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碳市场的独特性在于，除了劳动、资本等传统的市场构成要素之外，将气候这种生态环境要素以碳排放权的形式商品化，并通过法律的强制力保证其稀缺性，建立起价格信号，从而将其纳入市场经济的内生要素，通过对市场主体的利益驱动，在理性人决策和市场利益的驱动下自动解决碳排放过度问题。在对科斯产权理论的发展和对“自由市场环保主义”（Free Market Environmentalism）的争议中，碳市场作为理论上可能克服“市场失灵”和“政府失灵”的良方走向了现实。
碳市场的存在是为了解决温室气体排放过多导致的气候变化这一负外部性问题，根据科斯的“产权理论”，可将碳排放空间
的获取视为一种权利，通过界定其归属把外部性问题转化成产权问题，从而实现减少碳排放的目的。根据庇古提出的“排污者征税”理论，则可以通过对碳排放进行征税来解决碳排放外部性的问题。戴尔斯建立“排污权交易”的概念，给碳市场的运行提供了理论基础，这些理论共同奠定了碳市场的经济学理论基础。
稀缺性的存在是碳市场缘起的理论基石。稀缺性是经济学中的一个根本问题，它指的是在某一时间阶段，相对于人的无限需求，能满足这种需求的物品数量总是有限的。经济学认为人类欲望总是无限的、无止境的，表现在当一个较低层次的欲望一旦得到满足或部分得到满足时，就会产生新的更高层次欲望，故欲望实际上永无止境，正是这种欲望的无限性构成了人类经济活动不断进步的动力。然而，欲望的满足需借助于一定的物品来实现，而满足人们欲望所需要的物品却是有限的。
稀缺性既具有绝对性，又具有相对性。说它具有绝对性是因为这种稀缺性存在于一切社会和时代，并不随着社会制度或时代的变迁而消失。任何一个国家和个人，无论经济多么发达，资源多么丰富，也不可能达到满足人类一切欲望的程度，从这个意义上来说，资源的稀缺性是绝对的。说它具有相对性是因为这种稀缺性是相对于人类欲望的无限性而言的，而不是相对于某一绝对数量界限而言。
西方经济学把满足人们欲望的物品分为两大类，即自由取用物品（free goods）和经济物品（economic goods）。二者的主要区别在于前者在量上是无限的，因而可以自由取用，比如在一定历史时期和一定地点的清洁空气、阳光等。而后者是有限的，不能无限制自由取用，因为生产和制造这些经济物品所需要的资源总是稀缺的。
碳排放空间的稀缺性产生于环境容量的稀缺性。一定时期及一定环境状态下，在某一区域内环境对人类经济活动支持能力具有一定阈值水平，当超出这一阈值水平，即污染物的排放总量超出环境自身对污染物的净化、扩散等能力时，环境就会遭到破坏，这种情况下环境容量的稀缺性就会显现出来。对于碳排放而言，在生产力水平低下、人口较少时，人类活动产生的温室气体对大气系统不会造成巨大的或颠覆性的影响，碳排放空间相对于人的需求而言，并不具有稀缺性。但是，随着各个国家工业化进程的加快、化石燃料的开发与使用、人口的迅速增长，人类活动排放的温室气体在大气系统中累积起来，造成大气中温室气体浓度上升，导致全球气候变暖。气候变暖间接或直接导致了海平面上升、海洋酸化、冰冻圈退缩、水循环紊乱（水短缺等）、极端气候事件频发、生物多样性受损、食物安全受到威胁、人体健康受到损害、灾害加剧，等等。
中国区域的气候变化也对自然系统和人类社会系统造成较大影响。近百年来（1909—2011年），中国陆地区域平均增温0.9℃—1.5℃，而近15年处于近百年来气温最高的阶段。中国近50年来主要极端天气气候事件发生的频率和强度出现了增多增强的现象，大多数地区的湖泊面积减小、水位下降、湿地减少、草原退化、土地沙漠化整体扩展，生物多样性遭到破坏，红树林和珊瑚礁等海洋生态系统退化等。可见由人类活动导致的气候变化日益严峻已是不争的科学事实，严重威胁着人类的可持续发展，由此引发一系列经济社会问题。
通过减少温室气体排放降低大气中温室气体浓度水平，是人类应对气候变化的必要手段。限制人为温室气体排放成为人类应对气候变化的主要措施，在这种情况下，碳排放空间具有了稀缺性。由于碳排放空间的有限性，使得排放权成为稀缺资源，这种稀缺性随着碳排放量的不断增大及环境的不断恶化日益显著。正如科斯所言，“一个社会中的稀缺资源的配置就是对使用资源权利的安排”。因此，如何更好地有效利用碳排放权成为各国所关注的问题。随着控制碳排放成为应对全球气候变暖的重要手段，各国政府纷纷设定了各自的碳排放降低目标，这使得碳排放权形成了有限供给。有限的供给就造成了稀缺，由此产生了对碳排放权利的需求和相应的价格，从而可以形成碳排放权交易市场。
碳市场产生的另一个重要原因来自对碳排放外部效应的管理。外部效应是指经济主体（包括自然人与法人）的经济活动对他人产生影响，但未将这些影响计入市场交易的成本与价格之中。外部效应分为正外部效应和负外部效应。正外部效应是指某个经济主体的活动使他人或社会获利，而获利者无须为此支付成本，所以又称利益外溢。负外部效应是指某个经济主体的活动使他人或社会受损，而造成外部不经济的人却没有为此承担成本，即该活动的部分成本由他人承担了，所以又称成本外溢。消费活动和生产活动都有可能产生外部效应。如消费者在自己的住宅周围养花种树，美化环境会使他的邻居受益，但是他的邻居不会为此向他付费，这就是利益外溢。又如消费者在公众场合吸烟、扔垃圾等则会影响他人健康，但他并不会因此向受害者支付任何形式的补偿费，这就是成本外溢。
在竞争市场中，帕累托最优是在经济活动不存在外部效应的假定下达到的。一旦经济行为主体的经济活动产生外部效应，即使假定整个经济是完全竞争的，经济运行的结果仍将不可能满足帕累托最优的条件。外部效应使竞争市场资源配置的效率受到损失，“看不见的手”在外部效应的影响下失去了作用，导致市场失灵。
为什么外部效应的存在会导致资源配置不当？先考虑正外部效应存在的情况。假定某个人或企业采取某项行动时，由于存在正外部效应，故私人收益小于社会收益。如果这个人或企业采取该行动所遭受的私人成本大于私人收益而小于社会收益，则他显然不会采取这项行动，尽管从社会的角度看，该行动是有利的。在这种情况下帕累托最优状态没有得到实现，还存在有帕累托改进的余地。如果这个人或企业采取这一行动，他所受损失的部分为大于社会上其他人由此而得到的好处时，则可以从社会上其他人所得到的好处中拿出一部分来补偿行动者的损失。结果是使社会上某些人的状况变好而没有使其他任何人的状况变坏。一般而言，在存在正外部效应的情况下，私人活动的水平常常要低于社会所要求的最优水平，即配置于该活动中的资源数量比帕累托最优状态所要求的要少。
再考虑负外部效应存在的情况。假定某个人采取某项活动时，由于存在负外部效应，故私人成本小于社会成本。如果这个人采取该行动所得到的私人收益大于其私人成本而小于社会成本，则他显然会采取该行动，尽管从社会的角度看该行动是不利的。在这种情况下帕累托最优状态也没有得到实现，也存在帕累托改进的余地。如果这个人不采取这项行动，则他放弃的好处即损失会大于社会上其他人由此而避免的损失，故如果以某些方式重新分配损失的话，就可以使每个人的损失都减少，亦使每个人的福利都增大
。一般而言，在存在负外部效应的情况下，私人活动的水平常常要高于社会所要求的最优水平，即配置于该活动中的资源数量比帕累托最优状态所要求的要多。
图2-1具体说明了在完全竞争条件下，负外部效应是如何造成社会资源配置无效率的。图中水平直线D=MR是某企业的需求曲线和边际收益曲线，MC则为其边际成本曲线，由于存在着生产的负外部效应，故社会的边际成本高于私人的边际成本，从而社会边际成本曲线位于私人边际成本曲线的上方，它由虚线MC+ME表示。虚线MC+ME与私人边际成本曲线MC的垂直距离，亦即ME，可以看成所谓边际外溢成本，即由于厂商增加一单位生产所引起的社会其他人所增加的成本。竞争厂商为追求利润最大化，其产量定在价格等于其边际成本处，即为Q 2 ；但使社会收益达到最大的产量应当使社会的边际收益等于社会的边际成本，即应当为Q 1 。因此，生产的负外部效应造成生产过多，超过了帕累托效率所要求的水平Q 1 。
图2-1 外部性理论说明
根据外部效应来分析碳排放问题。如果碳排放所产生的影响较小，即碳排放者只对少数其他人的福利造成影响，则此时碳排放者和少数受害者在如何分配及重新安排生产计划所得到的好处这个问题上不易达成协议；如果碳排放所产生的影响较大，即受到碳排放影响者众多，此时碳排放者和受害者之间以及受害者相互之间要达成协议就更加困难。在这种情况下，很难避免免费搭车者。此外，在很多情况下，有关碳排放问题的法律也不好明确，例如，碳排放者是否有权排放，有权排放多少，受害者是否有权要求赔偿，等等。最后即使碳排放者与受害者有可能达成协议，但由于通常是一个碳排放者面对众多受害者，因而碳排放者改变碳排放水平的行为就像一个垄断者。在这种情况下，由外部效应产生的垄断行为也会破坏资源的最优配置。
既然外部效应的存在会导致资源配置的低效率，那么如何对它进行控制以避免这种低效率配置的发生呢？下面着重运用科斯定理来探讨负外部效应的解决方法，科斯定理能帮助我们理解如何通过产权来解决碳排放的负外部效应。
科斯定理有不同层次的表达 [1] ：
科斯第一定理：权利的初始界定重要吗ö 如果交易成本等于零，回答是否定的。权利的任意配置可以无成本地得到直接相关产权主体的有效率的纠正。因此，从经济效率的角度看，权利的一种初始配置与另一种初始配置无异。
科斯第二定理：权利的初始界定重要吗ö 如果交易成本为正，回答是肯定的。当存在交易成本时，可交易权利的初始配置将影响权利的最终配置，也可能影响社会总体福利。由于交易成本为正，交易的代价很高，因此，交易至多只能消除部分而不是全部与权利初始配置相关的社会福利损失。
科斯第三定理：当存在交易成本时，通过重新分配已界定权利所实现的福利改善，可能优于通过产权交易实现的福利改善。该定理假设政府能够近似估计并比较不同权利界定的福利影响，同时它还假定政府至少能公平、公正地界定权利。
根据科斯定理，我们可以得出解决外部效应的办法，即明确财产权的政策。明确财产权与政府干预不同，在财产权明确的基础上进行市场交易，不需要政府干预就可以解决外部性问题。在许多情况下，外部效应之所以导致资源配置不当，是由于财产权不明确。如果财产权是完全确定的并得到充分保障，则有些外部效应就可能不会发生。在科斯提出以他的名字命名的定理之前，西方经济学家一般认为，市场机制这一“看不见的手”只有在不存在外部效应的情况下才会起作用，如果存在外部效应，市场机制就无法导致资源的最优配置，科斯定理的出现则进一步强调了“看不见的手”的作用。按照这个定理，只要那些假设条件成立，则外部效应就不可能导致资源配置不当。或者换个说法，在一定条件下，市场力量足够强大，总能使外部效应“内部化”，仍然可以实现帕累托最优状态。
科斯定理为解决碳排放外部性的方法提供了方法依据。按照科斯定理，在交易成本为零的情况下，初始的碳排放权分配对于最后的社会改善和福利是没有影响的。碳排放权交易体系的核心思想是把碳排放权作为一种稀缺的生产要素，以此为基础，市场参与者可将生产成本以及碳排放所产生的边际损失通过市场均衡来获得最优解。
为什么财产权的明确和可转让能起到如此大的作用？按照西方经济学的解释，其原因在于，明确的财产权及其转让可以使得私人成本和社会成本趋于一致。仍以图2-1来说明碳排放的问题。科斯定理意味着，一旦所需条件均被满足，则碳排放的私人成本曲线MC就会趋于上升，直到与边际社会成本曲线MC+ME完全重合。从而污染者的利润最大化产量将从Q 2 下降到社会最优产量水平Q 1 。
假设碳排放权是一种财产权，如果将财产权明确赋予某人，并假定该权利可以自由买卖，则碳排放权对其所有者来说就是一件有价值的商品，与资本和劳动一样，无论是生产者从市场上买到的，还是自身原来拥有的，都是生产成本的一部分
。如果是从市场上买来的，便构成成本的一部分。在这种情况下，生产者生产产品时就存在两种成本，一种是生产产品本身的成本与其相应的边际成本，就是图2-1中的私人边际成本曲线
MC
，可称为生产的边际成本；另一种是因使用碳排放权所遭受的成本或机会成本，以及相应的使用碳排放权的边际成本，生产者的总成本应当是两种成本之和。如果将使用碳排放权的边际成本加到生产的边际成本上去，则总的私人边际成本曲线就要从MC向上移动，从而利润最大化产量就要小于Q
2
。在完全竞争条件下的理想均衡状态下，可以期望加入使用碳排放权的边际成本之后所得到的总的私人边际成本与社会边际成本相一致，从而私人最优产量与社会最优产量相一致。
运用科斯定理解决外部效应问题在实际中并不一定有效，存在以下几个难题：首先，资产的财产权是否总是能够明确地加以规定。例如往空气中排放二氧化碳，在历史上就是大家均可使用的权利，很难将其财产权具体分配给谁；有关碳排放的权利，即使在原则上可以明确，但由于不公平问题、法律程序的成本问题等也变得实际上不可行。其次，已经明确的碳排放权利是否总是能够转让。这就涉及信息充不充分以及买卖双方能不能达成一致意见等各种问题。如谈判的人数过多，交易费用过高，谈判双方都能使用策略性行为，等等。最后，明确碳排放权利的转让是否总能实现资源的最优配置。在这个过程中完全有可能得到这样的结果，它与原来的状态Q
2
相比有所改善，但并不一定恰好为Q
1
。
既然科斯定理依靠市场来解决碳排放负外部效应存在一定的局限性，在福利经济学中，庇古提出了通过对污染进行征税来解决环境污染外部性的方法。通过征税这种强制措施，政府将排污者造成的环境损害转变为其内在的生产成本，每单位污染征收的税额等于污染产生的边际社会成本。这种用来弥补排污者（厂商）生产的私人成本与社会成本之间差距的税收被称为“庇古税”（Pigou tax）。庇古税是一种直接税，是解决环境问题的古典经济学方法。它根据污染物的排放量或者经济活动产生的环境危害来确定纳税义务，因此是一种从量税。庇古税的理想状态是通过经济活动的边际社会成本等于边际收益来确定污染排放税率的最佳水平。通过对污染产品征税，庇古税使得污染环境的外部化成本转变为生产污染产品在内的税收成本，从而降低边际收益以及最终产量。最终产量的降低从绝对数量上减少了污染排放，从而达到环境治理的目的。与此同时，庇古税可以给政府带来一定的税收收入，该部分收入可以用于环境治理，以改善环境质量。税收的压力还可以激励企业不断寻求新技术以降低生产成本，推动产业升级和技术进步。
本节使用图2-2，通过对庇古税的经济学原理来说明征收碳税的作用。图中MR线为厂商生产的边际收益，MPC为厂商生产的边际成本。企业在生产过程中产生一定的碳排放，造成的社会成本为MEC。如果政府不对碳排放进行征税，厂商最优的生产组合为MR线与MPC线的交点，此时企业实现利润最大化，产量与价格组合对应图中的（Q 0 ，P 0 ）。当政府开始对企业的碳排放进行征税时，排污的社会成本通过税收转化成了企业生产成本的一部分，此时企业的边际成本曲线为MSC（MSC=MPC+MEC），按照利润最大化标准，厂商新的产量与价格组合点跟随边际成本曲线的左上方移动而同步移动，成为（Q 1 ，P 1 ）。从图中可以看出，新的生产组合点（Q 1 ，P 1 ）较之（Q 0 ，P 0 ），价格上升而产量减少。主要因为当把碳排放成本内部化之后，企业不得不减少产量以应对上升的生产成本。在碳税不变的情况下，企业想要扩大生产就必须减少自身生产成本MPC，因此碳税有促进厂商寻求新技术的正向激励作用。
图2-2 庇古税图解
庇古税对负外部性具有矫正作用，主要体现在使价格和产量在效率的标准上达到均衡，纠正偏离最优化的边际成本，是一种“矫正性”税收。虽然庇古税在理论上对碳排放产生的外部性有很好的矫正作用，但是在实际推行中却存在诸多的问题。例如，政府很难确定恰当的碳税税率以避免出现矫正过度或矫正不足，这主要是由于管理者缺乏生产者成本和收益的信息，因此难以寻找到最佳的税率水平，使得碳税既能减少排放，又不会对厂商生产造成重大影响。由于庇古税较多地依靠政府干预，将导致政府的管理成本较大；由于厂商既需要承担碳排放的成本，又要承担自身生产的成本，双重成本压力下，厂商很有可能选择转嫁税收给消费者，税负难以转嫁的厂商有可能因为亏损而倒闭。
碳排放权交易属于排污权交易的一种。排污权交易理论最早起源于美国，1960年，科斯根据产权思想提出了排污权的概念，将其视为一种生产要素，通过明确排污权的归属，不同排污主体之间就排污权进行交易，通过市场实现对排污权的定价，这个价格可将外部成本内部化。 [2] 在此基础上，1966年，Crocker研究了将产权和市场手段应用于空气污染控制方面的可能性，着重指出产权和市场手段在实践方面导致信息变化的负担。 [3] 1968年，美国经济学家 Dales 在其《污染、产权、价格》一书中对排污权交易的内涵进行了详细阐述，并基于科斯定理，Dales 正式提出了排污权交易理论。他认为排放权交易是指在保障环境安全的前提下，通过对污染物排放权利进行合法地买入和卖出，达到控制污染物总排放量的目标。在排放总量既定的基础上，排放权成为一种稀缺性资源，具有交易的价值，从而产生排放权交易市场。 [4] 1971年，Baumol和Oates研究了较为简单的污染物（外部性仅与排放水平有关而与排放地点无关的污染物）排放权交易体系 [5] ，1972年，Montgomery对更为复杂的污染物（外部性与排放水平和排放地点均有关的污染物）排放权交易体系进行了研究。 [6] 自此较为完整的排污权交易理论体系得以建立。排污权交易机制是具有市场化特征的环境经济政策，与其他政策手段相比有更大的灵活性。因此，自排污权交易机制提出以来，各国纷纷建立了排污权交易市场，并制定了相配套的排污权交易制度以保证排污权交易市场有效地运行。