Nitrous oxide (N2O), like carbon dioxide, is a long-lived greenhouse gas that accumulates in the atmosphere. Over the past 150 years, increasing atmospheric N2O concentrations have contributed to stratospheric ozone depletion1 and climate change2, with the current rate of increase estimated at 2 per cent per decade. Existing national inventories do not provide a full picture of N2O emissions, owing to their omission of natural sources and limitations in methodology for attributing anthropogenic sources. Here we present a global N2O inventory that incorporates both natural and anthropogenic sources and accounts for the interaction between nitrogen additions and the biochemical processes that control N2O emissions. We use bottom-up (inventory, statistical extrapolation of flux measurements, process-based land and ocean modelling) and top-down (atmospheric inversion) approaches to provide a comprehensive quantification of global N2O sources and sinks resulting from 21 natural and human sectors between 1980 and 2016. Global N2O emissions were 17.0 (minimum–maximum estimates: 12.2–23.5) teragrams of nitrogen per year (bottom-up) and 16.9 (15.9–17.7) teragrams of nitrogen per year (top-down) between 2007 and 2016. Global human-induced emissions, which are dominated by nitrogen additions to croplands, increased by 30% over the past four decades to 7.3 (4.2–11.4) teragrams of nitrogen per year. This increase was mainly responsible for the growth in the atmospheric burden. Our findings point to growing N2O emissions in emerging economies—particularly Brazil, China and India. Analysis of process-based model estimates reveals an emerging N2O–climate feedback resulting from interactions between nitrogen additions and climate change. The recent growth in N2O emissions exceeds some of the highest projected emission scenarios3,4, underscoring the urgency to mitigate N2O emissions. Bottom-up and top-down approaches are used to quantify global nitrous oxide sources and sinks resulting from both natural and anthropogenic sources, revealing a 30% increase in global human-induced emissions between 1980 and 2016.

Abstract. Nitrous oxide (N2O) is a long-lived potent greenhouse gas and stratospheric ozone-depleting substance that has been accumulating in the atmosphere since the preindustrial period. The mole fraction of atmospheric N2O has increased by nearly 25 % from 270 ppb (parts per billion) in 1750 to 336 ppb in 2022, with the fastest annual growth rate since 1980 of more than 1.3 ppb yr−1 in both 2020 and 2021. According to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC AR6), the relative contribution of N2O to the total enhanced effective radiative forcing of greenhouse gases was 6.4 % for 1750–2022. As a core component of our global greenhouse gas assessments coordinated by the Global Carbon Project (GCP), our global N2O budget incorporates both natural and anthropogenic sources and sinks and accounts for the interactions between nitrogen additions and the biogeochemical processes that control N2O emissions. We use bottom-up (BU: inventory, statistical extrapolation of flux measurements, and process-based land and ocean modeling) and top-down (TD: atmospheric measurement-based inversion) approaches. We provide a comprehensive quantification of global N2O sources and sinks in 21 natural and anthropogenic categories in 18 regions between 1980 and 2020. We estimate that total annual anthropogenic N2O emissions have increased 40 % (or 1.9 Tg N yr−1) in the past 4 decades (1980–2020). Direct agricultural emissions in 2020 (3.9 Tg N yr−1, best estimate) represent the large majority of anthropogenic emissions, followed by other direct anthropogenic sources, including fossil fuel and industry, waste and wastewater, and biomass burning (2.1 Tg N yr−1), and indirect anthropogenic sources (1.3 Tg N yr−1) . For the year 2020, our best estimate of total BU emissions for natural and anthropogenic sources was 18.5 (lower–upper bounds: 10.6–27.0) Tg N yr−1, close to our TD estimate of 17.0 (16.6–17.4) Tg N yr−1. For the 2010–2019 period, the annual BU decadal-average emissions for both natural and anthropogenic sources were 18.2 (10.6–25.9) Tg N yr−1 and TD emissions were 17.4 (15.8–19.20) Tg N yr−1. The once top emitter Europe has reduced its emissions by 31 % since the 1980s, while those of emerging economies have grown, making China the top emitter since the 2010s. The observed atmospheric N2O concentrations in recent years have exceeded projected levels under all scenarios in the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6), underscoring the importance of reducing anthropogenic N2O emissions. To evaluate mitigation efforts and contribute to the Global Stocktake of the United Nations Framework Convention on Climate Change, we propose the establishment of a global network for monitoring and modeling N2O from the surface through to the stratosphere. The data presented in this work can be downloaded from https://doi.org/10.18160/RQ8P-2Z4R (Tian et al., 2023).

Abstract As climate change continues, the likelihood of passing critical thresholds or tipping points increases. Hence, there is a need to advance the science for detecting such thresholds. In this paper, we assess the needs and opportunities for Earth Observation (EO, here understood to refer to satellite observations) to inform society in responding to the risks associated with ten potential large-scale ocean tipping elements: Atlantic Meridional Overturning Circulation; Atlantic Subpolar Gyre; Beaufort Gyre; Arctic halocline; Kuroshio Large Meander; deoxygenation; phytoplankton; zooplankton; higher level ecosystems (including fisheries); and marine biodiversity. We review current scientific understanding and identify specific EO and related modelling needs for each of these tipping elements. We draw out some generic points that apply across several of the elements. These common points include the importance of maintaining long-term, consistent time series; the need to combine EO data consistently with in situ data types (including subsurface), for example through data assimilation; and the need to reduce or work with current mismatches in resolution (in both directions) between climate models and EO datasets. Our analysis shows that developing EO, modelling and prediction systems together, with understanding of the strengths and limitations of each, provides many promising paths towards monitoring and early warning systems for tipping, and towards the development of the next generation of climate models.

Abstract This review article provides a synthesis and perspective on how weather and climate extreme events can play a role in influencing tipping elements and triggering tipping points in the Earth System. An example of a potential critical global tipping point, induced by climate extremes in an increasingly warmer climate, is Amazon rainforest dieback that could be driven by regional increases in droughts and exacerbated by fires, in addition to deforestation. A tipping element associated with the boreal forest might also be vulnerable to heat, drought and fire. An oceanic example is the potential collapse of the Atlantic meridional overturning circulation due to extreme variability in freshwater inputs, while marine heatwaves and high acidity extremes can lead to coral reef collapse. Extreme heat events may furthermore play an important role in ice sheet, glacier and permafrost stability. Regional severe extreme events could also lead to tipping in ecosystems, as well as in human systems, in response to climate drivers. However, substantial scientific uncertainty remains on mechanistic links between extreme events and tipping points. Earth observations are of high relevance to evaluate and constrain those links between extreme events and tipping elements, by determining conditions leading to delayed recovery with a potential for tipping in the atmosphere, on land, in vegetation, and in the ocean. In the subsurface ocean, there is a lack of consistent, synoptic and high frequency observations of changes in both ocean physics and biogeochemistry. This review article shows the importance of considering the interface between extreme events and tipping points, two topics usually addressed in isolation, and the need for continued monitoring to observe early warning signs and to evaluate Earth system response to extreme events as well as improving model skill in simulating extremes, compound extremes and tipping elements.