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我们已经强调过，气候也许只是日变化极大的天气状况的平均值。图4.49描绘了年降水量的全球变化。同降水的逐年变化相比，温度的年变化较小，但也在变化。我们怎样来说明这些变化呢？世界各地研究站的科学家正在研究这个问题。他们所应用的数据范围从每日的温度和降水记录，到地球相对于太阳位置的计算结果。由于大多数地方的每日记录只能往回追溯50—100年，因此科学家们就从岩层、地球物质的化学成分、冰芯、湖底沉积、树木年轮等其他来源中寻找关于过去气候的补充信息。
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图 4.49 世界降水变化的模式。降水总量低的地区往往变化大。总体上，气候越干旱，相邻两年的降雨和（或）降雪差异的几率越大。
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长期气候变化
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整个地质时期都发生过显著的气候变化。例如，大约在6500万年前的白垩纪末期，发生过地球气候的突然变冷。这次降温被认为导致了大约当时75%的动植物灭绝（extinction），包括大多数恐龙。再举一个例子，在持续了10万年、在1.1万年前才结束的最后一次冰期中，至少有5个冰盾形成和崩解的周期。
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气候学家已经鉴定出仅在过去的1000年中就有两大气候期：一个中世纪的温暖期和一个“小冰期”。大约在公元800—1200年之间的中世纪温暖期，温度曾经同现在一样温暖或者比现在更暖。聚落和农业向北扩展，到达较高的纬度。维京人拓殖了冰岛和格陵兰岛，葡萄园在不列颠岛生长繁茂。在大约从1300年延续到1850年的小冰期中，北极冰盖扩展，冰川前进。地球上干旱的地区扩大，收成恶化，饥饿蔓延。
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科学家对这种长期的气候变化提出了几种解释。有些气候变化被认为源于地球运动的三个方面的变化，这些变化都影响了到达地球表面的阳光辐射量。第一个变化是地球环绕太阳的轨道形状。它在大约10万年期间从接近圆形变为更接近椭圆形。当轨道接近圆形时，地球经历着较冷的温度；当轨道像现在这样呈椭圆形时，地球有几个月更接近太阳，接受更多的太阳辐射，因此有较高的温度。
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另一个周期同地轴相对于黄道面的倾角有关。倾角每4.1万年从21.5°变化到24.5°。投射到两极地区的辐射量，随着倾角的变化而改变。倾角低——也就是地球处于比较垂直的位置——与寒冷气候时期相伴随。较凉爽的气候被认为是冰盖形成的关键因素。
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最终，地球就像一个未平衡的陀螺顶部一样，在旋转时轻微地摇摆不定，改变着朝向太阳的方向。旋转轴的回转每2.3万年重复一次。当地轴倾斜达到最大时，极地地区接受的太阳辐射少于其他时期，因而变得比较寒冷。
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地理学与生活（插图第11版） [:1705409665]
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短期气候变化
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同地球的周期性变化相比，气候变化得更快、更不规则。规模巨大的火山爆发能改变几年的气候。火山将大量火山灰、水蒸气、二氧化硫，以及其他气体喷射到上层大气。当这些固体和液体的颗粒布满地球的大部分地区时，它们阻挡了通常能到达地面的一部分太阳辐射，产生冷却效应。著名的新英格兰“无夏之年”——1816年，6月下雪，7月结冰——可能就是由前一年印度尼西亚坦博拉火山爆发造成的。那次爆发把大约2亿吨气溶胶和50立方千米灰尘喷射到大气层中。冷却效应持续了一年。20世纪90年代初另一次不算过度的温度下降则归因于1991年7月菲律宾皮纳图博火山的爆发，它使全球平均温度降低了大约0.5℃。
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造成短期气候变化的另外两个因素是海洋环流模式和太阳黑子活动的变化。如“厄尔尼诺”专栏所说，当厄尔尼诺现象发生时，温暖的表层海水从西太平洋向东运动，改变了南北美西部沿岸的气候。太阳黑子——太阳表面比较凉的部分——在数量和强度上发生多年的周期性变化。它们影响着太阳能量的产生和地球上层大气臭氧的浓度。
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温室效应与全球变暖
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我们已经讨论过的所有周期和因素都是自然过程。相比之下，近年来人们热烈辩论的议题之一是：人类是否经由通常所说的温室效应（greenhouse effect），对气候变化产生了作用。简而言之，这个理论是说，聚集在大气层中的某些气体，在其所在处起着绝热层一样的作用，将本应辐射回上层大气和向地球逆辐射的红外辐射封堵起来。换言之，这些气体就像温室的玻璃，允许太阳辐射进入，但阻止其逆辐射回到太空中。如果你曾在寒冷但阳光灿烂的日子进入汽车里，那么你就体验过这样的温室效应——汽车里面的空气比外面暖和。
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地球有一种天然的温室效应，主要是由海洋蒸发或从陆地蒸腾的水蒸气形成的。水蒸气基本保持恒定，但是在过去的大约150年期间，人类活动在大气层中增加了其他温室气体（greenhouse gas）的数量，增强了大气层对热量封堵的能力。许多科学家担心，增强的温室效应会逐渐提高地球表面的平均温度，这一过程称为全球变暖（global warming），将显著影响地球的生态系统。温室效应可远不像这个名称所说的那样仁慈和温文尔雅。
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二氧化碳（CO2）是主要的温室气体，其含量已因人类活动而增加。虽然二氧化碳是自然产生的，但过量的二氧化碳则是燃烧化石燃料（fossil fuel）所释放出来的。自18世纪中期开始的工业革命（Industrial Revolution）以来，大量的煤、石油和天然气被燃烧作为工业动力、为城市供暖和制冷，以及驱动车辆。化石燃料的燃烧使之转变成二氧化碳和水蒸气。与此同时，世界上大部分的森林被砍伐用作木材和开辟为农业用地。砍伐森林通过两种方式增加了温室效应：一是减少了对二氧化碳的吸收和氧气的产生；二是燃烧木柴将二氧化碳以越来越快的速度释放到大气层中。据认为，二氧化碳对全球变暖的潜在贡献率约占55%。
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受人类活动影响的其他重要温室气体是：
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甲烷，来自天然气和煤矿开采、农业和畜牧业、沼泽和填埋场。
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氮氧化物，来自机动车、工业和含氮氧化物的肥料。
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氯氟碳化合物、氢氟碳化合物和全氟碳化合物, 广泛用于工业化学。
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虽然这类气体的数量少，但是其中有些气体封堵热量的作用要比二氧化碳大得多。例如，氮氧化物封堵热量的能力是二氧化碳的360倍，即使甲烷吸收地球附近热量的能力也是二氧化碳的24倍。
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由于工业革命在19世纪开始于欧洲和北美，大气层中二氧化碳的浓度从工业革命前的274×10-6上升到1958年的315×10-6，从那以后到2004年又上升到370×10-6。甲烷在下层大气的浓度已经比工业化以前的水平增加了一倍，而当前仍在以每年大于1%的浓度增加。
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温室效应理论的支持者认为，人类活动已经排放了足够多的各种气体到大气层中，影响着气候。他们担心，过去50年中的加速变暖趋势可能已经超过了典型的气候变动，并且援引了下列证据支持他们的论点：