يوضح الشكل (3-3) أهم تفاعلات تبادل الأوكسجين في كل من الغلاف الجوي، واليابسة، والغلاف المائي والحيوي. درسنا سابقاً، في دورة الأوكسجين، أهميته في كيمياء الغلاف الجوي، وفي التبادلات الكيميائية في القشرة الأرضية والحياة بشكل عام على الكرة الأرضية، حيث يلعب دوراً أساسياً في عمليات إنتاج الطاقة، وذلك أثناء استهلاكه في عمليات احتراق الوقود، والذي يعود ثانيةً إلى الغلاف الجوي من خلال عمليات التركيب الضوئي، التي يعتقد أنها شكلت الأوكسجين الجوي الكلي عبر العصور وأثناء التطور التاريخي للغلاف الجوي، وبالرغم من أن جميع عمليات احتراق الوقود الأحفوري تستهلك كمية كبيرة من O₂، إلا أنه لا يوجد خطر من استنفاذ الأوكسجين الجوي.

تأتي أهمية جزيئة الأوكسجين الثنائية كيميائياً، من كون سويتها الأساسية، في الحالة الطبيعية، تحتوي على إلكترونين غير متزاوجين ومتساويين باللف الذاتي، ما يدعى بمتوازية اللف الذاتي، أو الحالة الأساسية الثلاثية، والتي يرمز لها بـ ³O₂. تتهيج جزيئة الأوكسجين ليمتلك أحد الإلكترونين غير المتزاوجين قيمة للف الذاتي معاكسة لنظيره تدعى حالة التهيج هذه بمتعاكسة اللف الذاتي أو الحالة الأحادية لجزيئة الأوكسجين، والتي يرمز لها بـ ₂O¹

يتشكل الأوكسجين المهيج نتيجةً للتأثير الضوئي المباشر، أو لانتقال الطاقة من جزيئات أخرى مهيجة إلكترونياً، أو نتيجة التحلل الضوئي للأوزون أو من خلال تفاعلات إنتاج الأوكسجين عالية الطاقة.

في الغلاف الجوي العلوي، وبسبب ندرة الجزيئات، وتوافر الإشعاعات ذات الأطوال الموجية القصيرة والطاقة العالية، فإن عنصر الأوكسجين يتهيج ليصبح بأشكال مغايرة لتلك الموجودة في الغلاف الجوي القريب للقشرة الأرضية. حيث يمكن أن يوجد الأوكسجين في الغلاف الجوي العلوي، بالإضافة إلى ₂O، بشكل جزيئة الأوكسجين المهيجة * ₂O ، والجذر الحر للأوكسجين، والأوكسجين الذري في سوية الطاقة الأساسية ^-O والمهيجة * O ، الأوكسجين الذري الشاردي ⁺ O والأوكسجين الجزيئي الشاردي *₂O بالإضافة إلى الأوزون O₃.

يتشكل الأوكسجين الذري  ^. O، في طبقة الترموسفير Thermosphere نتيجة التفكك الضوئي لجزيئة الأوكسجين. يكون الأوكسجين الذري مستقراً وثابتاً نسبياً في تلك الطبقة، بسبب ندرة احتمال التصادم مع جزيئات أخرى، وبسبب تخلخل الهواء وندرة العامل الثالث الذي يلعب دور الوسيط في امتصاص طاقة الأوكسجين الذري.

تبلغ قيمة الرابطة بين ذرتي الأوكسجين في الأوكسجين الثنائـ ي حوالي Kcal/mol 120 لتشكل رابطة قوية نسبياً، لا تتفكك إلا بتعرضها لأشعة ذات طاقة وأطوال موجية مناسبة تتراوح أطوال موجات الإشعاعات القادرة على تحطيم رابطة جزيئة الأوكسجين ضمن المجالين (nm135-176) و (nm240-260). وبسبب توافر هذه المجالات من الأطوال الموجية عند الارتفاعات العالية، فإن حوالي أقل من %10 من الأوكسجين الموجود عند ارتفاعات أعلى منKm 400 يكون بشكله الجزيئي الثنائي. فعند ارتفاعات تزيد عنKm 80 يبدأ متوسط الوزن الجزيئي بالتناقص ليصبح أقل من الوزن الجزيئي الملاحظ عند مستوى (g/mol 28.97)، بسبب ازدیاد تركيز الأوكسجين الذري.

في حال تشكل ذرات الأوكسجين في الغلاف الجوي، فإنها تكون إمــا بــسوية الطاقة الأساسية (O) أو في سوية طاقة مهيجة (*O) . من الممكن أن ينتج الأوكسجين الحر المهيج بالتحلل الضوئي Photolysis للأوزون، الذي يملك روابط ضعيفة نسبياً (من مرتبة Kcal/mol26 ) والتي يمكن أن تتحطم بتعرضها للأشعة فوق البنفسجية ذات الأطوال الموجية الأدنى منnm 308.

يصدر الأوكسجين الحر المهيج ضوءاً مرئياً عند الأطوال الموجيــةnm 636، وnm 630 وعندnm 558. هذه الإصدارات تكون مسؤولة عن التوهج، أو مـا يـدعى بالوميض الهوائي Airglow و عن إصدارات كهرومغناطيسية خفيفة ومتعاقبة من قبل الغلاف الجوي الأرضي.

تتشكل شاردة الأوكسجين الذري الموجبة ، ، ، نتيجة تأثير الإشعاعات فوق البنفسجية على الأوكسجين الذري:

تكون هذه الشاردة من أكثر الشوارد الموجبة سيطرة في الغلاف الجوي المتشرد Ionosphere ، ويمكنها أن تتفاعل مع الأوكسجين الجزيئي أو النيتروجين الجزيئي لتبدأ بذلك سلسلة من تفاعلات تشكل الشوارد ضمن الطبقة الشاردية معطية بذلك شوارد موجبة أخرى:

كما يمكن أن يتشكل الأوكسجين الجزيئي الشاردي ، ⁺₂O ، ضمن الطبقة المتشردة من الغلاف الجوي، وذلك بامتصاص جزيئة الأوكسجين للطاقة فوق البنفسجية مباشرةً، ولكن عند أطوال موجية قصيرة جداً، والتي تتراوح ضمن المجالnm 17-103. قــد تتشكل ⁺₂Oأيضاً، إثر تعرض جزيئة الأوكسجين للتفاعلات الكيميائية الضوئية للأشعة السينية X-Ray ذات الطاقة المنخفضة: