Trong khoa học khí hậu, ngoại lực là các lực bên ngoài tác động vào hệ thống khí hậu (ở đây không nhất thiết là ở ngoài Trái Đất). Khí hậu phản ứng lại một số kiểu ngoại lực như thay đổi nồng độ khí nhà kính, thay đổi độ chiếu sáng của mặt trời, các vụ phun trào núi lửa, và thay đổi quỹ đạo của Trái Đất quay quanh Mặt Trời.[2] Do đó, sự biến đổi khí hậu gần đây gây ra chủ yếu bởi ba loại lực đầu tiên. Chu kỳ quỹ đạo biến đổi một cách chậm chạp khoảng hơn 10.000 năm và yếu tố này biến đổi quá chậm để có thể gây ra sự thay đổi nhiệt độ quan sát được trong thập kỷ qua.

Hiệu ứng nhà kính

Hiệu ứng nhà kính là quá trình mà theo đó các khí trong khí quyển hấp thụ và phát ra bức xạ hồng ngoại làm ấm tầng dưới của khí quyển và bề mặt của hành tinh. Hiệu ứng này được Joseph Fourier phát hiện vào năm 1824 và được Svante Arrhenius nghiên cứu đầu tiên một cách định lượng vào năm 1896.[20] Sự tồn tại của hiệu ứng nhà kính là vấn đề không thể chối cãi thậm chí đối với những người không chấp nhận yếu tố nhiệt độ tăng lên gần đây là do các hoạt động của con người. Một câu hỏi là mức độ của hiệu ứng nhà kính làm thay đổi như thế nào khi các hoạt động của con người làm tăng nồng độ các khí nhà kính trong khí quyển.

Các khí nhà kính trong tự nhiên giữ cho nhiệt độ Trái Đất trung bình khoảng 33 °C (59 °F).[21][c] Các khí nhà kính chính là hơi nước, chúng góp phần tạo ra khoảng 36–70% hiệu ứng nhà kính; carbon dioxit (CO2) gây ra 9–26%; metan (CH4) 4–9%; và ôzôn (O3) 3–7%.[22][23] Mây cũng ảnh hưởng đến sự cân bằng bức xạ, nhưng chúng là thành phần của nước ở thể lỏng hoặc băng và do chúng được xem xét một cách độc lập với hơi nước và các khí khác.

Hoạt động của con người kể từ cách mạng công nghiệp đã làm tăng số lượng các khí nhà kính trong khí quyển, làm tăng lực bức xạ từ CO2, metan, ôzôn tầng đối lưu, CFC và nitơ ôxit. Nồng độ CO2 và metan đã tăng khoảng 36% và 148% kể từ giữa thập niên 1700.[24] Các mức này được xem là cao hơn các mức trong suốt giai đoạn 650.000 năm gần đây, là giai đoạn có các dữ liệu đáng tin cậy được phân tích từ các lõi băng.[25] Ít có dấu hiệu địa chất trực tiếp cho thấy giá trị CO2 này cao trong khoảng thời gian cách đây 20 triệu năm.[26] Đốt nhiên liệu hóa thạch tạo ra khoảng 3/4 lượng khí CO2 tăng thêm từ các hoạt động của con người trong vòng 20 năm qua. Hầu hết các đóng góp còn lại là do thay đổi mục đích sử dụng đất đặc biệt là phá rừng.[27]

Nồng độ CO2 đang tiếp tục tăng do việc đốt nhiên liệu hóa thạch và thay đổi sử dụng đất. Tốc độ tăng nồng độ này trong tương lai sẽ phụ thuộc vào sự phát triển của kinh tế không bền vững, xã hội, công nghệ và tự nhiên. Báo cáo về các kịch bản phát thải của IPCC đưa ra các kịch bản kịch bản CO2 trong tương lai từ 541 đến 970 ppm vào năm 2100 (tăng 90-250% kể từ năm 1750).[28] Nếu số lượng nhiên liệu hóa thạch đủ để đạt đến mức này và tiếp tục phát thải sau năm 2100 nếu than, cát dầu nặng hay metan clathrat được khai thác nhiều hơn.[29]

Các sol khí

Trái Đất mờ đi là sự giảm dần lượng bức xạ trực tiếp trên toàn cầu tại bề mặt Trái Đất, một phần làm chống lại hiện tượng ấm lên toàn cầu từ năm 1960 đến nay.[30] Nguyên nhân chính gây nên sự mờ đi này là các sol khí được tạo ra bởi núi lửa và các chất ô nhiễm. Các sol khí này tạo ra hiệu ứng làm lạnh bằng cách tăng sự phản xạ của ánh sáng mặt trời đến tầng khí quyển của Trái Đất. James E. Hansen và cộng sự đã đề xuất rằng những ảnh hưởng của các sản phẩm từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch – như CO2 và sol khí - đã được thay thế phần lớn bởi những khí khác trong những thập kỷ gần đây, vì vậy sự ấm lên chủ yếu là do ảnh hưởng của các khí nhà kính khác CO2.[31]

Bên cạnh ảnh hưởng trực tiếp do sự tán xạ và hấp thụ bức xạ mặt trời, các sol khí cũng có những ảnh hưởng gián tiếp đến tổng lượng bức xạ.[32] Các sol khí gốc sulfat có vai trò hạt nhân ngưng tụ mây và điều này làm cho các đám mây có giọt nhỏ và nhiều hơn. Các đám mây này phản xạ bức xạ mặt trời có hiệu quả hơn là các đám mây ở dạng giọt lớn hơn và ít hơn.[33] Hiệu ứng này cũng làm cho các giọt mây có kích thước đồng nhất hơn, làm giảm sự hình thành giọt mưa và làm mây phản chiếu mạnh hơn đối với ánh sáng mặt trời tới Trái Đất.[34]

Bồ hống có thể là lạnh hoặc ấm tùy thuộc vào vật thể nó bám trong khí quyển. Bồ hống bám trên các sol khí trong khí quyển hấp thụ trực tiếo bức xạ mặt trời làm nóng khí quyển và làm lạnh bề mặt đất. Ở mức độ khu vực, khoảng 50% bề mặt Trái Đất ấm lên do các khí nhà kính có thể bị che phủ bởi các đám mây đen.[35] Khi tích tụ, đặc biệt trên băng ở các vùng thuộc Bắc cực, bề mặt phản chiếu bên dưới có thể cũng nung nóng mặt đất một cách trực tiếp.[36] Những ảnh hưởng của các sol khí bao gồm cả carbon đen là mối lo quan trọng nhất trong các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, đặc biệt ở châu Á, trong khi các hiệu ứng khí nhà kính chủ yếu ở nam bán cầu và vùng ngoại nhiệt đới.[37]

Biến đổi bức xạ mặt trời

Các biến đổi về bức xạ mặt trời đã gây nên các biến đổi khí hậu trong quá khứ.[38] Mặc dù, bức xạ mặt trời nhìn chung là quá nhỏ để có thể ảnh hưởng đến sự ấm lên toàn cầu trong những thập niên gần đây,[39][40] một số ít nghiên cứu đã bác bỏ quan điểm trên, ví dụ như các hiện tượng gần đây cho thấy rằng sự đóng góp của năng lượng mặt trời vào quá trình này có thể bị đánh giá thấp.[41]

Các khí nhà kính và bức xạ mặt trời gây biến đổi nhiệt độ theo các cách khác nhau. Trong khi cả việc tăng bức xạ mặt trời và khí nhà kính đều được cho là làm ấm tầng đối lưu, nếu việc tăng bức xạ mặt trời sẽ làm ấm tầng bình lưu trong khi việc tăng các khí nhà kính sẽ làm lạnh tầng bình lưu.[2] Các quan sát cho thấy rằng nhiệt độ của tầng bình lưu đang giảm kể từ năm 1979, từ khi các vệ tinh khí tượng được đưa vào sử dụng. Dữ liệu thăm dò từ thời trước khi vệ tinh khí tượng ra đời cho thấy Trái Đất lạnh đi từ năm 1958, mặc dù các số liệu trước đây không chính xác bằng hiện nay.[42]

Một giả thuyết có liên quan do Henrik Svensmark đưa ra rằng các hoạt động của từ trường mặt trời làm lệch hướng các tia vũ trụ mà nó có thể ảnh hưởng đến việc tạo ra hạt nhân ngưng tụ mây và gây ảnh hưởng đến khí hậu.[43] Các nghiên cứu khác không thấy mối quan hệ giữa sự ấm lên với các tia vũ trụ trong các thập kỷ gần đây.[44][45] Một nghiên cứu gần đây kết luận rằng các ảnh hưởng của tia vũ trụ lên các đám mây có hệ số 100 thấp hơn các biến đổi quan sát được trong các đám mây hoặc góp phần vào sự biến đổi khí hậu ngày nay.[46]