Історія наукових відкриттів про зміну клімату — почалася на початку 19-го століття, коли вчені запідозрили про льодовикові ери та інші природні зміни клімату Землі в минулому, і вперше виявили природний парниковий ефект. Наприкінці 19-го століття вчені вперше почали стверджувати, що людські викиди парникових газів можуть змінити клімат. Відтоді висунуто багато інших теорій зміни клімату, наприклад, під впливом вулканічної діяльності та внаслідок зміни сонячної активності. У 1960-х роках думки про нагрівальний ефект діоксиду вуглецю стали більш переконливими, хоча деякі вчені також зазначали, що діяльність людини у вигляді атмосферних аерозолів (наприклад, «забруднення») також може спричинити охолодження. У 1970-х роках наукова думка все більше схилялася в бік визнання потепління як наслідку дії парникових газів. До 1990-х років завдяки підвищенню надійності комп'ютерних моделей і спостережень, що підтвердили теорію Міланковича про льодовикові ери, переважна більшість вчених прийшла до консенсусу, що парникові гази відіграли значну роль у більшості кліматичних змін, а людські викиди вже запустили механізм значного глобального потепління.

Від 1990-х років наукові дослідження зі зміни клімату включили в себе багато нових дисциплін і розширилися, значно покращивши наше розуміння причинно-наслідкових зв'язків, зв'язків з історичними даними та здатність чисельно змоделювати кліматичні зміни. Останню за часом роботу підсумувала в своїй оцінковій доповіді Міжурядова група експертів з питань змін клімату. Зміна клімату — це істотна і довготривала зміна в статистичному розподілі погодних малюнків за періоди від десятиліть до мільйонів років. Це може бути зміна в середніх погодних умовах, або в розподілі погоди навколо середніх умов (наприклад, при більш або менш екстремальних погодних явищах). Зміни клімату викликані факторами, які включають океанічні процеси (наприклад, океанічну циркуляцію), біотичні процеси, зміни в інтенсивності сонячного випромінювання, яке отримує Земля, тектонікою плит і виверженнями вулканів, а також антропогенними змінами природного світу; саме ці антропогенні зміни нині викликають глобальне потепління, і термін «зміна клімату» часто використовують, щоб описати особливий вплив людини на природу.

Регіональні зміни, віддавна до початку 19 століття

Віддавна люди підозрювали, що клімат певного регіону може змінюватися впродовж століть. Наприклад, Теофраст, учень Аристотеля, розповів, як осушення боліт зробило певну місцевість більш сприйнятливою до замерзання, і він припустив, що ґрунт нагрівся, коли вирубка лісів відкрила їх впливу прямих сонячних променів. Вчені Відродження і пізніших часів побачили, що збезлісіння, зрошування, і випас ще в давнину змінили землі навколо Середземного моря. Для них дієвість впливу людини на місцеву погоду була досить правдоподібною.

Найбільш яскраві зміни, очевидні впродовж одного життя, відбулися в 18-му і 19-му століттях: перетворення Східної Північної Америки з лісу на орні землі. До початку 19-го століття багато хто вважав, що це перетворення змінює клімат регіону, ймовірно, на краще. Коли плугатарі з'явилися на Великих рівнинах їм сказали, що «дощ йде за плугом». Не всі погодилися. Деякі експерти повідомили, що вирубка лісів не лише викликала швидку втрату дощової води внаслідок марних повеней, але й зменшила кількість опадів. Європейські професори, уважні до будь-яких доказів, що їхні народи були мудрішими, ніж інші, стверджували, що народи Стародавнього Близького Сходу, внаслідок недбальства, були перетворили свої колись плодючі землі на виснажені пустелі.

Тим часом, національні метеорологічні агентства почали збирати масиви надійних спостережень температури, опадів, тощо. Коли дані були проаналізовані, вони показали багато злетів і падінь, але жодних стійких довгострокових змін. До кінця 19-го століття наукова думка була рішуче повернулася проти віри у вплив людини на клімат. І якими б не були регіональні ефекти, мало хто припускав, що люди можуть впливати на загальний клімат планети.

Палеокліматичні зміни та теорії їх причин, 19 століття

До початку 18-го століття вчені не підозрювали, що доісторичні клімати відрізнялися від сучасного періоду. До кінця 18-го століття геологи знайшли докази правонаступництва геологічних епох, яким відповідали певні зміни клімату. Були різні конкурентні теорії щодо цих змін, і Джеймс Хаттон, чиї ідеї циклічної зміни впродовж величезних періодів часу були пізніше названі уніформізмом, був серед тих, хто знайшов ознаки минулого льодовикової діяльності в місцях, які в наш час занадто теплі для льодовиків.

1815 року Жан-П'єр Перрадін уперше описав, як льодовики можуть бути відповідальні за гігантські валуни, які можна побачити в альпійських долинах. Коли він обійшов Валь-де-Бань, то побачив гігантські гранітні скелі, які були розкидані по всій вузькій долині. Потрібна була виняткова сила, щоб перемістити такі великі камені. Вчений помітив смуги на землі, які льодовики залишили після себе, і прийшов до висновку, що це була крига, яка несла валуни вниз у долини

Його ідею наукова спільнота спочатку сприйняла з недовірою. Жан-де-Шарпентьє писав: «Мені його гіпотеза здавалась настільки незвичайною і навіть екстравагантною, що я вважав її не вартою дослідження або навіть уваги». Попри початкову відмову Шарпентьє, Перрадін зрештою переконав Ігнаца Венетца, що можливо на здогад Перрадіна варто звернути увагу. Венетц переконав Шарпентьє, який, у свою чергу переконав впливового вченого Луї Агассиса, що льодовикова теорія має сенс.

Агассис розробив теорію про те, що він назвав «льодовиковим періодом», коли льодовики покривали Європу і більшу частину Північної Америки. У 1837 році Агассис першим науково припустив, що на Землі колись був льодовиковий періодE.P. Evans: The Authorship of the Glacial Theory, North American review. / Volume 145, Issue 368, July 1887 . Accessed on February 25, 2008.. Британець Вільям Бакленд робив спроби пристосувати геологічну теорію катастрофізму для пояснення наявності валунів та іншого «делювію» як залишків Біблійного потопу. Проти цього рішуче виступив Чарльз Лаєлл зі своєю версією хаттонівського уніформізму, отож сам Бакленд та інші геологи-катастрофісти поступово від неї відмовилися. Польова поїздка до Альп разом з Агассі в жовтні 1838 року переконала Бакленда, що геологічні особливості Великої Британії були спричинені минулим зледенінням. Він і Лаєлл тоді рішуче підтримали теорію льодовикового періоду, яка стала загальновизнаною до 1870 років.

У той самий час, коли вчені вперше запідозрили про зміни клімату та льодовикові періоди, Жозеф Фур'є, у 1824 році, показав, що земна атмосфера робить планету теплішою, ніж якби замість неї був вакуум. Фур'є зрозумів, що атмосфера пропускає хвилі видимого світла без перешкод до земної поверхні. Потім земля вбирає видиме світло і випускає назад інфрачервоне випромінювання. Але атмосфера не може пропустити інфрачервоні хвилі без перешкод, а отже це призводить до підвищення температури біля поверхні. Він також запідозрив, що діяльність людини може впливати на клімат, хоча його цікавили головним чином зміни в землекористуванні. У документі від 1827 року Фур'є наголошує: «Виникнення і прогрес людських суспільств, дія природних сил, можуть помітно змінити, причому в широких масштабах, стан поверхні, розподіл води і рухи великих мас повітря. Такі ефекти можуть призвести до змін протягом багатьох століть ступеню тепла; оскільки аналітичні вирази містять коефіцієнти, які пов'язані зі станом поверхні, і які значною мірою впливають на температуру».

1864 року Джон Тіндаль просунув роботу Фур'є на один крок уперед, коли досліджував поглинання інфрачервоного випромінювання різними газами. Він виявив, що водяна пара, вуглеводні такі як метан (CH4), а також діоксид вуглецю (CO2) сильно затримують випромінюванняJohn Tyndall (1872) «Contributions to molecular physics in the domain of radiant heat»Sherwood, «Science controversies past and present», Physics Today, www.physicstoday.org, October, 2011, pp. 39-44, at page 40.. Деякі вчені припустили, що льодовикові періоди та інші великі зміни клімату були викликані змінами в кількості газів, що викидаються внаслідок вулканічної діяльності. Але це було лише однією з багатьох можливих причин. Ще однією причиною могла бути зміна сонячної активності. Змінами в характері океанічних течій також можна пояснити багато змін клімату. Підйоми і опускання гірських хребтів, які помітні за періоди мільйонів років, могли б змінити структуру вітрів і океанічних течій. Або, можливо, клімат континенту не змінювався взагалі, але ставав теплішим або холоднішим через (північний полюс зміщується туди, де раніше був екватор, або щось подібне). Були десятки теорій.

Наприклад, у середині 19-го століття Джеймс Кролл опублікував розрахунки, як тяжіння Сонця, Місяця і планет тонко впливає на рух і орієнтацію Землі. Нахил земної осі і форма її орбіти навколо Сонця точно корелюються з циклами, які тривають десятки тисяч років. Впродовж деяких періодів північна півкуля взимку отримувала трохи менше сонячного світла, ніж вона отримувала протягом інших століть. Сніг накопичувався, відбиваючи сонячне світло і призводячи до самопідтримуваного льодовикового періоду. Однак більшість вчених знайшли ідеї Кролла, як і будь-які інші теорії зміни клімату, непереконливими.

Перші розрахунки людського впливу на зміни клімату, 1896

До кінця 1890-х років американський учений Семюел Пірпонт Ленглі намагався визначити температуру поверхні Місяця шляхом вимірювання інфрачервоного випромінювання, що приходить до Землі від Місяця. Кут Місяця в небі під час вимірювань визначав через яку кількість СО2 і водяної пари мало пройти випромінювання Місяця, щоб досягнути поверхні Землі. Нижче розташування Місяця над горизонтом давало нижчий результат. Це не стало новиною оскільки вчені знали про поглинання інфрачервоного випромінювання вже впродовж десятиліть.

Шведський вчений Сванте Арреніус використав спостереження Ленглі щодо підвищеного інфрачервоного поглинання, коли промені Місяця проходять через атмосферу Землі під малим кутом зустрічаючи більше діоксиду вуглецю (СО2), щоб оцінити ефект охолодження атмосфери від майбутнього зниження вмісту СО2. Він зрозумів, що охолоджена атмосфера буде втримувати менше водяної пари (ще один парниковий газ) і розрахував додатковий охолоджувальний ефект. Він також зрозумів, що похолодання збільшить полощу сніжного і крижаного покриву у високих широтах, що змусить планету відбивати більше сонячного світла і, таким чином призведе до подальшого охолодження, як і припускав Джеймс Кролл. Арреніус у цілому підрахував, що зменшення кількості СО2 наполовину призведе до настання нового льодовикового періоду. Крім того, за його розрахунками, подвоєння кількості СО2 в атмосфері призведе до загального потепління на 5-6 градусів Цельсія.

Крім того, колега Арреніуса професор Арвід Гоґвом, якого Ареніус розлого цитував у своєму дослідження 1896 року Про вплив вуглекислого газу в повітрі на температуру Землі намагався кількісно оцінити природні джерела викидів СО2, щоб краще зрозуміти глобальний вуглецевий цикл. Гоґбом виявив, що оцінюваний обсяг виробництва газу з промислових джерел у 1890-х роках (переважно спалювання вугілля) був на одному рівні з природними джерелами. Арреніус побачив, що ці штучні викиди вуглецю в кінцевому підсумку призведуть до потепління. Водночас, через відносно низьку швидкість виробництва СО2 станом на 1896 рік, Арреніус припускав, що процес потепління займе тисячі років, а також очікував, що він принесе користь для людстваIbid, Sherwood, 2011, pp. 39-44, at page 40..

Палеоклімати і плями на Сонці, від ранніх 1900-х до 1950-х років