История научных исследований изменения климата имеет своей отправной точкой начало 19-го века, когда учёные впервые узнали о ледниковых периодах и других естественных изменениях климата Земли в прошлом и впервые обнаружили парниковый эффект. В конце 19-го века учёные впервые начали утверждать, что человеческие выбросы парниковых газов могут изменить климат. После этого было выдвинуто много других теорий изменения климата, например, под влиянием вулканической деятельности и вследствие изменения солнечной активности. В 1960-х годах теоретические построения о нагревающем воздействии диоксида углерода стали более убедительными, хотя некоторые учёные отмечали, что антропогенные атмосферные аэрозоли (в виде «загрязнений») могут давать охлаждающий эффект. В 1970-х годах научная мысль все больше склонялась в сторону признания потепления в результате действия парниковых газов. К началу 1990-х годов благодаря повышению надёжности компьютерных моделей и наблюдениям, подтвердившим теорию Миланковича о ледниковых периодах, подавляющее большинство ученых пришло к консенсусу, что парниковые газы сыграли значительную роль в большинстве климатических изменений, а человеческие выбросы углекислого газа уже запустили механизм значительного глобального потепления.

С 1990-х годов научные исследования по изменению климата включили в себя много новых дисциплин и расширились, значительно улучшив наше понимание причинно-следственных отношений, связей с историческими данными, и нашу способность численно моделировать климатические изменения. Последнюю по времени работу подытожила в своих оценочных докладах Межправительственная группа экспертов по изменению климата. Изменение климата — это существенные и длительные изменения в статистическом распределении погодных паттернов за периоды от десятилетий до миллионов лет. Это могут быть изменения в средних погодных условиях, или в распределении погоды вокруг этих средних условий (например, большее или меньшее число экстремальных погодных явлений). Изменения климата вызваны факторами, которые включают процессы в океане (например, океаническую циркуляцию), биотические процессы, изменения в интенсивности солнечного излучения, извержения вулканов, а также антропогенные изменения природного мира; именно эти антропогенные изменения сейчас вызывают глобальное потепление, и термин «изменение климата» часто используют, чтобы описать особую форму влияния человека на природу.

Региональные изменения, от античности до начала 19 века

Люди давно подозревали, что климат определённого региона на протяжении веков может меняться. Например, Теофраст, ученик Аристотеля, писал о том, как осушение болот сделало определённую местность более восприимчивой к замерзанию, и он же предположил, что почва сильнее нагревается, когда вырубка лесов открывает её воздействию прямых солнечных лучей. Ученые Возрождения и более поздних времён знали, что обезлесение, орошение и выпас скота ещё в древности изменили территории вокруг Средиземного моря. Для них действенность влияния человека на местную погоду представлялась весьма правдоподобной.

Примеры наиболее ярких изменений, очевидных в течение человеческой жизни, произошли в 18-м и 19-м веках: превращение обширной части востока Северной Америки из лесов в пашни. К началу 19-го века многие считали, что это превращение меняет климат региона, и, вероятно, к лучшему. Когда распахивались Великие равнины, было в ходу утверждение, что «дождь идет за плугом». Не все соглашались с этим. Некоторые эксперты утверждали, что вырубка лесов не только вызывает скорую потерю дождевой воды в результате бесплодных наводнений, но и уменьшает общее количество осадков. Европейские профессора того времени, всегда готовые выискивать доказательства превосходства своих народов, утверждали, что люди древнего Ближнего Востока в результате их собственной халатности превратили свои некогда плодородные земли в истощённые пустыни.

Между тем национальные метеорологические агентства начали собирать массивы надёжных наблюдений температуры, осадков и тому подобное. Когда эти данные были проанализированы, они показали много колебаний, но никаких устойчивых долгосрочных изменений. К концу 19-го века научная мысль решительно повернулась против веры во влияние человека на климат. И какими бы ни были региональные эффекты, мало кто предполагал, что люди могут влиять на климат планеты в целом.

Палеоклиматические изменения и теории их причин, 19 век

К началу 18-го века учёные и не подозревали, что климат доисторических эпох как-либо отличался от современного. К концу 18-го века геологи нашли доказательства смены геологических эпох, которым соответствовали определённые изменения климата. Были разные конкурирующие теории относительно этих изменений, и Джеймс Хаттон, чьи идеи циклического изменения в течение огромных периодов времени были позже названы униформизмом, был среди тех, кто нашёл признаки былой ледниковой деятельности в местах, которые в наше время стали слишком тёплыми для ледников .

В 1815 году Жан-Пьер Перрадин впервые написал, что ледники могут быть причиной появления гигантских валунов, которые можно видеть в альпийских долинах. Когда он обошел Валь-де-Бань, он увидел гигантские гранитные скалы, которые были разбросаны по всей этой узкой долине. Нужна была исключительная сила, чтобы переместить такие большие камни. Учёный заметил полосы на земле, которые ледники оставили после себя, и пришёл к выводу, что силой, которая несла камни вниз в долины, был лёд.

Научное сообщество сначала восприняло его идею с недоверием. Жан-де-Шарпентье писал: «Мне его гипотеза казалась столь необычной и даже экстравагантной, что я считал её недостойной исследования или даже внимания». Несмотря на первоначальный отказ Шарпентье, Перрадин в конце концов убедил Игнаца Венетца, что возможно на его догадку стоит обратить внимание. Венетц убедил Шарпентье, который, в свою очередь убедил влиятельного ученого Луи Агассиса, что ледниковая теория имеет смысл.

Агассис разработал теорию о том, что он назвал «ледниковым периодом», когда ледники покрывали Европу и большую часть Северной Америки. В 1837 году Агассис первым научно предположил, что на Земле когда-то был ледниковый периодE.P. Evans: The Authorship of the Glacial Theory, North American review. / Volume 145, Issue 368, July 1887 . Accessed on February 25, 2008.. Британец Уильям Бакленд делал попытки приспособить геологическую теорию катастрофизма для объяснения наличия валунов и прочего «делювия» как остатков библейского потопа. Против этого решительно выступил Чарлз Лайель со своей версией хаттонского униформизма, затем и сам Бакленд и другие геологи-катастрофисты постепенно отказались от защиты этой идеи. Полевая поездка в Альпы вместе с Агассисом в октябре 1838 убедила Бакленда, что геологические особенности Великобритании были вызваны прошлым обледенением. Он и Лайелл тогда решительно поддержали теорию ледникового периода, которая к 1870 году стала общепризнанной.

В то же самое время, когда учёные впервые пришли к мыслям об изменениях климата и ледниковых периодах, Жозеф Фурье в 1824 году показал, что земная атмосфера делает планету теплее, чем если бы вместо неё был вакуум. Фурье понял, что атмосфера беспрепятственно пропускает к земной поверхности волны видимого света. Затем Земля поглощает видимый свет и испускает инфракрасное излучение. Но атмосфера не может пропустить инфракрасные волны беспрепятственно, а значит это приводит к повышению температуры у поверхности. Он также заподозрил, что деятельность человека может влиять на климат, хотя его интересовали главным образом изменения в землепользовании. В своей работе 1827 года Фурье отмечает: «Возникновение и прогресс человеческих обществ, действие природных сил, могут заметно изменить, причем в широких масштабах, состояние поверхности, распределение воды и движение больших масс воздуха. Такие эффекты могут привести к изменениям в течение многих веков уровня тепла; поскольку аналитические выражения содержат коэффициенты, связанные с состоянием поверхности и в значительной степени влияют на температуру».

В 1864 году Джон Тиндаль продвинул работу Фурье ещё на шаг вперёд, когда исследовал поглощение инфракрасного излучения различными газами. Он обнаружил, что водяной пар, углеводороды (например, метан CH4), а также диоксид углерода (CO2) сильно задерживают излучениеJohn Tyndall (1872) "Contributions to molecular physics in the domain of radiant heat". Некоторые учёные предположили, что ледниковые периоды и другие крупные изменения климата были вызваны изменениями в количестве газов, выбрасываемых в результате вулканической деятельности. Но это было лишь одной из многих предполагаемых причин. Ещё одной причиной могло быть изменение солнечной активности. Изменениями в характере океанических течений также можно объяснить многое в изменении климата. Подъемы и опускания горных хребтов, которые заметны за миллионы лет, могли бы изменить структуру ветров и океанических течений. Или, возможно, климат континентов вообще ни при чём, но становилось теплее или холоднее из-за смещения полюсов (северный полюс смещался туда, где раньше был экватор, или ещё что-либо подобное). Были предложены десятки теорий.

В середине 19-го века Джеймс Кролл опубликовал расчёты, показывающие как притяжение Солнца, Луны и планет тонко влияет на движение и ориентацию Земли. Наклон земной оси и форма ее орбиты вокруг Солнца точно коррелируют с циклами, которые длятся десятки тысяч лет. В течение некоторых периодов северное полушарие зимой получало немного меньше солнечного света, чем в другие периоды. Снег накапливался, отражая солнечный свет и приводя к самоподдержке ледникового периода. Однако большинство учёных нашли идеи Кролла, как и многие другие теории изменения климата, неубедительными.

Первые расчёты человеческого влияния на изменения климата, 1896 год

В конце 1890-х годов американский учёный Сэмюэл Пирпонт Лэнгли пытался определить температуру поверхности Луны путем измерения инфракрасного излучения, приходящего к Земле от Луны. Угол Луны в небе во время измерений определял, через какое количество CO и водяного пара должно было пройти излучение Луны, чтобы достичь поверхности Земли. Чем ниже было расположение Луны над горизонтом, тем ниже получался результат. Это не стало новостью, поскольку учёные знали о поглощении инфракрасного излучения уже на протяжении десятилетий.

Шведский учёный Сванте Аррениус использовал наблюдения Лэнгли повышенного инфракрасного поглощения, когда лучи Луны проходят через атмосферу Земли под малым углом, встречая больше диоксида углерода (CO), чтобы оценить эффект охлаждения атмосферы при снижении содержания CO. Он понял, что охлаждённая атмосфера будет удерживать меньше водяного пара (еще один парниковый газ), и рассчитал дополнительный охлаждающий эффект. Он также понял, что похолодание увеличит толщину снежного и ледяного покрова в высоких широтах, что заставит планету отражать больше солнечного света, и, таким образом, приведёт к дальнейшему охлаждению, как и предполагал Кролл. Аррениус подсчитал, что уменьшение количества CO наполовину приведёт к наступлению нового ледникового периода. Кроме того, по его расчётам, удвоение количества CO в атмосфере приведет к общему потеплению на 5-6 градусов Цельсия.