A kutatók hevesen vitáznak arról, hogy a felmelegedést mennyiben természeti hatások (a napsugárzás erősödése, a vulkáni tevékenység, a Föld pályaelemeinek változása) és mennyiben emberi tevékenységek idézik elő. A legelfogadottabb vélemények szerint a világméretű felmelegedés főképp emberi okokra vezethető vissza. Ezt támasztja alá, hogy a naptevékenység és a vulkánosság alakulása a számítások szerint jelenleg a felmelegedés ellen hat.

Az éghajlat állandóságához egyebek közt az kell, hogy a Föld légköréből annyi energia jusson ki, mint amennyi oda (főleg a napsugárzásból, kisebb részt a Föld belső hőjéből) bekerül. Természetes üvegházhatás nélkül a Föld felszínének átlaghőmérséklete a mai 14 °C helyett csupán -19 °C lenne. Az átlaghőmérséklet ilyen alakulásáért a légkörben lévő nagy mennyiségű vízgőz felelős. Azonban a vízgőz mennyisége a légkörben állandó, így nem okozhat melegedést. Az egyéb üvegházhatású gázok mennyiségének bármilyen változása azonban felborítja a Föld-légkör rendszer energiamérlegét, megváltoztatja az éghajlatot.

Az biztos, hogy a légköri CO2 mennyiséget az emberiség jelentősen megemelte; az ipari termelés előtti 280 ppm-hez képest most 380 ppm (parts per million, milliomodrész). A szén-dioxid mennyiségének növekedése pedig elősegíti a hősugárzás csapdába esését a felső légkörben. A csapdába esett hő egy része visszasugárzódik a Föld felszíne és az alsó légkör felé, felmelegítve azt. A kutatások eredménye szerint a légköri szén-dioxid sűrűsége kb. 5000 és 200 ppm egység között mozgott a földtörténet elmúlt 600 millió éve során. Amikor a szén-dioxid és más üvegházgázok szintje hirtelen megnőtt a légkörben, azt hőmérséklet-növekedés kísérte, vagy járt vele együtt. Ehhez köthető többek között a paleocén-eocén felmelegedés, és a perm-triász határán történt, azóta is példa nélküli felmelegedés, ez utóbbi kb. 250 millió éve volt.

Ekkor a szén-dioxid szint a jelenleginek 5,3-szorosa, azaz 2000 ppm volt, az átlaghőmérséklet pedig 23 °C, ami 10 °C-kal több a mainál. A 2. ábra jobb oldala a hőmérséklet és a CO2-szint változását mutatja az elmúlt 400 ezer év során. A két görbe együtt mozgásából látható, hogy közöttük elég jó egyezés van, bár az is biztos, hogy a földtörténeti tapasztalatok alapján a hőmérséklet és a szén-dioxid szint változása közös háttér-okokra vezethető vissza.

A földtörténet során a szárazföldek vándorlása változtatta jelentősen a Föld fényvisszaverő képességét (albedóját), ez pedig az éghajlatra van nagy hatással. A korábban említett nagy felmelegedések tehát alapvetően földtörténeti okokra vezethetőek vissza. Azonban az elmúlt 400 ezer év során történt változások, melyeket a 2. ábra mutat, időben periodikusnak látszanak. Valóban, itt a hőmérséklet és a CO2-szint változásának közös oka a Föld pályájának és tengelyferdeségének periodikus változásai, illetve ezek egymásra rakódása. Rövid távon egyensúly jellemezte a léhgkört: jégkorszakok (az ábrán a gödrök) és jégkorszak közötti ún. interglaciális korok (az ábrána csúcsok) követték egymást, de a CO2 szintje sosem ment 300 milliomodrész fölé.

Azonban elmondható, hogy az ipari forradalom óta a két görbe együtt futását, a két görbe egyensúlyát felborítottuk, mert a CO2-szint az eredeti szintnek majdnem kétszerese. Mivel annyit bizonyosan mondhatunk, hogy a hőmérsékletváltozást nem mindig az üvegházhatású gázok sűrűségnövekedése indítja el, de mindig gerjeszti, ezért a hőmérséklet növekedése várható.

2. ábra. A szén-dioxid szint (piros) és a hőmérséklet változása (kék), az elmúlt 400 ezer év során, a Déli-sarkon vett jégminták alapján. A két görbe együtt futása nyilvánvaló, tehát a CO2-szint változását a hőmérséklet változása követi. Kétségbeejtő, hogy napjainkban az emberi tevékenység miatt a szén-dioxid szintje elérte a 370 ppm értéket, ezt nyíl jelzi a jobb felső sarokban. A hőmérséklet kb. 4 fokot emelkedik majd, ha követi a CO2 görbét.

Friss vizsgálatokban leolyan hatásokat is belevettek a számításokba, melyekre az eddigi modellek nem fordítottak nagyobb figyelmet. Eddig alapvetően tengeren lévő jeget, a felhőket és a vízpárát vették tekintetbe, de egy új modell, amit a Bristoli Egyetem kutatói fejlesztettek ki, figyelembe veszi a nöyvényzet és az időszakos hó és jég hatását is. Ennek eredménye szerint a sarkok körüli felmelegedés 10 C-t is elérhet ha pusztán 400 ppm (milliomodrész) lesz a CO2 részaránya a légkörben (3. ábra). 400 ppm pedig itt van a "kapuk előtt", mert jelenleg 375 pmm és évente 1-1.5 ppm értékkel nő.

A bristoli kutatók azért kezdték el a modell kibővítését, mert adatokkal rendelkeznek egy 3 millió évvel ezelőtti időszakról a földön, amikor a hőmérséklet és a CO2 részaránya egyaránt magas volt. Azonban amikor a meglévő modellekkel próbálták ezt a 3 millió évvel ezelőtti állapotot leírni, kiderült, hogy a CO2 szintnek kevesebb hőmérséklet-növekedés lesz az eredménye, mint a valóságos. Ezért úgy vélték, valami hiányzik a modellből. A jó egyezést a valós hőmérséklet-növekedéssel akkor kapták, amikor a szárazföldi hó, jég és a növényzet szerepét is figyelembe vették a modellben.