Paleoklimatologija je znanost o klimatskim promjenama koje su se zbivale tijekom čitave Zemljine prošlosti. Ona se koristi zapisima iz ledenih pokrivača, godova, sedimenta i stijena kako bi odredila prošla stanja klimatskog sustava na Zemlji.
Rekonstrukcija drevne klime Paleoklimatolozi primjenjuju mnogo različitih tehnika kako bi izveli zaključke o drevnim klimama. Led Planinski ledenjaci i polarne kape/ledeni pokrivači čine glavninu izvora podataka u paleoklimatologiji. Nedavni projekti vađenja ledenih jezgara u ledenim kapama Grenlanda i Antarktike pružili su podatke koji potječu nekoliko stotina tisuća godina unatrag—preko 800.000 godina u slučaju projekta EPICA. Unutar ovih slojeva znanstvenici su pronašli pelud što im je omogućilo procjenu ukupne količine biljnog rasta te godine pomoću brojanja peluda. Tankoća sloja može pomoći u određivanju količine oborina u toj godini. Određeni slojevi sadrže pepeo iz vulkanskih erupcija. Zrak zarobljen unutar napadalog snijega nakuplja se u sićušne mjehuriće koji nastaju tako što snijeg od sljedeće godine pritisne prošlogodišnji snijeg sve dublje u led unutar ledenjaka. Zarobljeni zrak pokazao se strahovito vrijednom izvorom za izravno mjerenje sastava zraka u vrijeme formiranja leda. Budući da se stope isparavanja molekula vode s neznatno težim izotopima vodika i kisika blago razlikuju između toplijih i hladnijih razdoblja, promjene u prosječnoj temperaturi površine oceana reflektiraju se u neznatno različitim omjerima između tih izotopa. Prema omjerima navedenih izotopa detektirani su različiti ciklusi.
Dendroklimatologija Znanost prikuplja klimatske informacije iz godova drveća. Godovi živućih stabala velike dobi pružaju podatke unatrag nekoliko stoljeća do nekoliko tisućljeća. Starija nedirnuta stabla koja su se oduprijela raspadu mogu pružati informacije iz još starijeg vremenskog razdoblja tako što se identificiraju obrasci koji se podudaraju godovima poznate dobi kod živih stabala. Godovi petrificiranog drveća pružaju paleoklimatološke podatke za mnogo veći vremenski raspon. Sam fosil se datira pomoću radioaktivnog datiranja unutar široke margine pogreške. Sami godovi mogu dati informacije o padalinama i temperaturi tijekom određene epohe.
U većem vremenskom mjerilu geolozi koriste sedimentske zapise za referiranje o podatcima. Sedimentni sadržaj Sedimenti, koji su ponekad litificirani i oblikuju stijene, mogu sadržavati ostatke očuvane vegetacije, životinja, planktona ili peluda, koji mogu biti karakteristični za određene klimatske zone. Biomarkerne molekule poput alkenona mogu dati informacije o svojoj temperaturi formacije. Kemijski potpisi, posebice omjer Mg/Ca u kalcitu u testovima foraminifera, mogu se koristiti u rekonstrukciji prošle temperature. Izotopni omjeri mogu pružati dodatne informacije. Specifično se to odnosi na zapis δ18O koji odgovara promjenama temperature i volumena leda, dok zapis δ13C reflektira raspon faktora koji su često teški za rasplitanje.
Sedimentna lica U duljoj vremenskoj ljestvici kameni zapisi mogu pokazivati znakove spuštanja i podizanja morske razine; štoviše, mogu se identificirati obilježja poput "fosiliziranih" pješčanih dina. Znanstvenici mogu obuhvatiti veće klimatsko razdoblje proučavajući sedimentne stijene stare nekoliko milijardi godina. Podjela Zemljine prošlosti u odvojena razdoblja uglavnom se zasniva na vidljivim promjenama u slojevima sedimentnih stijena koji demarkiraju glavne promjene u uvjetima. Često oni predstavljaju glavne promjene u klimi.
Koralji Koraljni "prstenovi" slični su godovima drveća, samo što oni odgovaraju na različite stvari kao što je temperatura vode i djelovanje valova. Iz ovog izvora pomoću odgovarajuće opreme može se saznati o temperaturi morske površine i slanosti vode tijekom proteklih nekoliko stoljeća. δ18O iz koraljno crvenih algi pruža korisne aproksimacije površinske temperature mora na većim geografskim širinama na kojima su ograničene mnoge tradicionalne tehnike.
Ograničenja Svim zapisima smanjuje se korisnost što se više ide u prošlost. Najstarija ledena jezgra izvađena je na Antarktici te je bila stara 800.000 godina. Međunarodni napori vrše se na istoj lokaciji kako bi se izvadila jezgra stara 1,2 milijuna godina. Duboki morski zapisi, koji čine većinu izotopskih podataka, postoje samo na oceanskim pločama, koja naposljetku podliježu subdukciji – najstariji očuvani materijal star je 200 milijuna godina. Stariji sedimenti također su skloniji raspadanju zbog dijageneze. Posljedično tome tijekom vremena smanjuju se rezolucija i povjerljivost podataka.
Planetarna vremenska ljestvica Više informacija: Geološka vremenska ljestvica i povijest Zemlje Naše znanje o preciznim klimatskim događajima opada što više idemo u prošlost. Neki poznati događaji zabilježeni su ispod s naznačenom vremenskom ljestvicom radi konteksta. Paradoks slabog mladog Sunca (početak) Snježna gruda Zemlja (~800 milijuna godina) Andsko-saharska glacijacija (~450 milijuna godina) Permsko-trijasno izumiranje (251,4 milijuna godina) Paleocenski-eocenski termalni maksimum (paleocen-eocen, 55 milijuna godina) Mlađi Dryas/Veliko smrzavanje (~11.000 godina) Holocenski klimatski optimum (~7.000-3.000 godina) Klimatske promjene iz 535.-536. (535. – 536. n.e.) Srednjovjekovni topli period (900. – 1300.) Malo ledeno doba (1300. – 1800.) Godina bez Sunca (1816.)
Povijest atmosfere Najranija atmosfera Prvotne plinove koji su nastajali na Zemlji odnosili su solarni vjetrovi u ranoj povijesti planeta sve dok se nije uspostavilo postojano stanje, prva atmosfera. Prema današnjim vulkanskim dokazima prva je atmosfera sadržavala 80 % vodene pare, 10 % ugljikova dioksida, 5 do 7 % sumporovodika, te manje količine dušika, ugljikova monoksida, vodika, metana i inertnih plinova.
Velike kiše uzrokovale su stvaranje ogromnih oceana koji su obilovali ostalim agensima, u početku ugljikovim dioksidom, a kasnije dušikom i inertnim plinovima. Velik dio ekshalacija ugljikova dioksida ubrzo se otopio u vodi i izgradio karbonatne sedimente.
Druga atmosfera Starost prvih pronađenih sedimenata povezanih s vodom procjenjuje se na 3,8 milijardi godina.B. Windley: The Evolving Continents. Wiley Press, New York 1984 Otprilike prije 3,4 milijardi godina dušik je činio velik dio tada stabilne druge atmosfere. Ubrzo će se u procjenu uzimati utjecaj živog svijeta jer su pronađeni tragovi prvih životnih oblika imali starost od otprilike 3,5 milijardi godina.J. Schopf: Earth’s Earliest Biosphere: Its Origin and Evolution. Princeton University Press, Princeton, N.J., 1983 Činjenica kako to nije u skladu sa sunčevim zračenjem ranog Sunca, koje je u odnosu na današnje bilo 30 % manje, opisuje se kao paradoks slabog i mladog Sunca.
Geološki zapis ipak pokazuje kontinuiranu relativno toplu površinu tijekom čitavog ranog temperaturnog zapisa Zemlje s iznimkom jedne hladne glacijalne faze otprije 2,4 milijardi godina. Negdje potkraj kasne ere arheja počela se razvijati atmosfera koja je sadržavala kisik koji su proizvodile fotosintetske alge. Rana osnovna karbonska izotopija uglavnom je u skladu s onim što je pronađeno danas,Celestial climate driver: a perspective from four billion years of the carbon cycle Geoscience Canada, March, 2005 by Jan Veizer a fundamentalna obilježja ciklusa ugljika uspostavljena su najranije prije 4 milijarde godina. Jan Veizer pretpostavio je 2005. ne samo to da je živi svijet nastao s pojavom stijena, nego i da je on tada bio obilniji nego što je danas, te da su fundamentalna obilježja ciklusa ugljika uspostavljena najranije prije 4 milijardi godina.
Treća atmosfera thumb|Udio kisika u atmosferi tijekom posljednjih milijardu godina Akrecija kontinenata otprilike prije 3,5 miljardi godinaVeizer in B. F. Windley (ed.), The Early History of the Earth, John Wiley and Sons, London, p. 569., 1976 nadodalo je tektoniku ploča koja je konstantno razmještala kontinente te također oblikovala dugoročnu klimatsku evoluciju dopuštajući prijenos ugljikova dioksida iz velikih kopnenih karbonatnih spremišta. Slobodni kisik nije postojao sve do prije 1,7 Ga, a to se može vidjeti praćenjem razvoja crvenih dna i kraja slojevitih željeznih formacija. To označava prijelaz iz reducirajuće atmosfere u oksidirajuću atmosferu. 02 je pokazivao veće uspone i padove sve do postizanja postojanog stanja od više od 15 %. Sljedeći vremenski raspon bio je fanerozoik tijekom kojeg su se počeli pojavljivati oblici metazoanskog života koji su koristili kisik za disanje.
Klima tijekom geoloških doba Prekambrijska klima U prve tri četvrtine Zemljine povijesti može se pronaći samo jedna veća glacijacija u geološkom zapisu. Otprilike 950 milijuna godina Zemljina klima pravilno se izmjenjivala između glacijacija, koje su bile opsežne ili su obuhvaćale samo područje polarnih kapa, te ekstenzivnih tropskih klima. Vremenska ljestvica tih izmjena proteže se na gotovo 140 milijuna godina i mogla bi biti povezana sa Zemljinim gibanjem unutar galaktičkih spiralnih krakova, a usporedbom s prethodnim vremenom, značajno je reducirala solarni vjetar.N. J. Shaviv “Cosmic Ray Diffusion from the Galactic Spiral Arms, Iron Meteorites and a possible Climatic Connection”, Physical Review Letters, 89, 051102, 2002
Klima kasnog prekambrija pokazala je neke veće glacijacijske događaje koji su se prostirali nad velikim dijelom Zemlje. U to su vrijeme kontinenti bili okupljeni u superkontinent nazvan Rodinija. Pronađeni su masivni depoziti tilita i anomalnih izotopskih potpisa koji potvrđuju (kontroverznu) hipotezu o snježnoj grudi Zemlja. Kako se proterozoički eon bližio kraju, Zemlja se započela zagrijavati. Do zore kambrija i fanerozoika životni oblici bili su mnogobrojni pogotovo pojavom kambrijske eksplozije kada je prosječna globalna temperatura iznosila oko +22 °C.
Klima fanerozoika thumb|Klimatske promjene tijekom 500 milijuna godina thumb|Promjene koncentracija ugljikova dioksida tijekom 500 milijuna godina Glavni pokretači u predindustrijskim dobima bile su varijacije Sunca, vulkanskog pepela i ekshalacija, relativna gibanja Zemlje prema Suncu, te tektonski inducirani efekti kod glavnih morskih struja, razvodnica i oscilacija oceana. Rani fanerozoik posebno pokazuje rasprezanje relativno visokog sadržaja ugljikova dioksida i značajne globalne glacijacije.Ján Veizer, Yves Godderis, Louis M. François: Evidence for decoupling of atmospheric CO2 and global climate during the Phanerozoic eon. Nature, Bd. 408, S. 698-701, 7. Dezember 2000 Royer et al. pronašli su 2004.Royer, Dana L. and Robert A. Berner, Isabel P. Montañez, Neil J. Tabor, David J. Beerling (2004) "CO2 as a primary driver of Phanerozoic climate", in GSA Today July 2004, volume 14, number 3, pages 4-10. Retrieved online 2nd May 2009 kako je u ostatku fanerozoika postojala klimatska osjetljivost za koju su izračunali da je bila nalik današnjem modernom rasponu vrijednosti.
Razlika u globalnoj srednjoj temperaturi između potpuno glacijalne Zemlje i Zemlje oslobođene od leda procijenjena je na približno 10 °C, iako su se veće promjene događale na većim geografskim širinama, dok su na manjim širinama one bile manje. Uvjet za nastanak opsežnih ledenih pokrivača čini se da je bio raspored kontinentalnih kopnenih masa na polovima ili blizu njih. Kako je tektonika ploča neprestano izmjenjivala raspored kontinenata, ona je istovremeno oblikovala dugoročnu klimatsku evoluciju. Ipak, prisutnost ili odsustvo kopnenih masa na polovima nije bilo dostatno da zajamči glacijacije ili isključi polarne ledene kape. Postoje dokazi prošlih toplih perioda u Zemljinoj klimi kada su polarne kopnene mase nalik Antarktici bile dom listopadnim šumama umjesto ledenih pokrivača. thumb|Temperaturni zapisi od fanerozoika do danas thumb|Zapisi iz ledenog doba
Relativno topao lokalni minimum između jure i krede poklopio se s raširenom tektonskom aktivnošću, npr. raspadom superkontinenata.