Maa atmosfäär koosneb ligikaudu 78% lämmastikust ja 21% hapnikust ning vähesel määral ka muid gaase. Hapnik on oluline kogu loomade ja paljude teiste organismide jaoks. Kuna gaasi kasutavad ära hapnikku hingavad eluvormid ning kipuvad reageerima ka paljude kivimite ja mineraalidega, tuleb seda pidevalt täiendada. Umbes 98% õhuhapnikust pärineb fotosünteesist, protsessist, mille käigus taimed toodavad süsihappegaasist ja veest suhkruid. Ülejäänud osa tuleneb vee lagunemisest ultraviolettkiirguse toimel.
Fotosüntees
Taimed ja mõned bakterid kasutavad fotosünteesi, et toota toitu suhkrute ja muude energiarikaste ainete kujul. Organism omastab vett ja süsinikdioksiidi ning päikesevalgus annab protsessile energiat. Hapnik on väga kasulik kõrvalsaadus. Teadlaste hinnangul on hapnikutase Maal püsinud üsna stabiilsena mitusada miljonit aastat. See näitab, et hapniku tootmist fotosünteesi teel on enam-vähem tasakaalustanud selle tarbimine muude protsesside, näiteks hapniku hingamise või aeroobsete eluvormide ja keemiliste reaktsioonide poolt.
Fotosünteesi kaudu õhuhapniku allikateks on fütoplankton, näiteks tsüanobakterid ookeanis ning puud ja muud rohelised taimed maismaal. Iga allika panuse suurus on arutluse all: mõned teadlased väidavad, et üle poole pärineb näiteks ookeanidest, samas kui teised arvavad, et see arv läheneb kolmandikule. Selge on see, et arvud on geoloogilise aja jooksul kõikunud, olenevalt elu tasakaalust Maal. Näiteks kui atmosfäär esmakordselt arenes, andsid tsüanobakterid suurema osa hapnikust.
Hapnikutaseme tõus
Arvatakse, et algselt kasutati tsüanobakterite toodetud hapnikku pinnases, kivimites ja ookeanis rauaga reageerides ära, moodustades raudoksiidi ühendeid ja mineraale. Geoloogid saavad iidsetel aegadel hinnata hapniku kogust atmosfääris, vaadates kivimites leiduvaid rauaühendeid. Hapniku puudumisel kipub raud ühinema väävliga, moodustades sulfiide, näiteks püriite. Kui see on olemas, siis need ühendid lagunevad ja raud ühineb hapnikuga, moodustades oksiide. Selle tulemusena näitavad püriidid iidsetes kivimites madalat hapnikusisaldust, oksiidid aga märkimisväärses koguses gaasi olemasolu.
Kui suurem osa saadaolevast rauast oli hapnikuga ühinenud, suutis gaas atmosfääri koguneda. Arvatakse, et umbes 2.3 miljardit aastat tagasi oli tase tõusnud väikeselt jäljelt umbes 1%ni atmosfäärist. Seejärel näis olukord pikka aega tasakaalustuvat, kuna teised organismid hakkasid kasutama hapnikku, et saada energiat süsiniku oksüdeerimise teel, tekitades süsinikdioksiidi (CO2). Nad saavutasid selle, süües süsinikurikast orgaanilist taimset materjali, kas elusat või surnud. See lõi tasakaalu, kus hapniku tootmine fotosünteesi kaudu sobis hapniku tarbimisega hapnikku hingavate organismide poolt.
Näib, et selle tasakaalu tõttu ei saa fotosüntees üksi arvestada hapniku esialgse tõusu. Üks seletus on see, et osa surnud orgaanilist ainet mattus muda või muusse setetesse ega olnud aeroobsetele organismidele kättesaadav. Seda ainet ei saanud õhuhapnikuga kombineerida, nii et kogu toodetud elementi ei kasutatud sel viisil ära, mis võimaldas tasemetel tõusta.
Mingil hetkel hiljem Maa ajaloos tõusis hapnikutase dramaatiliselt praeguse tasemeni. Mõned teadlased usuvad, et see võis juhtuda umbes 600 miljonit aastat tagasi. Umbes sel ajal ilmus palju suhteliselt suuri, keerulisi, mitmerakulisi organisme, mis oleksid nõudnud palju kõrgemat hapnikutaset. Siiski pole selge, mis selle muutuse põhjustas. Huvitaval kombel juhtus see siis, kui Maa näis väljuvat tohutust jääajast, mille jooksul oli suurem osa planeedist kaetud jääga.
Üks teooria on see, et liustike toimel edenedes ja taandudes jahvatasid fosforirikkad kivimid ja paiskasid seda tohutul hulgal ookeanidesse. Fosfor on fütoplanktoni jaoks oluline toitaine, mistõttu võis see põhjustada selle eluvormi plahvatusliku leviku. See omakorda tooks kaasa hapniku tootmise suurenemise, mille ärakasutamiseks oleks maismaal tõenäoliselt väga vähe elusid. Kuid mitte kõik teadlased ei nõustu selle teooriaga ja 2012. aasta seisuga on probleem endiselt lahendamata.
Ohud atmosfääri hapnikusisaldusele
Uuring on näidanud, et hapnikutase langes aastatel 1990–2008 pidevalt ligikaudu 0.0317%. See on enamasti tingitud fossiilkütuste põletamisest, mis kulutavad põlemisel hapnikku. Arvestades sel perioodil põletatud fossiilkütuste kogust, on langus aga oodatust väiksem. Üks võimalus on see, et suurenenud süsinikdioksiidi tase, mis võib olla kombineeritud väetiste kasutamisega, on soodustanud taimede kiiremat kasvu ja rohkem fotosünteesi, kompenseerides osaliselt kadu. Arvatakse, et isegi kui põletataks ära kõik maailma fossiilkütuste varud, oleks sellel vaid väga väike otsene mõju hapnikutasemele.
Metsade hävitamine on veel üks populaarne probleem. Kuigi suurte vihmametsaalade hävitamisel on palju muid tõsiseid keskkonnamõjusid, peetakse ebatõenäoliseks, et see hapnikutaset oluliselt vähendaks. Lisaks puudele ja teistele rohelistele taimedele toetavad vihmametsad tervet hulka hapnikku hingavat elu. Näib, et need metsad mõjutavad üldiselt atmosfääri hapnikusisaldust väga vähe, kuna tarbivad peaaegu sama palju hapnikku kui toodavad.
Tõsisemaks ohuks võib kujuneda inimtegevuse mõju fütoplanktonile, mis mõnede allikate kohaselt annab suurima panuse ülemaailmsesse hapnikutasemesse. Muret tekitab see, et fossiilkütuste põletamisest tingitud süsinikdioksiidi suurenemine atmosfääris võib muuta ookeanid soojemaks ja happelisemaks, mis võib vähendada fütoplanktoni hulka. 2012. aasta seisuga on tõendid ebaselged, kuna erinevad fütoplanktoni tüübid on erinevalt mõjutatud. Mõned võivad arvukus väheneda, samas kui teised võivad kasvada ja fotosünteesida kiiremini.