Par climat, on entend généralement le temps qu’il fait en moyenne ; le changement climatique et le temps sont donc étroitement liés. Des observations permettent de montrer que des changements météorologiques se sont produits et c’est grâce aux statistiques portant sur ces changements météorologiques dans le temps que l’on peut constater le changement climatique. Bien que le temps et le climat soient étroitement liés, ces deux notions sont très différentes. Une confusion apparaît fréquemment entre le temps et le climat lorsqu’on demande aux scientifiques comment ils peuvent prédire le climat qu’il fera dans 50 ans alors qu’ils sont incapables de prévoir le temps qu’il fera dans quelques semaines. La nature chaotique de la météo la rend imprévisible au-delà de quelques jours. Prévoir des changements climatiques (donc la météo moyenne à long terme) liés aux modifications des constituants atmosphériques ou à d’autres facteurs, représente un travail différent et beaucoup plus gérable. À titre de comparaison, s’il est impossible de prédire l’âge du décès d’un homme, on peut affirmer avec une confiance élevée que l’âge moyen de la mortalité masculine dans les pays industrialisés se situe vers 75 ans. On se trompe également souvent en supposant qu’un hiver froid, ou un site qui se refroidit localement, témoigne de l’absence de réchauffement planétaire. Il y a toujours des extrêmes de chaleur et de froid, bien qu’en fréquence et en intensité ils puissent varier en fonction des changements climatiques. Pourtant, lorsqu’on établit des moyennes météorologiques dans le temps et dans l’espace, les données qui en résultent montrent un net réchauffement au niveau planétaire.
Les météorologues s’investissent beaucoup dans l’observation, la compréhension et la prédiction de l’évolution des systèmes météorologiques au quotidien. En se basant sur les lois physiques qui régissent les mouvements atmosphériques, provoquant le chaud, le froid, la pluie, la neige et l’évaporation de l’eau, les météorologues sont capables de prévoir avec succès le temps qu’il fera au cours des prochains jours. L’un des principaux facteurs limitant les prévisions météorologiques à quelques jours est la dynamique fondamentale propre à l’atmosphère. Dans les années 1960, le météorologue Edward Lorenz a découvert qu’il suffisait d’infimes différences dans les conditions initiales pour aboutir à des prévisions totalement différentes. C’est ce qu’on appelle l’effet papillon : le battement d’ailes d’un papillon (ou tout autre phénomène de faible envergure) à un endroit donné peut, en théorie, avoir des conséquences considérables sur la météo dans un endroit éloigné. Au cœur de l’effet papillon se trouve la théorie du chaos, selon laquelle des modifications insignifiantes de certaines variables peuvent altérer de façon aléatoire des systèmes complexes.
Cependant la théorie du chaos n’implique pas une absence d’ordre totale. Par exemple, de légères différences dans les conditions de la formation d’un système dépressionnaire peuvent modifier le moment de son impact ou le tracé exact de son déplacement, sans que la température moyenne et les précipitations (donc le climat) dans cette région aient changé pendant cette période. L’un des problèmes des prévisions météorologiques est qu’il faudrait pouvoir disposer de tous les facteurs au début de la période des prévisions, en conséquence il serait plus judicieux de considérer le climat en termes de conditions préalables à la météo. Plus précisément, on peut dire du climat qu’il concerne l’ensemble du système terrestre : l’atmosphère, les terres, les océans, la neige, la glace, ainsi que les être vivants (voir figure 1), qui sont les éléments de base des structures météorologiques mondiales. Prenons pour exemple un phénomène El Niño qui affecterait le temps le long des côtes du Pérou. El Niño impose ses limites à l’évolution probable de structures météorologiques, élaborées sur la base d’effets aléatoires. La Niña imposerait des limites différentes.
Un autre exemple est celui du contraste familier entre l’été et l’hiver. La danse des saisons résulte des changements dans les structures géographiques de l’énergie absorbée et rejetée par le système terrestre. De même, la forme que prennent les projections des climats futurs est déterminée par les modifications radicales de l’énergie thermique dans le système terrestre et, en particulier, par l’intensité croissante des effets de serre qui emprisonnent la chaleur près de la surface de la Terre, intensité déterminée par la quantité de dioxyde de carbone et autres gaz à effet de serre atmosphériques. Prévoir les changements climatiques qui auront lieu dans 50 ans en raison des variations en matière de gaz à effet de serre représente une tâche bien différente et bien plus facile à accomplir que prédire le temps qu’il fera dans quelques semaines. Autrement dit, les variations à long terme dues à la modification des composants atmosphériques sont beaucoup plus prévisibles que des phénomènes météorologiques isolés. Ainsi, s’il nous est impossible de prédire sur quelle face retombera une pièce de monnaie ou un dé à jouer pour un lancer unique, sur plusieurs lancers, il est statistiquement possible d’en envisager les probabilités.
Parmi les nombreux facteurs qui continuent à influencer le climat, les scientifiques ont constaté la prédominance des activités humaines, qui sont les principales responsables du réchauffement observé au cours des 50 dernières années. Le changement climatique dû à des facteurs anthropiques résulte essentiellement des variations de la concentration des gaz à effet de serre dans l’atmosphère, mais aussi des modifications des petites particules (aérosols), et des changements dans l’affectation des terres, par exemple. La probabilité que tel ou tel événement météorologique se produise est influencée par le changement climatique. Par exemple, puisque la température moyenne de la Terre s’est élevée, certains phénomènes météorologiques ont crû en fréquence et en intensité (notamment les vagues de chaleur et les précipitations intenses), tandis que d’autres sont devenus plus rares et ont perdu en intensité (notamment les froids extrêmes).