温室效应的产生是一种自然性质，能提供适宜人类生活的气候条件。

人类的活动使得某些温室气体的大气浓度在上升，世界上大部分的气候科学家认为，这是造成我们所观测到的气候变化的一个显著原因。

海洋是气候系统中一个关键部分，比大气层有更大的热容。最近几十年来，气候系统中增加的净能量大部分都储存在海洋中，海洋温度有了缓慢微小的增加，这是值得注意的。

人类引起的温室气体排放中，超过1/3的气体来自化石燃料燃烧发电，核电站不会排放这些气体。

温室效应是一个专业名词，用来描述由于大气层中的trace gases和水汽使得热量滞留在地球对流层中。这些气体普遍称为温室气体^*。在20世纪和21世纪至今，部分温室气体的浓度在稳定上升，其中二氧化碳的浓度从300ppm上升到400ppm。温室气体的增加很大部分归因于人类，也就是人类活动产生的，因此称为“人为的全球变暖”（AGW）。

^*或者有特气体如放射性气体

此外，尽管人类活动排放的缘由在一些国家确认了，但是它们的影响不会局限在这些国家，而是全球性的。

温室效应

当短波长太阳射线（不会被温室气体阻止）使地球表面升温后，能量会以长波红外射线的形式穿过地球大气层辐射回去。波长为5-30微米的大部分热辐射都被水汽和二氧化碳吸收，反过来再辐射出去，这样使得大气层、地表和海洋升温。这是自然现象，使得地球适合人类生存。没有温室效应，温度会骤然降低，平均地表温度将是零下18℃，将和月球上一样，月球是没有大气层覆盖的。我们和月球温度相差33℃，这归功于地球大气层中水汽和二氧化碳的天然程度。

关于温室效应的增加，或者“人为的全球变暖”，现在的问题都集在8-18微米的波段，这个范围内水汽对射线的吸收很弱，而地球的热辐射是最强的^*。二氧化碳和其他辐射性气体的浓度增加意味着从地球对流层流失到太空中的热量将减少，地球表面的温度会因此增加，其中大气层和海洋是关注的焦点。

^*这层“窗户”的一部分（12.5-18微米）是被二氧化碳大量吸收阻止的，即使是起初大气层中二氧化碳的浓度是低的。这层“窗户”的其他部分和其他辐射性气体的吸收倾向相符合：甲烷、（对流层）臭氧、氟氯烃和氧化亚氮。二氧化碳浓度的增加会使得它吸收范围内的热辐射在一个相当大的程度上被捕获。

考虑到波段，甲烷是一种更强的温室气体，因为它的分子比CO₂有更多的原子，辐射效应是由红外线吸收造成的，原子数更多的分子会吸收更多的红外线能量。红外辐射吸收是通过使分子内原子紧密相联的电子，是原子振动的方式。更多的原子键，就会有更多的原子振动，也会有更多的红外线吸收。双原子分子，像主要组成大气层的O₂和N₂，吸收的红外线很少。CO₂有两条原子键，吸收部分的红外线辐射，但是它是大气层中第二大气体，所以它的影响是重要的。

几种指标表明，温室气体增加造成的大气层变暖事实上自从1970年就观察到了，尽管有一些悬浮颗粒遮蔽。在上一世纪中，全球气温明显提高了大约0.6摄氏度，尽管这是不规律的，和温室气体的稳定增加没有很好的相互联系，特别是CO₂浓度。气温变化的程度超过了正常的气候变化，在最近的几十年间有记录中最热的一些年份。然而，气候是一个复杂的系统，其他因素也会影响全球温度。

其中一个是水汽，气候模型猜测CO₂的直接变暖效应是由水汽扩大的。然而在实际上是否达到了最初认为的程度，这还是值得怀疑的。

海洋也有微弱的变暖，影响着气候。

平衡因素

在一定程度上，当水汽凝结时，水汽吸收热辐射的作用被反照率效应平衡，这个效应可以将1/3的太阳光反射到太空中。这种效应会被大气中的硫酸盐悬浮颗粒和灰尘扩大，因为这些物质是水凝结的核心物质。大气中将近一半的硫酸盐来自电站和工厂排放的二氧化硫，尤其是在北半球。硫酸盐的排放在大多数国家都被越加限制。全球硫酸盐的排放在20世纪70年代早期达到顶峰，从2000年开始下降，之后由于中国排放的增加和国际航运有过增长。

火山爆发造成了大气中大量灰尘和酸性悬浮颗粒。菲律宾的皮纳图博火山在1991年爆发过，平均温度降低了大约0.5℃。然而大气中硫酸盐悬浮颗粒存在时间短暂，这种物质在平流层可以存在数年，增加了反射掉的太阳光照量。因此说，在地球表面暂且有一种平衡冷却的效应。在北半球，硫酸盐悬浮颗粒估计可以抵消一半的大气温室气体热效应。

然而，现在许多国家有相关的项目来较少电站的二氧化硫排放，因为这种排放物会造成酸雨。因此，这种平衡因素会减弱，由于温室气体会持续增加，气温增加的速度会提高。

全球变暖和气候变化

有一个清楚的证据证明了在较低的大气层中温室气体的组成有变化，CO₂稳定地增长到现在的400ppm的水平。从1958年开始测量，在2013年5月，最初的全球基准点即夏威夷Mauna Loa的大气层CO₂日平均浓度第一次超过了400ppm。在过去的200年里，增长了1/3，其中一半是在最近30年里发生。冰川的主要样品表明了CO₂和甲烷的浓度都比过去的65万年中任何时刻要高，那里的CO₂是170-300ppm。

单种气体对温室效应的贡献评估——全球变暖潜力（GWP）被广泛认可（CO₂相对为1）。这样的评估要依据每种气体分子的物理行为和在大气层的寿命，还有气体的浓度。直接影响和与其他气体和原子团相互作用而有的间接影响都必须考虑在内，后者还是部分不确定的。

^*2001年IPCC第三次评估报告，CO₂信息分析中心。ORNL，2013

尽管水汽在吸收长波热辐射方面有重要的影响，它的GWP不能计算，因为它的大气层浓度变化幅度大，而且主要依赖气温。同时，它的存在时间只有9天左右，相比之下，CO₂和甲烷则是数年。在对流层，水汽被分类为正反馈，而不是催化剂。在平流层，甲烷氧化和航空器产生的水汽是一种催化剂，但是前者包括在甲烷的GWP中。

来源，滞留和消失

大气中温室气体浓度与排放有关，这些气体的来源和消失成了一项稳定发展的科学研究。一些来源可以确定，而且可以确定其数量，如CO₂来自化石燃料燃烧^*，氟氯烃来自冰箱。其外，甲烷的来源确定性不大，认为大约1/4的甲烷排放应该来自化石（煤炭层裂缝、石油和天然气，大约每年1100万吨）。

^*2011年的CO₂排放量是326亿吨（8.9GtC），比2010年增长了3.4%（US EIA数据）。OECD/IEA在2013年中期说，2012年的能量消耗导致的全球CO₂排放量增加了1.4%，达到了316亿吨（8.6GtC）。IPCC在2013年的评估发现，化石燃料和水泥生产在2011年产生了9.5GtC的CO2排放量，比1990年高出了54%。

发电是CO₂排放的一个主要来源，约占总排放量的1/3，预计是2005年到2030年排放增量的一半。生产一单位电，火力发电^*排放的CO₂是天然气的两倍，但是氢能、核能和大多数可再生能源不会间接产生CO₂.如果全世界的核能被煤炭燃烧能代替，那发电产生的CO₂排放（现在是每年约100亿吨）将会增加1/4，大约每年25亿吨。相反地，利用天然气或核能代替煤炭，可以减少煤炭的CO₂排放量，也可以通过提高火力发电的效率，这个技术已经在很好的应用了。然而，利用天然气代替煤炭要求考虑到甲烷泄漏，3%的泄漏就意味着利用天然气的全球变暖潜力与烧煤是一样的。

^*在发达国家，热效率平均为33%，与发展中国家的25%平均热效率比，区别很大。

大气中CO₂的浓度估测值体现出巨大的增加。，在国际能源机构的每年世界能源展望的报告中，几个方案都规划了与能源相关的CO₂全球排放。

还有大气中温室气体滞留时间的问题，例如甲烷在被氧化成CO₂之前有11年的滞留时间。羟基原子团是这种氧化的主要方式。CO₂在大气中有更长的滞留时间，直到它被光合作用或者被雨水海洋吸收。

最后，与大气温室气体浓度相关的因素中还有气体消失，或者自然分解，或者是单种气体消失，尤其是CO₂。而且CO₂的浓度增加是可观的，人为排放的比例也是值得考虑的（2011年的年排放为350亿吨），即使这只是大气层与地表海洋之间自然气体流量的4%。这一点很重要，提醒我们由于人为排放造成的自然过程中一丁点的变化也需要弥补。

事实上，人为碳循环的研究表明，不足一半的人为排放就使得CO₂含量明显上升。海洋和一些陆地生态系统吸收CO₂，作为一种负反馈，也就是说当CO₂的大气浓度增加时，它们的摄入量也会增加。IPCC在2013年的总结中预估，从1750年到2011年间，渐增的化石燃料和水泥生产排放的CO₂是365GtC，森林焚烧和土地使用改变排放的CO₂是180GtC。这一共545GtC中，大约240GtC（44%）的CO₂在大气层中累积，155GtC（28%）被海洋吸收，伴随着一些酸化，150GtC（28%）在陆地生态系统中积累。