Первинні чинники зміни температури (зовнішні чинники)

Схематичне зображення парникового ефекту, яке показує потоки енергії між космосом, атмосферою та земною поверхнею. Одиниця вимірювання енерго обміну – ват на квадратний метр (Вт/м²).

Кліматична система може реагувати на зміни зовнішніх чинників. Зовнішні чинники можуть «спрямувати» клімат до потепління або охолодження. До зовнішніх чинників відносяться, наприклад, зміни складу атмосфери (збільшення концентрації парникових газів), сонячна світність, виверження вулканів, та коливання орбіти Землі навколо Сонця. Орбітальні цикли змінюються повільно протягом десятків тисяч років, та на даний час підпорядковані загальній тенденції охолодження, яка б, у свою чергу, призвела до Льодовикового періоду, але, як свідчить інструментальне вимірювання температурних показників у 20 столітті, навпаки маємо стрімке підвищення глобальної температури.

Парникові гази

Парниковий ефект — процес, при якому поглинання і випромінювання інфрачервоних променів газами викликає нагрівання нижніх шарів атмосфери та поверхні планети. Вперше ідея парникового ефекту була запропонована Жозефом Фур'є 1824 року,  підтверджена експериментально 1860 року Джоном Тіндалем, а вперше кількісно досліджений Сванте Арреніусом в 1896 р. Протягом 1930-1960-х рр. проводились глибокі дослідження Гаєм Стюартом Календарем.

Глобальний річний розподіл викидів парникових газів за галузями, 2005р.

Відходи – 3,2%
Сільське господарство – 13,8%
Зміна в природокористуванні – 12,2%
Виробництво – 4,3%
Неконтрольовані викиди – 4,0%
Промисловість – 14,7%
Інше спалювання палива – 8,6%
Електрична та теплова енергія – 24,9%
Транспорт – 14,3%

Обсяги парникових газів, які утворюються внаслідок природніх факторів, мають середній зігрівальний ефект близько 33 °C. Без атмосфери Землі температура майже по всій поверхні планети була б нижче точки замерзання. Основними парниковими газами є: водяна пара, яка відповідає приблизно за 36—70 % парникового ефекту, вуглекислий газ (CO₂), 9—26 %, метан (CH₄) за 4—9 % та озон,3-7 %. Хмари також впливають на радіаційний баланс через хмарові чинники, які подібні до парникових газів.

З часів Промислової революції внаслідок діяльності людини в атмосфері збільшилась кількість парникових газів, що призвело до посилення радіаційного впливу від CO₂, метану, тропосферного озону, фреонів та оксиду азоту (N₂O). Згідно дослідження, опублікованого 2007 року, починаючи з 1750 р. концентрації СО₂ та метану збільшилися на 36 % і 148 % відповідно.Такі рівні концентрації досягнуті вперше за останні 800 тисяч років — період, для якого були отримані достовірні дані із зразків льодяних кернів. Менш прямі геологічні дані показують, що концентрація CO₂ вище, ніж ці рівні, була близько за 20 мільйонів років тому. Близько трьох чвертей всіх антропогенних викидів парникових газів за останні 20 років стали результатом видобутку і спалювання викопного палива. Остання частина викидів викликана змінами у землекористуванні, в першу чергу вирубкою лісів.Оцінка обсягу глобальних викидів CO₂ в 2011 році внаслідок спалювання викопного палива, в тому числі від виробництва цементу та спалювання попутного газу, склала 34,8 млрд тонн (9,5 ± 0,5 PgC), що на 54 % вище обсягу викидів 1990 року. Спалювання вугілля спричинило 43 % загального обсягу викидів, нафти — 34 %, газу — 18 %, цементу — 4,9 % та спалювання попутного газу — 0,7 %. В травні 2013 року, стало відомо, що значення рівня CO₂, зафіксоване першою світовою еталонною площадкою вМауна-Лоа, перевищило позначку в 400 мільйонних часток. За словами професора Брайана Хоскінса, це, мабуть, вперше за 4,5 млн років такий високий рівень концентрації CO₂.

За останні три десятиліття 20-го століття, валовий внутрішній продукт на душу населення та зростання кількості населення стали основними чинниками збільшення викидів парникових газів. Викиди CO2 продовжують зростати внаслідок спалювання викопного палива та змін у землекористуванні. Можна також встановити регіональне походження викидів, наприклад: дивись малюнок навпроти. Встановлення зв'язку викидів із змінами в землекористуванні залишається спірним питанням.

Сценарії викидів, тобто прогнози змін обсягу викидів парникових газів у майбутньому, залежать від невизначеності економічного,соціологічного, технологічного та природного розвитку.^[65] В більшості сценаріїв викиди продовжують рости протягом століття, хоча в декількох, викиди скорочуються. Запасів викопного палива достатньо, щоб викиди вуглецю не скорочувались в 21-му столітті. Щоб спрогнозувати, яким чином зміниться в майбутньому концентрація в атмосфері парникових газів використали сценарії викидів разом з моделюванням вуглецевого циклу. Відповідно до шістьох «сигнальних» сценаріїв SRES МГЕЗК прогнозується, що до 2100 року рівень концентрації СО₂в атмосфері може становити від 541 до 970 часток на мільйон. Це на 90—250 % вище концентрації в 1750 році.

Популярні засоби масової інформації та громадськість часто плутають поняття глобальне потепління з виснаженням озонового шару, тобто, руйнуваннястратосферного озону хлорфторвуглеводнями. Хоча вони мають деякий зв’язок між собою, але не такий сильний. Зменшення озону в стратосфері спричинило легкий охолоджувальний ефект на температуру поверхні, у той час, коли збільшення озону в тропосфері має зігрівальний ефект.^[72]

Аерозолі та сажа

Сліди кораблів утворені на поверхні Атлантичного океану на східному узбережжі Сполучених Штатів. Аерозолі можуть мати потужний ефект на клімат шляхом непрямої дії

Глобальне затемнення — це поступове зменшення кількості прямого випромінювання на поверхню Землі, яке спостерігалося з 1961 року принаймні до 1990 року.^[73] Основною причиною затемнення є зважені частинки, які утворюються внаслідок вулканічних викидів та забруднюючих речовин через діяльність людини. Ці частинки спричиняють охолоджувальний ефект за рахунок збільшення відбиття сонячного світла. За останні десятиліття вплив продуктів спалювання викопного палива — CO₂ та аерозолів — значною мірою компенсували одне одного, тому збільшення потепління відбувається через збільшення викидів невуглецевих парникових газів, таких як метан. Радіаційний вплив через частинки (сажи, пилу) тимчасово обмежується завдяки утворенню вологого осаду, внаслідок якого ці частинки залишаються в атмосфері в середньому на тиждень. Діоксид вуглецю залишається на століття або більше, і, таким чином, зміна концентрації частинок лише уповільнює зміну клімату, викликану викидами вуглекислого газу.

Крім прямого впливу через розсіювання та поглинання сонячної радіації, частинки ще мають непрямий вплив на тепловий баланс Землі. Сульфати діють, як ядра конденсації хмар і, таким чином, утворюють хмари, які мають більшу кількість дрібніших крапель. Такі хмари ефективніше відбивають сонячне випромінювання, ніж хмари з меншою кількістю та більшими краплями, даний ефект називається ефект Твумі. Цей ефект також призводить до утворення крапель однакового розміру, що знижує збільшення крапель та посилює відбиття хмарою сонячного світла, даний ефект відомий, як ефект Альбрехта. Непрямий вплив найбільше помітний при утворенні морських пластоподібних хмар, та найменш впливає на конвективні хмари. Непрямий вплив на радіаційний баланс від частинок досі повністю не визначений.

Сажа може охолоджувати або зігрівати поверхню, в залежності від того, в якому стані вона знаходиться: зважена в повітрі або в осаді. Атмосферна сажа відразу поглинає сонячне випромінювання, яке прогріває атмосферу та охолоджує поверхню. В окремих районах з високим рівнем викидів сажі, наприклад: сільські райони Індії, майже 50 % прогрівання поверхні парниковими газами може бути приховане атмосферними коричневими хмарами. Якщо сажа знаходиться в осадженому стані, особливо на льодовиках або на льоду в арктичних регіонах, нижня поверхня альбедо може безпосередньо нагрівати поверхню.Найбільше частинки, в тому числі й сажа, впливають в тропіках та субтропіках, особливо в Азії, у той час, як парникові гази найбільше мають вплив в нетропічних районах та у Південній півкулі.

Докладніше: Сонячні коливання та Сонячний вітерЯвища теплоперенесення в земній атмосфері