В создании парникового эффекта важнейшую роль играют водяной пар и некоторые малые газовые примеси, основное значение среди которых имеет углекислый газ. Его существование в атмосфере обусловлено процессами газообмена между различными резервуарами углерода и некоторыми химическими реакциями, для которых СО₂ является конечным продуктом. Процессы, объединяющие потоки между различными резервуарами (табл. 1.7), и процессы превращения неорганического и органического углерода образуют так называемый глобальный биогеохимический цикл углерода. Время жизни углерода в разных резервуарах различно – у небольших резервуаров оно на много порядков меньше, чем у крупных резервуаров. При этом оно зависит как от объема резервуара, так и от скорости обмена. Например, углерод в земной коре имеет время жизни на много порядков больше, чем в атмосфере, отражая не только большой объем, но и гораздо более медленную скорость обмена с другими компонентами земной системы.

Атмосферный углерод (С) главным образом входит в состав СО₂. Содержание С в метане на два порядка меньше. Однако, несмотря на маленькие концентрации, значение метана в формировании парникового эффекта велико. Метан химически активен: он удаляется благодаря реакции окисления, превращаясь в углекислый газ.

Между атмосферой и биотой происходит интенсивный обмен углеродом. Он включает реакцию фотосинтеза СО₂+H₂O→CH₂O + O₂.

Благодаря фотосинтезу углерод удаляется из атмосферы и запасается в органических молекулах фитопланктона и растений. При этом органические молекулы окисляются и углекислый газ возвращается в атмосферу. Фотосинтез включает поглощение энергии в форме видимого света на длине волны 0.43 мкм (голубой) и 0.66 мкм (оранжевый), а дыхание и разрушение выделяют эквивалентное количество энергии в виде тепла. Удобной характеристикой скорости фотосинтеза, способной представить его географическое распределение, служит бюджет первичной продуктивности – NPP, кг/(м²·год), который может быть оценен путем сравнения интенсивности отраженной радиации на разных длинах волн видимой части спектра.

Зоны повышенной продуктивности в океанах приурочены к областям экваториального апвеллинга и апвеллинга у западных побережий материков. Здесь NPP составляет примерно 1 кг/(м²·год). Вообще, NPP больше над сушей, покрытой растительностью, где оно порядка 3 кг/(м²·год). Скорости фотосинтеза особенно высоки в бореальных лесах. Зеленеющие весной и летом континенты Северного полушария забирают заметное количество СО₂ из атмосферы и запасают в виде растительной биомассы, которая распадается с более-менее постоянной скоростью в течение года. Эти механизмы обмена ответственны за хорошо выраженный годовой цикл СО₂.