1859 maß der irische Physiker John Tyndall die Infrarot-Absorption verschiedener atmosphärischer Gase. Stickstoff und Sauerstoff — der Hauptteil der Atmosphäre — ließen Infrarot ungehindert durch, während Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Ozon, dem Volumen nach bloße Spurengase, es kräftig schluckten. Tyndall folgerte zu Recht, dass Schwankungen in der Spurengas-Konzentration das Erdklima verändern müssten. Siebenunddreißig Jahre später, 1896, legte der schwedische Chemiker Svante Arrhenius die erste quantitative Klimarechnung vor: eine Verdoppelung des CO₂ würde die Erde um 5 bis 6 °C erwärmen (für Schweden hielt er das für eine gute Sache). Sein Wert lag hoch, blieb aber im modernen Bereich (beste heutige Schätzung etwa 3 °C pro Verdoppelung), und die Physik dahinter hat ein Jahrhundert lang gehalten.
Die Erde empfängt im Flächenmittel rund 340 W/m² Sonneneinstrahlung. Etwa 30 % davon werfen Wolken, Eis und helle Oberflächen zurück — die Albedo der Erde —, die übrigen rund 240 W/m² werden geschluckt und müssen als Infrarot wieder ins All abgestrahlt werden. Ohne Atmosphäre läge die Temperatur, bei der nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz 240 W/m² abgestrahlt werden, bei etwa 255 K oder −18 °C. Tatsächlich liegt die Oberflächentemperatur im Mittel bei 288 K. Die Differenz von 33 °C ist der natürliche Treibhauseffekt. Die ausgehende Infrarotstrahlung passiert die Atmosphäre meist unverändert, außer in bestimmten Absorptionsbanden, in denen Treibhausgas-Moleküle sie schlucken und in zufälliger Richtung wieder abstrahlen, ein Teil davon zur Oberfläche zurück. Die abgehende Infrarotstrahlung verzögert sich und wird umgelenkt, also muss die Oberfläche wärmer werden, um genug Strahlung loszuwerden und die einfallende Sonne auszugleichen. Wasserdampf liefert den größten Einzelbeitrag, kann aber wegen seiner Verweildauer von nur etwa neun Tagen keinen langfristigen Wandel antreiben — er wirkt als Rückkopplung über Clausius-Clapeyron (rund 7 % pro °C). Kohlendioxid trägt den dominanten Antrieb, mit einer Verweildauer von Jahrhunderten bis Jahrtausenden; vorindustriell lag die Konzentration bei 280 ppm, heute bei 420 ppm. Methan wirkt auf 20-Jahres-Sicht pro Molekül etwa 80-mal stärker als CO₂, fällt aber binnen rund 12 Jahren wieder heraus. Die Klimasensitivität — die Gleichgewichts-Erwärmung bei einer Verdoppelung des CO₂ — ist die zentrale unsichere Größe, der wahrscheinliche IPCC-AR6-Bereich liegt bei 2,5 bis 4 °C, und die meiste Restunsicherheit steckt in den Wolken-Rückkopplungen. Die Skeptiker-Behauptung, CO₂ sei längst gesättigt, missversteht die Bandphysik: mehr CO₂ schiebt die effektive Emissionshöhe weiter nach oben in kältere Luft.
Die Keeling-Kurve — Charles Keelings fortlaufende CO₂-Messung am Mauna Loa auf Hawaii, seit 1958 — ist die wohl bekannteste Umweltdatenreihe der Wissenschaft. 1958 lag CO₂ bei rund 315 ppm, 2024 bei rund 420 ppm; die jährliche Anstiegsrate beträgt etwa 2,5 ppm und steigt weiter. Die direkte Beobachtungsbestätigung des Treibhauseffekts läuft heute routinemäßig: Satelliten-Spektrometer messen das Spektrum der ausgehenden Infrarotstrahlung unmittelbar, und die Absorptionsbanden der Treibhausgase liegen sichtbar darin. Moderne globale Klimamodelle reproduzieren historische Muster genau genug, dass die Attributionswissenschaft — die Zuordnung einzelner Ereignisse zum menschlichen Einfluss — heute ein etabliertes, peer-reviewtes Feld ist. Exoplaneten-Atmosphären werden mit JWST auf Treibhausgase untersucht, mit derselben Physik, die Tyndall 1859 festgemacht hat.