要了解地球的气候，可以把它想象成一个巨大的、行星级的热机，它吸收太阳辐射来加热，向太空辐射能量来冷却，同时驱动海洋和大气循环。哪些因素决定着地球热机的效率？地球热机的运行如何影响日常天气？在全球气候剧烈变化时代，地球热机将如何响应？2022年1月，《现代物理评论》杂志发表综述文章“气候系统与热力学第二定律”，回顾了热力学和统计物理方法在地球气候系统研究中的应用。
气候系统包括地球的流体外壳：大气、海洋和冰层。这些成分，连同固体岩石圈不断演变的表面性质一起，负责反射一些和吸收大部分来自太阳的辐射。气候系统始终接近能量平衡。总能量随时间没有明显的波动，因为地球辐射发射到太空的速率与吸收太阳能的速率大致相同。由于地球与宇宙处于近乎精确的能量平衡状态，地球在明天和一个世纪后将拥有类似的气候。但随着时间的推移，与严格能量平衡的微小偏差会导致气候发生巨大变化。
行星热机所做的功在大气和海洋中产生了规模和强度很大的涡流，包括海面上的小涟漪和热带气旋中的狂风。湍流使这些涡流变形成新的形状和模式，直到粘度最终将其动能耗散为热量。1955年，爱德华·洛伦茨对能量产生和耗散的合成循环进行了漂亮的描述，这意味着气候系统中的功与摩擦耗散之间的平衡。
气候系统的模型有多种形式，例如模拟整个大气或海洋的大气环流模型，以及捕捉与单云相关过程的详细大涡模拟模型。无论其应用如何，气候模型的一般特征保持不变。将大气或海洋离散化，并在模型网格上数值求解一组表示物理定律的方程，例如质量守恒、动量守恒和能量守恒。