Очень маловероятно, что потепление ХХ века можно объяснить естественными причинами. Конец ХХ века был необычно теплым. Палеоклиматические реконструкции показывают, что вторая половина ХХ века была, вероятно, самым теплым 50-летним периодом в северном полушарии за последние 1300 лет. Такое быстрое потепление соответствует научному пониманию того, как климат должен реагировать на быстрый рост концентрации парниковых газов – такой, как наблюдался в прошлом столетии; это потепление противоречит научному пониманию того, как климат должен реагировать на естественные внешние факторы, такие как изменчивость потока солнечного излучения и вулканическая активность. Модели климата дают надлежащий инструмент для изучения различных влияний на климат Земли. Если в модели включаются эффекты повышения концентрации парниковых газов, а также естественные внешние факторы, то эти модели дают хорошую имитацию потепления, имевшего место в прошлом столетии. Если же использовать только естественные факторы, то модели не воспроизводят наблюдаемое потепление. Если включить человеческие факторы, то модели имитируют и географический профиль изменения температуры по всей планете, подобного тому, которое имело место в последние десятилетия. Этот пространственный профиль, среди особенностей которого – большее потепление на высоких северных широтах, отличается от самых важных профилей естественной изменчивости, связанных со внутренними климатическими процессами, такими как Эль-Ниньо.
Колебания в климате Земли вызываются естественными внутренними процессами, такими как Эль-Ниньо, а также изменениями во внешних воздействиях. Эти внешние воздействия могут быть естественными по характеру, например, вулканическая активность и колебания потока солнечного излучения, или вызываться деятельностью человека, например, выбросами парниковых газов, искусственными аэрозолями, истощением озона и изменениями в землепользовании. Роль естественных внутренних процессов можно оценить, изучая наблюдаемые колебания климата и используя модели климата без изменения внешних факторов, влияющих на климат. Эффект внешних воздействий можно оценить с помощью моделей путем изменения этих факторов и применения физического понимания происходящих процессов. Общие эффекты естественной внутренней изменчивости и естественных внешних факторов можно оценить и по климатической информации, отраженной в годичных кольцах деревьев, кернах льда и других видах естественных «термометров» до индустриальной эпохи.
Естественные внешние факторы, влияющие на климат, включают вулканическую активность и колебания потока солнечного излучения. При взрывных извержениях вулканов высоко в атмосферу иногда выбрасываются большие количества пыли и сульфатный аэрозоль, временно экранируя Землю и отражая солнечный свет обратно в космос. Солнечное излучение имеет 11-летний цикл и может также иметь более долговременные колебания. Деятельность человека за последние 100 лет, особенно сжигание ископаемых видов топлива, вызвала быстрый рост содержания углекислого газа и других парниковых газов в атмосфере. До индустриальной эпохи концентрации этих газов тысячи лет были почти стабильными. Деятельность человека также вызвала повышение концентрации в атмосфере мелких отражающих частиц, или «аэрозолей», особенно в 1950-1960-е годы.
Хотя естественные внутренние климатические процессы, такие как Эль-Ниньо, и могут вызывать колебания глобальной средней температуры на относительно короткие периоды, анализ показывает, что в значительной мере это вызвано внешними факторами. Короткие периоды глобального похолодания следовали за крупными извержениями вулканов, например, вулкана Пинатубо в 1991 году. В начале 20 века средняя глобальная температура повысилась, и в этот период концентрации парниковых газов начали расти, солнечная радиация, вероятно, увеличилась, а вулканическая активность была низкой. В 1950-1960-е годы средние глобальные температуры выровнялись, так как повышение выбросов аэрозолей при сжигании ископаемых видов топлив и других источников охладило планету. Извержение вулкана Агунг в 1963 году также привело к выбросу больших количеств отражающей пыли в верхние слои атмосферы. Быстрое потепление, наблюдаемое с 1970-х годов, наступило в период, когда над всеми остальными факторами доминировало повышение содержания парниковых газов.
Для определения вероятных причин изменения климата в ХХ веке были проведены многочисленные эксперименты с использованием моделей климата. Эти эксперименты показывают, что модели не могут воспроизвести быстрое потепление, наблюдаемое в последние десятилетия, если они учитывают только колебания солнечного излучения и вулканической активности. Однако, как показано на рис.1, модели способны имитировать наблюдаемые в ХХ веке изменения температуры, если они включают все важнейшие внешние факторы, в том числе влияние человека, например, парниковые газы, и естественные внешние факторы. Оцениваемые по моделям реакции на эти внешние факторы можно обнаружить в климате ХХ века на всей планете в целом и на каждом отдельном континенте, кроме Антарктиды, где объем наблюдений недостаточный. Весьма вероятно, что влияние человека на климат преобладает над всеми остальными причинами изменения глобальной средней поверхностной температуры за последние полвека.
Важный источник неопределенности – неполные знания некоторых внешних факторов, таких как искусственные аэрозоли. Кроме того, сами модели климата несовершенны. Тем не менее, все модели имитируют структуру реакции на повышение концентрации парниковых газов вследствие
деятельности человека, аналогичной наблюдаемому характеру изменений. Этот профиль предполагает большую степень потепления над сушей, чем над океанами. Этот характер изменений, который отличается от основных профилей изменения температуры, связанных с естественной внутренней изменчивостью (например, с Эль-Ниньо), помогает отличить реакцию на парниковые газы от реакции на естественные внешние факторы. Модели и наблюдения также показывают потепление в нижних слоях атмосферы (тропосфере) и похолодание в более высоких слоях до самой стратосферы. Это еще один «отпечаток пальцев» изменения, который обнаруживает последствия влияния человека на климат. Если бы, к примеру, недавнее потепление было вызвано ростом солнечной активности, то нагрелись бы и тропосфера, и стратосфера. Кроме того, разница во временных параметрах влияния человека и естественных внешних воздействий помогают различить реакции климата на эти факторы. Такие соображения повышают уверенность в том, что преобладающей причиной глобального потепления, наблюдаемого в последние 50 лет, были именно человеческие, а не естественные факторы.
Оценки температур в северном полушарии за последние одно-два тысячелетия, основанные на природных «термометрах», таких как годичные кольца, которые изменяются по ширине или плотности по мере изменения температуры, а также архивные метеосводки, дают дополнительное свидетельство того, что потепление в ХХ веке нельзя объяснить только естественной внутренней изменчивостью и естественными внешними воздействиями. Достоверность этих оценок повышается, потому что до индустриальной эпохи колебания, которые они показывают в средней температуре в северном полушарии, в значительной мере можно объяснить эпизодическим похолоданием, вызванным крупными извержениями вулканов и вариациями солнечного излучения. Остальная часть изменений в общем согласуется с изменчивостью, демонстрируемой моделями климата в отсутствие естественных и техногенных внешних факторов. Хотя в оценках температур за прошлые периоды есть неопределенность, они показывают, что, вероятно, вторая половина ХХ века была самым теплым 50-летним периодом за последние 1300 лет. Оценка изменчивости климата, вызванной естественными факторами, мала по сравнению с сильным потеплением в ХХ веке.