Maapallon ilmakehä koostuu noin 78% typestä ja 21% hapesta ja pieniä määriä muita kaasuja. Happi on välttämätöntä kaikelle eläimelle ja monille muille organismeille. Koska kaasu kuluu happea hengittäviin elämänmuotoihin ja se reagoi myös monien kivien ja mineraalien kanssa, sitä on täydennettävä jatkuvasti. Noin 98% ilmakehän hapesta tulee fotosynteesistä, prosessista, jolla kasvit tuottavat sokereita hiilidioksidista ja vedestä. Loppuosa johtuu veden hajoamisesta ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta.
Fotosynteesi
Kasvit ja jotkut bakteerit käyttävät fotosynteesiä elintarvikkeiden valmistamiseen sokereiden ja muiden energiarikkaiden aineiden muodossa. Vesi ja hiilidioksidi imeytyvät organismiin, ja auringonvalo tuottaa energiaa prosessin tehostamiseksi. Happi on erittäin hyödyllinen sivutuote. Tiedemiehet voivat tietää, että happipitoisuudet maapallolla ovat pysyneet melko vakaina useita satoja miljoonia vuosia. Tämä osoittaa, että hapen tuotanto fotosynteesin avulla on ollut enemmän tai vähemmän tasapainossa sen kulutuksen kanssa muissa prosesseissa, kuten hapen hengittämisessä tai aerobisissa, elämänmuodoissa ja kemiallisissa reaktioissa.
Ilmakehän hapen lähteet fotosynteesin kautta ovat kasviplanktonia, kuten syanobakteereita meressä, ja puita ja muita vihreitä kasveja maalla. Kunkin lähteen tuottamasta määrästä keskustellaan: jotkut tutkijat ehdottavat, että yli puolet tulee esimerkiksi valtameristä, kun taas toiset pitävät lukua lähempänä kolmannesta. On selvää, että luvut ovat vaihdelleet geologisen ajan kuluessa maapallon elämän tasapainosta riippuen. Esimerkiksi ilmakehän kehittyessä esimerkiksi syanobakteerit tuottivat suurimman osan hapesta.
Happipitoisuuden nousu
Uskotaan, että aluksi syanobakteerien tuottama happi käytettiin reagoidessaan raudan kanssa maaperässä, kivissä ja meressä muodostaen rautaoksidiyhdisteitä ja mineraaleja. Geologit voivat arvioida hapen määrän ilmakehässä muinaisina aikoina tarkastelemalla kivien rautayhdisteitä. Hapen puuttuessa raudalla on taipumus yhdistyä rikin kanssa muodostaen sulfideja, kuten pyriittejä. Kun se on läsnä, nämä yhdisteet kuitenkin hajoavat ja rauta yhdistyy hapen kanssa muodostaen oksideja. Tämän seurauksena muinaisten kivien pyriitit osoittavat alhaisia happipitoisuuksia, kun taas oksidit osoittavat merkittäviä määriä kaasua.
Kun suurin osa käytettävissä olevasta raudasta oli yhdistynyt hapen kanssa, kaasu pystyi kerääntymään ilmakehään. Uskotaan, että noin 2.3 miljardia vuotta sitten tasot olivat nousseet pienestä jäljestä noin 1 prosenttiin ilmakehästä. Asiat näyttivät tasapainottuvan pitkään, kun muut organismit kehittyivät käyttämään happea energian tuottamiseksi hiilidioksidilla (CO2). He saavuttivat tämän syömällä hiilipitoista orgaanista kasvimateriaalia, joko elävää tai kuollutta. Tämä loi tasapainon, ja hapen tuotanto fotosynteesin avulla vastasi sen kulutusta happea hengittävillä organismeilla.
Näyttää siltä, että tämän tasapainon vuoksi fotosynteesi yksin ei voi ottaa huomioon hapen alun nousua. Yksi selitys on, että jotkut kuolleet orgaaniset aineet haudattiin mutaan tai muuhun sedimenttiin, eivätkä ne olleet aerobisten organismien saatavilla. Tätä asiaa ei voitu yhdistää ilmakehän hapen kanssa, joten kaikkia tuotettuja alkuaineita ei käytetty tällä tavalla, jolloin päästöt nousivat.
Jossain vaiheessa maapallon historiaa happitasot nousivat dramaattisesti nykyiselle tasolle. Jotkut tutkijat uskovat, että tämä on voinut tapahtua noin 600 miljoonaa vuotta sitten. Tuolloin ilmestyi paljon suhteellisen suuria, monimutkaisia, monisoluisia organismeja, jotka olisivat vaatineet paljon korkeampia happipitoisuuksia. On kuitenkin epäselvää, mikä tämän muutoksen aiheutti. Mielenkiintoista on, että se tapahtui, kun maapallo näytti nousevan massiivisesta jääkaudesta, jonka aikana suurin osa planeetasta oli jään peitossa.
Yksi teoria on, että jäätiköiden toiminta, kun ne etenevät ja vetäytyvät, jauhoivat runsaasti fosforia sisältävää kiveä ja vapauttivat valtavia määriä sitä valtameriin. Fosfori on välttämätön ravintoaine kasviplanktonille, joten tämä on saattanut aiheuttaa tämän elämän muodon räjähdyksen. Tämä puolestaan johtaisi lisääntyneeseen hapen tuotantoon ja luultavasti hyvin vähän maalla elävää elämää sen käyttämiseen. Kaikki tutkijat eivät kuitenkaan ole samaa mieltä tämän teorian kanssa, ja vuodesta 2012 lähtien kysymys on edelleen ratkaisematta.
Uhat ilmakehän happitasolle
Tutkimus on osoittanut, että happitasot laskivat tasaisesti vuosien 1990 ja 2008 välillä noin 0.0317%. Tämä johtuu pääasiassa fossiilisten polttoaineiden polttamisesta, jotka kuluttavat happea poltettaessa. Lasku on kuitenkin odotettua pienempi, kun otetaan huomioon kyseisenä aikana poltetut fossiiliset polttoaineet. Yksi mahdollisuus on, että lisääntynyt hiilidioksidipitoisuus, mahdollisesti yhdistettynä lannoitteiden käyttöön, on edistänyt kasvien nopeampaa kasvua ja enemmän fotosynteesiä, mikä osittain kompensoi menetyksen. On arvioitu, että vaikka kaikki maailman fossiilisten polttoaineiden varastot poltettaisiin, sillä olisi vain hyvin pieni suora vaikutus happitasoon.
Metsäkato on toinen suosittu huolenaihe. Vaikka suurten sademetsäalueiden tuhoamisella on monia muita vakavia ympäristövaikutuksia, sen ei katsota todennäköisesti vähentävän merkittävästi happitasoja. Puiden ja muiden vihreiden kasvien lisäksi sademetsät tukevat monenlaista happea hengittävää elämää. Näyttää siltä, että nämä metsät vaikuttavat hyvin vähän ilmakehän happitasoon, koska ne kuluttavat lähes yhtä paljon happea kuin tuottavat.
Vakavampi uhka voi olla ihmisen toiminnan vaikutus kasviplanktoniin, joka joidenkin lähteiden mukaan vaikuttaa eniten maailman happipitoisuuteen. On huolestuttavaa, että fossiilisten polttoaineiden palamisesta ilmakehässä lisääntynyt hiilidioksidi voi tehdä valtameristä lämpimämpiä ja happamampia, mikä voi vähentää kasviplanktonin määrää. Vuodesta 2012 lähtien todisteet ovat epäselviä, koska erilaiset kasviplanktonit vaikuttavat eri tavalla. Joidenkin määrä voi laskea, kun taas toisten määrä kasvaa ja fotosynteesi nopeutuu.