De atmosfeer bestaat voor 99,5% uit de gassen stikstof, zuurstof en argon. Het resterende deel bestaat uit broeikasgassen, zoals waterdamp (H2O), kooldioxide (CO2), ozon (O3), methaan (CH4) en lachgas (N2O). Daarnaast zijn water- en ijswolken en kleine deeltjes, die in de atmosfeer zweven (aërosolen), belangrijke atmosferische elementen. Broeikasgassen, wolken en aërosolen beïnvloeden de warmtehuishouding van de atmosfeer. Veranderingen in de hoeveelheid of de aard ervan hebben daarom een invloed op het klimaat.

 

Broeikaseffect
Gegeven de afstand van de zon tot de aarde en de gemiddelde reflectie van zonnestraling door elementen in de atmosfeer en door het aardoppervlak, zorgen broeikasgassen voor een wereldgemiddelde temperatuur van circa 15 ºC. Zonder deze isolerende deken van broeikasgassen zou het zo'n 33 graden koeler zijn en was complex leven op aarde onmogelijk geweest. Dit verschil van 33 graden wordt wel het natuurlijke broeikaseffect genoemd. Door activiteiten van de mens komen er steeds meer broeikasgassen in de atmosfeer. Dit veroorzaakt een verdergaande opwarming en wordt het versterkte broeikaseffect genoemd.

 

Variatie
De samenstelling van de atmosfeer verandert door zowel natuurlijke processen als door menselijke activiteiten. Zo variëren het kooldioxide en het methaangehalte in de afgelopen miljoen jaar door temperatuurschommelingen, die samenhangen met het optreden van ijstijden en interglacialen (warme perioden tussen de ijstijden). Deze temperatuurwisselingen zijn het gevolg van veranderingen in de aardbaanparameters, waardoor meer of minder zonne-energie gedurende het zomerseizoen op de noordelijke poolgebieden binnenkomt. Hierdoor kunnen ijskappen zich uitbreiden of juist terugtrekken. Ook op langere geologische tijdschalen zijn grote schommelingen van de CO2 concentratie bekend, die samenhangen met vulkanische activiteit en continentendrift.

 

Toename broeikasgassen
Sinds het aflopen van de laatste grote ijstijd, zo'n 12 duizend jaar geleden is de concentratie van CO2, circa 280 ppm nagenoeg constant gebleven. Hierin is verandering gekomen sinds het begin van de industriële revolutie (1750). De atmosferische concentraties van CO2 is anno 2006 met ongeveer 35% gestegen tot 380 ppm.Zowel de huidige concentratie als de snelheid van toename van CO2 zijn zeer uitzonderlijk, ook in het geologische perspectief. Het staat wetenschappelijk vast dat de toename van de hoeveelheid CO2 vrijwel geheel is veroorzaakt door menselijke activiteiten, voornamelijk via de verbranding van fossiele brandstoffen. Ook het gehalte van andere broeikasgassen zoals methaan en lachgas is sinds de industriële revolutie toegenomen Bij de verbranding van kolen komen ook zwavelhoudende gassen vrij. Tot de tachtiger jaren heeft dit geleid tot een hoger gehalte van sulfaataërosolen in de atmosfeer. Door zwavelafvang bij energiecentrales is sindsdien de concentratie van dit type aërosolen gedaald. Verder is het roetgehalte sterk gestegen door menselijke activiteiten. Bovendien zijn er veranderingen in het waterdampgehalte en bewolking geconstateerd. Dit kan deels herleid worden tot effecten van de temperatuurveranderingen.