A légkör, a szárazföldek, az óceánok, a bioszféra és a szilárd víz, azaz a krioszféra alkotta ún. éghajlati rendszer egyike a tudományos eszközökkel vizsgált legbonyolultabb, nem lineáris rendszereknek. A rendszer fontos méretskálái térben a felhőfizikai folyamatok milliméteres léptékétől az Egyenlítő hosszáig; időben a másodpercnyi élettartamú mikro-turbulenciától a sok száz éves óceáni vízkörzésig tartanak. (A földtörténeti korok lassú változásaiban az ennél is sokkal lassúbb folyamatok is szerepet játszanak.)

Ebben a rendszerben bizonyos változékonyság minden külső kényszer nélkül is ki tud alakulni. Globális átlagban ez a változékonyság (például az átlag körüli szóródás) néhány tized fokos. Ezt a mértéket egyrészt a tényleges megfigyelések alapján ismerjük, másrészt pedig a globális klímamodellek azon ellenőrző futtatásaiból, amelyek során azokat sem természetes, sem emberi eredetű éghajlat-módosító tényezőkkel nem befolyásolták.

Az éghajlati rendszer belső változékonyságának legszembetűnőbb példája az El-Niño, amely 3-7 évente ismétlődő jelensége elsősorban az alacsony földrajzi szélességeknek. Hagyományosan az El-Niño (jelentése: Kisfiú, azaz Jézus) a perui partok halászainak azon tapasztalatát jelenti, hogy karácsony táján a halban gazdag, hideg áramlást minden évben hosszabb-rövidebb, halban szegény, meleg áramlat váltja fel.

Napjainkra kiderült, hogy a hideg víz felszínre törésének elmaradása a Csendes-óceán hatalmas területein több (1997/98-ban pl. 5-6°C) fokos pozitív hőmérsékleti anomáliát okoz. E jelenség több hónapig, egy-két évig fennmarad, és alapjaiban átalakítja az egyenlítői térségek légkörzését. Egyes helyeken (pl. Indonéziában, Ausztráliában) szokatlan szárazság, máshol (pl. Dél-Amerikában) a normálisnál sokkal több csapadék lép fel. A mérsékelt övben az El-Niño hatása kevésbé egyértelmű.

Az El-Niño ellentéte, a La-Niña hasonló elrendezésű, de az átlagnál alacsonyabb vízhőmérséklettel. Az El-Niño és a La-Niña kialakulását matematikai modellek segítségével ma már több hónapra előre lehet jelezni. A fenti, 1997/98-as esemény óta hasonlóan erős El-Niño nem fordult elő.

A naponkénti légnyomási térképek átlagolásával a mérsékelt övben is felfedezhetünk lassú ingadozásokat az általános légkörzés alakulásában. Ilyen például az Európa éghajlatát is befolyásoló Észak-Atlanti Oszcilláció (angol mozaikszóval: NAO), amely az azori anticiklon és az izlandi ciklon, mint állandósuló akciócentrumok légnyomásainak a különbsége. Amikor ez a légnyomáskülönbség nagy, akkor ez erős nyugati áramlásról tanúskodik, ami hűvös nyarat és enyhe telet okoz Közép-Európában, mindkét évszakban átlagon felüli csapadékkal. A két akciócentrum közötti gyengébb különbség ezzel szemben mindkét szélső évszak markáns és száraz voltára utal. A NAO évszázadnál is hosszabb idősoraiban néhány évtizedes ciklusok is előfordultak, azonban sem ezek ismétlődésének a szabályossága, sem pedig esetleges kapcsolata a globális éghajlat alakulásával nem egyértelmű az eddigi adatsorokból.

A természetes éghajlati kényszerek az elmúlt évszázadokban is befolyásolták a globális éghajlatot. Hatásuk azonban a feltételezett több fokos változások mellett egyre inkább másodlagossá válik.

A szén-dioxid légköri koncentrációja az iparosodás előtti 280 ppm értékről 2005-re földi átlagban 379 ppm-re nőtt. Ez az érték messze meghaladja az elmúlt 650 000 év természetes ingadozásainak tartományát. Ráadásul a szén-dioxid-koncentráció éves növekedési üteme (1,9 ppm/év) az elmúlt tíz évben tovább gyorsult.

A metán légköri koncentrációja az iparosodás előtti kb. 715 ppb értékről 2005-re 1774 ppb-re (10^-9 térfogat-hányadra) nőtt, ami több mint kétszer magasabb, mint az utóbbi 650 000 év bármelyik természetes értéke. A metán növekedési üteme ugyanakkor az 1990-es évek elejétől csökkent annak köszönhetően, hogy az antropogén és természetes források együttes kibocsátása már csaknem állandó.

A dinitrogén-oxid légköri koncentrációja az iparosodás előtti 270 ppb értékről 2005-re 319 ppb-re nőtt. A növekedés üteme 1980 óta nagyjából állandó.

Az üvegház-gázok többségének igen hosszú a légköri tartózkodási ideje (lásd az 1. táblázatban). A metán már 8-12 év után kikerül a légkörből, de a legfontosabb freonfajták csak 10-200, a dinitrogén-oxid mintegy 120 év elteltével bomlik el a légkör felsőbb rétegeiben. A légkört antropogén eredetű többletként terhelő szén-dioxid molekulák akár 200 évet is e közegben tartózkodhatnak, mielőtt azokat az óceán, vagy a bioszféra elnyelné. A hosszú élettartam következménye, hogy e gázok koncentrációja a Föld területén közel egyenletes, hiszen van idő arra, hogy a légáramlás azokat az ipari és lakossági forrásoktól távoli területekre is eljuttassa. Egy másik súlyos következmény, hogy a koncentrációk csak évtizedes, évszázados késéssel követik a kibocsátás időbeli dinamikáját. Vagyis, ha valamikorra az emberiség képes is lesz megállítani a légköri üvegházhatást fokozó gázok kibocsátásának növekedését, a korábbi kibocsátások következményeit az utókor akkor is még hosszú időn át tapasztalni fogja. Sőt, minthogy a legtöbb ilyen gáz kibocsátása ma meghaladja a nyelők kapacitását, még a kibocsátás szinten maradása is tovább emeli a koncentrációkat.

Az üvegházgázok feldúsulásának betudható sugárzási kényszer +2,9 Wm^-2 (1. ábra). A sugárzási kényszerhez más antropogén források (a troposzférikus ózon, a halogénezett szénhidrogének, a földhasználat változásai stb.) is hozzájárulnak. Ha minden hatást összeadunk, akkor az eredő hozzávetőleg azonos azzal a +1,6 Wm^-2-rel, amivel önmagában a szén-dioxid tolta el a sugárzási mérleget 1750-től napjainkig. (Összevetésül, a naptevékenység becsült ingadozásai ez idő alatt csupán +0,12 Wm^-2 sugárzási kényszert okoztak.) Az eddigi kibocsátási tendenciák folytatódásával a század közepére a változás elérheti az 5 Wm^-2-t, a század végére pedig a 9 Wm^-2-t.

Fontos megjegyezni, hogy a fenti eltolódások valójában nem azt jelentik, hogy a föld-légkör rendszer ennyivel több energiával rendelkezik. Hiszen az egyensúlynak a fő energiaforrással, a Nappal továbbra is fenn kell állnia. Olyan sebességű hőmérsékletváltozást pedig nem tapasztalunk, ami megfelel egy ilyen folyamatos energia bevételnek. Az egyensúly úgy tud kialakulni a sugárzási kényszer eltolódása ellenére, hogy a felszínen és minden magasabb rétegben a közeg hőmérséklete emelkedik, s így nagyobb energiát sugároz ki a világűr felé.

A klímaváltozás problémakörének legizgalmasabb kérdése, hogy mennyire biztos az, hogy a tapasztalt melegedés az emberi tevékenységnek tudható be?

A kérdés megválaszolásához a globális éghajlati modelleket hívjuk segítségül, mégpedig úgy, hogy megkíséreljük bennük a földi átlaghőmérséklet megfigyelt alakulását szimulálni. A fenti sugárzási kényszerek alapján ez láthatóan sikerül (2. ábra).

Az utóbbi 50 évben (az Antarktiszt kivéve) az összes kontinensen tapasztalt, egyértelmű melegedés csak az üvegházgázok antropogén kibocsátásának figyelembe vételével lehetséges, amit kissé korlátozott az aeroszol koncentráció ugyancsak számításba vett növekedése. A 20. század második felében a melegedést már nagy valószínűséggel az emberi tevékenység okozta, a megfigyelt értékek ekkor ugyanis már nagyon eltérnek a csak természetes okok és a belső ingadozás hatására szimulált értékektől az Antarktiszt kivéve minden kontinensen, továbbá földi átlagban, valamint külön-külön a kontinensek és az óceánok felett is. Ha az antropogén hatást is hozzáveszik a modellszámításhoz, akkor viszont mindenhol sikeres a szimuláció (2. ábra).

Mindezek alapján az IPCC szerint „nagyon valószínű, hogy a globális átlaghőmérsékletben a 20. század közepe óta megfigyelt növekedés nagy része az antropogén üvegházhatású gázok koncentráció-növekedésének tudható be”. A „nagyon valószínű” az IPCC szóhasználatában legalább 90%-os bizonyosságot jelent, amely szám ez esetben a szakértők szubjektív meggyőződésének mértéke, nem pedig valamifajta objektív számítás eredménye.

Hogyan képzelhető el az az eset, ha a legfeljebb10%-nak van igaza? Két nagy hibát kellene ehhez elkövetnie a Világ tudományának. Az egyik az lenne, hogy a kutatók évtizedek óta erősen túlbecsülik az üvegházhatású gázok szerepét, míg a másik, hogy a megfigyelt egyértelmű, sok geofizikai objektumban megjelenő változást mégiscsak okozza valami. Ezzel kapcsolatban vagy annak a másik hibának kell fennállnia, hogy egyáltalán nem ismert, további folyamat okozta, vagy annak, hogy ugyanazok a modellek, amelyek erősen túlbecsülik az üvegházhatás klímamódosító hatását, egyszersmind erősen alulbecslik a már ismert természetes folyamatok (naptevékenység, vulkánkitörések), vagy pedig az éghajlati rendszer belső ingadozásának a mértékét. A két ekkora tudományos hibának a valószínűségét 10% alattinak mondja az IPCC Jelentés (2007).

Végül, a fenti következtetéshez egy további adalék: a naptevékenység ingadozása aligha lehet az utóbbi fél évszázad melegedésének oka (3. ábra), mert a naptevékenység becsült értéke ebben az időszakban nem mutatott változást. Ugyanakkor a XX. század első felében tapasztalt melegedéshez még jelentékenyen hozzájárulhatott az akkor is fennálló, de sokkal enyhébb ütemben módosuló antropogén tevékenység mellett.