I fattori che regolano il clima seguono differenti scale temporali. Possiamo distinguere quelli che hanno condizionato il clima dalla formazione della Terra fino a circa 600 milioni di anni fa dai fattori rilevanti in epoche successive. All'origine il clima era legato alla intensa attività vulcanica, in parte dovuta all'urto con corpi celesti nel sistema solare in via di stabilizzazione gravitazionale e al sollevamento dei primi continenti. Un effetto serra molto intenso (200 atmosfere di anidride carbonica, CO₂): compensava la ridotta attiva del Sole giovane.

Successivamente i fattori geologici si sono sovrapposti con la prima esplosione biologica e con l'avvio del ciclo biogeochimico del carbonio (da 570 milioni di anni fa ad oggi), nel quale microorganismi unicellulari dotati di esoscheletro carbonatico si sono fatti mediatori dell'assorbimento della  CO₂ atmosferica, attraverso il dilavamento delle rocce e la restituzione al ciclo geologico dei carbonati misti alla silice dei sedimenti: la subduzione dei fondali oceanici sotto i continenti liberava di nuovo la CO₂. Questo processo si accompagnava al movimento delle masse continentali (tettonica a zolle e ciclo dei supercontinenti: Rodinia e poi Pangea). L'evoluzione biologica accelerava i suoi processi con la comparsa degli organismi fotosintetici (più antichi) e degli  uucarioti in grado di utilizzare l'ossigeno, O₂.  Questi sono diventati predominanti a partire da circa 220 milioni di anni fa,  trasformando l'atmosfera anossica primordiale e la formazione dello scudo di ozono. Così la vita si affacciò in superficie e si ebbe l'esplosione degli organismi superiori.

Da quelle epoche il clima si è parzialmente stabilizzato o per meglio dire è diventato "bistabile" oscillando fra due estremi. A partire da circa 3 milioni di anni fa, e certamente da 1 milione di anni, sono diventati importanti  i fattori astronomici, che provocano le glaciazioni. Ne conosciamo tre principali: variazione dell'eccentricità dell'orbita ellittica (periodo di circa 100.000 anni); oscillazione dell'inclinazione dell'asse (periodo di circa 40.000 anni); precessione degli equinozi, dovuto al moto "a trottola" dell'asse (periodo circa ogni 23.000 anni).

Su questi si innesta l'attività solare (emissione elettromagnetica di "corpo nero" e vento solare) e l'effetto serra naturale e le sue variazioni (la biosfera adatta le emissioni di CO₂ ai cicli dell'attività solare mentre al culmine delle glaciazioni si decompongono gli idrati di metano del permafrost e delle piattaforme continentali rimaste parzialmente scoperte).

I fattori che condizionano il clima nell'attuale periodo interglaciale sono meno drammatici  e sono: i cicli di circa 11 anni delle macchie solari e dei brillamenti associati (la loro assenza coincide con i  periodi freddi di Maunder; la loro presenza con emissioni coronali di massa e periodi caldi); la circolazione oceanica e la sua alterazione a causa della fusione dei ghiacci.

L'astronomo tedesco Gustav Spörer ha individuato due minimi di attività (assenza di macchie): 1640-1715 e 1400-1510, mentre tra il 1100 e il 1300 vi è stato un infittirsi di attività e un periodo di temperature calde (il massimo medioevale), che favorì diversi eventi storici: l'espansione dei Vichinghi verso l'Islanda, la Groenlandia e il Canada (iniziata intorno al 900 forse per un riscaldamento precoce del Nord Atlantico), la crescita demografica europea con l'espansione a oriente attraverso le Crociate e quella dei popoli nomadi delle steppe siberiane con le invasioni e le conquiste dei Mongoli.

Attraverso il contenuto dell'isotopo del carbonio ¹⁴C (azione dei raggi cosmici sulla CO₂) negli anelli di accrescimento degli alberi longevi si è potuto risalire fino a 5000 anni fa: sono stati individuati ben 12 periodi di 50-100 anni con massimi di concentrazione del ¹⁴C riconducibili a minimi nell'attività parossistica del Sole. Questi episodi spiegherebbero alcuni dei periodi freddi che si sono alternati ai periodi caldi corrispondenti all'epoca romana e prima ancora tra il 2700 e il 1500 a.C. e tra il 5800 e il 4000 a.C. (gli optimum climatici dell'olocene).

Attualmente sono presenti nuovi fattori: l'azione antropica sull'incremento dell'effetto serra a causa delle emissioni di gas serra (mai negli ultimi 890.000 anni la CO₂ e il CH₄ avevano raggiunto i livelli attuali: 385 ppm e 1.7 ppm contro 290 e 0.7 ppm nei periodi più caldi).

Mediante una interpolazione con media mobile a 35 anni (vedi figura) è possibile visualizzare l'andamento medio della temperatura negli ultimi 150 anni e vedere che alcuni brevi periodi di apparente decrescita della temperatura media globale, non in fase con i cicli solari, corrispondono a fenomeni di origine terrestre, come grandi eruzioni vulcaniche.  

(G. Barone Chim & Ind. 2009)

I pericoli per il prossimo futuro previsti sulla base delle conoscenze acquisite e dei modelli di simulazione dell'evoluzione del clima possono essere così sintetizzati.

1. Eccessivo riscaldamento complessivo della superficie e dell'atmosfera.
2. Incremento della turbolenza atmosferica: instabilità meteorologica.
3. Crescita del livello dei mari: sommersione di aree costiere densamente urbanizzate e salinizzazione delle aree costiere agricole.
4. Desertificazioni e alterazioni regionali dei regimi piovosi.
5. Glaciazioni parziali (fusione dei ghiacciai groenlandesi e della calotta polare, alterazione  della corrente del Golfo e interruzione del nastro trasportatore atlantico per il mancato affondamento delle acque dense e salate).

Rimedi? 

Revisione più drastica del trattato di Kyoto, al di là dei palliativi offerti dalla "banca della CO₂". Investimenti in ricerche e tecnologie energetiche innovative, alternative all'uso dei combustibili fossili e una limitazione razionale degli sprechi e del consumismo forsennato dei paesi occidentali e di quelli emergenti, accompagnati da investimenti nella formazione di giovani ricercatori.