Kohlenstoff wandert ständig zwischen vier großen Speichern: der Luft (als $\mathrm{CO_2}$), den Lebewesen mit dem Boden (in organischen Stoffen), den Ozeanen (gelöstes $\mathrm{CO_2}$ und Kalkschalen) und dem Gestein (Kalkstein, Kohle, Erdöl, Erdgas). Diese Wanderung heißt Kohlenstoffkreislauf.

Die Fotosynthese hat die Gleichung $6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}$. Die Atmung ist ihre Umkehrung. Über lange Zeit hielten sich Aufnahme und Abgabe von $\mathrm{CO_2}$ in der Natur ungefähr die Waage.

Kohle, Erdöl und Erdgas heißen fossile Energieträger. Sie sind vor vielen Millionen Jahren aus abgestorbenen Pflanzen und Kleinstlebewesen entstanden, die in Erdschichten eingeschlossen wurden und dort unter Druck und Wärme ohne Sauerstoff umgewandelt wurden. Ihr Kohlenstoff blieb im Gestein gespeichert und lag damit außerhalb des schnellen Kreislaufs.

Beim Verbrennen wird dieser Kohlenstoff zu $\mathrm{CO_2}$: $\mathrm{C} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO_2}$ und $\mathrm{CH_4} + 2\,\mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO_2} + 2\,\mathrm{H_2O}$. Der Mensch setzt damit in wenigen Jahrzehnten frei, was in Millionen Jahren gespeichert wurde. Fossile Energieträger sind nicht erneuerbar: Sie werden schneller verbraucht, als sie neu entstehen.

Die Sonne strahlt vor allem sichtbares Licht ein. Es erwärmt die Erdoberfläche. Die warme Oberfläche gibt unsichtbare Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung) ab, und ein Teil davon entweicht ins Weltall. Treibhausgase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan ($\mathrm{CH_4}$) und Lachgas ($\mathrm{N_2O}$) nehmen einen Teil dieser Wärmestrahlung auf. Sie strahlen sie in alle Richtungen wieder ab, auch zurück zum Boden. Deshalb ist die Erdoberfläche wärmer, als sie es ohne diese Gase wäre.

Das ist der natürliche Treibhauseffekt. Ohne ihn läge die mittlere Temperatur der Erde bei etwa $-18\,^\circ\mathrm{C}$, tatsächlich liegt sie bei etwa $+15\,^\circ\mathrm{C}$. Er ist also lebensnotwendig. Stickstoff und Sauerstoff, die Hauptbestandteile der Luft, nehmen Wärmestrahlung praktisch nicht auf und sind deshalb keine Treibhausgase.

Anthropogen heißt vom Menschen verursacht. Der Mensch setzt Treibhausgase frei: Kohlenstoffdioxid durch das Verbrennen fossiler Energieträger und das Abholzen von Wäldern, Methan zum Beispiel durch Rinderhaltung und Reisanbau, Lachgas durch Düngung. Je mehr Treibhausgas in der Luft ist, desto mehr Wärmestrahlung kommt zum Boden zurück, und die Erde erwärmt sich zusätzlich. Das ist der anthropogene Treibhauseffekt.

Der Anteil von Kohlenstoffdioxid in der Luft lag vor der Industrialisierung bei etwa 280 ppm und beträgt heute über 420 ppm. Die Einheit ppm (englisch parts per million) bedeutet „Teile pro Million“. 420 ppm sind 420 von einer Million Teilen, also 0,042 %. Der Mensch setzt jedes Jahr mehr als 30 Milliarden Tonnen $\mathrm{CO_2}$ frei. Etwa die Hälfte bleibt in der Luft, den Rest nehmen vor allem Ozeane und Pflanzen auf. Die Ozeane werden dadurch ein wenig saurer, denn $\mathrm{CO_2}$ bildet mit Wasser Kohlensäure.

Regenerative Energieträger sind Quellen, die sich auf menschlichen Zeitskalen erneuern oder nie versiegen.

Auch regenerative Anlagen verursachen beim Bau etwas $\mathrm{CO_2}$. Weil Sonne und Wind schwanken, braucht man Speicher, zum Beispiel Akkus oder Wasserstoff.

Das Wetter ist der Zustand der Luft an einem Ort zu einem Zeitpunkt, zum Beispiel Regen heute Nachmittag. Das Klima ist der Durchschnitt des Wetters über lange Zeit, meist über 30 Jahre. Seit Ende des 19. Jahrhunderts ist die mittlere Temperatur der Erde um gut 1 °C gestiegen. Nach dem Stand der Wissenschaft ist der Mensch mit seinen Treibhausgasen die Hauptursache. Diese Veränderung heißt Klimawandel.

Folgen sind schmelzende Gletscher und ein steigender Meeresspiegel, denn Eis auf dem Land schmilzt und warmes Wasser dehnt sich aus. Hitzewellen, Dürren und Starkregen werden häufiger. Gegenmaßnahmen sind weniger Energieverbrauch, effizientere Geräte, der Ersatz fossiler durch regenerative Energieträger und der Schutz der Wälder, die Kohlenstoff speichern.