[図] 気候システムの中のフィードバック
システムの部分 A と B が相互に影響をおよぼしあっているとする。
Aの変化が B の変化をひきおこし、その B の変化が、 はじめにのべた A の変化を増大させるようにはたらくとき、正 (positive) のフィードバックがあるという。
Aの変化が B の変化をひきおこし、その B の変化が、 はじめにのべた A の変化を抑制するようにはたらくとき、負 (negative) のフィードバックがあるという。
この正・負は、変化自体の符号をさすのではない。 また、よい・わるい という価値判断をふくんでいない。
フィードバックがはたらき、ほかの作用がはたらかないならば、 正のフィードバックは (Aの変化の) 指数関数型の増大、負のフィードバックは指数関数型の減衰をもたらす。
世界平均の地表面温度または地上気温を代表変数として、 気候システムの中でおこるフィードバックを考えてみる。
[図] 気候システムの中のフィードバック
気候システムは、結果が原因に比例するとはかぎらないという意味で「非線形」なシステムである。
地球放射射出の負のフィードバックがあるので、 気候システムは、準定常状態にあることが多く、 気候の変化は、準定常状態をたもちながらすこしずつ変化するととらえられることが多い。
しかし、ときに、正のフィードバックの連鎖で、気候が急激に変化して、 準定常状態からはなれてしまうことも考えられる。 それで他の準定常状態にむかうならば、 理論のたちばでは「多重平衡状態のあいだの遷移」のようなとらえかたをする。
システムのうちで、結果となる量の変化が 原因となる量の変化に 比例する ものを「線形」な システムという。(この「線」は、点・線・面の線ではなく、直線をさすと思ってほしい。) 線形でないことを「非線形」という。
非線形なシステムでは、同じ外部条件のもとで、安定な (準)定常状態が複数あることがある。 つぎの概念図は、下向きに重力がはたらく地上で、でこぼこした面の上を動くボールがある状況の 鉛直断面図と思ってほしい。 ボールがくぼみにいるとき、ボールが少しうごいても、おしもどされる。 くぼみにいることは安定定常状態なのだ。 しかし、ボールが大きくうごかされると、山をこえて、別のくぼみに行ってしまうことがある。
地球の気候には、雪氷アルベドフィードバックによって、安定な (準)定常状態が複数あると考えられる。 いまの気候では、地球のうち高緯度にだけ氷床がある。 しかし、もし、太陽からくる放射の強さや、大気中の二酸化炭素濃度が、いまと同様であっても、 もし全球が雪氷でおおわれた状態にあったら、地球が吸収する太陽放射は少ないので、 エネルギー収支できまる地表面温度は低く、雪氷が安定に存在しうるだろう。 すこしぐらい太陽放射がふえても、この状態からぬけだすことはできない。
現実に、全球凍結がおきたが、 1千万年以内ぐらいで終わったらしい。 終わるしくみは、エネルギー収支だけでは説明困難だが、 地球内部をふくむ炭素循環が関与すれば、二酸化炭素で説明できるだろう。 (温度が低ければ岩石の風化は非常におそくなるが、火山活動はよわまらないので。)