지구 대기 중에 존재하는 미량 기체이다. 지표면에서 방출되는 적외선 영역대의 복사에너지를 흡수하는 온실가스 중 하나로서 지구시스템의 에너지 평형에 중요한 역할을 하며 육상 및 해양 표층에서 생물권의 탄소 흡수에 중요한 공급원이 된다. 대기 중 이산화탄소 농도는 기후의 장기적인 변동에 따라 자연적으로 변화할 수도 있고 화석연료 사용 증가에 따라 인위적으로 증가하여 기후의 급격한 변화를 유발할 수 있다.

상온에서 무색 기체로 존재한다. 약간 신맛이 있다. 밀도는 0 ℃, 1 atm(기압)에서 1.976 g/L이다. 삼중점은 -56.6 ℃/5.11 atm으로 상온 상압에서 승화하며, 승화점은 -78.50 ℃이다. 임계 온도는 31.0 ℃이며, 임계 압력은 72.80 atm이다.

이산화탄소는 탄소 원자 하나에 산소 원자 둘이 결합한 화합물이다. 화학식은 CO₂이며, 무색, 무취, 무미이다.

이산화탄소는 화학적으로 활성이 낮고, 물에 녹으면 약한 산성을 띠며 탄산을 생성한다. 고온에서는 가역적으로 일산화탄소와 산소로 분리되며, 수소와 가역적으로 반응하여 일산화탄소와 물을 생성한다. 이산화탄소는 산소와 반대로 연소를 방해하기 때문에 이산화탄소를 약제로 하는 소화기를 이용해 불을 끌 수 있다.

대기 중의 일부 기체는 파장별로 복사에너지를 흡수한다(아래 그림). 이산화탄소는 주로 15 μm 파장대 영역인 적외선 영역에서 에너지를 흡수한다. 태양에서의 광자 에너지가 이산화탄소 분자를 진동 시키고, 그 직후 이산화탄소 분자는 다른 적외선 광자를 방출한다. 이때 탄소 분자는 남아 있는 에너지가 다 소모될 때까지 진동을 한다. 이렇게 적외선 에너지를 흡수하고 재방출하는 특성 때문에 이산화탄소는 효과적인 온실가스가 된다.

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그림 1. 대기복사에너지 투과도와 기체별 흡수 파장대 영역(출처 : 한국기상학회)

이산화탄소는 지구에서 방출되는 장파복사 에너지를 흡수하는 대표적인 온실기체이다. 태양에너지는 구름과 지면의 반사, 대기 중 흡수 및 산란 등의 과정을 거친 후에 지표면에 흡수되고, 지표면에 흡수된 에너지는 다시 적외선으로 바뀌어 지표면으로부터 방출된다. 방출되는 적외선은 구름이나 수증기, 이산화탄소, 메탄 등의 대기 중 온실기체에 의해 흡수되어, 지구복사 에너지의 일부를 다시 지표면으로 되돌려 보내며, 이로 인해 지표면과 하층 대기의 온도가 올라가고 상층 대기의 온도가 감소하는 온실효과가 발생한다.

식물은 광합성 과정에서 이산화탄소를 흡수하여 이를 탄수화물의 형태로 만든다.

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그림 2. 광합성 과정(출처 : 한국기상학회)

식물에 흡수된 이산화탄소는 빛에너지와 반응하여 물을 광분해하는 과정을 거치면서 전자를 얻고 부산물로 산소를 만든다. 이러한 광분해 과정을 거치고 나면, 탄소고정(Carbon fixation) 반응이 일어나는데 이때 엽록체에 존재하는 루비스코(RuBisCO)라는 효소에 의해서 탄소가 글리세르알데하이드-3-인산(Glyceraldehyde-3-Phosphoric acid, G3P)이라는 삼탄당 단당류로 변하게 된다. 이렇게 변한 G3P는 이후 포도당 또는 다른 탄수화물의 형태로 변하게 된다. 

식물은 호흡을 통하여 대기 중으로 이산화탄소와 물을 방출한다.

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그림 3. 호흡 반응식(출처 : 한국기상학회)

대기 중 이산화탄소는 2018년 1월 현재 전지구 평균 농도가 407.45 ppm¹⁾인 미량 기체이다. 대기 중 이산화탄소 농도는 식생의 계절변화에 따라 뚜렷한 변동을 하며, 북반구 식생이 증가하기 직전인 5월에 최대가 되고, 식생의 성장에 의해 이산화탄소의 농도는 감소하다가 9월에 식생이 쇠퇴하기 직전 최소치를 보인다. 이산화탄소의 농도는 대체로 전 지구적으로 잘 섞이기 때문에 지역적 차이가 크지 않다. 연직적으로는 지표면에서 이산화탄소의 농도 변동이 크고, 상층에서는 변동이 상대적으로 작다.

인간의 활동으로 인해 대기 중 이산화탄소 농도는 산업혁명 이후 약 43% 상승했다¹⁾. 인간 활동에서 나오는 대부분의 이산화탄소는 석탄 및 기타 화석 연료를 사용하면서 배출된다. 또한 산림 벌채, 바이오매스 연소 및 시멘트 생산 공정을 통해서 대기 중으로 방출된다.

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그림 4. 월평균 대기 중 이산화탄소 농도 (하와이 마우나로아 관측)(출처 : 한국기상학회)

1. NOAA, Earth System Research Laboratory Global Modeling Division, Trends in Atmospheric Carbon Dioxide.