De acordo com os cientistas, a Terra formou-se há cerca de 4,5 mil milhões de anos e as condições eram muito diferentes das actuais. Em particular, o clima da Terra tem mudado continuamente ao longo da história, mas sabemos muito sobre como era o clima da Terra graças a pistas que permanecem em rochas, gelo e árvores fósseis. Os cientistas estabeleceram que, só nos últimos 650 000 anos, houve sete ciclos de avanço e recuo dos glaciares (as chamadas “idades do gelo”), tendo a última idade do gelo terminado abruptamente há cerca de 11 700 anos. Este ponto na história da Terra marcou o início da era climática moderna e da civilização humana. Durante os últimos 11 700 anos, aproximadamente, o clima da Terra tem sido relativamente estável, o que contribuiu para a evolução de muitas espécies e da sociedade moderna.

No entanto, as alterações climáticas de hoje são diferentes das do passado em muitos aspectos: as causas naturais têm menos impacto e mesmo as variações da atividade solar e da órbita da Terra não podem explicar totalmente as alterações a que assistimos hoje. As actividades humanas são, sem dúvida, o principal motor das alterações climáticas e, em particular, a utilização de combustíveis fósseis (incluindo o gás natural, o petróleo e o carvão) está atualmente a sobrecarregar a atmosfera com dióxido de carbono (CO₂), aumentando assim o efeito de estufa. Além disso, outros gases com efeito de estufa, como o metano (CH₄) e o óxido nitroso, atingiram níveis recorde na atmosfera. Consequentemente, por um lado, o aquecimento global está a intensificar-se e, por outro, os oceanos estão a tornar-se mais ácidos à medida que absorvem parte das emissões de CO₂, alterando as condições deste delicado ecossistema e ameaçando a existência de muitas espécies marinhas. Por conseguinte, é imperativo combater as alterações climáticas e reduzir todas as emissões de gases com efeito de estufa para garantir a nossa sobrevivência e a de todas as outras espécies do planeta.

O efeito de estufa natural é um processo natural que tem vindo a ocorrer desde que a Terra tem uma atmosfera: os gases presentes na atmosfera, principalmente o dióxido de carbono [CO₂], o metano [CH₄], o óxido nitroso [N₂O], o ozono [O₃] e o vapor de água [H₂O] (designados por “gases naturais com efeito de estufa”) retêm o calor do Sol, que aquece a superfície da Terra até à média confortável de 15 graus Celsius (59 graus Fahrenheit), mantendo assim a vida neste planeta e tornando-o habitável. Sem este efeito natural, a Terra seria um planeta gelado e inabitável.

A atmosfera da Terra é composta por aproximadamente 78% de azoto, 21% de oxigénio, 0,93% de árgon, 0,04% de dióxido de carbono e os restantes 0,03% de outros gases. Os gases naturais com efeito de estufa contidos na atmosfera terrestre, embora em concentrações muito baixas, têm um impacto fundamental no clima. Com efeito, ao contrário do azoto e do oxigénio, são capazes de absorver a radiação térmica de forma a impedir a sua dispersão no espaço. A atmosfera terrestre sem estes gases tornaria o clima muito frio (pelo menos 33 °C mais frio).

Os vulcões podem influenciar o clima da Terra. Durante as erupções, grandes quantidades de gases (incluindo enormes quantidades de CO₂) e cinzas são libertadas para a atmosfera. As cinzas e outras partículas de poeira libertadas geralmente caem rapidamente e têm pouco impacto nas alterações climáticas, mas uma suspensão prolongada na atmosfera, que obscurece a radiação solar recebida, causa um efeito de arrefecimento que pode durar meses ou anos, dependendo da intensidade da atividade vulcânica, enquanto o dióxido de carbono (CO₂), um gás com efeito de estufa, contribui para o aquecimento global.

Considerada um pré-requisito para a vida na Terra, a “radiação solar” é, em parte, responsável por algumas mudanças climáticas importantes num passado distante. As chamadas “manchas solares”, ou seja, pontos escuros na superfície do Sol, são parâmetros muito úteis para medir a atividade solar. Foi observado que o seu número varia de 11 em 11 anos (o chamado “ciclo de atividade solar de onze anos”) e que, durante estes ciclos, a atividade solar se intensifica (este período é caracterizado pela formação de manchas solares), mas a atividade solar também diminui em resultado deste ciclo. Estas variações contínuas da atividade solar influenciam as temperaturas globais e regionais na Terra.

As nuvens desempenham um papel muito importante: dispersam a luz do sol e, consequentemente, a superfície da Terra aquece menos porque recebe menos radiação solar. As nuvens também absorvem a radiação térmica emitida pela superfície terrestre, libertando-a em todas as direcções: uma parte desta energia (calor) é assim retida pelo sistema terrestre.

As nuvens que se formam na troposfera superior, chamadas “cirros”, são geralmente muito finas, razão pela qual protegem a Terra apenas de uma pequena parte da radiação solar recebida. Além disso, como são frias, libertam pouco calor para o espaço e, por isso, têm geralmente um efeito de aquecimento. Em contrapartida, as nuvens baixas, normalmente muito mais espessas, têm sempre um efeito de arrefecimento no clima global médio, porque dispersam grande parte da radiação solar recebida para o espaço. Nas condições actuais, o efeito de arrefecimento das nuvens é o que prevalece.

A circulação termohalina (por vezes também referida como a “grande correia transportadora oceânica”) é a parte da circulação oceânica que é impulsionada pelas diferenças de densidade das correntes e marés impulsionadas pelo vento (que também são causadas pela gravidade da lua e do sol). A densidade da água do mar está, de facto, intimamente relacionada com a temperatura e a salinidade (daí o nome “termohalina”). Em particular, a formação de gelo aumenta a salinidade, enquanto o escoamento e a fusão do gelo a diminuem. Esta espécie de “correia transportadora” desloca efetivamente grandes quantidades de calor, que têm um impacto significativo no clima. Se, por exemplo, a parte atlântica da correia transportadora parasse completamente, a temperatura do ar desceria em média 1-2 °C no hemisfério norte e até 8 °C na área sobre o Atlântico Norte. É importante sublinhar que as diferenças de salinidade e temperatura, que resultam do aquecimento e arrefecimento da superfície do mar, são também influenciadas por outras condições, como os fluxos de água doce à superfície, incluindo a evaporação e a precipitação.