Maailman ilmasto on selvästi viileämpi kuin satojen miljoonien vuosien ajan ennen edelleen jatkuvan kvartäärikauden eli jääkausien ajan alkamista noin 2,5 miljoonaa vuotta sitten. Suuret jääkaudet ja lämpimät jaksot ovat kuluneiden vajaan miljoonan vuoden aikana vaihdelleet noin 100 000 vuoden jaksoissa. Viimeinen jääkausi päättyi kymmenentuhatta vuotta sitten.
Maapallon keskilämpötila on ilmastotutkijoiden mukaan nykyisin hieman viileämpi kuin edellisten välijääkausien aikana. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on myös alhaisempi kuin yhteensä yli 350 miljoonaa vuotta kestäneiden paleotsooisen ja mesotsooisen maailmankauden aikana.
Ilmakehässä oli pitkiä geologisia aikajaksoja 5-10 kertaa nykyistä enemmän hiilidioksidia ja maapallon ilmasto oli enimmäkseen lämmin ja kostea. Hapen määrä ilmakehässä saavutti nykyisen tason hieman ennen hiilikauden alkua noin 350 miljoonaa vuotta sitten.
Lämpimimmillään maapallon ilmasto oli tutkijoiden mukaan liitukaudella 136-65 miljoonaa vuotta sitten. Matelijoiden valtakaudeksi sanotun liitukauden keskilämpötila oli noin 6 astetta nykyistä korkeampi ja lämpötilaerot eri leveysasteilla olivat paljon nykyisiä pienemmät. Liitukaudella maapallo kuhisi elämää, joka jätti ihmiselle perinnöksi valtaosan maailman tunnetuista öljy- ja kaasuvaroista.
Liitukausi päättyi ilmaston nopeaan jäähtymiseen noin 65 miljoonaa vuotta sitten. Sen syynä pidetään maapalloon osunutta suurta meteoria ja mahdollisesti valtavia laavapurkauksia Intiassa. Purkauksissa 1,5 miljoonan neliökilometrin alueelle levisi tutkijoiden mukaan 512 000 kuutiokilometriä laavaa. Jäätiköitä alkoi ilmaantua eteläisille napa-alueille 35-40 miljoonaa vuotta sitten ja pohjoiselle napa-alueelle noin 5 miljoonaa vuotta sitten.
Auringon säteily ei riitä maan lämmittämiseksi
Kasvihuoneilmiö on vaikuttanut merkittävästi ilmaston kehitykseen. Se on luonnollinen ja elintärkeä osa maapallon monimutkaista ilmastojärjestelmää. Elämä maapallolla ei olisi mahdollista ilman kasvihuoneilmiötä, koska auringon säteily ei ilman sitä riitä lämmittämään maapalloa elämälle soveltuvaksi. Ilmiöllä tarkoitetaan maapallon lämpenemistä, joka johtuu siitä, että ilmakehän kasvihuonekaasut estävät auringon säteilemän lämmön karkaamisen avaruuteen ja vangitsevat osan siitä lämmittämään maapalloa, hieman kuin kasvihuone. Ilmakehä läpäisee näkyvän valon aallonpituudella tulevan auringonsäteilyn, mutta heijastaa takaisin osan infrapuna-alueella maapallolta säteilevästä lämmöstä.
Auringon säteilyenergia eli niin sanottu aurinkovakio on nykyisin 1 360 wattia neliömetrille kohtisuorassa tasossa. Maapallon pinnalle tuleva säteilyenergia on keskimäärin 340 wattia neliömetrille, koska maa on pallo. Ilman kasvihuoneilmiötä maapallon tasapainolämpö olisi -18 astetta. Kasvihuoneilmiön ansiosta keskilämpö on nykyisin noin 15 astetta eli 33 astetta säteilytasapainoa korkeampi.
Ylivoimaisesti tärkein kasvihuonekaasu on vesihöyry. Sen osuus kasvihuoneilmiön vaikutuksesta on noin 21 astetta. Hiilidioksidin vaikutus on noin 7 astetta ja otsonin 2 astetta. Niiden jälkeen tärkeimmät kasvihuonekaasut ovat dityppioksidi ja metaani. Muita kasvihuonekaasuja ovat mm. NH3, NO2, HNO3 ja SO2. Keinotekoisia kasvihuonekaasuja ovat mm. halogenoidut hiilivedyt, perfluorihiilivety ja rikkiheksafluoridi.
Ilmaston vaihteluun lukuisia eri syitä
Maapallon ilmastojärjestelmä on hyvin monimutkainen lukuisten eri suuntiin vaikuttavien prosessien lopputulos. Ilmaston kehityksen suunnan määräävät viime kädessä kosmiset ja geologiset voimat, joihin ihminen ei pysty vaikuttamaan. Lyhytaikaiseen ilmastokehitykseen ihminen on tutkijoiden mukaan kuitenkin vaikuttanut toimillaan maanviljelyksen alkamisesta lähtien. Vaikutus voimistui nopeasti 1800-luvulta lähtien teollistumisen ja maailman väestön kasvun vaikutuksesta.
Keskeinen ilmastovaikuttaja on aurinko, jonka säteilystä maa saa energiaa. Sen määrään vaikuttavat niin maan etäisyys auringosta ja kiertoratojen muoto kuin maan pyörimisakselin kaltevuus ja pyörimisnopeus. Niiden jaksottaiset muutokset näkyvät ilmastossa.
Heijastus- ja sirontaominaisuudet vaikuttavat tuntuvasti energiavirtoihin. Niihin vaikuttavat esimerkiksi ilmakehän kemiallinen koostumus, jäätiköt, pilvisyys ja kasvillisuus. Maapallolla lämmön kuljetus merivirtojen ja ilmavirtausten mukana on keskeinen säätekijä. Sitä muovaavat merten ja mannerten jakauma sekä vuoristot. Ne muuttuvat jatkuvasti mannerlaattojen hitaan liikkeen ja vulkaanisen toiminnan vaikutuksesta.