Климат обычно определяют как среднюю погоду, и изменение климата как таковое и погода переплетены между собой. Наблюдения показывают, что имеют место изменения погоды, и именно статистика изменений погоды во времени позволяет выявить изменение климата. Хотя погода и климат тесно связаны, между ними есть и важные различия. Погоду и климат обычно путают, когда у ученых спрашивают, как им удается предсказать климат на 50 лет вперед, а погоду на несколько недель вперед предсказать они не могут. Хаотический характер погоды делает невозможным ее прогнозирование больше чем на несколько дней. Прогнозирование изменений климата (т.е. долговременной средней погоды) вследствие изменений в составе атмосферы или иных факторов – совершенно другая и более осуществимая задача. Проведем аналогию: невозможно предсказать возраст, в котором умрет тот или иной человек, однако можно с высокой степенью уверенности сказать, что средний возраст смерти мужчин в промышленно развитых странах – около 75 лет. Еще одно распространенное заблуждение в отношении этих вопросов – думать, что холодная зима или прохладное место на планете свидетельствует против глобального потепления. Всегда существуют экстремумы тепла и холода, хотя их частота и интенсивность изменяются по мере изменения климата. Если же погоду усреднить по пространству и времени, то из этих данных будет очевидно, что Земля нагревается.
Метеорологи прилагают колоссальные усилия для наблюдения, понимания и предсказания ежедневной эволюции погодных систем. Используя основанные на физике концепции, которые управляют тем, как атмосфера движется, нагревается, охлаждается, как идет дождь или снег, как испаряется вода, метеорологи обычно могут успешно предсказывать погоду на несколько дней вперед. Значительный ограничивающий фактор для предсказуемости погоды более чем на несколько дней состоит в присущем атмосфере динамическом свойстве. В 1960-е годы Эдвард Лоренц обнаружил, что очень незначительные различия в начальных условиях могут давать весьма разные результаты прогнозов.
Это – так называемый эффект бабочки: бабочка, машущая крыльями (или какое-либо иное незначительное явление), в одном месте, может, в принципе, изменить последующую погодную ситуацию в каком-то отдаленном месте. В основе этого эффекта лежит теория хаоса, изучающая вопрос о том, как незначительные изменения в определенных переменных могут вызывать очевидную случайность в сложных системах.
Тем не менее, теория хаоса не предполагает полного отсутствия порядка. Например, незначительное изменение условий на раннем этапе истории могут изменить день, в который придет шторм, или точную траекторию его следования, однако средняя температура и количество осадков (т.е. климат) в данном регионе и на данный период времени останутся практически прежними. Поскольку значительная проблема, стоящая перед синоптиками, состоит в том, чтобы знать все условия на начальный момент периода прогноза, может быть полезно думать о климате как о фоновых условиях для погоды. Говоря точнее, климат можно рассматривать как касающийся состояния всей системы Земли, включая атмосферу, сушу, океаны, снег, лед и живые существа (см. рис. 1), служащие глобальными фоновыми условиями, которые определяют синоптическую ситуацию. В качестве примера здесь можно было бы привести явление Эль-Ниньо, которое влияет на погоду в прибрежной части Перу. Эль-Ниньо устанавливает пределы для вероятной эволюции синоптической ситуации, которую могут вызвать случайные эффекты. Явление Ла-Нинья установило бы другие пределы.
Другой пример можно увидеть в знакомом контрасте между летом и зимой. Смена времен года обусловлена изменениями в географическом распределении энергии, поглощаемой и излучаемой системой Земли. Аналогичным образом, прогнозы
будущего климата формируются основополагающими изменениями в тепловой энергии системы Земли, в частности, возрастающей интенсивностью парникового эффекта, который удерживает тепло вблизи поверхности Земли, в зависимости от объема углекислого газа и других парниковых газов в атмосфере. Прогнозирование изменений климата вследствие изменений объема парниковых газов на 50 лет вперед – совсем другая и гораздо легче решаемая проблема, чем прогнозирование погоды на несколько недель. Иными словами, долгосрочные колебания, вызванные изменениями в составе атмосферы, предсказать гораздо легче, нежели отдельные погодные явления. Пример: мы не можем предсказать результат одного бросания монеты или кости, но можем предсказать статистическое поведение большого количества таких попыток.
Хотя влиять на климат продолжает много факторов, ученые определили, что доминирующей силой стала деятельность человека, которая является основной причиной потепления, наблюдаемого за последние 50 лет. Антропогенное изменение климата стало результатом, главным образом, изменений объемов парниковых газов в атмосфере, а также изменений содержания мелких частиц (аэрозолей) или, например, изменений в землепользовании. По мере изменения климата вероятность определенных типов метеорологических влений также изменяется. Например, по мере повышения средней температуры Земли некоторые метеорологические явления участились и стали более сильными (например, волны тепла и сильные ливни), тогда как частота и интенсивность других (например, крайне холодных периодов) уменьшилась.