Si nous ne sommes pas trop certains de la composition de l'atmosphère primitive, on sait qu'il n'y avait pas d'oxygène libre (une molécule formée de deux atomes d'oxygène, O2). D'où vient donc cet oxygène libre qui caractérise aujourd'hui notre atmosphère?
Même si les radiations solaires peuvent briser les molécules d'eau (H2O) dans la haute atmosphère et produire des atomes d'oxygène qui se combinent deux à deux, ce processus est trop lent pour expliquer la concentration actuelle de l'atmosphère en oxygène libre. Tous s'accordent à dire que l'oxygène est un produit de la photosynthèse.
La courbe qui suit montre à quel rythme s'est faite l'oxygénation de l'atmosphère.
Nous avons relativement peu d'information en ce qui concerne la portion précambrienne de la courbe. Dans les premiers âges de la Terre, soit entre -4 et -2,5 Ga, l'oxygène atmosphérique n'était produit que par l'action du rayonnement UV sur la vapeur d'eau (H2O) et le dioxyde de carbone (CO2), et son niveau était très bas, entre 0,005 et 0,01% du niveau actuel. Les premières traces d'oxydation sont apparues il y a quelques 2,2 Ga, ce qui implique une augmentation sensible du niveau d'oxygène libre atmosphérique à ce moment. On évalue que le niveau atteignait environ 0,15% du niveau actuel vers 2,2 Ga. Les premières traces d'oxygène apparaissent autour des 2,5 Ga. Les évidences nous viennent de la présence des premiers oxydes de fer dans les roches. En effet, pour produire des oxydes de fer comme l'hématite par exemple, il faut de l'oxygène. Les grandes formations de fer, lesquelles contiennent des oxydes de fer en grande quantité, sont apparues au début du Protérozoïque, comme par exemple celles de la fosse du Labrador. C'est dire que déjà les procaryotes photosynthétiques étaient à l'oeuvre.
A la fin du Précambrien, au moment où se termine la longue vie solitaire des bactéries et où commence la diversification de la vie avec la faune d'Édiacara, on évalue que l'atmosphère avait atteint un niveau d'oxygène comparable au niveau actuel; il semble donc y avoir une possible relation entre ce niveau d'oxygène atmosphérique et la diversification de la vie. On estime qu'il y a eu une chute très importante du niveau d'oxygène atmosphérique au Néoprotérozoïque, entre -725 et -600 Ma, une chute reliée à une période de glaciation exceptionnelle et unique dans l'histoire de la Planète (voir la Terre boule de neige). La Terre entière aurait été couverte de glace, réduisant drastiquement la photosynthèse (pour en savoir plus sur ce sujet, voir "Quand la Terre était gelée", par P. Hoffman et D. Schrag, Pour la Science, no 268, février 2000).
On a plus de données en ce qui concerne le Phanérozoïque (Paléo-, Méso- et Cénozoïque) (voir au point 3.4.3). Le schéma qui suit exprime les variations de la concentration en oxygène atmosphérique selon une modélisation par R.A Berner et D.E. Canfield (American Journal of Science, v. 289, 1989).
Il apparaît que l'augmentation significative du niveau d'oxygène atmosphérique au Carbonifère puisse être relié à l'avènement de la grande forêt équatoriale. Il semble qu'à cette époque, les spécialistes de l'oxydation de la nouvelle matière végétale en gaz carbonique n'étaient pas encore apparus et que par conséquent, le bilan net du cycle photosynthèse-respiration présentait un excédent en oxygène libre, contrairement à la forêt actuelle qui présente un bilan à l'équilibre.
