Zemljino ozračje je sestavljeno iz približno 78 % dušika in 21 % kisika ter drugih plinov v sledovih. Kisik je nujen za vse živali in številne druge organizme. Ker plin porabljajo življenjske oblike, ki dihajo kisik, poleg tega pa je nagnjen k reakciji s številnimi kamninami in minerali, ga je treba nenehno dopolnjevati. Približno 98 % atmosferskega kisika prihaja iz fotosinteze, procesa, s katerim rastline proizvajajo sladkorje iz ogljikovega dioksida in vode. Preostanek je posledica razpada vode z ultravijoličnim sevanjem.
Fotosinteza
Rastline in nekatere bakterije uporabljajo fotosintezo za proizvodnjo hrane v obliki sladkorjev in drugih energijsko bogatih snovi. Organizem absorbira vodo in ogljikov dioksid, sončna svetloba pa zagotavlja energijo, ki poganja proces. Kisik je zelo uporaben stranski produkt. Kolikor znanstveniki lahko povedo, so ravni kisika na Zemlji ostale dokaj stabilne že nekaj sto milijonov let. To kaže, da je bila proizvodnja kisika s fotosintezo bolj ali manj uravnotežena z njegovo porabo pri drugih procesih, kot so dihanje kisika ali aerobne oblike življenja in kemične reakcije.
Viri atmosferskega kisika s fotosintezo so fitoplankton, kot so cianobakterije v oceanu, ter drevesa in druge zelene rastline na kopnem. O znesku, ki ga prispeva vsak vir, se razpravlja: nekateri znanstveniki menijo, da več kot polovica na primer izvira iz oceanov, medtem ko drugi navajajo številko bližje tretjini. Jasno je, da so številke v geološkem času nihale, odvisno od ravnovesja življenja na Zemlji. Ko se je atmosfera prvič razvijala, so na primer cianobakterije prispevale večino kisika.
Dvig ravni kisika
Domneva se, da se je sprva kisik, ki ga proizvajajo cianobakterije, porabil za reakcijo z železom v tleh, kamninah in oceanu, pri čemer so tvorile spojine in minerale železovega oksida. Geologi lahko ocenijo količino kisika v ozračju v starih časih, če pogledajo vrste železovih spojin v kamninah. V odsotnosti kisika se železo nagiba k združevanju z žveplom in tvori sulfide, kot so pirit. Ko je prisoten, pa se te spojine razgradijo in železo se poveže s kisikom in tvori okside. Posledično pirit v starodavnih kamninah kaže na nizko raven kisika, medtem ko oksidi kažejo na prisotnost znatnih količin plina.
Ko se je večina razpoložljivega železa združila s kisikom, se je plin lahko kopičil v ozračju. Domneva se, da so se pred približno 2.3 milijarde let ravni dvignile iz majhne sledi na približno 1 % atmosfere. Zdelo se je, da so se stvari za dolgo časa uravnovesile, saj so se drugi organizmi razvili, da bi uporabljali kisik za zagotavljanje energije z oksidacijo ogljika, pri čemer so nastali ogljikov dioksid (CO2). To so dosegli z uživanjem ogljika bogatega organskega rastlinskega materiala, živega ali mrtvega. To je ustvarilo ravnovesje, pri čemer se proizvodnja kisika s fotosintezo ujema z njegovo porabo s strani organizmov, ki dihajo kisik.
Zdi se, da zaradi tega ravnovesja samo fotosinteza ne more upoštevati začetnega dviga kisika. Ena od razlag je, da se je nekaj mrtve organske snovi zasulo v blato ali drugo usedlino in ni bilo na voljo aerobnim organizmom. Ta snov se ni mogla združiti z atmosferskim kisikom, zato ni bil ves proizvedeni element porabljen na ta način, kar je omogočilo dvig ravni.
Na neki točki pozneje v zgodovini Zemlje so se ravni kisika dramatično dvignile na približno sedanjo raven. Nekateri znanstveniki verjamejo, da se je to morda zgodilo pred približno 600 milijoni let. Približno v tem času se je pojavilo veliko razmeroma velikih, zapletenih, večceličnih organizmov, ki bi zahtevali veliko višje ravni kisika. Ni pa jasno, kaj je povzročilo to spremembo. Zanimivo je, da se je to zgodilo, ko se je zdelo, da Zemlja izhaja iz ogromne ledene dobe, med katero je bil večji del planeta pokrit z ledom.
Ena od teorij je, da je delovanje ledenikov, ko so napredovali in se umikali, zmlelo kamnine, bogate s fosforjem, in jih izpustilo ogromne količine v oceane. Fosfor je bistveno hranilo za fitoplankton, zato je to morda povzročilo eksplozijo te oblike življenja. To bi posledično povzročilo povečano proizvodnjo kisika, verjetno pa bi ga porabilo zelo malo kopenskega življenja. Vendar se vsi znanstveniki ne strinjajo s to teorijo in od leta 2012 to vprašanje ostaja nerešeno.
Grožnje ravni kisika v ozračju
Študija je pokazala, da se je raven kisika med letoma 1990 in 2008 enakomerno zniževala za približno 0.0317 % na splošno. To je predvsem posledica izgorevanja fosilnih goriv, ki pri zgorevanju porabijo kisik. Vendar pa je upad manjši od pričakovanega glede na količino pokurjenih fosilnih goriv v tem obdobju. Ena od možnosti je, da so povečane ravni ogljikovega dioksida, morda v kombinaciji z uporabo gnojil, spodbudile hitrejšo rast rastlin in več fotosinteze, kar je delno kompenziralo izgubo. Ocenjuje se, da tudi če bi pogorele vse svetovne zaloge fosilnih goriv, bi to imelo zelo majhen neposreden vpliv na raven kisika.
Krčenje gozdov je še ena priljubljena skrb. Čeprav ima uničenje velikih območij deževnega gozda številne druge resne posledice za okolje, je malo verjetno, da bi bistveno zmanjšalo raven kisika. Poleg dreves in drugih zelenih rastlin, deževni gozdovi podpirajo celo vrsto življenja, ki diha kisik. Zdi se, da ti gozdovi zelo malo prispevajo k splošni ravni kisika v ozračju, saj porabijo skoraj toliko kisika, kot ga proizvedejo.
Resnejšo grožnjo lahko predstavlja vpliv človekovih dejavnosti na fitoplankton, ki po nekaterih virih največ prispeva k svetovni ravni kisika. Obstaja zaskrbljenost, da bi povečan ogljikov dioksid v ozračju zaradi izgorevanja fosilnih goriv lahko naredil oceane toplejši in bolj kisli, kar bi lahko zmanjšalo količino fitoplanktona. Od leta 2012 dokazi niso jasni, saj so različne vrste fitoplanktona prizadete različno. Nekaterih se lahko zmanjša število, medtem ko lahko drugi rastejo in fotosintetizirajo hitreje.