thumb|Stężenie dwutlenku węgla w atmosferze, kolejno: roczne, w maju, w październiku. Niżej, trend zmian w troposferze i przy powierzchni thumb|Zmiany składu atmosfery w fanerozoiku:linie czerwone – stężenie jako wielokrotność poziomu współczesnego (umowne 1),linie niebieskie – stężenia (%) Dwutlenek węgla w atmosferze Ziemi – składnik śladowy współczesnej atmosfery Ziemi (dwutlenek węgla, ), który w okresie powstawania planety był składnikiem dominującym. Zawartość w atmosferze ulegała zmianom, związanym ze zmianami struktury biosfery. Współcześnie wynosi ok. 0,04% (400 ppm) i rośnie.
Pomimo tak małego stężenia odgrywa ważną rolę w obiegu węgla w przyrodzie, w którym węgiel jest wymieniany między atmosferą a oceanami, glebą, skałami i organizmami biosfery. Rośliny i inne fotoautotrofy wykorzystują energię słoneczną do produkcji węglowodanów z atmosferycznego dwutlenku węgla i wody poprzez fotosyntezę. Niemal wszystkie organizmy zależą od węglowodanów pochodzących przeważnie z fotosyntezy jako głównego źródła energii i związków węgla.
pochłania i emituje promieniowanie podczerwone w zakresach, w których jest ono przepuszczane przez inne gazy atmosfery, w związku z czym jest gazem cieplarnianym – znacząco wpływa na temperaturę powierzchni Ziemi (efekt cieplarniany).
Około 4 mld lat temu był jednym z głównych składników atmosfery tworzącej się Ziemi i utrzymywał się w znacznych ilościach aż do związania węgla przez organizmy fotosyntezujące. W kolejnych okresach historii Ziemi stężenie w jej atmosferze zmieniało się w szerokich granicach, osiągając 4000 ppm (10 razy więcej niż obecne) w okresie kambryjskim około 500 milionów lat temu, a spadając do 180 ppm podczas zlodowacenia plejstocenu około dwa miliony lat temu.
Przez dłuższy czas od początku neogenu stężenie wahało się wokół 280 ppm. W związku z antropopresją stężenie w atmosferze wzrosło o ponad 45%, z poziomu 280 ppm utrzymującego się w ciągu 10 000 lat aż do połowy XVIII wieku do 415 ppm w maju 2019 r. Obecne stężenie jest najwyższe od 14 milionów lat, wzrost ten przypisuje się działalności człowieka, w szczególności wylesianiu i spalaniu paliw kopalnych. Wzrost i innych gazów cieplarnianych w ziemskiej atmosferze spowodował wzrost temperatury zwanym globalnym ociepleniem. Wzrost stężenia w atmosferze zwiększa jego stężenie w wodach śródlądowych i oceanach, powoduje zakwaszanie wód.
Zagadnieniami ograniczania emisji zajmują się liczne organizacje społecznościowe, np. Friends of the Earth International (w jej ramach m.in. Friends of the Earth Europe lub Peoples Climate Movement, organizujący m.in. marsze protestacyjne).
Obecne stężenie thumb|Zmienność stężenia w zależności od pory roku i szerokości geograficznej. Od rozpoczęcia intensywnego rozwoju przemysłu stężenie atmosferycznego wzrasta sukcesywnie od 280 części na milion (ppm) do ponad 400 ppm i nadal rośnie. W kwietniu i maju 2019 r. średni miesięczny poziom w ziemskiej atmosferze przekroczył 411 ppm. Stężenie 410 ppm w atmosferze odpowiada około 3200 mld ton , zawierając około 870 GtC (870 mld ton węgla = 8,7·1014 kg). Globalne średnie stężenie rośnie obecnie w tempie około 2 ppm/rok i wzrost ten przyspiesza. Roczna fluktuacja stężenia wynosi około 3–9 ppm. Stężenie osiąga na półkuli północnej maksimum na przełomie kwietnia i maja, a minimum w październiku. Największe zmiany w cyklu rocznym są na półkuli północnej, im dalej na południe tym zmiany w ciągu roku są coraz mniejsze i mogą osiągać maksimum w innych miesiącach.
W przyziemnej atmosferze obserwuje się zwiększone stężenie na obszarach przemysłowych, wynikające z lokalnych źródeł emisji , a w obszarach z dominacją roślinności, wahania dobowe wynikające z zależności fotosyntezy od światła.
Lokalne stężenie w powietrzu może być zwiększone przez gazy wulkaniczne lub erupcję limniczną.
Globalny budżet , obieg węgla mały|375x375px|Historyczne stężenie oraz antropogeniczne emisje dwutlenku węgla Atmosferyczny dwutlenek węgla odgrywa ważną rolę w obiegu węgla na Ziemi, w którym dwutlenek węgla jest usuwany z atmosfery za pomocą naturalnych procesów, takich jak fotosynteza, rozpuszczanie w wodzie czy osadzanie się węglanów, oraz dodawany do atmosfery naturalnych procesów, takich jak oddychanie i uwalnianie dwutlenku węgla z osadów węglanowych, oraz działalności człowieka, takich jak spalanie paliw kopalnych i zmiany w użytkowaniu ziemi. Wyróżnia się: szybki cykl węglowy i wolny cykl węglowy. Szybki cykl węglowy odnosi się do przemieszczania się węgla między środowiskiem a żywymi organizmami w biosferze, podczas gdy wolny cykl węglowy obejmuje ruch węgla między atmosferą, oceanami, glebą, skałami i wulkanizmem. Oba cykle węglowe są ze sobą ściśle powiązane, a przepływ węgla w postaci gazowego dwutlenek węgla przez atmosferę jest elementem cyklu.
Ilość przepływającego węgla do i z atmosfery szacuje się w zależności od rozpatrywanego przepływu. Emisje pochodzące ze spalania paliw kopalnych (EFF) określa się na podstawie statystyk wydobycia i zużycia kopalin. Emisje wynikające z użytkowania gruntów i zmiany użytkowania gruntów (ELUC), określa się na podstawie modeli uwzględniających wylesiania, użytkowanie gruntów produkcji rolnej i pod zabudowę. Pochłanianie w oceanie (SOCEAN) i na lądzie (SLAND) są szacowane na podstawie modeli globalnych procesów z uwzględnieniem obserwacji, w tym np. satelitarnych stężenia dwutlenku węgla w atmosferze oraz zazielenienia powierzchni.
Opracowany przez Earth System Science Data globalny budżet węgla wskazuje, że w dziesięcioleciu 2008–2017 przepływy dwutlenku węgla w przeliczeniu na zawarty w nich węgiel i obliczona zmiana jego ilości w atmosferze wyniosły: emisje ze spalania z paliw kopalnych (EFF) – 9,4 ± 0,5 GtC/rok, emisje wynikające z użytkowania gruntów i zmiany użytkowania gruntów (ELUC) – 1,5 ± 0,7 GtC/rok, pochłanianie przez ocean (SOCEAN) – 2,4 ± 0,5 GtC/rok pochłanianie na lądach (SLAND) – 3,2 ± 0,8 GtC/rok, zmiana ilości dwutlenku węgla w atmosferze (GATM) – 4,7 ± 0,02 GtC/rok,
Nierównowaga budżetu węgla (BIM) jest różnicą między szacowanymi całkowitymi emisjami a szacowanymi zmianami w atmosferze, przepływami do oceanu i biosfery lądowej, jest miarą niedoskonałych danych i zrozumienia współczesnego cyklu węglowego.
Uwzględniając dokładności danych, powyższy bilans wykazuje niezrównoważenie równe 0,5 GtC/rok. Wskazuje to na zawyżenie emisji lub niedoszacowanie pochłaniania.
Budżet dla roku 2017 podaje wartości: EFF – 9,9±0,5 GtC/rok, ELUC – 1,4±0,7 GtC/rok, GATM – 4,6±0,2 GtC/rok, SOCEAN – 2,5±0,5 GtC/rok, SLAND – 3,8±0,8 GtC/rok, a BIM – 0,3 GtC/rok.
Porównanie roku z dziesięcioleciem wskazuje na znaczący wzrost emisji ze spalania kopalnych źródeł energii.
Model przepływów w atmosferze CT2017 opracowany przez NOAA umożliwia określenie źródeł emisji i pochłaniania w atmosferze. Według tego modelu emisje ze spalania paliw kopalnych (EFF)rosły w latach 2000–2016 z 6,7 do 9,9 mld ton węgla. Emisje te koncentrują się na obszarach o dużej gęstości zaludnienia i aktywności gospodarczej w północnej strefie umiarkowanej. Drugim ważnym źródłem są pożary, które dodają do atmosfery rocznie 1,9–2,3 mld ton węgla. Większość tych emisji pochodzi ze strefy tropikalnej i południowej.
Biosfery lądowe i oceany pochłaniają i emitują dwutlenek węgla do atmosfery, w sumie są one pochłaniaczami. Biosfera lądowa (SLAND) wykazuje pochłanianie netto od 2,4 do 5,1 mld ton węgla, oceany (SOCEAN) zaś od 1,6 do 3,0 mld ton węgla. Ilość węgla wiązanego przez ekosystemy lądowe zależy od przebiegu pogody w danym roku, dobre warunki do rozwoju roślin zwiększają pochłanianie, a susze na dużym obszarze zmniejszają. Model wykazuje, że tereny intensywnej działalności rolniczej są dużymi pochłaniaczami , podczas gdy strefa lasów tropikalnych jest oceniana jako źródło dwutlenku węgla w ilości 0,4–0,8 mld ton węgla. Woda oceaniczna ma mniejsze stężenie niż równowagowe odpowiadające stężeniu w atmosferze, przez co woda oceaniczna pochłania dwutlenek węgla. Część pochłoniętego przez wodę dwutlenku węgla zwiększa jego stężenie w wodzie, część jest pobierana przez glony, a część jest wiązane w wyniku reakcji chemicznych z minerałami. Niemal połowa węgla ze źródeł antropogenicznych jest pochłaniana przez biosferę i oceany, pozostała zwiększa stężenie dwutlenku węgla w atmosferze.
Z wyjątkiem spalania paliw i emisji wynikającej ze zmian użytkowania gruntów, wszystkie pozostałe ośrodki zarówno dostarczają, jak i pobierają dwutlenek węgla z atmosfery. + Przepływy do i z atmosfery wyrażone w GtC na rok. Naturalne Antropogeniczne Łącznie Bilans Źródło/Ujście Oznaczenie do od do od do od Spalanie paliw EFF 0 0 9,4 0 9,4 0 9,4 Zmiana użytkowania gruntu ELUC 0 0 1,5 0 1,5 0 1,5 Pochłanianie przez lądy SLAND 120 120 0 3,2 120 123,2 -3,2 Pochłanianie przez oceany SOCEAN 90 90 0 2,4 90 92,4 -2,4 Razem 210 210 10,9 5,6 220,9 215,6 5,3
Łączna ilość emisji wynosząca 221 GtC/rok, przy zawartości w atmosferze wynoszącym 860 GtC oznacza, że cząsteczka przebywa średnio w atmosferze niecałe 4 lata.
a efekt cieplarniany thumb|Drgania własne cząsteczki thumb
Naturalny efekt cieplarniany na Ziemi sprawia, że życie jest takie, jakie znamy, a dwutlenek węgla odgrywa znaczącą rolę w zapewnieniu wysokiej temperatury, jaka jest na Ziemi. Oddziaływanie obecnych w atmosferze gazów cieplarnianych na temperaturę powierzchni Ziemi polega na zmniejszeniu promieniowania elektromagnetycznego z zakresu podczerwieni, wypromieniowywanego z powierzchni Ziemi w kierunku przestrzeni kosmicznej. Powoduje to podwyższenie temperatury powierzchni i atmosfery planety do takiej, w której uzyskiwana jest równowaga między energią docierającą do globu ze Słońca przez promieniowanie słoneczne a odprowadzaną w przestrzeń kosmiczną przez promieniowanie podczerwone.
Absorpcja promieniowania zachodzi wtedy, gdy energia fotonów odpowiada różnicy między dozwolonymi poziomami energetycznymi, które mogą zająć elektrony w atomach lub fragmenty cząsteczki, wzbudzane do drgań lub obrotów. Absorpcja promieniowania podczerwonego przez cząsteczki jest związana z ich wzbudzaniem do drgań zginających i rozciągających cząsteczkę. Wzbudzenie drgań zginających symetrycznych i niesymetrycznych odpowiada energii promieniowania elektromagnetycznego o długości fali około 15 μm, odpowiada mu pasmo absorpcyjne wokół tej długości fali, pasmo to leży w pobliżu maksimum emisji energii cieplnej przez powierzchnię Ziemi, do tego w zakresie 12–15 μm para wodna nie pochłania promieniowania, przez co obecność dwutlenku węgla w atmosferze zmniejsza wypromieniowywanie ciepła w przestrzeń kosmiczną. Drgania symetryczne nie mogą być wzbudzone przez pochłonięcie fotonu, ani nie mogą wypromieniować energii, ponieważ wzbudzenie ich nie powoduje zmian momentu dipolowego cząsteczki.
Chociaż para wodna jest odpowiedzialna za większość (około 36–70%) całkowitego efektu cieplarnianego Ziemi, to wielkość ta nie jest bezpośrednio związana z działalnością człowieka a zależy od temperatury atmosfery. Na Ziemi dwutlenek węgla jest najbardziej istotnym, bezpośrednio wpływającym antropologicznie gazem cieplarnianym. W 2017 roku wzrost stężenia od początku rozwoju przemysłu (1750 r.) jest odpowiedzialny za 2,013 W/m² z całego 3,062 W/m² wymuszania radiacyjnego na Ziemi, to jest około 66%.
Dwutlenek węgla a fotosynteza thumb|W fotosyntezie jest redukowany w cyklu Calvina z wytworzeniem cukrów prostych. thumb|Testowa instalacja do biosekwestracji przez glony W ekosystemach współczesnej biosfery atmosferyczny dwutlenek węgla odgrywa kluczową rolę w cyklach biogeochemicznych. Rośliny lądowe pobierają dwutlenek węgla bezpośrednio z atmosfery, a wodne rozpuszczony w wodzie. jest substratem fotosyntezy, w wyniku której węgiel jest włączany do związków organicznych, zazwyczaj glukozy, zwiększając ilość węgla organicznego. Sumaryczny przebieg reakcji: