Інформація про минулий клімат тане разом із льодом.

Науковці-кліматологи отримують дані про властивості та параметри основних кліматичних оболонок (атмосфера, гідросфера, біосфера, літосфера та кріосфера) та обмінні процеси між цими оболонками за допомогою добре розвинутої системи спостережень. І хоча саме як система глобальна система спостережень за кліматом сформувалася лише на початку 1990-х років, її окремі компоненти вже нараховують десятки років. В цілому ера інструментальних спостережень за кліматом триває вже понад 170 років і включає різноманітні спостереження. Засоби спостережень постійно вдосконалюються, підвищується точність та охоплення, досліджуються все більш «тонкі» аспекти. Наприклад, потоки парникових газів з екосистем, накопичення тепла в океані, обсяг льоду в льодовиках, поглинаючі властивості аерозолів, розташування та інтенсивність блискавичних спалахів тощо.

Якщо в XIX столітті основними спостереженнями були інструментальні морські спостереження або спостереження на метеорологічних станціях, то зараз основний потік інформації надходить від автоматичних засобів спостереження. Це і контактні спостереження, такі як автоматичні метеостанції, буї, глайдери, датчики, які встановлюються на літаках і дронів тощо, а також засоби дистанційного зондування — спектрорадіометри, радіолокаційні системи, лідара, содари. Такі прилади розташовуються як на Землі, так і в космосі, на супутникових апаратах. Наприклад, за вимірюванням аномалій гравітаційного поля Землі вчені вивчили зменшення обсягу льоду в Гренландському та Антарктичному льодовикових щитах. А за змінами, що відбуваються у сонячному випромінюванні в вузьких спектральних каналах, кліматологи фіксують властивості аерозолів, найдрібніших твердих та рідких часток, що містяться в повітрі, які суттєво впливають на фізику хмар, якість повітря та клімат планети. Велику роль відіграли тривалі програми спостережень за океаном та атмосферою, такі як програми ПІГАП (Програма дослідження глобальних атмосферних процесів), «Розрізи» та інші.

Російські та радянські вчені внесли значний вклад у розвиток кліматології. Так, М. Ф. Спасський одним із перших сформулював завдання оцінки клімату як завдання фізики, А. І. Воейков створив один із перших кліматичних атласів світу та почав досліджувати енергетичний бюджет поверхні, А. М. Обухов описав фундаментальний закон турбулентності атмосфери, М. І. Будыко розрахував тепловий баланс Землі та створив одну з перших напівемпіричних моделей клімату Землі, оцінюючи за її допомогою умови рівноважного клімату (детальніше див. нижче в главі «Потрібно дещо пояснити»). Г. І. Марчук впровадив методи розщеплення в чисельне моделювання погоди і клімату, С. С. Лаппо відкрив наявність глобальної термогалинної циркуляції в океані. Це далеко не повний список відкриттів — перерахування та осмислення всіх досягнень російської кліматології могло б зайняти не одну сторінку. Зараз у Росії дослідженнями в галузі клімату та суміжних областях (адаптації, пом’якшення) займаються наукові колективи з десятків організацій Російської академії наук, Росгидромета, вищої школи.

Саме завдяки спостереженням ми знаємо, що в останні десятиліття дуже швидко зростає концентрація парникових газів в атмосфері (перш за все вуглекислого газу, але також метану, оксиду азоту). Спостереження за зміною ізотопного складу СО₂ в атмосфері дозволили впевнено атрибутувати причину цього зростання — спалювання викопного пального, в якому практично немає нестабільного ізотопу ¹⁴С. Про це ж свідчать і спостереження за потоками парникових газів. (детальніше див. нижче в главі «Потрібно дещо пояснити») Зростання концентрації парникових газів, у свою чергу, призводить до посилення парникового ефекту: це посилення добре фіксують мультиспектральні спостереження за зустрічним довгохвильовим випромінюванням атмосфери. Завдяки розвинутої мережі спостережень вчені бачать і результат цього посилення: потепління в нижніх шарах атмосфери та на поверхні (наприклад, 2023 рік став теплішим за другу половину XIX століття на 1,45 ºC) і різке охолодження у верхніх шарах атмосфери.

Посилення парникового ефекту через антропогенні потоки СО₂ постійно відхиляє планету від радіаційної рівноваги. Супутникові системи фіксують енергетичний дисбаланс Землі: потужність надходячої радіаційної енергії від Сонця становить 340 Вт·м^–2, а потужність, що виходить у космос, — лише 339 Вт·м^–2. В останні роки розвинуті системи спостережень дозволили замкнути цей дисбаланс і зрозуміти, куди «йде» цей 1 Вт·м^–2: вчені встановили, що в першу чергу ця різниця йде на нагрів океану (близько 90%).

Також важливим досягненням останніх років стало визначення всіх складових спостережуваного зростання океану, яке прискорилося з 2 мм на рік у 1990-ті роки майже до 5 мм на рік сьогодні. Вчені встановили, що зараз основний вклад у це зростання вносить танення льодовиків, і в першу чергу — льоду в Гренландії.

Танучі льоди повільно забирають з собою інформацію про минулий клімат, дослідження якого досі є великою цікавинкою. Тут вчені використовують природні «архіви», що містять корисний сигнал про минулий клімат: ізотопи в кільцях дерев та в донних відкладеннях, склад повітря в бульбашках, заморожених у льоду, тощо.

Роль океану, в тому числі Арктики, у кліматичних змінах активно досліджується в Інституті океанології ім. П. П. Ширшова РАН, Арктичному та Антарктичному науково-дослідному інституті, Тихоокеанському океанологічному інституті ім. В. І. Ільичева ДВО РАН. Гідросфера суші як частина кліматичної системи досліджується в Інституті водних проблем РАН, Державному