Η ατμόσφαιρα της Γης αποτελείται από περίπου 78% άζωτο και 21% οξυγόνο, με ίχνη άλλων αερίων. Το οξυγόνο είναι απαραίτητο για όλη τη ζωή των ζώων και για πολλούς άλλους οργανισμούς. Δεδομένου ότι το αέριο καταναλώνεται από μορφές ζωής που αναπνέουν οξυγόνο και τείνει επίσης να αντιδρά με πολλά πετρώματα και μέταλλα, πρέπει να αναπληρώνεται συνεχώς. Περίπου το 98% του ατμοσφαιρικού οξυγόνου προέρχεται από τη φωτοσύνθεση, τη διαδικασία με την οποία τα φυτά παράγουν σάκχαρα από διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Το υπόλοιπο προκύπτει από τη διάσπαση του νερού από την υπεριώδη ακτινοβολία.
Φωτοσύνθεση
Τα φυτά και ορισμένα βακτήρια χρησιμοποιούν τη φωτοσύνθεση για να παράγουν τρόφιμα με τη μορφή σακχάρων και άλλων ουσιών πλούσιων σε ενέργεια. Το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα προσλαμβάνονται από τον οργανισμό και το ηλιακό φως παρέχει ενέργεια που τροφοδοτεί τη διαδικασία. Το οξυγόνο τυχαίνει να είναι ένα εξαιρετικά χρήσιμο υποπροϊόν. Όσο μπορούν να πουν οι επιστήμονες, τα επίπεδα οξυγόνου στη Γη έχουν παραμείνει αρκετά σταθερά για αρκετές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια. Αυτό δείχνει ότι η παραγωγή οξυγόνου μέσω της φωτοσύνθεσης έχει ισορροπήσει περισσότερο ή λιγότερο από την κατανάλωσή του από άλλες διαδικασίες, όπως αναπνοή οξυγόνου ή αερόβια, μορφές ζωής και χημικές αντιδράσεις.
Οι πηγές ατμοσφαιρικού οξυγόνου μέσω της φωτοσύνθεσης είναι το φυτοπλαγκτόν, όπως τα κυανοβακτήρια στον ωκεανό και τα δέντρα και άλλα πράσινα φυτά στη στεριά. Το ποσό που συνεισφέρει κάθε πηγή είναι υπό συζήτηση: ορισμένοι επιστήμονες προτείνουν ότι πάνω από το μισό προέρχεται από ωκεανούς, για παράδειγμα, ενώ άλλοι θέτουν τον αριθμό κοντά στο ένα τρίτο. Αυτό που είναι ξεκάθαρο είναι ότι οι αριθμοί έχουν διακυμάνσει σε γεωλογικό χρόνο, ανάλογα με την ισορροπία της ζωής στη Γη. Όταν η ατμόσφαιρα αναπτύχθηκε για πρώτη φορά, για παράδειγμα, τα κυανοβακτήρια συνέβαλαν το μεγαλύτερο μέρος του οξυγόνου.
Η άνοδος στα επίπεδα οξυγόνου
Πιστεύεται ότι, αρχικά, το οξυγόνο που παράγεται από τα κυανοβακτήρια εξαντλήθηκε αντιδρώντας με το σίδηρο σε εδάφη, πετρώματα και ωκεανούς, σχηματίζοντας ενώσεις και μέταλλα οξειδίου του σιδήρου. Οι γεωλόγοι μπορούν να εκτιμήσουν την ποσότητα οξυγόνου στην ατμόσφαιρα στην αρχαιότητα εξετάζοντας τα είδη των ενώσεων σιδήρου στους βράχους. Ελλείψει οξυγόνου, ο σίδηρος τείνει να συνδυάζεται με θείο, σχηματίζοντας σουλφίδια όπως πυρίτες. Όταν υπάρχει, όμως, αυτές οι ενώσεις διασπώνται και ο σίδηρος συνδυάζεται με οξυγόνο, σχηματίζοντας οξείδια. Ως αποτέλεσμα, οι πυρίτες στα αρχαία πετρώματα δείχνουν χαμηλά επίπεδα οξυγόνου, ενώ τα οξείδια υποδεικνύουν την παρουσία σημαντικών ποσοτήτων αερίου.
Μόλις το μεγαλύτερο μέρος του διαθέσιμου σιδήρου είχε συνδυαστεί με οξυγόνο, το αέριο μπόρεσε να συσσωρευτεί στην ατμόσφαιρα. Πιστεύεται ότι πριν από περίπου 2.3 δισεκατομμύρια χρόνια, τα επίπεδα είχαν αυξηθεί από ένα μικρό ίχνος σε περίπου 1% της ατμόσφαιρας. Τα πράγματα τότε φαίνονταν να ισορροπούν για μεγάλο χρονικό διάστημα καθώς άλλοι οργανισμοί εξελίχθηκαν για να χρησιμοποιούν οξυγόνο για να παρέχουν ενέργεια μέσω της οξείδωσης του άνθρακα, παράγοντας διοξείδιο του άνθρακα (CO2). Το πέτυχαν τρώγοντας οργανικό φυτικό υλικό πλούσιο σε άνθρακα, είτε ζωντανό είτε νεκρό. Αυτό δημιούργησε μια ισορροπία, με την παραγωγή οξυγόνου μέσω της φωτοσύνθεσης να συνδυάζεται με την κατανάλωσή του από οργανισμούς που αναπνέουν οξυγόνο.
Φαίνεται ότι, λόγω αυτής της ισορροπίας, η φωτοσύνθεση από μόνη της δεν μπορεί να εξηγήσει την αρχική αύξηση του οξυγόνου. Μια εξήγηση είναι ότι κάποια νεκρή οργανική ύλη θάφτηκε στη λάσπη ή σε άλλα ιζήματα και δεν ήταν διαθέσιμη σε αερόβιους οργανισμούς. Αυτό το υλικό δεν μπορούσε να συνδυαστεί με ατμοσφαιρικό οξυγόνο, οπότε δεν εξαντλήθηκε όλο το παραγόμενο στοιχείο με αυτόν τον τρόπο, επιτρέποντας την αύξηση των επιπέδων.
Κάποια στιγμή αργότερα στην ιστορία της Γης, τα επίπεδα οξυγόνου αυξήθηκαν δραματικά στο σημερινό τους επίπεδο. Μερικοί επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτό μπορεί να συνέβη πριν από περίπου 600 εκατομμύρια χρόνια. Εκείνη την εποχή, εμφανίστηκαν πολλοί σχετικά μεγάλοι, πολύπλοκοι, πολυκύτταροι οργανισμοί που θα απαιτούσαν πολύ υψηλότερα επίπεδα οξυγόνου. Ωστόσο, δεν είναι σαφές τι προκάλεσε αυτήν την αλλαγή. Είναι ενδιαφέρον ότι συνέβη καθώς η Γη φαινόταν να αναδύεται από μια τεράστια εποχή των παγετώνων, κατά τη διάρκεια της οποίας το μεγαλύτερο μέρος του πλανήτη ήταν καλυμμένο από πάγο.
Μία θεωρία είναι ότι η δράση των παγετώνων, όταν προχωρούσαν και υποχωρούσαν, σχημάτισε βράχο πλούσιο σε φώσφορο και απελευθέρωσε τεράστιες ποσότητες από αυτόν στους ωκεανούς. Ο φώσφορος είναι ένα βασικό θρεπτικό συστατικό για το φυτοπλαγκτόν, επομένως αυτό μπορεί να έχει προκαλέσει μια έκρηξη αυτής της μορφής ζωής. Αυτό, με τη σειρά του, θα οδηγούσε σε αυξημένη παραγωγή οξυγόνου, με πιθανότατα πολύ λίγη χερσαία ζωή να το εξαντλήσει. Ωστόσο, δεν συμφωνούν όλοι οι επιστήμονες με αυτήν τη θεωρία και από το 2012, το ζήτημα παραμένει άλυτο.
Απειλές για τα επίπεδα ατμοσφαιρικού οξυγόνου
Μια μελέτη έδειξε ότι τα επίπεδα οξυγόνου μειώθηκαν σταθερά μεταξύ 1990 και 2008 κατά περίπου 0.0317% συνολικά. Αυτό αποδίδεται κυρίως στην καύση ορυκτών καυσίμων, τα οποία καταναλώνουν οξυγόνο κατά την καύση. Ωστόσο, η μείωση είναι μικρότερη από το αναμενόμενο, δεδομένης της ποσότητας ορυκτών καυσίμων που καίγονται κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Μια πιθανότητα είναι ότι τα αυξημένα επίπεδα διοξειδίου του άνθρακα, ενδεχομένως σε συνδυασμό με τη χρήση λιπασμάτων, έχουν ενθαρρύνει την ταχύτερη ανάπτυξη των φυτών και περισσότερη φωτοσύνθεση, αντισταθμίζοντας εν μέρει την απώλεια. Εκτιμάται ότι ακόμη και αν καίγονταν όλα τα αποθέματα ορυκτών καυσίμων στον κόσμο, θα είχε μόνο μια πολύ μικρή άμεση επίπτωση στα επίπεδα οξυγόνου.
Η αποψίλωση των δασών είναι μια άλλη δημοφιλής ανησυχία. Αν και η καταστροφή μεγάλων περιοχών τροπικού δάσους έχει πολλές άλλες σοβαρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις, θεωρείται απίθανο να μειώσει σημαντικά τα επίπεδα οξυγόνου. Εκτός από τα δέντρα και άλλα πράσινα φυτά, τα τροπικά δάση υποστηρίζουν μια ολόκληρη γκάμα αναπνοής οξυγόνου. Φαίνεται ότι αυτά τα δάση συμβάλλουν ελάχιστα στα επίπεδα ατμοσφαιρικού οξυγόνου συνολικά, καθώς καταναλώνουν σχεδόν τόσο οξυγόνο όσο παράγουν.
Μια πιο σοβαρή απειλή μπορεί να είναι ο αντίκτυπος των ανθρώπινων δραστηριοτήτων στο φυτοπλαγκτόν, τα οποία, σύμφωνα με ορισμένες πηγές, συμβάλλουν τη μεγαλύτερη συμβολή στα παγκόσμια επίπεδα οξυγόνου. Υπάρχει ανησυχία ότι το αυξημένο διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα από την καύση ορυκτών καυσίμων θα μπορούσε να κάνει τους ωκεανούς πιο ζεστούς και όξινους, γεγονός που θα μπορούσε να μειώσει την ποσότητα του φυτοπλαγκτού. Από το 2012, τα στοιχεία είναι ασαφή, καθώς διαφορετικοί τύποι φυτοπλαγκτού επηρεάζονται διαφορετικά. Μερικά μπορεί να μειωθούν σε αριθμό, ενώ άλλα μπορεί να μεγαλώσουν και να φωτοσυνθεθούν γρηγορότερα.