Протягом різних геологічних епох клімат Землі піддавалися істотним змінам. В результаті відбувалося заледеніння в різних районах земної кулі. Так, наприклад, заледеніння відбувалося в Фінляндії і Канаді (археозой), Гренландії та Північної Європі (протерозой), в Африці, Австралії, Південній Америці, Індії (карбон), в Європі та Америці (четвертинний період).
Посушливі і спекотні клімат були характерні для Среднесибирского плоскогір'я (кембрій). Освіта великих запасів кам'яного вугілля було в кам'яновугільний період (карбон). У цю геологічну епоху дерева розвивалися круглий рік. Клімат був теплий і вологий, без різко виражених сезонів року. У післяльодовикову епоху (пермський період) посушливо було в Європі і Північній Америці, волого і тепло в Північному Казахстані і Західному Сибіру. У юрський період помірно і прохолодно було в Західній Арктиці й Антарктиці.
Останні геологічні періоди - третинний і четвертинний, що тривали в цілому 70 мільйонів років, характеризуються значними змінами клімату. У третинний період на сучасній посушливої території південного сходу Європейської території СРСР клімат був теплим і вологим. Тут росли вічнозелені теплолюбні дерева вологого тропічного клімату. В Європі також було тепліше, ніж в даний час. У північних країнах широко поширилися листяні ліси, характерні для помірного кліматичного поясу. Передбачається, що заледеніння в високих широтах Землі почалося в кінці третинного періоду і що воно тривало в четвертинному періоді. Четвертинний період тривав понад мільйон років.
Заледеніння в четвертинному періоді охопило райони суші. Зокрема, територія Європи до 50 ° с. ш. була покрита шаром льоду товщиною до 1км. В цей же час в Північній Америці товщина льоду була ще більше, а південна межа зледеніння просунулася до 40 ° с. ш. місцями трохи південніше.
Пізніше внаслідок потепління льодовики почали відступати на північ. Передбачається, що відступ льодовиків до півдня Швеції відбулося близько 16 000 років тому. Протягом четвертинного періоду в результаті ряду коливань клімату льоди або поширювалися на південь, або відступали на північ, Сліди зледеніння виявлені і в південній півкулі.
Аналіз даних палеоклиматологии дає підставу гіпотезі, що в усі геологічні епохи кліматичні зони на Землі були подібні сучасним. Екваторіальна зона мала вологий клімат, тропічні зони відрізнялися сухістю, вологими були помірні зони і холодними - високі широти на крайньому
півночі і півдні Землі. Однак передбачається, що від однієї геологічної епохи до іншої положення цих зон змінювалося в результаті зсуву екватора і полюсів.
Зміни рівня Каспію. Чудовим мірилом зміни клімату Східної Європи є найбільший в світі замкнуте водоймище - Каспійське море. Відомо, що рівень Каспію безперервно змінюється, причому ці зміни відбуваються більш-менш періодично. На малюнку 83 представлений віковий хід рівня Каспійського моря у міста Баку з 1556 по 1967 р Графік складено Л. С. Бергом на основі непрямих даних і прямих спостережень, які ведуться з 1830 р За останні роки графік доповнений нами. Амплітуда коливання рівня цього моря перевищує 5 м. При цьому в 50-і роки рівень його стрімко впав до найнижчого положення.
На основі ряду фактів встановлено, що в V столітті рівень Каспію на 4,5 м був нижче сучасного. За свідченням арабського географа Іштакрі, в 920 м стара стіна в Дербенті перебувала в море і було видно з-під води шість її веж. Розрахунки показали, що в той час рівень моря був на 8,8 м вище сучасного. Відзначено і низькі рівні Каспію. Наприклад, в XII столітті рівень моря був на 4,3 м нижче сучасного.
Дослідженнями встановлено, що кількість води, що випаровується з дзеркала Каспію, є більш-менш постійною величиною. Тоді природно припустити, що зміна його рівня пов'язано з кількістю притікає води. За розрахунками Б. Д. Зайкова, багатоводна Волга щорічно приносить в Каспій в середньому 251,9 км 3 води, що становить 77,7% усієї кількості води, що поступає. Річки Терек, Сулак, Кура і Урал приносять 43,5 км 3 води, або 13,4%, а всі інші річки, разом узяті, лише 28,8 км 3 води, або 8,9%. Опади на дзеркалі Каспію дають щорічно 71,1 км 3 води. Таким чином, як бачимо, Волга є основним джерелом харчування Каспію, оскільки з 400,8 км 3 води, що поступає (в тому числі і невеликий підземний приплив) Волга приносить щорічно в середньому 251,9 км 3. або трохи більше 60% усієї кількості надходить води. Так як Каспійське море є замкнутим басейном, можна визначити його водний баланс, т. Е. Підрахувати надходження та витрачання води. А. А. Камінський перший пояснив зміну рівня Каспію зміною кількості зимових опадів, що випадають в басейні Волги. Наступними дослідженнями цей висновок був підтверджений.
Серед елементів водного балансу Каспійського моря велике значення має стік, і перш за все стік Волги. Більше половини річного стоку Волги доводиться на весняну повінь, яке залежить від накопичення снігу в зимові місяці. Залежно від кількості зимових опадів стік Волги коливається в досить широких межах - від 300-350 км 3 в рясні опадами роки до 150-200 км 3 в малосніжні роки. Такі значні коливання стоку Волги не можуть не вплинути на рівень Каспію.
У 50-і роки в зв'язку з рядом малосніжних зим стік Волги помітно скоротився. За наближеними підрахунками, в період 1930- 1945 рр. стік Волги внаслідок дефіциту опадів зменшився на 590 км 3, в тому числі за рахунок опадів зимового періоду на 551 км 3. Якщо врахувати, що випаровування з Каспію щорічно складає близько 400 км 3. то таке зменшення опадів і стоку повинно привести до істотного зниження рівня. Таке зниження рівня спостерігалося протягом останніх 20-25 років (див. Рис. 83).
Виникає питання, що буде з Каспійським морем в подальшому. Чи буде і далі знижуватися рівень моря? Л. С. Берг, вивчивши характер коливань рівня Каспію, прийшов до висновку, що зниження його рівня знаходиться в зв'язку з потеплінням Арктики, обумовленим посиленням циклонічної діяльності на півночі і антициклонічною діяльності на Європейській території СРСР. Отже, коливання рівня Каспійського моря визначаються не місцевими умовами погоди, а атмосферними процесами великого масштабу, що викликають коливання клімату. До речі сказати, мала кількість опадів і зменшення стоку в період 1930-1945 рр. спостерігалися одночасно в басейнах Дону, Уралу, Іртиша і Тоболу. У той же час середній стік був особливо високим у басейнах Дніпра, Ангари і Шилки.
Що ж стосується рівня Каспійського моря, то, внаслідок того що зміни його пов'язані з коливаннями клімату і носять більш-менш періодичний характер, в майбутньому можна очікувати нового підвищення рівня. Однак при цьому не можна не враховувати, що в зв'язку з меліорацією клімату посушливого південного сходу Європейської території СРСР частина волзьких вод буде витрачатися на зрошення і обводнення великих земельних масивів. Це призведе до скорочення стоку, що, безумовно, позначиться на загальному зниженні рівня Каспію. При цьому слід врахувати, що роботу по зрошенню і обводнення полів виробляються в межах не тільки басейну Волги, але і Кури, Араксу, Терека та інших річок, що впадають в Каспійське море.
Зміна клімату в останні століття. Вікові коливання клімату, які не залежать від діяльності людини, відбуваються внаслідок зміни характеру загальної циркуляції атмосфери. У свою чергу характер циркуляції, очевидно, залежить від притекающей сонячної радіації та інших причин. Але взаємозв'язок і механізм дії їх на циркуляцію атмосфери виявлені.
Якщо про коливання клімату в геологічні епохи доводиться судити за непрямими даними, то про зміни клімату за останні 250-300 років є більш точні відомості. Спостереженнями встановлено, що за останні більш ніж 100 років в північних країнах відбувалося підвищення температури повітря.
Як показали дослідження, потепління в 20-х і 30-х роках XX століття охопило не тільки Арктику, але і прилеглі райони Європи, Азії та Північної Америки.
Судячи з даних інструментальних спостережень, в першій половині XVIII століття клімат в Європі можна характеризувати як континентальний, з малою кількістю опадів і переважанням північно-східних вітрів. За дослідженнями Брукса, з середини XVIII століття клімат став вологим (типу морського), з м'якою зимою і прохолодним літом. Цей тип клімату, що тривав понад 100 років, привів до настання в Європі льодовиків. З 1850 почалося підвищення температури в зимові місяці в середніх широтах і в Арктиці. У перші 30 років XX століття температура повітря в Північній Європі за три зимові місяці підвищилася в середньому на 2,8 ° в порівнянні з другою половиною XIX століття, причому переважали південно-західні вітри. У Західній Арктиці середня зимова температура в 1931 - 1935 рр. в порівнянні з другим десятиліттям XX століття підвищилася на 9 ° і межа поширення льодів відступила.
Як довго триватимуть сучасні кліматичні умови, сказати важко. У всякому разі, з кінця XIX століття і до 30-х років нашого століття температура на земній кулі підвищилася на 0,6 °, а починаючи з 40-х років і до кінця 50-х вона знизилася на 0,2 ° в порівнянні з періодом потепління.
Чим же пояснюються короткоперіодні коливання клімату? Одні вчені припускають, що ці коливання пов'язані зі змінами сонячної активності, що викликає тривале переважання того чи іншого характеру загальної циркуляції атмосфери. Інші знаходять пояснення подібних коливань клімату в збільшенні і зменшенні запиленості атмосфери, головним чином внаслідок великих вивержень вулканів (див. Розділ X).
Потепління клімату пояснюють і збільшенням в атмосфері двоокису вуглецю (СО2), яке викликане спалюванням палива в дедалі більшій кількості. Однак відомо, що кількість СО2 поступово зростає, а періоди потепління, як і раніше, змінюються періодами похолодання.
В останні роки все більше завойовує позиції гіпотеза, що зв'язує вікові коливання клімату зі змінами кількості надходить сонячної радіації. Згідно з розрахунками (Л. Р. Ракіпова), при зменшенні сонячної постійної на 10% середня температура земної кулі знижується на 8 °. Виходячи з цих співвідношень отримано, що внаслідок збільшення інтенсивності прямої радіації до кінця 30-х років на 5% відбулося відповідне збільшення сумарної радіації на 0,5 1,0%, що повинно було викликати підвищення температури Землі на 0,4-0, 8 °. Остання величина відповідала спостерігається. Розвивають гіпотезу про вплив запиленості атмосфери на зміну клімату (М. І. Будико). При цьому зменшення теплосодержания океанів зв'язується зі зменшенням сонячної радіації в результаті вулканічних вивержень.
Над проблемою зміни клімату в різні епохи працюють багато вчених як в СРСР, так і за кордоном. Однак до теперішнього часу немає жодної загальновизнаною гіпотези. Пізнання фізичних причин змін клімату дозволить більш обгрунтовано розвивати ідеї про поліпшення сучасного клімату в великих масштабах.
Зароджується також нова гіпотеза, що зв'язує зміну температури на Землі, а відповідно і клімату з коливаннями сонячної постійної (К. Я. Кондратьєв).