Klima na Zemi se nechová jako nehybná vrstva vzduchu, ale spíš jako propojený stroj složený z pěti navzájem interagujících částí. Nejvíce pozornosti obvykle získává atmosféra, protože skleníkové plyny zachycují odcházející infračervené záření a mění radiační působení na planetu. Klimatologové však pracují s celým zemským systémem, v němž atmosféra, oceány, led, pevnina a živá biosféra nepřetržitě vyměňují energii a uhlík v uzavřených zpětnovazebných smyčkách.
Oceány fungují jako obrovský zásobník tepla a uhlíku. Přenášejí energii pomocí termohalinní cirkulace a díky vysoké tepelné kapacitě tlumí oteplování povrchu. Kryosféra, tedy mořský led i pevninské ledovce, mění planetární albedo: světlý led odráží část dopadajícího slunečního záření, takže jeho tání odrazivost snižuje a oteplování dále zesiluje. Povrchy pevniny ovlivňují energetickou bilanci drsností terénu, vlhkostí půdy a výparu i transpirací rostlin, které určují tok smyslitelného a latentního tepla zpět do atmosféry.
Do tohoto „stroje“ vstupuje přímo i život prostřednictvím globálního uhlíkového cyklu a biogeochemických zpětných vazeb. Lesy a mořský plankton vážou uhlík fotosyntézou a mění složení atmosféry, zatímco dýchání organismů a rozklad organické hmoty vracejí oxid uhličitý zpět. Změny ve vegetačním pokryvu posouvají jak albedo, tak drsnost povrchu, a tím dále upravují regionální teplotu i srážkové poměry. V dlouhém horizontu tyto provázané procesy společně regulují účinnou energetickou bilanci Země a způsobují, že klima se pozvolna vychyluje, místo aby jen přímočaře rostlo úměrně emisím skleníkových plynů.
