем эти породы представляют собой преобразованные ранее существовавшие горные породы.

Табл. 4. Упрощенная геохронологическая таблица

Эра	Период	Начало продолжит. (млн. лет)	Эволюция биосферы	Горючие полезные ископаемые
Флора	Фауна
Кайнозой Kz	Четвертичный Q	1,8 1,8	Широкое распространение кустарниковых форм и трав	Появление человека и социосферы	Торф (100%)
Неогеновый N	25	Преобладание современных древесных видов	Формирование близкого к современному сообщества животных	Бурые угли. Нефть, газ
Палеогеновый P	66	Появление трав	Широкое развитие млекопитающих	Бурые и каменные угли. Нефть, газ
Мезозой Mz	Меловой K	146	Первые цветковые (покрытосеменные) растения	Вымирание последних динозавров, аммонитов	Нефть, газ. Угли
Юрский J	200	Голосеменные растения (хвойные, цикадовые и гинкговые)	Широкое распространение морских рептилий, динозавров, птерозавров, крокодилов. Появление птиц	Нефть, газ. Угли. Горючие сланцы
Триасовый T	250	Голосеменные растения	Динозавры. Появление черепах, ящериц, млекопитающих	Нефть, газ. Угли. Горючие сланцы.
Палеозой Pz	Пермский P	299	Голосеменные растения (цикадовые и гинкговые, первые хвойные)	Вымирание многих морских беспозвоночных. Господство на суше примитивных рептилий. Появление предков динозавров	Угли. Горючие сланцы. Нефть, газ.
Каменноугольный C	359	Голосеменные растения (кордаиты). Высшие споровые	Появление рептилий. Широкое распространение амфибий. Стрекозы	Угли. Горючие сланцы. Нефть, газ.
Девонский D	416	Распространение наземных растений (псилофиты, хвощи, папоротники)	Бескрылые насекомые Появление и распространение амфибий. Распространение рыб	Барзассит. Горючие сланцы. Нефть, газ.
Силурийский S	444	Появление наземных споровых растений (псилофиты)	Выход членистоногих на сушу. Скорпионы	Гор. сланцы. Нефть, газ. Углепроявления.
Ордовикский O	488	Царство водорослей	Эволюция примитивных рыб. Царство морских беспозвоночных	Горючие сланцы. Нефть, газ.
Кембрийский Є	542	Царство водорослей	Появление трилобитов, скелетной фауны (предков рыб). Царство членистоногих	Нефть, газ. Горючие сланцы
Протерозойский эон PR₁- PR₃	1000	Царство многоклеточных водорослей	Появление предков морских червей, медуз, губок, членистоногих	Горючие сланцы. Нефть, газ.
1600/600 2500/900	Появление эукариот. Водоросли, бактерии (Fe)	Шунгит. Нефть, газ.
Архейский эон AR₁-AR₄	3600/1100 >3600	Первые биогенные отложения. Геологическая эволюция←Химическая эволюция←Физическая эволюция

Наиболее древний этап геологического развития Земли носит название архейского (AR)[40] эона и подразделяется по структурно-вещественным особенностям на 4 эры (эоархей - AR₁, палеоархей – AR₂, мезоархей – AR₃, неоархей – AR₄) общей продолжительностью более 1,5 млрд. лет, на протяжении которых преобладали восстановительные геохимические условия.

Кроме архея в составе криптозоя в интервале 2500÷542 млн. лет выделяют протерозойский (PR) эон, в отложениях которого выявлены многоклеточные организмы, а геохимическая обстановка в целом характеризуется как окислительная. В составе протерозоя выделяют три эры: палеопротерозой (PR₁), мезопротерозой (PR₂) и неопротерозой (PR₃).

Границы между эрами фанерозоя соответствуют переломным рубежам в развитии органического мира. Начиная с нижнего палеозоя (кембрийский период) в отложениях присутствуют остатки скелетных форм животных. В растительном сообществе в палеозое резко преобладали споровые формы, в мезозое наибольшую значимость имели голосеменные растения, кайнозой - эра покрытосеменных и цветковых растений. Изменения в растительном царстве (кормовой базе), предшествовали и обуславливали изменения в животном мире.

Если длительность геологической истории (4,5 млрд. лет) сопоставить с сутками (24 час), то первые организмы возникли в 3 ³⁰, первые многоклеточные организмы появились в 12 ³⁰ часов, четвероногие вышли на сушу в 21 ²⁰, млекопитающие появились в 22 ⁴⁰ часа, а человек[41] в 23 ⁵⁹. На протяжении жизни поколения наблюдается лишь один «кадр» длинного геологического фильма, а минутная стрелка геологической истории неподвижна.

Ввиду глобального значения живого вещества как геологического агента область распространения жизни и биогенных продуктов была названа биосферой[42] (сферой жизни). Вещество биосферы делится на живое (организмы), биогенное (созданное живыми организмами), биокосное (результат совместного действия биологических и неорганических процессов) и косное (неорганическое).

Биосфера - оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой в существенных чертах обусловлены прошлой или современной деятельностью живых организмов. Геологическая роль живого вещества проявляется в биогеохимических процессах. Биосфера и земная кора объединены биогенной миграцией атомов. Растения за год усваивают 3,65×10¹¹т СО₂, 1,5×10¹¹т Н₂О и выделяют 2,7 млрд. т О₂[43]. Основное значение в образовании органического вещества растений имеет фотосинтез, который можно описать схемой:

Для перевода 1 моля углекислого газа в углеводы необходимо около 460 Дж тепла, а для выработки 1 моля жирового вещества 600 Дж. Ежегодно растения связывают и превращают в химическую энергию 2000 трлн. квт/час солнечной энергии. При этом в процессе фотосинтеза из воздуха изымается 100 млрд. т углерода. Большая часть углерода возвращается в атмосферу в результате разложения (окисления, горения) органики одновременно высвобождая солнечную (тепловую) энергию. Поедая пищу и обогревая жилье дровами и углем, мы используем законсервированную энергию Солнца.

По оценке В.А. Успенского, общее количество углерода в атмосфере достигает 610 млрд. т. Процесс захоронения органического вещества идет более 3 млрд. лет. В течение года более 1 млрд. т углерода из атмосферы, гидросферы и биосферы уходит в литосферу. Если бы атмосфера систематически не пополнялась углекислым газом за счет газовыделения из недр, примерно за 500 лет весь углерод атмосферы мог бы быть связан в органических отложениях.

Круговорот углерода в атмо- и гидросфере создает условия для развития биосферы. Через посредство живых организмов (главным образом через фотосинтез) солнечная энергия вводится в физико-химические процессы земной коры, а затем перераспределяется через питание, дыхание и размножение организмов, вовлекая в процесс косное вещество. Живые организмы распространены во всем объеме Земли, где жидкая вода находится в состоянии термодинамической устойчивости и в ряде областей с температурой ниже 0^ºС.

Условия среды, в которых возможна жизнедеятельность организмов (поле устойчивости жизни) расширяется с возрастанием её приспособляемости в ходе эволюции, а также за счёт создания защитных оболочек, внутри которых возникают особые условия, отличающиеся от условий окружающей среды. Наибольший размах этот процесс принял с появлением человека, который способен существенно расширять сферу своего обитания (техносфера, ноосфера). Биосфера имеет мозаичное строение, в основе которого лежат различные биогеоценозы — комплексы живых организмов и неорганических компонентов, взаимосвязанных обменом веществ и энергии. Это — единая система, способная к саморегулированию, хотя живое вещество реально проявляется в виде отдельных (дискретных) живых организмов, различающихся составом, строением, образом жизни, видовой принадлежностью.

На Земле существует порядка 2 млн. видов животных и растений. На долю растений приходится ¹/₄÷¹/₃ от общего числа видов. Из животных по числу видов первое место занимают насекомые (более 750 тыс. видов)[44], затем идут моллюски (40÷100 тыс. видов) и позвоночные (60÷70 тыс. видов). Из растений на первом месте — покрытосеменные (150÷300 тыс. видов), затем грибы (70÷100 тыс. видов). Для оценок роли растительности и животного мира в круговороте вещества пользуются понятиями биомассы (общей массы организмов) и биологической продуктивности — способности организмов к воспроизводству биомассы в единицу времени (на единицу площади или объёма места обитания). Масса современного живого вещества оценивается в десятки триллионов тонн. Биомасса растений на суше значительно больше, чем животных. Наиболее велика биомасса лесов (примерно 300 млрд. т сухого вещества). Биомасса почвенных наземных животных около 0,5 млрд. т сухого вещества[45], общая биомасса всех прочих животных суши в 10÷100 раз меньше. Общая биомасса бактерий и других микроорганизмов в биоценозах[46] суши превосходит биомассу животных. Землю с полным правом можно считать планетой бактерий. Общая биомасса всех растительных организмов океана оценивается в 0,3 млрд. т, животных в 6 млрд. т сухого вещества[47]. Годовая продукция С_орг в Мировом океане оценивается в 35÷75×10⁹ т, при величине терригенного сноса 25×10⁹ т. 99% С_орг минерализуется.