Iklim adalah sebuah sistem yang sangat kompleks, sistem yang saling berinteraksi antara atmosfer, permukaan tanah, salju, es, samudra, sungai, dan makhluk hidup. Atmosfer adalah komponen sistem iklim yang terbesar, iklim sering didefinisikan sebagai “cuaca rata-rata ‘. Iklim biasanya digambarkan dalam bentuk rata-rata (mean) dan variabilitas suhu, curah hujan dan angin selama periode waktu, mulai dari bulanan hingga jutaan tahun (periode klasik adalah 30 tahun). Sistem iklim selalu berubah setiap waktu di bawah pengaruh dinamika internalnya sendiri dan juga karena perubahan faktor-faktor eksternal yang dapat mempengaruhi iklim (disebut ‘Forcings’ atau gangguan). Gangguan eksternal meliputi fenomena alam seperti letusan gunung berapi, variasi radiasi matahari, serta manusia yang menyebabkan perubahan dalam komposisi atmosfer. Diantara gangguan eksternal tersebut, radiasi matahari adalah faktor terbesar yang dapat merubah sistem iklim. Setidaknya ada tiga hal yang dapat menggangu kesetimbangan sistem iklim bumi: 1) perubahan radiasi matahari yang masuk ke bumi (misalnya, perubahan dalam orbit Bumi atau pada radiasi matahari itu sendiri); 2) perubahan fraksi pantulan radiasi matahari (disebut ‘Albedo’; misalnya, perubahan kuantitas awan, partikel atmosfer atau tumbuh-tumbuhan), dan 3) perubahan radiasi gelombang panjang dari bumi kembali ke ruang angkasa (misalnya, perubahan konsentrasi gas rumah kaca). Iklim, pada gilirannya, merespon secara langsung perubahan tersebut, dan secara tidak langsung, melalui berbagai mekanisme umpan balik.


Jumlah energi yang mencapai puncak atmosfer bumi setiap detik untuk luas permukaan satu meter persegi tegak lurus terhadap matahari pada siang hari adalah sekitar 1.370 Watts, dan jumlah energi per meter persegi per detik untuk rata-rata seluruh permukaan atmosfer bumi adalah seperempat dari nilai tersebut (lihat Gambar 1). Sekitar 30% dari cahaya matahari yang mencapai puncak atmosfer langsung dipantulkan kembali ke angkasa. Kira-kira dua pertiga dari pantulan ini disebabkan oleh awan dan partikel kecil di atmosfer yang dikenal sebagai ‘aerosol’. Daerah berwarna dari permukaan bumi – terutama salju, es dan gurun – menunjukan sisa sepertiga dari sinar matahari tersebut. Perubahan paling dramatis dalam produksi pantulan aerosol berasal dari letusan besar gunung berapi yang mengeluarkan materi cukup tinggi ke atmospher. Hujan biasanya membersihkan aerosol turun dari atmosfer dalam satu atau dua minggu, tetapi jika materi dari letusan besar gunung berapi dilempar jauh ke puncak lapisan teratas awan, aerosol ini biasanya mempengaruhi iklim selama sekitar satu atau dua tahun sebelum jatuh ke dalam troposfer dan dibawa ke permukaan bumi oleh hujan. Letusan besar gunung berapi dengan demikian dapat menyebabkan penurunan suhu rata-rata permukaan global sekitar setengah derajat celsius yang dapat berlangsung selama berbulan-bulan atau bahkan bertahun-tahun. Beberapa aerosol buatan manusia juga secara signifikan memantulkan sinar matahari.

Energi yang tidak dipantulkan kembali ke angkasa diserap oleh permukaan bumi dan atmosfer. Jumlahnya sekitar 240 Watts per meter persegi (W m-2). Untuk menyeimbangkan energi masuk ini, Bumi harus meradiasikan, secara rata-rata, energi dengan jumlah yang sama kembali ke angkasa. Bumi melakukan hal ini dengan memancarkan radiasi gelombang panjang keluar. Semua benda di bumi memancarkan radiasi gelombang panjang terus-menerus. Radiasi gelombang panjang adalah energi panas yang dipancarkan suatu benda ketika suhunya lebih panas daripada lingkungannya; semakin hangat suatu benda, semakin banyak energi panas yang diradiasikan. Untuk meradiasikan 240 W m-2, permukaan benda harus memiliki suhu sekitar -19°C. Ini jauh lebih dingin daripada kondisi permukaan bumi  sebenarnya (rata-rata suhu global permukaan bumi adalah sekitar 14°C). Sebaliknya, suhu -19°C adalah  suhu permukaan bumi pada ketinggian sekitar 5 km di atas muka laut.

Alasan permukaan bumi memanas adalah adanya gas rumah kaca, yang berfungsi sebagai selimut bagi sebagian radiasi gelombang panjang yang terpancar dari permukaan bumi. Penyelimutan ini dikenal sebagai efek rumah kaca alami. Gas rumah kaca yang terpenting adalah uap air dan karbon dioksida. Dua unsur yang paling mendominasi dari atmosfer – nitrogen dan oksigen – tidak memiliki efek seperti itu. Awan, di sisi lain, memberikan efek penyelimutan mirip dengan gas rumah kaca, namun efek ini diimbangi oleh pantulan mereka, sehingga rata-rata, awan cenderung memiliki efek pendinginan iklim (meskipun secara lokal dapat dirasakan efek pemanasan: malam yang berawan cenderung tetap hangat daripada malam yang cerah karena awan memancarkan energi gelombang panjang kembali ke permukaan). Kegiatan manusia secara intensif meningkatkan efek penyelimutan melalui pelepasan gas rumah kaca. Sebagai contoh, jumlah karbon dioksida di atmosfer telah meningkat sekitar 35% pada era industri, dan peningkatan ini diketahui disebabkan oleh aktivitas manusia, khususnya pembakaran bahan bakar fosil dan pembabatan hutan. Demikianlah, manusia secara dramatis telah mengubah komposisi kimia atmosfer global dengan implikasi substansial iklim.

Karena Bumi berbentuk bola, paparan energi matahari lebih banyak masuk ke daerah lintang khatulistiwa dibandingkan di daerah lintang lainnya. Energi kemudian  transferkan dari daerah khatulistiwa ke lintang yang lebih tinggi melalui atmosfer dan sirkulasi arus laut, termasuk badai. Energi juga diperlukan untuk menguapkan air dari permukaan laut atau tanah, dan energi ini, yang disebut panas laten, dilepaskan ketika uap air terkondensasi di awan (lihat Gambar 1). Pada dasarnya sirkulasi atmosfer dikontrol oleh pelepasan panas laten ini. Sirkulasi atmosfer kemudian memicu sebagian sirkulasi laut seperti arus dan salinitas. Sirkulasi arus laut dipicu oleh angin dan perubahan suhu permukaan laut, sedangkan sirkulasi salinitas dipicu oleh curah hujan dan penguapan.

Akibat rotasi Bumi, pola sirkulasi atmosfer cenderung lebih mengarah ke timur-barat dari pada utara-selatan. Pada daerah lintang pertengahan terdapat sistem angin barat bersekala besar yang berperan untuk mengangkut panas ke arah kutub. Sistem ini merupakan sistem pertukaran tekanan rendah dan tekanan tinggi yang akrab disebut pertukaran gelombang panas dan gelombang dingin. Akibat perbedaan suhu antara daratan dan lautan serta adanya penghalang seperti pegunungan dan padang es, pada skala global sistem sirkulasi atmosfer -secara geografis- cenderung berhenti di benua atau di pegunungan meskipun lebar cakupan sirkulasi tersebut dapat berubah sewaktu-waktu. Karena pola sirkulasi ini, musim dingin yang sangat dingin di Amerika Utara dapat berhubungan dengan musim dingin yang sangat panas di belahan bumi yang lain. Perubahan dalam berbagai aspek sistem iklim, seperti perubahan lebar ukuran padang es, perubahan jenis dan distribusi vegetasi, perubahan suhu atmosfer atau laut akan mempengaruhi sirkulasi atmosfer dan laut dalam skala yang besar.

Ada banyak mekanisme umpan balik dalam sistem iklim yang dapat memperkuat ( ‘umpan balik positif’) atau mengurangi ( ‘umpan balik negatif’) dampak perubahan iklim. Sebagai contoh, karena peningkatan konsentrasi gas rumah kaca yang menghangatkan iklim bumi, salju dan es mulai mencair. Pelelehan ini mengungkap bagian permukaan tanah yang lebih gelap yang berada dibawah salju dan es, kemudian permukaan tanah yang gelap ini menyerap lebih banyak panas matahari, menyebabkan lebih banyak pemanasan, yang menyebabkan lebih pelelehan salju dan es, dan seterusnya, dalam siklus yang makin lama semakin kuat. Umpan balik ini, yang dikenal sebagai ‘umpan balik es-Albedo’, memperkuat pemanasan awal yang disebabkan oleh meningkatnya kadar gas rumah kaca. Mendeteksi, memahami dan mengukur secara akurat umpan-balik iklim telah menjadi fokus dari banyak penelitian para ilmuwan dalam upaya untuk menguraikan kompleksitas iklim Bumi.