Atmosfera Pământului constă dintr-un strat stratificat de gaze care sunt ținute pe loc din cauza gravitației. Principalii constituenți ai aerului atmosferic sunt azotul, oxigenul, argonul și dioxidul de carbon. Azotul și dioxidul de carbon sunt ambele esențiale pentru viața pe Pământ și sunt vitale pentru o serie de procese biochimice, cum ar fi fotosinteza și sinteza proteinelor.
Azotul este un element din tabelul periodic cu un număr atomic de 7. Nucleul azotului este format din 7 protoni cu sarcină pozitivă și, de obicei, 7 neutroni cu sarcină zero. Pentru a menține un atom neutru electric, 7 electroni orbitează nucleul într-o serie de cochilii. Azotul este un gaz la temperatura camerei și reprezintă aproximativ 78% din atmosfera Pământului. Azotul lichefiază la -210,1 grade Celsius (-346,18 grade Fahrenheit), ceea ce permite utilizarea sa în experimente și activități criogenice.
Dioxidul de carbon este un compus cu o moleculă formată dintr-un singur atom de carbon și doi atomi de oxigen. Electronii din învelișul exterior al atomilor de carbon și oxigen sunt împărțiți pentru a forma legături covalente. Dioxidul de carbon este un gaz la temperatura camerei și reprezintă 0,03% din atmosfera Pământului. Dioxidul de carbon este neobișnuit prin faptul că formează un solid fără a trece printr-o fază lichidă la presiune atmosferică normală. Acest proces este cunoscut sub numele de sublimare. Dioxidul de carbon se sublimează pentru a forma gheață uscată la o temperatură de -56 grade Celsius (-68,8 grade Fahrenheit).
Fotosinteza, procesul prin care plantele transformă lumina soarelui în glucoză zahăr, constituie una dintre cele mai fundamentale reacții biologice care are loc pe Pământ și formează baza vieții în partea de jos a lanțului alimentar, oferind organismelor mai complexe, cum ar fi mamiferele, o sursă de alimente. Fotosinteza necesită o sursă naturală de carbon pentru a sintetiza glucoza; obține acest lucru din gazul dioxid de carbon atmosferic. Ecuația cuvântului chimic pentru fotosinteză este:
Azotul este un element esențial al moleculelor biologice fundamentale, cum ar fi proteinele și acizii nucleici. Azotul gazos din atmosferă este captat de bacteriile „fixatoare de azot”. În timpul acestui proces, gazele de azot și hidrogen sunt transformate în amoniac pe care plantele îl pot absorbi direct. Alternativ, amoniacul se descompune în sol în nitrați pe care plantele îi pot absorbi. Plantele folosesc amoniac și nitrați pentru a sintetiza molecule biochimice, cum ar fi clorofila, proteinele și acizii nucleici. Azotul poate fi eliberat înapoi în atmosferă printr-o serie de procese. Bacteriile denitrifiante care trăiesc în sol pot transforma nitrații în azot gazos. Alternativ, moleculele care conțin azot în plante sunt consumate de animale, rezultând excremente bogate în azot. Bacteriile nitrificante descompun amoniacul din aceste deșeuri, transformându-l în nitrați. Bacteriile denitrificante descompun acești nitrați în azot gazos. Acești pași formează baza ciclului azotului.