地球大气的主要成分是氮气和氧气，它们既不吸收也不散发热辐射。那些给地球保温的所谓温室气体大约有10种，最常见也最重要的是水汽，它所产生的温室效应大约占整体温室效应的60％～70％，这也是地球上风云雨雪等各种气象活动的主要载体，但它纯粹是一种自然现象。除此之外，二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟碳化物和六氟化硫是6种主要的温室气体。其中，二氧化碳大约占整体温室效应的26％，是最重要的一种温室气体。二氧化碳在大气中存留的时间高达200年，即使我们今天完全停止向大气中排放二氧化碳，此前排放的二氧化碳产生的温室效应还将持续200年左右。
二氧化碳是地球上各类生物生命活动的主要参与者。植物通过光合作用从空气中吸人二氧化碳，转化为葡萄糖和淀粉等碳水化合物，再将碳水化合物转化为蛋白质和脂肪；动物则把植物作为食物，将植物组织的有机物消化掉，然后转化为动物组织；植物和动物死亡后埋压在泥土或水底下，在数万年压力及高温的作用下变成煤炭或石油等化石燃料，并储存起大量的碳。与此同时，各类生物都会通过呼吸作用释放二氧化碳，细菌和真菌会将生物的尸体分解并释放出二氧化碳，化石燃料燃烧也会释放大量的二氧化碳，这些二氧化碳都会回到地球大气中。通过这些复杂的活动，二氧化碳不停地在地球的大气圈、生物圈、地圈和水圈中循环流动。
二氧化碳不仅是上述自然活动的载体和产物，它同时也是人类生产活动的产物，人类耕作土地、砍伐森林和燃烧木材，都会向大气中释放二氧化碳。在工业化以前的时期，这些活动的规模都不大，因此产生的二氧化碳排放对地球大气的影响非常微小。
工业革命的到来，以前所未有的规模，显著改变了自然界的碳循环。工业革命以前很长一段时间，大气中二氧化碳的浓度大致稳定在270～290ppm。但在1800年以后，现代工业和交通发展迅猛，城市化水平不断提高，煤炭和石油消耗快速增加，大气中的二氧化碳浓度不断增加，而且增加速度越来越快。碳在自然界的循环平衡被彻底打破，地球开始“发烧”了。
IPCC第四次评估报告认为，自1750年以来，由于人类活动，全球大气中二氧化碳、甲烷和氧化亚氮的浓度已明显增加，1970—2004年期间增加了70％，目前已经远远超出了根据冰芯记录测定的工业化前几千年中的浓度值。在这34年间，二氧化碳的排放增加了大约80％。到2005年，大气中二氧化碳的浓度为379ppm，远远超过了过去65万年自然变化的范围。
全球二氧化碳浓度的增加，主要是由于化石燃料的使用，另一个原因则是土地利用的变化。过去50年以来，除南极洲之外的各大陆都出现了显著的变暖，大部分已观测到的全球平均温度的升高很可能都是由于人为温室气体浓度增加所致。目前全球二氧化碳的排放量一年超过230亿吨，和1800年相比增加了30％。这些气体在地球大气层制造出一个隐形的温室，热量被封闭在大气层内，造成地球温度上升。
报告警告说，如果到2030年，全球能源结构仍以化石燃料为主导，按照二氧化碳当量计算，全球温室气体排放量在2000—2030年间将会增加25％～90％。世界气象组织估计，如果按目前排放量继续等值排放，大气中二氧化碳等温室气体的体积浓度将近乎直线增长，2050年为450ppm，2100年将增加到520ppm，增长趋势令人担忧。
在这一趋势下，21世纪的地球将会进一步变暖。报告估计，未来20年，全球气温将升高约0.4℃；即使所有温室气体和气溶胶的浓度稳定在2000年的水平不变，仍会升温约0.2℃。科学家相信，地球的平均气温将在未来100年内骤升1.4℃～5.8℃。这究竟意味着什么呢？科学家们提到了2.5亿年前西伯利亚的一系列火山爆发，当时的火山爆发向大气层排放了大量二氧化碳，使地球温度上升了6℃，最终导致地球上95％的生物死亡。
七、冰川和永久冻土带的融化
全球变暖立竿见影的后果之一，就是冰川融化。南极和北极地区形势尤为严峻。南极洲是一片由海洋环绕的大陆，而北极地区则是一片由陆地包围的海洋，她们都极为脆弱，很容易受到人类活动影响。
过去50年内，在千里冰封的南极地区，平均气温上升了2.5℃，冰层已经变得越来越脆弱，最近几十年，已经先后有9个冰架融化坍塌。2002年3月，位于南极洲最北部的巨型冰架拉森B崩塌瓦解。它的面积为3250平方公里，厚200米，估计重量达到50亿吨，仅仅31天，这个庞然大物就不见踪影，化成千万座冰山像羽毛一般飘浮在南极洲东部的威德尔海，比前半个世纪冰川的总和还要多，令冰河学家们瞠目结舌。拉森B的警报拉响之后，科学家迅速把担忧的目光投向了第10个岌岌可危的“大家伙”威尔金斯。2008年3月，威尔金斯冰架上一块面积400平方公里大的冰川断裂入海，2009年美国冰雪数据中心发现，连接威尔金斯冰架和南极洲夏科岛冰桥的最后一段已经出现了坍塌，科学家预计，威尔金斯还将失去3370平方公里的冰层，面积相当于两个卢森堡。
与此同时，类似的一幕也在地球另一侧的北极上演。随着全球变暖化加剧，北极冰川正以惊人的速度融化，千年厚冰正在以每10年8％～10％的速度消失，一些极地区域每年的海冰季节已缩减至三星期。美国国家航空和宇宙航行局对比2004—2008年的观测数据后发现，极地的冰盖不只越来越少，更越来越薄。虽然一些冻结超过两年以上的冰盖比较难以融化，但数量已经少之又少。科学家们估计，最快到2030年北极就会迎来一个“无冰之夏”。绿色和平组织“极地曙光号”科学考察船队在格陵兰岛的现场勘察发现，距离北冰洋27公里的冰川上，100平方公里的区域已布满裂缝，有些裂缝宽近500米，融化的冰水已经形成一条大河，河流流量约每秒50立方米，这种速度填满一个奥运会标准游泳池只需不到一分钟。
号称地球第三极的青藏高原，冰川融化的速度更快。中国国土资源部地质调查局通过4年的遥感监测发现，近30年来青藏高原的冰川总面积已经减少了1／10以上。预计到2050年冰川面积将减少到现有面积的72％，到2090年将减少一半。冰川融化使青藏高原的雪线迅速上升，最大上升距离达350米。国际冰雪委员会的数据显示，喜马拉雅冰川的收缩速度比任何地方的冰川都要快，可能在2035年之前完全消失。这个地区一直被称为“亚洲水塔”，冰川融化将影响到亚洲地区的24亿人口，占目前全球人口的40％。许多冰川湖蓄水量高达一亿立方米，如果溃决，洪水可能会以每秒一千米的速度席卷而下，对当地居民构成巨大威胁。
另一个不那么引入注目但却同样严重的威胁，是永久冻土地带的融化。俄罗斯大部分永久冻土带正在消退，并在向西伯利亚西北部和欧洲北部扩散。到21世纪末，格陵兰岛南部海岸、美国阿拉斯加州布鲁克斯以南地区和加拿大北极圈大部分地区的永久冻土带将融化，中国的永久冻土带面积也有可能减少一半。这对一些基础设施的建设和运营构成了直接的威胁，正在计划中的“中俄石油管道”的设计，就必须考虑气候变化在稳定性上的影响，而青藏铁路的设计和建设，通过运用冷却技术，已经把温度上升2.6℃后的各种可能影响综合考虑在内了。
八、气候失调：极端天气事件
在参与大气与地表水循环的过程中，水分子从液态到气态、再从气态到液态转换时会吸收或释放大量能量，规模之大超乎我们想象。1克水从0℃上升到100℃需要吸收100卡能量，1克100℃的水变成100℃汽需要吸收539卡能量；水蒸气进入大气后又会凝结成雨雪落到地面上，同时释放出同样数量的能量。2005年摧毁了美国新奥尔良城的卡特里娜飓风，它的破坏力就来自水汽凝结释放出来的巨大能量。
如果地表特别是大洋表面温度维持平衡，大气与地表水循环也可以维持基本平衡，进入到大气中的水汽总量及其所携带的总能量也会基本不变，基于水汽的能量转换所引起的天气波动，无论是波动幅度还是持续时间也会总体维持平衡。这样，天气变化就会显得相对和缓，可以预期。
但全球变暖打破了这个平衡，使地球上的天气变化更剧烈、更富戏剧性。中国气象局局长郑国光说：“全球变暖，引起水分蒸发增加，因而导致极端天气频发。”因为水分蒸发增加使大气中的水汽增多，给大气增加了额外的能量，导致大气环流出现异常。让事情变得更加复杂的是，水汽蒸发量会随着温度升高呈非线性增加，200℃时每立方米空气最多可容纳23克水蒸气，温度上升1℃，可容纳的水蒸气质量会增加6.4％；上升2℃，水蒸气质量会增加13.1％；上升3℃，水蒸气质量会增加20.1％。大气中增加的这些水汽总量，等于增加了同等规模的能量，这会给天气系统乃至气候变化带来多大的扰动也就不难想象了。