Jordens atmosfære består af et lagdelt lag af gasser, der holdes på plads på grund af tyngdekraften. Hovedbestanddelene i atmosfærisk luft er nitrogen, ilt, argon og kuldioxid. Kvælstof og kuldioxid er begge vigtige for livet på jorden og er vitale for en række biokemiske processer såsom fotosyntese og proteinsyntese.
Kvælstof er et element i det periodiske system med et atomnummer på 7. Kvælstofs kerne består af 7 protoner med en positiv ladning og normalt 7 neutroner med nul ladning. For at opretholde et elektrisk neutralt atom kredser 7 elektroner kernen i en række skaller. Kvælstof er en gas ved stuetemperatur og udgør omkring 78 procent af jordens atmosfære. Kvælstof flydende ved -210,1 grader Celsius (-346,18 grader Fahrenheit), hvilket giver mulighed for dets anvendelse i kryogene eksperimenter og aktiviteter.
Kuldioxid er en forbindelse med et molekyle, der består af et enkelt kulstofatom og to iltatomer. Elektroner i den ydre skal af kulstof- og iltatomerne deles for at danne kovalente bindinger. Kuldioxid er en gas ved stuetemperatur og udgør 0,03 procent af jordens atmosfære. Kuldioxid er usædvanlig ved, at det danner et fast stof uden at passere en flydende fase ved normalt atmosfærisk tryk. Denne proces er kendt som sublimering. Kuldioxid sublimerer til dannelse af tøris ved en temperatur på -56 grader Celsius (-68,8 grader Fahrenheit).
Fotosyntese, den proces, hvormed planter omdanner sollys til glukosesukker, udgør en af de mest grundlæggende biologiske reaktioner, som finder sted på jorden og danner grundlaget for livet i bunden af fødekæden og giver mere komplekse organismer, såsom pattedyr, en forsyning af mad. Fotosyntese kræver en naturlig kilde til kulstof for at syntetisere glukose; det opnår dette fra atmosfærisk kuldioxidgas. Den kemiske ordligning for fotosyntese er:
Kvælstof er en vigtig byggesten for grundlæggende biologiske molekyler, såsom proteiner og nukleinsyrer. Kvælstofgas fra atmosfæren fanges af "kvælstoffikserende" bakterier. Under denne proces omdannes kvælstof og brintgasser til ammoniak, som planter kan absorbere direkte. Alternativt henfalder ammoniak i jorden til nitrater, som planter også kan absorbere. Planter bruger ammoniak og nitrater til at syntetisere biokemiske molekyler, såsom klorofyl, proteiner og nukleinsyrer. Kvælstof kan frigives tilbage til atmosfæren via en række processer. Denitrifierende bakterier, der lever i jord, kan omdanne nitrater til nitrogengas. Alternativt forbruges kvælstofholdige molekyler i planter af dyr, hvilket resulterer i kvælstofrig ekskrementer. Nitrifierende bakterier nedbryder ammoniak i dette affald og omdanner det til nitrater. Denitrificerende bakterier nedbryder derefter disse nitrater til nitrogengas. Disse trin danner grundlaget for kvælstofcyklussen.