Zemes atmosfērā ir aptuveni 78% slāpekļa un 21% skābekļa, kā arī neliels daudzums citu gāzu. Skābeklis ir būtisks visai dzīvnieku dzīvībai un daudziem citiem organismiem. Tā kā gāzi iztērē dzīvības formas, kas elpo ar skābekli, kā arī mēdz reaģēt ar daudziem akmeņiem un minerāliem, tā ir pastāvīgi jāpapildina. Apmēram 98% atmosfēras skābekļa nāk no fotosintēzes, procesa, kurā augi ražo cukurus no oglekļa dioksīda un ūdens. Pārējais rodas no ūdens sadalīšanās ultravioletā starojuma ietekmē.
Fotosintēze
Augi un dažas baktērijas izmanto fotosintēzi, lai ražotu pārtiku cukuru un citu enerģiju bagātu vielu veidā. Organisms uzņem ūdeni un oglekļa dioksīdu, un saules gaisma nodrošina enerģiju, kas nodrošina procesu. Skābeklis ir ļoti noderīgs blakusprodukts. Cik zinātnieki var pateikt, skābekļa līmenis uz Zemes ir saglabājies diezgan stabils vairākus simtus miljonu gadu. Tas norāda, ka skābekļa ražošana fotosintēzes ceļā ir vairāk vai mazāk līdzsvarota ar tā patēriņu citos procesos, piemēram, skābekļa elpošanas vai aerobās dzīvības formās un ķīmiskajās reakcijās.
Fotosintēzes rezultātā atmosfēras skābekļa avoti ir fitoplanktons, piemēram, zilaļģes okeānā, koki un citi zaļie augi uz sauszemes. Katra avota ieguldījuma summa tiek apspriesta: daži zinātnieki uzskata, ka vairāk nekā puse nāk, piemēram, no okeāniem, savukārt citi uzskata, ka šis skaitlis ir tuvāks vienai trešdaļai. Skaidrs ir tas, ka skaitļi ģeoloģiskā laika gaitā ir svārstījušies atkarībā no dzīvības līdzsvara uz Zemes. Piemēram, kad atmosfēra pirmo reizi attīstījās, cianobaktērijas nodrošināja lielāko daļu skābekļa.
Skābekļa līmeņa paaugstināšanās
Tiek uzskatīts, ka sākotnēji zilaļģu radītais skābeklis tika izmantots, reaģējot ar dzelzi augsnē, iežos un okeānā, veidojot dzelzs oksīda savienojumus un minerālvielas. Ģeologi senatnē var novērtēt skābekļa daudzumu atmosfērā, aplūkojot dzelzs savienojumu veidus iežos. Ja nav skābekļa, dzelzs mēdz apvienoties ar sēru, veidojot sulfīdus, piemēram, pirītus. Tomēr, kad tas ir klāt, šie savienojumi sadalās, un dzelzs savienojas ar skābekli, veidojot oksīdus. Rezultātā pirīti senajos iežos norāda uz zemu skābekļa līmeni, savukārt oksīdi norāda uz ievērojama gāzes daudzuma klātbūtni.
Kad lielākā daļa pieejamās dzelzs bija savienojusies ar skābekli, gāze spēja uzkrāties atmosfērā. Tiek uzskatīts, ka apmēram pirms 2.3 miljardiem gadu līmenis bija pieaudzis no niecīgām pēdām līdz aptuveni 1% atmosfēras. Pēc tam šķita, ka lietas ilgu laiku līdzsvarojās, jo citi organismi attīstījās, lai izmantotu skābekli, lai nodrošinātu enerģiju, oksidējot oglekli, radot oglekļa dioksīdu (CO2). Viņi to panāca, ēdot ar oglekli bagātu organisko augu materiālu, dzīvu vai mirušu. Tas radīja līdzsvaru, skābekļa ražošanu fotosintēzes ceļā saskaņojot ar skābekli elpojošo organismu patēriņu.
Šķiet, ka šī līdzsvara dēļ tikai fotosintēze nevar izskaidrot sākotnējo skābekļa pieaugumu. Viens no izskaidrojumiem ir tāds, ka dažas mirušās organiskās vielas tika apraktas dubļos vai citos nogulumos un nebija pieejamas aerobiem organismiem. Šī viela nevarēja apvienoties ar atmosfēras skābekli, tāpēc ne viss saražotais elements tika izlietots šādā veidā, ļaujot līmenim paaugstināties.
Kādā brīdī vēlāk Zemes vēsturē skābekļa līmenis dramatiski pieauga līdz apmēram pašreizējam līmenim. Daži zinātnieki uzskata, ka tas varētu būt noticis apmēram pirms 600 miljoniem gadu. Ap šo laiku parādījās ļoti daudz salīdzinoši lielu, sarežģītu, daudzšūnu organismu, kam būtu bijis nepieciešams daudz augstāks skābekļa līmenis. Tomēr nav skaidrs, kas izraisīja šīs izmaiņas. Interesanti, ka tas notika laikā, kad Zeme, šķiet, iziet no masīva ledus laikmeta, kura laikā lielāko planētas daļu klāja ledus.
Viena teorija ir tāda, ka ledāju darbība, virzoties uz priekšu un atkāpjoties, sasmalcina ar fosforu bagātus akmeņus un izlaida milzīgus tā daudzumus okeānos. Fosfors ir būtiska uzturviela fitoplanktonam, tāpēc tas var būt izraisījis šīs dzīvības formas eksploziju. Tas savukārt izraisītu palielinātu skābekļa ražošanu, un, iespējams, uz sauszemes to izlietotu ļoti maz. Tomēr ne visi zinātnieki piekrīt šai teorijai, un 2012. gadā problēma joprojām nav atrisināta.
Atmosfēras skābekļa līmeņa draudi
Pētījums parādīja, ka no 1990. līdz 2008. gadam skābekļa līmenis nepārtraukti samazinājās par aptuveni 0.0317%. Tas galvenokārt ir saistīts ar fosilā kurināmā sadedzināšanu, kas degot patērē skābekli. Tomēr samazinājums ir mazāks, nekā gaidīts, ņemot vērā šajā periodā sadedzinātā fosilā kurināmā daudzumu. Viena iespēja ir tāda, ka paaugstināts oglekļa dioksīda līmenis, iespējams, kopā ar mēslošanas līdzekļu izmantošanu, ir veicinājis ātrāku augu augšanu un vairāk fotosintēzes, daļēji kompensējot zaudējumus. Tiek lēsts, ka pat tad, ja tiktu sadedzinātas visas pasaules fosilā kurināmā rezerves, tam būtu tikai ļoti neliela tieša ietekme uz skābekļa līmeni.
Vēl viena populāra problēma ir mežu izciršana. Lai gan lielu lietus mežu platību iznīcināšanai ir daudz citu nopietnu ietekmi uz vidi, tiek uzskatīts, ka tas būtiski nesamazinās skābekļa līmeni. Papildus kokiem un citiem zaļajiem augiem lietus meži nodrošina virkni dzīvības, kas elpo ar skābekli. Šķiet, ka šie meži ļoti maz veicina atmosfēras skābekļa līmeni kopumā, jo tie patērē gandrīz tikpat daudz skābekļa, cik tie rada.
Nopietnāks drauds var būt cilvēka darbības ietekme uz fitoplanktonu, kas saskaņā ar dažiem avotiem dod lielāko ieguldījumu globālajā skābekļa līmenī. Pastāv bažas, ka oglekļa dioksīda palielināšanās atmosfērā no fosilā kurināmā sadedzināšanas var padarīt okeānus siltākus un skābākus, kas varētu samazināt fitoplanktona daudzumu. 2012. gadā pierādījumi ir neskaidri, jo dažādi fitoplanktona veidi tiek ietekmēti atšķirīgi. Dažu skaits var samazināties, savukārt citi var augt un fotosintēzēt ātrāk.