Carbon dioxide trong khí quyển Trái Đất
Các nhà khoa học quan tâm đến mức carbon dioxide (CO) trong khí quyển Trái Đất bởi vì nó có tác động đến hiệu ứng nhà kính. Mức này đã tăng lên đáng kể trong thế kỷ 21, tăng trung bình 2,0 ppm/năm trong giai đoạn 2000–2009 và có dấu hiệu tăng nhanh hơn kể từ đó. Trước thời đại công nghiệp mật độ này bằng 280 ppm, nhưng tăng lên tới 400 ppm (phần triệu) , do chủ yếu từ những nguồn hoạt động của con người ảnh hưởng lên môi trường. Khoảng 57% lượng khí thải CO làm tăng mật độ của nó trong khí quyển, những phần còn lại đa số làm axít hóa đại dương. Quá trình quang hợp tiêu thụ cacbon dioxide (ở thực vật và sinh vật quang tự dưỡng), và nó cũng là một trong các loại khí nhà kính. Mặc dù mật độ tập trung của CO là khá nhỏ so với các khí khác trong khí quyển, CO là nhân tố quan trọng của khí quyển Trái Đất bởi vì các phân tử CO hấp thụ và phát xạ tia hồng ngoại tại bước sóng 4,26 µm (trong mode dao động giãn bất đối xứng) và 14,99 µm (mode dao động uốn), và vì vậy đóng vai trò quan trọng trong hiệu ứng nhà kính. Mức hiện tại cao hơn bất kỳ thời gian nào trong 800.000 năm trước, thậm chí khả năng cao hơn hẳn trong 20 triệu năm qua.

Năm 2009, mật độ trung bình toàn cầu của CO trong khí quyển Trái Đất là khoảng 0,0387%, hay 387 ppm. Biên độ tăng giảm của mật độ gần bằng 3–9 ppmv tương ứng với sự thay đổi các mùa tại Bán cầu bắc. Bắc bán cầu chi phối mật độ tập trung CO bởi vì đa số các nước công nghiệp phát triển nằm tại đây, và nhu cầu tiêu thụ năng lượng tăng cao nhất trong mùa đông tại các nước này. Mật độ CO đạt cực đại vào tháng 5 khi kết thúc mùa lạnh, và bắt đầu mùa xuân tại Bắc bán cầu, giá trị này đạt cực tiểu vào tháng 10 khi năng lượng tái tạo sinh khối từ quang hợp là lớn nhất.

Tháng 5 năm 2013, kỷ lục đầu tiên trong khoa học Trái Đất khi lượng carbon dioxide đo tại trạm ở núi Mauna Loa lên tới 400 ppm. Sir Brian Hoskins thuộc Royal Society đây là một dấu mốc "gây sức ép lên chính phủ các nước phải có những hành động mạnh mẽ hơn". Tạp chí "National Geographic" đưa tin mức CO trong khí quyển là cao nhất "trong 55 năm kể từ khi thu thập dữ liệu—và có lẽ cao hơn kể từ 3 triệu năm trước trong lịch sử Trái Đất". Vào tháng 6 năm 2012 ở Bắc Cực cũng đã đạt tới mức này, và theo như giám đốc cơ quan giám sát khí hậu toàn cầu tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu hệ thống Trái Đất thuộc Cục Quản trị Đại dương và Khí quyển Quốc gia (NOAA), "điều này nhắc nhở mọi người rằng chúng ta vẫn chưa khắc phục được, và vấn đề vẫn còn đó."


Các đại dương trên Trái Đất chứa một lượng rất lớn carbon dioxide ở dạng các ion bicacbonat và cacbonat — lớn hơn nhiều so với lượng carbon dioxide trong khí quyển. Bicacbonat được sinh ra từ các phản ứng giữa đá, nước, và carbon dioxide. Ví dụ về sự hòa tan của calci cacbonat:

carbon dioxide có những tác động lâu dài đặc trưng đối với biến đổi khí hậu mà theo đó phần lớn "không thể hồi phục" trong khoảng thời gian hàng ngàn năm sau khi chấm dứt việc phát thải thậm chí carbon dioxide có khuynh hướng cân bằng với đại dương trong khoảng thời gian tính theo 100 năm. Các khí nhà kính khác như metan và đinitơ oxit không tồn tại theo thời gian giống như carbon dioxide. Thậm chí nếu lượng phát thải khí carbon dioxide ngưng hoàn toàn, nhiệt độ khí quyển sẽ không giảm đáng kể trong khoảng thời gian ngắn.
