Existuje-li jedna věc, na níž se obě strany debaty o klimatu shodnou, pak je to fakt, že se klima v minulosti přirozeně měnilo. Dlouho před industrializací prošla planeta mnoha obdobími ochlazování a oteplování. To vedlo některé k závěru, že pokud se planetární teploty měnily v minulosti z přirozených příčin, dlouho před SUV a plasmovými televizemi, přirozená musí být i příčina současného globálního oteplování. Avšak vědecké peer-reviewed studie docházejí k opačnému závěru.

Naše klima řídí následující princip: pokud do systému přidáváte energii, globální teploty vzrostou. Opačně, pokud klima energii ztrácí, teploty klesnou. Řekněme, že se planeta nachází v pozitivní energetické nerovnováze. Je přijímáno více energie, než je vyzařováno zpět do vesmíru. Tento jev, změna v čistém energetickém toku na hranici atmosféry, je označován jako radiační působení. Když Země prochází obdobím pozitivního radiačního působení, naše klima nahromadí energii v podobě tepla a globální teploty vzrostou (samozřejmě nikoliv plynule; vnitřní variabilita přidá k signálu šum).

Jak moc se teplota změní pro danou míru radiačního působení? To je určeno klimatickou citlivostí planety. Čím je naše klima vůči výkyvům citlivější, tím větší změny teplot proběhnou. Nejběžnějším způsobem popisu citlivosti klimatu je reakce globální teplot na případ, kdy se množstí oxidu uhličitého v atmosféře zdvojnásobí. Co to znamená? Množství energie absorbované oxidem uhličitým může být spočteno pomocí rovnic přenosu záření. Tyto výsledky byly experimentálně ověřeny satelitními a povrchovými měřeními. Radiační působení pro zdvojnásobení koncentrace CO₂ odpovídá 3,7 Wm^-2 (Hodnotící zpráva IPCC 4, část 2.3.1).

Když tedy mluvíme o citlivosti klimatu na zdvojnásobení koncentrace CO₂, mluvíme vlastně o změně globálních teplot vlivem radiačního působení o velikosti  3,7 Wm^-2. Takové působení nemusí pocházet nutně od oxidu uhličitého. Může je vyvolat jiný činitel, který vede k energetické nerovnováze.

Takže k jakému nárůstu teplot zdvojnásobení koncentrace CO₂ vede? Kdybychom žili v klimatu bez zpětných vazeb, globální teploty by vzrostly o 1,2 °C (Lorius 1990). Avšak naše klima zpětné vazby obsahuje, pozitivní i negativní. Nejsilnější pozitivní zpětnou vazbu představuje vodní pára. Se vzrůstajícími teplotami se zvyšuje množství vodní páry v atmosféře. Ale vodní pára je sama skleníkovým plynem, takže vyvolá další oteplení, které znovu zvýší koncentraci vodní páry a tak dále. Existují i negativní zpětné vazby - více vody v atmosféře může vést k vyšší oblačnosti, která působí jak pozitivně během noci, kdy zadržuje infračervené záření, tak negativně během dne, kdy odráží přicházející sluneční světlo.

Jaká je tedy čistá výsledná zpětná vazba? Citlivost klimatu může být vypočtena z empirických pozorování. K tomu je nezbytné nalézt období, k němuž máme jak teplotní záznamy, tak záznamy z měření jednotlivých radiačních působení, které na klima působí. Jsou-li tyto údaje k dispozici, lze citlivost klimatu vypočítat. Graf 1 ukazuje shrnutí peer-reviewed studií, které vyhodnocovaly citlivost klimatu na základě uplynulých období. (Knutti & Hegerl 2008)

Graf 1: Rozdělení a rozpětí citlivosti klimatu podle různých zdrojů důkazů. Kroužek označuje nejpravděpodobnější hodnotu. Široké pruhy označují pravděpodobnou hodnotu (vyšší než 66% pravděpodobnost). Úzké pruhy označují nejširší rozmezí pravděpodobných hodnot (je více než z 90 % jisté, že skutečná hodnota spadá do tohoto rozpětí). Přerušované čáry značí, že neexistuje žádná pevně stanovitelná horní hranice rozpětí. Pravděpodobný rozsah (2-4,5 °C) podle IPCC je označen vertikálním šedým pruhem a nejpravděpodobnější hodnota (3 °C) černou čarou.   

Mnoho odhadů citlivosti klimatu bylo založeno na období měřených záznamů (uplynulých 150 let). Několik studií využilo pozorované zahřívání zemského povrchu a oceánů, spolu s odhady radiačního působení. Bylo uplatněno široké spektrum metod - jednoduché modely i modely střední komplexity, statistické modely nebo výpočty energetické bilance. Pro nalezení citlivosti klimatu byla též analyzována data z družic, která mají vztah k „radiačnímu rozpočtu Země“.

Některé čerstvé analýzy využívají dobře prostudované radiační působení významných vulkanických erupcí  20. století a reakci klimatu na ně. Hrstka studií prozkoumává paleoklimatické rekonstrukce uplynulého tisíciletí nebo období před 12 000 lety, kdy se Země vynořila z doby ledové (poslední glaciální maximum). 

Co z toho můžeme vyvodit? Máme k dispozici řadu nezávislých studií pokrývajících široký rozsah období, zkoumajících různé aspekty klimatu a využívající různé analytické metody. Všechny vedou k obecně souladnému rozpětí klimatické citlivosti s nejpravděpodobnější hodnotou 3 °C pro zdvojnásobení množství CO₂ v atmosféře.

Kombinace důkazů naznačuje, že čistá zpětná vazba vůči radiačnímu působení je silně pozitivní. Neexistuje žádný důvěryhodný soubor důkazů, který by ukazoval velmi nízkou nebo velmi vysokou citlivost klimatu coby nejpravděpodobnější údaj.

Oxid uhličitý způsobuje hromadění tepla v našem klimatickém systému. Radiační působení oxidu uhličitého dobře chápeme a jeho účinek je potvrzen empirickými pozorováními. Reakce klimatu na toto nahromadění energie je určena jeho citlivostí.

Je ironií, že v případech, kdy skeptikové argumentují minulými změnami klimatu, vlastně se dovolávají důkazů, jež ukazují silnou citlivost klimatu a pozitivní čistou zpětnou vazbu. Vysoká citlivost znamená silnější reakci na působení CO₂. Přirozené změny klimatu v minulosti tak svědčí o tom, že ho jsou dnes schopni změnit lidé.