ספקטרופוטומטר היחס של ג'ון טינדל (איור מ-1861) מדד כמה קרינת אינפרא אדום נספגה ונפלטה על ידי גזים שונים הממלאים את הצינור המרכזי שלו. מדידות כאלה קידמו את ההבנה של אפקט החממה העומד בבסיס ההתחממות הגלובלית ושינויי האקלים.
החשד כי החברה האנושית משפיעה על האקלים החל בשנת 1930, אולם במשך עשרות שנים היה קשה לבדוק זאת בשל פערים גדולים במדע ובטכנולוגיה. בשנות ה-70 של המאה ה-20 חלק מהמדענים חשבו שהעולם הוא בסכנת התקררות עולמית בשל פליטה של עשן ממפעלים שממסך את אור השמש. מדענים אחרים חשבו שאין שום שינוי מהותי בטמפרטורה העולמית הממוצעת של האטמוספירה, ומדענים רבים אחרים סברו כי האקלים עלול להתחמם. ויכוח זה גרר הגדלת ההשקעות בחקר-האקלים, פיתוח אמצעי מדידה מתוחכמים ומהימנים יותר, כגון מדידת טמפרטורות על סמך לוויינים, וכן שיתוף פעולה בין לאומי באיסוף ושיתוף נתונים על טמפרטורה ומשתנים אחרים. עם השנים, מדעני האקלים הלכו והשתכנעו כי האקלים הולך ומתחמם- דבר המוכר כיום כהתחממות עולמית, ותאוריות אחרות נדחו.[1].
החל מסוף שנות ה-90 קיים קונצנזוס מדעי לפיו פני השטח של כדור הארץ התחממו בעשרות השנים האחרונות בשיעור משמעותי, בעיקר כתוצאה מן העלייה של גזי חממה כמו פחמן דו-חמצני ומתאן באטמוספירה של כדור הארץ. כמו כן התגבש קונצנזוס שעלייה זו היא ברובה תוצאה של פעילות אנושית.[2]
ההיסטוריה של חקר גילוי שינוי האקלים, החלה בתחילת המאה ה-19 כאשר מדענים החלו לחשוד כי בעבר התקיימו תקופות קרח ושינויים טבעיים אחרים בפליאואקלים וזיהו לראשונה את קיומו של אפקט החממה הטבעי בכדור הארץ. בסוף המאה ה-19, מדענים טענו לראשונה שפליטת גזי חממה עלולה לשנות את מאזן האנרגיה ואת האקלים של כדור הארץ. קיומו של אפקט החממה, למרות שלא נקרא בשם כזה, הוצע כבר ב-1824 על ידי ז'אן-בטיסט פורייה.[3] הטיעון והראיות התחזקו עוד יותר על ידי קלוד פוילה (אנ') ב-1827 וב-1838. ב-1856 הדגימה יוניס ניוטון פוט שקרינת השמש גורמת לחימום חזק יותר עבור אוויר עם אדי מים מאשר עבור אוויר יבש, וההשפעה גדולה אף יותר עם פחמן דו-חמצני.
בשנות ה-30 של המאה ה-20 התברר כי ארצות הברית וצפון אמריקה התחממו באופן ניכר במהלך כ-50 שנה.[1] מדענים הניחו כי מדובר בשינוי שהוא חלק מתהליך טבעי כלשהו, כנראה תהליך אזורי, עם גורמים בלתי ידועים. מהנדס מנועי הקיטור הבריטי גאי סטיוארט קלנדר (אנ') היה בתקופה זו היחיד שטען כי התחממות זו נובעת מפליטה של גזי חממה עקב התיעוש שעבר האזור. גם הוא וגם אנשים אחרים חשבו שתהליך זה יהיה מועיל לבני האדם.[1] לפי החישובים של קלנדר הכפלה של כמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה תחמם את הפלנטה ב-2 מעלות. הוא המשיך וטען כי קיימת מגמה של התחממות של הפלנטה בגלל גזי חממה. הטענות שלו נתקלו לרוב בספקנות, אבל הוא הצליח למשוך תשומת לב לאפשרות של התחממות עולמית עקב הגברת אפקט החממה.
בשנות ה-50 של המאה ה-20 הטענות של קלנדר עוררו כמה מדענים לבדוק את השאלה של התחממות עולמית. למדענים אלה היו טכנולוגיות ושיטות חישוב טובות בהרבה לעומת מדענים בדורות קודמים.[1] המחקרים בתחום זה התאפשרו בזכות עליה משמעותית במימון ממשלתי למחקרים כאלה, במיוחד מצד סוכניות צבא שרצו לדעת עוד על מזג האוויר ועל גאופיזיקה באופן כללי. לא רק שידע כה עשוי להיות חשוב לגבי קרבות, אלא גם מתוך רצון ליוקרה לאומית בתחרות של המלחמה הקרה מול ברית המועצות.[1] מימון ממשלתי זה אפשר לראשונה הפרויקטים הראשונים של ניטור עקבי יותר של האקלים ושל רמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה. בניגוד להערכות גסות מוקדמות יותר, המחקרים הללו הצביעו כי ייתכן שיש הצטברות של פחמן דו-חמצני באטמוספירה, דבר שיכול לגרום להתחממות.[1]
בשנת 1960 צ'ארלס קילינג(אנ') שהיה אז מדען צעיר, ביצע מדידות של רמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה. המדידות שלו הראו כי אכן יש עליה עקבית של רמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה.[1] מדידות נוספות אוששו את התגלית וכיום מדד זה מכונה עקומת קילינג. (אנ')
בשנות ה-60, הראיות להשפעת ההתחממות של גז פחמן דו-חמצני הפכו משכנעות יותר ויותר. מדענים גילו גם שלפעילויות אנושיות שיצרו אירוסולים אטמוספיריים (למשל, עקב זיהום אוויר) עשויות להיות גם השפעות קירור (שכונתה מאוחר יותר עמעום גלובלי). הוצעו גם תיאוריות אחרות לגורמים להתחממות כדור הארץ, הכוללות כוחות שונים מפעילות הרי געש ועד שונות בפעילות השמש. במהלך שנות ה-70, השתפרה מאד ההבנה המדעית של התחממות כדור הארץ.
מאז שנות ה-90, המחקר המדעי על שינויי אקלים כלל דיסציפלינות מרובות והתרחב. המחקר הרחיב את ההבנה של קשרים סיבתיים, קשרים עם נתונים היסטוריים ויכולות למדוד ולבצע סימולציות ממוחשבות של שינויי אקלים. המחקר בתקופה זו סוכם בדוחות ההערכה של הפאנל הבין-ממשלתי לשינוי האקלים, כאשר דו"ח ההערכה הראשון התפרסם בשנת 1990.
בקרב מדענים העוסקים בתחום, התמיכה בנכונות התאוריה של התחממות עולמית הלכה והתחזקה עם השנים. סקירת מחקרים שפורסה ב-2004 בסיינס, בדקה 928 מאמרים מדעיים שפורסמו בין השנים 1993 ו-2003 עם כותרת שהכילה את המילים "שינוי אקלים". 75% קבעו שתרומת האנושות היא משמעותית, 25% מהאחרים עסקו במחקרים הנוגעים לשיטות מדידה או פלאוקלימטולוגיה ואין להם עמדה ביחס לשאלה של התחממות עולמית בתקופתנו, ואף לא מחקר אחד קבע מפורשות שהיא אינה משמעותית.[2] ב-2010, 97% עד 98% מן החוקרים המפרסמים מאמרים מדעיים שעברו ביקורת עמיתים במדעי האקלים סברו שתרומת האנושות היא משמעותית.[4].
למרות ההסכמה החזקה בקרב מדענים, גורמים בממשל ובתקשורת, במיוחד בארצות הברית, עוסקים בהכחשת שינוי האקלים וטוענים לעיתים קרובות, כי מדע האקלים אינו וודאי. חלקם השתמשו בכך כטיעון נגד אימוץ צעדים חזקים להפחתת פליטת גזי חממה.[2]
