L'atmosfera terrestre è costituita da uno strato stratificato di gas che sono tenuti in posizione a causa della gravità. I principali costituenti dell'aria atmosferica sono azoto, ossigeno, argon e anidride carbonica. L'azoto e l'anidride carbonica sono entrambi essenziali per la vita sulla Terra e sono vitali per una serie di processi biochimici come la fotosintesi e la sintesi proteica.
L'azoto è un elemento della tavola periodica con numero atomico 7. Il nucleo dell'azoto è costituito da 7 protoni con carica positiva e solitamente 7 neutroni con carica zero. Per mantenere un atomo elettricamente neutro, 7 elettroni orbitano attorno al nucleo in una serie di gusci. L'azoto è un gas a temperatura ambiente e costituisce circa il 78% dell'atmosfera terrestre. L'azoto si liquefa a -210,1 gradi Celsius (-346,18 gradi Fahrenheit), che ne consente l'uso in esperimenti e attività criogeniche.
L'anidride carbonica è un composto con una molecola costituita da un singolo atomo di carbonio e due atomi di ossigeno. Gli elettroni nel guscio esterno degli atomi di carbonio e ossigeno sono condivisi per formare legami covalenti. L'anidride carbonica è un gas a temperatura ambiente e costituisce lo 0,03% dell'atmosfera terrestre. L'anidride carbonica è insolita in quanto forma un solido senza passare attraverso una fase liquida a pressione atmosferica normale. Questo processo è noto come sublimazione. L'anidride carbonica sublima per formare ghiaccio secco a una temperatura di -56 gradi Celsius (-68,8 gradi Fahrenheit).
La fotosintesi, il processo mediante il quale le piante convertono la luce solare in zucchero glucosio, costituisce una delle reazioni biologiche fondamentali che avviene sulla Terra e costituisce la base della vita alla base della catena alimentare, fornendo agli organismi più complessi, come i mammiferi, una scorta di cibo. La fotosintesi richiede una fonte naturale di carbonio per sintetizzare il glucosio; lo ottiene dall'anidride carbonica atmosferica. L'equazione chimica della parola per la fotosintesi è:
L'azoto è un elemento costitutivo essenziale di molecole biologiche fondamentali, come proteine e acidi nucleici. Il gas azoto dall'atmosfera viene catturato da batteri "fissatori di azoto". Durante questo processo, i gas azoto e idrogeno vengono convertiti in ammoniaca che le piante possono assorbire direttamente. In alternativa, l'ammoniaca decade nel terreno in nitrati che anche le piante possono assorbire. Le piante usano ammoniaca e nitrati per sintetizzare molecole biochimiche, come clorofilla, proteine e acidi nucleici. L'azoto può essere rilasciato nuovamente nell'atmosfera attraverso una serie di processi. I batteri denitrificanti che vivono nel suolo possono convertire i nitrati in gas azoto. In alternativa, le molecole contenenti azoto all'interno delle piante vengono consumate dagli animali, risultando in escrementi ricchi di azoto. I batteri nitrificanti scompongono l'ammoniaca in questi rifiuti, convertendola in nitrati. I batteri denitrificanti scompongono quindi quei nitrati in gas azoto. Questi passaggi costituiscono la base del ciclo dell'azoto.
