Самые длительные колебании климата – продолжительностью в сотни миллионов лет – связаны с изменением структуры земной коры и планетарного рельефа, процессами формирования и развития атмосферы и океанов, изменениями скорости вращения Земли и солнечной активности. В этих временных рамках удается схематично описать климат отдельных геологических эпох.
Меньшие по масштабу – изменения климата продолжительностью в несколько миллионов лет. Так, кайнозойскую эру удается подразделить на этапы, каждый из которых имеет ряд признаков, отличающих его от других. Общей закономерностью в кайнозойскую эру явилось понижение температуры. Оно привело к появлению ледников в высоких широтах. Оледенение Антарктиды приобрело современные размеры 5 миллионов лет назад. Гренландский ледниковый щит возник 3 – 5 миллионов назад. В это же время установилась климатическая зональность, близкая к современной.
Теперь рассмотрим колебания климата еще меньшего масштаба – продолжительностью в сотни и десятков тысяч лет. Они ярко проявились в последние 700 тысяч лет, или эпоху плейстоцена, распадающуюся на ряд теплых и холодных событий. При похолоданиях развивались мощные ледниковые покровы в Северной Америке и Европе. При этом вода, сконцентрированная в толще ледников, изымалась из Мирового океана. В силу этого его уровень существенно (на 100 – 150 м) снижался. Потепление плейстоцена, называемые межледниковыми, в основных чертах напоминали современный климат. Maкроцикл "оледенение – межледниковье" имел неравно великие части – холодная его часть оказывалась гораздо продолжительнее теплой. Соответственно каждая фаза макроцикла может быть подразделена в свою очередь на этапы продолжительностью несколько тысяч лет и несколько сотен лет.
Примером еще менее продолжительных колебаний климата явились изменения, которые отразились в летописях в хрониках за последнее 2 тысячи лет. Некоторые из них нашли отражение и в географических названиях. Так, "Исландия" означает "ледяная страна" (хотя настоящее время ледники там занимают ничтожную долю площади), а "Гренландия" "зеленая страна" (хотя в настоящее время этот остров покрыт толстым слоем льда). Все дело в том, что заселение Исландии происходило в XIII веке, когда климат Европы был несколько холоднее современного и остров в значительной степени был покрыт льдами. А Гренландия были открыта и заселена викингами в X веке – в это время климат заметно потеплел, ледниковый покров несколько уменьшился, и зеленые просторы, открывшиеся мореплавателям, дали наименование этой земле. Именно потепление позволило викингам не только совершать путешествия в Америку – в это время было предпринято беспримерное в истории плавание на север, причем мореплаватели лишь немного не дошли до полюса. Успеху этих путешествий способствовало отсутствие сплошных ледяных полей в арктических морях, явившееся отражением всемирного потепления.
Вслед за "эпохой викингов" произошло снижение температуры, и эта эпоха получила название "малый ледниковый период". В это время резко усилилась ледовитость северных морей, оледеневшие Гренландии и горных территорий. В Исландии, в течение 1000 лет в летописях отмечалось появление паковых льдов (многолетних дрейфующих морских льдов). Такие льды отсутствовали во время средневекового потепления "эпохи викингов". Они появились в начале малого ледникового периода (ХШ – XV века), снова исчезли во время теплого перерыва в начале XVI века и сократились в конце малого ледникового периода (XII – XV века). В настоящее время паковые льды у берегов Исландии вновь исчезли. Эти климатические изменения прослеживались не только в европейском секторе Арктики, но и в других частях света.
Примером колебаний климата, обычно продолжающихся несколько десятилетий, являются изменения температуры в XX веке. Другой пример – изменения увлажненности области Седели (южная пограничная зона пустыни Сахара). Здесь с периодичностью в 20 – 80 лет возникают засухи из-за того, что сюда не проникает муссон из Гвинейского залива – главный источник влаги внутри континента.
Наконец, примером почти регулярной межгодовой изменчивости служит Южное колебание – комплексное явление, развивающееся в тропической зоне океанов и атмосфере. Рассмотрим его подробнее.
Обычно в экваториальном поясе Тихого океана пассат отгоняет поверхностную теплую воду от берегов Южной Америки, и там вверх поднимаются холодные, насыщенные кислородом, а потому богатые рыбой антарктические воды. Охлажденный морем воздух опускается, поэтому осадки редки и на берегу формируются настоящие пустыни. Наоборот, в западную часть океана, к Австралии и Индонезии, отсюда приходит теплая вода и там выпадают обильные осадки.
Однако раз в несколько лет эта ситуация внезапно меняется. Восточный пассат резко ослабевает, теплая вода с запада волной вдоль экватора возвращается на восток, к берегам Америки, где падает улов рыбы, а над обычно сухими областями (Эквадор, Мексика, Калифорния) льются проливные дожди. Возникающее возмущение в атмосфере распространяется на северо-восток до Евразии западу от Тихого океана в это время наблюдаются засухи в Индии, Австралии, горят обычно влажные леса Новой Гвинеи.
За ветром следуют колебания направления течения. Теплая вода у берегов Перу обычно появляется в конце года, вблизи Рождества, и само это явление получило местное название "Эль-Ниньо" (по-испански – "младенец"). Развитие этого течения связано с периодическим усилением циклонов в атмосфере этого региона. Однако возможно, что появление Эль-Ниньо объясняется не только местными причинами. По-видимому, периодическое усиление восточных ветров в масштабах всей нашей планеты, отражающееся даже на скорости вращения Земли, приводит к возникновению Эль-Ниньо. Эль-Ниньо появлялось редко в малый ледниковый период, в эпоху конкистадоров, которые строили в Мексике дома плоскими крышами, как в Испании. В настоящее время связанные с ним дожди участились, заставило перейти к наклонным крышам.
Теперь рассмотрим причины колебаний климата. Ясно, что они могут иметь двоякую природу. Во-первых, это непосредственная реакция изменение космического воздействия на климат Земли. Во-вторых, колебания климата может определяться исключительно свойствами самой климатической системы. Некоторые причины колебаний климата имеют надежное обоснование, другие носят гипотетический характер. К последним относится изменение солнечной активности. Изменения количества солнечного тепла поступающего на Землю, при усилении солнечной активности ничтожны и не могут вызвать ответной реакции в климатической системе. Однако существуют некоторые косвенные признаки того, изменение солнечной активности каким-то образом проявляется в изменении климатического режима. Механизм этого влияния в настоящее время совершенно неизвестен, существуют лишь некоторые гипотезы, основанные на концепции "спускового крючка". Согласно этим представлениям, влияние солнечной активности запускает в верхней части атмосферы некие процессы, которые ответственны за значительные изменения в температурном режиме и циркуляции воздуха. Таким образом, малые в энергетическом смысле причины порождают значительные последствия.