כאשר נוצרה מערכת השמש לפני כחמישה מיליארד שנים, הייתה האטמוספרה של נוגה (ונוס),  ארץ ומאדים (מארס) דומה ומורכבת בעיקר מפחמן דו חמצני (CO2). כוכב נוגה המרוחק  110 מיליון ק"מ מהשמש, פלט לאטמוספרה פחמן דו חמצני ונוצר אפקט החממה שהעלה את הטמפרטורה שלו עד 450 מעלות צלזיוס. רוב המים שהיו בו רתחו והתנדפו ואידי המים שנשארו, התחברו עם תרכובות גופרית ונוצרו ענני חומצה גופריתנית (H2SO4) העוטפים את נוגה ומכסים את פניו.

מארס המכונה "הכוכב האדום", בגלל האבק הרב המחזיר אור בגוון אדמדם, מרוחק מהשמש 230 מיליון ק"מ, מחזיק מים קפואים בקטביו ומעליהם שכבת קרח יבש (CO2) בעובי של מספר מטרים. האטמוספרה שלו דלילה והיא מורכבת מ 95% CO2, 3% N2 , 1.6% ארגון והרבה אבק. אולם, רוב הפחמן הדו חמצני שבו, נשאר לכוד בקרום החיצוני המוצק. מכאן שלא נוצר "אפקט החממה", הוא אינו מתחמם ונשאר קפוא בטמפרטורה ממוצעת של מינוס 60 מעלות צלזיוס.

מארס מכיל הרי געש גדולים מאוד וגודל אחד מהם הוא פי 100 מהר געש גדול בהוואי. הסיבה היא, שהרי הגעש נשארו קבועים במקומם והמשיכו לפעול ולגדול מאז היווצרותם. לעומתם, בכדור הארץ  יש תנועה מתמדת של לוחות צפות על חומר מותך בעומק האדמה, המניעות יבשות, מרחיקות את הרי הגעש ממקורות המגמה שלהם, המפסיקים לפעול ולגדול.

כדור הארץ  מרוחק 150 מיליון ק"מ מהשמש, קרומו החיצוני התמצק והרי הגעש של העבר פלטו 80% אידי מים, 10% פחמן דו חמצני ותרכובות גופרית וחנקן. בראשיתו, לא היה בו חמצן (O2) ולא שכבת אוזון (O3), שיכלה להגן על פניו מפני פגיעתן של קרני אולטרה – סגול, שהגיעו מהשמש וחדרו בקלות דרך האטמוספרה של אז.

בתקופות גיאולוגיות אחרות הגזים ששלטו באטמוספרה של ארץ, היו בעיקר מתאן (CH4 ), חנקן (N2  ), אמוניה ( NH3 ) ופחמן דו חמצני (CO2 ), ללא חמצן. הגז 2CO שהיה באטמוספרה, הספיק לגרום לאפקט החממה בכדור הארץ, הטמפרטורה שלו עלתה ושמרה על הים והיבשה מקיפאון. 

כאשר נוצר אפקט החממה, הקרינה האינפרה אדומה המגיעה מהשמש, חודרת את הגז פחמן דו חמצני והאטמוספרה והחום נלכד על פני האדמה כמו בחממה. מכאן שלפחמן הדו חמצני יש תפקיד חשוב בקביעת האיזון, בין החום שחודר לקליפת כדור הארץ  לבין החום שמוקרן בחזרה לחלל. כדור הארץ אוצר בסלעיו פחמן דו חמצני בכמות פי מאה אלף מהגז החופשי שבאטמוספרה של נוגה.

בכוכב נוגה, רוב הפחמן הדו חמצני השתחרר מהסלעים ויצר אטמוספרה צפופה מאוד, עם לחץ אטמוספרי פי 90 מזה הקיים באטמוספרה של כדור הארץ. זה דומה ללחץ בעומק של קילומטר אחד מתחת למי האוקיינוס. בעבר קראו לנוגה וארץ כוכבים תאומים כי הם קרובים וכמעט באותו גודל, אך היום ידוע שההבדלים ביניהם הם עצומים.

בעבר הגיאולוגי, הייתה פעילות געשית רבה בכדור הארץ ונפלטו כמויות גדולות של פחמן דו חמצני לאטמוספרה. היום עושים זאת מפעלי התעשייה, שהעלו את ריכוזו באוויר ב 25% בתוך 160 שנה.

חוקרי הגיאולוגיה והמטאורולוגיה טוענים, שבתקופות החמות של כדור הארץ, היה ריכוז גבוה של CO2 באטמוספרה ובתקופות הקרות ריכוזו היה יותר נמוך.

בתקופת הדינוזאורים, כדור הארץ היה חם מאוד וטרופי ברובו, בגלל פעילות הרי הגעש שפלטו פחמן דו חמצני רב, שגרם לאפקט החממה. התאים הראשונים שהופיעו במים המתוקים של האוקיינוס, בעומק של כמה מטרים, היו מוגנים מקרינת השמש. הם ניזונו ממינרלים במים (וכך שרדו), כמעט מיליארד שנים. אז הופיעו יצורים חד תאיים, שבהם נוצר פיגמנט ירוק בשם כלורופיל.

היצורים הירוקים יצרו חומר אורגני בתהליך הפוטוסינתזה, תוך ניצול אור השמש. בתהליך ההטמעה, הם קלטו CO2 ופלטו חמצן באור היום (בלילה התהליך היה הפוך). מכאן שמקור החמצן באטמוספרה היה ביולוגי. מאידך יש הטוענים, שבראשית ארץ, התנגשו בו שביטים רבים, שהיו עשויים קרח וגזים קפואים, שהפשירו והפכו למים ואטמוספרה. 

במהלך שני מיליארד שנים, נוסף חמצן לאטמוספרה, לסלעים ולמינרלים ונוצרה גם שכבת אוזון (O3).

ככל ששכבת האוזון  התעבתה, נוצרה הגנה טובה יותר לחי ולצומח מפני מקרינה אולטרה סגולית. כתוצאה מכך הם הלכו והתרבו על פני המים ועל האדמה.

מעריכים שהרכב האטמוספרה של כדור הארץ היום, התייצבה כבר לפני מיליוני שנים עם שינויים קלים. היום האוויר מורכב מ 21% חמצן, 78% חנקן, 0.03% פחמן דו חמצני ועוד. אולם חלק גדול מהחמצן, נמצא לכוד בסלעים ובמינרלים, בקרום המוצק של כדור הארץ.