El clima en la tierra ha variado en todas las escalas de tiempo, incluso mucho antes de que las actividades humanas pudiesen haber desempeñado una función en ello. Se ha avanzado mucho en la comprensión de las causas y mecanismos de estos cambios climáticos. Los cambios en el equilibrio de la radiación de la Tierra fueron el impulsor principal de los cambios climáticos en el pasado, pero las causas de esos cambios son variadas. En cada caso hay que establecer las causas específicas, ya sea en el período glaciar, el calentamiento en la era de los dinosaurios o las fluctuaciones del milenio pasado. En muchos casos, esto se puede hacer ahora con confianza, y muchos cambios climáticos del pasado se pueden reproducir con el uso de modelos cuantitativos.
El clima mundial está determinado por el equilibrio de la radiación en el planeta (véase PF 1.1) Este equilibrio de la radiación de la Tierra puede variar de tres formas fundamentales, causando por ende cambios climáticos: 1) cambiando la radiación solar entrante (por ejemplo, mediante cambios en la órbita terrestre o en el propio sol, 2) cambiando la fracción de la radiación solar reflejada (esta fracción se denomina albedo – puede cambiarse, por ejemplo, mediante variaciones de la envoltura de las nubes, de partículas pequeñas denominadas aerosoles o de la envoltura terrestre) y 3) alterando la energía de onda larga que se irradia nuevamente al espacio (por ejemplo, mediante cambios en las concentraciones de los gases de efecto invernadero). Además, el clima local depende también de la forma en que el viento y las corrientes oceánicas distribuyen el calor. Todos estos son factores que han repercutido sobre los cambios climáticos en el pasado.
Comenzando con los períodos glaciares que han ocurrido en ciclos regulares durante los últimos casi tres millones de años, hay pruebas sólidas de que éstos han estado vinculados a variaciones regulares de la órbita terrestre alrededor del sol – los llamados ciclos Milankovitch (Figura 1). Estos ciclos cambian la cantidad de radiación solar recibida en cada latitud y en cada estación (pero apenas afectan la media mundial anual) y se pueden calcular con precisión astronómica. Todavía se debate cómo es exactamente que esto comienza y termina los períodos glaciares, pero muchos estudios indican que la cantidad de sol en el verano es crucial para los continentes septentrionales: si desciende por debajo de un valor crítico, la nieve del invierno anterior no se derrite en el verano y los mantos de hielo comienzan a crecer, en la medida en que se acumula cada vez más nieve. Las simulaciones con modelos climáticos confirman que un período glaciar puede comenzar de este modo, a la vez que se han empleado modelos conceptuales sencillos, basados en cambios orbitales, para la “reconstrucción” satisfactoria del comienzo de las glaciaciones en el pasado. La próxima gran reducción de la insolación septentrional en el verano, similar a las que comenzaron los períodos glaciares pasados, deberá comenzar en 30,000 años.
Aunque no es su causa fundamental, el dióxido de carbono atmosférico (CO2) también influye en los períodos glaciares. Datos obtenidos de muestras de hielo del Antártico señalan que la concentración de CO2 es baja en las épocas glaciares frías (~190 ppm), y alta en las épocas interglaciares cálidas (~280 ppm); el CO2 atmosférico se presenta después de cambios de temperatura en la Antártica con un retraso de algunos cientos de años. Como los cambios climáticos al principio y al final de los períodos glaciares tardan varios miles de años, la mayoría de estos cambios se ven afectados por un retroefecto positivo de CO2; es decir, un enfriamiento inicial pequeño debido a los ciclos Milankovitch que se amplifica posteriormente, en la medida en que desciende la concentración de CO2. Los modelos climáticos del período glaciar (véase análisis en la sección 6.4.1) ofrecen resultados realistas solo si se conoce la función del CO2.
Durante el último período glaciar, tuvieron lugar unos 20 cambios abruptos y drásticos, que se destacan sobre todo en los registros tomados en los alrededores del Atlántico norte (véase sección 6.4). Estos difieren de los ciclos glaciares-interglaciares por el hecho de que probablemente no incluyen grandes cambios de la temperatura media mundial: los cambios no son sincrónicos en Groenlandia y Antártica, y están en dirección opuesta en el Atlántico sur y norte. Ello significa que no hubiera sido necesario un cambio fundamental en el equilibrio de la radiación mundial para causar estos cambios; y que una redistribución del calor dentro del sistema climático hubiera sido suficiente. Hay evidencias sólidas de que los cambios en la circulación y el transporte térmico oceánicos pueden explicar muchas características de estos sucesos abruptos; datos obtenidos de los sedimentos y simulaciones con modelos muestran que algunos de estos cambios pudieron haber sido provocados por inestabilidades en los mantos de hielo que rodeaban al Atlántico en aquellos momentos, y la liberación asociada de agua dulce al océano.
Ha habido épocas muchos más calientes en la historia del clima: durante la mayoría de los últimos 500 millones de años, probablemente la Tierra estuvo completamente libre de mantos de hielo (los geólogos lo determinan por las huellas que el hielo deja en las rocas), a diferencia de hoy, que Groenlandia y la Antártica están totalmente cubiertas de hielo. Todavía resultan inciertos los datos sobre la abundancia de los gases de efecto invernadero hace un millón de años, es decir, más allá del alcance de las muestras de hielo antártico, pero los análisis de muestras geológicas indican que los períodos cálidos libres de hielo coinciden con altos niveles de CO2 atmosférico. En escalas de tiempo de un millón de años, los niveles de CO2 cambian debido a actividad tectónica que afecta las tasas de intercambio de CO2 entre el océano y la atmósfera con la Tierra sólida. Véase Recuadro 6.1, para obtener más información sobre estos climas antiguos.
Otra causa probable de cambios climáticos pasados es la variación en la producción de energía solar. Las mediciones realizadas en los últimos decenios muestran que la radiación solar varía ligeramente (en cerca de un 0,1%) en un ciclo de 11 años. Las observaciones de las manchas del sol (desde el siglo XVII) y datos de los isótopos generados por la radiación cósmica, ofrecen pruebas de cambios a largo plazo en la actividad solar, La correlación de datos y las simulaciones en modelos indican que la variabilidad solar y la actividad volcánica probablemente sean las razones fundamentales de las variaciones climáticas durante el milenio pasado, antes del comienzo de la era industrial.
Estos ejemplos muestran que los cambios climáticos diferentes en el pasado tuvieron causas diferentes. El hecho de que los factores naturales causaron cambios climáticos en el pasado no significa que el cambio climático actual es natural. Por analogía, el hecho de que los incendios en los bosques durante mucho tiempo hayan sido causados por rayos no significa que no puedan ser causados por un campista descuidado. La PF 2.1 analiza cómo las influencias humanas se comparan con las naturales, en cuanto al papel que éstas desempeñan en los cambios climáticos recientes.