El sistema climático
El clima en un lugar determinado se puede definir como el valor medio de las variables meteorológicas durante un período determinado (30 años es el tiempo fijado por la Organización Meteorológica Mundial). Para describir el clima se necesita además de los valores medios, las fluctuaciones estacionales y los valores máximos y mínimos de las variables en aquel lugar.

Actualmente se prefiere hablar del sistema climático, formado por subsistemas que interaccionan entre ellos intercambiando masa, energía y cantidad de movimiento. Son la atmósfera que es la capa gaseosa que cubre el planeta; la hidrosfera, formada por todo el agua en forma líquida que existe, es decir, océanos, ríos, aguas subterráneas, mares interiores y lagos; la criosfera, que corresponde al agua en forma sólida (nieve y hielo) que se encuentra sobre la superficie terrestre; la litosfera, que incluye los continentes, y la biosfera, formada por la fauna y la flora de continentes y océanos.

Los tiempos de respuesta de los diferentes componentes del sistema climático son muy distintos. Se entiende por tiempo de respuesta el tiempo que necesita un sistema, cuando ha sido perturbado, para volver nuevamente a una situación de equilibrio. En la atmósfera, para la capa fronteriza (los primeros mil metros, aproximadamente, en contacto con la superficie terrestre) el tiempo de respuesta va de minutos a horas; para la atmósfera libre, de semanas a meses; en el océano, para la capa de mezcla (capa más externa, en contacto con la atmósfera), de semanas a años, y para las capas más profundas, de décadas a milenios; para los mares helados, de semanas a décadas; para los lagos y la vegetación, de meses a siglos; para los glaciares, del orden de siglos; para la cobertura de hielo, milenios; y para los fenómenos tectónicos, decenas de millones de años.
Esta gran diferencia en las escalas de tiempo acentúa la complejidad de las interacciones, de manera que no todos los subsistemas están siempre en equilibrio con los demás, ni tampoco internamente.

La radiación solar proporciona prácticamente toda la energía que nutre al sistema climático. Esta energía, que llega a la cima de la atmósfera y es absorbida por el sistema, se transfiere entre los diversos subsistemas, se transforma en otras formas de energía, se utiliza en diversos procesos químicos y biológicos y también, parcialmente, se disipa. Debido a la forma esférica de la Tierra, al movimiento orbital y a la inclinación del eje de rotación de la Tierra, no llega por igual a todos los puntos de la superficie terrestre y, además, también va variando con el tiempo.

El sistema climático se encuentra en evolución constante, con partes del sistema que cambian primero y otras que lo hacen con más retraso. Los cambios climáticos pueden venir representados por variaciones a largo plazo en los valores medios de una determinada variable climática. A este valor medio vienen superpuestas las fluctuaciones estacionales y anuales, que también pueden resultar influidas por el cambio en el valor de la media. En la escala de tiempo humana, los cambios en los valores medios son tan lentos que resultan prácticamente imperceptibles. En realidad sólo pueden ser detectados mediante un estudio cuidadoso de los registros.

Estos cambios se producen, básicamente, por causas naturales. Pero el interrogante que se plantea actualmente es si la actividad humana puede llegar a ser también un motivo de alteración del clima. La posibilidad de experimentar en este ámbito, con la finalidad de prevenir los cambios futuros o de anticipar el impacto de determinadas actividades humanas en el sistema climático, es prácticamente nula: los procesos que constituyen el clima en un planeta son demasiado complejos para ser reproducidos en experimentos de laboratorio, de la misma manera que sucede con los del tiempo meteorológico.

Una herramienta muy útil en la predicción de los efectos de la actividad antropogénica sobre la evolución del clima son los modelos climáticos. Con ellos se estudia la evolución de las variables meteorológicas mediante métodos numéricos que resuelven las ecuaciones físicas fundamentales de conservación que obedece el sistema. Los procesos que intervienen en el clima del planeta son extraordinariamente complejos a causa de las interacciones no lineales entre sus componentes, de manera que los modelos introducen diferentes hipótesis simplificadoras, según las características específicas del problema concreto que se pretenda abordar.