Secondo gli scienziati, la Terra si è formata circa 4,5 miliardi di anni fa e le condizioni erano molto diverse da quelle attuali. In particolare, il clima della Terra è cambiato continuamente nel corso della storia, ma sappiamo molto su come era il clima terrestre grazie agli indizi che rimangono nelle rocce, nel ghiaccio e negli alberi fossili. Gli scienziati hanno stabilito che solo negli ultimi 650.000 anni ci sono stati sette cicli di avanzamento e ritiro dei ghiacciai (le cosiddette “Ere Glaciali”), con la brusca fine dell’ultima era glaciale circa 11.700 anni fa. Questo punto della storia della Terra ha segnato l’inizio dell’era climatica moderna e della civiltà umana. Negli ultimi 11.700 anni circa, il clima della Terra è stato relativamente stabile e ciò ha contribuito all’evoluzione di molte specie e della società moderna.

Tuttavia, i cambiamenti climatici di oggi sono diversi da quelli del passato per molti aspetti: le cause naturali hanno un impatto minore e anche le variazioni dell’attività solare e dell’orbita terrestre non possono spiegare completamente i cambiamenti a cui assistiamo oggi. Indubbiamente le attività umane sono il principale motore del cambiamento climatico e in particolare l’uso di combustibili fossili (tra cui gas naturale, petrolio e carbone) sta oggi sovraccaricando l’atmosfera di anidride carbonica (CO₂), aumentando così l’effetto serra. Inoltre, altri gas serra come il metano (CH₄) e il protossido di azoto sono a livelli record nell’atmosfera. Di conseguenza, da un lato il riscaldamento globale si sta intensificando, dall’altro gli oceani stanno diventando più acidi perché assorbono parte delle emissioni di CO₂, alterando le condizioni di questo delicato ecosistema e minacciando l’esistenza di molte specie marine. È quindi indispensabile affrontare il cambiamento climatico e ridurre tutte le emissioni a effetto serra per garantire la nostra sopravvivenza e quella di tutte le altre specie su questo pianeta.

L’effetto serra naturale è un processo naturale che si verifica da quando la Terra ha un’atmosfera: i gas presenti nell’atmosfera, principalmente l’anidride carbonica [CO₂], il metano [CH₄], il protossido di azoto [N₂O], l’ozono [O₃] e il vapore acqueo [H₂O] (chiamati “gas serra naturali”) intrappolano il calore del sole che riscalda la superficie terrestre fino alla confortevole media di 15 gradi Celsius (59 gradi Fahrenheit), mantenendo così la vita su questo pianeta e rendendolo vivibile. Senza questo effetto naturale, la Terra sarebbe un pianeta ghiacciato e inabitabile.

L’atmosfera terrestre è composta da circa il 78% di azoto, il 21% di ossigeno, lo 0,93% di argon, lo 0,04% di anidride carbonica e il restante 0,03% di altri gas. I gas serra naturali contenuti nell’atmosfera terrestre, anche se in concentrazioni molto basse, hanno un impatto fondamentale sul clima. Essi, infatti, a differenza dell’azoto e dell’ossigeno, sono in grado di assorbire la radiazione termica in modo tale da impedirne la dispersione nello spazio. L’atmosfera terrestre senza questi gas renderebbe il clima molto freddo (almeno 33 °C in meno).

I vulcani possono influenzare il clima della Terra. Durante le eruzioni vengono rilasciate nell’atmosfera grandi quantità di gas (tra cui enormi quantità di CO₂) e ceneri. Le ceneri e le altre particelle di polvere immesse cadono in genere rapidamente e hanno un impatto limitato sui cambiamenti climatici, ma una sospensione prolungata nell’atmosfera che oscura la radiazione solare in entrata provoca un effetto di raffreddamento che può durare mesi o anni a seconda dell’intensità dell’attività vulcanica, mentre l’anidride carbonica (CO₂), un gas a effetto serra, contribuisce al riscaldamento globale.

Considerata un prerequisito per la vita sulla Terra, la “radiazione solare” è, in parte, responsabile di alcuni importanti cambiamenti climatici nel lontano passato. Le cosiddette “macchie solari”, cioè le macchie scure sulla superficie del sole, sono parametri molto utili per misurare l’attività solare. È stato osservato che il loro numero varia ogni 11 anni (il cosiddetto “ciclo undecennale dell’attività solare”) e durante questi cicli l’attività solare si intensifica (questo periodo è caratterizzato dalla formazione di facole), ma anche l’attività solare diminuisce in seguito a questo ciclo. Queste continue variazioni dell’attività solare influenzano le temperature globali e regionali sulla Terra.

Le nuvole svolgono un ruolo molto importante: disperdono la luce del Sole e, di conseguenza, la superficie terrestre si riscalda meno perché riceve meno radiazioni solari. Le nuvole assorbono anche la radiazione termica emessa dalla superficie terrestre per poi rilasciarla nuovamente in tutte le direzioni: una parte di questa energia (calore) viene quindi trattenuta dal sistema terrestre.

Le nubi che si formano nell’alta troposfera, chiamate “cirri”, sono solitamente molto sottili, per questo motivo schermano la Terra solo da una piccola parte della radiazione solare in entrata. Inoltre, essendo fredde, rilasciano poco calore nello spazio e quindi in generale hanno un effetto riscaldante. Al contrario, le nubi basse, di solito molto più spesse, hanno sempre un effetto di raffreddamento sul clima medio globale, perché disperdono gran parte della radiazione solare in entrata nello spazio. Nelle condizioni attuali, l’effetto di raffreddamento delle nuvole è quello prevalente.

La circolazione termoalina (a volte chiamata anche “grande nastro trasportatore oceanico”) è quella parte della circolazione oceanica che è guidata da differenze di densità rispetto alle correnti e alle maree guidate dal vento (che sono provocate anche dalla gravità della luna e del sole). La densità dell’acqua marina è infatti strettamente correlata alla temperatura e alla salinità (da qui il nome “termoalina”). In particolare, la formazione di ghiaccio aumenta la salinità, mentre il deflusso e lo scioglimento dei ghiacci la diminuiscono. Questa sorta di “nastro trasportatore” sposta in realtà grandi quantità di calore, che hanno un impatto significativo sul clima. Se, ad esempio, la parte atlantica del nastro trasportatore si fermasse completamente, la temperatura dell’aria scenderebbe in media di 1-2 °C nell’emisfero settentrionale e di ben 8 °C nell’area sopra l’Atlantico Settentrionale. È importante sottolineare che le differenze di salinità e temperatura, che derivano dal riscaldamento-raffreddamento della superficie del mare, sono influenzate anche da altre condizioni, come i flussi superficiali di acqua dolce, tra cui l’evaporazione e le precipitazioni.