Il très improbable que le réchauffement du XXe siècle puisse s’expliquer par des causes naturelles. Les dernières années du XXe siècle ont été anormalement chaudes. La reconstitution du paléoclimat indique que la seconde moitié du XXe siècle a probablement été la période la plus chaude dans l’hémisphère Nord depuis 1 300 ans. Si la réponse à un accroissement de gaz à effet de serre aussi rapide que celui qui s’est produit au siècle passé est scientifiquement cohérente, elle cesse de l’être si l’on considère le réchauffement en termes des facteurs naturels externes seuls, comme la variabilité du rayonnement solaire et l’activité volcanique. Les modèles climatiques sont des outils appropriés pour étudier les divers facteurs agissant sur le climat de la Terre. Lorsque les modèles incluent les effets de l’augmentation de gaz à effet de serre ainsi que les facteurs naturels externes, ils simulent correctement le réchauffement du siècle passé. Les modèles n’arrivent pas à reproduire le réchauffement observé à partir des seuls facteurs naturels. En y incluant les facteurs humains, les modèles simulent en plus une représentation géographique des variations thermiques sur la planète, qui reproduit celles des récentes décennies. Cette représentation géographique, comprenant des aspects tels que le réchauffement accru à des latitudes élevées au nord, diffère des structures les plus importantes de variabilité climatique naturelle, associées à des mécanismes climatiques internes comme El Niño.
Les variations du climat de la Terre dans le temps ont été provoquées par des mécanismes internes naturels, comme El Niño, ainsi que par des modifications des influences externes. Ces influences externes peuvent être soit d’origine naturelle (activité volcanique et variations du rayonnement solaire), soit d’origine humaine (émissions de gaz à effet de serre, aérosols d’origine anthropique, appauvrissement de la couche d’ozone et changements d’affectation des terres). Le rôle des mécanismes naturels internes peut être évalué par l’étude des variations climatiques observées et au moyen de modèles climatiques, sans modification des facteurs externes qui affectent le climat. L’impact des facteurs externes peut être évalué grâce à des modèles dans lesquels ces facteurs auraient été modifiés, et grâce à la compréhension physique des mécanismes impliqués. Les effets combinés de la variabilité naturelle interne et des facteurs naturels externes peuvent également être évalués à partir des données climatiques recueillies dans les anneaux de croissance des arbres, les carottes de glace et autres types de « thermomètres » naturels, antérieurs à l’ère industrielle.
L’activité volcanique et les variations du rayonnement solaire font partie des facteurs naturels externes qui affectent le climat. Les éruptions volcaniques explosives propulsent de temps à autre de grandes quantités de poussières et d’aérosols sulfatés dans les hautes couches de l’atmosphère, obscurcissant temporairement la Terre et réfléchissant les rayons du soleil vers l’espace. L’activité solaire suit un cycle de 11 ans et peut aussi être sujette à des variations de plus longue durée. Au cours des cent dernières années, les activités humaines, notamment la combustion de combustibles fossiles, ont provoqué une augmentation rapide de dioxyde de carbone et d’autres gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Avant l’ère industrielle, la concentration de ces gaz était restée quasi stable des milliers d’années durant. Les activités humaines ont également contribué à l’augmentation dans l’atmosphère de fines particules réfléchissantes, les aérosols, notamment dans les années 1950 et 1960.
Bien que des mécanismes climatiques naturels internes, comme El Niño, puissent provoquer des variations dans la température globale moyenne pendant des périodes relativement courtes, les analyses indiquent que les variations actuelles sont en grande partie dues à des facteurs externes. De brèves périodes de refroidissement mondial ont suivi les éruptions volcaniques violentes, comme celle du Mont Pinatubo en 1991. Le début du XXe siècle a connu une hausse de la température moyenne mondiale, et les concentrations de gaz de serre ont commencé à croître, le rayonnement solaire a probablement augmenté, tandis que l’activité volcanique est restée faible. Au cours des années 1950 et 1960, la température moyenne mondiale s’est stabilisée, l’accroissement d’aérosols provenant de combustibles fossiles et d’autres sources ayant refroidi la planète. L’éruption du Mont Agung en 1963 a également projeté de grandes quantités de poussières réfléchissantes dans les hautes couches de l’atmosphère. Le réchauffement accéléré, observé depuis les années 1970, s’est produit à une période où l’augmentation des gaz à effet de serre est le facteur prédominant.
De nombreuses expériences ont été réalisées au moyen de modèles climatiques pour déterminer les causes probables du réchauffement climatique du XXe siècle. Ces expériences montrent que le réchauffement rapide observé au cours des quelques dernières décennies ne peut être reproduit par les modèles qui ne tiennent compte que des variations du rayonnement solaire et de l’activité volcanique. Cependant, comme le montre la figure 1, les modèles sont capables de simuler l’évolution des températures observée au XXe siècle lorsqu’on y inclut tous les facteurs externes les plus importants, y compris les gaz à effet de serre anthropiques et autres facteurs naturels externes. Les réactions à ces facteurs externes, telles qu’estimées par les modèles, se retrouvent dans le climat du XXe siècle dans le monde entier et dans chaque continent pris individuellement, à l’exception de l’Antarctique, où les observations sont insuffisantes. L’influence humaine sur le climat est très probablement la cause dominante des changements survenus dans les températures moyennes à la surface du globe durant le demi-siècle passé.
La connaissance incomplète de certains facteurs externes, comme les aérosols d’origine anthropique, représente également une source d’incertitude. De plus, les modèles climatiques eux-mêmes sont imparfaits. Néanmoins, tous les modèles simulent un canevas de réponses aux augmentations de gaz à effet de serre d’origine humaine semblable à celui des changements tels qu’ils ont été observés. Dans ce canevas le réchauffement des terres est supérieur à celui des océans. Cette structure de changements, qui diffère des principales structures de variations des températures liées à la variabilité naturelle interne (El Niño), permet de distinguer les réactions aux gaz à effet de serre des réactions aux facteurs naturels externes. Modèles et observations montrent un réchauffement des couches inférieures de l’atmosphère (la troposphère) et un refroidissement de la stratosphère. C’est une autre « empreinte » de l’évolution qui témoigne de l’influence humaine sur le climat. Si, par exemple, une activité solaire plus intense avait été à l’origine du récent réchauffement climatique, la troposphère et la stratosphère auraient, elles aussi, été touchées par ce réchauffement. De plus, les différences dans la durée des influences externes d’origine humaine et naturelle permettent de distinguer les diverses réactions du climat à ces facteurs. On peut raisonnablement en déduire que le facteur prédominant du réchauffement mondial observé depuis les 50 dernières années est d’origine anthropique et non naturelle.
Les estimations portant sur les températures dans l’hémisphère Nord au cours du dernier millénaire, voire des deux derniers, basées sur les « thermomètres » naturels, tels que les anneaux de croissance des arbres qui varient en densité et en largeur en fonction de la température, ainsi que les archives météorologiques, prouvent que le réchauffement du XXe siècle ne peut être expliqué uniquement par la variabilité naturelle interne et les facteurs naturels externes de forçage. La fiabilité de ces estimations est renforcée du fait que la plupart des variations des moyennes de la température dans l’hémisphère Nord avant l’ère industrielle peuvent s’expliquer par des refroidissements épisodiques ayant pour cause de fortes éruptions volcaniques et des changements dans le rayonnement solaire. La variation résiduelle correspond généralement à la variabilité simulée par les modèles climatiques en l’absence de facteurs externes naturels et d’origine humaine. Bien que les estimations des températures du passé ne soient pas parfaitement certaines, elles n’en n’indiquent pas moins que la seconde moitié du XXe siècle a été le demi-siècle le plus chaud depuis 1 300 ans. La variabilité climatique estimée due à des facteurs naturels est faible par rapport à l’intense réchauffement du XXe siècle.