آب و هوا در آن و به خودی خود، یک سیستم پویای غیرخطی نامنظم| بی نظم است، اما در بسیاری از موارد، مشاهده می‌شود که اقلیم (یعنی وضعیت میانگین آب و هوا) به درستی ثابت و قابل پیش بینی است. این مسئله شامل دمای متوسط، میزان بارش، روزهای آفتابی، و بسیاری متغیرهای دیگری می‌شود که در هر مکانی می‌توان آن را سنجش نمود. اما، تغییراتی نیز درون محیط زمین وجود دارند که می‌تواند بر اقلیم آن تاثیر بگذارد.
یخبندان
توده‌های یخی به عنوان یکی از حساس ترین شاخصهای تغییر اقلیمی شناخته می‌شوند، که عمدتاً طی دوره سرد شدن اقلیم افزایش می‌یابند (مانند دوره کوتاه یخبندان) و در طول گرم شدن آب و هوا در مقیاسهای متوسط زمانی شروع به پسرفت می‌کنند. افزایش و فروپاشی توده‌های یخی، هر دو به نوسان پذیری طبیعی و عمدتاً نیروهای تشدید کننده خارجی کمک می‌کند. اما، طی قرن گذشته، توده‌های یخی نتوانسته‌اند به حدکافی لایه‌های یخی را مجدداً تولید کنند تا جبرانی برای یخ‌های از دست رفته طی ماه‌های تابستانی باشد. (نگاه به پسرفت توده‌های یخی از سال۱۸۵۰ به بعد | پسرفت توده یخی)
مهمترین فرآیندهای اقلیمی چند میلیون سال اخیر چرخه‌های یخبندان و درون یخبندان در دوره یخبندان کنونی می‌باشد. اما واکنش‌های داخلی شکل گرفته در چرخه‌های میلانکوویچ| نوسانات گردشی، شامل صفحات یخی قاره‌ای و m۱۳۰ تغییر سطح دریا است که قطعاً نقش کلیدی را درباره تصمیم گیری پیرامون این مسئله ایفا می‌کند که چه واکنش اقلیمی در بیشتر مناطق مشاهده خواهد شد. تغییرات دیگر، از جمله وقایع هاینریش، حوادث دانسگار اوشگر و داغ‌گلی نورس نشانگر توان بالقوه نوسانات یخبندان است که حتی در غیاب تغییرات گردشی خاص بر اقلیم تاثیر می‌گذارد.نوسان پذیری اقیانوس
تقریباً در مقیاس چند دهه، تغییرات اقلیمی نیز می‌تواند از تغییرات درون سیستم‌های اقیانوسی/ جوی حاصل شود. بسیاری از شرایط اقلیمی، مشهود تر از همه ENSO| نوسان جنوبی ال نینو، بلکه شامل نوسان دهه‌ای پاسیفیک، نوسانان اقیانوس اطلس شمالی، و نوسان اقیانوس منجمد جنوبی بوده که به عنوان شرایطی خاص درون سیستم اقلیمی شناخته شده‌اند، که دست کم در اثر وجود آنها تا حدودی با روشهای گوناگون گرما توانسته در اقیانوسها ذخیره شده و بین منابع مختلفی جابجا شود. در مقیاسهای زمانی طولانی تر، فرآیندهای اقیانوسی همچون گردش ترمو هالاین نقش کلیدی را در توزیع مجدد گرما ایفا می‌نماید، و در صورت تغییر توانسته به شدت بر اقلیم تاثیر بگذارد. حافظه (بازگشت) اقلیمی
بیشتر اشکال نوسان پذیری داخل یک سیستم اقلیمی را می‌توان به شکل پسماند محسوب نمود، به این مفهوم که وضعیت جاری اقلیم نه تنها بیانگر ورودی‌های آن بلکه تاریخچه چگونگی پیدایش و رسیدن به این مرحله در آن می‌باشد. مثلاً، یک دهه شرایط خشکسالی می‌تواند موجب نابودی دریاچه‌ها، خشک شدن کامل دشتها و توسعه کویرها شود. در عوض، این شرایط می‌تواند به بارشهای کمتر در سالهای جاری بیانجامد. بطور خلاصه، تغییر اقلیمی می‌تواند یک فرآیند خودجوش دائمی باشد زیرا جنبه‌های گوناگون محیطی با نسبتهای متفاوت و به طرق گوناگون نسبت به نوساناتی که ناگزیر روی می‌دهد، پاسخ می‌دهند.
عوامل غیر اقلیمی ایجاد کننده تغییر آب و هوایی
گازهای گلخانه‌ای
مطالعات اخیر، نشان می‌دهد که نیروی تابشی در اثر گازهای گلخانه‌ای عامل اصلی گرم شدن جهانی می‌باشد. گازهای گلخانه‌ای نیز نقش مهمی در درک تاریخچه اقلیمی زمین دارند. بر طبق این مطالعات، اثر گلخانه‌ای که در اثر به دام انداختن حرارت از سوی گازهای گلخانه‌ای، تولید گرما می‌کند، نقشی کلیدی در تنظیم دمای زمین دارد.
در طول ۶۰۰ میلیون سال اخیر، مقادیر دی اکسید کربن احتمالاً از بیش از ۵۰۰۰ ppm تا کمتر از ۲۰۰ ppm تغییر کرده که عمدتاً به خاطر تاثیر فرآیندهای زمین شناسی و ابداعات زیست شناسی بوده‌است. با دقتی بیشتر، این مسئله (توسط وایزر و دیگران ۱۹۹۹) مورد بحث قرار گرفت که نوسانات در مقادیر گازهای گلخانه‌ای به ازای ده‌ها ملیون تن در سال به خوبی با تغییر اقلیمی همبستگی ندارد که احتمالاً در این مورد تکتونیک صفحه‌ای نقش غالب تری را ایفا می‌کند. اما، نمونه‌های متعددی از تغییرات سریع در مقادیر گازهای گلخانه‌ای در جو زمین وجود دارند که ظاهراً با گرم شدن شدید رابطه تنگتنگی دارند از جمله دوره حداکثر سوزان پالئوسن- ایوسن| دوران پالئوسن- ایوسن، دوران انقراض پرمین- ترازئیک| دوران انقراض خزندگان و دایناسورها و پایان دوره یخبندان زمین در ناحیه اسکاندیناوی (وارانجیان).
طی دوران جدید، بالا رفتن سطوح دی اکسید کربن به عنوان عامل اصلی محسوب می‌شود که موجب گرم شدن جهان از سال ۱۹۵۰ تاکنون شده‌است.
تکتونیک (زمین ساختی) صفحه‌ای
در طولانی‌ترین مقیاسهای زمانی، تکتونیک صفحه‌ای قاره‌ها را جابجا کرده، اقیانوسها را شکل داده، و کوه‌ها را تشکیل داده و از هم جدا می‌سازد و کلاً به عنوان فرآیندی تعریف شده که اقلیم در آن پدید می‌آید. در زمان اخیر، حرکات صفحه‌ای در مورد تشدید روند دوره یخبندان کنونی بیان شده‌اند زمانی در حدود ۳ میلیون سال قبل، که در آن صفحات (قاره‌ای) آمریکای شمالی و جنوبی با یکدیگر برخورد نمودند تا باریکه پاناما را تشکیل داده و به درهم آمیختگی میان اقیانوسهای اطلس و آرام پایان دهند.
نوسان خورشیدی
خورشید، به عنوان یک منبع فناپذیر است تقریباً تمام انرژی سیستم اقلیمی را تامین می‌نماید، و یک بخش کامل در شکل گیری آب و هوای زمین می‌باشد. درطولانی ترین مقیاسهای زمانی، خورشید همزمان با این که به روند اصلی تکامل خود ادامه می‌دهد، درخشانتر هم می‌شود. در ابتدای پیدایش تاریخ زمین| تاریخ زمین، تصور بر این بود که آن خیلی سرد بوده تا بتواند مایع آب را بر روی سطح زمین حفظ نماید، که این به موضوعی منجر شد که تحت عنوان پارادوکس خورشید جوان بی‌حال شناخته می‌شود.
در مقیاسهای جدیدتر زمانی، اشکال متفاوتی از نوسان خورشیدی نیز وجود دارند از جمله چرخه خورشیدی ۱۱ ساله و دوره تغییرات طولانیتر. اما، چرخه ۱۱ ساله لکه خورشیدی به روشنی و به خودی خود در داده‌های اقلیم شناسی ظهور نمی‌کند. این نوسانات در پیدایش دوره کوتاه یخبندان و برخی موارد مشاهده گرم شدن زمین از سال ۱۹۰۰ تا ۱۹۵۰ تاثیر گذار به حساب آمده‌اند.
تغییرات گردشی
نوسانات گردشی در برخی موارد در تاثیرشان بر اقلیم (زمین، موجب توسعه نوسان پذیری خورشیدی می‌شوند، زیرا نوسانات جزئی در گردش وضعی زمین سبب تغییراتی در توزیع و فراوانی نور خورشید می‌شود که به سطح زمین می‌رسد. یک چنین نوسانات گردشی، تحت عنوان چرخه‌های میلانکویچ، روند کاملاً قابل پیش بینی بر اساس اصول علم فیزیک و در اثر تعاملات دوجانبه زمین و خورشید و سایر سیارات می‌باشند. این نوسانات به عنوان نیروهای محرک موجود در چرخه‌های یخبندان و درون یخبندان از دوره یخبندان کنونی محسوب می‌شوند. نوسانات پیچیده تری نیز وجود دارند، همچون پیشروی و پسروی مکرر بیابان صحرا در واکنش نسبت به انحراف مسیر گردش (وضعی زمین).
فوران آتشفشان
هر نوع فوران آن که در زمانهای مختلف در هر قرن به وجود می‌آید، می‌تواند بر آب و هوا تاثیر بگذارد، که دوره چند سالهای طول می‌کشد تا سرد شود. مثلاً فوران کوه پیناتوبو در سال ۱۹۹۱، که اثر آن به ندرت در نمای دمای جهانی قابل مشاهده‌است. فورانهای عظیم که تحت نام حوزه‌های بزرگ آتشفشانی شناخته می‌شوند، تنها چند بار در هر صد میلیون سال رخ می‌دهند، اما قادر است اقلیم زمین را برای ملیونها سال تغییر داده و موجب انقراض‌های دسته جمعی شود. در ابتدا، دانشمندان تصور می‌نمودند که غبار پراکنده شده در جو در اثر فورانهای بزرگ آتشفشانی از طریق مسدود کردن جزئی انتقال تابش خورشیدی به سطح زمین، مسئول سرد شدن آن بوده‌اند. اما، سنجشها نشان می‌دهد که بیشتر غبار پراکنده شده در جو ظرف شش ماه به سطح زمین بازمی گردد.
تاثیرات انسانی بر اقلیم
عوامل موثر انسانی، فعالیتهایی هستند که به وسیله آن انسانها محیط را تغییر داده و بر اقلیم تاثیر می‌گذارند. بزرگترین عامل مورد نظر کنونی افزایش سطح CO۲ در اثر برونده‌های مربوط به احتراق سوخت فسیلی است که در نتیجه آنها ذرات معلق| آئروسل‌ها (ذرات معلق در جو) موجب اعمال اثر سرد سازی (بر اقلیم) می‌شود. عوامل دیگر، از جمله استفاده از زمین، استهلاک ازن، و تخریب جنگلها نیز بر اقلیم تاثیر گذار هستند.
سوختهای فسیلی
با آغاز انقلاب صنعتی در دهه ۱۸۵۰ و شتابگیری آن تاکنون، مصرف سوختهای فسیلی توسط بشر موجب بالا رفتن سطح CO۲ از مقادیر ppm ۲۸۰~ تا بیش ازppm ۳۷۰ تا امروز شده‌است. این میزان در حال افزایش است تا به بیش از ppm ۵۶۰ پیش از پایان قرن ۲۱ ام برسد. در کنار سطوح فزاینده متان، برای این تغییرات پیش می‌شود که باعث افزایش دمایی حدود c ° ۶/۵-۴/۱ بین سالهای ۱۹۹۰و ۲۱۰۰ شود. (نگاه کنید به گرم شدن جهانی)
آئروسل
اعتقاد بر این است که آئروسل‌های ساخت بشر، به خصوص آئروسل‌های سولفاتی ناشی از احتراق سوخت فسیلی نوعی تاثیر سرد کنندگی اعمال نماید. به نظر می‌رسد که این عامل به همراه نوسان پذیری طبیعی، یک خط تراز نسبی را در نمودار دماهای قرن بیستم در اواسط قرن منظور می‌نماید. بهره برداری از زمین
پیش از استفاده گسترده از سوخت فسیلی، بزرگترین تاثیر بشری بر اقلیم محلی احتمالاً از استفاده از زمین حاصل می‌شده‌است. آبیاری، تخریب جنگلها، و کشاورزی اصولاً باعث تغییر محیط می‌شود. مثلاً، ، آنها میزان آب ورودی و خروجی از یک مکان خاص را تغییر می‌دهند. آنها همچنین می‌توانند با تاثیرگذاری بر پوشش زمین و تغییر مقدار نور خورشید که جذب می‌شود، بازتابش ناحیه‌ای آن را دستخوش تغییر سازند. مثلاً شواهدی موجود است که تایید می‌کند اقلیم یونان و دیگر کشورهای حوزه مدیترانه دائماً دراثر تخریب جنگلها بین سال ۷۰۰ قبل از میلاد تا زمان میلاد تغییر کرده است(چوب این جنگلها برای ساختن کشتی، ساختمان و به عنوان سوخت استفاده می‌شد)، که در نتیجه آن اقلیم جدید در منطقه عمدتاً داغ تر و خشک تر شده و گونه‌های درختی که در دنیای باستان برای ساختن کشتی بکار می‌رفته دیگر در این ناحیه یافت نمی‌شوند. فرضیه جنجالی ویلیام رودیمن فرضیه آنترو پوسن اولیه / می‌گوید افزایش کشاورزی و به همراه آن تخریب جنگلها موجب افزایش دی اکسید کربن و متان طی دوره ۸۰۰۰-۵۰۰۰ سال گذشته شده‌است. این افزایشها که به تنزلهای گذشته بر می‌گردد، می‌تواند مسئول تاخیر در آغاز دوره یخبندان بعدی بر طبق فرضیه رودیمن شود.تاثیر متقابل عوامل
اگر یک عامل خاص (مثلاً نوسان خورشیدی) در جهت تغییر اقلیم عمل کند، پس ساز و کارهایی می‌تواند وجود داشته باشند که سبب تشدید یا کاهش اثرات (آن) شوند. این موارد را نیز بازخورد مثبت| مثبت و بازخورد منفی| منفی می‌نامند. تا آنجا که معلوم است، کلاً سیستم اقلیمی با توجه به این بازخوردها پایدار است: بازخوردهای مثبت مهار نشدنی نیستند. بخشی از دلیل آن، مربوط به وجود یک بازخورد قدرتمند منفی بین دما و تابش پراکنده شده‌است: تابش متناسب با توان چهارم دمای مطلق افزایش می‌یابد.
اما، تعدادی از بازخوردهای مهم مثبت نیز وجود دارند. چرخه‌های یخبندادن و درون یخبندان از دوره یخبندان فعلی بیانگر یک نمونه مهم می‌باشد. باور بر این است که نوسانات گردشی (زمین) برای پیشروی و پسروی صفحات یخی زمان بندی ایجاد می‌کند. اما، خود این لایه‌ها نور خورشید را به فضا منعکس می‌کنند و از این رو باعث ارتقاء سرد شدن و رشد خود می‌شوند، که تحت عنوان بازخورد بازتابش- یخ شناخته می‌شود. علاوه بر این، پایین آمدن سطوح دریا و گسترش یخ رشد گیاهی را کاهش داده و به طور غیر مستقیم باعث افت میزان دی اکسید کربن و متان می‌شود. این عامل سبب سرد شدن بیشتر می‌شود. همینطور، به عنوان مثال، بالا رفتن دماها در اثر برونده‌های انسانی گازهای گلخانه‌ای می‌تواند به پسروی لایه‌های یخی بیانجامد که سطح تیره تر زیرین زمین را آشکار می‌نماید، و در نتیجه به جذب بیشتر نور خورشید منجر خواهد گردید.
بخار آب، متان، و دی اکسید کربن نیز می‌توانند به عنوان بازخوردهای مهم مثبت عمل نمایند، و با بالا رفتن سطوح خود در پاسخ به روند گرم شدن، بدینوسیله آن روند را شتاب بخشند. بخار آب قطعاً به عنوان یک بازخورد (به استثنای مقادر اندک آن در استراتوسفر) بر خلاف دیگر گازهای گلخانه‌ای اصلی می‌تواند به عنوان عوامل موثر عمل کند.
بازخوردهای پیچیده تر شامل احتمال تغییر الگوهای گردشی در اقیانوس یا جو می‌باشند. مثلاً، نگرانی مهم در دوران جدید، ذوب شدن توده یخی گرینلند است که همراه با تن نشست آبها در قطب شمال و ایجاد مانع بر سر گردش ترموهالاین خواهد بود. این مسئله می‌توانست بر جریان خلیج و توزیع گرما به اروپا و ساحل شرقی ایالات متحده اثر بگذارد. دیگر بازخوردهای بالقوه به خوبی قابل درک نمی‌باشند و ممکنست موجب جلوگیری یا افزایش روند گرم شدن بشوند. مثلاً، معلوم نیست که آیا بالا رفتن دماها موجب افزایش یا جلوگیری رشد گیاهی (نباتی) می‌شود که این در عوض می‌تواند کمابیش میزان دی اکسید کربن را تنزل دهد. همچنین، افزایش دما می‌تواند کمابیش باعث ایجاد پوشش ابر شود. چون این موضوع در پوشش متوازن ابری دارای اثر سرد کنندگی می‌باشد، هرگونه تغییری در افزایش ابرها نیز می‌تواند بر آب و هوا اثر بگذارد.شواهد برای تغییر اقلیمی
این شواهد از دسته‌ای از منابع به دست می‌آید که می‌توان برای بازسازی اقلیم‌های قدیمی بکار برد. بیشتر این شواهد تغییرات غیر مستقیم آب و هوایی هستند که از نوسانات موجود در شاخصهایی استنباط می‌شود بر اقلیم تاثیر می‌گذارند، همچون رویش گیاهان، دانش تعیین سن گیاهان با شمارش حلقه‌های رشد، لایه‌های یخی، تغییر سطح دریا، پسروی (لایه) یخی.
تحلیل گرده افشانی
برخی گونه‌ها دارای الزامات خاص اقلیمی هستند که بر پراکندگی‌های جغرافیایی آنها اثر می‌گذارد. هر گونه گیاهی دارای دانه گرده‌ای شکل بارزی می‌باشد و در صورتی که این دانه‌ها در محیطهای عاری از اکسیژن همچون نقاط گندابی، در برابر تخریب از خود مقاومت نشان می‌دند. تغییرات موجود در دانه گرده در سطوح مختلف از این محیط گندابی با بیان تغییرات اقلیمی نشان داده می‌شود.
یک محدودیت در این روش این حقیقت است که دانه گرده می‌تواند از طریق باد یا گاهی اوقات حیات وحش به فواصل عمدتاً دوری منتقل شود.
قاب بال‌ها
بازماندگان سوسک‌های قاب بال معمولاً در آبهای روان و رسوبات زمینی وجود دارند. گونه‌های مختلف این نوع سوسک بیشتر تحت شرایط گوناگون اقلیمی یافت می‌شوند. دانستن دامنهٔ اقلیم کنونی از گونه‌های مختلف، و سن رسوباتی که این گونه‌های بازمانده در آنها یافت می‌شوند، اجازه می‌دهد تا بر روی شرایط اقلیمی گذشته کار تحقیقی انجام گیرد.
زمین شناسی یخبندان
توده‌های یخی پیشرو که خاک و سنگ واریزه و دیگر اجزای (محیطی) را پشت سر می‌گذارند که اغلب موادی داده پذیر (قابل سنجش) در آنها وجود دارد، به هنگامی که توده یخی حرکت می‌کند و از خود این مواد را برجای می‌گذارد، اثر آنها ثبت می‌شود. همچنین، فقدان پوشش یخی را می‌توان از طریق وجود خاک داده پذیر یا حوزه اجزای آتشفشانی تعیین نمود. توده‌های یخی از سوی IPCC به عنوان یکی از حساسترین شاخصهای اقلیمی محسوب می‌شود، و نوسانات مشاهده شده اخیر یک نوع نشانه جهانی از تغییر اقلیمی فراهم می‌سازد.، نگاه کنید به پسروی توده‌های یخی از سال ۱۸۵۰ تاکنون.
ارقام (ثبت شده) تاریخی
ارقام تاریخی عبارتند از نگاره‌های غارها، عمق حفاری زمین در گرینلند، خاطرات، مدرک مستند وقایع (همچون ’نمایشگاه‌های یخی‘ بر روی رودخانه یخ زده تیمز لندن) و شواهد نواحی کشت انگور. از سال ۱۸۷۳ به بعد گزارشهای روزانه هواشناسی ثبت (مستند) شده‌است، و انجمن سلطنتی گردآوری داده‌ها را از قرن هفدهم رواج داده‌است. ارقام ثبتی هر بخش اغلب منبع خوبی از داده‌های اقلیمی هستند.
نمونه‌هایی از تغییر اقلیمی
تغییر اقلیمی در سراسر کل تاریخ زمین تداوم یافته‌است. رشته دیرینه- اقلیم شناسی اطلاعاتی را از تغییر اقلیمی در زمان گذشته فراهم آورده‌است، در حالی که مشاهدات جدید اقلیمی را نیز تکمیل می‌نماید. بی شک، بیشتر این تغییرات ماقبل تاریخی صرفاً حاصل عوامل طبیعی هستند.
چند تا لطیفه از غضنفر