L'histoire du climat de la Terre est la reconstitution de l'évolution, des fluctuations et de l'impact du climat de la notre planète à la fois sur une échelle de temps géologique (quelques centaines de millions d'années) et de quelques décennies pour les périodes récentes. La reconstitution de l'histoire du climat joue un rôle important dans l'histoire de l'évolution car le développement des espèces et les crises biologiques survenues à des échelles de temps géologiques, comme les extinctions massives, découlent souvent directement des changements climatiques et environnementaux.
Comme la météorologie le climat porte sur le temps qu'il fait (température, pression, humidité, vent, composition de l'atmosphère), mais avec une approche statistique s'intéressant aux valeurs moyennes sur des périodes longues (décennies, siècles,..). Le climat de la Terre est essentiellement variable car le système climatique qui le régit est un système complexe dépendant de nombreux éléments qui évoluent dans le temps et qui interagissent entre eux : énergie solaire incidente, composition de l'atmosphère, surface et position des continents, activité volcanique, spécificités de l'orbite terrestre, développement du vivant, . Aussi la Terre a connu par le passé des climats complètement différents de celui que nous connaissons aujourd'hui. Toutefois contrairement aux planètes terrestres voisines (Mars, Vénus) ayant bénéficié de conditions initiales similaires, son climat est toujours resté dans des limites permettant le maintien de formes de vie. Son évolution au cours des deux derniers siècles découle principalement de l'activité humaine.
La reconstitution du climat passé est complexe car on ne dispose souvent que d'indices indirects et parcellaires. Pour la période historique durant laquelle existe des témoignages écrits, les premiers relevés continus remontent à la fin du Moyen-Age et des données fiables sur la température et plus généralement sur le climat passé ne sont disponibles que depuis la seconde moitié du . Les informations portant sur les périodes antérieures, longtemps considérées comme incertaines, peuvent désormais être mieux documentées et plus précises. On utilise des proxys climatiques issus d'archives naturelles telles que les cernes des arbres, les carottes de glace prélevées notamment pour les périodes les plus anciennes dans les glaciers de l'Antarctique et du Groenland ainsi que le pollen fossilisé. On a mis au point plus récemment un large éventail d'analyses isotopiques qui permettent d'obtenir une précision des mesures jusqu'alors inaccessible et d'étendre notre connaissance sur le climat aux périodes les plus anciennes.
Entre la formation de la Terre (il y a 4,56 milliards d'années) et 3,6 milliards d'années l'absence d'affleurements sédimentaires non métamorphisés nous prive d'indices directs sur le climat de la Terre. Entre 4,3 et 2,8 milliards d'années l'atmosphère terrestre est dépourvue d'oxygène et il est probable qu'elle est constituée d'un mélange d'azote et de gaz à effet de serre (dioxyde de carbone et méthane). La très forte proportion des gaz à effet de serre fait plus que compenser la faible luminosité du jeune Soleil (20 à 30% plus faible qu'aujourd'hui) et porte la température moyenne du globe à des valeurs sans doute supérieures à 30°C. Durant cette période la Terre est une planète-océan et les terres émergées se réduisent à quelques îles éparses. Sous l'action de la tectonique des plaques des continents apparaissent il y a environ 2,9 milliards. L'érosion de ceux-ci par les précipitations entraine l'enfouissement du dioxyde de carbone ce qui diminue l'effet de serre. La Terre se refroidit et subit plusieurs glaciations (notamment la glaciation huronienne) jusqu'à il y a 2 milliards d'années. C'est durant cette période que des organismes vivants dans les océans contribuent à changer radicalement la composition de l'atmosphère en introduisant vers 2,3 milliards d'années une proportion significative d'oxygène dans l'atmosphère (toutefois limitée à 5 à 18 % de la teneur actuelle) et dans les océans (Grande Oxydation). Nous disposons de peu d'informations sur la période comprise entre entre 2 et 1 milliard d'années ce qui lui vaut le sobriquet de milliard ennuyeux. Il est probable que durant cette époque la Terre se soit stabilisée dans une configuration chaude. Entre 750 et 540 millions d'années la Terre connait plusieurs épisodes froids durant lesquels la glace s'étend jusqu'aux latitudes les plus basses (Terre boule de neige). Ces épisodes de glaciation totale déséquilibrent le cycle du carbone faisant grimper le taux d'oxygène présent dans l'atmosphère à une valeur proche de celle que nous connaissons (21%). Cette forte proportion de l'oxygène va permettre le passage du vivant jusque là constitué d'êtres mono-cellulaires à des êtres multi-cellulaires.
Il y a 542 millions d'années la température moyenne se stabilise à une valeur proche de celle que nous connaissons. La vie commence à coloniser pour la première fois les terres. L'apparition de ces organismes terrestres crée un nouvel acteur du cycle du carbone car les plantes, ainsi que le sol qu'elles contribuent à former, constituent un nouveau puits de carbone. Le taux de CO2 baisse et atteint à cette époque des valeurs proches de celles que nous connaissons (300 à 400 ppm). Les changements induits dans le cycle du carbone déclenchent plusieurs périodes glaciaires dont la glaciation Permo-Carbonifère qui s'étend de 330 à 270 Ma. A la fin de cet épisode des changements brutaux provoqués par le cycle du carbone propulsent la Terre dans un climat particulièrement chaud et aride avec une disparition quasi complète des calottes glaciaires. Le taux de CO2 dans l'atmosphère est multiplié par 10 (entre 2 000 et 4 000 ppm). Mais vers 200 millions d'années, la Pangée, supercontinent rassemblant les terres émergées, se recentre sur l'équateur ce qui entraine une accélération de l'érosion et de l'enfouissement du CO2. L'éclatement de la Pangée qui se produit par la suite accélère ce processus et entraine une chute de la température et même, au Jurassique et au Crétacé, quelques épisodes glaciaires toutefois très courts (1 à 3 millions d'années). Durant toute cette période la température moyenne globale du globe reste toutefois supérieure à sa valeur actuelle. Au milieu du Crétacé le niveau des mers atteint un niveau qui ne sera plus dépassé par la suite. Le taux de CO2 diminue régulièrement durant tout l'ère secondaire passant de 4 000 à environ 1 500 ppm.
Sciences du climat
L'histoire du climat de la Terre est reconstituée dans le cadre de deux disciplines scientifiques : la climatologie historique qui porte sur les périodes pour lesquelles on dispose de témoignages écrits et la paléoclimatologie qui exploite les indices laissés dans le sol, les glaciers, (il y a donc un recouvrement entre ces deux approches). La discipline de l'histoire de l'environnement est fortement liée à l'histoire du climat. Ces deux disciplines traitent de l'occurrence et de l'impact des diverses anomalies météorologiques au cours des périodes historiques notamment des phases chaudes et froides prononcées, des périodes de sécheresse extrême ou des conséquences des éruptions volcaniques violentes sur les espaces naturels et les sociétés humaines.
Principaux facteurs influençant le climat
vignette|redresse=2|L'atmosphère est un des quatre acteurs impliqués dans le cycle du carbone modélisé dans ce schéma : l'immense réservoir de carbone est la lithosphère, qui stocke (Gt) de carbone minéral, sous forme de roches carbonatées et de carbone dans la matière organique fossile (réévaluation par rapport aux données du schéma). L'hydrosphère est un réservoir intermédiaire qui stocke de carbone sous forme de gaz carbonique (). L’atmosphère et la biosphère sont des petits réservoirs : le premier stocke principalement sous forme de , le second deux à trois fois plus selon les auteurs.
Différents facteurs ont une incidence sur le climat de la Terre. Ceux-ci sont exogènes (évolution de l'irradiance du Soleil, variations de l'orbite de la Terre), biologiques (organismes produisant de l'oxygène ou du méthane et consommant du dioxyde de carbone), géologiques (volcanisme, tectonique des plaques, érosion/enfouissement) et depuis peu humains (production de dioxyde de carbone par les différentes activités de l'homme). Leur influence devient notable à des échelles de temps très variable allant du siècle pour l'activité humaine aux millions d'années pour les facteurs géologiques. Climat et atmosphère terrestres sont étroitement liés et forment un système complexe dont le fonctionnement est particulièrement difficile à modéliser. La composition de l'atmosphère est en permanence renouvelée par le cycle du carbone et le cycle de l'eau dont les moteurs principaux sont d'une part le rayonnement solaire et d'autre part la chaleur interne de la Terre via le volcanisme et la tectonique des plaques. Les principaux facteurs influençant ces deux cycles sont :
Irradiance solaire
Le rayonnement solaire qui réchauffe l'atmosphère directement (ultraviolet) et indirectement (lumière visible réfléchie dans l'infrarouge par le sol). Cet échauffement entraine l'évaporation des eaux de surface (production de la vapeur d'eau de l'atmosphère) et est à l'origine du processus d'érosion qui absorbe le . La luminosité du Soleil croit de 7 % par milliard d'années : ainsi il y a d'années l'insolation moyenne était d'environ contre de nos jours.
Tectonique des plaques : superficie et position des continents
La tectonique des plaques qui fait évoluer la position sur le globe, le découpage et la superficie des continents des océans et des terres continentales. Ceux-ci sont des puits de mais avec des fonctionnements différents et une efficacité plus grande pour les surfaces émergées. Les caractéristiques des continents ont une très grande influence sur le climat en modifiant l'albédo globalProportion du rayonnement solaire absorbée sous forme d'énergie par l'atmosphère terrestre., la fréquence des précipitations, le taux d'érosion et la vitesse d'enfouissement du carbone. Ces paramètres évoluent sur une échelle de temps très longue.
Activité biologique
à une époque révolue aujourd'hui, la production de méthane par les plantes ; l'absorption du dioxyde de carbone par les plantes et son enfouissement dans le sol puis dans les roches et les sédiments marins.
Gaz à effet de serre
La quantité des gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Ceux-ci sont opaques au rayonnement infrarouge et contribuent donc à réchauffer l'atmosphère en bloquant le rayonnement solaire réfléchi par la Terre dans cette longueur d'onde. Les gaz, dont l'action dans ce domaine est la plus efficace, sont par ordre décroissant le méthane, le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau. De nos jours la vapeur d'eau est le gaz à effet de serre dont l'effet est le plus important du fait de son volume mais il en était tout autrement par le passé ;
Volcanisme
Le volcanisme qui produit le présent dans l'atmosphère. Son intensité s'est atténuée avec le temps au fur et à mesure que l'intérieur de la Terre s'est refroidi. Le volcanisme connait des phases beaucoup plus intenses qui peuvent entrainer un changement climatique radical et de longue durée.
Irrégularités des paramètres orbitaux de la Terre