피드백
여러 강제력으로 입력을 준 기후계의 반응은 피드백을 통해 조정됩니다. 피드백으로는 자기 강화 피드백, 즉 양성 피드백으로 반응이 더 커지고 반대로 음성 피드백으로는 반응이 약해집니다. 기후계의 주요 양성 피드백에는 수증기 피드백, 얼음-반사율 피드백, 구름의 순효과 반응이 속합니다. 지구의 일차적인 음성 피드백으로는 복사냉각 반응으로 지구의 표면 온도가 상승하면 그에 따라 더 많은 복사열을 우주로 방출합니다. 온도 피드백 외에도 식물 생장에 대한 이산화 탄소의 비료 효과와 같이 탄소 순환과 같은 피드백도 있습니다. 기후 모델마다 주어진 온실 기체 입력값에 따라 서로 다른 규모의 온난화를 예측하는 이유도 바로 이 피드백의 불확실성 때문입니다.
공기가 온실 기체 때문에 따뜻해져 기온이 상승하면 더 많은 수분을 함유할 수 있습니다. 수증기는 매우 강력한 온실 기체이므로 대기를 더 많이 가열합니다. 여기서 구름으로 덮인 땅의 면적이 증가한다면 더 많은 햇빛이 우주로 반사되어 지구가 냉각될 것입니다. 만약 구름이 더 높은 높이에 생기고 더 얕아진다면 구름이 단열재 역할을 하여 지표면에서 반사한 열을 다시 지표면으로 구름이 반사하는 역할을 하여 지구 안에 열이 갇히고 지구가 더워질 것입니다. 구름의 영향은 피드백의 불확실성에 있어 가장 큰 요인으로 작용합니다.
또 다른 기후계의 주요 피드백으로는 북극의 눈으로 덮인 지역과 해빙의 감소 반응으로 이 둘이 일어나면 지구의 반사율이 감소합니다. 더 많은 태양 에너지가 반사율이 낮아진 지역에서 흡수되면서 북극의 온도 변화가 증폭됩니다. 북극의 증폭 현상으로 영구 동토층도 빠르게 녹아 메테인과 이산화 탄소를 대기중으로 방출합니다. 기후 변화는 습지, 해수계, 담수계의 메테인 방출도 증폭시킬 수 있습니다. 이 효과 때문에 기후계의 전체적인 반응은 점점 양성 피드백이 강화되는 방향으로 흘러갈 것입니다.
인간이 배출한 총 이산화 탄소의 약 절반은 육지의 식물과 바다가 흡수했습니다. 육지에서는 이산화 탄소 농도의 증가와 생장기의 확대가 식물의 성장을 자극했습니다. 하지만 기후 변화는 식물의 성장을 방해하는 가뭄과 폭염을 강화하기 때문에 식물의 탄소 흡수구가 계속 증폭될지는 미지수입니다. 토양도 많은 양의 탄소를 함유하고 있으며 가열되면 일부 탄소가 방출될 수 있습니다. 더 많은 이산화탄소와 열이 바다에 흡수되면 바다가 산성화 되어 해양 순환이 변하고 식물성 플랑크톤이 더 적은 탄소를 흡수해 바다가 대기 중의 탄소를 흡수하는 속도가 느려집니다. 전반적으로 이산화 탄소의 농도가 높아진다면 더 적은 배출량만 자연이 흡수하게 됩니다.
미래의 온난화와 탄소 수지
기후 모델이란 기후계에 영향을 미치는 다양한 물리적, 화학적, 생물학적 과정을 압축해 묘사한 것입니다. 모델에서는 기후 피드백의 강도를 고려하여 향후 추가적인 온실 기체 방출이 야기할 온난화 수준을 계산하는 데 사용합니다. 또한 기후 모델에서는 지구 공전, 자전 궤도의 변화, 역사적인 태양 활동의 변화, 화산 활동과 같은 여러 자연 현상을 고려해 계산합니다. 기후 모델은 미래의 기온을 추정하는 것 외에도 바다의 대순환, 계절의 연간 주기, 육지 표면과 대기 사이 탄소의 흐름을 재연하고 예측합니다.
기후 모델의 물리적인 현실성은 현 시기와 과거의 기후를 시뮬레이션 하여 실제와 비교하는 과정으로 확인할 수 있습니다. 옛 구형 모델은 북극 해빙의 감소와 강수 비율의 증가를 과소평가했습니다. 또한 옛 모델에서는 1990년 이후 해수면 상승도 과소평가하는 문제가 있었지만 최근의 모델에서는 실제 관측한 해수면 상승률과 거의 비슷하게 예측합니다. 2017년 미국에서 발표된 미국 기후 평가(National Climate Assessment)에서는 "기후 모델이 여전히 기후 변화 관련 피드백 과정을 과소평가하거나 누락했을 가능성이 있다"라고 말했습니다.
기후 모델의 일부는 단순한 물리적 기후 모델에 인문사회적 요소를 더하기도 합니다. 이런 모델에서는 인구 변화, 경제성장, 인간의 에너지 사용이 물리적인 기후계에 미치는 영향과 서로 상호작용하는 방식도 시뮬레이션합니다. 이 정보를 통해 미래의 온실 기체 배출에 관한 시나리오를 만들 수 있습니다. 이런 인문사회적 기후 모델 시나리오는 미래에 대기 중 온실 기체 농도가 어떻게 변할지 예측하는 데 물리적 기후 모델과 탄소 순환 모델의 입력값으로 사용됩니다. 사회경제적 시나리오와 완화 시나리오에 따라 모델에서는 대기 중 이산화 탄소 농도를 380 - 1,400 ppm 사이로 예측합니다.
IPCC 제6차 평가 보고서에 따르면 매우 낮은 온실 기체 배출 시나리오에서 21세기 말 지구의 온난화 정도는 1.0 °C에서 1.8 °C에 이를 것이라고 발표했습니다. 중간 단계 배출 시나리오에서는 2.1 °C에서 3.5 °C로, 매우 많은 배출 시나리오에서는 3.3 °C에서 5.7 °C 더 상승할 것이라고 예측하였습니다. 이런 예측은 기후 모델을 기반으로 하여 다양한 관측값을 합쳐 결정합니다.
잔존 탄소 수지는 탄소 순환과 온실 기체의 기후 민감도를 모델링하여 결정합니다. IPCC에서는 2018년 이후 이산화 탄소 배출량이 420에서 570 기가톤(Gt)을 넘지 않는다면 2/3 확률로 온난화 수준을 1.5 °C 이하로 유지할 수 있다고 예측했습니다. 이는 현재 배출량 수준을 그대로 유지할 때 10-13년분에 해당합니다. 탄소 수지의 경우 그 오차 범위가 더 큽니다. 예를 들어 영구 동토층과 습지에서 방출하는 메테인으로 이산화 탄소 배출량이 약 100 기가톤 정도는 더 적어질 수 있습니다. 하지만 화석 연료 자원이 풍부하기 때문에 이 정도로 21세기의 탄소 배출을 제한하기에는 부족합니다.