Известно более миллиона углеродных соединений, тысячи из которых участвуют в биологических процессах. Атомы углерода могут находиться в одном из девяти возможных состояний окисления: от +IV до -IV. Наиболее распространённое явление - это полное окисление, т.е. +IV, примерами таких соединений могут служить  и . Более 99% углерода в атмосфере содержится в виде углекислого газа. Около 97% углерода в океанах существует в растворённой форме ( ), а в литосфере - в виде минералов. Примером состояния окисления +II является малая газовая составляющая атмосферы , которая довольно быстро окисляется до .Элементарный угрерод присутствует в атмосфере в малых количествах в виде графита и алмаза, а в почве - в форме древесного угля. Ассимиляция углерода в процессе фотосинтеза приводит к образованию восстановленного углерода, который присутствует в биоте, мёртвом органическом веществе почвы, в верхних слоях осадочных пород в виде угля, нефти и газа, захоронённых на больших глубинах, и в литосфере - в виде рассеянного недоокисленного углерода. Некоторые газообразные соединения, содержащие недоокисленный углерод , в частности метан, поступают в атмосферу при восстановлении веществ, происходящем в анаэробных процессах. Хотя при бактериальном разложении образуется несколько различных газообразных соединений, они быстро окисляются, и можно считать, что в систему поступает . Исключением является метан, поскольку он также влияет на парниковый эффект. В океанах содержится значительное количество растворённых соединений органического углерода, процессы окисления которых до  известны ещё недостаточно хорошо.

Изотопы углерода.

В природе известно семь изотопов углерода, из которых существенную роль играют три. Два из них -  и  - являются стабильными, а один -  - радиоактивным с периодом полураспала 5730 лет. Необходимость изучения различных изотопов углерода обусловлена тем, что скорости переноса соединений углерода и условия равновесия в химических реакциях зависят от того, какие изотопы углерода содержат эти соединения. По этой причине в природе наблюдается различное распределение стабильных изотопов углерода. Распределение же изотопа , с одной стороны, зависит от его образования в ядерных реакциях с участием нейтронов и атомов азота в атмосфере, а с другой - от радиоактивного распада.

Углерод в атмосфере.

Атмосферный углекислый газ.

Тщательные измерения содержания атмосферного  были начаты в 1957 году Киллингом в обсерватории Мауна-Лоа. Регулярные измерения содержания атмосферного  проводятся также на ряде других станций. Из анализа наблюдений можно заключить, что годовой ход концентрации  обусловлен в основном сезонными изменениями цикла фотосинтеза и деструкции растений на суше; на него также влияет, хотя и меньшей степени, годовой ход температуры поверхности океана, от которого зависит растворимость  в морской воде. Третьим, и , вероятно, наименее важным фактором является годовой ход интенсивности фотосинтеза в океане. Среднее за каждый данный год содержание  в атмосфере несколько выше в северном полушарии, поскольку источники антропогенного поступления  расположены преимущественно в северном полушарии. Кроме того, наблюдаются небольшие межгодовые изменения содержания , которые, вероятно, определяются особенностями общей циркуляции атмосферы. Из имеющихся данных по изменению концентрации  в атмосфере основное значение имеют данные о наблюдаемом в течение последних 25 лет регулярном росте содержания атмосферного . Более ранние измерения содержания атмосферного углекислого газа (начиная с середины прошлого века) были, как правило, недостаточно полны. Образцы воздуха отбирались без необходимой тщательности и не производилась оценка погрешности результатов. С помощью анализа состава пузырьков воздуха из ледниковых кернов стало возможным получить данные для периода с 1750 по 1960 год. Было также выявлено, что определённые путём анализа воздушных включений ледников значения концентраций атмосферного  для 50-х годов хорошо согласуются с данными обсерватории Мауна-Лоа. Концентрация  в течение 1750-1800 годов оказалась близкой к значению 280 млн , после чего она стала медленно расти и к 1984 году составляла 343 1 млн .

Содержание изотопа С в атмосферном углекислом газе.

Содержание изотопа  выражается отклонением ( ) ( ) отношения  от общепринятого стандарта. Первые измерения содержания изотопа  в атмосфере были проведены Килингом в 1956 году и повторены им же в 1978 году. Значение  для атмосферного  в 1956 году было равно 7 , а в 1978 составляло -7,65 . Недавно были опубликованы также данные измерений  в углекислом газе воздушных включений в ледниках. В среднем оценки уменьшения  в атмосферном  в течение последних 200 лет составляют 1,0-1,5 . Наблюдаемые изменения содержания  вызваны главным образом поступлением  в атмосферу с меньшим значением  при вырубке лесов, изменении характера землепользования и сжигания ископаемого топлива.

Содержание изотопа С в атмосферном углекислом газе.

Количество изотопа  на Земле зависит от баланса между образованием  под воздействием космического излучения и его радиоактивным распадом. По-видимому, до начала сельскохозяйственной и промышленной революции распределение изотопа  в различных резервуарах углерода сохранялось примерно неизменным. До начала заметных изменений, вызванных выбросами  при испытаниях ядерного оружия, с начала прошлого века до середины текущего происходило уменьшение содержания . Оно было главным образом вызвано выбросом  за счёт сжигания ископаемого топлива, в котором не содержится радиоактивный изотоп . Это привело к уменьшению содержания  в атмосфере. Начиная с первых испытаний ядерного оружия в 1952 и 1954 годах наблюдались существенные изменения содержания  в атмосферном углекислом газе. Большое поступление  в атмосферу произошло в результате ядерных испытаний, проведённых США в Тихом океане в 1958 году и СССР в 1961-1962 годах. После этого выбросы были заметно ограничены. Первоначально большая часть радиоактивных продуктов переносилась в стратосферу. Поскольку время обмена между стратосферой и атмосферой составляет несколько лет, то уменьшение концентрации изотопа  в тропосфере, обусловленное взаимодействием с континентальной биотой и океанами, начиная с 1965 года происходило более медленно за счёт поступления этого изотопа из стратосферы.

Перемешивание в атмосфере.

Перемешивание воздуха в тропосфере происходит довольно быстро. Пассаты в средних широтах в обоих полушариях огибают Землю в среднем примерно за один месяц, вертикальное перемещение между земной поверхностью и тропопаузой (на высоте от 12 до 16 км) также происходит в течение месяца, перемешивание в направлении с севера на юг в пределах полушария происходит приблизительно за три месяца, а эффективный обмен между двумя полушариями осуществляется примерно за год. Поскольку в данной работе рассматриваются процессы, изменения которых происходят за время порядка нескольких лет, десятилетий и столетий, можно считать, что тропосфера в любой момент времени хорошо перемешана. Это предположение основано на том, что средние годовые значения концентрации  для высоких северных и высоких южных широт отличаются только на 1,5-2,0 млн . В северном полушарии концентрация  выше, чем в южном. Различие концентраций в северном и южном полушариях, вероятно, вызвано тем, что около 90% источников промышленных выбросов расположено в северном полушарии. За последние десятилетия эта разница увеличилась, поскольку потребление ископаемого топлива также возросло.

Обмен между стратосферой и тропосферой происходит значительно медленнее, чем в тропосфере, поэтому сезонные колебания концентрации атмосферного углекислого газа выше тропопаузы быстро уменьшаются. В стратосфере рост концентрации  значительно запаздывает по сравнению с её ростом в тропосфере. Так, согласно измерениям, концентрации  на высоте 36 км примерно на 7 млн меньше, чем на уровне тропопаузы (т.е. на высоте 15 км). Это соответствует времени перемешивания между стратосферой и тропосферой, равному 5-8 годам.