miniatyr|Bildet viser en mengde vanndammer som skyldes tining i tundraen i Hudsonbukta i Canada, i nærheten av Grønland (2008). Global oppvarming vil øke tiningen i områder med permafrost og torv, noe som lokalt kan føre til landskred og globalt i utslipp av klimagasser. En tilbakekoblingsmekanisme er en prosess som gjør at effekten av endret klimapådriv forsterkes eller dempes. Disse mekanismene spiller en viktig rolle for å avgjøre klimafølsomhet, og den fremtidige klimatilstanden. Prosessene forandrer den naturlige drivhuseffekten slik at jordens klima endres, som ved dagens globale oppvarming. Tilbakekobling er generelt en prosess der endring av en størrelse i et system får en annen variabel til å forandre seg og gir som konsekvens at den andre størrelsen i neste tur endrer den første. Positive tilbakekoblinger forsterker endring i den første størrelsen, mens negative tilbakekoblinger reduserer den. Klimatilbakekobling brukes også i samme betydning som tilbakekoblingsmekanisme.

Begrepet «pådriv» betyr en forandring som kan «tvinge» klimasystemet i retning av oppvarming eller avkjøling. Et eksempel på klimapådriv er økte atmosfæriske konsentrasjoner av klimagasser, som karbondioksid (CO2). Per definisjon er et pådriv eksternt forhold til selve klimasystemet, mens tilbakekoblinger er interne. Tilbakekobling representerer derfor hovedsakelig systemets interne prosesser. Noen tilbakekoblinger kan fungere relativt isolert for resten av klimasystemet, mens andre kan være nært forbundet. Derfor kan det være vanskelig å forutsi hvor mye en bestemt prosess bidrar. Pådriv, tilbakekoblinger og dynamikken i klimasystemet bestemmer hvor mye, og hvor raskt klimaet endrer seg.

Den viktigste positive tilbakekoblingen ved global oppvarming er at høyere temperatur fører til økt innhold av vanndamp i atmosfæren. Dette har igjen som følge videre oppvarming på grunn av kraftigere atmosfærisk tilbakestråling. Den viktigste negative tilbakekoblingen har sammenheng med Stefan-Boltzmanns lov, som sier at mengden varme som utstråles fra jorden til verdensrommet endres med fjerde potens av temperaturen på jordens overflate. Dette medfører at bare en liten temperaturendring fører til en stor økning av varmeutstråling fra jorden.

Effekter av global oppvarming kan føre til positive tilbakekoblinger som direkte bidrar til videre global oppvarming. Menneskeskapt oppvarming kan føre til noen effekter som er brå eller irreversible, avhengig av hastigheten og størrelsen på klimaendringen. Dette har potensial for å gi svært alvorlige konsekvenser for natur og mennesker, som for eksempel skade på habitater, ekstremvær, vannmangel, havnivåstigning, havforsuring og skader på marint liv. Risikoen er også uviss fordi en ikke har tilstrekkelig oversikt over de kompliserte prosessene som skjer i klimasystemet, og resten av naturen. Mye forskning gjøres på dette, hvor FNs klimapanel (IPCC) forsøker å sammenfatte kunnskapen på feltet.

Historie mini|James Croll var den første som hadde en hypotese om en tilbakekoblingsmekanisme som en del av forklaringen på hvorfor istid oppstår.

Den skotske vitenskapsmannen James Croll (1821–1890) var den første som presenterte en idé om at det kan finnes interne prosesser i naturen som kan forsterke eller dempe responsen på en ytre påvirkning. I hans teori fra 1864 om hvordan istider oppstod var han opptatt av samvirket mellom jordens temperatur, refleksjon av sollys, og utbredelse av iskapper. Også den svenske kjemikeren Svante Arrhenius (1859–1927) tok hensyn til dette da han i 1896 gjorde et estimat på hva en fordobling av atmosfærens CO2-innhold ville bety for jordens middeltemperatur. Han tok da hensyn til vanndampens tilbakekobling, altså at økt vanndamp vil forsterke strålingspådrivet som økt CO2 gir.

Det var ikke før i 1960-årene at selve begrepet tilbakekobling ble benyttet i forbindelse med vitenskapelig litteratur om klimaendringer. Etter dette bidro de amerikanske klimaforskerne James Hansen (1941–) og Michael Schlesinger (1943–2018) med grunnleggende forskningsarbeid ved å tallfeste styrken av tilbakekobling for en del prosesser. Dette var i forbindelse med utarbeidelse av klimamodeller.

Når det gjelder bruken av begrepet tilbakekoblingsmekanisme som et matematisk konsept, ble dette første gang benyttet av den amerikanske elektroingeniøren Harold Stephen Black (1898–1983). Hans motivasjon for å studere dette hadde sammenheng med utvikling av metoder for støyredusering i telefonreléer.

Klimasystemet som matematisk modell mini|upright=1.2|Enkelt diagram som viser mekanismene for drivhuseffekten.

Solstrålingen, som består overveiende av kortbølget stråling, går for en stor del gjennom atmosfæren, og varmer opp jordoverflaten. Den resulterende terrestriske strålingen fra jorden er langbølget infrarød stråling (varmestråling), og er bare noe mindre enn fra et sort legeme med samme temperatur. Denne går opp i atmosfæren, og en stor del av strålingen blir absorbert (tatt opp) av gassene der. I neste omgang vil gassene i atmosfæren emittere (sende ut) denne langbølgede strålingen. En del av denne emitterte strålingen fra atmosfæren går ut i verdensrommet, mens en annen del stråles tilbake til jorden. Dette fenomenet kalles for atmosfærisk tilbakestråling, og er hovedgrunnen til selve drivhuseffekten.Barry: Atmosphere, Weather and Climate side 51.

Klimasystemet er komplekst med en rekke koblinger mellom forskjellige mekanismer. Noen av disse tilbakekoblingsmekanismene er positive, slik at en økning av strålingspådrivet (for eksempel forårsaket av menneskeskapte klimagasser) fører til temperaturøkning som setter i gang endringer som forsterker oppvarmingen. Et eksempel er økt vanndampinnhold i atmosfæren som gir ytterligere temperaturøkning. Negative tilbakekoblinger, derimot, gir forandringer som reduserer drivhuseffekten og temperaturen.

Karbondioksid (CO2), metan (CH4) og nitrogenoksid (N2O) er de viktigste drivhusgassene og står for 80 % av det totale strålingsnivået fra såkalte godt blandet drivhusgasser. Årsaken til dette er bruk av fossilt brensel, arealbruk og arealbruksendringer, spesielt innen landbruk.Stocker et al: Fifth Assessment Report side 467. Disse inngår i det store kretsløp i jordsystemet der en snakker om store reservoarer, og utveksling mellom disse. I tillegg til karbonkretsløpet er også vannets kretsløp en stor og viktig komponent, ettersom vanndamp i atmosfæren er den viktigste drivhusgassen.

Ytre pådriv og indre tilbakekoblinger

Begrepet «pådriv» betyr en endring som kan tvinge klimasystemet mot oppvarming eller nedkjøling., p.9. Et eksempel på et klimapådriv er de økte konsentrasjonene av drivhusgasser i jordas atmosfære. Per definisjon er et pådriv eksternt i forhold til klimasystemet, mens tilbakekoblinger er interne. I hovedsak representerer tilbakekoblinger de interne prosessene i systemet. Noen tilbakekoblinger kan opptre isolert fra resten av klimasystemet, mens andre kan være tett koblet med systemet, derfor kan det være vanskelig å si akkurat hvor mye en bestemt prosess bidrar.Hartmann et al: Climate Change Feedbacks side 16.

mini|En forenklet figur av en tilbakemeldingssløyfe hvor alle utganger av en prosess er tilgjengelige som årsaksinnganger. Signalet fra utgangen blir ført tilbake til inngangen til prosessen, og vil enten forsterke eller svekke utgangssignalet.

Tilbakekobling oppstår når utgangen (resulterende virkning, signal) fra et system blir sendt tilbake til inngang som en del av en kjede av virking og effekt som danner en krets eller sløyfe. Over tid vil den resulterende virkningen av prosessen på ett tidspunkt påvirke resultatet av prosessen på et senere tidspunkt. Systemet kan da sies å være «koblet tilbake» i seg selv slik som illustrasjonen til høyre viser. En snakker om positive og negative tilbakekoblinger.

Positiv tilbakemelding er en prosess som skjer i en tilbakekoblingssløyfe hvor effekten av en liten forstyrrelse på et system, fører til en økning av størrelsen av den opprinnelige forstyrrelsen. Det betyr at A («Inngang» i illustrasjonen) produserer mer av B («Utgang» i illustrasjonen) som igjen produserer mer av A.Keesing, R.M. (1981). Cultural anthropology: A contemporary perspective (2nd ed.) p.149. Sydney: Holt, Rinehard & Winston, Inc. Et negativt system med negativ tilbakekobling har den motsatte virkningen, der en endring av A produserer mindre av B som igjen produserer mindre av A. En sier gjerne at positive tilbakekoblinger er selvforsterkende og negative selvregulerende eller dempende.Barry: Atmosphere, Weather and Climate side 358–359. Begge konseptene spiller en viktig rolle innen vitenskap og teknologi, ikke minst innenfor klimatologi.

Klimafølsomhet for CO2 og andre klimagasser har en direkte komponent på grunn av strålingspådrivet gitt av disse gassene, og ytterligere bidrag som kommer fra tilbakekoblinger, som er både positive og negative. I et hypotetisk tilfelle uten tilbakekoblinger vil en dobling av CO2 i atmosfæren utgjøre et strålingspådriv på 3,7 W/m2, og resultere i en global oppvarming på 1 °C. Den gjenværende usikkerheten for fremtidig temperaturøkning skyldes tilbakekoblinger i klimasystemet, blant annet på grunn av faktorer som vanndamp i atmosfæren, albedo (refleksjon av solstråling) og skydannelse.

Pådriv, tilbakekoblinger og dynamikken i klimasystemet bestemmer hvor mye og hvor fort klimaet endres. Den viktigste positive tilbakekoblingsmekanismen i forbindelse med global oppvarming er at økt varme øker mengden av vanndamp i atmosfæren, som igjen fører til ytterligere oppvarming. Den viktigste negative tilbakekoblingen beskrives av Stefan–Boltzmann lov, som sier at mengden energi i form av varmestråling ut fra jorda til verdensrommet (terrestrisk stråling) endres med fjerde potens av temperaturen på jordoverflaten. Det medfører at bare en liten temperaturendring fører til stort utslag i form av utstråling av energi til verdensrommet.

FNs klimapanel (IPCC) har i sin fjerde hovedrapport skrevet at «Den menneskeskapte oppvarmingen kan føre til noen effekter som er plutselige eller irreversible, avhengig av hastigheten og omfanget av klimaendringer.»

Matematisk beskrivelse av tilbakekobling i klimasystem I en enkel modell av jordens klimasystem lar en S være global gjennomsnittlig kortbølget stråling fra solen mot jorden som er på 341 W/m2. Solstrålingen fordelt over hele den roterende jordkulen. Solinnstrålingen ved atmosfærens ytterpunkt, normalt på solstrålene, er rundt 1366 W/m2 (solarkonstanten), men fordelt på en roterende kule deles solarkonstanten på fire. Vidrer er A den utgående langbølget varmestråling som forsvinner ut i verdensrommet. Begge disse gjelder øverst i atmosfæren, altså ved tropospausen. Den utgående strålingen fra jorden finner en ved Stefan-Boltzmanns lov når en betrakter jorden som et såkalt svart legeme:Stocker et al: Fifth Assessment Report side 381–382.

hvor σ er Stefan-Boltzmanns konstant og Te er den effektive globale gjennomsnittlige emisjonstemperaturen. Strålingen som jorden absorberer er gitt av S–ϱS = (1–ϱ)S, der ϱ er en koeffisient for forholdet mellom reflektert solstråling og innkommende stråling. En har at reflektert solstråling ϱS ≈ 102 W/m2 og at ϱ ≈ 0,3.

Ved likevekt er energibalansen for denne enkle modellen av jordens klimasystem slik at innkommende energi i form av sollys, er lik utgående energi i form av langbølget stråling. Den totale strålingsbalansen for jorden kan modelleres ved bruk av mange flere faktorer enn dette, men for denne typen analyser trengs bare noen få parametere. I tilfelle av en forstyrrelse av energibalansen kalles forskjellen mellom inngående og utgående energi øverst i atmosfæren for ∆R:Stocker et al: Fifth Assessment Report side 1450.