Pytanie jest złożone i zawiera w sobie tak naprawdę dwa pytania, na które należy odpowiedzieć oddzielnie. Zacznijmy od gazów cieplarnianych. Dlaczego jedne składniki powietrza są gazami cieplarnianymi, a inne nie? Otóż zależy to od ich budowy. W praktyce wszystkie gazy których cząsteczki składają się z trzech i więcej atomów są gazami cieplarnianymi, to znaczy są w stanie pochłaniać promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie energii odpowiadających promieniowaniu termicznemu ciał o temperaturach małych kilkuset Kelwinów (tzw. dalekiej podczerwieni). Wyjaśnia to fizyka kwantowa: takie cząsteczki mogą drgać w szczególny sposób, mówimy że mają stany oscylacyjno-rotacyjne między którymi są niewielkie energie przejścia, odpowiednie dla pochłonięcia niskoenergetycznych kwantów promieniowania elektromagnetycznego.

W drugim pytaniu zawarte jest nieporozumienie. CO$_2$ nie tworzy w atmosferze warstwy, podobnie jak nie tworzą jej N$_2$, O$_2$,  czy Ar. Gazy te w atmosferze są dobrze wymieszane, gdyż procesy mieszania przez konwekcję, turbulencję i transport molekularny są znacznie bardziej efektywne niż proces sortowania grawitacyjnego wskutek różnic w masach cząsteczkowych. Mieszanie makroskopowe przez unoszenie w procesach konwekcji i turbulencji oraz mikroskopowe przez zderzenia cząsteczek gazu są na tyle silne, ze w wypadku gazów o długim czasie życia w atmosferze doprowadziły do powstania warstwy atmosfery sięgającej ok. 80 km zwanej homosferą, z jednorodnym składem jej podstawowych składników. CO$_2$ jest gazem o średnim czasie życia, ale jest względnie dobrze  wymieszany do wysokości małych kilkudziesięciu km. Efekt cieplarniany, związany z pochłanianiem promieniowania termicznego i wtórną emisja promieniowania przez gazy cieplarniane, nie jest ograniczony do cienkiej warstwy w atmosferze.