기후계
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1. 개요
기후계는 지구의 대기권, 수권, 암석권, 빙하권, 생물권이 상호작용하는 시스템이다. 대기 순환, 물의 순환, 열염순환, 탄소 순환 등 다양한 요소들이 기후의 특징을 결정하며, 이러한 권역들은 서로 영향을 주고받는다. 기후계는 자연적 요인과 인위적 요인에 의해 끊임없이 변화하며, 특히 산업 혁명 이후 인간 활동으로 인한 지구 온난화 현상이 두드러지고 있다.
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| 기후계 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 기후계는 지구의 기후를 결정하는 다양한 상호작용을 포함하는 복잡한 시스템이다. |
| 구성 요소 | 대기권 수권 (바다, 호수, 강 등) 빙권 (빙하, 눈, 해빙) 지권 (지표면, 토양, 암석) 생물권 (생물) |
| 기후계의 상호작용 | |
| 에너지원 | 태양 복사: 지구 기후 시스템의 주요 에너지원 |
| 대기-해양 상호작용 | 해류: 열을 재분배하고 전 세계 기후 패턴에 영향을 미친다. 엘니뇨-남방진동 (ENSO): 태평양의 해수면 온도 변화로 전 세계 기후에 광범위한 영향을 미친다. |
| 대기-지표면 상호작용 | 증발산: 지표면에서 대기로 수분을 전달하여 대기 습도와 강수 패턴에 영향을 미친다. 알베도: 지표면의 반사율은 흡수되는 태양 에너지의 양에 영향을 미친다. |
| 대기-빙권 상호작용 | 빙하 알베도 효과: 빙하가 녹으면 알베도가 감소하여 더 많은 태양 에너지를 흡수하고 온난화를 가속화한다. |
| 대기-생물권 상호작용 | 광합성: 식물은 대기에서 이산화탄소를 흡수하여 기후를 조절하는 데 도움을 준다. 삼림 벌채: 숲이 파괴되면 대기 중 이산화탄소 농도가 증가하여 온실 효과를 강화한다. |
| 기후 변화 요인 | |
| 자연적 요인 | 화산 활동: 화산재와 에어로졸은 태양 복사를 반사하여 일시적인 냉각 효과를 일으킨다. 태양 활동 변화: 태양 복사량의 작은 변화도 지구 기후에 영향을 미칠 수 있다. 지구 궤도 변화: 밀란코비치 주기는 지구의 기후 패턴에 장기적인 영향을 미친다. |
| 인위적 요인 | 온실 가스 배출: 화석 연료 연소와 삼림 벌채는 대기 중 온실 가스 농도를 증가시켜 지구 온난화를 유발한다. 에어로졸: 산업 활동에서 배출되는 에어로졸은 태양 복사를 반사하거나 구름 형성에 영향을 미쳐 기후에 복잡한 영향을 미친다. |
| 기후 모델 | |
| 정의 | 기후 모델은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 기후 시스템의 상호작용을 이해하고 미래 기후 변화를 예측한다. |
| 종류 | 대기-해양 결합 모델 (AOGCMs): 대기와 해양의 상호작용을 고려하는 복잡한 모델 지구 시스템 모델 (ESMs): 생물권, 빙권 등 추가적인 지구 시스템 구성 요소를 포함하는 더욱 포괄적인 모델 |
2. 기후계의 구성 요소
기후계는 상호 작용하는 대기권, 수권, 암석권, 빙하권, 생물권의 다섯 권역으로 이루어져 있다.[4]
물 순환은 기후 시스템을 통한 물의 이동으로, 강수량 패턴을 결정할 뿐만 아니라 기후 시스템 전체의 에너지 이동에도 영향을 미친다.
수권은 지구상의 모든 액체 물을 포함하며, 그 대부분은 세계의 대양에 포함되어 있다. 대양은 지구 표면의 71%를 차지하며 평균 깊이는 약 4km이고, 해양 열 함량은 대기에서 유지되는 열보다 훨씬 크다.[5] 대양은 평균 약 3.5%의 염분을 가진 해수를 포함하지만, 이는 공간적으로 다양하다. 기수는 강어귀와 일부 호수에서 발견되며, 모든 물의 2.5%인 대부분의 담수는 얼음과 눈 속에 보관된다.
지각, 특히 산과 계곡은 지구의 바람 패턴을 형성한다. 광대한 산맥은 바람에 대한 장벽을 형성하고 비가 내리는 곳과 양에 영향을 미친다. 탁 트인 대양에 더 가까운 육지는 대양에서 더 멀리 떨어진 육지보다 더 온화한 기후를 갖는다. 기후 모델을 기후 모델링할 때, 육지는 기후 시스템을 구성하는 다른 요소에 비해 매우 느리게 변화하므로 종종 정적인 것으로 간주된다. 대륙의 위치는 대양의 기하학을 결정하므로 해양 순환 패턴에 영향을 미친다. 바다의 위치는 전 세계의 열과 습기의 이동을 제어하는 데 중요하며, 따라서 지구 기후를 결정하는 데 중요하다.
생물권 또한 나머지 기후 시스템과 상호 작용한다. 식생은 종종 그 아래 토양보다 더 어둡거나 밝아, 식생이 있는 지역에 더 많은 또는 적은 태양열이 갇히게 된다. 식생은 물을 가두는 데 뛰어나며, 물은 뿌리에 의해 흡수된다. 식생이 없으면 이 물은 가장 가까운 강이나 다른 수역으로 흘러갈 것이다. 대신 식물이 흡수한 물은 증발하여 물 순환에 기여한다. 강수량과 기온은 다양한 식생 지대의 분포에 영향을 미친다. 작은 식물성 플랑크톤의 성장에 의한 해수로부터의 탄소 동화는 대기에서 육상 식물의 탄소 동화와 거의 같다. 인간은 기술적으로 생물권의 일부이지만, 지구에 미치는 인간의 큰 영향 때문에 종종 지구의 기후 시스템의 별도 구성 요소인 인간 사회권으로 취급된다.
2. 1. 대기권
지구 대기권은 주로 질소(78%), 산소(21%), 아르곤(0.9%) 등의 기체로 구성되어 있다.[21] 고도에 따라 대류권, 성층권, 열권 등으로 나뉘며, 이 가운데 대류권이 기후에 가장 큰 영향을 미친다. 최근 대류권 두께가 점차 증가하는 현상이 관측되면서, 이것이 기후계에 어떤 영향을 줄지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.[22]대류권은 수권과 상호작용하며 수증기를 교환하고, 구름과 비를 생성하여 물의 순환을 일으킨다. 이러한 물의 순환은 생물권에 직접적인 영향을 미칠 뿐만 아니라, 고지대와 극지방에 빙하권을 형성하고 지하수가 되어 암석권에도 영향을 준다.[23] 또한, 수증기와 이산화 탄소 같은 대기 중 미량 기체는 온실 기체로 작용하여 지구 표면 온도를 높이는 데 중요한 역할을 한다.
2. 2. 수권
지구의 물은 대부분 바다에 모여 있어 전체 수권의 97.2%를 차지한다. 나머지 2.15%는 빙하, 0.62%는 지하수이고 지표를 흐르는 강이나 호수 등은 0.03%에 불과하다.[24] 수권이 다른 여러 권역에 영향을 주는 물의 순환은 기후 형성과 생태계 유지에 절대적인 영향을 준다.
2. 3. 빙하권
빙하는 수권의 일부이지만 지구의 반사율에 영향을 주어 기후계의 독자적인 요소로 작용한다. 지구 온난화로 빙하의 크기가 줄어들면 반사율이 적어져 태양 에너지가 지구에 갇히는 현상이 일어난다. 이 때문에 극지방의 얼음이 사라지면 기후 변화가 가속화된다.[25]최근 북극해의 빙하는 여름철에 크게 줄었다가 겨울에 다시 생성되고 있다. 1979년부터 2016년까지 여름철인 9월의 북극해 빙하 크기는 매년 13%가량 줄어들고 있다. 기후 변화에 관한 정부간 협의체는 2021년 보고서에서 2050년이 오기 전에 북극해의 빙하가 모두 녹는 일이 벌어질 것으로 내다봤다.[26] 남극의 빙하 역시 빠르게 줄어들고 있어 기후 변화 가속화의 원인이 되고 있다.[27]
빙권은 물이 고체 상태인 기후 시스템의 모든 부분을 포함한다. 여기에는 해빙, 빙상, 영구 동토 및 적설이 포함된다. 북반구에 남반구보다 육지가 더 많기 때문에 해당 반구의 더 넓은 부분이 눈으로 덮여 있다. 두 반구 모두 해빙의 양이 거의 같다. 대부분의 냉동수는 그린란드와 남극의 빙상에 포함되어 있으며, 높이는 평균 약 2km이다. 이 빙상은 천천히 가장자리로 흘러간다.
2. 4. 암석권
지구의 암석은 내핵과 외핵, 맨틀, 지각으로 이루어져 있다. 이 가운데 기후계에 큰 영향을 미치는 것은 판 구조 운동을 하는 맨틀과 지각이다. 여러 개의 판으로 이루어진 지각은 맨틀의 대류에 의해 계속하여 생성되고 침강하면서 이동하고 있다. 지각의 이동은 1년에 몇 센티미터 정도여서[28] 짧은 기간에 기후계에 영향을 미치는 정도는 적지만, 이 과정에서 발생하는 화산 활동은 화산재를 성층권까지 뿜어내며 기후에 영향을 미친다. 또한 수백만 년 정도가 지나면 지각 위에 놓인 대륙이 이동하여 해당 지역의 위도가 변하게 되고 이에 따라 지역의 기후 역시 달라지게 된다.[29]대륙 이동에 의한 기후 변화의 단적인 사례는 남극이다. 남극은 1천4백만 년 전 중위도 지역에 있으면서 툰드라 기후를 보였으나 극 지역으로 이동하여 현재의 기후가 되었다.[30]
2. 5. 생물권
지구의 거의 모든 지역에 생물이 살고 있다. 생물의 여러 종들은 생태계를 구성하여 자연 환경과 상호 작용하면서 스스로 기후에 영향을 미치는 요소로 작용하여 왔다. 대표적인 사례로 지구 대기의 성분 변화를 들 수 있다. 원시 지구 대기에는 산소가 없었으나 광합성하는 생물의 등장 이후 산소를 포함하게 되었다. 또한 이렇게 만들어진 산소는 물 속에도 녹아들어 산소 호흡을 하는 수많은 생물들이 살 수 있는 환경이 되었다.[31] 산소 형성의 주인공은 주로 고원생대의 남조류로 이들의 사체는 두터운 흑연 층을 형성하였고 이후 습곡 산맥 형성에도 기여하였다. 다른 암석에 비해 흑연은 마찰율이 적기 때문이다.[32] 높은 습곡 산맥은 자체적으로 고산 기후를 형성할 뿐만 아니라 대기의 이동에 영향을 주어 독특한 기후를 만든다.
식물의 성장은 구름의 형성과 지표 반사율에 영향을 주어 기후를 변화시킨다. 2017년 미국 컬럼비아대 지구 및 환경공학과 피에르 젠틴 교수팀은 식물계가 기후에 미치는 영향을 전체 요소의 30%로 평가하였다.[33]
3. 기후계의 상호 작용
기후계를 이루는 권역들은 서로 영향을 주며 기후의 특징을 결정한다. 특히 대기 순환, 물의 순환은 기후의 특징을 결정하며, 해양의 열염순환 역시 기후에 영향을 미친다. 탄소의 순환은 자연적 요소에 의한 순환에 인간의 활동에 의한 이산화탄소 배출이 더해져 기후 변화에 큰 영향을 주고 있다.
기후계는 태양으로부터 에너지를 받으며, 지구의 핵과 달의 조석 에너지로부터는 훨씬 적은 양을 받는다. 지구는 외부 우주로 두 가지 형태로 에너지를 방출하는데, 하나는 태양 복사의 일부를 직접 반사하는 것이고, 다른 하나는 흑체 복사로서 적외선 복사를 방출하는 것이다. 들어오고 나가는 에너지의 균형과 기후계를 통과하는 에너지의 흐름은 지구 에너지 예산을 결정한다. 들어오는 에너지의 총량이 나가는 에너지보다 많으면, 지구 에너지 불균형이 양수가 되어 기후계가 따뜻해진다. 더 많은 에너지가 나갈 경우, 에너지 불균형은 음수가 되어 지구는 냉각을 경험한다.[45]
극지방보다 열대 지방에 더 많은 에너지가 도달하며, 그에 따른 온도 차이는 대기 순환과 해양 순환의 지구적 순환을 유발한다.[46] 공기는 따뜻해지면 상승하고, 극쪽으로 흘러가 냉각되면 다시 가라앉아 적도로 돌아온다.[47] 각운동량 보존으로 인해, 지구 자전은 북반구에서는 공기를 오른쪽으로, 남반구에서는 왼쪽으로 꺾어 서로 다른 대기 세포를 형성한다. 열대 지방에서 주로 발생하는 바람과 강수량의 계절적 변화인 몬순은 육지가 해양보다 더 쉽게 가열된다는 사실 때문에 형성된다. 온도 차이는 육지와 해양 사이의 압력 차이를 유발하여 일정한 바람을 발생시킨다.
염분 함량이 높은 해수는 밀도가 높으며, 밀도 차이는 해양 순환에서 중요한 역할을 한다. 열염분 순환은 열대 지방에서 극지방으로 열을 수송한다. 해양 순환은 바람과의 상호 작용에 의해 더욱 촉진된다. 염분 성분은 또한 녹는점에 영향을 미친다. 수직 운동은 용승이라는 과정을 통해 더 차가운 물을 표면으로 끌어올려 그 위의 공기를 냉각시킬 수 있다.
물의 순환은 물이 지구 표면과 대기 사이에서 끊임없이 이동하는 것을 설명한다. 식물은 증발산하고 햇빛은 바다와 다른 수역에서 물을 증발시켜 소금과 다른 미네랄을 남긴다. 증발된 담수는 나중에 표면으로 다시 비로 내린다. 강수량과 증발량은 전 세계에 고르게 분포되지 않으며, 열대 지방과 같은 일부 지역은 증발량보다 강수량이 더 많고 다른 지역은 강수량보다 증발량이 더 많다. 물의 증발에는 상당한 양의 에너지가 필요하며, 응축 동안 많은 열이 방출된다. 이 ''잠열''은 대기의 주요 에너지원이다.[6]
질소 순환은 활성 질소의 흐름을 설명한다. 대기 중의 질소는 비활성이므로 미생물이 먼저 질소 고정이라는 과정을 통해 활성 질소 화합물로 변환해야 생물권에서 구성 요소로 사용할 수 있다. 인간의 활동은 질소 순환과 탄소 순환에서 중요한 역할을 한다. 비료 사용은 사용 가능한 고정 질소의 양을 크게 증가시켰으며, 화석 연료의 연소는 탄소를 암석권에서 대기로 이동시켰다.
3. 1. 대기 순환
지구의 대기권은 위도에 따른 온도 차이와 지구의 자전에 영향을 받아 순환한다. 대기 대류에 의한 상승과 하강은 대류층을 크게 세 가지로 나누는데, 남북위 60도 부근에서 극점까지의 극 순환(극 세포), 30도에서 60도까지의 페렐 순환(중위도 세포), 적도에서 30도까지의 해들리 순환(열대 세포)이 그것이다. 이 순환 세포들 사이에는 제트 기류가 형성된다. 극 순환과 페렐 순환 사이에는 극 제트 기류가, 페렐 순환과 해들리 순환 사이에는 아열대 제트 기류가 형성된다.[34]
해들리 순환과 극 순환은 더운 공기가 상승하고 차가운 공기가 하강하는 직접 순환인 반면, 이 둘 사이에 있는 페렐 순환은 차가운 공기가 상승하고 더운 공기가 하강하는 간접 순환이다.[35] 해들리 순환과 페렐 순환이 만나는 위도 30도 부근은 아열대 고기압이 형성되어 비구름이 잘 만들어지지 않아 큰 사막이 발달한다. 대표적인 예로 아프리카의 사하라 사막과 오스트레일리아의 그레이트빅토리아 사막이 있다.[36]
대기 순환은 고기압과 저기압의 이동에 영향을 미쳐 날씨 변화 패턴을 만든다. 예를 들어 북반구 중위도에 위치한 대한민국은 서쪽의 중국에서 형성된 기상 현상이 편서풍을 타고 이동해 오는 영향을 받는다. 중국 북동부 건조 지대에서 발생한 황사는 발생 지역에 따라 하루에서 1주일 사이에 대한민국에 도착한다.[37]
3. 2. 물의 순환
물의 순환은 그 자체가 기후 구분의 대표적 지표이다. 쾨펜의 기후 구분은 강수와 온도를 기준으로 식생의 특징을 구분한 것이다.[19] 물은 지구의 형성 과정에서부터 존재하였으며 현재 이루어 지고 있는 화산 활동의 마그마에도 물이 포함되어 있다. 지구의 물은 바다를 형성하였고 전체 수권의 97.2%가 바다이다. 물의 표면에서 이루어지는 증발산에 의해 수증기가 대기권으로 이동하고 응결점 이하로 온도가 내려가면 응축하여 구름을 형성한다. 구름을 이루는 물 알갱이는 여러 요소의 영향을 받아 비가 되어 떨어진다. 이렇게 내린 비는 지표에 고여 호수가 되거나 경사를 타고 흐르며 강이 되고 지하로 스며들어 지하수가 된다. 강물과 지하수는 경사를 따라 흘러 다시 바다로 합류한다.[38]
수문 순환 또는 물 순환은 물이 지구 표면과 대기 사이에서 끊임없이 어떻게 이동하는지를 설명한다.[6] 식물은 증발산하고 햇빛은 바다와 다른 수역에서 물을 증발시켜 소금과 다른 미네랄을 남긴다. 증발된 담수는 나중에 표면으로 다시 비로 내린다. 강수량과 증발량은 전 세계에 고르게 분포되지 않으며, 열대 지방과 같은 일부 지역은 증발량보다 강수량이 더 많고 다른 지역은 강수량보다 증발량이 더 많다. 물의 증발에는 상당한 양의 에너지가 필요하며, 응축 동안 많은 열이 방출된다. 이 ''잠열''은 대기의 주요 에너지원이다.
3. 3. 열염순환
열염순환은 물의 순환의 일부이지만 해양의 대류를 포함하는 바닷물 내부의 순환으로서 기후계의 독립적인 요소로 작용한다. 극지에서 차가워져 심해로 하강한 심층수는 저위도 지역을 향해 움직이고 반대로 저위도 지역에서 데워져 올라온 표층수는 극지방으로 이동한다. 이러한 열염순환은 해양의 열교환을 통해 극지방과 저위도 지방의 과냉과 과열을 막아 평형을 유지하게 한다.[39]
최근 가속화되고 있는 지구 온난화는 극지방의 빙하를 녹여 바닷물의 밀도에 영향을 주어 열염순환을 방해하고 있다. 빙하의 민물이 섞인 바닷물은 염분의 농도가 낮아져 저위도 지역의 바닷물을 밀어내지 못하고 있다.[39]
3. 4. 탄소 순환
탄소 순환은 지구상의 생물권, 암석권, 수권, 기권 사이에서 일어나는 탄소의 생화학적인 순환을 말한다. 탄소는 산불, 화산 활동, 생물의 호흡과 같은 자연적인 원인과 인간의 산업 활동과 같은 인위적인 원인에 의해 대기 중으로 배출되며, 식물의 광합성을 통해 생물권으로 다시 회수된다.[40] 또한 대기와 해양 사이의 이산화탄소 균형을 통해 바닷물 속으로 녹아들어 간다.[41]수십억 년 동안 지구에는 소행성 충돌이나 마그마 분출과 같은 사건을 통해 이산화탄소가 배출되었고[42], 고원생대의 남조류나 석탄기의 양치류와 같은 생물들이 축적한 탄소는 지층 사이에 퇴적되었다.[43] 현재 해저와 지층으로 축적된 탄소의 양은 184경 5000조 톤으로 추정되고 있다.[42]
- -|]]|thumb|330x330px|탄소는 기후계의 여러 요소 사이에서 끊임없이 이동하며, 살아있는 생물에 의해 고정되고 해양과 대기를 통해 운반된다.]]
이산화탄소(CO₂|CO₂영어)나 메탄과 같은 탄소를 포함하는 기체는 대기 중에 매우 적은 양이 있지만, 온실 효과를 일으켜 기후 변화의 가장 큰 원인으로 지목된다. 탄소는 자연적인 원인으로도 다시 대기 중에 배출되지만, 산업혁명 이후 인간의 활동에 의한 탄소 배출은 지구 역사상 유례가 없는 양이다.[44]
빠른 탄소 순환에서 식물은 광합성을 통해 대기 중 이산화탄소를 흡수하며, 이는 나중에 살아있는 생물의 호흡을 통해 다시 배출된다. 느린 탄소 순환에서 화산은 탈기 작용을 통해 이산화탄소(CO₂|CO₂영어)를 방출하여 지구 지각과 맨틀에서 이산화탄소를 방출한다. 대기 중의 이산화탄소(CO₂|CO₂영어)는 비를 약간 산성으로 만들며, 이 비는 ''풍화 작용''을 통해 일부 암석을 천천히 용해시킨다. 이러한 방식으로 방출되어 바다로 운반된 미네랄은 생물체에 의해 사용되며, 이들의 잔해는 퇴적암을 형성하여 탄소를 다시 암석권으로 가져온다.[7]
인간의 활동은 탄소 순환에서 중요한 역할을 한다. 화석 연료의 연소는 탄소를 암석권에서 대기로 이동시켰다.
4. 기후계의 변화
기후계는 끊임없이 변화하며, 이러한 변화는 자연적 원인과 인위적 원인으로 나눌 수 있다. 자연적 원인에는 판구조 운동에 따른 대륙 이동, 화산 활동, 지구 궤도 변화, 태양 강도 변화 등이 있다. 인위적 원인으로는 온실 가스 배출, 에어로졸 배출, 토지 이용 변화에 따른 숲 감소와 같은 생물권 변동을 들 수 있다.[17]
눈덩이 지구 가설에 따르면, 지구는 한때 전 지역이 빙하로 뒤덮였던 적이 있었다. 당시 지구의 높은 반사율 때문에 태양 에너지가 대기 중에 머물지 못하고 우주로 방출되어 매우 추운 기후가 유지되었다. 이러한 상태는 판구조 운동에 의한 화산 활동으로 지구 내부의 이산화탄소가 분출되면서 발생한 온실 효과로 해소되었다고 추정된다.[45] 이후 지구는 빙하기와 간빙기를 반복했으며, 가장 최근의 마지막 빙기는 11만 년 전에서 10만 년 전 사이에 시작되어 1만 5천 년 전쯤 끝났다.[46]
19세기 이후 기후계는 급격한 지구 온난화 현상을 겪고 있다. 최근의 기후 변화는 자연적 원인도 있지만, 산업 혁명 이후 인간의 활동으로 인한 인위적 요인이 더 큰 원인으로 지목된다. 인간은 탄소 순환을 통해 땅속에 묻혀 있던 화석 연료를 채굴하여 사용하면서 대기 중 이산화탄소 농도를 크게 증가시켰다. 2004년 측정 결과, 1770년에 비해 대기 중 이산화탄소량이 70% 증가했다.[35] 또한 인구 증가와 함께 숲이 도시, 경작지, 산업 단지 등으로 바뀌면서 이산화탄소 흡수량도 줄어들고 있다.[41]
지구 온난화가 현재 추세로 가속화되면 생태계 균형이 무너져 회복 불가능한 티핑 포인트를 맞이할 수 있다.[47]
기후 시스템의 다양한 요소는 외부 강제력에 서로 다른 방식으로 반응하며, 반응 속도에도 차이가 있다. 대기는 몇 시간에서 몇 주 안에 반응하는 반면, 심해와 빙상은 새로운 평형 상태에 도달하는 데 수 세기에서 수천 년이 걸린다.[10]
외부 강제력에 대한 초기 반응은 음성 되먹임에 의해 억제되고 양성 되먹임에 의해 강화될 수 있다. 예를 들어 태양 강도가 감소하면 지구 온도가 낮아져 얼음과 눈 덮개가 확장된다. 늘어난 눈과 얼음은 알베도가 높아 더 많은 태양 복사를 우주로 반사하여 지구를 더욱 냉각시킨다.[11]
4. 1. 기후 변화의 원인
기후는 계절에서 지구의 수명에 이르기까지 끊임없이 변화한다.[8] 기후 시스템은 자체 구성 요소와 역학에 의해 '내부 기후 변동성'을 가지며, 지구 궤도 변화와 같은 외부 현상으로부터 '외부 강제력'을 경험한다.[1] 일반적으로 최소 30년 이상 지속되는 변화를 '기후 변화'라고 하며,[8] 이 용어는 현재의 지구 온난화를 지칭하기도 한다.[9]기후 시스템은 외부 영향이 없어도 지속적으로 변동한다. 북극 진동(NAO)은 대기압의 시소와 같은 현상으로, 포르투갈 아조레스 제도와 아이슬란드 사이의 기압 차이에 따라 북대서양과 중앙 유라시아 지역의 기상 패턴에 영향을 미친다.[11] 해양과 대기는 자발적으로 엘니뇨-남방 진동, 태평양 십년 진동, 대서양 다십년 진동과 같은 내부 기후 변동성을 생성하며, 이는 지구 평균 표면 온도와 에너지 수지에 영향을 미친다.
장기간에 걸쳐 기후는 주로 시스템 내 에너지의 양과 이동 경로에 의해 결정된다. 지구 에너지 예산의 변화를 강제력이라고 하며, 기후 시스템 외부에서 발생하면 ''외부 강제력''이라고 한다.[1] 외부 강제력에는 화산 활동, 인간 활동, 태양 변동, 소행성 등이 있다.[1]
태양은 지구 에너지의 주요 원천이며, 태양 변동은 11년 주기인 태양 주기와 장기적 시간 척도에서 변동한다. 태양 주기는 성층권에 직접 영향을 미쳐 표면 근처 대기에 영향을 줄 수 있다.[12] 지구 운동의 변화(궤도 이심률, 자전축 기울기, 세차 운동)는 햇빛의 계절별 분포에 큰 변화를 일으켜 밀란코비치 주기를 생성하고, 이는 빙하기와 간빙기와 관련이 있다.
온실 효과는 장파 복사를 흡수하는 온실 기체에 의해 발생한다. 과거에는 여러 과정이 온실 기체 농도 변화에 기여했으며, 현재는 인간의 배출이 CO₂영어(이산화 탄소), 메탄, N₂O한국어(아산화 질소) 등의 농도를 증가시키고 있다. 온실 효과에 가장 큰 영향을 미치는 것은 수증기(~50%)이며, 구름(~25%)과 CO₂영어(~20%)도 중요하다. 수증기와 구름은 외부 강제력이 아닌 피드백으로 간주된다.
풍화 작용은 대기에서 탄소를 제거한다. 대기 중의 액체 및 고체 입자인 ''에어로졸''은 태양광을 산란 또는 흡수하거나 구름 응결 핵 역할을 하여 기후에 영향을 미친다. 에어로졸은 바다 소금, 광물 먼지, 운석, 화산 폭발 등 자연적 발생원과 생물 또는 화석 연료 연소 등 인간 활동에 의해 발생하며, 온실 가스의 온난화 효과 일부를 상쇄한다.
화산 활동은 외부 강제 요인으로, 이산화 황(SO₂)을 성층권으로 분출하여 에어로졸을 형성하고, 이는 태양광을 차단하여 냉각 효과를 일으킨다. 토지 피복 변화(예: 삼림 벌채)는 알베도를 변경하고 수문 순환에 영향을 미쳐 기후에 영향을 준다. 산불은 온실 가스를 배출하고 블랙 카본을 배출하여 눈을 검게 만들어 더 쉽게 녹게 한다.
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