Связь уменьшения солнечной радиации с вулканической деятельностью была установлена давно. Так, например, в Павловске, вблизи Ленинграда, в 1912—1913 гг. коэффициент прозрачности атмосферы упал с 0,74—0,75 до 0,57—0,68. Это было связано с извержением вулкана Катмай на Аляске в 1912 г. Такая же картина была зарегистрирована при извержении вулкана Агунг в 1963 г. и др.

Ряд ученых влиянием вулканического аэрозоля объясняют похолодания климата и даже целых ледниковых эпох, например в четвертичном периоде. Английский климатолог Лэмб построил ход индекса вулканической активности с 1500 г. по наше время. В XV—XVI и в начале XIX в., т. е. в период малого ледникового периода, согласно этому индексу действительно наблюдалась повышенная вулканическая деятельность.

С 1912 до начала 40-х годов сильных вулканических извержений не происходило, и атмосфера в это время была более прозрачной. В 1900—1940 гг., т. е. в период роста температуры, увеличивалась в среднем и прямая солнечная радиация. Ее отклонение от средних значений достигло к началу 40-х годов около 2%. Одновременно с падением температуры уменьшилась и прямая солнечная радиация. Следовательно, можно считать, что при потеплении атмосфера была более прозрачной, а количество доходившей до Земли радиации больше. Однако это еще не доказательство того, что потепление климата было вызвано прозрачностью атмосферы.

В попытке объяснить климатический тренд нынешнего столетия только вулканической деятельностью мы сталкиваемся с противоречием. Так, с 1883 по 1912 г. наблюдалась серия вулканических извержений. После каждого из них в течение нескольких месяцев и даже одного-двух лет понижался уровень приходящей солнечной радиации. В ряде случаев изменялась температура. Средняя температура в конце XIX — начале XX в. была низкой. Однако именно в это время, в период вулканической деятельности, а не после него, началось повышение температуры, достигшее максимума в 30—40-е годы. Наступившее вслед за этим похолодание климата отмечено задолго до очередных извержений в конце 40-х — начале 50-х годов, бывших к тому же слабыми. После извержения вулкана Агунг (1963 г.) в конце 60-х годов произошло не похолодание, а некоторое потепление климата.

Признавая, таким образом, исключительно важную роль вулканического аэрозоля в формировании климата, тем не менее объяснять изменения климата в прошлом лишь влиянием этого фактора было бы неверно.

Следующий климатообразующий фактор — естественный цикл CO2 и некоторых малых компонентов, обладающих тепличным эффектом (водяной пар, хлорные соединения и др.). В настоящее время в атмосфере Земли содержится 0,033% CO2, что соответствует примерно 2350—2570 млрд. т, а в океане в 50 раз больше. Между атмосферой и океаном, атмосферой и биосферой непрерывно происходит обмен CO2. В современную эпоху на фотосинтез растений расходуется из атмосферы около 100 млрд. т CO2 в год и столько же примерно его выделяется в атмосферу в процессе дыхания живых организмов. Поступление CO2 из недр Земли за счет вулканизма составляет, по-видимому, в среднем немногим более 0,1 млрд. т/год, что на 1,5—2 порядка меньше антропогенного поступления CO2 в атмосферу. В самой литосфере содержится около 2108 млрд. т углерода, основная часть которого связана в карбонатных породах.

Скорость обмена CO2 в естественном цикле составляет в системе атмосфера—земная биосфера около 20 лет, а в системе земная биосфера—атмосфера около 20—40 лет. Соответственно в системе атмосфера—океан и океан-атмосфера полный период обмена около 5 лет.

Характерной особенностью обмена CO2 между океаном и атмосферой является зависимость этого обмена от температуры воды. В результате в высоких широтах поток CO2 направлен из атмосферы в океан, а в низких — из океана в атмосферу. По различным оценкам изменение температуры в деятельном слое океана толщиной 50 м на 1°С вызывает изменение концентрации CO2 в атмосфере на 0,4% или даже больше.

В истории Земли были периоды, когда содержание CO2 было существенно больше, чем теперь. Так, по некоторым данным, около 250 млн. лет назад концентрация CO2 составляла 7,5%, в фанерозое (570 млн. лет назад) — не более 0,3%. Предполагают, что около 1 млн. лет назад в отдельный период концентрация CO2 была в 2 раза выше современной. Что касается нынешней эпохи, то большинство исследователей сходятся в том, что сейчас содержание CO2 в атмосфере невелико.

Такова в общих чертах роль геофизических факторов естественного происхождения в формировании климата.

В этом разделе речь пойдет о внутриатмосферных факторах, регулирующих климатический режим и его изменчивость через общую циркуляцию атмосферы. Результатом взаимодействия внутриатмосферных факторов и внешних климатообразующих сил является формирование общей циркуляции атмосферы, которая в разные климатические эпохи менялась.

При анализе уравнения баланса термодинамической энергии мы отмечали, что циркуляционный механизм (Eцирк) характеризует перераспределение энергии на сфере как в горизонтальной плоскости, так и по вертикали. Этот механизм может вызвать весьма существенные климатические аномалии определенного вида в одних районах и совершенно иные — в других. При этом суммарная для сферы термодинамическая энергия может и не меняться.

Обратимся теперь к некоторым фактическим данным, иллюстрирующим роль циркуляционных факторов в изменении климата. Как уже упоминалось, зима 1657/58 г. была одной из самых холодных в районе Швеция—Дания. Средняя температура составляла около —1°С, хотя в обычные годы она была на 4° выше. Холодные зимы в этом регионе наблюдались в 1739/40, 1762/63, 1783/84, 1788/89, 1794/95, 1798/99, 1822/23, 1829/30, 1837/38, 1890/91, 1928/29 и 1941/42 гг. Часть зим приходится на малый ледниковый период, две последние же — на период потепления климата. Аномально холодная зима 1941/42 г. отмечалась в период максимума потепления климата в северном полушарии. И таких примеров, когда в отдельных регионах при общем потеплении имели место экстремально холодные условия, а при похолодании — теплые, можно привести немало. Анализ восстановленных температур по данным о кольцах деревьев в Калифорнии указывает на общее потепление климата в конце малого ледникового периода, между серединой XVII и началом XX в.