thumb|Ændringer i temperatur, kuldioxid, CO2 og mængden af støvpartikler i atmosfæren de seneste 400.000 år som målt i iskerner fra Vostok, forskningsstation på Antarktis thumb|Temperaturen i 420.000 år sammenholdt med kuldioxyd, CO2, metan CH4 og solindstråling som målt i iskerner fra Vostok, forskningsstation på Antarktis
Klimaændringer er variationer af Jordens globale eller regionale klima over en tidsperiode. En klimaændring indebærer at "gennemsnitsvejret" over tid ændrer karakter, f.eks. mere eller mindre nedbør, lavere eller højere temperaturer, mere eller mindre vind eller lignende. Sådanne forandringer kan have eksterne årsager som f.eks. ændringer i Jordens bane omkring Solen, meteornedslag, eller ændret solaktivitet. De kan også forårsages af interne processer på Jorden som f.eks. store vulkanudbrud. Det menes at menneskelig aktivitet i det senere årtier har forårsaget en global opvarmning. I de senere år, særligt i forbindelse med miljøpolitik, er begrebet "klimaændring" derfor ofte blevet brugt om netop disse moderne temperaturstigninger.
Jordens klima er ikke en statisk størrelse, klimaændringer har derfor fundet sted adskillige gange i planetens historie. I flere hundrede millioner år har klimaet fx været meget varmere end det er i vor tid, blandt andet har polerne i 90% af tiden været isfri. For omkring 50 millioner år siden begyndte klimaet at blive koldere; isen blev permanent ved sydpolen på Antarktis for 30 millioner år siden, og for 5 millioner år siden også i Arktis. De seneste 2,5 millioner år har været domineret af stadige istider.
Variationer i vejret er ikke nødvendigvis udtryk for klimaændringer. Vejret er atmosfærens status dag-til-dag og er et kaotisk ikke-lineært dynamisk system. Klimaet er på den anden side den gennemsnitlige status for vejret set over en længere periode, og det er relativt stabilt og forudsigeligt; klimaet omfatter fx den gennemsnitlige temperatur, nedbørsmængde, antal soldage og andre variable der kan måles på en given lokalitet. Det er derfor forandringerne over lange perioder indenfor disse gennemsnitstal, der indikerer en klimaændring, og ikke temperaturvariationer på kort sigt, fx forskelle på temperaturer fra år til år.
Klimatologer benytter "Indicator time series" der repræsenterer forskellige aspekter af klima og økosystemer, de fungerer som kontekst i de enkelte studier. Klimaets øjeblikkelige status kan fx overvåges på grundlag af historiske index.Arctic Change IndicatorsBering Sea Climate and Ecosystem IndicatorsHow scientists study climate change: Some important research concepts used by scientists to study climate variations
For at kunne måle fortidens klima er der desuden blevet udviklet forskellige metoder; forekomsten af blomsterstøv (pollen) er en god klimaindikator for den nære fortid, da forekomsten af plantearter med særlige krav til nedbør og temperaturer kan fortælle om områdets klima. Desuden bruges studier af isotoper; specielt forholdet mellem 16O og 18O i iskerneboringer fra Antarktis og Grønland. Analyser af sedimentkerner er mindre nøjagtige, men de giver data længere tilbage i den geologiske historie.
Faktorer Klimaændringer kan enten være en afspejling af interne faktorer, fx forandringer i Jordens atmosfære, processer i lokale områder (fx i oceanerne eller iskapperne ved polerne) eller menneskelig aktivitet såsom afskovning. Eller et resultat af eksterne faktorer som fx variationer i solens stråling eller Jordens kredsløb om Solen og forøgelse af koncentrationen af drivhusgasser i atmosfæren.Aktuel Naturvidenskab (4;2007): Og nu til vejret…
Klimatiske faktorer thumb|Model af den moderne thermohaline cirkulation En væsentlig faktor for klimaet er havstrømme, og interaktionen mellem atmosfæren og oceanerne kan set over årtier medføre forskellige forandringer af klimaet. Et berømt eksempel er El Niño i Stillehavet, mens Golfstrømmen i Nordatlanten har stor betydning for det europæiske klima. Effekten af disse havstrømme ligger i deres evne til fx at gemme på varme og flytte fra varmere egne til reservoirer i kolde egne. Set over længere tidsskalaer spiller varmecirkulationen i oceanerne en nøglerolle i fordelingen af varme over hele Jorden, og har derfor afgørende betydning for klimaet.Naja Mikkelsen og Antoon Kuijpers: Nordboernes livsgrundlag i Sydvest Grønland
Generelt kan de klimavariationer der skyldes interne faktorer også beskrives som en form for hysterese, i den betydning af klimaet nuværende status ikke kun er en afspejling af input, som fx ændringer af havstrømme, men også af den udvikling der blev gennemgået; fx kan tørre forhold medføre en udtørring af søer og sletter og spredning af ørkener, dette kan igen medvirke til mindre nedbør de følgende år. Klimaændringer kan derfor være selvforstærkende, da forskellige aspekter af et økosystem kan reagere forskelligt på de igangsættende faktorer.
Istider Den mest signifikante klimatiske proces de seneste millioner år er cyklussen mellem istider og mellemistider. De seneste 2,5 millioner år har stadige istider vekslet med varmere mellemistider. I første omgang havde de en varighed på ca. 40 000 år, men for 900.000 år siden gik istiderne over til at vare ca. 100.000 år. Mellem istiderne har der været varmere perioder (mellemistider) normalt med en varighed på 5.000 – 25.000 år. Den sidste istid sluttede for ca. 11.500 år siden.De seneste 150.000 år i Danmark , Geoviden 2, 2005, side 5
Selvom den væsentligste faktor har været variationer i jordens bane omkring solen, har de interne klimatiske faktorer som udbredelse af store kontinentale iskapper og ændringer i vandstanden i havene på op til 130 meter spillet en stor rolle for regionale ændringer. Andre forandringer, herunder Heinrich-begivenheder, Dansgaard–Oeschger-begivenheder og Yngre Dryas, viser at variationer af ismassen potentielt har stor betydning for udviklingen af klimaet selv uden kredsløbs variationer.
left|thumb|Procentdel af gletsjere med vækst i Alperne de seneste 80 år Også uden for perioder med istid anerkendes gletsjere som meget sensitive indikatorer for klimaændringer, da de vokser signifikant under køligere perioder, som fx Den lille istid og trækker sig tilbage under varmere perioder. Gletsjeres vækst og kollaps forstærker dog også effekten af de øvrige faktorer. I de senere år er mange gletsjere verden over svundet ind, da de ikke har været i stand til at regenerere sommerafsmeltningen i løbet af vinteren.
Ikke-klimatiske faktorer Drivhusgasser thumb|Variationer i CO2-koncentrationen i atmosfæren de seneste 500 millioner år Nylige klimastudier har vist at koncentrationen af drivhusgasser i atmosfæren har en væsentlig betydning for den globale gennemsnitstemperatur, da de modvirker udstrålingen af varme fra Jorden til rummet. Forekomsten af drivhusgasser er derfor også vigtige for forståelsen af Jordens fortidige klima. Den største og vigtigste, men varierende, bestanddel af drivhusgasser er vanddamp. En anden vigtig gasart i denne sammenhæng er CO2.
Over de seneste 600 millioner år har CO2-koncentrationen i atmosfæren varieret stærkt, fra omtrent >5000 ppm i nogle perioder til mindre end 200 ppm i andre, disse variationer har hovedsageligt været et resultat af geologiske og biologiske processer. Nylige studier af korrelationen mellem CO2-mængden i atmosfæren og klimaet de seneste 420 millioner år har vist at hurtige skift i koncentrationen af drivhusgasser i atmosfæren korresponderer med drastiske klimaændringer; herunder det termiske maksimum på paleocæn-eocæn-grænsen, den masseuddøen der fandt sted på Perm-Trias-grænsen og afslutningen på den Kryogene periode.
Den forøgelse af CO2-koncentrationen i atmosfæren der er blevet målt i moderne tid, anses som en væsentlig faktor bag den globale opvarmning der er konstateret siden 1950. Ifølge den Internationale klimapanel (IPCC) var mængden forøget til 379 ppm³ i 2005 i forhold til 280 ppm³ i den førindustrielle æra.IPCC: Fourth Assessment Report
Pladetektonik Set over en lang tidskala, vil kontinenternes position på Jorden blive forandret, oceanernes udformning og størrelse vil forandres, bjerge vil blive skabt og nedbrudt, som alt sammen har betydning for de dynamikker der skaber de klimatiske betingelser. Det er fx blevet foreslået at de seneste istider intensitet delvist skyldes dannelsen af Panamatangen mellem Nord og Sydamerika for 3 millioner år siden, der lukkede af for den direkte forbindelse mellem Stillehavet og Atlanterhavet.TECTONICS AND CLIMATE
Solaktivitet thumb|Variationer i solaktiviteten de seneste 600 år, baseret på observationer af solpletter beryllium isotoper. Solen er den ultimative kilde til al energi og dermed varme i Jordens klimatiske system, den energi der tilføres fra solen er derfor en helt essentiel faktor for klimaet. Siden sin dannelse er Solen langsomt blevet klarere og den energi den har udsendt blevet forøget, og denne sekvensielle evolution har haft afgørende indflydelse på Jordens atmosfære. Det menes fx derfor at solenergien tidligt i Jordens historie var for svag til at vand kunne optræde i flydende form, at det alligevel har været tilfældet kaldes den svage sols paradoks.
I moderne tid er der også målt mindre variationer i solaktiviteten, herunder Solcyklussen på 11 år og længerevarende bevægelser, hvilket kan være en væsentlig faktor bag den nuværende globale opvarmning. Der er dog ikke konstateret noget mønster i det meteorologiske data der korresponderer med den 11-årige solplet-cyklus, mens Solens intensitet derimod sandsynligvis har været udløsende for den lille istid og flere varmeperiode observeret mellem 1900 og 1950. Solens cykliske tendenser mht. til energiudstråling er dog endnu ikke forklaret fuldt ud, fx hvordan den adskiller sig fra Solens generelle evolution; solaktiviteten er fx kun blevet studeret vha. pålidelige metoder de sidste 30 år.Stanford Solar Center: Global Warming
Studiet af sammenhængen mellem Solen og klimaet på Jorden er først for nylig atter blevet en integreret del af klimatologien, det skyldes flere fejlslutninger i begyndelsen af 20. århundrede. I begyndelsen af dette århundrede var studiet af solplet-cyklusser et populært emne, og samtidig var regeringer verden over begyndt at indsamle systematiske meteorologiske data. Forskere fandt derfor uafvendeligt sammenhænge mellem solpletsaktiviteten og vejrmønstre, om ikke andet så et eller andet sted i verden. Både amatører og etablerede forskere mente derfor at de havde mønstre der med stor nøjagtighed kunne bruges til at forudsige vejret. Efterhånden viste det sig at alle disse forudsigelser var fejlagtige; fx skulle Afrika opleve en tørkeperiode i 1930’erne i følge en særligt pålidelig forudsigelse, da perioden i stedet blev meget våd, faldt solpletsteorien i stærk miskredit. I årtier herefter blev forskere der studerede sammenhængen mellem Solen og vejret betragtet med skepsis.Spencer R. Weart; "The discovery of Global Warming", 2003
Den formodede sammenhæng mellem solaktivitet og klimaændringer er også i dag genstand for udbredt skepsis, da den delvis bruges som argument mod, at den moderne globale opvarmning skyldes menneskelig aktivitet.
Kredsløbsvariationer Variationer i Jordens kredsløb om Solen har i nogen grad samme virkning på Jordens klima som variationer i solaktiviteten, da små udsving i Jordens bane medfører forandringer i den mængde energi planeten modtager fra Solen; jo længere væk den befinder sig jo mindre energi når overfladen. Disse svingninger kendes som Milankovitch-cyklusser og er en forudsigelig effekt af basale fysiske love og er et resultat af interaktionen mellem Jorden, månen, Solen og de øvrige planeter. Denne type variationer anses som en drivende faktor bag vekslen mellem istider og mellemistider i Pleistocæn samt udbredelsen af Sahara. I lighed med teorierne om solaktiviteten er kredsløbsvariationer blevet et vigtigt stridspunkt i den moderne klimadebat.Se fx Ingeniøren: Vi ændrer verden på et uvidenskabeligt grundlag
Vulkanisme