Ilmaston lämpeneminen
Syyt > Kasvihuonekaasut ilmakehässä

Joseph Fourier havaitsi kasvihuoneilmiön 1824. Svante Arrhenius esitti vuonna 1896 teorian, että ihmiskunnan toiminta voimistaa kasvihuoneilmiötä. Kasvihuoneilmiö on prosessi, jossa tietyt ilmakehän kaasut säteilevät ja imevät itseensä infrapuna- eli lämpösäteilyä lämmittäen maan ilmakehää ja pintaa. Kasvihuonekaasujen lämmittävä vaikutus perustuu siihen, että ne päästävät lävitseen auringon lyhytaaltoista säteilyä, mutta absorboivat eli imevät itseensä auringosta kohti maahan tulevaa ja maasta takaisin avaruuteen heijastuvaa pitkäaaltoista lämpösäteilyä. Kasvihuonekaasut, kuten hiilidioksidi, metaani ja vesihöyry absorboivat pitkäaaltoista infrapuna- eli lämpösäteilyä avaruudellisen rakenteensa takia, kun säteily tietyllä aallonpituudella kulkeva fotoni kulkeutuu molekyylin, esimerkiksi hiilidioksidin hiili- ja happiatomien väliin, jossa atomien sähkömagneettinen vuorovaikutus absorboi fotonin energian ja  saa molekyyleissä olevat atomit värähtelemään. Molekyylien absorboima energia nostaa lämpötilaa, koska se saa aikaan liikettä eli lämpöä.
Kasvihuonekaasut luovat luonnollisen kasvihuoneilmiön, jota ilman maan keskilämpötila olisi yli 30 °C kylmempi. Ilman kasvihuoneilmiötä maa olisi elinkelvoton. Maan pintalämpötila olisi liian alhainen, jotta vettä voisi esiintyä laajalti nestemäisenä ja vesihöyrynä. Viime jääkauden lopusta teollisen vallankumouksen alkuun asti maan keskilämpötila on pysynyt keskimäärin noin 14 °C:ssa. Kasvihuonekaasupitoisuuksien kasvun myötä kasvihuoneilmiö voimistuu aiheuttaen lämpötilojen nousua.
Merkittävin kasvihuonekaasvu on vesihöyry, joka aiheuttaa noin 36–70 prosenttia kasvihuoneilmiöstä (pilviä lukuun ottamatta). Hiilidioksidi (CO2) aiheuttaa noin 9–26 prosenttia kasvihuoneilmiöstä, metaani (CH4) 4–9 prosenttia ja alailmakehän otsoni 3–7 prosenttia. Vesihöyryn määrä ilmakehässä riippuu haihtumisesta ja sateesta, joten ihmisen tuottama vesihöyry ei käytännössä pysty lisäämään sen kokonaismäärää. Sen sijaan hiilidioksidin ja metaanin määrät riippuvat ihmisen aiheuttamista päästöistä. Hiilidioksidipitoisuus ilmakehässä on noussut 47 prosenttia ja metaanipitoisuus 156 prosenttia verrattuna esiteolliseen aikaan. Kasvihuonekaasujen määrät ovat korkeampia kuin kertaakaan aiemmin 650 000 vuoteen, mikä on pääteltävissä luotettavasti jäätiköiltä syväkairatuista näytteistä. Epäsuorien geologisten todisteiden perusteella uskotaan, että hiilidioksidipitoisuudet ovat olleet nykytasolla viimeksi 20 miljoonaa vuotta sitten.
Vuonna 2023 ilmakehän hiilidioksidipitoisuus oli keskimäärin 419 ppm, mikä on 50 prosenttia korkeampi kuin ennen teollista vallankumousta. Vertailuksi vuoksi; vuonna 2009 pitoisuus oli noin 384 ppm ja vuonna 1999 pitoisuus oli noin 365 ppm.
Pitoisuuden odotetaan nousevan jatkossa fossiilisten polttoaineiden käytön ja maankäytön muutosten myötä. Kasvuvauhti on riippuvainen taloudellisesta, sosiologisesta, teknologisesta ja luonnollisesta kehityksestä, joskin fossiilisten polttoaineiden saatavuus voi rajoittaa kasvua. IPCC:n erikoisraportti päästöskenaarioista ennustaa CO2-pitoisuuden nousevan tasolle 541–970 ppm vuoteen 2100 mennessä.
Fossiilisten polttoaineiden varannot riittävät tämän tason saavuttamiseen ja päästöjen kasvattamiseen vuodesta 2100 eteenpäin, mikäli hiiltä, öljyhiekkaa tai metaaniklatraattia käytetään laaja-alaisesti. Vaikka kasvihuonekaasujen pitoisuudet pysyisivät nykytasolla, ilmasto luultavimmin lämpenisi edelleen 0,5 °C ja merenpinta jatkaisi nousuaan yli tuhannen vuoden ajan.
Merenpohjan sedimenteistä ja kasvien fossiileista tehtyjen mittausten perusteella on voitu arvioida, että esimerkiksi 150–200 miljoonaa vuotta sitten hiilidioksidin pitoisuus oli ilmeisesti paljon nykyistä korkeampi, yli 2 000 ppm, ja 400–600 miljoonaa vuotta sitten ajoittain jopa yli 5 000 ppm. Vaikka hiilidioksidipitoisuus nousisi näille tasoille, seurauksia olisi mahdoton ennustaa, koska auringon lämmittävä vaikutus ei ollut silloin niin suuri kuin nykyään. Auringon, kuten muidenkin tähtien sisällä tapahtuvan fuusioreaktion takia ne kirkastuvat ajan myötä.
Noin 68 prosenttia ihmisen aiheuttamista hiilidioksidipäästöistä vuosina 1750–2011 johtuu fossiilisten polttoaineiden käytöstä ja sementin tuotannosta. Loput 32 prosenttia ihmisperäisistä päästöistä ovat pääasiassa seurausta maankäytöstä, erityisesti metsähakkuista. Tropiikissa tapahtuva metsänhävitys on aiheuttanut 2000-luvulla noin 15 % globaaleista hiilidioksidipäästöistä. Metsäpalojen yhteydessä ilmaan pääsee lisäksi ilmakehää lämmittäviä metaania ja typpioksiduulia. Toisaalta biomassan poltossa syntyy myös pienhiukkaspäästöjä, joilla arvioidaan olevan ilmakehää viilentävä nettovaikutus.