Klimata sistēma ir sarežģīta, kompleksa sistēma, ko savstarpējā mijiedarbībā veido atmosfēra, Zemes virsma, sniega un ledus sega, okeāni, jūras un citas ūdenstilpes, kā arī dzīvie organismi. Klimata sistēmas atmosfēras komponente raksturo klimatu visredzamāk. Klimatu raksturo vidējā temperatūra, kā arī temperatūras mainība, nokrišņu daudzums, vēja stiprums un virziens u. c. klimatiskie parametri noteiktā laika periodā – sākot no mēnešiem līdz miljoniem gadu (visbiežāk klimata pētniecībā lieto 30 gadu periodu). Klimata sistēma laika gaitā attīstās gan savas iekšējās dinamikas ietekmē, gan ārējo faktoru izmaiņu dēļ. Pie ārējiem faktoriem pieder dabas parādības, piemēram, vulkānu izvirdumi, atmosfēras un okeānu cirkulācija, Saules starojuma daudzums, Zemes orbitālais riņķojums ap Sauli, kā arī cilvēka izraisītas atmosfēras sastāva izmaiņas. Saules starojums ietekmē klimata sistēmu. Ir trīs galvenie veidi, kā var mainīt Zemes radiācijas bilanci: 1) mainot ienākošās Saules radiācijas daudzumu (piemēram, izmainoties Zemes rotācijas ass novietojumam attiecībā pret kustības plakni ap Sauli vai Saules aktivitātei); 2) mainot Saules radiācijas daļu, kas tiek atstarota (piemēram, albedo – atstarotās enerģijas daudzums pret kopējo); un 3) mainot garo viļņu starojumu no Zemes atpakaļ uz kosmosu (piemēram, mainot siltumnīcas efektu izraisošo gāzu koncentrāciju). Klimats savukārt reaģē uz šādām izmaiņām tieši, kā arī netieši, izmantojot dažādus atgriezeniskās saites mehānismus.
Tajā pašā laikā ir jāatceras, ka iemesls Zemes virsmas vidējai temperatūrai 15° C ir atmosfērā esošo siltumnīcefektu izraisošo gāzu klātbūtne, kas daļēji aiztur no Zemes virsmas nākošo garo viļņu starojumu. Šo pārklājumu sauc par dabisko siltumnīcas efektu, un tam ir ļoti nozīmīga loma dzīvības uzturēšanā uz Zemes. Bez dabiskā siltumnīcas efekta Zemes izdalītais siltums “aizietu” kosmosā un Zemes vidējā temperatūra būtu aptuveni –18° C.
Svarīgākās siltumnīcefekta gāzes ir ūdens tvaiks un CO2. Divām visizplatītākajām atmosfēras sastāvdaļām – slāpeklim un skābeklim – šādas ietekmes nav. Savukārt mākoņi rada pārklājuma efektu, ko kompensē to atstarošanas spēja, tāpēc kopumā mākoņiem ir tendence klimatu atvēsināt. Cilvēka darbība pastiprina šo pārklājošo efektu ar SEG emisijām.
Ogleklis ir viens no galvenajiem faktoriem, lai izprastu klimata pārmaiņas. Tas tiek patērēts augu elpošanā un dēdēšanas procesos un tiek izvadīts, dzīvniekam izelpojot. Savienojumā ar ūdeņradi ogleklis veido ogļūdeņradi, ko var sadedzināt rūpniecībā un transportlīdzekļos, lai iegūtu gan siltumu, gan enerģiju. Tas ir divu svarīgāko siltumnīcefekta gāzu – CO2, kas rodas sadegšanas procesā, un CH4, kas rodas no dažādiem avotiem, tostarp rīsu audzēšanas, dzīvnieku izcelsmes atkritumu, dabasgāzes ieguves un mitrzemēm, – galvenais elements. Kopš 19. gs. beigām CO2 koncentrācija atmosfērā ir palielinājusies par vairāk nekā 70 % – no 280–290 miljonās daļas tilpuma līdz vairāk nekā 423,9 miljonās daļas tilpuma 2023. gada pavasarī (Scripps Institution of Oceanography).
CH4 absorbē infrasarkano starojumu daudz efektīvāk nekā CO2, tādēļ CH4 nozīme siltumnīcefekta palielināšanā ir ļoti nozīmīga, kaut arī CH4 koncentrācija atmosfērā ir salīdzinoši zemāka. Kopš 20. gs. 60. gadiem, kad uzsākti CH4 koncentrāciju mērījumi atmosfērā, tā daudzums kopumā ir pieaudzis aptuveni par 1 % gadā. CH4 koncentrācija 2022. gadā bija 1911,9 miljardās daļas tilpuma. Aprēķini liecina, ka tas veicina klimata pārmaiņu izraisīto temperatūras sasilšanu par aptuveni 25 %.
Vēl viena nozīmīga SEG, kas ir gan dabā sastopama, gan cēlusies no cilvēka darbības, ir N2O. N2O molekulas atmosfērā uzturas vidēji 121 gadu, pirms tās tiek izvadītas no atmosfēras vai iznīcinātas ķīmisko reakciju rezultātā. Visā pasaulē aptuveni 40 % no visām N2O emisijām rada cilvēku darbība. Šī gāze galvenokārt atbrīvojas augsnē mikroorganismu darbības rezultātā, kad tiek lietoti slāpekli saturoši mēslošanas līdzekļi. Tā izdalās lauksaimnieciskās un rūpnieciskās darbībās, kā arī zemes izmantošanas procesā, kad sadedzina fosilo kurināmo un cietos atkritumus, kā arī attīra notekūdeņus.
Fluorētās siltumnīcefekta gāzes (F-gāzes) ir cilvēka radītas gāzes, ko izmanto rūpniecībā, un tām ir augsts globālās sasilšanas potenciāls, kas bieži vien ir vairākus tūkstošus reižu lielāks nekā CO2. Tās ir HFC, PFC, SF6 un NF3.
Tā kā siltumnīcefekta gāzēm ir atšķirīgs globālās sasilšanas potenciāls, to ietekmi parasti pārrēķina CO2 ekvivalentā, lai būtu iespējams veikt salīdzinājumus.