200年前，法國物理學家約瑟夫·傅里葉研究了太陽對地面輻射和地面向外輻射的能量平衡。當系統處于平衡狀態時，地球吸收太陽的凈能量等于地球向外輻射的能量。

地球會向外輻射紅外能量，假設地球是黑體，根據斯特潘-玻爾茲曼定律發射輻射，輻射公式為σT，其中σ為斯特潘-玻爾茲曼常數。由于公式表示的是單位面積的輻射量，因此我們還要乘上地球的表面積，由此得到總公式為4πRσT（公式2）。

我們讓公式1和公式2相等，就可以算出地球的平均溫度大約為-21℃。計算結果與實際不符，科學家經過研究之后得出了結論，地表向外輻射的紅外能量會被大氣重新吸收，從而提高地球的平均溫度，這個結果就是我們所熟悉的溫室效應。溫室效應對地球上的生命至關重要，有了它液態水才得以大量存在。

在接下來的兩個世紀里，科學家在這個模型的基礎上，添加了很多氣候細節，其中就有溫室氣體的影響。二氧化碳、甲烷是我們較常聽到的，但實際上水蒸氣是最強大的溫室氣體。我們無法控制大氣中水蒸氣的濃度，然而可以控制二氧化碳的濃度。

關于二氧化碳對地球溫度的影響的研究最初來自于諾貝爾獎獲得者斯凡特·奧古斯特·阿倫尼烏斯。他在19世紀末用輻射平衡模型得出結論，如果大氣二氧化碳水平減半，那么將進入一個冰河時代。反之，如果二氧化碳濃度翻倍，那么溫度將會上升5-6攝氏度，這與現代的估計值已經相當接近了。

今年的諾貝爾物理學獎真鍋淑郎也在研究二氧化碳增加導致的溫度升高。但與阿倫尼烏斯不同的是，他在輻射平衡的基礎上，還結合對流引起的氣團垂直輸送以及水蒸氣的潛熱。

在1960年代，計算機的計算能力還不是很強大。為了簡化計算，他將模型縮小到一維——一個垂直的柱子，并且他還忽略了氧氣和氮氣對地表溫度的影響。最后得出的結果顯示，當二氧化碳水平翻倍時，全球溫度升高了2°C以上，這個結果現在來看還是非常準確的。