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.

Nitrous oxide (N2O) is the third most important long-lived GHG and an important stratospheric ozone depleting substance. Agricultural practices and the use of N-fertilizers have greatly enhanced emissions of N2O. Here, we present estimates of N2O emissions determined from three global atmospheric inversion frameworks during the period 1998–2016. We find that global N2O emissions increased substantially from 2009 and at a faster rate than estimated by the IPCC emission factor approach. The regions of East Asia and South America made the largest contributions to the global increase. From the inversion-based emissions, we estimate a global emission factor of 2.3 ± 0.6%, which is significantly larger than the IPCC Tier-1 default for combined direct and indirect emissions of 1.375%. The larger emission factor and accelerating emission increase found from the inversions suggest that N2O emission may have a nonlinear response at global and regional scales with high levels of N-input. Estimates of N2O emissions are important given its role as a GHG. Atmospheric inversions indicate emissions increased over the past decade at a rate 2.5 times that estimated using the IPCC default method, and the emissions response to N-input is larger than linear when N-input is high.

Abstract. A chemistry-transport model (CTM) intercomparison experiment (TransCom-CH4) has been designed to investigate the roles of surface emissions, transport and chemical loss in simulating the global methane distribution. Model simulations were conducted using twelve models and four model variants and results were archived for the period of 1990–2007. All but one model transports were driven by reanalysis products from 3 different meteorological agencies. The transport and removal of CH4 in six different emission scenarios were simulated, with net global emissions of 513 ± 9 and 514 ± 14 Tg CH4 yr−1 for the 1990s and 2000s, respectively. Additionally, sulfur hexafluoride (SF6) was simulated to check the interhemispheric transport, radon (222Rn) to check the subgrid scale transport, and methyl chloroform (CH3CCl3) to check the chemical removal by the tropospheric hydroxyl radical (OH). The results are compared to monthly or annual mean time series of CH4, SF6 and CH3CCl3 measurements from 8 selected background sites, and to satellite observations of CH4 in the upper troposphere and stratosphere. Most models adequately capture the vertical gradients in the stratosphere, the average long-term trends, seasonal cycles, interannual variations (IAVs) and interhemispheric (IH) gradients at the surface sites for SF6, CH3CCl3 and CH4. The vertical gradients of all tracers between the surface and the upper troposphere are consistent within the models, revealing vertical transport differences between models. An average IH exchange time of 1.39 ± 0.18 yr is derived from SF6 time series. Sensitivity simulations suggest that the estimated trends in exchange time, over the period of 1996–2007, are caused by a change of SF6 emissions towards the tropics. Using six sets of emission scenarios, we show that the decadal average CH4 growth rate likely reached equilibrium in the early 2000s due to the flattening of anthropogenic emission growth since the late 1990s. Up to 60% of the IAVs in the observed CH4 concentrations can be explained by accounting for the IAVs in emissions, from biomass burning and wetlands, as well as meteorology in the forward models. The modeled CH4 budget is shown to depend strongly on the troposphere-stratosphere exchange rate and thus on the model's vertical grid structure and circulation in the lower stratosphere. The 15-model median CH4 and CH3CCl3 atmospheric lifetimes are estimated to be 9.99 ± 0.08 and 4.61 ± 0.13 yr, respectively, with little IAV due to transport and temperature.

Approximately 1700 Pg of soil carbon (C) are stored in the northern circumpolar permafrost zone, more than twice as much C than in the atmosphere. The overall amount, rate, and form of C released to the atmosphere in a warmer world will influence the strength of the permafrost C feedback to climate change. We used a survey to quantify variability in the perception of the vulnerability of permafrost C to climate change. Experts were asked to provide quantitative estimates of permafrost change in response to four scenarios of warming. For the highest warming scenario (RCP 8.5), experts hypothesized that C release from permafrost zone soils could be 19–45 Pg C by 2040, 162–288 Pg C by 2100, and 381–616 Pg C by 2300 in CO2 equivalent using 100-year CH4 global warming potential (GWP). These values become 50 % larger using 20-year CH4 GWP, with a third to a half of expected climate forcing coming from CH4 even though CH4 was only 2.3 % of the expected C release. Experts projected that two-thirds of this release could be avoided under the lowest warming scenario (RCP 2.6). These results highlight the potential risk from permafrost thaw and serve to frame a hypothesis about the magnitude of this feedback to climate change. However, the level of emissions proposed here are unlikely to overshadow the impact of fossil fuel burning, which will continue to be the main source of C emissions and climate forcing.

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).

The amount of methane released to the atmosphere from the Nord Stream subsea pipeline leaks remains uncertain, as reflected in a wide range of estimates1–18. A lack of information regarding the temporal variation in atmospheric emissions has made it challenging to reconcile pipeline volumetric (bottom-up) estimates1–8 with measurement-based (top-down) estimates8–18. Here we simulate pipeline rupture emission rates and integrate these with methane dissolution and sea-surface outgassing estimates9,10 to model the evolution of atmospheric emissions from the leaks. We verify our modelled atmospheric emissions by comparing them with top-down point-in-time emission-rate estimates and cumulative emission estimates derived from airborne11, satellite8,12–14 and tall tower data. We obtain consistency between our modelled atmospheric emissions and top-down estimates and find that 465 ± 20 thousand metric tons of methane were emitted to the atmosphere. Although, to our knowledge, this represents the largest recorded amount of methane released from a single transient event, it is equivalent to 0.1% of anthropogenic methane emissions for 2022. The impact of the leaks on the global atmospheric methane budget brings into focus the numerous other anthropogenic methane sources that require mitigation globally. Our analysis demonstrates that diverse, complementary measurement approaches are needed to quantify methane emissions in support of the Global Methane Pledge19. Modelling of the evolution of atmospheric methane emissions from the 2022 Nord Stream subsea pipeline leaks shows that the event emitted the largest recorded amount of methane from a single transient event.

Abstract In the framework of the RECCAP2 initiative, we present the greenhouse gas (GHG) and carbon (C) budget of Europe. For the decade of the 2010s, we present a bottom‐up (BU) estimate of GHG net‐emissions of 3.9 Pg CO 2 ‐eq. yr −1 (using a global warming potential on a 100 years horizon), which are largely dominated by fossil fuel emissions. In this decade, terrestrial ecosystems acted as a net GHG sink of 0.9 Pg CO 2 ‐eq. yr −1 , dominated by a CO 2 sink that was partially counterbalanced by net emissions of CH 4 and N 2 O. For CH 4 and N 2 O, we find good agreement between BU and top‐down (TD) estimates from atmospheric inversions. However, our BU land CO 2 sink is significantly higher than the TD estimates. We further show that decadal averages of GHG net‐emissions have declined by 1.2 Pg CO 2 ‐eq. yr −1 since the 1990s, mainly due to a reduction in fossil fuel emissions. In addition, based on both data driven BU and TD estimates, we also find that the land CO 2 sink has weakened over the past two decades. A large part of the European CO 2 and C sinks is located in Northern Europe. At the same time, we find a decreasing trend in sink strength in Scandinavia, which can be attributed to an increase in forest management intensity. These are partly offset by increasing CO 2 sinks in parts of Eastern Europe and Northern Spain, attributed in part to land use change. Extensive regions of high CH 4 and N 2 O emissions are mainly attributed to agricultural activities and are found in Belgium, the Netherlands and the southern UK. We further analyzed interannual variability in the GHG budgets. The drought year of 2003 shows the highest net‐emissions of CO 2 and of all GHGs combined.