Le climat de la planète change à toutes les échelles de temps et d’espace. Sa variation dans le temps intéresse les historiens et les paléontologues qui tentent de mieux cerner dans quelles conditions vivaient nos ancêtres plus ou moins lointains. On dispose ainsi de descriptions historiques pionnières dont un texte fondateur fut L’Histoire du climat depuis l’an mil d’Emmanuel Le Roy Ladurie (1967) ainsi que de travaux décrivant les interactions entre les variations climatiques et le déclin ou l’essor des civilisations (romaine, grecque, égyptienne, maya ou chinoise). Sa variation dans l’espace est étudiée par les géographes qui décrivent les climats tropicaux, tempérés ou polaires des différentes latitudes, comme les climats côtiers ou continentaux, la distance à la mer renforçant l’écart de températures entre étés et hivers. Ce même cycle saisonnier affecte davantage les masses continentales que les océans, ce qui provoque les moussons si importantes pour des centaines de millions d’êtres humains en Asie, Afrique, Amérique du Sud et Australie. Quant aux immenses reliefs du plateau tibétain et de la chaîne himalayenne, ils modifient les températures et la distribution des précipitations en Asie. Dans une moindre mesure, le rift africain, les Andes et les Rocheuses influencent aussi la circulation atmosphérique et le cycle hydrologique sur les continents.
Les grands mouvements de l’atmosphère trouvent leur origine dans les eaux chaudes équatoriales qui provoquent des mouvements d’air chaud ascendant. Portées par la rotation de la Terre jusqu’aux tropiques, ces masses d’air déversent leur humidité dans les zones tropicales, puis, une fois sèches et refroidies, redescendent. Ce phénomène participe à la formation des déserts, vers 30° nord et sud. À plus haute latitude, vers 45° (comme pour la France), des perturbations se développent d’ouest en est sur des périodes de quelques jours, tandis que les hautes latitudes sont couvertes de calottes de glace en Antarctique et au Groenland, et de banquises plus étendues durant l’hiver pour l’océan Arctique au Nord et l’océan Austral au Sud.
Ces structures qui définissent le climat moyen se modifient sous l’influence de perturbations à toutes les échelles de temps. Le phénomène périodique le plus spectaculaire se produit tous les trois à sept ans dans l’océan Pacifique tropical, peu après Noël (raison de son surnom, El Niño pour l’enfant Jésus). Il perturbe fortement les températures du Pacifique équatorial et l’hydrologie des côtes de part et d’autre du bassin océanique. À de plus grandes échelles de temps, de l’ordre de 20 000 ans, les moussons subissent de fortes modulations au cours desquelles la mousson africaine s’intensifie considérablement et se déplace vers le nord, produisant un climat plus humide au Sahara. Lors des périodes chaudes du dernier million d’années, cette modulation provoque même des épisodes de « Sahara vert ». Des fossiles de faune et flore, voire des peintures rupestres élaborées il y a 8 000 ans, montrent que le cœur du Sahara actuel abritait lacs, savanes et troupeaux d’herbivores. Durant le dernier million d’années, on observe une alternance d’ères froides d’environ 100 000 ans et d’ères chaudes de 15 000 à 40 000 ans. Les périodes froides sont déclenchées par des épisodes de plus faible insolation estivale aux hautes latitudes nord qui permettent à la neige tombée pendant l’hiver de ne pas fondre en été. Cette situation favorise l’établissement d’immenses calottes de glace sur l’Europe du Nord et le Canada, ce qui conduit à une baisse du niveau marin de 120 mètres (la quantité d’eau est conservée sur Terre. Au fur et à mesure qu’elle se stocke dans les calottes de glace, elle diminue d’autant la hauteur du niveau des océans). À l’époque, pas de Brexit possible puisque la Manche n’est qu’un fleuve.
Les moyennes climatiques ne doivent pas cacher les situations rares mais extrêmes. Les précipitations peuvent provoquer des crues exceptionnelles, une par siècle ou moins, mais gigantesques. Des canicules ou des sécheresses prolongées peuvent survenir même sous un climat tempéré. La fréquence de ces situations extrêmes varie elle aussi avec les évolutions climatiques.
