Вполне понятно, что проследить за историей климата Земли можно только по ограниченному количеству показателей не для всей климатической системы, а для отдельных ее компонентов и в основном с использованием косвенных методов и косвенных признаков. Несомненно, в большей степени нас будет интересовать климат не безжизненной Земли, а последних нескольких миллионов или десятков миллионов лет, когда появилась биосфера.

Главную информацию о климате прошлого дают геологические источники, экологическая интерпретация палеобиологических материалов, т. е. макро- и микроостатков растений, включая пыльцу, споры и др., а также животных, погребенных в отложениях различного возраста на континентах, на дне океанов и морей. Кроме того, изучаются древние ископаемые почвы, коры выветривания и различные континентальные отложения.

Существенными видами косвенной информации являются дендрологические, археологические, исторические и другие данные, относящиеся к последнему периоду истории Земли.

В самое последнее время начали широко использоваться геохимические, главным образом изотопные методы анализа, позволяющие количественно интерпретировать некоторые характеристики климата. В соответствии с имеющимися представлениями на Земле было не менее трех крупных ледниковых эпох, последняя около 650 млн. лет назад.

Примерно в течение последних 20 млн. лет распределение материков и океанов на нашей планете стало напоминать настоящее. За это время земная атмосфера прошла существенную эволюцию. Мы не будем детализировать климат первых 4 млрд. лет истории Земли (докембрий) и последних 570—650 млн. лет (фанерозой). Отметим только, что в течение различных геологических эпох наблюдались теплый каменноугольный период в палеозое, около 300 млн. лет назад, холодный — в мезозое, около 200 млн. лет, теплый — в третичном периоде, около 70 млн. лет назад. Более или менее надежные косвенные данные имеются о климате Земли за последние 2 млн. лет (четвертичный период).

Характерной чертой четвертичного периода является формирование биосферы, т. е. тонкой воздушной, водной и почвенной оболочек земного шара, в которых существует жизнь. Биосфера образовывалась в течение миллионов лет из безжизненной геосферы, развивавшейся несколько миллиардов лет. Именно по этой причине в отличие от климатов глубокой древности, когда биосфера отсутствовала, климатические условия четвертичного периода могут соответствовать диапазону возможных изменений климата в будущем.

Последние 1,5—2 млн. лет характеризовались чередованием длительных ледниковых периодов средней продолжительностью 70—120 тыс. лет с более короткими межледниковыми периодами по 15—20 тыс. лет. Предпоследний теплый межледниковый период отмечался 75—120 тыс. лет назад. История цивилизации приходится на последний межледниковый период, начавшийся примерно 10—15 тыс. лет назад, в конце которого мы в настоящее время живем. Этот период получил название голоцена.

Согласно палеоклиматическим данным в течение последних 2 млн. лет средняя температура Земли была близка к нынешней, т. е. порядка 15° С, и колебалась в пределах ±5÷10° С при переходе от ледниковых к межледниковым периодам. На рис. 1 приведены результаты модельных расчетов температуры Земли за последние 4,5 млн. лет. Следует иметь в виду, что и для этого времени термин «ледниковый-межледниковый» периоды не означал, что Земля полностью покрыта льдом или свободна от него. Есть основания полагать, что Северный Ледовитый океан никогда не был полностью свободен ото льда, а Антарктический континент всегда покрывался ледовым панцирем.

Наиболее подробные данные благодаря бурению и анализу колонок континентальных льдов в Гренландии, Антарктиде и других районах земного шара имеются о климате последних 150 тыс. лет. Точность анализа колонок льда для периода последних 50 тыс. лет существенно повысилась в результате применения методов радиоуглеродного анализа данных о вариациях отношения изотопов ¹⁸O/¹⁶O.

На рис. 2 приведены результаты анализов климата Земли за последние 130—140 тыс. лет. Одна кривая характеризует результаты анализа колонок льда в Гренландии по кислороду, другая — в горах Франции — по радиоуглероду. Оба анализа независимо друг от друга указывают на наличие последнего ледникового периода примерно 15—80 тыс. лет назад и наступление 10—15 тыс. лет назад последнего межледникового периода. Чередование этих периодов происходило в северном и южном полушариях.

Наиболее полно этот вопрос исследован при осуществлении американской программы Climap (картирование климата). Были восстановлены ландшафты, температура поверхности воды, орография за последние 450 тыс. лет и более подробно за последний ледниковый период плейстоцена. Методами спектрального анализа различных косвенных показателей климата были установлены три периодичности колебаний климата.

Период в 100 тыс. лет связан с практически таким же периодом колебания эксцентриситета земной орбиты (отношения фокального расстояния от Солнца до Земли к длине главной оси земной орбиты). Периодичность приблизительно в 40—43 тыс. лет связана с периодическими изменениями угла наклона плоскости экватора к плоскости орбиты Земли. Третий период порядка 19—23 тыс. лет связан с прецессией земной орбиты.

Рис. 1. Средняя глобальная температура поверхности Земли за последние 4,5 млн. лет

Рис. 2. Средняя температура поверхности Земли за последние 130—140 тыс. лет

Таким образом, колебания ледниковых-межледниковых периодов в эпоху плейстоцена в значительной мере были обусловлены изменениями приходящей на Землю солнечной радиации в результате колебаний параметров земной орбиты. Ниже мы рассмотрим и другие факторы, ответственные за изменения климата.

Для лучшего понимания истории современного климата и оценки возможных состояний климатической системы в ближайшем будущем наибольший интерес представляет климат последнего ледникового периода и голоцена. Связано это по крайней мере с тремя соображениями. Во-первых, во многих научных исследованиях высказываются опасения, что в отдаленном будущем возможно наступление очередного ледникового периода.

Выше мы отмечали, что чередование ледниковых-межледниковых периодов в значительной мере объясняется изменением параметров земной орбиты. Их экстраполяция указывает на медленную тенденцию к похолоданию. Деятельность человека, по-видимому, внесет серьезные коррективы в ход естественных процессов. Однако при рассмотрении всех вариантов изменения климата вероятность наступления новой ледниковой эпохи исключить нельзя.

Второе соображение основывается на том, что потепления или похолодания в будущем могут иметь черты, присущие отдельным периодам эпохи голоцена. Дело в том, что примерно за последние 10 тыс. лет климат Земли неоднократно менялся. Так, после окончания ледникового периода началось быстрое потепление климата. Примерно 7—8 тыс. лет назад климат был теплее, а некоторые субтропические и теплые умеренные пояса влажнее, чем сейчас. Это привело к развитию культуры Северной Африки, Среднего Востока и долины Инда. Скотоводство, охота и земледелие развивались в местах, которые когда-то были пустынями и засушливы теперь.

Около 4 тыс. лет назад в северном полушарии началось похолодание. Климат высоких широт стал более суровым, многие субтропические области превратились в пустыни. Это привело к исчезновению многих культур, в частности в Сахаре, Аравии, Раджахстане, в долине Инда. Ряд цивилизаций переместились на возвышенности и в долины рек Тигра, Евфрата и др. В последнее тысячелетие климат стал более или менее устойчивым, но в VIII—XII вв. отмечалось потепление, в XIV—XIX вв. — похолодание, а в начале XX в. климат вновь потеплел.