Jordens klimasystem er et komplekst system med fem komponenter som påvirker hverandre gjensidig: atmosfæren (luft), hydrosfæren (vann), kryosfæren (is og permafrost), litosfæren (jordens øvre, fast berg) og biosfæren (levende organismer).IPCC, 2013: Annex III: Glossary [Planton, S. (ed.)]. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. Klima er den statistiske karakteriseringen av klimasystemet. Det representerer det gjennomsnittlige været, vanligvis over en periode på 30 år, og bestemmes av en kombinasjon av prosesser, som havstrømmer og vindmønstre. Sirkulasjonen i atmosfæren og havene transporterer varme fra tropiske områder til områder som mottar mindre energi fra solen. Solstråling er den viktigste drivkraften for denne sirkulasjonen. Vannets kretsløp transporterer også energi gjennom klimasystemet. I tillegg beveger visse kjemiske grunnstoffer seg kontinuerlig mellom komponentene i klimasystemet. To eksempler på slike biogeokjemiske kretsløp er karbonkretsløpet og nitrogenkretsløpet.
Klimasystemet kan endres som følge av intern variasjon og ytre pådriv. Disse ytre pådrivene kan være naturlige, som variasjoner i solinnstrålingen og vulkanutbrudd, eller menneskeskapte. Opphopning av drivhusgasser i atmosfæren, hovedsakelig som følge av menneskers forbrenning av fossilt brensel, forårsaker klimaendringer. Menneskelig aktivitet fører også til utslipp av avkjølende aerosoler, men nettoeffekten av disse er langt mindre enn effekten av drivhusgassene. Endringene kan forsterkes av tilbakekoblingsprosesser i de ulike komponentene i klimasystemet.
Komponenter mini|upright=1.8|Skjematisk fremstilling av kjemiske prosesser og transport i atmosfæren. Prosessene knytter atmosfæren til andre komponenter i jordsystemet, som havene, jordoverflaten, samt livet på land og i havet. Illustrasjon: Phillipe Rekacewicz, Strategic Plan for the U.S. Climate Change Science Program
Atmosfæren omslutter jorden og strekker seg flere hundre kilometer opp fra jordoverflaten. Den består hovedsakelig av det lite reaktive nitrogenet (78 %), oksygen (21 %) og argon (0,9 %). Enkelte sporgasser i atmosfæren, som vanndamp og karbondioksid, er særlig viktige for klimasystemets virkemåte fordi de er drivhusgasser. De slipper synlig lys fra solen gjennom og ned til jordoverflaten, men absorberer deler av den infrarøde strålingen som jordoverflaten sender ut for å balansere den innkommende solstrålingen. Dette fører til at temperaturen ved jordoverflaten øker, kjent som naturlig drivhuseffekt.
Det hydrologiske kretsløpet er vannets bevegelse gjennom klimasystemet. Det hydrologiske kretsløpet bestemmer ikke bare mønstrene for nedbør, men påvirker også transporten av energi gjennom klimasystemet.
Selve Hydrosfæren omfatter alt flytende vann på jorden, hvorav mesteparten finnes i verdenshavene. Havet dekker 71 % av jordoverflaten og har en gjennomsnittlig dybde på nesten 4 km, og havets varmeinnhold er langt større enn varmemengden som finnes i atmosfæren. Havet består av sjøvann med et gjennomsnittlig saltinnhold på omkring 3,5 %, men dette varierer geografisk. Brakkvann finnes i estuarer og enkelte innsjøer, mens mesteparten av ferskvannet, som utgjør 2,5 % av alt vann på jorden, er bundet i is og snø.
Kryosfæren omfatter alle deler av klimasystemet der vann forekommer i fast form. Dette omfatter havis, innlandsis, permafrost og snødekke. Fordi det er mer land på den nordlige halvkule enn på den sørlige halvkule, er en større del av den nordlige halvkule dekket av snø. De to halvkulene har omtrent like store mengder havis. Mesteparten av det frosne vannet finnes i innlandsisene på Grønland og Antarktis, som i gjennomsnitt er omkring 2 km tykke. Disse ismassene beveger seg langsomt mot randsonene.
Jordskorpen, særlig fjell og daler, former de globale vindmønstrene: store fjellkjeder danner barrierer for vinden og påvirker hvor og hvor mye nedbør som faller. Landområder nær det åpne havet har et mer moderat klima enn områder lenger fra havet. Ved modellering av klimaet betraktes selve landjorden ofte som statisk fordi den endrer seg svært langsomt sammenlignet med de andre elementene som utgjør klimasystemet. Kontinentenes plassering bestemmer havenes geometri og påvirker dermed mønstrene i havsirkulasjonen. Havenes plassering er viktig for transporten av varme og fuktighet over kloden og dermed for det globale klimaet.
Til sist påvirker også biosfæren resten av klimasystemet. Vegetasjon er ofte mørkere eller lysere enn jordsmonnet under, slik at mer eller mindre av solenergien absorberes i områder med vegetasjon. Vegetasjon holder effektivt på vann, som deretter tas opp gjennom plantenes røtter. Uten vegetasjon ville dette vannet ha rent av mot nærmeste elv eller andre vannforekomster. Vannet som tas opp av plantene, fordamper i stedet og bidrar dermed til det hydrologiske kretsløpet. Nedbør og temperatur påvirker utbredelsen av ulike vegetasjonssoner. Karbonassimilasjon er en prosess der levende organismer konverterer uorganisk karbon (spesielt karbondioksid) til organiske forbindelser. Prosessen skjer fra sjøvann gjennom vekst av små planteplankton og er nesten like stor som karbonassimilasjonen fra atmosfæren hos landplanter. Selv om mennesker strengt tatt er en del av biosfæren, behandles de ofte som en egen komponent i jordens klimasystem, antroposfæren, på grunn av menneskenes store påvirkning på planeten.
Strømmer av energi, vann og grunnstoffer
Energi og generell sirkulasjon Klimasystemet mottar energi fra solen og, i langt mindre grad, fra jordens indre, samt tidevannsenergi fra månen. Jorden avgir energi til verdensrommet på to måter: Den reflekterer en del av solstrålingen direkte og sender ut infrarød stråling som svartlegemestråling. Balansen mellom innkommende og utgående energi, og energiens transport gjennom klimasystemet, bestemmer jordens energibudsjett. Når den samlede innkommende energien er større enn den utgående energien, er jordens energiubalanse positiv, og klimasystemet varmes opp. Dersom mer energi forlater jorden enn den mottar, er energiubalansen negativ, og jorden avkjøles.
Mer energi når tropene enn polarområdene, og den resulterende temperaturforskjellen driver den globale sirkulasjonen i atmosfæren og havene. Luft stiger når den varmes opp, strømmer mot polene og synker igjen når den avkjøles, før den strømmer tilbake mot ekvator. Som følge av bevaring av dreieimpuls avbøyer jordrotasjonen luftstrømmene mot høyre på den nordlige halvkule og mot venstre på den sørlige halvkule, slik at det dannes adskilte atmosfæriske sirkulasjonsceller. Monsuner, sesongmessige endringer i vind og nedbør som hovedsakelig forekommer i tropene, oppstår fordi landmasser varmes opp lettere enn havet. Temperaturforskjellen skaper en trykkforskjell mellom land og hav som driver en vedvarende vind.
Havvann med høyere saltinnhold har større tetthet, og forskjeller i tetthet spiller en viktig rolle for havsirkulasjonen. Termohalin sirkulasjon transporterer varme fra tropene til polarområdene. Havsirkulasjonen drives også av samspillet med vinden. Saltinnholdet påvirker dessuten vannets frysepunktet. Vertikale bevegelser kan føre kaldere vann opp til overflaten gjennom en prosess som kalles oppstrømning, noe som avkjøler luften over.
Det hydrologiske kretsløpet Det hydrologiske kretsløpet, eller vannets kretsløp, beskriver hvordan vann kontinuerlig beveger seg mellom jordoverflaten og atmosfæren. Planter avgir vann gjennom evapotranspirasjon, og solstråling får vann fra hav og andre vannforekomster til å fordampe, mens salt og andre mineraler blir igjen. Det fordampede ferskvannet faller senere tilbake til jordoverflaten som nedbør. Nedbør og fordampning er ikke jevnt fordelt over kloden. I enkelte områder, som tropene, er nedbøren større enn fordampningen, mens andre områder har større fordampning enn nedbør. Fordampning av vann krever betydelige mengder energi, mens mye varme frigjøres ved kondensasjon. Denne latente varmen er den viktigste energikilden i atmosfæren.
Biogeokjemiske kretsløp
Kjemiske grunnstoffer som er nødvendige for liv, sirkulerer kontinuerlig mellom de ulike komponentene i klimasystemet. Karbonkretsløpet er viktig for klimaet fordi det bestemmer konsentrasjonen av to viktige drivhusgasser i atmosfæren, nemlig karbondioksid og metan. I den raske delen av karbonkretsløpet tar planter opp karbondioksid fra atmosfæren gjennom fotosyntese. Karbonet frigjøres senere igjen gjennom levende organismers respirasjon. Som en del av det langsomme karbonkretsløpet frigjør vulkaner karbondioksid gjennom avgassing, der karbondioksid frigjøres fra jordskorpen og mantelen. Ettersom karbondioksid i atmosfæren gjør regnvann svakt surt, kan regnet langsomt løse opp enkelte bergarter, en prosess som kalles forvitring. Mineralene som frigjøres på denne måten, transporteres til havet (erosjon) og tas opp av levende organismer på sin vei. Restene av disse organismene kan danne sedimentære bergarter, slik at karbonet føres tilbake til litosfæren.
Nitrogenkretsløpet beskriver strømmen av reaktivt nitrogen. Ettersom nitrogenet i atmosfæren er lite reaktivt, må mikroorganismer først omdanne det til reaktive nitrogenforbindelser gjennom en prosess som kalles nitrogenfiksering, før nitrogenet kan brukes som byggestein i biosfæren. Menneskelig aktivitet spiller en viktig rolle både i karbon- og nitrogenkretsløpet: Forbrenning av fossilt brensel har flyttet karbon fra litosfæren til atmosfæren, mens bruken av kunstgjødsel har økt mengden tilgjengelig fiksert nitrogen kraftig.
Endringer i klimasystemet
Klimaet varierer kontinuerlig på tidsskalaer som spenner fra årstider til hele jordens levetid. Endringer som skyldes systemets egne komponenter og dynamikk, kalles intern klimavariasjon. Systemet kan også utsettes for ytre pådriv fra fenomener utenfor systemet (for eksempel endringer i jordens bane). Mer langvarige endringer, vanligvis definert som endringer som vedvarer i minst 30 år, omtales som klimaendringer, selv om begrepet vanligvis brukes om de pågående globale klimaendringene. Når klimaet endres, kan virkningene forsterke hverandre og forplante seg gjennom andre deler av systemet i en serie tilbakekoblinger (for eksempel endringer i albedo), med en rekke ulike følger (for eksempel havnivåstigning).
Intern variasjon
Komponentene i klimasystemet varierer kontinuerlig, selv uten ytre pådriv. Et eksempel i atmosfæren er den nordatlantiske oscillasjonen (NAO), som fungerer som en vippe mellom atmosfæriske trykksystemer. De portugisiske Azorene har vanligvis høytrykk, mens det ofte er lavere lufttrykk over Island. Trykkforskjellen varierer og påvirker værmønstrene over hele Nord-Atlanteren og østover til det sentrale Eurasia. Været på Grønland og i Canada er for eksempel kaldt og tørt under en positiv NAO-fase. Ulike faser av den nordatlantiske oscillasjonen kan vedvare i flere tiår.
Havet og atmosfæren kan også samvirke slik at det spontant oppstår intern klimavariasjon som kan vedvare i flere år eller tiår. Eksempler på denne typen variasjon er El Niño–sørlig oscillasjon, den stillehavsdekadiske oscillasjonen og den atlantiske multidekadiske oscillasjonen. Disse variasjonene kan påvirke den globale gjennomsnittstemperaturen ved jordoverflaten ved å omfordele varme mellom dyphavet og atmosfæren, men også ved å endre fordelingen av skyer, vanndamp eller havis, noe som kan påvirke jordens samlede energibudsjett.