Очевидно, что климат должен меняться от изменения тех основных процессов и факторов, которые его формируют.
Приход лучистой энергии, в первую очередь, зависит от состояния источника этой энергии, т. е. поверхности Солнца, и от изменения астрономических элементов Земли как планеты.
Многие явления на Солнце свидетельствуют, что деятельность его носит пульсирующий, ритмический характер. Лучше всего изучены в этом отношении солнечные пятна — мощные вихревые (циклонические) образования, число и площадь которых на поверхности фотосферы достигает максимума в среднем каждые 11 лет. Пятна возникают за счёт некоторой добавочной энергии, поступающей из солнечных недр к фотосфере. Часть этой энергии поглощается процессами формирования пятен, другая часть свободно излучается в пространство и носит название активной радиации Солнца. Во время вспышек солнечной активности, совпадающих с периодами наибольшего развития площади пятен, особенно усиливается, с одной стороны, излучение Солнцем коротких волн (в частности, ультрафиолетовых) , с другой — длинных волн метрового диапазона (радиоволн); возрастает также корпускулярная эмиссия Солнца, т. е. излучение им потоков заряжённых частиц (кальция, водорода и др.). Именно эти качественные изменения радиации, заключающиеся в перераспределении волн по спектральному составу (с усилением доли коротких волн, обладающих весьма большой энергией), имеют особо важное значение для земной атмосферы, поскольку суммарный поток волновой радиации Солнца при любой фазе развития солнечных пятен в количественном отношении не меняется.
Активная радиация Солнца, достигнув нашей планеты, поглощается земной атмосферой и производит в её внешних слоях ряд физических изменений, которые затем передаются и в тропосферу.
Колебания активности Солнца и последствия их для современных земных явлений (в частности, последствия вспышек ультрафиолетовой радиации) весьма тщательно исследованы советскими учёными.
Роль ультрафиолетовой радиации в верхних слоях земной атмосферы достаточно велика. Она стимулирует образование озона, что влечёт повышение тепличного эффекта (так как О3 задерживает не только ультрафиолетовые лучи, но и длинноволновое излучение Земли) и, стало быть, повышение температуры земной поверхности. С другой стороны, ультрафиолетовые лучи, действуя на молекулы N2 и O2, приводят к возникновению молекул NO; последние с O2 дают NO2 и в присутствии O3 образуют молекулы азотного ангидрида N2O5 — гигроскопического соединения, облегчающего в высоких слоях атмосферы конденсацию водяного пара, который затем попадает и в тропосферу в циклонических областях, где тропопауза опущена. При конденсации происходит выделение энергии, используемой затем на усиление циркуляции атмосферы в циклонических системах. Кроме того, как мы знаем, водяной пар обладает высокой способностью поглощать длинноволновое излучение.
Углубление барических минимумов (циклонов) означает возрастание контрастов барического рельефа. Прямое следствие этого — усиление общей циркуляции атмосферы. Таким образом колебания характера этой циркуляции (её обострение и ослабление) оказываются связанными в современную эпоху с усилением или ослаблением солнечной активности.
К сожалению, ещё нет материалов, которые позволили бы перенести эти выводы в геологическое прошлое для объяснения крупных колебаний климата; имеется лишь попытка теоретически обосновать возможность такого переноса.
Другая причина изменений климата может лежать в изменении состава атмосферы, главным образом содержания в ней CO2, Н2O и пыли. Увеличение количества этих компонентов должно вызвать потепление климата, уменьшение их — похолодание климата, впрочем, только в известных пределах увеличения и уменьшения, так как CO2, Н2O и пыль, задерживая длинноволновое излучение Земли, в то же время перехватывают и часть солнечной радиации.
Всё же основным фактором крупных колебаний климата в геологическом прошлом следует считать изменения земной поверхности — перераспределение суши и моря, изменение рельефа и морских течений. Суша и море отличаются и по своему альбедо, и по своей теплоёмкости, — стало быть, перемена в соотношении океанических и материковых пространств неизбежно отразится на климате, придавая ему либо черты континентальности, либо черты океаничности. Достаточно сократить площадь суши на 10% (по сравнению с современной) — и температура в экваториальных областях понизится на 3°,5, а в высоких полярных широтах повысится на 3°,3.
Влияние рельефа на циркуляцию атмосферы и атмосферные осадки общеизвестно. К этому следует добавить, что над равнинами лежит равномерно плотная атмосфера, предохраняющая Землю от остывания, тогда как с высоких гор, поднимающихся в разреженную и бедную водой и пылью атмосферу, утечка земного тепла происходит гораздо легче. Горообразование приводит к добавочной потере тепла с земной поверхности; если бы выровнять нынешний рельеф — это повысило бы температуру воздуха на 0°,7.
Крупные изменения климата на Земле происходят в результате сочетания всех указанных выше причин, но в основе лежат преобразования земной поверхности.