Carbon dioxide
Khí quyển Trái Đất > Thay đổi trong quá khứ

Phương pháp trực tiếp nhất để đo nồng độ carbon dioxide trong khí quyển cho các thời kỳ trước việc lấy mẫu trực tiếp là đo các bọt khí bị giữ lại trong các chỏm băng ở Nam Cực hay Greenland. Nghiên cứu được chấp nhận rộng rãi nhất là từ các loại lấy từ Nam Cực và chỉ ra rằng mức CO2 trong khí quyển là khoảng 260–280 µL/L ngay trước khi khí thải công nghiệp bắt đầu và nó không dao động nhiều với mức này trong khoảng 10.000 năm trước đó.
Ghi chép về lõi băng dài nhất đến từ Đông Nam Cực, tại đó băng được lấy mẫu đến niên đại khoảng 650.000 năm trước.  Trong thời gian này, nồng độ carbon dioxide trong khí quyển đã dao động trong khoảng 180–210 µL/L trong các thời kỳ băng hà, tăng lên tới 280–300 µL/L trong các thời kỳ giữa các kỷ băng hà ấm áp hơn.
Một số nghiên cứu đã gây tranh luận về sự ổn định của mức CO2 trong thời kỳ giữa các kỷ băng hà gần đây nhất (10.000 năm cuối). Dựa trên phân tích các lá hóa thạch, Wagner và những người khác cho rằng mức CO2 trong thời kỳ 7–10.000 năm trước là cao hơn một cách đáng kể (≈ 300 µL/L) và chứa các thay đổi đáng kể mà có thể có tương quan với các thay đổi khí hậu. Các tuyên bố khác gây tranh cãi là giả thiết cho rằng chúng có lẽ phản ánh các vấn đề định cỡ hơn là các thay đổi thực sự của CO2. Liên quan đến tranh cãi này là các quan sát lõi băng ở Greenland thông thường cho các giá trị của CO2 cao hơn và biến đổi nhiều hơn so với các phép đo tương tự tại Nam Cực. Tuy nhiên, các nhóm chịu trách nhiệm cho các đo đạc này (ví dụ Smith và những người khác tin rằng các thay đổi trong lõi băng Greenland được tạo ra do sự phân hủy tại chỗ (in situ) của bụi calci carbonat tìm thấy trong băng. Khi mức độ bụi trong các lõi băng Greenland là thấp gần như bằng mức ở lõi băng Nam Cực thì các báo cáo của các nhà nghiên cứu cũng gần như cho một kết quả giữa các phép đo tại hai nơi này.
Trên biểu thời gian dài hơn, các phép đo đại diện khác nhau được sử dụng để cố gắng xác định mức carbon dioxide trong khí quyển hàng triệu năm trước. Các phép đo này bao gồm các tỷ lệ đồng vị bo và carbon trong các dạng trầm tích đại dương nào đó cũng như số lượng khí khổng quan sát được trên các lá hóa thạch. Trong khi các phép đo này ít chính xác hơn về nồng độ carbon dioxide so với việc đo lõi băng thì ở đây có chứng cứ cho thấy các nồng độ CO2 rất cao (> 3.000 µL/L) trong khoảng 600–400 triệu năm trước và trong khoảng 200–150 triệu năm trước. Lưu trữ 2007-04-27 tại Wayback Machine. Trên biểu thời gian dài, hàm lượng CO2 khí quyển được xác định theo cân bằng giữa các quá trình địa hóa học (bao gồm carbon hữu cơ bị chôn vùi trong các trầm tích, đá silicat phong hóa) và tác động của núi lửa. Hiệu ứng ròng của sự không cân bằng nhẹ trong chu trình carbon trên hàng chục đến hàng trăm triệu năm đã làm giảm CO2 khí quyển. Các tốc độ của các quá trình này là cực chậm; vì thế chúng có mối tương quan bị giới hạn đối với các phản ứng của CO2 khí quyển trong việc thoát ra trong hàng trăm năm sau. Trong thời gian gần đây, nồng độ CO2 khí quyển vẫn tiếp tục theo đà suy giảm kể từ khoảng 60 triệu năm trước, và ở đây cũng có chứng cứ địa hóa học cho thấy nồng độ đã nhỏ hơn 300 µL/L vào khoảng 20 triệu năm trước. Nồng độ CO2 thấp có thể đã là tác nhân kích thích cho sự tiến hóa của các thực vật [[Sự cố định carbon C4|C4]], là những loài đã tăng đáng kể về số lượng trong khoảng 7–5 triệu năm trước. Mặc dù các nồng độ CO2 thời đó đã vượt quá trong vòng các kỷ nguyên địa chất diễn ra sớm hơn, các nồng độ carbon dioxide hiện nay có lẽ là cao hơn so với bất kỳ thời gian nào trong vòng 20 triệu năm qua  Lưu trữ 2006-07-09 tại Wayback Machine nhưng lại là thấp hơn so với bất kỳ thời gian nào trong lịch sử nếu ta nhìn vào thang thời gian dài hơn 50 triệu năm.