thumb|class=notpageimage|thumbtime=44|Temperatuurverloop van de aarde in de afgelopen 500 miljoen jaar (vereenvoudigde reconstructie en hoge voorspelling tot 2100). Voor een meer gedetailleerde beschrijving, zie hier. Klimaatverandering is in brede zin elke verandering in weer of klimaat over een lange periode in de geschiedenis van de Aarde. Een dergelijke verandering manifesteert zich het duidelijkst in een stijging of daling van de gemiddelde temperatuur, veranderingen van de heersende windrichting en van de waterkringloop en daarmee van de bewolking en de hoeveelheid neerslag op aarde. Deze veranderingen hebben invloed op verwoestijning, draslanden, overstromingen door buiten hun oevers tredende rivieren en de grootte van ijskappen en gletsjers. Op langere termijn hebben klimaatveranderingen ook invloed op zeestromingen, het zeeniveau en het zoutgehalte van het zeewater. De huidige klimaatverandering als gevolg van de opwarming van de aarde, gaat sneller dan elke abrupte veranderingen in het geologische verleden.
In het geologische verleden zijn er perioden geweest waarin het op land meest warm en vochtig was of juist erg heet en droog. Er zijn ook perioden geweest waarin het op aarde veel kouder was dan nu, zoals tijdens de ijstijden. De verschillen in klimaat gedurende de verschillende perioden zijn het grootst in de poolgebieden en rond breedtegraden waar in de moderne tijd een gematigd klimaat heerst. Ze zijn het kleinst rond de evenaar en tussen de keerkringen. De veranderingen in het klimaat en het effect ervan op de geschiedenis van de mens zijn het onderwerp van de historische klimatologie. Dit is een onderdeel van de paleoklimatologie, die de klimaatveranderingen in de hele geschiedenis van de Aarde bestudeert.
In het hedendaagse taalgebruik wordt met klimaatverandering meestal specifiek gedoeld op de veranderingen in het weer en klimaat ten gevolge van de opwarming van de aarde. De huidige klimaatverandering als gevolg van de opwarming van de aarde, gaat vermoedelijk sneller dan elke andere abrupte verandering in het geologische verleden.
Terminologie Opwarming van de aarde, klimaatverandering en klimaatcrisis worden dikwijls door elkaar gebruikt. Strikt genomen verwijst de opwarming van de aarde louter naar de toename van de gemiddelde oppervlaktetemperatuur, omvat klimaatverandering alle veranderingen in het weer en klimaat als gevolg van deze temperatuursstijging en omvat klimaatcrisis naast de opwarming en klimaatveranderingen ook de negatieve gevolgen voor de mensheid. Daarnaast benadrukt het woord klimaatcrisis de urgentie om maatregelen te nemen en de omvang van de schade op mens en natuur. Als laatste kan klimaatverandering ook worden gebruikt voor elke lange verandering in het klimaat in het geologische verleden, het onderwerp van dit artikel.
Oorzaken en onderzoek thumb|Cooksonia uit het Midden-Siluur, de oudst bekende landplant
Het klimaat op aarde wordt in de eerste plaats door de afstand van de Aarde tot de zon en de zonneactiviteit bepaald. De hoek tussen de aardas en de aardbaan, de verdeling van de werelddelen over het aardoppervlak en de invloed van het broeikaseffect in de atmosfeer spelen een belangrijke rol. Klimaatveranderingen worden voor een groot deel bepaald door het verschuiven van de continenten en veranderingen van de samenstelling van de atmosfeer. Grote natuurrampen hebben in het verleden vrijwel zeker klimaatveranderingen veroorzaakt of in gang gezet. Het zijn factoren die volgens het Systeem Aarde met elkaar samenhangen.
Het klimaat en klimaatveranderingen bepalen welke ecosystemen op aarde voorkomen en hoe ecosystemen zich ontwikkelen. Daarmee zijn klimaatveranderingen, samen met de platentektoniek, belangrijke drijvende krachten achter de evolutie van de organismen die in de verschillende biotopen van deze ecosystemen voorkomen. Aan de andere kant beïnvloeden de organismen die op aarde leven het klimaat en de klimaatveranderingen. Zodoende bestaat er een terugkoppeling tussen populaties van de verschillende organismen en het klimaat en de ecosystemen waarin ze leven. Een voorbeeld hiervan is de CLAW-hypothese, waarin er een terugkoppeling bestaat tussen fytoplankton en het albedo van de bewolking. De terugkoppeling kan zowel positief als negatief zijn.
De snelheid waarmee klimaatveranderingen zich voltrekken varieert sterk. Deze veranderingen kunnen traag en geleidelijk verlopen maar ook snel en schoksgewijs. Bovendien verlopen klimaatveranderingen niet overal even snel en op dezelfde manier. De oorzaken en gevolgen van klimaatverandering in het verleden zijn het onderwerp van veel multidisciplinair natuurwetenschappelijk onderzoek. Onderzoeksvelden waarin klimaatverandering een rol speelt zijn bijvoorbeeld sedimentologie, paleontologie, geochemie en atmosferische fysica. Hoe verder men teruggaat in het verleden, hoe ingewikkelder en moeilijker het onderzoek naar klimaatveranderingen wordt, omdat de benodigde data steeds schaarser en grofkorreliger wordt.
Klimaatveranderingen in het geologische verleden
700px|center|thumb|Logaritmisch temperatuurverloop op aarde weergegeven over de afgelopen 542 miljoen jaar, sinds het begin van het Cambrium tot op heden. Het Precambrium ontbreekt in de afbeelding.
Geologische tijdschalen thumb|Een rotspartij met een geologische gelaagdheid: Steamboat Rock in de 'Tuin der goden, een natuurpark in Colorado Springs (VS)
De indeling van de geologische tijdschaal is gebaseerd op de afzettingen in de bodem en gesteente, vondsten van fossielen en dateringen daarvan. De ontwikkeling van fossiele flora en fauna in gesteente geeft aanwijzingen over hoe het klimaat zich ontwikkeld heeft. Directer bewijs wordt vergaard uit de verhouding van stabiele isotopen in gesteentelagen. Deze geven aan hoe de samenstelling van de atmosfeer in het verleden veranderde.
De evolutie van de flora heeft bij onderzoek naar de ontwikkeling van de atmosfeer meer gewicht, aangezien planten zuurstof produceren en het broeikasgas kooldioxide vastleggen. Planten spelen een belangrijke rol in de koolstofkringloop en hebben daarom belangrijke invloed op de samenstelling van de atmosfeer.
Precambrium thumb|Stromatolieten uit het Precambrium in de Siyeh-formatie, Glacier National Park (Montana, VS)
Het Precambrium, tussen 4.560 en 542 miljoen jaar geleden, beslaat een periode van ongeveer vier miljard jaar, dat is meer dan 85% van de tijd dat de Aarde bestaat. Aan het begin van het Precambrium werd de aardkorst gevormd. Deze periode kenmerkte zich, vooral aan het begin, door grote vulkanische activiteit en inslagen van meteorieten en kometen. Het eerste leven ontwikkelde zich na verloop van tijd waarna primitieve algen de koolstofdioxide, waaruit een groot gedeelte van de vroege atmosfeer bestond, door middel van fotosynthese begonnen om te zetten in zuurstof en organische verbindingen, zoals koolhydraten, vetzuren en aminozuren.
Archeïcum Het klimaat tijdens het Archeïcum, aan het begin van het Precambrium tussen 4.560 miljoen jaar tot 2.500 miljoen jaar geleden, moet aanvankelijk, tijdens het Hadeïcum, zeer heet zijn geweest. Van de eerste 400 miljoen jaar van de Aarde zijn tot op heden geen gesteenten gevonden. Tegen het eind van het Hadeïcum was de lithosfeer flink afgekoeld en relatief stabiel geworden. De atmosfeer bestond waarschijnlijk uit een mengsel van gassen waaronder waterdamp, stikstof, waterstof, methaan, waterstofsulfide, ammoniak, koolstofdioxide en koolstofmonoxide.
Continenten waren nog niet aanwezig en de dunne instabiele aardkorst bestond uit kratons die grotendeels onder water stonden. De wereldoceaan lag vol met kleine eilandjes. Het klimaat was daardoor waarschijnlijk relatief homogeen. De atmosfeer bevatte relatief hoge concentraties broeikasgassen zoals koolstofdioxide, methaan en ammoniak. Hoewel de zonneactiviteit relatief laag was, was het mede door de aanwezigheid van deze broeikasgassen warm. De eerste vormen van leven zijn waarschijnlijk al rond 4,0 tot 3,6 miljard jaar geleden, halverwege het Archeïcum, ontstaan. Het betrof de eerste primitieve extremofiele soorten bacteriën die archaea worden genoemd. De oudste stromatolieten die op leven wijzen, zijn in West-Australië en Canada gevonden en zijn waarschijnlijk 3.500 miljoen jaar oud.
Paleoproterozoïcum thumb|IJzeroxidelagen in gesteente uit het Paleoproterozoïcum
Het Paleoproterozoïcum duurde van 2.500 tot 1.600 miljoen jaar (Ma) geleden. De Huronische ijstijd is de oudste bekende ijstijd die duurde van 2.400 tot 2.100 miljoen jaar geleden gedurende het Siderium en het Rhyacium aan het begin van het Paleoproterozoïcum. Deze ijstijd was waarschijnlijk het gevolg van de eerste 'zuurstofcrisis'.
Aanvankelijk werd vrijwel alle door de primitieve cyanobacteriën geproduceerde zuurstof aan het ijzer gebonden dat tijdens deze periode nog in opgeloste vorm in water aanwezig was. Nadat alle ijzer aan het aardoppervlak was geoxideerd steeg de zuurstofconcentratie in de atmosfeer. Vrijwel alle methaan uit de atmosfeer verdween eveneens door oxidatie, waardoor de atmosfeer sterk afkoelde. Methaan is een sterk broeikasgas.
Neoproterozoïcum thumb|Het omstreden supercontinent Pannotia
In de laatste periode van het Precambrium, het Neoproterozoïcum van 900 tot 542 miljoen jaar (Ma) geleden, kende de aarde tijdens het Cryogenium twee ijstijden. Tijdens de laatste periode was vrijwel de hele aarde met ijs bedekt, de zogenaamde sneeuwbalaarde van rond 650 Ma en mogelijk 710 of 750 Ma geleden. Het meeste kooldioxide was uit de atmosfeer verdwenen en in het ijs opgeslagen. Door de hoge reflectie was de inkomende warmte-energie van de Zon met ongeveer 8% afgenomen. Tijdens deze periode zijn de eerste Metazoa en Bilateria, de voorouders van de meeste dieren, ontstaan.
De continentale massa was tussen 600 en 540 miljoen jaar geleden volgens sommige onderzoekers voornamelijk gelokaliseerd rond de huidige zuidpool op het supercontinent Pannotia. De ligging van een groot continent op of rond een van de polen, in combinatie met de sterk gedaalde concentratie koolstofdioxide in de atmosfeer, kan het optreden van de ijstijden tijdens het Cryogenium verklaren.
Tijdens het Precambrium hebben zich grote veranderingen in het klimaat, in de samenstelling van de aardkorst en in de evolutie voorgedaan. De huidige olie- en gasvoorraden zijn in deze periode ontstaan.
Paleozoïcum Tijdens het Paleozoïcum, de eerste era van het Fanerozoïcum tussen 542 en 251 miljoen jaar geleden, vindt een grote evolutionaire ontwikkeling plaats. Voor de klimatologische ontwikkelingen is de verovering van het land door levende organismen van het grootste belang. Die verovering van het vasteland vond plaats in een periode tussen ongeveer 450 en 300 miljoen jaar geleden.
Cambrium tot Carboon right|270px
Toen aan het einde van het Precambrium, 542 miljoen jaar geleden, het ijs smolt kwam het kooldioxide uit het ijs vrij en veranderde het klimaat van een 'ijskast' in een 'broeikas'. Aangenomen wordt dat deze geologisch gezien plotselinge klimaatverandering aan het begin van het Cambrium de Cambrische explosie heeft veroorzaakt. De zeebodem was met eenvoudige wieren en koralen begroeid en werd bevolkt door weekdiersoorten.
Na het Cambrium volgde 488 miljoen jaar geleden het Ordovicium dat warm begon met een hoog zeeniveau en na een afkoeling in een ijstijd eindigde tijdens het Hirnantien. Tijdens het Siluur, van 443,7 tot 416 miljoen jaar geleden, liep de temperatuur weer op en heerste er een warm en vochtig klimaat. De biodiversiteit in de wereldzeeën groeide sterk. Er zijn aanwijzingen dat het klimaat gedomineerd werd door stormen. De zee werd bevolkt door vissen die in een vegetatie van wieren rondzwommen. Op land ontstonden de eerste primitieve plantensoorten, zoals mossen en varens, en primitieve insecten zoals springstaarten.