Arrhenius (1896) の計算は、 いまのことばでいえば、0次元 (空間的不均一をどの方向についても区別しない)、 ただし気温と地表面温度とを区別するモデルだった。 (季節別や緯度別の計算もしているが、 気候システムのエネルギー貯留やエネルギー南北輸送を うまく考慮できていないので、年平均、全球平均の結果を見るのがよい。) 太陽からくる放射の値を固定し、二酸化炭素濃度をなんとおりかかえて、温度の定常解をもとめた。 二酸化炭素濃度が標準の2倍のばあいの温度は、標準のばあいの温度よりも、5～6℃ 高くなった。
20世紀なかばにふたたび、二酸化炭素が気候におよぼす影響が議論されたとき、 その指標として、「二酸化炭素濃度が標準の2倍のばあいと標準のばあいの それぞれ定常状態のあいだの全球平均地上気温の差」がとりあげられることが 多かった。その結果は、1℃未満から10℃以上までばらついた。
Manabe & Wetherald (1967) は、鉛直1次元モデルで、 大気中の二酸化炭素濃度を、300 ppm (標準), 600 ppm (倍), 150 ppm (半分) の それぞれの値で固定した実験をおこない、 時間変化のありうるモデルだが、定常状態におちついたところを見た。 結果の地上気温は、600 ppm のばあいに 300 ppm のばあいよりも 2.3 ℃ 高かった。 (ここでは温度差をあつかっているので、単位が ℃ でも K でも値は同じである。) 150 ppm のばあいには、300 ppm のばあいよりも、ほぼ同じだけ、低かった。
それ以後の多くの類似の研究をあわせて、 定常状態の地上気温は、二酸化炭素濃度の対数に対して直線的に変化する、という認識が得られた。
そうすると、どの濃度から出発しても、 その濃度の定常状態と、その2倍の濃度の定常状態と の温度差は、ほぼ同じになる。 これを (増田は)「二酸化炭素濃度倍増に対する定常応答」とよぶことにする。
Manabe & Wetherald (1975) の 3次元モデルでの計算結果では、 二酸化炭素濃度倍増に対する定常応答は、2.9℃であった。 1次元モデルの結果よりやや大きいのは、 3次元モデルでは雪や海氷が変化しうることが正のフィードバックとしてきいたからかも しれないが、偶然の範囲かもしれない。 むしろ、1次元モデルの結果と大差ないことが重要である。 これよりもけたちがいに大きい値や小さい値はありそうもないと考えられたのだ。
アメリカ合衆国科学アカデミー (National Academy of Sciences) の 関連機関の National Research Council のもとに、 Charney を座長とする委員会がつくられ、 二酸化炭素による気候変化についての知見をレビューして、 1979年に報告書 (NRC, 1979) を出した。 そこで利用可能な3次元の気候モデルによる定常応答の結果としては、 NOAA GFDL の 真鍋たちの結果 (上記) のほかに、 NASA GISS の Hansen たちの結果 (論文はそのときは出ておらず 1984年に出た) があり、 GISS のほうが大きめの 4℃ぐらいの値をしめしていた。 Charney 委員会は、他の方法による研究も参考にし、不確かさの幅をもたせて、 二酸化炭素濃度倍増に対する定常応答は 1.5 -- 4.5 ℃ である可能性が高いとした。
それから、気候システムに関する知見はだいぶゆたかになったが、 ながらく、この1.5 -- 4.5 ℃ という範囲はちぢまらなかった。 ちぢまらないおもな原因は、 地上気温の上昇にともなって、雲がどのように変化するか (「雲量」つまり雲におおわれた面積比がふえるかへるか、また、上層の雲がふえるか) が、まだよくわからず、 雲のフィードバックが正か負かもわからないことである。
2021年に出た IPCC 第6次評価報告書のうちの第1部会報告の第7章では、 多数の知見を総合して、 この量 (この報告書では「ECS」とよばれている。下で説明する。) の最適な推定値は 3℃であり、 2.5 -- 4℃の範囲にある「可能性が高い」(確率 66%以上) 、 2 -- 5℃の範囲にある「可能性が非常に高い」 (確率 90%以上)、 1.5℃よりも大きいことは「ほぼ確実」 (確率 99%以上)とした。 「可能性が高い」などの用語と確率との対応はIPCCでの約束として2000年ごろにきめたものだが、 確率の数値のきめかたは厳密なものではない。 この量の「可能性が高い」範囲が、第5次 (2013年) の 1.5 -- 4.5 ℃ にくらべると、せばまった。 これはおもに、気候モデルが (地球温暖化にかぎらない) 気候の変動のなかでの 雲のフィードバックをどのくらいよく再現しているかを評価し、 それがよいモデルに大きな重みをつけた結果である。
気候システムの状態を、 ひとまず、全球平均地上気温で代表させ、「地上気温」と略すことにする。 気候システムに系外からの強制作用がはたらいたとき、地上気温はどれだけ変わるか。 変わりやすい状況と変わりにくい状況が考えられる。 それを、気候システムの(強制作用に対する)感度が高い状況と低い状況ともいえる。 気候システムの科学 (自然科学) の分野では、 この「気候システムの感度」を略して「気候感度」ということがある。
【気候が他のもの (Xとする) におよぼす影響を考える分野では、 気候が変わったとき Xがどれだけ変わるかを「Xの気候感度」というかもしれない。 このページではそのような議論はしない。】
気候感度の議論がはじまった1970-80年代には、 系外からの強制作用の代表としては、太陽が出す放射 (エネルギーの流れ) を とることが多かった。 それは、いわゆる太陽定数で代表され、 「太陽定数が 1 % ふえると地上気温は何℃上がるか」のような形で論じられた。 阿部・増田 (1993) でもそのような議論をした。
しかし、1990-2000年代に、二酸化炭素などの温室効果気体の濃度の変化による 気候変化の定量的予測がもとめられるようになり、 (増田の用語でいう)「二酸化炭素濃度倍増への定常応答」のことが 「気候感度」 (climate sensitivity) といわれることがふえてきた。
(地上気温の、二酸化炭素濃度の変化への感度と、 太陽定数の変化への感度とは、比例関係にあるとみてよさそうだ。 成層圏の気温をふくめた気候システムの、このふたつの強制作用への応答は、まったくちがうのだが。)
ところが、実際には、二酸化炭素濃度は、連続的に変化する。 その過程での気温は、それぞれの二酸化炭素濃度に応じた定常状態の気温とは 一致しないだろう。 いいかえれば、二酸化炭素濃度に対する実際の気候システムの応答は、 定常応答とはちがったものになるだろう。
それを極端な形にすると、 二酸化炭素濃度が標準の値で、温度がそれに対応する定常状態になっているところで、 二酸化炭素濃度が突然2倍になったらどうなるか。 おそらく、ある時間をかけて、二酸化炭素濃度2倍の定常状態にむかうだろう。 このようなものが「過渡応答」(transient response) といわれる。 Spelman & Manabe (1984) の数値実験は、 大気海洋結合の3次元モデルで、この意味での過渡応答を見たものである。 (ただし、シグナルを大きくするために、二酸化炭素濃度の変化を (2倍でなく) 4倍とした。)
現実の気候変化も、(突然2倍ではなく) 連続的に変化する二酸化炭素濃度に対するものだが、 気候システムの過渡応答というわくぐみで理解できる。
そこで、(増田の用語でいう)「二酸化炭素濃度倍増への定常応答」のことは、 過渡応答と区別して、 「平衡気候感度」 (equilibrium climate sensitivity) といわれることがふえてきた。 IPCC 第5次報告書の第1部会の巻の第7章に出てくる「ECS」という略語はこれをさしている。