Atmosfera Pământului este formată din aproximativ 78% azot și 21% oxigen, cu urme de alte gaze. Oxigenul este esențial pentru întreaga viață animală și pentru multe alte organisme. Deoarece gazul este consumat de formele de viață care respiră oxigen și, de asemenea, tinde să reacționeze cu multe roci și minerale, trebuie să fie reumplut în mod constant. Aproximativ 98% din oxigenul atmosferic provine din fotosinteză, procesul prin care plantele produc zaharuri din dioxid de carbon și apă. Restul rezultă din spargerea apei de către radiațiile ultraviolete.
Fotosinteză
Plantele și unele bacterii folosesc fotosinteza pentru a produce alimente sub formă de zaharuri și alte substanțe bogate în energie. Apa și dioxidul de carbon sunt absorbite de organism, iar lumina soarelui furnizează energie care alimentează procesul. Oxigenul se întâmplă să fie un produs secundar extrem de util. Din câte pot spune oamenii de știință, nivelurile de oxigen de pe Pământ au rămas destul de stabile timp de câteva sute de milioane de ani. Acest lucru indică faptul că producția de oxigen prin fotosinteză a fost mai mult sau mai puțin echilibrată de consumul său prin alte procese, cum ar fi respirația oxigenului sau aerobe, forme de viață și reacții chimice.
Sursele de oxigen atmosferic prin fotosinteză sunt fitoplanctonul, cum ar fi cianobacteriile din ocean și copacii și alte plante verzi de pe uscat. Suma pe care o contribuie fiecare sursă este în dezbatere: unii oameni de știință sugerează că peste jumătate provine din oceane, de exemplu, în timp ce alții spun că numărul este mai aproape de o treime. Ceea ce este clar este că numerele au fluctuat de-a lungul timpului geologic, în funcție de echilibrul vieții de pe Pământ. Când atmosfera sa dezvoltat pentru prima dată, de exemplu, cianobacteriile au contribuit cu cea mai mare parte a oxigenului.
Creșterea nivelului de oxigen
Se crede că, inițial, oxigenul produs de cianobacteriile a fost consumat reacționând cu fierul din sol, roci și ocean, formând compuși de oxid de fier și minerale. Geologii pot estima cantitatea de oxigen din atmosferă în vremuri străvechi analizând tipurile de compuși de fier din roci. În absența oxigenului, fierul tinde să se combine cu sulful, formând sulfuri precum piritele. Când este prezent, totuși, acești compuși se descompun și fierul se combină cu oxigenul, formând oxizi. Ca rezultat, piritele din rocile antice indică niveluri scăzute de oxigen, în timp ce oxizii indică prezența unor cantități semnificative de gaz.
Odată ce cea mai mare parte a fierului disponibil s-a combinat cu oxigenul, gazul a putut să se acumuleze în atmosferă. Se crede că cu aproximativ 2.3 miliarde de ani în urmă, nivelurile crescuseră de la o mică urmă la aproximativ 1% din atmosferă. Lucrurile au părut apoi să se echilibreze pentru o perioadă lungă, pe măsură ce alte organisme au evoluat pentru a folosi oxigenul pentru a furniza energie prin oxidarea carbonului, producând dioxid de carbon (CO2). Au reușit acest lucru mâncând material vegetal organic bogat în carbon, viu sau mort. Acest lucru a creat un echilibru, producția de oxigen prin fotosinteză egalată cu consumul acestuia de către organismele care respiră oxigen.
Se pare că, din cauza acestui echilibru, fotosinteza singură nu poate explica creșterea inițială a oxigenului. O explicație este că o parte din materie organică moartă a fost îngropată în noroi sau alt sediment și nu a fost disponibilă organismelor aerobe. Această materie nu s-a putut combina cu oxigenul atmosferic, așa că nu tot elementul produs a fost consumat în acest fel, permițând creșterea nivelurilor.
La un moment dat mai târziu în istoria Pământului, nivelurile de oxigen au crescut dramatic până la nivelul actual. Unii oameni de știință cred că acest lucru s-ar putea întâmpla cu aproximativ 600 de milioane de ani în urmă. În această perioadă, au apărut o mulțime de organisme multicelulare relativ mari, complexe, care ar fi necesitat niveluri mult mai mari de oxigen. Totuși, nu este clar ce a cauzat această schimbare. În mod interesant, s-a întâmplat când Pământul părea să iasă dintr-o eră glaciară masivă, în timpul căreia cea mai mare parte a planetei a fost acoperită de gheață.
O teorie este că acțiunea ghețarilor, atunci când înaintează și se retrag, măcina roci bogate în fosfor și eliberează cantități uriașe din aceasta în oceane. Fosforul este un nutrient esențial pentru fitoplancton, așa că este posibil să fi cauzat o explozie a acestei forme de viață. Acest lucru ar duce, la rândul său, la creșterea producției de oxigen, cu probabil foarte puțină viață terestră pentru a o consuma. Cu toate acestea, nu toți oamenii de știință sunt de acord cu această teorie și, din 2012, problema rămâne nerezolvată.
Amenințări la nivelul oxigenului atmosferic
Un studiu a arătat că nivelul de oxigen a scăzut constant între 1990 și 2008 cu aproximativ 0.0317% în ansamblu. Acest lucru este atribuit în mare parte arderii combustibililor fosili, care consumă oxigen în ardere. Scăderea este însă mai mică decât se aștepta, având în vedere cantitatea de combustibili fosili arse în acea perioadă. O posibilitate este că nivelurile crescute de dioxid de carbon, eventual combinate cu utilizarea îngrășămintelor, au încurajat creșterea mai rapidă a plantelor și mai multă fotosinteză, compensând parțial pierderea. Se estimează că, chiar dacă toate rezervele de combustibili fosili ale lumii ar fi arse, ar avea doar un impact direct foarte mic asupra nivelului de oxigen.
Defrișarea este o altă preocupare populară. Deși distrugerea unor suprafețe mari de pădure tropicală are multe alte efecte grave asupra mediului, se consideră că este puțin probabil să reducă semnificativ nivelul de oxigen. Pe lângă copaci și alte plante verzi, pădurile tropicale susțin o întreagă gamă de viață care respiră oxigen. Se pare că aceste păduri contribuie foarte puțin la nivelul de oxigen atmosferic în general, deoarece consumă aproape la fel de mult oxigen pe cât produc.
O amenințare mai serioasă poate fi impactul activităților umane asupra fitoplanctonului, care, potrivit unor surse, aduc cea mai mare contribuție la nivelurile globale de oxigen. Există îngrijorarea că creșterea dioxidului de carbon din atmosferă din arderea combustibililor fosili ar putea face oceanele mai calde și mai acide, ceea ce ar putea reduce cantitatea de fitoplancton. Din 2012, dovezile sunt neclare, deoarece diferitele tipuri de fitoplancton sunt afectate diferit. Unele pot scădea în număr, în timp ce altele pot crește și fotosintetiza mai repede.