La combustion des carbones fossiles s’accompagne d’une consommation de l’oxygène de l’air. De façon similaire au CO2 atmosphérique dans le cycle du carbone, la teneur en O2 avait atteint un équilibre stationnaire à long terme avant la perturbation anthropique. Pour établir ce bilan il faut comparer les flux couplés O2-CO2 entre l’atmosphère, la biosphère continentale et l’océan. La première composante est due à la photosynthèse et à la respiration des végétaux continentaux, ainsi qu’à l’oxydation de la matière organique dans les sols. La seconde composante correspond aux échanges des gaz O2 et CO2 à l’interface air-mer. La biosphère océanique consomme et relargue les deux gaz dans les processus de synthèse du plancton et de reminéralisation par les bactéries. Les masses totales des biosphères étaient en équilibre avec des flux nets, nuls entre les réservoirs. Ceci conduisait à des concentrations stables en CO2 et en O2 dans l’atmosphère et l’océan. Néanmoins, les concentrations océaniques présentaient des gradients géographiques et bathymétriques importants mais stables.
Les flux anthropiques ont entraîné un déséquilibre conduisant à des flux nets vers l’océan et la biosphère continentale qui déstabilisent les concentrations atmosphériques. Les pompes biosphériques et océaniques diffèrent par leurs influences sur les teneurs atmosphériques. Celle de l’O2 diminue avec la combustion et augmente avec la fertilisation de la biosphère. La teneur en CO2 augmente avec les émissions de combustion et diminue avec la fertilisation de la biosphère continentale. Les équations de bilan pour l’O2 et le CO2 sont reliées entre elles par des coefficients représentant la stœchiométrie moyenne des réactions de photosynthèse et de combustion des carbones fossiles. Le bilan du CO2 inclut un terme supplémentaire de diffusion vers l’océan lié à la différence des pressions partielles à l’interface air-mer créée par l’excès du CO2 anthropique dans l’atmosphère.
