À toutes les échelles de temps, le climat a subi d’importantes variations, mais à des vitesses et amplitudes très différentes.
Pour le climat des mille dernières années, des données historiques climatiques et instrumentales nous montrent des écarts de températures très faibles en moyenne planétaire (bien inférieurs à 1 °C). Mais suffisants pour que l’Europe offre des conditions plutôt favorables à l’agriculture pendant l’optimum médiéval (entre le Xe et le XIVe siècle), puis nettement moins favorables lors du « petit âge glaciaire » (XVIe au XIXe siècle). Même si elles ont fortement marqué les populations contemporaines, ce ne sont là que de faibles modulations climatiques au regard des cycles glaciaires/interglaciaires. Les périodes glaciaires du dernier million d’années durent environ 100 000 ans et sont caractérisées par quatre calottes de glace – Antarctique, Groenland, Eurasie et Canada – et un niveau marin plus bas de 120 mètres qu’actuellement. Les périodes interglaciaires, comme la nôtre, affichent des températures plus chaudes d’environ 4 °C en moyenne planétaire, sont plus courtes – elles durent de 15 000 à 40 000 ans – et voient les calottes de glace du Canada et de l’Eurasie fondre et le niveau marin remonter. Le Bouclier canadien et le nord de l’Europe gardent le souvenir des imposantes calottes de glace qui les recouvraient il y a 20 000 ans. Hautes de près de 3 kilomètres, leurs masses ont enfoncé le socle rocheux qui remonte encore aujourd’hui très lentement.
À des échelles de temps de dizaines de millions d’années, la dérive des continents a modifié le visage de notre planète entre des phases de formation de supercontinents et, au contraire, des phases de dispersion en plaques continentales séparées. Ce phénomène exerce une influence sur la forme des bassins océaniques et par conséquent sur le niveau marin. Ces changements ont entraîné l’installation de climats très différents. Il y a 100 millions d’années, la période la plus récente de très haut niveau marin, les continents plus petits et éclatés favorisent un climat chaud et beaucoup plus uniforme qu’aujourd’hui. Les variations saisonnières sont estompées à cause de la petite taille des continents. La différence de température entre les pôles et l’équateur est beaucoup moins marquée, aucune calotte de glace ne s’étant installée aux hautes latitudes. Au contraire, il y a 300 millions d’années, un énorme continent centré sur le pôle Sud, le Gondwana, ainsi qu’une teneur faible en CO2 atmosphérique favorisent une glaciation importante.
Et au-delà ? Le nombre de données se restreint quand on remonte le temps. Mais sur des échelles plus vastes, le climat a beaucoup varié, passant de phases chaudes sans la moindre trace de calotte de glace à de rares périodes où la Terre a pu en héberger. Mais ces variations se sont produites sur des temps très longs.
La Terre a aussi connu des épisodes de transformations radicales et rapides comme la transition entre l’ère secondaire et le tertiaire il y a 65 millions d’années, due à la chute d’un astéroïde de plusieurs kilomètres. Cet événement a d’abord été détecté dans des sédiments où la présence d’iridium (élément chimique extrêmement rare sur Terre) révélait une collision avec un objet extraterrestre, puis bien plus tard, par la découverte du cratère d’impact de Chicxulub, au large du Mexique. D’autres événements abrupts tirent leur origine non de la chute d’objets célestes mais des profondeurs de la Terre, comme les gigantesques éruptions volcaniques nommées trapps dont la plus spectaculaire se produisit il y a 250 millions d’années en Sibérie. D’énormes quantités de gaz sont alors émises dans l’atmosphère et modifient à court terme sa composition en gaz à effet de serre, et donc le climat.
