全球气候变暖已不是单纯的学术问题，而是早已经成为国际社会和各国政府所关心的政治问题。尤其是在政府间气候变化专门委员会第4次评估报告工作组被授予2007年诺贝尔和平奖和2009年所谓的“气候门”事件之后，全球变暖在社会上引起很大争论。这些争论很有些类似于核武器的出现所引起的关于物理学的争论以及目前生命科学一些领域的发展与伦理道德的冲突所引起的争论。
一旦争论超出了学术的范畴，全球变暖的科学基础和许多概念都被模糊了，其科学历史也被淡化了。本文的目的既不是为了澄清那些超出学术范围的争论，也不是为了维护全球变暖的观点。相反，我们将介绍全球变暖的物理学基础及其科学发展的历史，目的是为了让读者对全球气候变暖有一个全面的科学认识。
虽然全球变暖在最近几十年才成为热门的研究领域，但认识全球变暖的科学基础在大约两个世纪前就已开始建立了。
从傅里叶在1827年首次提出地球大气具有温室效应，到今天人们认识到人类燃烧化石燃料产生的二氧化碳(CO2)将导致全球气候变暖，其间经历了一个漫长的发展过程。与其他科学领域的发展一样，人类对全球变暖的认识也经历了从最初的感性认识到理论基础的建立，再到逐步修正和完善的过程。这期间有几个关键的步骤是与物理学的发展联系在一起的，那就是量子力学理论和辐射传输理论的建立以及气体分子辐射和吸收谱线的测定。
正是由于现代物理学的发展，大气的温室效应、温室气体以及大气中CO2浓度增加导致全球变暖等的坚实的科学基础才得以建立。
在全球变暖科学近200年的发展历史中，除了大气科学家之外，许多物理学家、化学家和天文学家都做出了直接或间接的巨大贡献，其中既包括一些举世闻名的科学家，如傅里叶、丁铎尔、阿伦尼乌斯、施瓦氏、钱德拉塞卡等，也有一些对公众来说名字比较陌生的学者。
我们将从本文中看到，即使如傅里叶这样著名的学者，在构建该科学领域的最初根基时，仍免不了犯一些错误，甚至是根本性的错误。但是瑕不掩瑜，这是科学认知过程的必然，丝毫不冲淡这些科学巨人的聪明和智慧。
大气层的温室效应可以通过比较地球表面的实际观测温度和假定没有大气层存在的情况下的辐射平衡温度来说明。假定没有大气层的存在，地球表面的辐射能量平衡可以用下面的公式来表示：S0(1-α)πR2=4πR2σT4。
这里的S0=1368Wm-2是太阳常数，也就是太阳辐射在地球轨道的辐射通量，α=0.3，是地球的行星反照率，也就是30%的太阳辐射被反射回太空，只有70%的太阳辐射被地面吸收，R=6370km是地球半径，σ=5.67*10-8Wm-2K-4是斯特蕃-玻尔兹曼常数，T是全球平均地表温度。(1)式的左边表示地球以圆形截面接收太阳的短波辐射，右边表示地球以球面向太空辐射的红外辐射。
把上面所有的参数值代入(1)式，得到地表辐射平衡温度是T=255K。而观测到的全球平均地表温度是288K，这说明大气层的温室效应把地表温度升高了33K。
气候系统是一个复杂的系统，包括各个分量之间的相互作用，例如，既包括大气、海洋、陆地、冰雪之间的相互作用，还涉及物理、化学和生物等过程。当其中一个分量发生变化时，这些相互作用将引起其他分量发生变化，并反馈给最初的变化，从而造成更大的变化。
目前所关心的主要反馈过程包括：水汽正反馈、冰-雪反照率正反馈、云-辐射的反馈等。水汽正反馈指的是，CO2增加导致地面和大气温度增加，造成更多的地表(海洋)液态水蒸发进入大气层，因为水汽本身也是温室气体，水汽的增加将使得地表和大气温度升高更多，从而导致更多的液态水蒸发进入大气层，产生更强的增温，从而构成一个正反馈的过程。
例如，如果大气是干空气，单纯的CO2加倍造成的地面增温大约是1.1K，如果考虑水汽的正反馈，则CO2加倍造成的地面增温将是5.2K。