温室气体是地球大气层中的气态成分，能够吸收和发射热红外波段的辐射。这些气体产生温室效应，有助于使地球保持适宜生命生存的温度。温室气体包括水蒸气、二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、臭氧以及若干人工制造的气体。温室气体的自然存在与人类活动造成的浓度增加有所区别；后者会增强温室效应，并推动气候变化。(ipcc.ch)
物理机制
地球从阳光中获得能量，并以热电磁辐射的形式将能量释放回太空。温室气体吸收一部分向外发出的红外辐射，并向上和向下发射辐射。因此，它们会影响能量逸散到太空的速率，以及地表和大气的温度。这一效应并不意味着热量会无限积累：温度会发生调整，直到向外发出的辐射再次与吸收的太阳能达到平衡。(science.nasa.gov)
温室气体浓度升高，起初可能会减少向外发出的辐射，造成地球能量收支失衡。随后，地表和低层大气变暖，热辐射随之增加。不同气体吸收红外光谱的不同部分，其吸收带也会相互重叠。因此，一种气体对气候的影响取决于其浓度、吸收特性以及与其他大气成分的相互作用，而不只是其含量。(science.nasa.gov)
主要温室气体
水蒸气是一种含量丰富的温室气体，其在大气中的浓度对温度和水循环的变化十分敏感。蒸发向大气补充水蒸气，凝结和降水则将其移除。在低层大气中，水蒸气主要起反馈作用：变暖使大气能够容纳更多水分，从而增强温室效应带来的增温。因此，不能将水蒸气与那些能够引发能量平衡持续变化的长寿命气体等同看待。(science.nasa.gov)
**二氧化碳（CO₂）**通过碳循环，在大气、生物、土壤和海洋之间进行自然交换。人为来源包括化石燃料燃烧、水泥生产和土地利用变化。毁林会释放储存的碳，并减少此后的碳吸收。植物通过光合作用吸收 CO₂，海洋也会吸收一部分人为排放的 CO₂。这些碳汇无法移除全部排放的 CO₂，因此其大气浓度会增加。(science.nasa.gov)
**甲烷（CH₄）**既来自自然来源，尤其是湿地，也来自畜牧业、水稻种植、废弃物处理以及化石燃料开采和输送等人类活动。甲烷在大气中的含量远低于 CO₂，但在通常采用的比较时段内，单位质量的甲烷排放具有更强的增温作用。甲烷还会影响大气化学过程，包括臭氧的形成。(epa.gov)
**氧化亚氮（N₂O）具有自然来源和人为来源。农业土壤管理，包括肥料使用，是重要的人为来源；工业过程、燃烧和废水处理也会产生排放。臭氧（O₃）**是另一种温室气体。其分布和影响取决于所处高度：平流层臭氧与低层大气中的臭氧具有不同的形成过程和环境作用。(epa.gov)
**含氟气体**包括氢氟碳化物、全氟碳化物、六氟化硫和三氟化氮。其来源包括制冷、空调、电子制造和电气设备。许多含氟气体单位质量的增温效应很强，但它们的大气寿命和辐射特性差异很大。一些含氟化合物还会消耗平流层臭氧，但臭氧消耗与温室效应引起的增温是不同的过程。(epa.gov)
大气中的存留时间与来源
大气浓度反映的是排放与移除过程之间的平衡，而不只是排放量。移除过程可能涉及化学反应、植被吸收或与海洋的交换。政府间气候变化专门委员会在其 2021 年评估中，将甲烷的扰动寿命——即大气中额外增加的气体量逐渐减少的时间尺度——估计为约 11.8 年，将氧化亚氮的扰动寿命估计为约 109 年。这些数值描述的是大气的响应，而不是单个分子的固定寿命。(ipcc.ch)
CO₂ 没有单一的大气寿命，因为其移除涉及多种过程，各自作用于不同的时间尺度。部分额外增加的 CO₂ 会较快被吸收，另有一部分则会影响大气浓度达数千年。某些含氟气体同样能存留数百年乃至数千年。这些差异意味着，即使以同一单位表示排放量，短寿命气体与长寿命气体也会产生不同的增温轨迹。(ipcc.ch)
增温效应的比较
全球增温潜势（GWP）将某种气体一次脉冲排放所产生的、在一定时间内积分的辐射强迫，与等质量 CO₂ 排放产生的相应辐射强迫进行比较。因此，按定义，CO₂ 的 GWP 为 1。比较时必须指定时间范围，通常为 20 年或 100 年。甲烷在 20 年时间范围内的 GWP 高于其在 100 年时间范围内的 GWP，因为其造成的大气扰动衰减相对较快。(epa.gov)
以二氧化碳当量表示的排放量，是将每种气体的排放质量乘以选定的 GWP 值计算得到的。这使排放清单能够汇总不同气体的排放，但并不意味着这些排放在未来每个时点对温度的影响都相同。比较时必须采用一致的时间范围和评估值；随着科学认识的进步，GWP 的估计值可能发生变化。(epa.gov)
测量与证据
大气监测网络采集空气样本，并使用连续运行的仪器，以识别长期趋势、季节周期和地理差异。对同位素组成的测量有助于研究气体来源及其交换过程。保存在冰芯中的空气为早期温室气体浓度提供了证据，使记录能够追溯到现代仪器观测开始之前。这些记录与排放清单相互补充；排放清单估算的是特定活动释放的气体量，而非直接测量大气中的气体含量。(gml.noaa.gov)