지구 온난화

지구 온난화(地球溫暖化, 영어: global warming 또는 climate change)는 19세기 후반부터 시작된 전 세계적인 바다와 지표 부근 공기의 기온 상승을 의미한다. 21세기 초부터, 지구 표면의 평균 온도는 1980년에 비해 약 3분의 2가 증가한 0.8°C 정도 기온이 상승했다. 기후 온난화의 원인에 대해서는 아직 애매하나, 대부분의 과학자들은 90% 이상의 온실 기체 농도의 증가와 화석 연료의 사용과 같은 인간의 활동에 의해 발생한 것으로 추측하고 이러한 연구 결과는 모든 주요 산업 국가의 과학 연구 센터에서 인정받고 있다.
기후 모델의 예측은 기후 변화에 관한 정부간 패널(IPCC) 에서 2007년 발표된 IPCC 제4차 평가 보고서에서 요약되었다. 이 보고서에서는, 21세기 동안 지구의 평균 온도는 최하 1.1 - 2.9°C 상승에서 최대 2.4 - 6.4°C 까지 상승할 수 있다고 예고했다. 이러한 예상 수치의 오차는 모델마다 서로 다른 기후 민감도 때문에 발생한다.
제4차 보고서에 따르면, 전 세계의 온난화로 인해 지역적 영향이 발생한다고 발표했다. 지구 온난화의 영향으로 지구 기온이 증가함과 함께 해수면 상승 및 강수량과 패턴의 변화, 아열대 사막 지방의 확장 등이 있다. 또한, 지구 온난화로 북극의 축소와 지속적인 빙하, 영구 동토층, 해빙의 감소 등이 나타난다. 지구 온난화의 다른 영향으로는 극한 기후와 폭염의 증가, 가뭄과 폭우, 해양 산성화와 종의 멸종도 있다. 인간 생활에서는 농업 수확량의 감소와 기후변화 난민의 발생이 있다.
지구 온난화로 인해 제안된 정책들에서는 탄소 배출 감소로 온난화를 완화시키고 지구공학을 통해 적응하는 것이다. 대부분의 국가들이 모인 기후 변화에 관한 국제 연합 기본 협약(UNFCCC)에서는 궁극적인 목표로 인간에 의한 위험 기후 변화의 방지를 목적으로 하고 있다. UNFCCC의 가입국들은 온실 기체를 줄이기 위한 정책을 채택했으며, 지구 온난화의 적응을 지원하고 있다. UNFCCC 참여국들은 탄소 배출량의 큰 감소 필요성에 동의하며 미래의 지구 온난화에 대하여 2.0°C 내외로 국한해야 한다. 2011년 국제 연합 환경 계획의 보고서와 국제 에너지 기구에 따르면, 21세기 현재 UNFCCC의 2°C 감소 목표는 불충분할 수 있으며 좀더 큰 노력이 필요하다고 발표했다.

관찰된 온도 변화

1906년부터 2005년까지 세계 평균 표면 기온은 0.74±0.18°C 상승했다. 이 기간의 마지막 동안에 온난화 속도는 절반 이상을 차지했다(지난 10년동안 0.07±0.02°C 상승과 비교하여 0.13±0.03°C 상승했다). 1900년 이후 도시 열섬으로 인한 오염 효과는 0.002°C 로 매우 적다. 위성 온도 측정을 통한 좀 더 기온이 낮은 대류권의 온도 변화는 1979년부터 10년마다 0.13에서 0.22°C 증가했다. 1850년부터 지난 천년간의 온도 변화 기록은 프록시가 중세 온난기와 소빙기같은 기후 변동을 제외하면 거의 안정했다.
현재 온난화 기록은 많은 독립적인 과학 그룹에 의해 관찰되고 있다. 예를 들어, 물의 열팽창에 따른 해수면 상승, 눈과 얼음의 광범위한 액화 현상, 바다의 엔탈피 증가, 상대 습도의 증가, 생물 계절학에서 나타난 봄의 발현으로 인한 꽃 종류의 식물 증가 등이 있다. 이러한 사건들은 확률적으로 우연히 발현될 수 있는 경우는 없다.
미국 항공우주국의 고다드 우주항공연구소와 미국 국립 기후 데이터 센터에 따르면, 2005년부터 2010년까지 지구는 점점 따뜻해지고 있으며, 이는 광범위한 측정이 가능해진 19세기 후반 1998년에 비하면 높은 수치이다. 미국 기후연구센터에 따르면, 1998년부터 2010년까지 두 번째로 따뜻한 연도는 2005년이며 세 번째로 따뜻한 연도는 2003년이라 추정했었으나, 이는 "각 년도의 오류로 추정되며 지난 10년간의 차이는 이 3년간의 차이보다 많다"라고 번복했다. 세계 기상 기구는, 2010년 "세계 기후에 대한 발표"에서 2010년의 공칭값은 +0.53°C 로서 2005년(+0.52°C)나 1998년(+0.51°C)보다 높으나 3년의 차이가 통계적으로 의미는 없다"라고 발표했다. 2007년의 일본 기상청 발표에 의하면, 한반도 부근 바다의 수온이 최근 100년간 세계 평균 바다 수온 상승 온도인 0.7도의 2배에 해당되는 1.2도 ~ 1.6도가량 오른 것으로 밝혀졌다. 또한, 지구 온난화는 2009년에 대한민국에 가뭄을 발생시킨 원인으로 지목된다.
지구 기온은 1998년 엘니뇨 때문에 비정상적으로 상승한 적이 있었으며, 실제로 20세기의 가장 큰 엘니뇨는 이 때 일어나기도 했다. 그러나, 세계 온도는 단기적으로 일시적으로 변동이 있을 수 있고 장기적 변화를 단기적 변화가 덮을 수 있다. 실제로, 2002년부터 2009년까지의 기온 변화는 장기적 변화와 일치했다. 2010년에는 엘니뇨가 발현했다. 이에 대한 반동으로 2011년에는 라니냐가 발생했으나, 이 해는 1880년 기록이 시작된 이후 11년동안 계속 온도가 상승했다. 1880년부터 13년 동안 따뜻한 해가 있었으며, 그 후 2001년부터 2011년까지 11년간 계속 따뜻했다. 최근 기록에서는, 1950년부터 2011년까지 2011년은 가장 따뜻한 라니냐 발현 연도였으며, 1997년 최하점부터 계속 온도가 상승했다.
온도 변화는 전 세계적으로 다양하다. 1979년부터, 육지의 온도는 매년 해양 온도보다 약 두배의 속도로 증가하고 있다(10년마다 0.13°C 에서 0.25°C 증가하고 있다). 바다의 온도는 바다의 증발을 통해 열을 잃음으로서 육지 온도보다 더욱 상승률을 낮출 수 있다. 북반구가 남반구보다 더 빨리 온도가 상승하는 이유도 남반구가 얼음 알베도 효과에 의해 눈과 바다가 광범위하여 더욱 낮게 증가하는 것이다. 북반구는 남반구보다 더욱 많은 온실 기체를 배출하나, 주요 온실 기체는 두 반구에서 순환하며 혼합되기 때문에 온난화의 차이에 기여하지 않는다.
바다의 외인성 열용량과 같은 다른 간접적 효과는 기후가 강제적으로 변하는 데에는 오랜 시간이 걸린다는 것을 의미한다. 기후 협약 연구에 따르면, 온실 기체가 2000년 수준으로 안정화되어도 온난화는 0.5°C로 안정될 것이라고 발표했다.

온도 변화의 초기 원인 (외부 원인)

기후 시스템은 "외부 원인"으로 변화할 수 있다. 외부 원인은 지구 온난화나 빙하기로 기후를 "변화"시킬 수 있다. 외부 원인의 예로는, 대기 구성 물질의 변화(온실 기체의 증가 등), 화산 폭발 등으로 인한 태양광도 변화, 공전 궤도 변화 등이 있다. 최근 기후 변화의 속성은 주로 첫 번째와 세 번째의 원인에 주목하고 있다. 밀란코비치 주기는 수만 년 동안 천천히 냉각 추세로 돌아서며 빙하기가 올 것을 예고했으나, 20세기 세계 온도 기록에서는 지구 기온은 급격한 상승을 보인다.

온실 기체

온실 효과는 지구의 표면과 대기권에서의 적외선 방출 스펙트럼 흡수 과정이다. 이것은 1824년 조제프 푸리에에 의해 창안되었고, 1896년 스반테 아레니우스에 의해 처음 조사가 이루어졌다.
자연적인 온실 가스 발생으로 인한 지구 온난화 효과로 평균 33°C가 유지되고 있다. 주요적인 온실 기체는 수증기이며 이는 온실 효과의 36–70%를 차지하고, 그 다음은 이산화탄소(CO₂)로 9–26%를 차지하고, 메테인(CH₄)은 4–9%이며 가장 낮은 온실 기체는 오존(O₃)으로 3–7%를 차지한다. 구름 또한 온실 기체와 유사한 영향을 가진다.
산업 혁명 이후 인간의 활동들은 이산화탄소, 메탄, 대류권 오존, 프레온 기체, 아산화 질소 등의 오존 기체 발생량이 많아지게 되었다. 이산화탄소와 메탄 온실 기체는 1750년 이후 36%와 148% 증가했다. 이러한 수준은 아이스 코어(ice core)로 측정한 신뢰 가능한 자료로 지난 80만년간 증가 수준보다 매우 높다. 덜 직접적인 지질학적 증거로는 지난 2000만년보다 이산화탄소 수치가 더욱 높은 것으로 알 수 있다. 화석 연료는 인간이 지난 20년간의 이산화탄소 생산 수치의 4분의 3을 차지한다. 나머지 상승분은 지표면의 변화, 특히 벌목로 인해 발생한 결과이다.
20세기의 지난 30년 동안, 국민 총생산 증가와 인구 증가는 온실 기체 배출 증가의 주요 원인이 되었다. 이산화탄소 배출량은 화석 연료 이용과 토지 이용 변화로 인한 연소 때문에 점점 증가하고 있다. 온실 기체 배출은 다른 지역이 원인이 될 수도 있다. 2005년 토지 이용 변화를 포함한 연간 온실 기체 배출량 증가는 매우 빠르게 증가함을 보여준다. 또한, 인류가 숲과 나무를 파괴하여 온난화 현상이 심해진다는 가설도 있다. 그러나, 토지 이용 변화가 지구 온난화의 원인이 되는지는 아직 논쟁중이다.
기후 변화 시나리오에 따르면, 미래의 온실 기체 배출량은 사회학적, 기술적 발달과 향후 자연 개발, 경제 성장 등 불확실한 정보에 따라 달라진다. 대부분의 시나리오에서는 몇 세기 동안 배출량이 지속적으로 증가하지만 몇몇 시나리오에서는 배출량을 줄일 수 있다. 화석 연료의 매장량은 풍부하며 21세기 동안 탄소 배출의 제한량이 존재하지 않는다. 탄소의 순환을 이용한 배출량 시나리오는 향후 온실 기체의 농도와 변경 가능한 최소치를 계산하는 데 이용하였다. 6개의 IPCC 배출량 시나리오에 관한 특별 보고서(Special Report on Emissions Scenarios)의 "마커 시나리오"에 따르면, 2100년까지 대기중 이산화탄소의 농도는 541에서 970ppm의 범위로 추정한다. 이것은 1750년 증가분의 90-250%에 달하는 수치이다.
대중 매체와 대중은 종종 지구 온난화와 프레온 가스로 인한 성층권의 오존층 파괴를 혼동한다. 몇 가지 지구 온난화와 오존층와의 관련은 있지만, 둘 사이의 관계는 강하지 않다. 성층권 오존의 파괴는 표면 온도의 냉각에 약간의 영향을 끼친 반면 오히려 대류권 오존(tropospheric ozone)이 지구 온난화에 더 큰 영향을 미쳤다.

미립자와 먼지

지구음암화는 전지구적으로 표면 조도(irradiance)가 감소하는 현상으로 1961년부터 1990년까지 관측되었다. 이 음암화의 대표적 원인은 화산과 인간이 만든 오염(pollutant) 미립자가 햇빛의 반사율을 높여 냉각 효과를 발휘하는 것이다. 이 화석 연료 연소로 인한 효과(이산화탄소 및 에어로졸)은 최근 수십년 간 상쇄되었기 때문에 순수한 온난화 효과는 이산화탄소 증가가 아닌 메탄 같은 기타 온실 기체가 발휘한 것이다. 미립자에 의한 반사는 습식 침적(wet deposition)에 의해 시간적으로 제한되기 때문에 보통 일주일 정도 지속된다. 그러나, 이산화탄소는 한 세기 이상의 효과를 가지고 있으며 미립자 농도의 변화는 이산화탄소에 의한 기후 변화를 지연시키는 효과를 가져온다.
태양 복사를 산란하고 흡수하여 나타나는 직접적인 효과 뿐 아니라, 미립자는 복사수지(radiation budget)에 간접적 영향을 준다. 황산염으로 만든 구름 응집핵(cloud condensation nuclei)은 더 작은 입자를 가진 구름을 만들게 된다. 이 구름들은 더 적고 큰 입자의 구름보다 더 태양 복사 에너지를 반사한다. 이 효과는 투메이 효과(Twomey effect)로 알려져 있다. 이 효과는 더욱 균일한 크기의 물방울을 만들어내고, 이는 구름이 햇빛을 더 잘 반사하게 하는데 이를 알브레히트 효과(Albrecht effect)라고 한다. 해양의 성층권 구름은 이 간접적 효과가 눈에 띄게 나타나며 대류층의 구름에는 거의 복사 효과가 없다. 이 미립자의 간접적 효과는 복사도를 큰 불확실성으로 만들게 하는 효과를 가져온다.
그을음은 표면을 가열 또는 냉각시킬 수 있으며, 공기중으로 퍼지거나 침전물이 되는지 여부에 따라 달라진다. 대기의 그을음은 직접 태양 복사를 흡수하며 이는 대기를 가열하고 표면을 냉각시킨다. 많은 그을음이 고립된 지역에 나타나면 인도의 농촌처럼 지표면 온난화의 50%를 갈색 구름 띠(atmospheric brown cloud)로 가리게 한다. 침전물, 특히 빙하 또는 북극 얼음에 침전될 경우 반사율을 낮추면서 지표면을 가열시킨다. 그을음을 포함한 미립자의 영향으로 인해, 중위도에 영향을 많이 끼치는 온실 기체에 비해 특히 아시아에서 대부분이 열대 또는 아열대 지역에 영향을 끼친다.

태양 활동

태양 표면의 흑점 폭발로 인해 지구의 오존층이 파괴되고 그 때문에 기온이 상승하게 된다는 이론이 있다. 이런 주장을 하는 과학자들은 지구의 온도가 높았던 때와, 태양 흑점 폭발 시기가 일치한다는 점을 들고있다. 이들은 1989년 캐나다 몬트리올에서 태양의 흑점 폭발로 인해 갑작스런 정전 사태가 발생한 예를 들며 태양 흑점 폭발의 영향력을 강조하고 있다. 또한, 태양의 변화는 일조량 및 과거 기후 변화의 원인이었다. 최근 수십 년 간 태양의 변화로 인한 기후 변화 효과는 불확실하지만 몇몇 연구에서는 작은 냉각 효과를 보여준다고 기록하고 있고, 반면에 다른 연구에서는 약간의 온난화 효과를 보여준다고도 기록하고 있다.
온실 기체와 태양은 서로 다른 방법으로 온도에 영향을 미친다. 증가된 태양 활동과 온실 기체 모두 대류권의 온도를 높일 것으로 예상하고 있지만, 태양 활동의 증가가 성층권의 온도를 높이는 반면 온실 기체는 성층권의 온도를 낮춘다. 라디오존데 관측 역사 이래로(1958년) 초기 라디오존데의 기록은 매우 불확실하지만 성층권의 온도는 냉각하고 있음을 보이고 있다. 1979년부터 시작된 위성 관측도 성층권 냉각을 보여주고 있다.
헨리크 스벤스마크(Henrik Svensmark)에 의해 제기된 가설에 의하면, 태양의 편향된 자기 활동은 우주방사선의 발생에 영향을 끼치며 이는 구름 응결핵 발생에 영향을 끼침으로서 기후에 영향을 준다. 다른 연구에서는 최근 수십년간 우주선과 지구 온난화 사이의 관계를 찾을 수 없다는 설명도 있다. 구름의 양과 우주선의 영향은 100 이하의 낮은 요인으로 평가되며 보다 자세히 구름 관측 변화를 살펴보거나 현재의 기후 변화 기여도에 대해 연구를 할 필요가 있다.
2011년 연구에서는 태양 활동이 둔화되며 그 다음 태양주기가 지연될 수 있음을 지적했다. 아직 이것은 명확하지 않다. 태양주기는 2020년 25회 주기를 돌지만, 2022년 또는 그 이상으로 지연될 수 있다. 이것은 태양이 마운더 극소기에 접어듬으로도 해석이 가능하다. 태양 흑점 활동과 지구 기온 사이의 명확한 관계는 아직 밝혀지지 않았지만 태양 활동 연구를 수행하는 과학자들은 온실 기체 배출이 일어날 수 있는 한랭기를 막을 것이라고 생각한다.
우리는 여전히 장기간의 태양 극소기가 지속되며 불균형하다는 것에도 불구하고 우리의 기후 시스템에 대해서는 큰 문제가 아니다 ... 그러나, 이 태양이 지구 온난화의 지배적인 장치가 아니라는 명확한 증거가 없기 때문에 주목할 가치는 있다.
위에서 언급한 세부적인 사항에 미국 항공우주국 고다드 연구소의 제임스 한센(James Hansen) 박사에 의하면 태양은 지구 온난화의 큰 원인이 아니라고 주장한다. 2005년부터 2010년까지의 저조한 태양 활동이 지구 온난화에 거의 영향을 주지 않았다는 사실이 논의되고 있으며 한센은 온실 기체가 원인이라는 더 많은 증거가 있다고 말했다. 즉, 그는 기후 변화에 관한 정부간 패널에서 "거의 모든 기후 과학자"의 고급적 이론을 제시했다.

피드백

피드백이란 하나가 바뀌면 그 결과로 두 번째 양이 바뀌고, 그 두 번째 양이 다시 첫 번째 양의 바꿈으로서 결과를 나타내주는 것이다. 양성 피드백은 처음 값을 증가하게 하며 음성 피드백은 처음 값은 감소하게 만든다. 피드백은 특정 과정의 효과를 증폭 또는 감소시킬 수 있기 때문에 지구 온난화 연구에 중요하다.
기후 시스템의 주요 양성 피드백은 수증기 피드백(water vapor feedback)이다. 주요 음성 피드백은 온도 증가의 4번째 원인인 슈테판-볼츠만 법칙에 의한 복사 냉각(radiative cooling)이다. 양성 및 음성 피드백은 모델에서 가정되지 않지만 기본 역학 및 열역학에서 창발성적인 상호 작용으로 고려된다
넓은 범위에서의 잠재적 피드백 과정으로는 북극 메탄 방출(Arctic methane release)과 얼음 알베도 피드백(ice-albedo feedback)이 있다. 간접적으로, 급격한 기후 변화를 불러일으킬 수 있는 티핑 포인트(tipping point (climatology))가 존재할 수 있다.
예를 들어, 2007년 IPCC 보고서에는 "배출 시나리오"에서 주로 인간의 원인으로 발생한 온실 가스 배출량을 조사했다. 2011년 미국 눈·얼음 데이터 센터(National Snow and Ice Data Center)와 미국 해양대기청의 공동 연구에서 영구 동토층이 용융 및 분해되면서 추가적인 온실 기체가 발생하는 경우를 계산했을 경우 심지어는 정책 입안자가 A1FI 시나리오나 A1B 시나리오에서도 급격한 온실 기체 증가가 있을 것이라고 발표했다. 이 팀은 심지어 인간의 온실 기체 배출량이 매우 낮은 수준일 경우에도 영구 동토층의 융해로 대기에 약 190Gt의 탄소가 방출될 것이라 예상했다. 중요한 것은, 이 팀은 다음 3가지 가정하에서 예측하였다. 첫째로, 정책 입안자가 A1FI 시나리오 대신 A1B 시나리오를 수용할 경우이다. 둘째로, 모든 탄소가 이산화탄소 대신 메탄 방식으로 방출되며 이는 이산화탄소보다 72배 더욱 강한 온실 효과를 나타낸다. 셋째로 해당 모델은 추가 기체 방출로 인한 추가 온도 상승을 고려하지 않았다. 이는 매우 안정적인 영구 동토층의 이산화탄소 저장량은 산업 시대 초기부터 화석 연료로부터 방출한 모든 탄소량의 절반이고 이것이 추가적으로 대기를 인간의 배출량을 넘어선 27~88ppm 정도의 상승을 불러일으키기 때문이다. 일단 대기중의 이산화탄소는 다른 온실 기체의 영향력보다 강하기 때문에 열 관성으로 인해 대기의 온난화가 정지하더라도 몇 년간 온실 효과는 계속되기 때문에 일단 동토층의 탄소 배출은 "막을 수 없다". 이 영구 동토층의 탄소에 관한 거대한 거래는 실제로는 메탄 대신 이산화탄소의 형태로 배출되고 있다. IPCC의 2007년 온도 예측은 영구 동토층의 탄소 배출량 중 하나를 고려하지 않았으며 따라서 예상되는 기후 변화의 정도를 과소평가하게 되었다.
2011년에 출판된 또 다른 연구에서는 메탄의 지구 온난화 가속화는 메탄의 배출량이 증폭된다는 의견도 있다. 연구진은 메탄 배출량을 2.5배 늘리면 메탄 혼자 지구 온난화의 효과를 250% 증가시키는 것으로 나타났다. 5.2배 가속시킬 경우, 메탄의 간접적 온난화는 400% 가까이 될 것이다.

기후 모델

기후 모델은 수치적 모델(mathematical models)로서 지구 대기권, 수권, 빙권(cryosphere), 지권, 생물권 등 이 5가지의 구성 요소로 나뉜다. 이러한 모델들은 유체역학, 열역학, 복사전달 등을 기반으로 한다. 여기에는 공기의 움직임, 온도, 구름, 바다의 온도, 염도, 해류, 바다와 육지의 빙권, 토양과 대기의 식물 열 및 습기 이동, 화학 및 생물 순환, 기타 여러 요소들을 포함한다.
연구자들은 가능한 한 많은 요소를 포함시키려고 하지만, 현재 기후 지식으로 모을 수 있는 자료와 사용 가능한 컴퓨터의 한계로 실제 기후와 달리 단순화는 어쩔 수 없다. 이 모델의 결과는 또 다른 온실 기체 농도값과 기후 민감도에 따라 달라진다. 예를 들어, IPCC의 2007년 보고서의 불확실성은 여러 모델들의 사용과 서로 다른 기후 민감도, 서로 미래 온실 기체 배출값의 수치를 다르게 입력하였고, IPCC에 사용하지 않은 영구 동토층의 피드백 현상 등을 수치에 포함하지 않았기 때문에 발생했다.
모델은 항상 온실 기체의 증가 수준을 높게 하진 않는다. 대신 모델은 온실 기체의 복사열 및 기타 물리적 과정의 상호작용으로 예측한다. 이러한 복잡한 수학적 방식의 한 결과는 지구 온난화 또는 냉각을 예측하게 된다.
최근 연구는 구름의 영향과 탄소의 순환 에 대해 모델이 구체화 할 필요성에 대해 주의를 촉구했다.
또한, 모델은 다양한 자연적, 인공적 원인으로 파생된 현재 관측된 변화와 컴퓨터의 값을 비교하여 최근의 기후 변화(Attribution of recent climate change)를 조사하는데도 사용된다. 이 모델은 1910년부터 1945년까지 발휘된 온난화의 효과를 정확하게 자연과 인간의 변화에 기인하진 않지만 1970년 이후 인간이 배출한 온실 기체에 온난화가 주도된다는 사실이 밝혀졌다.
모델의 물리적 불확실성은 현대 또는 과거의 기후를 시뮬레이션하여 검사하는 테스트로 알아낸다.
기후 모델은 지난 세기 동안 지구 온도의 변화를 정확히 예측했으나 모든 기후의 요소를 시뮬레이션하진 않았다. 모든 지구 온난화의 영향이 IPCC에서 이용하는 기후 모델에서 예측되진 않았다. 그 예로, 북극의 기후 변화로 인한 축소는 예상보다 일찍 찾아왔다. 강수량은 대기 습도에 비례하여 나타나기 때문에 기후 모델의 예측보다 훨씬 빨리 증가한다.

관찰 및 예상된 환경적 효과

기후의 "감지"(Detection)는 그 변화에 대한 이유를 아는 대신 기후를 반영하는 통계학적 정의에서 반영된 것이다. 감지는 어떤 특정한 속성의 변화를 의미하진 않는다. 기후 변화의 "귀속"(Attribution)은 변화의 감지가 신뢰 수준으로 확정되어 영향의 원인과 정의를 찾는 과정이다. 감지와 귀속은 물리적, 생태학적, 사회적 시스템에서 감지된 변화에서 적용할 수 있다.

자연 시스템

지구 온난화는 자연 시스템의 많은 부분에서 관찰되었다. 먼저, 지구 표면 부근 온도는 2005년까지 지난 1백 년간 0.74 ± 0.18 ℃ 상승했다. 또한, 급격한 기상 변화의 원인으로 고려되는 등 세계 기상에 큰 영향을 미치는 것으로 추정된다. 이러한 변화들 중 해수면 상승과 눈, 얼음의 대규모 감소 등의 변화는 관측된 온도 변화 문단에서 설명했다. 20세기 중반 이후 지구 평균 온도 증가의 대부분은 높은 확률로 이루어졌고 온실 기체 농도는 인위적 변화에 귀인되었다.
심지어 배출 규제를 위한 정책을 시작하더라도, 세계적 배출량은 시간이 지남에 따라 여전히 증가할 것이라 예측된다.
IPCC 예측 시나리오의 향후 배출 시나리오에 따르면, 21세기 말(2090년부터 2099년까지) 다양한 모델에서 해수면 상승도가 약 0.18m에서 최고 0.59m로 다양했다. 그러나, 이러한 추정들은 과학적 이해의 부족 가능성을 염두에 두지 않았으며 해수면 상승이 예측값보다 더욱 늘어날 수도 있다. 천년 단위의 척도에서, 빙상의 융해가 지금보다 높은 해수면 상승을 초래할 수 있다. 그린란드 빙상과 서남극 빙상의 부분적 해빙기에는 약 4~6m의 해수면 상승이 초래될 것으로 예측된다.
지역의 기후 변화로는 남극해와 북대서양 등 위도가 높은 북부의 대부분 육지보다 바다에서 더욱 심한 온난화가 이루어질 것으로 예측된다. 적설 면적과 해빙이 감소하면서 2037년에는 북극이 주로 9월 이후 얼음이 관측될 것으로 예측된다. 또한, 2090년 여름에 북극의 얼음이 모두 녹아 없어질 가능성이 언급되었다.
미국 텍사스주와 2003년 유럽 폭염 등의 특정한 기상 사건은 신뢰구간 내에서는 지구 온난화 없이 발생할 수 없었다는 계산을 할 수 있다. 이 때의 매우 더운 이상점은 2050년 이후에는 10%의 표준편차로 육지의 10%에서 평균 온도가 될 것이다. 이 상황은 물 순환을 가속시키면서 더욱 강한 가뭄과 홍수가 발생할 것이다. 허리케인의 세기에 미치는 영향은 아직까진 불확실하다.

생태계 시스템

지역적인 생태계 시스템에서 봄 이전의 시기와 극지방으로의 식물 및 동물 영역 변화는 최근의 지구 온난화와 높은 연관성이 있다. 미래 기후 변화는 툰드라, 홍수림, 산호초를 포함한 특정 생태계 전반에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. 대부분의 생태계는 높은 이산화탄소 농도와 높은 지구 온도에 영향을 받을 것으로 예상된다. 전반적으로, 기후 변화는 생태계의 다양성 감소와 많은 종의 멸종을 초래할 것으로 예상된다.
이산화탄소의 증가는 바다의 산성도 증가를 불러일으킨다. 해양 산성화로 알려진 이 과정은 지구 온난화와 "비슷한 나쁜 쌍둥이"로 알려져 있다. 해양 산성도 증가는 탄산염의 양을 감소시키면서 유공충과 같은 해양 먹이 사슬 바닥에 있는 생물이 더욱 살기 어렵게 만든다. 현재 해양 산성화의 속도는 지난 3억년 4번의 대량 멸종 중 해양 생물의 95%를 멸종시킨 페름기-트라이아스기 멸종보다 더욱 빠른 속도로 진행되고 있다. 산업 혁명부터 세기 말까지 산성도 변화는 팔레오세-에오세 최대 열출력(Paleocene–Eocene Thermal Maximum)과 같으며 이는 지난 5천년 간 유공충의 35-50%를 사망시켰다.

관찰 또는 예상된 사회적 효과

기후 변화와 인간의 영향은 점진적 기후 변화의 영향보다는 극단적인 기후 변화의 영향을 많이 받고 있다. 기후 변화의 영향은 지금까지 작은 섬에서의 악영향을 포함하여 고위도 지역의 토착민 위협, 인간의 건강에 작지만 뚜렷한 영향들을 준다. 21세기에 기후 변화는 해안 후퇴와 홍수, 물의 감소, 건강 악화 등이 수백만명의 사람들에게 미칠 것으로 예상된다. 대부분의 경제학 논문에서 지구 온난화로 인해 GDP의 손실이 발생한다고 언급한다.

음식 안전

현재의 추세에 따르면, 2030년 남아프리카의 옥수수 생산은 30% 감소하며 남아시아의 쌀, 기장 및 옥수수 생산량은 10% 감소할 것이다. 2080년에는 개발도상국의 수확량은 평균적으로 10-25% 감소할 것이며 특히 인도는 30-40% 감소할 수 있다. 2100년에는 3억명 이상이 토양 수분 및 물 부족, 온도 상승, 열대 지역의 확장으로 인해 세계적으로 쌀과 옥수수 수확량이 20-40% 감소되어 기아를 겪게 될 것이라고 경고했다.
미래에 온난화가 약 3°C까지 상승할 경우(1990~2000년 기준으로 2100년 예상) 중위도 및 고위도 지역에서 아마도 수확량이 증가될 수 있으나 저위도 지역에서는 매우 심각한 농업 생산량 감소를 불러일으킬 것이다. 순이익과 비용의 유사한 패턴으로 시장에서도 큰 영향을 줄 것이다(기후 변화와 경제 참조). 3°C 이상 온도가 상승할 경우, 중위도 지역에서도 수확량이 감소하면서 전 세계의 식량 부족 현상을 일으킬 것이다.

서식지 침수

작은 섬과 삼각주는 해수면 상승의 결과로 중요한 인프라가 침수되고 인간의 정착지를 위협할 것이다. 이 중 투발루나 몰디브의 국민 경우에는 무국적자가 될 수도 있다. 또한, 방글라데시와 같은 저지대 국가 등지에서는 기후 난민이 발생할 수도 있다.

완화

미래의 기후 변화도를 감소시키는 것을 기후 변화의 완화라고 지칭한다. IPCC는 온난화 완화를 온실 가스 배출량(GIG)를 줄이는 운동 또는 온실가스 흡수원(carbon sink)을 늘림으로서 배출한 온실가스를 흡수하는 운동으로 정의했다. 많은 개발도상국과 선진국이 깨끗하고, 덜 오염시키고, 기술적으로 이용하는 것으로 목표하고 있다. 이러한 보조 기술을 이용하여 상당한 양의 배출된 이산화탄소를 감소시킬 수 있다. 배출량 감소 목표 정책, 신재생 에너지의 사용 증가와 에너지 효율(Efficient energy use)을 높이는 것도 포함한다. 이 연구들은 미래의 많은 배출량 감소 예측을 보여주고 있다.
낮은 범위 내에서 지구 온난화를 제한하기 위해 IPCC가 발표한 "정책 결정자들을 위한 요약 보고서"에서 전체 보고서에 설명한 큰 여러 가지 시나리오 중 하나를 설명하며 온실 기체 배출 제한 정책을 채택할 필요가 있다고 말했다. 이 각 연도가 지나면서 배출량의 증가를 막는 것은 점점 어려워질 것이고, 원하는 온실 기체 농도를 맞추기 위해 몇 년 후에는 더욱 과감한 정책을 해야 한다고 말했다. 2010년 에너지 관련 이산화탄소 배출량은 2008년 기록된 역사적으로 기록된 배출량 중 가장 높았다.
심지어, 가장 낙관적인 시나리오에서도 앞으로 수년 동안 화석 연료를 이용하는 것 때문에 천연 가스 또는 석탄 발전소에서 발생된 이산화탄소를 지하에 이산화탄소 포집 및 저장(carbon capture and storage)해야 한다고 발표했다.

적응

다른 정책적 대응으로는 기후 변화에 대한 적응이 있다. 기후 변화에 대한 대응을 정부의 개입 없이 기후 변화 등이나 자연에 기대하여 계획하는 것이다. 적응 계획은 이미 제한적으로 발생하고 있다. 장벽, 한계, 미래 적응 비용 등은 아직 완전히 이해되지 않았다.
적응에 관한 개념은 적응능력(adaptive capacity)으로서 이는 기후 변화(극단적 변화 포함)에 적응하는 시스템 기능(인간의 자연 관리)를 활용하거나 결과에 대처하여 잠재적인 손실을 막는다는 개념이다. 완화되지 않은 기후 변화(즉, 온실 가스 제한 노력 없이 찾아온 미래 기후 변화)가 장기적으로 나타날 때, 자연 관리 및 인간 시스템의 적응도는 한계를 초과할 것이다.
환경단체들과 공인들은 기후 변화와 그것이 수반해온 위험들을 강조하면서, 인프라 요구와 배출 감축의 변화에 대한 적응을 촉진했다.[229]
적응은 개발도상국에서 지구 온난화의 영향을 겪을 것으로 예상되기 때문에  특히 중요하다.[230] 즉, 인간이 적응하는 능력과 잠재력(적응 능력이라 부름)은 다른 지역과 인구를 건너서 평탄하지 않게 분배된다. 그리고 개발도상국들은 일반적으로 적은 적응력을 가지고 있다.[231]

지구공학

기후를 의도적으로 바꾸는 지구공학은 미국 항공우주국 과 왕립 학회 에서 지구 온난화에 대처할 수 있는 방안 중 하나로 소개되었다. 이 연구 기법 중 하나로는 태양 복사율 관리(solar radiation management)와 이산화탄소 제거(carbon dioxide removal) 등의 방식이 연구되고 있다. 이 연구들은 아직 초기 단계이며 더 큰 규모의 방식으로 적용하지 않고 있는 상태이다. 
2014 년의 한 연구는 가장 일반적인 기후 공학 방법을 조사한 결과 비효율적이거나 잠재적으로 심각한 부작용을 가지고 있으며 급격한 기후 변화를 일으키지 않고 중단 할 수 없다고 결론을 내렸습니다.

온실가스 제한

지구 온난화는 온실가스의 증가로 인하여 생겨난 현상이므로 근본적으로 지구 온난화를 막기 위해 이산화탄소 등의 온실가스를 제거 또는 억제하는 것을 통해 해결하려는 방법이 있다. 현재 알려진 방법은 친환경 연료 개발(바이오디젤 등) 이나 나무 심기 등이 있는데, 최근에는 독일에서는 해조류 번식을 통한 지구 온난화 해결을 도모하려는 방법도 있다. 또, 우주상에 태양열 반사판을 띄워 태양열 막기(우주 거울), 이산화탄소 해저 매장 등 다양한 새로운 방법들이 나오고 있다. 그러나 생태계 파괴 우려 나 엄청난 비용 등 문제점이 많아 실제 보편화된 것은 거의 없다.

국제 협약

국제적인 협약을 제정함으로써 지구 온난화 가속화를 막으려는 노력이 있다. 대표적인 노력으로서 교토 의정서(Kyoto Protocol)가 있다. 2007년에 인도네시아 발리 섬에서 열린 발리기후회의에서는 기후 변화를 막기 위한 명확한 목표 설정이 없다면 세계가 해수면 상승, 빙하 해빙, 가뭄, 기후 변화 등으로 인한 난민들의 이주로 곤란을 겪을 것이라고 경고하면서 국제 협약을 통한 적극적 노력을 촉구했다. 파리협정도 지구 온난화를 막기 위한 국제적인 노력 중 하나이다. 지구 평균온도 상승 폭을 산업화 이전 대비 2℃ 이하로 유지하고, 더 나아가 온도 상승 폭을 1.5℃ 이하로 제한하기 위해 함께 노력하기 위한 국제적인 약속이고, 각국은 온실가스 감축 목표를 스스로 정해 국제사회에 약속하고 이 목표를 실천해야 하며, 국제사회는 그 이행에 대해서 공동으로 검증하게 된다.
하지만 지구 온난화를 막기 위한 국제 협약 참여에 미진한 일부 국가들을 지적하기도 한다. 미국이 대표적인 예이다. 중화인민공화국의 경우에도 석탄 탄광 개발과 급속한 산림 파괴, 산업 개발로 이산화탄소 방출량 증가율이 세계 최고에 이르고 있지만 교토 의정서 기후변화협약에 서명 하지 않고 있다. 전문가들은 이들 국가의 입장 표명이 앞으로 열릴 유엔 환경장관 회의를 앞두고 대부분의 전문가들이 이들 국가의 참여가 '온난화를 극복하는 열쇠' 가 될 것이라고 예상하고 있다. 2007년에는 반기문 국제 연합 사무 총장이 미국과 중화인민공화국에 직접적으로 환경 문제에 대해 적극적인 참여를 요구했다.

지구 온난화의 관찰

기후 변화에 대해 어떻게 적절한 대책을 내세워야 한다는 것에는 여러 가지 의견이 존재한다. 이러한 시야 차이는 온실 기체 배출 제한 혜택 비용을 증가시키게 된다. 일반적으로, 기후 변화는 가난한 지역에 큰 피해와 위험을 주는 것처럼 보인다.

지구 온난화 논쟁

지구 온난화 논쟁은 지구 온난화의 원인과 결과에 대한 다양한 의미의 분쟁이며, 과학 문헌보다 매스 미디어에서 훨씬 강렬하게 보도되고 있다. 이 지구 온난화에 대한 논쟁이 증가하고 있는 이유는 지구 평균 기온이 특히 20세기 중반 이후 지구의 점차적인 온난화가 유례 없는 현상인지, 정상적인 기후 변화 내에 있는지, 이 온도 증가가 인간이 주도한 것인지 아닌지, 전체적으로 증가하는 것인지 부분적인 현상인지에 관해 크게 마찰을 빚고 있어서이다. 그 외 추가적인 논쟁을 겪고 있는 주제로는 기후 민감도에 관한 추정, 추가적인 온난화 예상, 지구 온난화의 결과 예측 등도 있다.
과학 문헌에서는, 지구 표면 온도의 최근 수십년 간 증가 추세는 주로 온실 기체의 인위적 배출에 의해 나타났다는 것에 대해 강력한 합의를 보고 있다. 국가 또는 국제적인 과학계의 입장은 이에 대해 동의하지 않는 입장이 없으며,(즉, 과학적인 입장은 이에 대해 완전 지지하고 있으며) 일부 단체만 이에 대해 애매한 입장을 고수하고 있다.
1990년부터 1997년까지 미국에서는 보수주의자들이 지구 온난화의 정당성 사회 문제로 끌어들여 훼손시키는 데 동원된다고 생각했다. 이들은 기후 변화를 부정하고 있다. 지구 온난화가 혜택이 있을 것이라고 주장하고 있으며, 현재의 해결 방안이 해를 끼칠 것이라고 주장하고 있다. 그러나 지구 온난화가 인위적인 요소가 아닌, 단순히 태양의 자연 활동에 의해 발생했다는 것을 주장하는 세력은 주로 탄소 배출량 규제 완화로 인해 큰 이윤을 볼 수 있는 기업들에 의해 지원을 받는 몇몇 소수 유사과학자들의 주장에 불과하며, 2000년대에 들어서 이런 주장은 사실상 신빙성이 없는 주장으로 인식되고 있다.