Jordens atmosfär består av cirka 78 % kväve och 21 % syre, med spårmängder av andra gaser. Syre är viktigt för allt djurliv och för många andra organismer. Eftersom gasen förbrukas av syreandande livsformer, och dessutom tenderar att reagera med många stenar och mineraler, måste den ständigt fyllas på. Cirka 98 % av atmosfärens syre kommer från fotosyntes, den process genom vilken växter producerar socker från koldioxid och vatten. Resten är resultatet av vattensönderdelning genom ultraviolett strålning.
Fotosyntes
Växter och vissa bakterier använder fotosyntes för att tillverka mat i form av sockerarter och andra energirika ämnen. Vatten och koldioxid tas upp av organismen, och solljus ger energi som driver processen. Syre råkar vara en mycket användbar biprodukt. Såvitt forskarna kan säga har syrenivåerna på jorden varit ganska stabila i flera hundra miljoner år. Detta indikerar att syreproduktion genom fotosyntes har mer eller mindre balanserats av dess konsumtion av andra processer, såsom syreandning, eller aeroba, livsformer och kemiska reaktioner.
Källorna till atmosfäriskt syre genom fotosyntes är växtplankton, såsom cyanobakterier i havet, och träd och andra gröna växter på land. Mängden som varje källa bidrar med är under debatt: vissa forskare tyder på att mer än hälften kommer från hav, till exempel, medan andra sätter siffran på närmare en tredjedel. Det som är tydligt är att siffrorna har fluktuerat över geologisk tid, beroende på balansen mellan livet på jorden. När atmosfären först utvecklades bidrog till exempel cyanobakterier med det mesta av syret.
Ökningen av syrenivåerna
Man tror att syre som producerats av cyanobakterier till en början användes för att reagera med järn i jordar, stenar och havet och bildade järnoxidföreningar och mineraler. Geologer kan uppskatta mängden syre i atmosfären under antiken genom att titta på de typer av järnföreningar i bergarter. I frånvaro av syre tenderar järn att kombineras med svavel och bilda sulfider som pyrit. När det är närvarande bryts emellertid dessa föreningar ner och järnet kombineras med syre och bildar oxider. Som ett resultat indikerar pyrit i gamla bergarter låga syrenivåer, medan oxider indikerar närvaron av betydande mängder av gasen.
När det mesta av det tillgängliga järnet hade kombinerats med syre kunde gasen ackumuleras i atmosfären. Man tror att för cirka 2.3 miljarder år sedan hade nivåerna stigit från ett litet spår till cirka 1% av atmosfären. Saker och ting verkade sedan balansera ut under en lång period när andra organismer utvecklades för att använda syre för att ge energi genom oxidation av kol, vilket producerade koldioxid (CO2). De uppnådde detta genom att äta kolrikt organiskt växtmaterial, antingen levande eller dött. Detta skapade en balans, med syreproduktion genom fotosyntes matchad av dess konsumtion av syreandande organismer.
Det verkar som om, på grund av denna balans, fotosyntes ensam inte kan förklara den initiala ökningen av syre. En förklaring är att en del dött organiskt material begravdes i lera eller annat sediment och inte var tillgängligt för aeroba organismer. Detta ämne kunde inte kombineras med atmosfäriskt syre, så inte allt grundämne som producerades förbrukades på detta sätt, vilket gjorde att nivåerna kunde stiga.
Vid någon tidpunkt senare i jordens historia steg syrenivåerna dramatiskt till runt deras nuvarande nivå. Vissa forskare tror att detta kan ha hänt för cirka 600 miljoner år sedan. Ungefär vid denna tid dök det upp väldigt många relativt stora, komplexa, flercelliga organismer som skulle ha krävt mycket högre syrenivåer. Det är dock inte klart vad som orsakade denna förändring. Intressant nog inträffade det när jorden verkade komma ur en massiv istid, under vilken större delen av planeten var täckt av is.
En teori är att glaciärernas verkan, när de går framåt och drar sig tillbaka, malde upp sten rik på fosfor och släppte ut enorma mängder av den i haven. Fosfor är ett viktigt näringsämne för växtplankton, så detta kan ha orsakat en explosion av denna livsform. Detta skulle i sin tur leda till ökad produktion av syre, med sannolikt mycket lite landbaserat liv att använda det. Alla forskare håller dock inte med om denna teori, och från och med 2012 är problemet fortfarande olöst.
Hot mot atmosfäriska syrenivåer
En studie har visat att syrenivåerna minskade stadigt mellan 1990 och 2008 med cirka 0.0317 % totalt. Detta tillskrivs främst förbränning av fossila bränslen, som använder syre vid förbränning. Nedgången är dock mindre än väntat med tanke på mängden fossila bränslen som bränts under den perioden. En möjlighet är att ökade nivåer av koldioxid, möjligen i kombination med användning av konstgödsel, har uppmuntrat snabbare växttillväxt och mer fotosyntes, vilket delvis kompenserar för förlusten. Det uppskattas att även om alla världens fossila bränslereserver skulle förbrännas så skulle det bara ha en mycket liten direkt inverkan på syrehalten.
Avskogning är ett annat populärt problem. Även om förstörelsen av stora delar av regnskogen har många andra allvarliga miljöeffekter, anses det osannolikt att det avsevärt minskar syrehalten. Förutom träd och andra gröna växter stödjer regnskogar en hel rad av syreandande liv. Det verkar som att dessa skogar bidrar väldigt lite till atmosfärens syrenivåer totalt sett, eftersom de förbrukar nästan lika mycket syre som de producerar.
Ett allvarligare hot kan vara påverkan av mänskliga aktiviteter på växtplankton, som enligt vissa källor ger det största bidraget till globala syrenivåer. Det finns en oro för att ökad koldioxid i atmosfären från förbränning av fossila bränslen kan göra haven varmare och surare, vilket kan minska mängden växtplankton. Från och med 2012 är bevisen oklara, eftersom olika typer av växtplankton påverkas olika. Vissa kan minska i antal, medan andra kan växa och fotosyntetisera snabbare.