Causas del cambio climático
Es mucho más fácil documentar las pruebas de la variabilidad del clima y el cambio climático pasado que determinar sus mecanismos subyacentes. El clima está influenciado por una multitud de factores que operan en escalas de tiempo que van desde horas hasta cientos de millones de años. Muchas de las causas del cambio climático son externas al sistema de la Tierra. Otras son parte del sistema de la Tierra pero externas a la atmósfera. Otras implican interacciones entre la atmósfera y otros componentes del sistema terrestre y se describen colectivamente como retroalimentaciones dentro del sistema terrestre. Las retroalimentaciones se encuentran entre los factores causales más recientemente descubiertos y difíciles de estudiar. No obstante, se reconoce cada vez más que esos factores desempeñan un papel fundamental en la variación del clima. En esta sección se describen los mecanismos más importantes.

Variabilidad solar
La luminosidad, o brillo, del Sol ha ido aumentando constantemente desde su formación. Este fenómeno es importante para el clima de la Tierra, porque el Sol proporciona la energía para impulsar la circulación atmosférica y constituye el aporte para el presupuesto de calor de la Tierra. La baja luminosidad solar durante el tiempo del Precámbrico subyace a la tenue paradoja del joven Sol, descrita en la sección Climas de la Tierra temprana.

La energía radiante procedente del Sol es variable en escalas de tiempo muy pequeñas, debido a las tormentas solares y otras perturbaciones, pero las variaciones en la actividad solar, en particular la frecuencia de las manchas solares, también están documentadas en escalas de tiempo que van de decenios a milenios y probablemente se producen también en escalas de tiempo más largas. Se ha sugerido que el "mínimo de Maunder", un período de actividad de manchas solares drásticamente reducida entre 1645 y 1715 d.C., es un factor que contribuye a la Pequeña Edad de Hielo. (Ver abajo Variación y cambio climático desde la aparición de la civilización).

La actividad volcánica
La actividad volcánica puede influir en el clima de varias maneras y en diferentes escalas de tiempo. Las erupciones volcánicas individuales pueden liberar grandes cantidades de dióxido de azufre y otros aerosoles en la estratosfera, reduciendo la transparencia atmosférica y, por tanto, la cantidad de radiación solar que llega a la superficie y la troposfera de la Tierra. Un ejemplo reciente es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que tuvo influencias mensurables en la circulación atmosférica y los balances de calor. La erupción de 1815 del Monte Tambora en la isla de Sumbawa tuvo consecuencias más dramáticas, ya que la primavera y el verano del año siguiente (1816, conocido como "el año sin verano") fueron inusualmente fríos en gran parte del mundo. Nueva Inglaterra y Europa experimentaron nevadas y heladas durante todo el verano de 1816.

Los volcanes y los fenómenos conexos, como el desgarramiento y la subducción de los océanos, liberan dióxido de carbono tanto en los océanos como en la atmósfera. Las emisiones son bajas; incluso una masiva erupción volcánica como la del Monte Pinatubo libera sólo una fracción del dióxido de carbono emitido por la combustión de combustibles fósiles en un año. Sin embargo, a escala geológica, la liberación de este gas de efecto invernadero puede tener efectos importantes. Las variaciones en la liberación de dióxido de carbono por los volcanes y las grietas oceánicas a lo largo de millones de años pueden alterar la química de la atmósfera. Esta variabilidad en las concentraciones de dióxido de carbono probablemente explica gran parte de la variación climática que ha tenido lugar durante el Eón Fanerozoico.

Actividad tectónica
Los movimientos tectónicos de la corteza terrestre han tenido profundos efectos en el clima en escalas de tiempo de millones a decenas de millones de años. Estos movimientos han cambiado la forma, el tamaño, la posición y la elevación de las masas continentales, así como la batimetría de los océanos. A su vez, los cambios topográficos y batimétricos han tenido fuertes efectos en la circulación tanto de la atmósfera como de los océanos. Por ejemplo, el levantamiento de la meseta tibetana durante la era cenozoica afectó las pautas de circulación atmosférica, creando el monzón de Asia meridional e influyendo en el clima de gran parte del resto de Asia y las regiones vecinas.

La actividad tectónica también influye en la química atmosférica, en particular en las concentraciones de dióxido de carbono. El dióxido de carbono se emite desde los volcanes y las fumarolas de las zonas de fisura y de subducción. Las variaciones en la tasa de propagación en las zonas de fisuras y el grado de actividad volcánica cerca de los márgenes de las placas han influido en las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono a lo largo de la historia de la Tierra. Incluso la meteorización química de la roca constituye un importante sumidero de dióxido de carbono. (Un sumidero de carbono es cualquier proceso que elimina el dióxido de carbono de la atmósfera mediante la conversión química del CO2 en compuestos de carbono orgánicos o inorgánicos). El ácido carbónico, formado a partir de dióxido de carbono y agua, es un reactivo en la disolución de silicatos y otros minerales. Las tasas de meteorización están relacionadas con la masa, la elevación y la exposición del lecho rocoso. La elevación tectónica puede aumentar todos estos factores y, por lo tanto, conducir a un aumento de la meteorización y la absorción de dióxido de carbono. Por ejemplo, la meteorización química de la meseta tibetana en ascenso puede haber desempeñado un papel importante en el agotamiento del dióxido de carbono en la atmósfera durante un período de enfriamiento global a finales del Cenozoico.

Variaciones orbitales
La geometría orbital de la Tierra se ve afectada de manera predecible por las influencias gravitatorias de otros planetas del sistema solar. Tres características primarias de la órbita de la Tierra se ven afectadas, cada una de ellas de manera cíclica o recurrente. Primero, la forma de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, varía de casi circular a elíptica (excéntrica), con periodicidades de 100.000 y 413.000 años. En segundo lugar, la inclinación del eje de la Tierra con respecto al Sol, que es el principal responsable de los climas estacionales de la Tierra, varía entre 22,1° y 24,5° con respecto al plano de rotación de la Tierra alrededor del Sol. Esta variación se produce en un ciclo de 41.000 años. En general, cuanto mayor es la inclinación, mayor es la radiación solar recibida por los hemisferios en verano y menor la recibida en invierno. El tercer cambio cíclico en la geometría orbital de la Tierra resulta de dos fenómenos combinados: 1) El eje de rotación de la Tierra se tambalea, cambiando la dirección del eje con respecto al Sol, y 2) la orientación de la elipse orbital de la Tierra gira lentamente. Estos dos procesos crean un ciclo de 26.000 años, llamado precesión de los equinoccios, en el que la posición de la Tierra en los equinoccios y solsticios cambia. Hoy en día la Tierra está más cerca del Sol (perihelio) cerca del solsticio de diciembre, mientras que hace 9.000 años el perihelio se produjo cerca del solsticio de junio.

Estas variaciones orbitales causan cambios en la distribución latitudinal y estacional de la radiación solar, que a su vez impulsan una serie de variaciones climáticas. Las variaciones orbitales juegan un papel importante en el ritmo de los patrones glaciales-interglaciales y monzónicos. Sus influencias se han identificado en los cambios climáticos de gran parte del Fanerozoico. Por ejemplo, los ciclomotores -que son lechos marinos, fluviales y de carbón intercalados característicos del subperíodo de Pensilvania (hace 318,1 millones a 299 millones de años)- parecen representar los cambios impulsados por Milankovitch en el nivel medio del mar.

Los gases de efecto invernadero son moléculas de gas que tienen la propiedad de absorber la radiación infrarroja (energía térmica neta) emitida desde la superficie de la Tierra y volverla a radiar hacia la superficie terrestre, contribuyendo así al fenómeno conocido como efecto invernadero. El dióxido de carbono, el metano y el vapor de agua son los gases de efecto invernadero más importantes, y tienen un profundo efecto en el presupuesto energético del sistema terrestre a pesar de que constituyen sólo una fracción de todos los gases atmosféricos. Las concentraciones de gases de efecto invernadero han variado sustancialmente durante la historia de la Tierra, y estas variaciones han impulsado cambios climáticos sustanciales en una amplia gama de escalas de tiempo. En general, las concentraciones de gases de efecto invernadero han sido particularmente altas durante los períodos cálidos y bajas durante las fases frías. Varios procesos influyen en las concentraciones de gases de efecto invernadero. Algunos, como las actividades tectónicas, operan en escalas de tiempo de millones de años, mientras que otros, como la vegetación, el suelo, los humedales y las fuentes y sumideros oceánicos, operan en escalas de tiempo de cientos a miles de años. Las actividades humanas -especialmente la combustión de combustibles fósiles desde la Revolución Industrial- son responsables del aumento constante de las concentraciones atmosféricas de diversos gases de efecto invernadero, especialmente el dióxido de carbono, el metano, el ozono y los clorofluorocarbonos (CFC).

Tal vez el tema más intensamente discutido e investigado sobre la variabilidad del clima sea el papel de las interacciones y retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre. Las retroalimentaciones implican diferentes componentes que operan a diferentes velocidades y escalas de tiempo. Las capas de hielo, el hielo marino, la vegetación terrestre, las temperaturas oceánicas, las tasas de meteorización, la circulación oceánica y las concentraciones de gases de efecto invernadero están todas influidas directa o indirectamente por la atmósfera; sin embargo, todas ellas también retroalimentan a la atmósfera, influyéndola así de manera importante. Por ejemplo, las diferentes formas y densidades de vegetación en la superficie terrestre influyen en el albedo, o reflectividad, de la superficie de la Tierra, afectando así al balance global de radiación a escalas locales y regionales. Al mismo tiempo, la transferencia de moléculas de agua del suelo a la atmósfera está mediada por la vegetación, tanto directamente (por la transpiración a través de los estomas de las plantas) como indirectamente (por las influencias de la sombra y la temperatura en la evaporación directa del suelo). Esta regulación del flujo de calor latente por parte de la vegetación puede influir en el clima a escalas locales y globales. Como resultado, los cambios en la vegetación, que están parcialmente controlados por el clima, pueden a su vez influir en el sistema climático. La vegetación también influye en las concentraciones de gases de efecto invernadero; las plantas vivas constituyen un importante sumidero de dióxido de carbono atmosférico, mientras que actúan como fuentes de dióxido de carbono cuando se queman por incendios o se descomponen. Estas y otras retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre son fundamentales tanto para comprender los cambios climáticos del pasado como para predecir los futuros.

Las actividades humanas
El reconocimiento del cambio climático mundial como una cuestión ambiental ha llamado la atención sobre el impacto climático de las actividades humanas. La mayor parte de esta atención se ha centrado en la emisión de dióxido de carbono mediante la combustión de combustibles fósiles y la deforestación. Las actividades humanas también producen emisiones de otros gases de efecto invernadero, como el metano (procedente del cultivo de arroz, el ganado, los vertederos y otras fuentes) y los clorofluorocarbonos (procedentes de fuentes industriales). Hay pocas dudas entre los climatólogos de que estos gases de efecto invernadero afectan al presupuesto de radiación de la Tierra; la naturaleza y la magnitud de la respuesta climática son objeto de una intensa actividad de investigación. Los registros paleoclimáticos de los anillos de los árboles, los corales y los núcleos de hielo indican una clara tendencia al calentamiento que abarca todo el siglo XX y la primera década del siglo XXI. De hecho, el siglo XX fue el más cálido de los últimos 10 siglos, y la década 2001-10 fue la década más cálida desde el comienzo de los registros instrumentales modernos. Muchos climatólogos han señalado este patrón de calentamiento como una clara evidencia de los cambios climáticos inducidos por el hombre como resultado de la producción de gases de efecto invernadero.

Un segundo tipo de impacto humano, la conversión de la vegetación por la deforestación, la forestación y la agricultura, está recibiendo una creciente atención como una fuente adicional de cambio climático. Cada vez es más evidente que los impactos humanos sobre la cubierta vegetal pueden tener efectos locales, regionales e incluso mundiales sobre el clima, debido a los cambios en el flujo de calor sensible y latente hacia la atmósfera y la distribución de la energía dentro del sistema climático. La medida en que estos factores contribuyen al cambio climático reciente y en curso es una importante área de estudio emergente.

El cambio climático en el transcurso de la vida humana
Independientemente de su ubicación en el planeta, todos los seres humanos experimentan la variabilidad y el cambio climático durante sus vidas. Los fenómenos más familiares y predecibles son los ciclos estacionales, a los que las personas ajustan su ropa, las actividades al aire libre, los termostatos y las prácticas agrícolas. Sin embargo, no hay dos veranos o inviernos exactamente iguales en el mismo lugar; algunos son más cálidos, húmedos o tormentosos que otros. Esta variación interanual del clima es en parte responsable de las variaciones de un año a otro en los precios del combustible, el rendimiento de los cultivos, los presupuestos de mantenimiento de las carreteras y los riesgos de incendios forestales. Las inundaciones provocadas por las precipitaciones en un solo año pueden causar graves daños económicos, como los de la cuenca de drenaje del río Misisipí superior durante el verano de 1993, y pérdidas de vidas, como las que devastaron gran parte de Bangladesh en el verano de 1998. También pueden producirse daños y pérdidas de vidas similares como resultado de incendios forestales, tormentas graves, huracanes, olas de calor y otros acontecimientos relacionados con el clima.

La variación y el cambio climático también pueden ocurrir en períodos más largos, como décadas. Algunos lugares experimentan múltiples años de sequía, inundaciones u otras condiciones duras. Esas variaciones decenales del clima plantean problemas para las actividades humanas y la planificación. Por ejemplo, las sequías plurianuales pueden perturbar el suministro de agua, inducir a la pérdida de cosechas y causar trastornos económicos y sociales, como en el caso de las sequías de Dust Bowl en el medio continente de América del Norte durante el decenio de 1930. Las sequías plurianuales pueden incluso causar una hambruna generalizada, como en la sequía del Sahel que se produjo en el norte de África durante los años setenta y ochenta.

Variación estacional
Todos los lugares de la Tierra experimentan una variación estacional del clima (aunque el cambio puede ser leve en algunas regiones tropicales). Esta variación cíclica es impulsada por los cambios estacionales en el suministro de radiación solar a la atmósfera y la superficie de la Tierra. La órbita de la Tierra alrededor del Sol es elíptica; está más cerca del Sol ( 147 millones de km [unos 91 millones de millas]) cerca del solsticio de invierno y más lejos del Sol (152 millones de km [unos 94 millones de millas]) cerca del solsticio de verano en el Hemisferio Norte. Además, el eje de rotación de la Tierra se produce en un ángulo oblicuo (23,5°) con respecto a su órbita. Por lo tanto, cada hemisferio está inclinado lejos del Sol durante su período de invierno y hacia el Sol en su período de verano. Cuando un hemisferio está inclinado lejos del Sol, recibe menos radiación solar que el hemisferio opuesto, que en ese momento está apuntado hacia el Sol. Así, a pesar de la mayor proximidad del Sol en el solsticio de invierno, el hemisferio norte recibe menos radiación solar durante el invierno que durante el verano. También como consecuencia de la inclinación, cuando el Hemisferio Norte experimenta el invierno, el Hemisferio Sur experimenta el verano.

El sistema climático de la Tierra está impulsado por la radiación solar; las diferencias estacionales en el clima resultan en última instancia de los cambios estacionales en la órbita de la Tierra. La circulación del aire en la atmósfera y del agua en los océanos responde a las variaciones estacionales de la energía disponible del Sol. Los cambios estacionales específicos del clima que se producen en cualquier lugar determinado de la superficie de la Tierra resultan en gran medida de la transferencia de energía de la circulación atmosférica y oceánica. Las diferencias en el calentamiento de la superficie que tienen lugar entre el verano y el invierno hacen que las vías de las tormentas y los centros de presión cambien de posición y fuerza. Estas diferencias de calentamiento también provocan cambios estacionales en la nubosidad, las precipitaciones y el viento.

Las respuestas estacionales de la biosfera (especialmente la vegetación) y la criosfera (glaciares, hielo marino, campos de nieve) también contribuyen a la circulación atmosférica y al clima. La caída de hojas de los árboles de hoja caduca al entrar en el letargo invernal aumenta el albedo (reflectividad) de la superficie de la Tierra y puede conducir a un mayor enfriamiento local y regional. De manera similar, la acumulación de nieve también aumenta el albedo de las superficies terrestres y a menudo amplifica los efectos del invierno.

Variación interanual
Las variaciones climáticas interanuales, incluidas las sequías, las inundaciones y otros acontecimientos, son causadas por una compleja serie de factores e interacciones del sistema terrestre. Una característica importante que desempeña un papel en estas variaciones es el cambio periódico de las pautas de circulación atmosférica y oceánica en la región del Pacífico tropical, conocido colectivamente como variación de El Niño-Oscilación Austral (ENSO). Aunque sus principales efectos climáticos se concentran en el Pacífico tropical, la ENOS tiene efectos en cascada que a menudo se extienden a la región del Océano Atlántico, al interior de Europa y Asia, y a las regiones polares. Estos efectos, denominados teleconexiones, se producen porque las alteraciones en las pautas de circulación atmosférica de baja latitud en la región del Pacífico influyen en la circulación atmosférica de los sistemas adyacentes y descendentes. Como resultado, las trayectorias de las tormentas se desvían y las crestas de presión atmosférica (zonas de alta presión) y las canalizaciones (zonas de baja presión) se desplazan de sus patrones habituales.

Como ejemplo, los eventos de El Niño ocurren cuando los vientos alisios del este en el Pacífico tropical se debilitan o invierten su dirección. Esto cierra el afloramiento de las aguas profundas y frías de la costa occidental de América del Sur, calienta el Pacífico oriental e invierte el gradiente de presión atmosférica en el Pacífico occidental. Como resultado, el aire de la superficie se desplaza hacia el este desde Australia e Indonesia hacia el Pacífico central y las Américas. Estos cambios producen grandes precipitaciones e inundaciones repentinas a lo largo de la costa normalmente árida del Perú y una grave sequía en las regiones normalmente húmedas del norte de Australia e Indonesia. Los fenómenos de El Niño particularmente graves provocan el fracaso de los monzones en la región del Océano Índico, lo que da lugar a una intensa sequía en la India y en África oriental. Al mismo tiempo, las trayectorias del oeste y de las tormentas se desplazan hacia el Ecuador, lo que proporciona a California y al desierto del sudoeste de los Estados Unidos un clima invernal húmedo y tormentoso y hace que las condiciones invernales en el noroeste del Pacífico, que suelen ser húmedas, se vuelvan más cálidas y secas. El desplazamiento de los vientos del oeste también provoca sequías en el norte de China y desde el noreste de Brasil a través de secciones de Venezuela. Los registros a largo plazo de la variación del ENOS a partir de documentos históricos, anillos de árboles y corales de arrecifes indican que los eventos de El Niño ocurren, en promedio, cada dos a siete años. Sin embargo, la frecuencia e intensidad de estos eventos varían a lo largo del tiempo.

La Oscilación del Atlántico Norte (OAN) es otro ejemplo de una oscilación interanual que produce importantes efectos climáticos dentro del sistema terrestre y puede influir en el clima en todo el hemisferio norte. Este fenómeno es el resultado de la variación del gradiente de presión, o la diferencia de presión atmosférica entre el máximo subtropical, situado normalmente entre las Azores y Gibraltar, y el mínimo islandés, centrado entre Islandia y Groenlandia. Cuando el gradiente de presión es pronunciado debido a un fuerte máximo subtropical y un bajo islandés profundo (fase positiva), Europa septentrional y Asia septentrional experimentan inviernos cálidos y húmedos con frecuentes y fuertes tormentas invernales. Al mismo tiempo, el sur de Europa es seco. El este de los Estados Unidos también experimenta inviernos más cálidos y menos nevados durante las fases positivas de la NAO, aunque el efecto no es tan grande como en Europa. El gradiente de presión se atenúa cuando la NAO está en un modo negativo, es decir, cuando existe un gradiente de presión más débil a partir de la presencia de un débil máximo subtropical y un mínimo islandés. Cuando esto sucede, la región del Mediterráneo recibe abundantes precipitaciones invernales, mientras que el norte de Europa es frío y seco. El este de los Estados Unidos es típicamente más frío y con más nieve durante una fase negativa de la NAO.

Durante los años en que la Oscilación del Atlántico Norte (OAN) se encuentra en su fase positiva, el este de los Estados Unidos, el sudeste del Canadá y el noroeste de Europa experimentan temperaturas invernales más cálidas, mientras que en estos lugares se encuentran temperaturas más frías durante su fase negativa. Cuando tanto el Niño/Oscilación Austral (ENSO) como la NAO se encuentran en su fase positiva, los inviernos europeos tienden a ser más húmedos y menos severos; sin embargo, más allá de esta tendencia general, la influencia del ENSO sobre la NAO no se comprende bien.

Los ciclos del ENSO y la NAO son impulsados por las retroalimentaciones e interacciones entre los océanos y la atmósfera. La variación climática interanual es impulsada por estos y otros ciclos, interacciones entre ciclos y perturbaciones en el sistema terrestre, como las que resultan de grandes inyecciones de aerosoles de las erupciones volcánicas. Un ejemplo de perturbación debida al vulcanismo es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que provocó una disminución de la temperatura mundial media de aproximadamente 0,5 °C (0,9 °F) el verano siguiente.

Variación decenal
El clima varía en escalas de tiempo decenales, con grupos de varios años de condiciones húmedas, secas, frescas o cálidas. Estos grupos plurianuales pueden tener efectos dramáticos en las actividades y el bienestar humanos. Por ejemplo, una grave sequía de tres años a finales del siglo XVI probablemente contribuyó a la destrucción de la "Colonia Perdida" de Sir Walter Raleigh en la isla de Roanoke, en lo que hoy es Carolina del Norte, y una posterior sequía de siete años (1606-12) provocó una elevada mortalidad en la colonia de Jamestown, en Virginia. Además, algunos estudiosos han implicado a las sequías persistentes y graves como la principal razón del colapso de la civilización maya en Mesoamérica entre 750 y 950 d.C.; sin embargo, los descubrimientos de principios del siglo XXI sugieren que las perturbaciones del comercio relacionadas con la guerra desempeñaron un papel, posiblemente interactuando con las hambrunas y otras tensiones relacionadas con la sequía.

Aunque la variación climática a escala decenal está bien documentada, las causas no están del todo claras. Gran parte de la variación decenal del clima está relacionada con las variaciones interanuales. Por ejemplo, la frecuencia y la magnitud del ENOS cambian a lo largo del tiempo. Los primeros años de la década de 1990 se caracterizaron por repetidos eventos de El Niño, y se han identificado varias agrupaciones de este tipo que tuvieron lugar durante el siglo XX. La pendiente del gradiente del NAO también cambia en escalas temporales decenales; ha sido particularmente pronunciada desde el decenio de 1970.

Investigaciones recientes han revelado que las variaciones del clima a escala decenal son el resultado de las interacciones entre el océano y la atmósfera. Una de esas variaciones es la Oscilación Decadal del Pacífico (PDO), también conocida como Variabilidad Decadal del Pacífico (PDV), que implica cambios en las temperaturas de la superficie del mar (SST) en el Océano Pacífico Norte. Las TSM influyen en la fuerza y la posición de la Baja Aleutiana, que a su vez afecta fuertemente los patrones de precipitación a lo largo de la costa del Pacífico de Norteamérica. La variación de las TSM consiste en una alternancia entre los períodos de "fase fría", en los que la costa de Alaska es relativamente seca y el noroeste del Pacífico relativamente húmedo (por ejemplo, 1947-76), y los períodos de "fase cálida", caracterizados por una precipitación relativamente alta en la costa de Alaska y una precipitación baja en el noroeste del Pacífico (por ejemplo, 1925-46, 1977-98). Los registros de anillos de árboles y corales, que abarcan al menos los últimos cuatro siglos, documentan la variación del DOP.

Una oscilación similar, la Oscilación Multidecadal del Atlántico (OMA), se produce en el Atlántico Norte e influye fuertemente en los patrones de precipitación de América del Norte oriental y central. Una AMO de fase cálida (TSM del Atlántico Norte relativamente cálida) se asocia con precipitaciones relativamente altas en Florida y bajas en gran parte del Valle de Ohio. Sin embargo, el AMO interactúa con el PDO, y ambos interactúan con variaciones interanuales, como el ENSO y la NAO, en formas complejas . Tales interacciones pueden llevar a la amplificación de sequías, inundaciones u otras anomalías climáticas. Por ejemplo, las graves sequías que se produjeron en gran parte de los Estados Unidos conterminosos en los primeros años del siglo XXI se asociaron con la OMA de fase cálida combinada con la DOP de fase fría. Los mecanismos que subyacen a las variaciones decenales, como el PDO y la AMO, no se conocen bien, pero probablemente estén relacionados con las interacciones océano-atmósfera con constantes temporales más grandes que las variaciones interanuales. Las variaciones climáticas decenales son objeto de un intenso estudio por parte de los climatólogos y los paleoclimatólogos.

Causas del cambio climático
Es mucho más fácil documentar las pruebas de la variabilidad del clima y el cambio climático pasado que determinar sus mecanismos subyacentes. El clima está influenciado por una multitud de factores que operan en escalas de tiempo que van desde horas hasta cientos de millones de años. Muchas de las causas del cambio climático son externas al sistema de la Tierra. Otras son parte del sistema de la Tierra pero externas a la atmósfera. Otras implican interacciones entre la atmósfera y otros componentes del sistema terrestre y se describen colectivamente como retroalimentaciones dentro del sistema terrestre. Las retroalimentaciones se encuentran entre los factores causales más recientemente descubiertos y difíciles de estudiar. No obstante, se reconoce cada vez más que esos factores desempeñan un papel fundamental en la variación del clima. En esta sección se describen los mecanismos más importantes.

Variabilidad solar
La luminosidad, o brillo, del Sol ha ido aumentando constantemente desde su formación. Este fenómeno es importante para el clima de la Tierra, porque el Sol proporciona la energía para impulsar la circulación atmosférica y constituye el aporte para el presupuesto de calor de la Tierra. La baja luminosidad solar durante el tiempo del Precámbrico subyace a la tenue paradoja del joven Sol, descrita en la sección Climas de la Tierra temprana.

La energía radiante procedente del Sol es variable en escalas de tiempo muy pequeñas, debido a las tormentas solares y otras perturbaciones, pero las variaciones en la actividad solar, en particular la frecuencia de las manchas solares, también están documentadas en escalas de tiempo que van de decenios a milenios y probablemente se producen también en escalas de tiempo más largas. Se ha sugerido que el "mínimo de Maunder", un período de actividad de manchas solares drásticamente reducida entre 1645 y 1715 d.C., es un factor que contribuye a la Pequeña Edad de Hielo. (Ver abajo Variación y cambio climático desde la aparición de la civilización).

La actividad volcánica
La actividad volcánica puede influir en el clima de varias maneras y en diferentes escalas de tiempo. Las erupciones volcánicas individuales pueden liberar grandes cantidades de dióxido de azufre y otros aerosoles en la estratosfera, reduciendo la transparencia atmosférica y, por tanto, la cantidad de radiación solar que llega a la superficie y la troposfera de la Tierra. Un ejemplo reciente es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que tuvo influencias mensurables en la circulación atmosférica y los balances de calor. La erupción de 1815 del Monte Tambora en la isla de Sumbawa tuvo consecuencias más dramáticas, ya que la primavera y el verano del año siguiente (1816, conocido como "el año sin verano") fueron inusualmente fríos en gran parte del mundo. Nueva Inglaterra y Europa experimentaron nevadas y heladas durante todo el verano de 1816.

Los volcanes y los fenómenos conexos, como el desgarramiento y la subducción de los océanos, liberan dióxido de carbono tanto en los océanos como en la atmósfera. Las emisiones son bajas; incluso una masiva erupción volcánica como la del Monte Pinatubo libera sólo una fracción del dióxido de carbono emitido por la combustión de combustibles fósiles en un año. Sin embargo, a escala geológica, la liberación de este gas de efecto invernadero puede tener efectos importantes. Las variaciones en la liberación de dióxido de carbono por los volcanes y las grietas oceánicas a lo largo de millones de años pueden alterar la química de la atmósfera. Esta variabilidad en las concentraciones de dióxido de carbono probablemente explica gran parte de la variación climática que ha tenido lugar durante el Eón Fanerozoico.

Actividad tectónica
Los movimientos tectónicos de la corteza terrestre han tenido profundos efectos en el clima en escalas de tiempo de millones a decenas de millones de años. Estos movimientos han cambiado la forma, el tamaño, la posición y la elevación de las masas continentales, así como la batimetría de los océanos. A su vez, los cambios topográficos y batimétricos han tenido fuertes efectos en la circulación tanto de la atmósfera como de los océanos. Por ejemplo, el levantamiento de la meseta tibetana durante la era cenozoica afectó las pautas de circulación atmosférica, creando el monzón de Asia meridional e influyendo en el clima de gran parte del resto de Asia y las regiones vecinas.

La actividad tectónica también influye en la química atmosférica, en particular en las concentraciones de dióxido de carbono. El dióxido de carbono se emite desde los volcanes y las fumarolas de las zonas de fisura y de subducción. Las variaciones en la tasa de propagación en las zonas de fisuras y el grado de actividad volcánica cerca de los márgenes de las placas han influido en las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono a lo largo de la historia de la Tierra. Incluso la meteorización química de la roca constituye un importante sumidero de dióxido de carbono. (Un sumidero de carbono es cualquier proceso que elimina el dióxido de carbono de la atmósfera mediante la conversión química del CO2 en compuestos de carbono orgánicos o inorgánicos). El ácido carbónico, formado a partir de dióxido de carbono y agua, es un reactivo en la disolución de silicatos y otros minerales. Las tasas de meteorización están relacionadas con la masa, la elevación y la exposición del lecho rocoso. La elevación tectónica puede aumentar todos estos factores y, por lo tanto, conducir a un aumento de la meteorización y la absorción de dióxido de carbono. Por ejemplo, la meteorización química de la meseta tibetana en ascenso puede haber desempeñado un papel importante en el agotamiento del dióxido de carbono en la atmósfera durante un período de enfriamiento global a finales del Cenozoico.

Variaciones orbitales
La geometría orbital de la Tierra se ve afectada de manera predecible por las influencias gravitatorias de otros planetas del sistema solar. Tres características primarias de la órbita de la Tierra se ven afectadas, cada una de ellas de manera cíclica o recurrente. Primero, la forma de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, varía de casi circular a elíptica (excéntrica), con periodicidades de 100.000 y 413.000 años. En segundo lugar, la inclinación del eje de la Tierra con respecto al Sol, que es el principal responsable de los climas estacionales de la Tierra, varía entre 22,1° y 24,5° con respecto al plano de rotación de la Tierra alrededor del Sol. Esta variación se produce en un ciclo de 41.000 años. En general, cuanto mayor es la inclinación, mayor es la radiación solar recibida por los hemisferios en verano y menor la recibida en invierno. El tercer cambio cíclico en la geometría orbital de la Tierra resulta de dos fenómenos combinados: 1) El eje de rotación de la Tierra se tambalea, cambiando la dirección del eje con respecto al Sol, y 2) la orientación de la elipse orbital de la Tierra gira lentamente. Estos dos procesos crean un ciclo de 26.000 años, llamado precesión de los equinoccios, en el que la posición de la Tierra en los equinoccios y solsticios cambia. Hoy en día la Tierra está más cerca del Sol (perihelio) cerca del solsticio de diciembre, mientras que hace 9.000 años el perihelio se produjo cerca del solsticio de junio.

Estas variaciones orbitales causan cambios en la distribución latitudinal y estacional de la radiación solar, que a su vez impulsan una serie de variaciones climáticas. Las variaciones orbitales juegan un papel importante en el ritmo de los patrones glaciales-interglaciales y monzónicos. Sus influencias se han identificado en los cambios climáticos de gran parte del Fanerozoico. Por ejemplo, los ciclomotores -que son lechos marinos, fluviales y de carbón intercalados característicos del subperíodo de Pensilvania (hace 318,1 millones a 299 millones de años)- parecen representar los cambios impulsados por Milankovitch en el nivel medio del mar.

Los gases de efecto invernadero son moléculas de gas que tienen la propiedad de absorber la radiación infrarroja (energía térmica neta) emitida desde la superficie de la Tierra y volverla a radiar hacia la superficie terrestre, contribuyendo así al fenómeno conocido como efecto invernadero. El dióxido de carbono, el metano y el vapor de agua son los gases de efecto invernadero más importantes, y tienen un profundo efecto en el presupuesto energético del sistema terrestre a pesar de que constituyen sólo una fracción de todos los gases atmosféricos. Las concentraciones de gases de efecto invernadero han variado sustancialmente durante la historia de la Tierra, y estas variaciones han impulsado cambios climáticos sustanciales en una amplia gama de escalas de tiempo. En general, las concentraciones de gases de efecto invernadero han sido particularmente altas durante los períodos cálidos y bajas durante las fases frías. Varios procesos influyen en las concentraciones de gases de efecto invernadero. Algunos, como las actividades tectónicas, operan en escalas de tiempo de millones de años, mientras que otros, como la vegetación, el suelo, los humedales y las fuentes y sumideros oceánicos, operan en escalas de tiempo de cientos a miles de años. Las actividades humanas -especialmente la combustión de combustibles fósiles desde la Revolución Industrial- son responsables del aumento constante de las concentraciones atmosféricas de diversos gases de efecto invernadero, especialmente el dióxido de carbono, el metano, el ozono y los clorofluorocarbonos (CFC).

Tal vez el tema más intensamente discutido e investigado sobre la variabilidad del clima sea el papel de las interacciones y retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre. Las retroalimentaciones implican diferentes componentes que operan a diferentes velocidades y escalas de tiempo. Las capas de hielo, el hielo marino, la vegetación terrestre, las temperaturas oceánicas, las tasas de meteorización, la circulación oceánica y las concentraciones de gases de efecto invernadero están todas influidas directa o indirectamente por la atmósfera; sin embargo, todas ellas también retroalimentan a la atmósfera, influyéndola así de manera importante. Por ejemplo, las diferentes formas y densidades de vegetación en la superficie terrestre influyen en el albedo, o reflectividad, de la superficie de la Tierra, afectando así al balance global de radiación a escalas locales y regionales. Al mismo tiempo, la transferencia de moléculas de agua del suelo a la atmósfera está mediada por la vegetación, tanto directamente (por la transpiración a través de los estomas de las plantas) como indirectamente (por las influencias de la sombra y la temperatura en la evaporación directa del suelo). Esta regulación del flujo de calor latente por parte de la vegetación puede influir en el clima a escalas locales y globales. Como resultado, los cambios en la vegetación, que están parcialmente controlados por el clima, pueden a su vez influir en el sistema climático. La vegetación también influye en las concentraciones de gases de efecto invernadero; las plantas vivas constituyen un importante sumidero de dióxido de carbono atmosférico, mientras que actúan como fuentes de dióxido de carbono cuando se queman por incendios o se descomponen. Estas y otras retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre son fundamentales tanto para comprender los cambios climáticos del pasado como para predecir los futuros.

Las actividades humanas
El reconocimiento del cambio climático mundial como una cuestión ambiental ha llamado la atención sobre el impacto climático de las actividades humanas. La mayor parte de esta atención se ha centrado en la emisión de dióxido de carbono mediante la combustión de combustibles fósiles y la deforestación. Las actividades humanas también producen emisiones de otros gases de efecto invernadero, como el metano (procedente del cultivo de arroz, el ganado, los vertederos y otras fuentes) y los clorofluorocarbonos (procedentes de fuentes industriales). Hay pocas dudas entre los climatólogos de que estos gases de efecto invernadero afectan al presupuesto de radiación de la Tierra; la naturaleza y la magnitud de la respuesta climática son objeto de una intensa actividad de investigación. Los registros paleoclimáticos de los anillos de los árboles, los corales y los núcleos de hielo indican una clara tendencia al calentamiento que abarca todo el siglo XX y la primera década del siglo XXI. De hecho, el siglo XX fue el más cálido de los últimos 10 siglos, y la década 2001-10 fue la década más cálida desde el comienzo de los registros instrumentales modernos. Muchos climatólogos han señalado este patrón de calentamiento como una clara evidencia de los cambios climáticos inducidos por el hombre como resultado de la producción de gases de efecto invernadero.

Un segundo tipo de impacto humano, la conversión de la vegetación por la deforestación, la forestación y la agricultura, está recibiendo una creciente atención como una fuente adicional de cambio climático. Cada vez es más evidente que los impactos humanos sobre la cubierta vegetal pueden tener efectos locales, regionales e incluso mundiales sobre el clima, debido a los cambios en el flujo de calor sensible y latente hacia la atmósfera y la distribución de la energía dentro del sistema climático. La medida en que estos factores contribuyen al cambio climático reciente y en curso es una importante área de estudio emergente.

El cambio climático en el transcurso de la vida humana
Independientemente de su ubicación en el planeta, todos los seres humanos experimentan la variabilidad y el cambio climático durante sus vidas. Los fenómenos más familiares y predecibles son los ciclos estacionales, a los que las personas ajustan su ropa, las actividades al aire libre, los termostatos y las prácticas agrícolas. Sin embargo, no hay dos veranos o inviernos exactamente iguales en el mismo lugar; algunos son más cálidos, húmedos o tormentosos que otros. Esta variación interanual del clima es en parte responsable de las variaciones de un año a otro en los precios del combustible, el rendimiento de los cultivos, los presupuestos de mantenimiento de las carreteras y los riesgos de incendios forestales. Las inundaciones provocadas por las precipitaciones en un solo año pueden causar graves daños económicos, como los de la cuenca de drenaje del río Misisipí superior durante el verano de 1993, y pérdidas de vidas, como las que devastaron gran parte de Bangladesh en el verano de 1998. También pueden producirse daños y pérdidas de vidas similares como resultado de incendios forestales, tormentas graves, huracanes, olas de calor y otros acontecimientos relacionados con el clima.

La variación y el cambio climático también pueden ocurrir en períodos más largos, como décadas. Algunos lugares experimentan múltiples años de sequía, inundaciones u otras condiciones duras. Esas variaciones decenales del clima plantean problemas para las actividades humanas y la planificación. Por ejemplo, las sequías plurianuales pueden perturbar el suministro de agua, inducir a la pérdida de cosechas y causar trastornos económicos y sociales, como en el caso de las sequías de Dust Bowl en el medio continente de América del Norte durante el decenio de 1930. Las sequías plurianuales pueden incluso causar una hambruna generalizada, como en la sequía del Sahel que se produjo en el norte de África durante los años setenta y ochenta.

Variación estacional
Todos los lugares de la Tierra experimentan una variación estacional del clima (aunque el cambio puede ser leve en algunas regiones tropicales). Esta variación cíclica es impulsada por los cambios estacionales en el suministro de radiación solar a la atmósfera y la superficie de la Tierra. La órbita de la Tierra alrededor del Sol es elíptica; está más cerca del Sol ( 147 millones de km [unos 91 millones de millas]) cerca del solsticio de invierno y más lejos del Sol (152 millones de km [unos 94 millones de millas]) cerca del solsticio de verano en el Hemisferio Norte. Además, el eje de rotación de la Tierra se produce en un ángulo oblicuo (23,5°) con respecto a su órbita. Por lo tanto, cada hemisferio está inclinado lejos del Sol durante su período de invierno y hacia el Sol en su período de verano. Cuando un hemisferio está inclinado lejos del Sol, recibe menos radiación solar que el hemisferio opuesto, que en ese momento está apuntado hacia el Sol. Así, a pesar de la mayor proximidad del Sol en el solsticio de invierno, el hemisferio norte recibe menos radiación solar durante el invierno que durante el verano. También como consecuencia de la inclinación, cuando el Hemisferio Norte experimenta el invierno, el Hemisferio Sur experimenta el verano.

El sistema climático de la Tierra está impulsado por la radiación solar; las diferencias estacionales en el clima resultan en última instancia de los cambios estacionales en la órbita de la Tierra. La circulación del aire en la atmósfera y del agua en los océanos responde a las variaciones estacionales de la energía disponible del Sol. Los cambios estacionales específicos del clima que se producen en cualquier lugar determinado de la superficie de la Tierra resultan en gran medida de la transferencia de energía de la circulación atmosférica y oceánica. Las diferencias en el calentamiento de la superficie que tienen lugar entre el verano y el invierno hacen que las vías de las tormentas y los centros de presión cambien de posición y fuerza. Estas diferencias de calentamiento también provocan cambios estacionales en la nubosidad, las precipitaciones y el viento.

Las respuestas estacionales de la biosfera (especialmente la vegetación) y la criosfera (glaciares, hielo marino, campos de nieve) también contribuyen a la circulación atmosférica y al clima. La caída de hojas de los árboles de hoja caduca al entrar en el letargo invernal aumenta el albedo (reflectividad) de la superficie de la Tierra y puede conducir a un mayor enfriamiento local y regional. De manera similar, la acumulación de nieve también aumenta el albedo de las superficies terrestres y a menudo amplifica los efectos del invierno.

Variación interanual
Las variaciones climáticas interanuales, incluidas las sequías, las inundaciones y otros acontecimientos, son causadas por una compleja serie de factores e interacciones del sistema terrestre. Una característica importante que desempeña un papel en estas variaciones es el cambio periódico de las pautas de circulación atmosférica y oceánica en la región del Pacífico tropical, conocido colectivamente como variación de El Niño-Oscilación Austral (ENSO). Aunque sus principales efectos climáticos se concentran en el Pacífico tropical, la ENOS tiene efectos en cascada que a menudo se extienden a la región del Océano Atlántico, al interior de Europa y Asia, y a las regiones polares. Estos efectos, denominados teleconexiones, se producen porque las alteraciones en las pautas de circulación atmosférica de baja latitud en la región del Pacífico influyen en la circulación atmosférica de los sistemas adyacentes y descendentes. Como resultado, las trayectorias de las tormentas se desvían y las crestas de presión atmosférica (zonas de alta presión) y las canalizaciones (zonas de baja presión) se desplazan de sus patrones habituales.

Como ejemplo, los eventos de El Niño ocurren cuando los vientos alisios del este en el Pacífico tropical se debilitan o invierten su dirección. Esto cierra el afloramiento de las aguas profundas y frías de la costa occidental de América del Sur, calienta el Pacífico oriental e invierte el gradiente de presión atmosférica en el Pacífico occidental. Como resultado, el aire de la superficie se desplaza hacia el este desde Australia e Indonesia hacia el Pacífico central y las Américas. Estos cambios producen grandes precipitaciones e inundaciones repentinas a lo largo de la costa normalmente árida del Perú y una grave sequía en las regiones normalmente húmedas del norte de Australia e Indonesia. Los fenómenos de El Niño particularmente graves provocan el fracaso de los monzones en la región del Océano Índico, lo que da lugar a una intensa sequía en la India y en África oriental. Al mismo tiempo, las trayectorias del oeste y de las tormentas se desplazan hacia el Ecuador, lo que proporciona a California y al desierto del sudoeste de los Estados Unidos un clima invernal húmedo y tormentoso y hace que las condiciones invernales en el noroeste del Pacífico, que suelen ser húmedas, se vuelvan más cálidas y secas. El desplazamiento de los vientos del oeste también provoca sequías en el norte de China y desde el noreste de Brasil a través de secciones de Venezuela. Los registros a largo plazo de la variación del ENOS a partir de documentos históricos, anillos de árboles y corales de arrecifes indican que los eventos de El Niño ocurren, en promedio, cada dos a siete años. Sin embargo, la frecuencia e intensidad de estos eventos varían a lo largo del tiempo.

La Oscilación del Atlántico Norte (OAN) es otro ejemplo de una oscilación interanual que produce importantes efectos climáticos dentro del sistema terrestre y puede influir en el clima en todo el hemisferio norte. Este fenómeno es el resultado de la variación del gradiente de presión, o la diferencia de presión atmosférica entre el máximo subtropical, situado normalmente entre las Azores y Gibraltar, y el mínimo islandés, centrado entre Islandia y Groenlandia. Cuando el gradiente de presión es pronunciado debido a un fuerte máximo subtropical y un bajo islandés profundo (fase positiva), Europa septentrional y Asia septentrional experimentan inviernos cálidos y húmedos con frecuentes y fuertes tormentas invernales. Al mismo tiempo, el sur de Europa es seco. El este de los Estados Unidos también experimenta inviernos más cálidos y menos nevados durante las fases positivas de la NAO, aunque el efecto no es tan grande como en Europa. El gradiente de presión se atenúa cuando la NAO está en un modo negativo, es decir, cuando existe un gradiente de presión más débil a partir de la presencia de un débil máximo subtropical y un mínimo islandés. Cuando esto sucede, la región del Mediterráneo recibe abundantes precipitaciones invernales, mientras que el norte de Europa es frío y seco. El este de los Estados Unidos es típicamente más frío y con más nieve durante una fase negativa de la NAO.

Durante los años en que la Oscilación del Atlántico Norte (OAN) se encuentra en su fase positiva, el este de los Estados Unidos, el sudeste del Canadá y el noroeste de Europa experimentan temperaturas invernales más cálidas, mientras que en estos lugares se encuentran temperaturas más frías durante su fase negativa. Cuando tanto el Niño/Oscilación Austral (ENSO) como la NAO se encuentran en su fase positiva, los inviernos europeos tienden a ser más húmedos y menos severos; sin embargo, más allá de esta tendencia general, la influencia del ENSO sobre la NAO no se comprende bien.

Los ciclos del ENSO y la NAO son impulsados por las retroalimentaciones e interacciones entre los océanos y la atmósfera. La variación climática interanual es impulsada por estos y otros ciclos, interacciones entre ciclos y perturbaciones en el sistema terrestre, como las que resultan de grandes inyecciones de aerosoles de las erupciones volcánicas. Un ejemplo de perturbación debida al vulcanismo es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que provocó una disminución de la temperatura mundial media de aproximadamente 0,5 °C (0,9 °F) el verano siguiente.

Variación decenal
El clima varía en escalas de tiempo decenales, con grupos de varios años de condiciones húmedas, secas, frescas o cálidas. Estos grupos plurianuales pueden tener efectos dramáticos en las actividades y el bienestar humanos. Por ejemplo, una grave sequía de tres años a finales del siglo XVI probablemente contribuyó a la destrucción de la "Colonia Perdida" de Sir Walter Raleigh en la isla de Roanoke, en lo que hoy es Carolina del Norte, y una posterior sequía de siete años (1606-12) provocó una elevada mortalidad en la colonia de Jamestown, en Virginia. Además, algunos estudiosos han implicado a las sequías persistentes y graves como la principal razón del colapso de la civilización maya en Mesoamérica entre 750 y 950 d.C.; sin embargo, los descubrimientos de principios del siglo XXI sugieren que las perturbaciones del comercio relacionadas con la guerra desempeñaron un papel, posiblemente interactuando con las hambrunas y otras tensiones relacionadas con la sequía.

Aunque la variación climática a escala decenal está bien documentada, las causas no están del todo claras. Gran parte de la variación decenal del clima está relacionada con las variaciones interanuales. Por ejemplo, la frecuencia y la magnitud del ENOS cambian a lo largo del tiempo. Los primeros años de la década de 1990 se caracterizaron por repetidos eventos de El Niño, y se han identificado varias agrupaciones de este tipo que tuvieron lugar durante el siglo XX. La pendiente del gradiente del NAO también cambia en escalas temporales decenales; ha sido particularmente pronunciada desde el decenio de 1970.

Investigaciones recientes han revelado que las variaciones del clima a escala decenal son el resultado de las interacciones entre el océano y la atmósfera. Una de esas variaciones es la Oscilación Decadal del Pacífico (PDO), también conocida como Variabilidad Decadal del Pacífico (PDV), que implica cambios en las temperaturas de la superficie del mar (SST) en el Océano Pacífico Norte. Las TSM influyen en la fuerza y la posición de la Baja Aleutiana, que a su vez afecta fuertemente los patrones de precipitación a lo largo de la costa del Pacífico de Norteamérica. La variación de las TSM consiste en una alternancia entre los períodos de "fase fría", en los que la costa de Alaska es relativamente seca y el noroeste del Pacífico relativamente húmedo (por ejemplo, 1947-76), y los períodos de "fase cálida", caracterizados por una precipitación relativamente alta en la costa de Alaska y una precipitación baja en el noroeste del Pacífico (por ejemplo, 1925-46, 1977-98). Los registros de anillos de árboles y corales, que abarcan al menos los últimos cuatro siglos, documentan la variación del DOP.

Una oscilación similar, la Oscilación Multidecadal del Atlántico (OMA), se produce en el Atlántico Norte e influye fuertemente en los patrones de precipitación de América del Norte oriental y central. Una AMO de fase cálida (TSM del Atlántico Norte relativamente cálida) se asocia con precipitaciones relativamente altas en Florida y bajas en gran parte del Valle de Ohio. Sin embargo, el AMO interactúa con el PDO, y ambos interactúan con variaciones interanuales, como el ENSO y la NAO, en formas complejas . Tales interacciones pueden llevar a la amplificación de sequías, inundaciones u otras anomalías climáticas. Por ejemplo, las graves sequías que se produjeron en gran parte de los Estados Unidos conterminosos en los primeros años del siglo XXI se asociaron con la OMA de fase cálida combinada con la DOP de fase fría. Los mecanismos que subyacen a las variaciones decenales, como el PDO y la AMO, no se conocen bien, pero probablemente estén relacionados con las interacciones océano-atmósfera con constantes temporales más grandes que las variaciones interanuales. Las variaciones climáticas decenales son objeto de un intenso estudio por parte de los climatólogos y los paleoclimatólogos.

Causas del cambio climático
Es mucho más fácil documentar las pruebas de la variabilidad del clima y el cambio climático pasado que determinar sus mecanismos subyacentes. El clima está influenciado por una multitud de factores que operan en escalas de tiempo que van desde horas hasta cientos de millones de años. Muchas de las causas del cambio climático son externas al sistema de la Tierra. Otras son parte del sistema de la Tierra pero externas a la atmósfera. Otras implican interacciones entre la atmósfera y otros componentes del sistema terrestre y se describen colectivamente como retroalimentaciones dentro del sistema terrestre. Las retroalimentaciones se encuentran entre los factores causales más recientemente descubiertos y difíciles de estudiar. No obstante, se reconoce cada vez más que esos factores desempeñan un papel fundamental en la variación del clima. En esta sección se describen los mecanismos más importantes.

Variabilidad solar
La luminosidad, o brillo, del Sol ha ido aumentando constantemente desde su formación. Este fenómeno es importante para el clima de la Tierra, porque el Sol proporciona la energía para impulsar la circulación atmosférica y constituye el aporte para el presupuesto de calor de la Tierra. La baja luminosidad solar durante el tiempo del Precámbrico subyace a la tenue paradoja del joven Sol, descrita en la sección Climas de la Tierra temprana.

La energía radiante procedente del Sol es variable en escalas de tiempo muy pequeñas, debido a las tormentas solares y otras perturbaciones, pero las variaciones en la actividad solar, en particular la frecuencia de las manchas solares, también están documentadas en escalas de tiempo que van de decenios a milenios y probablemente se producen también en escalas de tiempo más largas. Se ha sugerido que el "mínimo de Maunder", un período de actividad de manchas solares drásticamente reducida entre 1645 y 1715 d.C., es un factor que contribuye a la Pequeña Edad de Hielo. (Ver abajo Variación y cambio climático desde la aparición de la civilización).

La actividad volcánica
La actividad volcánica puede influir en el clima de varias maneras y en diferentes escalas de tiempo. Las erupciones volcánicas individuales pueden liberar grandes cantidades de dióxido de azufre y otros aerosoles en la estratosfera, reduciendo la transparencia atmosférica y, por tanto, la cantidad de radiación solar que llega a la superficie y la troposfera de la Tierra. Un ejemplo reciente es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que tuvo influencias mensurables en la circulación atmosférica y los balances de calor. La erupción de 1815 del Monte Tambora en la isla de Sumbawa tuvo consecuencias más dramáticas, ya que la primavera y el verano del año siguiente (1816, conocido como "el año sin verano") fueron inusualmente fríos en gran parte del mundo. Nueva Inglaterra y Europa experimentaron nevadas y heladas durante todo el verano de 1816.

Los volcanes y los fenómenos conexos, como el desgarramiento y la subducción de los océanos, liberan dióxido de carbono tanto en los océanos como en la atmósfera. Las emisiones son bajas; incluso una masiva erupción volcánica como la del Monte Pinatubo libera sólo una fracción del dióxido de carbono emitido por la combustión de combustibles fósiles en un año. Sin embargo, a escala geológica, la liberación de este gas de efecto invernadero puede tener efectos importantes. Las variaciones en la liberación de dióxido de carbono por los volcanes y las grietas oceánicas a lo largo de millones de años pueden alterar la química de la atmósfera. Esta variabilidad en las concentraciones de dióxido de carbono probablemente explica gran parte de la variación climática que ha tenido lugar durante el Eón Fanerozoico.

Actividad tectónica
Los movimientos tectónicos de la corteza terrestre han tenido profundos efectos en el clima en escalas de tiempo de millones a decenas de millones de años. Estos movimientos han cambiado la forma, el tamaño, la posición y la elevación de las masas continentales, así como la batimetría de los océanos. A su vez, los cambios topográficos y batimétricos han tenido fuertes efectos en la circulación tanto de la atmósfera como de los océanos. Por ejemplo, el levantamiento de la meseta tibetana durante la era cenozoica afectó las pautas de circulación atmosférica, creando el monzón de Asia meridional e influyendo en el clima de gran parte del resto de Asia y las regiones vecinas.

La actividad tectónica también influye en la química atmosférica, en particular en las concentraciones de dióxido de carbono. El dióxido de carbono se emite desde los volcanes y las fumarolas de las zonas de fisura y de subducción. Las variaciones en la tasa de propagación en las zonas de fisuras y el grado de actividad volcánica cerca de los márgenes de las placas han influido en las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono a lo largo de la historia de la Tierra. Incluso la meteorización química de la roca constituye un importante sumidero de dióxido de carbono. (Un sumidero de carbono es cualquier proceso que elimina el dióxido de carbono de la atmósfera mediante la conversión química del CO2 en compuestos de carbono orgánicos o inorgánicos). El ácido carbónico, formado a partir de dióxido de carbono y agua, es un reactivo en la disolución de silicatos y otros minerales. Las tasas de meteorización están relacionadas con la masa, la elevación y la exposición del lecho rocoso. La elevación tectónica puede aumentar todos estos factores y, por lo tanto, conducir a un aumento de la meteorización y la absorción de dióxido de carbono. Por ejemplo, la meteorización química de la meseta tibetana en ascenso puede haber desempeñado un papel importante en el agotamiento del dióxido de carbono en la atmósfera durante un período de enfriamiento global a finales del Cenozoico.

Variaciones orbitales
La geometría orbital de la Tierra se ve afectada de manera predecible por las influencias gravitatorias de otros planetas del sistema solar. Tres características primarias de la órbita de la Tierra se ven afectadas, cada una de ellas de manera cíclica o recurrente. Primero, la forma de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, varía de casi circular a elíptica (excéntrica), con periodicidades de 100.000 y 413.000 años. En segundo lugar, la inclinación del eje de la Tierra con respecto al Sol, que es el principal responsable de los climas estacionales de la Tierra, varía entre 22,1° y 24,5° con respecto al plano de rotación de la Tierra alrededor del Sol. Esta variación se produce en un ciclo de 41.000 años. En general, cuanto mayor es la inclinación, mayor es la radiación solar recibida por los hemisferios en verano y menor la recibida en invierno. El tercer cambio cíclico en la geometría orbital de la Tierra resulta de dos fenómenos combinados: 1) El eje de rotación de la Tierra se tambalea, cambiando la dirección del eje con respecto al Sol, y 2) la orientación de la elipse orbital de la Tierra gira lentamente. Estos dos procesos crean un ciclo de 26.000 años, llamado precesión de los equinoccios, en el que la posición de la Tierra en los equinoccios y solsticios cambia. Hoy en día la Tierra está más cerca del Sol (perihelio) cerca del solsticio de diciembre, mientras que hace 9.000 años el perihelio se produjo cerca del solsticio de junio.

Estas variaciones orbitales causan cambios en la distribución latitudinal y estacional de la radiación solar, que a su vez impulsan una serie de variaciones climáticas. Las variaciones orbitales juegan un papel importante en el ritmo de los patrones glaciales-interglaciales y monzónicos. Sus influencias se han identificado en los cambios climáticos de gran parte del Fanerozoico. Por ejemplo, los ciclomotores -que son lechos marinos, fluviales y de carbón intercalados característicos del subperíodo de Pensilvania (hace 318,1 millones a 299 millones de años)- parecen representar los cambios impulsados por Milankovitch en el nivel medio del mar.

Los gases de efecto invernadero son moléculas de gas que tienen la propiedad de absorber la radiación infrarroja (energía térmica neta) emitida desde la superficie de la Tierra y volverla a radiar hacia la superficie terrestre, contribuyendo así al fenómeno conocido como efecto invernadero. El dióxido de carbono, el metano y el vapor de agua son los gases de efecto invernadero más importantes, y tienen un profundo efecto en el presupuesto energético del sistema terrestre a pesar de que constituyen sólo una fracción de todos los gases atmosféricos. Las concentraciones de gases de efecto invernadero han variado sustancialmente durante la historia de la Tierra, y estas variaciones han impulsado cambios climáticos sustanciales en una amplia gama de escalas de tiempo. En general, las concentraciones de gases de efecto invernadero han sido particularmente altas durante los períodos cálidos y bajas durante las fases frías. Varios procesos influyen en las concentraciones de gases de efecto invernadero. Algunos, como las actividades tectónicas, operan en escalas de tiempo de millones de años, mientras que otros, como la vegetación, el suelo, los humedales y las fuentes y sumideros oceánicos, operan en escalas de tiempo de cientos a miles de años. Las actividades humanas -especialmente la combustión de combustibles fósiles desde la Revolución Industrial- son responsables del aumento constante de las concentraciones atmosféricas de diversos gases de efecto invernadero, especialmente el dióxido de carbono, el metano, el ozono y los clorofluorocarbonos (CFC).

Tal vez el tema más intensamente discutido e investigado sobre la variabilidad del clima sea el papel de las interacciones y retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre. Las retroalimentaciones implican diferentes componentes que operan a diferentes velocidades y escalas de tiempo. Las capas de hielo, el hielo marino, la vegetación terrestre, las temperaturas oceánicas, las tasas de meteorización, la circulación oceánica y las concentraciones de gases de efecto invernadero están todas influidas directa o indirectamente por la atmósfera; sin embargo, todas ellas también retroalimentan a la atmósfera, influyéndola así de manera importante. Por ejemplo, las diferentes formas y densidades de vegetación en la superficie terrestre influyen en el albedo, o reflectividad, de la superficie de la Tierra, afectando así al balance global de radiación a escalas locales y regionales. Al mismo tiempo, la transferencia de moléculas de agua del suelo a la atmósfera está mediada por la vegetación, tanto directamente (por la transpiración a través de los estomas de las plantas) como indirectamente (por las influencias de la sombra y la temperatura en la evaporación directa del suelo). Esta regulación del flujo de calor latente por parte de la vegetación puede influir en el clima a escalas locales y globales. Como resultado, los cambios en la vegetación, que están parcialmente controlados por el clima, pueden a su vez influir en el sistema climático. La vegetación también influye en las concentraciones de gases de efecto invernadero; las plantas vivas constituyen un importante sumidero de dióxido de carbono atmosférico, mientras que actúan como fuentes de dióxido de carbono cuando se queman por incendios o se descomponen. Estas y otras retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre son fundamentales tanto para comprender los cambios climáticos del pasado como para predecir los futuros.

Las actividades humanas
El reconocimiento del cambio climático mundial como una cuestión ambiental ha llamado la atención sobre el impacto climático de las actividades humanas. La mayor parte de esta atención se ha centrado en la emisión de dióxido de carbono mediante la combustión de combustibles fósiles y la deforestación. Las actividades humanas también producen emisiones de otros gases de efecto invernadero, como el metano (procedente del cultivo de arroz, el ganado, los vertederos y otras fuentes) y los clorofluorocarbonos (procedentes de fuentes industriales). Hay pocas dudas entre los climatólogos de que estos gases de efecto invernadero afectan al presupuesto de radiación de la Tierra; la naturaleza y la magnitud de la respuesta climática son objeto de una intensa actividad de investigación. Los registros paleoclimáticos de los anillos de los árboles, los corales y los núcleos de hielo indican una clara tendencia al calentamiento que abarca todo el siglo XX y la primera década del siglo XXI. De hecho, el siglo XX fue el más cálido de los últimos 10 siglos, y la década 2001-10 fue la década más cálida desde el comienzo de los registros instrumentales modernos. Muchos climatólogos han señalado este patrón de calentamiento como una clara evidencia de los cambios climáticos inducidos por el hombre como resultado de la producción de gases de efecto invernadero.

Un segundo tipo de impacto humano, la conversión de la vegetación por la deforestación, la forestación y la agricultura, está recibiendo una creciente atención como una fuente adicional de cambio climático. Cada vez es más evidente que los impactos humanos sobre la cubierta vegetal pueden tener efectos locales, regionales e incluso mundiales sobre el clima, debido a los cambios en el flujo de calor sensible y latente hacia la atmósfera y la distribución de la energía dentro del sistema climático. La medida en que estos factores contribuyen al cambio climático reciente y en curso es una importante área de estudio emergente.

El cambio climático en el transcurso de la vida humana
Independientemente de su ubicación en el planeta, todos los seres humanos experimentan la variabilidad y el cambio climático durante sus vidas. Los fenómenos más familiares y predecibles son los ciclos estacionales, a los que las personas ajustan su ropa, las actividades al aire libre, los termostatos y las prácticas agrícolas. Sin embargo, no hay dos veranos o inviernos exactamente iguales en el mismo lugar; algunos son más cálidos, húmedos o tormentosos que otros. Esta variación interanual del clima es en parte responsable de las variaciones de un año a otro en los precios del combustible, el rendimiento de los cultivos, los presupuestos de mantenimiento de las carreteras y los riesgos de incendios forestales. Las inundaciones provocadas por las precipitaciones en un solo año pueden causar graves daños económicos, como los de la cuenca de drenaje del río Misisipí superior durante el verano de 1993, y pérdidas de vidas, como las que devastaron gran parte de Bangladesh en el verano de 1998. También pueden producirse daños y pérdidas de vidas similares como resultado de incendios forestales, tormentas graves, huracanes, olas de calor y otros acontecimientos relacionados con el clima.

La variación y el cambio climático también pueden ocurrir en períodos más largos, como décadas. Algunos lugares experimentan múltiples años de sequía, inundaciones u otras condiciones duras. Esas variaciones decenales del clima plantean problemas para las actividades humanas y la planificación. Por ejemplo, las sequías plurianuales pueden perturbar el suministro de agua, inducir a la pérdida de cosechas y causar trastornos económicos y sociales, como en el caso de las sequías de Dust Bowl en el medio continente de América del Norte durante el decenio de 1930. Las sequías plurianuales pueden incluso causar una hambruna generalizada, como en la sequía del Sahel que se produjo en el norte de África durante los años setenta y ochenta.

Variación estacional
Todos los lugares de la Tierra experimentan una variación estacional del clima (aunque el cambio puede ser leve en algunas regiones tropicales). Esta variación cíclica es impulsada por los cambios estacionales en el suministro de radiación solar a la atmósfera y la superficie de la Tierra. La órbita de la Tierra alrededor del Sol es elíptica; está más cerca del Sol ( 147 millones de km [unos 91 millones de millas]) cerca del solsticio de invierno y más lejos del Sol (152 millones de km [unos 94 millones de millas]) cerca del solsticio de verano en el Hemisferio Norte. Además, el eje de rotación de la Tierra se produce en un ángulo oblicuo (23,5°) con respecto a su órbita. Por lo tanto, cada hemisferio está inclinado lejos del Sol durante su período de invierno y hacia el Sol en su período de verano. Cuando un hemisferio está inclinado lejos del Sol, recibe menos radiación solar que el hemisferio opuesto, que en ese momento está apuntado hacia el Sol. Así, a pesar de la mayor proximidad del Sol en el solsticio de invierno, el hemisferio norte recibe menos radiación solar durante el invierno que durante el verano. También como consecuencia de la inclinación, cuando el Hemisferio Norte experimenta el invierno, el Hemisferio Sur experimenta el verano.

El sistema climático de la Tierra está impulsado por la radiación solar; las diferencias estacionales en el clima resultan en última instancia de los cambios estacionales en la órbita de la Tierra. La circulación del aire en la atmósfera y del agua en los océanos responde a las variaciones estacionales de la energía disponible del Sol. Los cambios estacionales específicos del clima que se producen en cualquier lugar determinado de la superficie de la Tierra resultan en gran medida de la transferencia de energía de la circulación atmosférica y oceánica. Las diferencias en el calentamiento de la superficie que tienen lugar entre el verano y el invierno hacen que las vías de las tormentas y los centros de presión cambien de posición y fuerza. Estas diferencias de calentamiento también provocan cambios estacionales en la nubosidad, las precipitaciones y el viento.

Las respuestas estacionales de la biosfera (especialmente la vegetación) y la criosfera (glaciares, hielo marino, campos de nieve) también contribuyen a la circulación atmosférica y al clima. La caída de hojas de los árboles de hoja caduca al entrar en el letargo invernal aumenta el albedo (reflectividad) de la superficie de la Tierra y puede conducir a un mayor enfriamiento local y regional. De manera similar, la acumulación de nieve también aumenta el albedo de las superficies terrestres y a menudo amplifica los efectos del invierno.

Variación interanual
Las variaciones climáticas interanuales, incluidas las sequías, las inundaciones y otros acontecimientos, son causadas por una compleja serie de factores e interacciones del sistema terrestre. Una característica importante que desempeña un papel en estas variaciones es el cambio periódico de las pautas de circulación atmosférica y oceánica en la región del Pacífico tropical, conocido colectivamente como variación de El Niño-Oscilación Austral (ENSO). Aunque sus principales efectos climáticos se concentran en el Pacífico tropical, la ENOS tiene efectos en cascada que a menudo se extienden a la región del Océano Atlántico, al interior de Europa y Asia, y a las regiones polares. Estos efectos, denominados teleconexiones, se producen porque las alteraciones en las pautas de circulación atmosférica de baja latitud en la región del Pacífico influyen en la circulación atmosférica de los sistemas adyacentes y descendentes. Como resultado, las trayectorias de las tormentas se desvían y las crestas de presión atmosférica (zonas de alta presión) y las canalizaciones (zonas de baja presión) se desplazan de sus patrones habituales.

Como ejemplo, los eventos de El Niño ocurren cuando los vientos alisios del este en el Pacífico tropical se debilitan o invierten su dirección. Esto cierra el afloramiento de las aguas profundas y frías de la costa occidental de América del Sur, calienta el Pacífico oriental e invierte el gradiente de presión atmosférica en el Pacífico occidental. Como resultado, el aire de la superficie se desplaza hacia el este desde Australia e Indonesia hacia el Pacífico central y las Américas. Estos cambios producen grandes precipitaciones e inundaciones repentinas a lo largo de la costa normalmente árida del Perú y una grave sequía en las regiones normalmente húmedas del norte de Australia e Indonesia. Los fenómenos de El Niño particularmente graves provocan el fracaso de los monzones en la región del Océano Índico, lo que da lugar a una intensa sequía en la India y en África oriental. Al mismo tiempo, las trayectorias del oeste y de las tormentas se desplazan hacia el Ecuador, lo que proporciona a California y al desierto del sudoeste de los Estados Unidos un clima invernal húmedo y tormentoso y hace que las condiciones invernales en el noroeste del Pacífico, que suelen ser húmedas, se vuelvan más cálidas y secas. El desplazamiento de los vientos del oeste también provoca sequías en el norte de China y desde el noreste de Brasil a través de secciones de Venezuela. Los registros a largo plazo de la variación del ENOS a partir de documentos históricos, anillos de árboles y corales de arrecifes indican que los eventos de El Niño ocurren, en promedio, cada dos a siete años. Sin embargo, la frecuencia e intensidad de estos eventos varían a lo largo del tiempo.

La Oscilación del Atlántico Norte (OAN) es otro ejemplo de una oscilación interanual que produce importantes efectos climáticos dentro del sistema terrestre y puede influir en el clima en todo el hemisferio norte. Este fenómeno es el resultado de la variación del gradiente de presión, o la diferencia de presión atmosférica entre el máximo subtropical, situado normalmente entre las Azores y Gibraltar, y el mínimo islandés, centrado entre Islandia y Groenlandia. Cuando el gradiente de presión es pronunciado debido a un fuerte máximo subtropical y un bajo islandés profundo (fase positiva), Europa septentrional y Asia septentrional experimentan inviernos cálidos y húmedos con frecuentes y fuertes tormentas invernales. Al mismo tiempo, el sur de Europa es seco. El este de los Estados Unidos también experimenta inviernos más cálidos y menos nevados durante las fases positivas de la NAO, aunque el efecto no es tan grande como en Europa. El gradiente de presión se atenúa cuando la NAO está en un modo negativo, es decir, cuando existe un gradiente de presión más débil a partir de la presencia de un débil máximo subtropical y un mínimo islandés. Cuando esto sucede, la región del Mediterráneo recibe abundantes precipitaciones invernales, mientras que el norte de Europa es frío y seco. El este de los Estados Unidos es típicamente más frío y con más nieve durante una fase negativa de la NAO.

Durante los años en que la Oscilación del Atlántico Norte (OAN) se encuentra en su fase positiva, el este de los Estados Unidos, el sudeste del Canadá y el noroeste de Europa experimentan temperaturas invernales más cálidas, mientras que en estos lugares se encuentran temperaturas más frías durante su fase negativa. Cuando tanto el Niño/Oscilación Austral (ENSO) como la NAO se encuentran en su fase positiva, los inviernos europeos tienden a ser más húmedos y menos severos; sin embargo, más allá de esta tendencia general, la influencia del ENSO sobre la NAO no se comprende bien.

Los ciclos del ENSO y la NAO son impulsados por las retroalimentaciones e interacciones entre los océanos y la atmósfera. La variación climática interanual es impulsada por estos y otros ciclos, interacciones entre ciclos y perturbaciones en el sistema terrestre, como las que resultan de grandes inyecciones de aerosoles de las erupciones volcánicas. Un ejemplo de perturbación debida al vulcanismo es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que provocó una disminución de la temperatura mundial media de aproximadamente 0,5 °C (0,9 °F) el verano siguiente.

Variación decenal
El clima varía en escalas de tiempo decenales, con grupos de varios años de condiciones húmedas, secas, frescas o cálidas. Estos grupos plurianuales pueden tener efectos dramáticos en las actividades y el bienestar humanos. Por ejemplo, una grave sequía de tres años a finales del siglo XVI probablemente contribuyó a la destrucción de la "Colonia Perdida" de Sir Walter Raleigh en la isla de Roanoke, en lo que hoy es Carolina del Norte, y una posterior sequía de siete años (1606-12) provocó una elevada mortalidad en la colonia de Jamestown, en Virginia. Además, algunos estudiosos han implicado a las sequías persistentes y graves como la principal razón del colapso de la civilización maya en Mesoamérica entre 750 y 950 d.C.; sin embargo, los descubrimientos de principios del siglo XXI sugieren que las perturbaciones del comercio relacionadas con la guerra desempeñaron un papel, posiblemente interactuando con las hambrunas y otras tensiones relacionadas con la sequía.

Aunque la variación climática a escala decenal está bien documentada, las causas no están del todo claras. Gran parte de la variación decenal del clima está relacionada con las variaciones interanuales. Por ejemplo, la frecuencia y la magnitud del ENOS cambian a lo largo del tiempo. Los primeros años de la década de 1990 se caracterizaron por repetidos eventos de El Niño, y se han identificado varias agrupaciones de este tipo que tuvieron lugar durante el siglo XX. La pendiente del gradiente del NAO también cambia en escalas temporales decenales; ha sido particularmente pronunciada desde el decenio de 1970.

Investigaciones recientes han revelado que las variaciones del clima a escala decenal son el resultado de las interacciones entre el océano y la atmósfera. Una de esas variaciones es la Oscilación Decadal del Pacífico (PDO), también conocida como Variabilidad Decadal del Pacífico (PDV), que implica cambios en las temperaturas de la superficie del mar (SST) en el Océano Pacífico Norte. Las TSM influyen en la fuerza y la posición de la Baja Aleutiana, que a su vez afecta fuertemente los patrones de precipitación a lo largo de la costa del Pacífico de Norteamérica. La variación de las TSM consiste en una alternancia entre los períodos de "fase fría", en los que la costa de Alaska es relativamente seca y el noroeste del Pacífico relativamente húmedo (por ejemplo, 1947-76), y los períodos de "fase cálida", caracterizados por una precipitación relativamente alta en la costa de Alaska y una precipitación baja en el noroeste del Pacífico (por ejemplo, 1925-46, 1977-98). Los registros de anillos de árboles y corales, que abarcan al menos los últimos cuatro siglos, documentan la variación del DOP.

Una oscilación similar, la Oscilación Multidecadal del Atlántico (OMA), se produce en el Atlántico Norte e influye fuertemente en los patrones de precipitación de América del Norte oriental y central. Una AMO de fase cálida (TSM del Atlántico Norte relativamente cálida) se asocia con precipitaciones relativamente altas en Florida y bajas en gran parte del Valle de Ohio. Sin embargo, el AMO interactúa con el PDO, y ambos interactúan con variaciones interanuales, como el ENSO y la NAO, en formas complejas . Tales interacciones pueden llevar a la amplificación de sequías, inundaciones u otras anomalías climáticas. Por ejemplo, las graves sequías que se produjeron en gran parte de los Estados Unidos conterminosos en los primeros años del siglo XXI se asociaron con la OMA de fase cálida combinada con la DOP de fase fría. Los mecanismos que subyacen a las variaciones decenales, como el PDO y la AMO, no se conocen bien, pero probablemente estén relacionados con las interacciones océano-atmósfera con constantes temporales más grandes que las variaciones interanuales. Las variaciones climáticas decenales son objeto de un intenso estudio por parte de los climatólogos y los paleoclimatólogos.

Causas del cambio climático
Es mucho más fácil documentar las pruebas de la variabilidad del clima y el cambio climático pasado que determinar sus mecanismos subyacentes. El clima está influenciado por una multitud de factores que operan en escalas de tiempo que van desde horas hasta cientos de millones de años. Muchas de las causas del cambio climático son externas al sistema de la Tierra. Otras son parte del sistema de la Tierra pero externas a la atmósfera. Otras implican interacciones entre la atmósfera y otros componentes del sistema terrestre y se describen colectivamente como retroalimentaciones dentro del sistema terrestre. Las retroalimentaciones se encuentran entre los factores causales más recientemente descubiertos y difíciles de estudiar. No obstante, se reconoce cada vez más que esos factores desempeñan un papel fundamental en la variación del clima. En esta sección se describen los mecanismos más importantes.

Variabilidad solar
La luminosidad, o brillo, del Sol ha ido aumentando constantemente desde su formación. Este fenómeno es importante para el clima de la Tierra, porque el Sol proporciona la energía para impulsar la circulación atmosférica y constituye el aporte para el presupuesto de calor de la Tierra. La baja luminosidad solar durante el tiempo del Precámbrico subyace a la tenue paradoja del joven Sol, descrita en la sección Climas de la Tierra temprana.

La energía radiante procedente del Sol es variable en escalas de tiempo muy pequeñas, debido a las tormentas solares y otras perturbaciones, pero las variaciones en la actividad solar, en particular la frecuencia de las manchas solares, también están documentadas en escalas de tiempo que van de decenios a milenios y probablemente se producen también en escalas de tiempo más largas. Se ha sugerido que el "mínimo de Maunder", un período de actividad de manchas solares drásticamente reducida entre 1645 y 1715 d.C., es un factor que contribuye a la Pequeña Edad de Hielo. (Ver abajo Variación y cambio climático desde la aparición de la civilización).

La actividad volcánica
La actividad volcánica puede influir en el clima de varias maneras y en diferentes escalas de tiempo. Las erupciones volcánicas individuales pueden liberar grandes cantidades de dióxido de azufre y otros aerosoles en la estratosfera, reduciendo la transparencia atmosférica y, por tanto, la cantidad de radiación solar que llega a la superficie y la troposfera de la Tierra. Un ejemplo reciente es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que tuvo influencias mensurables en la circulación atmosférica y los balances de calor. La erupción de 1815 del Monte Tambora en la isla de Sumbawa tuvo consecuencias más dramáticas, ya que la primavera y el verano del año siguiente (1816, conocido como "el año sin verano") fueron inusualmente fríos en gran parte del mundo. Nueva Inglaterra y Europa experimentaron nevadas y heladas durante todo el verano de 1816.

Los volcanes y los fenómenos conexos, como el desgarramiento y la subducción de los océanos, liberan dióxido de carbono tanto en los océanos como en la atmósfera. Las emisiones son bajas; incluso una masiva erupción volcánica como la del Monte Pinatubo libera sólo una fracción del dióxido de carbono emitido por la combustión de combustibles fósiles en un año. Sin embargo, a escala geológica, la liberación de este gas de efecto invernadero puede tener efectos importantes. Las variaciones en la liberación de dióxido de carbono por los volcanes y las grietas oceánicas a lo largo de millones de años pueden alterar la química de la atmósfera. Esta variabilidad en las concentraciones de dióxido de carbono probablemente explica gran parte de la variación climática que ha tenido lugar durante el Eón Fanerozoico.

Actividad tectónica
Los movimientos tectónicos de la corteza terrestre han tenido profundos efectos en el clima en escalas de tiempo de millones a decenas de millones de años. Estos movimientos han cambiado la forma, el tamaño, la posición y la elevación de las masas continentales, así como la batimetría de los océanos. A su vez, los cambios topográficos y batimétricos han tenido fuertes efectos en la circulación tanto de la atmósfera como de los océanos. Por ejemplo, el levantamiento de la meseta tibetana durante la era cenozoica afectó las pautas de circulación atmosférica, creando el monzón de Asia meridional e influyendo en el clima de gran parte del resto de Asia y las regiones vecinas.

La actividad tectónica también influye en la química atmosférica, en particular en las concentraciones de dióxido de carbono. El dióxido de carbono se emite desde los volcanes y las fumarolas de las zonas de fisura y de subducción. Las variaciones en la tasa de propagación en las zonas de fisuras y el grado de actividad volcánica cerca de los márgenes de las placas han influido en las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono a lo largo de la historia de la Tierra. Incluso la meteorización química de la roca constituye un importante sumidero de dióxido de carbono. (Un sumidero de carbono es cualquier proceso que elimina el dióxido de carbono de la atmósfera mediante la conversión química del CO2 en compuestos de carbono orgánicos o inorgánicos). El ácido carbónico, formado a partir de dióxido de carbono y agua, es un reactivo en la disolución de silicatos y otros minerales. Las tasas de meteorización están relacionadas con la masa, la elevación y la exposición del lecho rocoso. La elevación tectónica puede aumentar todos estos factores y, por lo tanto, conducir a un aumento de la meteorización y la absorción de dióxido de carbono. Por ejemplo, la meteorización química de la meseta tibetana en ascenso puede haber desempeñado un papel importante en el agotamiento del dióxido de carbono en la atmósfera durante un período de enfriamiento global a finales del Cenozoico.

Variaciones orbitales
La geometría orbital de la Tierra se ve afectada de manera predecible por las influencias gravitatorias de otros planetas del sistema solar. Tres características primarias de la órbita de la Tierra se ven afectadas, cada una de ellas de manera cíclica o recurrente. Primero, la forma de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, varía de casi circular a elíptica (excéntrica), con periodicidades de 100.000 y 413.000 años. En segundo lugar, la inclinación del eje de la Tierra con respecto al Sol, que es el principal responsable de los climas estacionales de la Tierra, varía entre 22,1° y 24,5° con respecto al plano de rotación de la Tierra alrededor del Sol. Esta variación se produce en un ciclo de 41.000 años. En general, cuanto mayor es la inclinación, mayor es la radiación solar recibida por los hemisferios en verano y menor la recibida en invierno. El tercer cambio cíclico en la geometría orbital de la Tierra resulta de dos fenómenos combinados: 1) El eje de rotación de la Tierra se tambalea, cambiando la dirección del eje con respecto al Sol, y 2) la orientación de la elipse orbital de la Tierra gira lentamente. Estos dos procesos crean un ciclo de 26.000 años, llamado precesión de los equinoccios, en el que la posición de la Tierra en los equinoccios y solsticios cambia. Hoy en día la Tierra está más cerca del Sol (perihelio) cerca del solsticio de diciembre, mientras que hace 9.000 años el perihelio se produjo cerca del solsticio de junio.

Estas variaciones orbitales causan cambios en la distribución latitudinal y estacional de la radiación solar, que a su vez impulsan una serie de variaciones climáticas. Las variaciones orbitales juegan un papel importante en el ritmo de los patrones glaciales-interglaciales y monzónicos. Sus influencias se han identificado en los cambios climáticos de gran parte del Fanerozoico. Por ejemplo, los ciclomotores -que son lechos marinos, fluviales y de carbón intercalados característicos del subperíodo de Pensilvania (hace 318,1 millones a 299 millones de años)- parecen representar los cambios impulsados por Milankovitch en el nivel medio del mar.

Los gases de efecto invernadero son moléculas de gas que tienen la propiedad de absorber la radiación infrarroja (energía térmica neta) emitida desde la superficie de la Tierra y volverla a radiar hacia la superficie terrestre, contribuyendo así al fenómeno conocido como efecto invernadero. El dióxido de carbono, el metano y el vapor de agua son los gases de efecto invernadero más importantes, y tienen un profundo efecto en el presupuesto energético del sistema terrestre a pesar de que constituyen sólo una fracción de todos los gases atmosféricos. Las concentraciones de gases de efecto invernadero han variado sustancialmente durante la historia de la Tierra, y estas variaciones han impulsado cambios climáticos sustanciales en una amplia gama de escalas de tiempo. En general, las concentraciones de gases de efecto invernadero han sido particularmente altas durante los períodos cálidos y bajas durante las fases frías. Varios procesos influyen en las concentraciones de gases de efecto invernadero. Algunos, como las actividades tectónicas, operan en escalas de tiempo de millones de años, mientras que otros, como la vegetación, el suelo, los humedales y las fuentes y sumideros oceánicos, operan en escalas de tiempo de cientos a miles de años. Las actividades humanas -especialmente la combustión de combustibles fósiles desde la Revolución Industrial- son responsables del aumento constante de las concentraciones atmosféricas de diversos gases de efecto invernadero, especialmente el dióxido de carbono, el metano, el ozono y los clorofluorocarbonos (CFC).

Tal vez el tema más intensamente discutido e investigado sobre la variabilidad del clima sea el papel de las interacciones y retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre. Las retroalimentaciones implican diferentes componentes que operan a diferentes velocidades y escalas de tiempo. Las capas de hielo, el hielo marino, la vegetación terrestre, las temperaturas oceánicas, las tasas de meteorización, la circulación oceánica y las concentraciones de gases de efecto invernadero están todas influidas directa o indirectamente por la atmósfera; sin embargo, todas ellas también retroalimentan a la atmósfera, influyéndola así de manera importante. Por ejemplo, las diferentes formas y densidades de vegetación en la superficie terrestre influyen en el albedo, o reflectividad, de la superficie de la Tierra, afectando así al balance global de radiación a escalas locales y regionales. Al mismo tiempo, la transferencia de moléculas de agua del suelo a la atmósfera está mediada por la vegetación, tanto directamente (por la transpiración a través de los estomas de las plantas) como indirectamente (por las influencias de la sombra y la temperatura en la evaporación directa del suelo). Esta regulación del flujo de calor latente por parte de la vegetación puede influir en el clima a escalas locales y globales. Como resultado, los cambios en la vegetación, que están parcialmente controlados por el clima, pueden a su vez influir en el sistema climático. La vegetación también influye en las concentraciones de gases de efecto invernadero; las plantas vivas constituyen un importante sumidero de dióxido de carbono atmosférico, mientras que actúan como fuentes de dióxido de carbono cuando se queman por incendios o se descomponen. Estas y otras retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre son fundamentales tanto para comprender los cambios climáticos del pasado como para predecir los futuros.

Las actividades humanas
El reconocimiento del cambio climático mundial como una cuestión ambiental ha llamado la atención sobre el impacto climático de las actividades humanas. La mayor parte de esta atención se ha centrado en la emisión de dióxido de carbono mediante la combustión de combustibles fósiles y la deforestación. Las actividades humanas también producen emisiones de otros gases de efecto invernadero, como el metano (procedente del cultivo de arroz, el ganado, los vertederos y otras fuentes) y los clorofluorocarbonos (procedentes de fuentes industriales). Hay pocas dudas entre los climatólogos de que estos gases de efecto invernadero afectan al presupuesto de radiación de la Tierra; la naturaleza y la magnitud de la respuesta climática son objeto de una intensa actividad de investigación. Los registros paleoclimáticos de los anillos de los árboles, los corales y los núcleos de hielo indican una clara tendencia al calentamiento que abarca todo el siglo XX y la primera década del siglo XXI. De hecho, el siglo XX fue el más cálido de los últimos 10 siglos, y la década 2001-10 fue la década más cálida desde el comienzo de los registros instrumentales modernos. Muchos climatólogos han señalado este patrón de calentamiento como una clara evidencia de los cambios climáticos inducidos por el hombre como resultado de la producción de gases de efecto invernadero.

Un segundo tipo de impacto humano, la conversión de la vegetación por la deforestación, la forestación y la agricultura, está recibiendo una creciente atención como una fuente adicional de cambio climático. Cada vez es más evidente que los impactos humanos sobre la cubierta vegetal pueden tener efectos locales, regionales e incluso mundiales sobre el clima, debido a los cambios en el flujo de calor sensible y latente hacia la atmósfera y la distribución de la energía dentro del sistema climático. La medida en que estos factores contribuyen al cambio climático reciente y en curso es una importante área de estudio emergente.

El cambio climático en el transcurso de la vida humana
Independientemente de su ubicación en el planeta, todos los seres humanos experimentan la variabilidad y el cambio climático durante sus vidas. Los fenómenos más familiares y predecibles son los ciclos estacionales, a los que las personas ajustan su ropa, las actividades al aire libre, los termostatos y las prácticas agrícolas. Sin embargo, no hay dos veranos o inviernos exactamente iguales en el mismo lugar; algunos son más cálidos, húmedos o tormentosos que otros. Esta variación interanual del clima es en parte responsable de las variaciones de un año a otro en los precios del combustible, el rendimiento de los cultivos, los presupuestos de mantenimiento de las carreteras y los riesgos de incendios forestales. Las inundaciones provocadas por las precipitaciones en un solo año pueden causar graves daños económicos, como los de la cuenca de drenaje del río Misisipí superior durante el verano de 1993, y pérdidas de vidas, como las que devastaron gran parte de Bangladesh en el verano de 1998. También pueden producirse daños y pérdidas de vidas similares como resultado de incendios forestales, tormentas graves, huracanes, olas de calor y otros acontecimientos relacionados con el clima.

La variación y el cambio climático también pueden ocurrir en períodos más largos, como décadas. Algunos lugares experimentan múltiples años de sequía, inundaciones u otras condiciones duras. Esas variaciones decenales del clima plantean problemas para las actividades humanas y la planificación. Por ejemplo, las sequías plurianuales pueden perturbar el suministro de agua, inducir a la pérdida de cosechas y causar trastornos económicos y sociales, como en el caso de las sequías de Dust Bowl en el medio continente de América del Norte durante el decenio de 1930. Las sequías plurianuales pueden incluso causar una hambruna generalizada, como en la sequía del Sahel que se produjo en el norte de África durante los años setenta y ochenta.

Variación estacional
Todos los lugares de la Tierra experimentan una variación estacional del clima (aunque el cambio puede ser leve en algunas regiones tropicales). Esta variación cíclica es impulsada por los cambios estacionales en el suministro de radiación solar a la atmósfera y la superficie de la Tierra. La órbita de la Tierra alrededor del Sol es elíptica; está más cerca del Sol ( 147 millones de km [unos 91 millones de millas]) cerca del solsticio de invierno y más lejos del Sol (152 millones de km [unos 94 millones de millas]) cerca del solsticio de verano en el Hemisferio Norte. Además, el eje de rotación de la Tierra se produce en un ángulo oblicuo (23,5°) con respecto a su órbita. Por lo tanto, cada hemisferio está inclinado lejos del Sol durante su período de invierno y hacia el Sol en su período de verano. Cuando un hemisferio está inclinado lejos del Sol, recibe menos radiación solar que el hemisferio opuesto, que en ese momento está apuntado hacia el Sol. Así, a pesar de la mayor proximidad del Sol en el solsticio de invierno, el hemisferio norte recibe menos radiación solar durante el invierno que durante el verano. También como consecuencia de la inclinación, cuando el Hemisferio Norte experimenta el invierno, el Hemisferio Sur experimenta el verano.

El sistema climático de la Tierra está impulsado por la radiación solar; las diferencias estacionales en el clima resultan en última instancia de los cambios estacionales en la órbita de la Tierra. La circulación del aire en la atmósfera y del agua en los océanos responde a las variaciones estacionales de la energía disponible del Sol. Los cambios estacionales específicos del clima que se producen en cualquier lugar determinado de la superficie de la Tierra resultan en gran medida de la transferencia de energía de la circulación atmosférica y oceánica. Las diferencias en el calentamiento de la superficie que tienen lugar entre el verano y el invierno hacen que las vías de las tormentas y los centros de presión cambien de posición y fuerza. Estas diferencias de calentamiento también provocan cambios estacionales en la nubosidad, las precipitaciones y el viento.

Las respuestas estacionales de la biosfera (especialmente la vegetación) y la criosfera (glaciares, hielo marino, campos de nieve) también contribuyen a la circulación atmosférica y al clima. La caída de hojas de los árboles de hoja caduca al entrar en el letargo invernal aumenta el albedo (reflectividad) de la superficie de la Tierra y puede conducir a un mayor enfriamiento local y regional. De manera similar, la acumulación de nieve también aumenta el albedo de las superficies terrestres y a menudo amplifica los efectos del invierno.

Variación interanual
Las variaciones climáticas interanuales, incluidas las sequías, las inundaciones y otros acontecimientos, son causadas por una compleja serie de factores e interacciones del sistema terrestre. Una característica importante que desempeña un papel en estas variaciones es el cambio periódico de las pautas de circulación atmosférica y oceánica en la región del Pacífico tropical, conocido colectivamente como variación de El Niño-Oscilación Austral (ENSO). Aunque sus principales efectos climáticos se concentran en el Pacífico tropical, la ENOS tiene efectos en cascada que a menudo se extienden a la región del Océano Atlántico, al interior de Europa y Asia, y a las regiones polares. Estos efectos, denominados teleconexiones, se producen porque las alteraciones en las pautas de circulación atmosférica de baja latitud en la región del Pacífico influyen en la circulación atmosférica de los sistemas adyacentes y descendentes. Como resultado, las trayectorias de las tormentas se desvían y las crestas de presión atmosférica (zonas de alta presión) y las canalizaciones (zonas de baja presión) se desplazan de sus patrones habituales.

Como ejemplo, los eventos de El Niño ocurren cuando los vientos alisios del este en el Pacífico tropical se debilitan o invierten su dirección. Esto cierra el afloramiento de las aguas profundas y frías de la costa occidental de América del Sur, calienta el Pacífico oriental e invierte el gradiente de presión atmosférica en el Pacífico occidental. Como resultado, el aire de la superficie se desplaza hacia el este desde Australia e Indonesia hacia el Pacífico central y las Américas. Estos cambios producen grandes precipitaciones e inundaciones repentinas a lo largo de la costa normalmente árida del Perú y una grave sequía en las regiones normalmente húmedas del norte de Australia e Indonesia. Los fenómenos de El Niño particularmente graves provocan el fracaso de los monzones en la región del Océano Índico, lo que da lugar a una intensa sequía en la India y en África oriental. Al mismo tiempo, las trayectorias del oeste y de las tormentas se desplazan hacia el Ecuador, lo que proporciona a California y al desierto del sudoeste de los Estados Unidos un clima invernal húmedo y tormentoso y hace que las condiciones invernales en el noroeste del Pacífico, que suelen ser húmedas, se vuelvan más cálidas y secas. El desplazamiento de los vientos del oeste también provoca sequías en el norte de China y desde el noreste de Brasil a través de secciones de Venezuela. Los registros a largo plazo de la variación del ENOS a partir de documentos históricos, anillos de árboles y corales de arrecifes indican que los eventos de El Niño ocurren, en promedio, cada dos a siete años. Sin embargo, la frecuencia e intensidad de estos eventos varían a lo largo del tiempo.

La Oscilación del Atlántico Norte (OAN) es otro ejemplo de una oscilación interanual que produce importantes efectos climáticos dentro del sistema terrestre y puede influir en el clima en todo el hemisferio norte. Este fenómeno es el resultado de la variación del gradiente de presión, o la diferencia de presión atmosférica entre el máximo subtropical, situado normalmente entre las Azores y Gibraltar, y el mínimo islandés, centrado entre Islandia y Groenlandia. Cuando el gradiente de presión es pronunciado debido a un fuerte máximo subtropical y un bajo islandés profundo (fase positiva), Europa septentrional y Asia septentrional experimentan inviernos cálidos y húmedos con frecuentes y fuertes tormentas invernales. Al mismo tiempo, el sur de Europa es seco. El este de los Estados Unidos también experimenta inviernos más cálidos y menos nevados durante las fases positivas de la NAO, aunque el efecto no es tan grande como en Europa. El gradiente de presión se atenúa cuando la NAO está en un modo negativo, es decir, cuando existe un gradiente de presión más débil a partir de la presencia de un débil máximo subtropical y un mínimo islandés. Cuando esto sucede, la región del Mediterráneo recibe abundantes precipitaciones invernales, mientras que el norte de Europa es frío y seco. El este de los Estados Unidos es típicamente más frío y con más nieve durante una fase negativa de la NAO.

Durante los años en que la Oscilación del Atlántico Norte (OAN) se encuentra en su fase positiva, el este de los Estados Unidos, el sudeste del Canadá y el noroeste de Europa experimentan temperaturas invernales más cálidas, mientras que en estos lugares se encuentran temperaturas más frías durante su fase negativa. Cuando tanto el Niño/Oscilación Austral (ENSO) como la NAO se encuentran en su fase positiva, los inviernos europeos tienden a ser más húmedos y menos severos; sin embargo, más allá de esta tendencia general, la influencia del ENSO sobre la NAO no se comprende bien.

Los ciclos del ENSO y la NAO son impulsados por las retroalimentaciones e interacciones entre los océanos y la atmósfera. La variación climática interanual es impulsada por estos y otros ciclos, interacciones entre ciclos y perturbaciones en el sistema terrestre, como las que resultan de grandes inyecciones de aerosoles de las erupciones volcánicas. Un ejemplo de perturbación debida al vulcanismo es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que provocó una disminución de la temperatura mundial media de aproximadamente 0,5 °C (0,9 °F) el verano siguiente.

Variación decenal
El clima varía en escalas de tiempo decenales, con grupos de varios años de condiciones húmedas, secas, frescas o cálidas. Estos grupos plurianuales pueden tener efectos dramáticos en las actividades y el bienestar humanos. Por ejemplo, una grave sequía de tres años a finales del siglo XVI probablemente contribuyó a la destrucción de la "Colonia Perdida" de Sir Walter Raleigh en la isla de Roanoke, en lo que hoy es Carolina del Norte, y una posterior sequía de siete años (1606-12) provocó una elevada mortalidad en la colonia de Jamestown, en Virginia. Además, algunos estudiosos han implicado a las sequías persistentes y graves como la principal razón del colapso de la civilización maya en Mesoamérica entre 750 y 950 d.C.; sin embargo, los descubrimientos de principios del siglo XXI sugieren que las perturbaciones del comercio relacionadas con la guerra desempeñaron un papel, posiblemente interactuando con las hambrunas y otras tensiones relacionadas con la sequía.

Aunque la variación climática a escala decenal está bien documentada, las causas no están del todo claras. Gran parte de la variación decenal del clima está relacionada con las variaciones interanuales. Por ejemplo, la frecuencia y la magnitud del ENOS cambian a lo largo del tiempo. Los primeros años de la década de 1990 se caracterizaron por repetidos eventos de El Niño, y se han identificado varias agrupaciones de este tipo que tuvieron lugar durante el siglo XX. La pendiente del gradiente del NAO también cambia en escalas temporales decenales; ha sido particularmente pronunciada desde el decenio de 1970.

Investigaciones recientes han revelado que las variaciones del clima a escala decenal son el resultado de las interacciones entre el océano y la atmósfera. Una de esas variaciones es la Oscilación Decadal del Pacífico (PDO), también conocida como Variabilidad Decadal del Pacífico (PDV), que implica cambios en las temperaturas de la superficie del mar (SST) en el Océano Pacífico Norte. Las TSM influyen en la fuerza y la posición de la Baja Aleutiana, que a su vez afecta fuertemente los patrones de precipitación a lo largo de la costa del Pacífico de Norteamérica. La variación de las TSM consiste en una alternancia entre los períodos de "fase fría", en los que la costa de Alaska es relativamente seca y el noroeste del Pacífico relativamente húmedo (por ejemplo, 1947-76), y los períodos de "fase cálida", caracterizados por una precipitación relativamente alta en la costa de Alaska y una precipitación baja en el noroeste del Pacífico (por ejemplo, 1925-46, 1977-98). Los registros de anillos de árboles y corales, que abarcan al menos los últimos cuatro siglos, documentan la variación del DOP.

Una oscilación similar, la Oscilación Multidecadal del Atlántico (OMA), se produce en el Atlántico Norte e influye fuertemente en los patrones de precipitación de América del Norte oriental y central. Una AMO de fase cálida (TSM del Atlántico Norte relativamente cálida) se asocia con precipitaciones relativamente altas en Florida y bajas en gran parte del Valle de Ohio. Sin embargo, el AMO interactúa con el PDO, y ambos interactúan con variaciones interanuales, como el ENSO y la NAO, en formas complejas . Tales interacciones pueden llevar a la amplificación de sequías, inundaciones u otras anomalías climáticas. Por ejemplo, las graves sequías que se produjeron en gran parte de los Estados Unidos conterminosos en los primeros años del siglo XXI se asociaron con la OMA de fase cálida combinada con la DOP de fase fría. Los mecanismos que subyacen a las variaciones decenales, como el PDO y la AMO, no se conocen bien, pero probablemente estén relacionados con las interacciones océano-atmósfera con constantes temporales más grandes que las variaciones interanuales. Las variaciones climáticas decenales son objeto de un intenso estudio por parte de los climatólogos y los paleoclimatólogos.

Causas del cambio climático
Es mucho más fácil documentar las pruebas de la variabilidad del clima y el cambio climático pasado que determinar sus mecanismos subyacentes. El clima está influenciado por una multitud de factores que operan en escalas de tiempo que van desde horas hasta cientos de millones de años. Muchas de las causas del cambio climático son externas al sistema de la Tierra. Otras son parte del sistema de la Tierra pero externas a la atmósfera. Otras implican interacciones entre la atmósfera y otros componentes del sistema terrestre y se describen colectivamente como retroalimentaciones dentro del sistema terrestre. Las retroalimentaciones se encuentran entre los factores causales más recientemente descubiertos y difíciles de estudiar. No obstante, se reconoce cada vez más que esos factores desempeñan un papel fundamental en la variación del clima. En esta sección se describen los mecanismos más importantes.

Variabilidad solar
La luminosidad, o brillo, del Sol ha ido aumentando constantemente desde su formación. Este fenómeno es importante para el clima de la Tierra, porque el Sol proporciona la energía para impulsar la circulación atmosférica y constituye el aporte para el presupuesto de calor de la Tierra. La baja luminosidad solar durante el tiempo del Precámbrico subyace a la tenue paradoja del joven Sol, descrita en la sección Climas de la Tierra temprana.

La energía radiante procedente del Sol es variable en escalas de tiempo muy pequeñas, debido a las tormentas solares y otras perturbaciones, pero las variaciones en la actividad solar, en particular la frecuencia de las manchas solares, también están documentadas en escalas de tiempo que van de decenios a milenios y probablemente se producen también en escalas de tiempo más largas. Se ha sugerido que el "mínimo de Maunder", un período de actividad de manchas solares drásticamente reducida entre 1645 y 1715 d.C., es un factor que contribuye a la Pequeña Edad de Hielo. (Ver abajo Variación y cambio climático desde la aparición de la civilización).

La actividad volcánica
La actividad volcánica puede influir en el clima de varias maneras y en diferentes escalas de tiempo. Las erupciones volcánicas individuales pueden liberar grandes cantidades de dióxido de azufre y otros aerosoles en la estratosfera, reduciendo la transparencia atmosférica y, por tanto, la cantidad de radiación solar que llega a la superficie y la troposfera de la Tierra. Un ejemplo reciente es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que tuvo influencias mensurables en la circulación atmosférica y los balances de calor. La erupción de 1815 del Monte Tambora en la isla de Sumbawa tuvo consecuencias más dramáticas, ya que la primavera y el verano del año siguiente (1816, conocido como "el año sin verano") fueron inusualmente fríos en gran parte del mundo. Nueva Inglaterra y Europa experimentaron nevadas y heladas durante todo el verano de 1816.

Los volcanes y los fenómenos conexos, como el desgarramiento y la subducción de los océanos, liberan dióxido de carbono tanto en los océanos como en la atmósfera. Las emisiones son bajas; incluso una masiva erupción volcánica como la del Monte Pinatubo libera sólo una fracción del dióxido de carbono emitido por la combustión de combustibles fósiles en un año. Sin embargo, a escala geológica, la liberación de este gas de efecto invernadero puede tener efectos importantes. Las variaciones en la liberación de dióxido de carbono por los volcanes y las grietas oceánicas a lo largo de millones de años pueden alterar la química de la atmósfera. Esta variabilidad en las concentraciones de dióxido de carbono probablemente explica gran parte de la variación climática que ha tenido lugar durante el Eón Fanerozoico.

Actividad tectónica
Los movimientos tectónicos de la corteza terrestre han tenido profundos efectos en el clima en escalas de tiempo de millones a decenas de millones de años. Estos movimientos han cambiado la forma, el tamaño, la posición y la elevación de las masas continentales, así como la batimetría de los océanos. A su vez, los cambios topográficos y batimétricos han tenido fuertes efectos en la circulación tanto de la atmósfera como de los océanos. Por ejemplo, el levantamiento de la meseta tibetana durante la era cenozoica afectó las pautas de circulación atmosférica, creando el monzón de Asia meridional e influyendo en el clima de gran parte del resto de Asia y las regiones vecinas.

La actividad tectónica también influye en la química atmosférica, en particular en las concentraciones de dióxido de carbono. El dióxido de carbono se emite desde los volcanes y las fumarolas de las zonas de fisura y de subducción. Las variaciones en la tasa de propagación en las zonas de fisuras y el grado de actividad volcánica cerca de los márgenes de las placas han influido en las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono a lo largo de la historia de la Tierra. Incluso la meteorización química de la roca constituye un importante sumidero de dióxido de carbono. (Un sumidero de carbono es cualquier proceso que elimina el dióxido de carbono de la atmósfera mediante la conversión química del CO2 en compuestos de carbono orgánicos o inorgánicos). El ácido carbónico, formado a partir de dióxido de carbono y agua, es un reactivo en la disolución de silicatos y otros minerales. Las tasas de meteorización están relacionadas con la masa, la elevación y la exposición del lecho rocoso. La elevación tectónica puede aumentar todos estos factores y, por lo tanto, conducir a un aumento de la meteorización y la absorción de dióxido de carbono. Por ejemplo, la meteorización química de la meseta tibetana en ascenso puede haber desempeñado un papel importante en el agotamiento del dióxido de carbono en la atmósfera durante un período de enfriamiento global a finales del Cenozoico.

Variaciones orbitales
La geometría orbital de la Tierra se ve afectada de manera predecible por las influencias gravitatorias de otros planetas del sistema solar. Tres características primarias de la órbita de la Tierra se ven afectadas, cada una de ellas de manera cíclica o recurrente. Primero, la forma de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, varía de casi circular a elíptica (excéntrica), con periodicidades de 100.000 y 413.000 años. En segundo lugar, la inclinación del eje de la Tierra con respecto al Sol, que es el principal responsable de los climas estacionales de la Tierra, varía entre 22,1° y 24,5° con respecto al plano de rotación de la Tierra alrededor del Sol. Esta variación se produce en un ciclo de 41.000 años. En general, cuanto mayor es la inclinación, mayor es la radiación solar recibida por los hemisferios en verano y menor la recibida en invierno. El tercer cambio cíclico en la geometría orbital de la Tierra resulta de dos fenómenos combinados: 1) El eje de rotación de la Tierra se tambalea, cambiando la dirección del eje con respecto al Sol, y 2) la orientación de la elipse orbital de la Tierra gira lentamente. Estos dos procesos crean un ciclo de 26.000 años, llamado precesión de los equinoccios, en el que la posición de la Tierra en los equinoccios y solsticios cambia. Hoy en día la Tierra está más cerca del Sol (perihelio) cerca del solsticio de diciembre, mientras que hace 9.000 años el perihelio se produjo cerca del solsticio de junio.

Estas variaciones orbitales causan cambios en la distribución latitudinal y estacional de la radiación solar, que a su vez impulsan una serie de variaciones climáticas. Las variaciones orbitales juegan un papel importante en el ritmo de los patrones glaciales-interglaciales y monzónicos. Sus influencias se han identificado en los cambios climáticos de gran parte del Fanerozoico. Por ejemplo, los ciclomotores -que son lechos marinos, fluviales y de carbón intercalados característicos del subperíodo de Pensilvania (hace 318,1 millones a 299 millones de años)- parecen representar los cambios impulsados por Milankovitch en el nivel medio del mar.

Los gases de efecto invernadero son moléculas de gas que tienen la propiedad de absorber la radiación infrarroja (energía térmica neta) emitida desde la superficie de la Tierra y volverla a radiar hacia la superficie terrestre, contribuyendo así al fenómeno conocido como efecto invernadero. El dióxido de carbono, el metano y el vapor de agua son los gases de efecto invernadero más importantes, y tienen un profundo efecto en el presupuesto energético del sistema terrestre a pesar de que constituyen sólo una fracción de todos los gases atmosféricos. Las concentraciones de gases de efecto invernadero han variado sustancialmente durante la historia de la Tierra, y estas variaciones han impulsado cambios climáticos sustanciales en una amplia gama de escalas de tiempo. En general, las concentraciones de gases de efecto invernadero han sido particularmente altas durante los períodos cálidos y bajas durante las fases frías. Varios procesos influyen en las concentraciones de gases de efecto invernadero. Algunos, como las actividades tectónicas, operan en escalas de tiempo de millones de años, mientras que otros, como la vegetación, el suelo, los humedales y las fuentes y sumideros oceánicos, operan en escalas de tiempo de cientos a miles de años. Las actividades humanas -especialmente la combustión de combustibles fósiles desde la Revolución Industrial- son responsables del aumento constante de las concentraciones atmosféricas de diversos gases de efecto invernadero, especialmente el dióxido de carbono, el metano, el ozono y los clorofluorocarbonos (CFC).

Tal vez el tema más intensamente discutido e investigado sobre la variabilidad del clima sea el papel de las interacciones y retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre. Las retroalimentaciones implican diferentes componentes que operan a diferentes velocidades y escalas de tiempo. Las capas de hielo, el hielo marino, la vegetación terrestre, las temperaturas oceánicas, las tasas de meteorización, la circulación oceánica y las concentraciones de gases de efecto invernadero están todas influidas directa o indirectamente por la atmósfera; sin embargo, todas ellas también retroalimentan a la atmósfera, influyéndola así de manera importante. Por ejemplo, las diferentes formas y densidades de vegetación en la superficie terrestre influyen en el albedo, o reflectividad, de la superficie de la Tierra, afectando así al balance global de radiación a escalas locales y regionales. Al mismo tiempo, la transferencia de moléculas de agua del suelo a la atmósfera está mediada por la vegetación, tanto directamente (por la transpiración a través de los estomas de las plantas) como indirectamente (por las influencias de la sombra y la temperatura en la evaporación directa del suelo). Esta regulación del flujo de calor latente por parte de la vegetación puede influir en el clima a escalas locales y globales. Como resultado, los cambios en la vegetación, que están parcialmente controlados por el clima, pueden a su vez influir en el sistema climático. La vegetación también influye en las concentraciones de gases de efecto invernadero; las plantas vivas constituyen un importante sumidero de dióxido de carbono atmosférico, mientras que actúan como fuentes de dióxido de carbono cuando se queman por incendios o se descomponen. Estas y otras retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre son fundamentales tanto para comprender los cambios climáticos del pasado como para predecir los futuros.

Las actividades humanas
El reconocimiento del cambio climático mundial como una cuestión ambiental ha llamado la atención sobre el impacto climático de las actividades humanas. La mayor parte de esta atención se ha centrado en la emisión de dióxido de carbono mediante la combustión de combustibles fósiles y la deforestación. Las actividades humanas también producen emisiones de otros gases de efecto invernadero, como el metano (procedente del cultivo de arroz, el ganado, los vertederos y otras fuentes) y los clorofluorocarbonos (procedentes de fuentes industriales). Hay pocas dudas entre los climatólogos de que estos gases de efecto invernadero afectan al presupuesto de radiación de la Tierra; la naturaleza y la magnitud de la respuesta climática son objeto de una intensa actividad de investigación. Los registros paleoclimáticos de los anillos de los árboles, los corales y los núcleos de hielo indican una clara tendencia al calentamiento que abarca todo el siglo XX y la primera década del siglo XXI. De hecho, el siglo XX fue el más cálido de los últimos 10 siglos, y la década 2001-10 fue la década más cálida desde el comienzo de los registros instrumentales modernos. Muchos climatólogos han señalado este patrón de calentamiento como una clara evidencia de los cambios climáticos inducidos por el hombre como resultado de la producción de gases de efecto invernadero.

Un segundo tipo de impacto humano, la conversión de la vegetación por la deforestación, la forestación y la agricultura, está recibiendo una creciente atención como una fuente adicional de cambio climático. Cada vez es más evidente que los impactos humanos sobre la cubierta vegetal pueden tener efectos locales, regionales e incluso mundiales sobre el clima, debido a los cambios en el flujo de calor sensible y latente hacia la atmósfera y la distribución de la energía dentro del sistema climático. La medida en que estos factores contribuyen al cambio climático reciente y en curso es una importante área de estudio emergente.

El cambio climático en el transcurso de la vida humana
Independientemente de su ubicación en el planeta, todos los seres humanos experimentan la variabilidad y el cambio climático durante sus vidas. Los fenómenos más familiares y predecibles son los ciclos estacionales, a los que las personas ajustan su ropa, las actividades al aire libre, los termostatos y las prácticas agrícolas. Sin embargo, no hay dos veranos o inviernos exactamente iguales en el mismo lugar; algunos son más cálidos, húmedos o tormentosos que otros. Esta variación interanual del clima es en parte responsable de las variaciones de un año a otro en los precios del combustible, el rendimiento de los cultivos, los presupuestos de mantenimiento de las carreteras y los riesgos de incendios forestales. Las inundaciones provocadas por las precipitaciones en un solo año pueden causar graves daños económicos, como los de la cuenca de drenaje del río Misisipí superior durante el verano de 1993, y pérdidas de vidas, como las que devastaron gran parte de Bangladesh en el verano de 1998. También pueden producirse daños y pérdidas de vidas similares como resultado de incendios forestales, tormentas graves, huracanes, olas de calor y otros acontecimientos relacionados con el clima.

La variación y el cambio climático también pueden ocurrir en períodos más largos, como décadas. Algunos lugares experimentan múltiples años de sequía, inundaciones u otras condiciones duras. Esas variaciones decenales del clima plantean problemas para las actividades humanas y la planificación. Por ejemplo, las sequías plurianuales pueden perturbar el suministro de agua, inducir a la pérdida de cosechas y causar trastornos económicos y sociales, como en el caso de las sequías de Dust Bowl en el medio continente de América del Norte durante el decenio de 1930. Las sequías plurianuales pueden incluso causar una hambruna generalizada, como en la sequía del Sahel que se produjo en el norte de África durante los años setenta y ochenta.

Variación estacional
Todos los lugares de la Tierra experimentan una variación estacional del clima (aunque el cambio puede ser leve en algunas regiones tropicales). Esta variación cíclica es impulsada por los cambios estacionales en el suministro de radiación solar a la atmósfera y la superficie de la Tierra. La órbita de la Tierra alrededor del Sol es elíptica; está más cerca del Sol ( 147 millones de km [unos 91 millones de millas]) cerca del solsticio de invierno y más lejos del Sol (152 millones de km [unos 94 millones de millas]) cerca del solsticio de verano en el Hemisferio Norte. Además, el eje de rotación de la Tierra se produce en un ángulo oblicuo (23,5°) con respecto a su órbita. Por lo tanto, cada hemisferio está inclinado lejos del Sol durante su período de invierno y hacia el Sol en su período de verano. Cuando un hemisferio está inclinado lejos del Sol, recibe menos radiación solar que el hemisferio opuesto, que en ese momento está apuntado hacia el Sol. Así, a pesar de la mayor proximidad del Sol en el solsticio de invierno, el hemisferio norte recibe menos radiación solar durante el invierno que durante el verano. También como consecuencia de la inclinación, cuando el Hemisferio Norte experimenta el invierno, el Hemisferio Sur experimenta el verano.

El sistema climático de la Tierra está impulsado por la radiación solar; las diferencias estacionales en el clima resultan en última instancia de los cambios estacionales en la órbita de la Tierra. La circulación del aire en la atmósfera y del agua en los océanos responde a las variaciones estacionales de la energía disponible del Sol. Los cambios estacionales específicos del clima que se producen en cualquier lugar determinado de la superficie de la Tierra resultan en gran medida de la transferencia de energía de la circulación atmosférica y oceánica. Las diferencias en el calentamiento de la superficie que tienen lugar entre el verano y el invierno hacen que las vías de las tormentas y los centros de presión cambien de posición y fuerza. Estas diferencias de calentamiento también provocan cambios estacionales en la nubosidad, las precipitaciones y el viento.

Las respuestas estacionales de la biosfera (especialmente la vegetación) y la criosfera (glaciares, hielo marino, campos de nieve) también contribuyen a la circulación atmosférica y al clima. La caída de hojas de los árboles de hoja caduca al entrar en el letargo invernal aumenta el albedo (reflectividad) de la superficie de la Tierra y puede conducir a un mayor enfriamiento local y regional. De manera similar, la acumulación de nieve también aumenta el albedo de las superficies terrestres y a menudo amplifica los efectos del invierno.

Variación interanual
Las variaciones climáticas interanuales, incluidas las sequías, las inundaciones y otros acontecimientos, son causadas por una compleja serie de factores e interacciones del sistema terrestre. Una característica importante que desempeña un papel en estas variaciones es el cambio periódico de las pautas de circulación atmosférica y oceánica en la región del Pacífico tropical, conocido colectivamente como variación de El Niño-Oscilación Austral (ENSO). Aunque sus principales efectos climáticos se concentran en el Pacífico tropical, la ENOS tiene efectos en cascada que a menudo se extienden a la región del Océano Atlántico, al interior de Europa y Asia, y a las regiones polares. Estos efectos, denominados teleconexiones, se producen porque las alteraciones en las pautas de circulación atmosférica de baja latitud en la región del Pacífico influyen en la circulación atmosférica de los sistemas adyacentes y descendentes. Como resultado, las trayectorias de las tormentas se desvían y las crestas de presión atmosférica (zonas de alta presión) y las canalizaciones (zonas de baja presión) se desplazan de sus patrones habituales.

Como ejemplo, los eventos de El Niño ocurren cuando los vientos alisios del este en el Pacífico tropical se debilitan o invierten su dirección. Esto cierra el afloramiento de las aguas profundas y frías de la costa occidental de América del Sur, calienta el Pacífico oriental e invierte el gradiente de presión atmosférica en el Pacífico occidental. Como resultado, el aire de la superficie se desplaza hacia el este desde Australia e Indonesia hacia el Pacífico central y las Américas. Estos cambios producen grandes precipitaciones e inundaciones repentinas a lo largo de la costa normalmente árida del Perú y una grave sequía en las regiones normalmente húmedas del norte de Australia e Indonesia. Los fenómenos de El Niño particularmente graves provocan el fracaso de los monzones en la región del Océano Índico, lo que da lugar a una intensa sequía en la India y en África oriental. Al mismo tiempo, las trayectorias del oeste y de las tormentas se desplazan hacia el Ecuador, lo que proporciona a California y al desierto del sudoeste de los Estados Unidos un clima invernal húmedo y tormentoso y hace que las condiciones invernales en el noroeste del Pacífico, que suelen ser húmedas, se vuelvan más cálidas y secas. El desplazamiento de los vientos del oeste también provoca sequías en el norte de China y desde el noreste de Brasil a través de secciones de Venezuela. Los registros a largo plazo de la variación del ENOS a partir de documentos históricos, anillos de árboles y corales de arrecifes indican que los eventos de El Niño ocurren, en promedio, cada dos a siete años. Sin embargo, la frecuencia e intensidad de estos eventos varían a lo largo del tiempo.

La Oscilación del Atlántico Norte (OAN) es otro ejemplo de una oscilación interanual que produce importantes efectos climáticos dentro del sistema terrestre y puede influir en el clima en todo el hemisferio norte. Este fenómeno es el resultado de la variación del gradiente de presión, o la diferencia de presión atmosférica entre el máximo subtropical, situado normalmente entre las Azores y Gibraltar, y el mínimo islandés, centrado entre Islandia y Groenlandia. Cuando el gradiente de presión es pronunciado debido a un fuerte máximo subtropical y un bajo islandés profundo (fase positiva), Europa septentrional y Asia septentrional experimentan inviernos cálidos y húmedos con frecuentes y fuertes tormentas invernales. Al mismo tiempo, el sur de Europa es seco. El este de los Estados Unidos también experimenta inviernos más cálidos y menos nevados durante las fases positivas de la NAO, aunque el efecto no es tan grande como en Europa. El gradiente de presión se atenúa cuando la NAO está en un modo negativo, es decir, cuando existe un gradiente de presión más débil a partir de la presencia de un débil máximo subtropical y un mínimo islandés. Cuando esto sucede, la región del Mediterráneo recibe abundantes precipitaciones invernales, mientras que el norte de Europa es frío y seco. El este de los Estados Unidos es típicamente más frío y con más nieve durante una fase negativa de la NAO.

Durante los años en que la Oscilación del Atlántico Norte (OAN) se encuentra en su fase positiva, el este de los Estados Unidos, el sudeste del Canadá y el noroeste de Europa experimentan temperaturas invernales más cálidas, mientras que en estos lugares se encuentran temperaturas más frías durante su fase negativa. Cuando tanto el Niño/Oscilación Austral (ENSO) como la NAO se encuentran en su fase positiva, los inviernos europeos tienden a ser más húmedos y menos severos; sin embargo, más allá de esta tendencia general, la influencia del ENSO sobre la NAO no se comprende bien.

Los ciclos del ENSO y la NAO son impulsados por las retroalimentaciones e interacciones entre los océanos y la atmósfera. La variación climática interanual es impulsada por estos y otros ciclos, interacciones entre ciclos y perturbaciones en el sistema terrestre, como las que resultan de grandes inyecciones de aerosoles de las erupciones volcánicas. Un ejemplo de perturbación debida al vulcanismo es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que provocó una disminución de la temperatura mundial media de aproximadamente 0,5 °C (0,9 °F) el verano siguiente.

Variación decenal
El clima varía en escalas de tiempo decenales, con grupos de varios años de condiciones húmedas, secas, frescas o cálidas. Estos grupos plurianuales pueden tener efectos dramáticos en las actividades y el bienestar humanos. Por ejemplo, una grave sequía de tres años a finales del siglo XVI probablemente contribuyó a la destrucción de la "Colonia Perdida" de Sir Walter Raleigh en la isla de Roanoke, en lo que hoy es Carolina del Norte, y una posterior sequía de siete años (1606-12) provocó una elevada mortalidad en la colonia de Jamestown, en Virginia. Además, algunos estudiosos han implicado a las sequías persistentes y graves como la principal razón del colapso de la civilización maya en Mesoamérica entre 750 y 950 d.C.; sin embargo, los descubrimientos de principios del siglo XXI sugieren que las perturbaciones del comercio relacionadas con la guerra desempeñaron un papel, posiblemente interactuando con las hambrunas y otras tensiones relacionadas con la sequía.

Aunque la variación climática a escala decenal está bien documentada, las causas no están del todo claras. Gran parte de la variación decenal del clima está relacionada con las variaciones interanuales. Por ejemplo, la frecuencia y la magnitud del ENOS cambian a lo largo del tiempo. Los primeros años de la década de 1990 se caracterizaron por repetidos eventos de El Niño, y se han identificado varias agrupaciones de este tipo que tuvieron lugar durante el siglo XX. La pendiente del gradiente del NAO también cambia en escalas temporales decenales; ha sido particularmente pronunciada desde el decenio de 1970.

Investigaciones recientes han revelado que las variaciones del clima a escala decenal son el resultado de las interacciones entre el océano y la atmósfera. Una de esas variaciones es la Oscilación Decadal del Pacífico (PDO), también conocida como Variabilidad Decadal del Pacífico (PDV), que implica cambios en las temperaturas de la superficie del mar (SST) en el Océano Pacífico Norte. Las TSM influyen en la fuerza y la posición de la Baja Aleutiana, que a su vez afecta fuertemente los patrones de precipitación a lo largo de la costa del Pacífico de Norteamérica. La variación de las TSM consiste en una alternancia entre los períodos de "fase fría", en los que la costa de Alaska es relativamente seca y el noroeste del Pacífico relativamente húmedo (por ejemplo, 1947-76), y los períodos de "fase cálida", caracterizados por una precipitación relativamente alta en la costa de Alaska y una precipitación baja en el noroeste del Pacífico (por ejemplo, 1925-46, 1977-98). Los registros de anillos de árboles y corales, que abarcan al menos los últimos cuatro siglos, documentan la variación del DOP.

Una oscilación similar, la Oscilación Multidecadal del Atlántico (OMA), se produce en el Atlántico Norte e influye fuertemente en los patrones de precipitación de América del Norte oriental y central. Una AMO de fase cálida (TSM del Atlántico Norte relativamente cálida) se asocia con precipitaciones relativamente altas en Florida y bajas en gran parte del Valle de Ohio. Sin embargo, el AMO interactúa con el PDO, y ambos interactúan con variaciones interanuales, como el ENSO y la NAO, en formas complejas . Tales interacciones pueden llevar a la amplificación de sequías, inundaciones u otras anomalías climáticas. Por ejemplo, las graves sequías que se produjeron en gran parte de los Estados Unidos conterminosos en los primeros años del siglo XXI se asociaron con la OMA de fase cálida combinada con la DOP de fase fría. Los mecanismos que subyacen a las variaciones decenales, como el PDO y la AMO, no se conocen bien, pero probablemente estén relacionados con las interacciones océano-atmósfera con constantes temporales más grandes que las variaciones interanuales. Las variaciones climáticas decenales son objeto de un intenso estudio por parte de los climatólogos y los paleoclimatólogos.

Causas del cambio climático
Es mucho más fácil documentar las pruebas de la variabilidad del clima y el cambio climático pasado que determinar sus mecanismos subyacentes. El clima está influenciado por una multitud de factores que operan en escalas de tiempo que van desde horas hasta cientos de millones de años. Muchas de las causas del cambio climático son externas al sistema de la Tierra. Otras son parte del sistema de la Tierra pero externas a la atmósfera. Otras implican interacciones entre la atmósfera y otros componentes del sistema terrestre y se describen colectivamente como retroalimentaciones dentro del sistema terrestre. Las retroalimentaciones se encuentran entre los factores causales más recientemente descubiertos y difíciles de estudiar. No obstante, se reconoce cada vez más que esos factores desempeñan un papel fundamental en la variación del clima. En esta sección se describen los mecanismos más importantes.

Variabilidad solar
La luminosidad, o brillo, del Sol ha ido aumentando constantemente desde su formación. Este fenómeno es importante para el clima de la Tierra, porque el Sol proporciona la energía para impulsar la circulación atmosférica y constituye el aporte para el presupuesto de calor de la Tierra. La baja luminosidad solar durante el tiempo del Precámbrico subyace a la tenue paradoja del joven Sol, descrita en la sección Climas de la Tierra temprana.

La energía radiante procedente del Sol es variable en escalas de tiempo muy pequeñas, debido a las tormentas solares y otras perturbaciones, pero las variaciones en la actividad solar, en particular la frecuencia de las manchas solares, también están documentadas en escalas de tiempo que van de decenios a milenios y probablemente se producen también en escalas de tiempo más largas. Se ha sugerido que el "mínimo de Maunder", un período de actividad de manchas solares drásticamente reducida entre 1645 y 1715 d.C., es un factor que contribuye a la Pequeña Edad de Hielo. (Ver abajo Variación y cambio climático desde la aparición de la civilización).

La actividad volcánica
La actividad volcánica puede influir en el clima de varias maneras y en diferentes escalas de tiempo. Las erupciones volcánicas individuales pueden liberar grandes cantidades de dióxido de azufre y otros aerosoles en la estratosfera, reduciendo la transparencia atmosférica y, por tanto, la cantidad de radiación solar que llega a la superficie y la troposfera de la Tierra. Un ejemplo reciente es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que tuvo influencias mensurables en la circulación atmosférica y los balances de calor. La erupción de 1815 del Monte Tambora en la isla de Sumbawa tuvo consecuencias más dramáticas, ya que la primavera y el verano del año siguiente (1816, conocido como "el año sin verano") fueron inusualmente fríos en gran parte del mundo. Nueva Inglaterra y Europa experimentaron nevadas y heladas durante todo el verano de 1816.

Los volcanes y los fenómenos conexos, como el desgarramiento y la subducción de los océanos, liberan dióxido de carbono tanto en los océanos como en la atmósfera. Las emisiones son bajas; incluso una masiva erupción volcánica como la del Monte Pinatubo libera sólo una fracción del dióxido de carbono emitido por la combustión de combustibles fósiles en un año. Sin embargo, a escala geológica, la liberación de este gas de efecto invernadero puede tener efectos importantes. Las variaciones en la liberación de dióxido de carbono por los volcanes y las grietas oceánicas a lo largo de millones de años pueden alterar la química de la atmósfera. Esta variabilidad en las concentraciones de dióxido de carbono probablemente explica gran parte de la variación climática que ha tenido lugar durante el Eón Fanerozoico.

Actividad tectónica
Los movimientos tectónicos de la corteza terrestre han tenido profundos efectos en el clima en escalas de tiempo de millones a decenas de millones de años. Estos movimientos han cambiado la forma, el tamaño, la posición y la elevación de las masas continentales, así como la batimetría de los océanos. A su vez, los cambios topográficos y batimétricos han tenido fuertes efectos en la circulación tanto de la atmósfera como de los océanos. Por ejemplo, el levantamiento de la meseta tibetana durante la era cenozoica afectó las pautas de circulación atmosférica, creando el monzón de Asia meridional e influyendo en el clima de gran parte del resto de Asia y las regiones vecinas.

La actividad tectónica también influye en la química atmosférica, en particular en las concentraciones de dióxido de carbono. El dióxido de carbono se emite desde los volcanes y las fumarolas de las zonas de fisura y de subducción. Las variaciones en la tasa de propagación en las zonas de fisuras y el grado de actividad volcánica cerca de los márgenes de las placas han influido en las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono a lo largo de la historia de la Tierra. Incluso la meteorización química de la roca constituye un importante sumidero de dióxido de carbono. (Un sumidero de carbono es cualquier proceso que elimina el dióxido de carbono de la atmósfera mediante la conversión química del CO2 en compuestos de carbono orgánicos o inorgánicos). El ácido carbónico, formado a partir de dióxido de carbono y agua, es un reactivo en la disolución de silicatos y otros minerales. Las tasas de meteorización están relacionadas con la masa, la elevación y la exposición del lecho rocoso. La elevación tectónica puede aumentar todos estos factores y, por lo tanto, conducir a un aumento de la meteorización y la absorción de dióxido de carbono. Por ejemplo, la meteorización química de la meseta tibetana en ascenso puede haber desempeñado un papel importante en el agotamiento del dióxido de carbono en la atmósfera durante un período de enfriamiento global a finales del Cenozoico.

Variaciones orbitales
La geometría orbital de la Tierra se ve afectada de manera predecible por las influencias gravitatorias de otros planetas del sistema solar. Tres características primarias de la órbita de la Tierra se ven afectadas, cada una de ellas de manera cíclica o recurrente. Primero, la forma de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, varía de casi circular a elíptica (excéntrica), con periodicidades de 100.000 y 413.000 años. En segundo lugar, la inclinación del eje de la Tierra con respecto al Sol, que es el principal responsable de los climas estacionales de la Tierra, varía entre 22,1° y 24,5° con respecto al plano de rotación de la Tierra alrededor del Sol. Esta variación se produce en un ciclo de 41.000 años. En general, cuanto mayor es la inclinación, mayor es la radiación solar recibida por los hemisferios en verano y menor la recibida en invierno. El tercer cambio cíclico en la geometría orbital de la Tierra resulta de dos fenómenos combinados: 1) El eje de rotación de la Tierra se tambalea, cambiando la dirección del eje con respecto al Sol, y 2) la orientación de la elipse orbital de la Tierra gira lentamente. Estos dos procesos crean un ciclo de 26.000 años, llamado precesión de los equinoccios, en el que la posición de la Tierra en los equinoccios y solsticios cambia. Hoy en día la Tierra está más cerca del Sol (perihelio) cerca del solsticio de diciembre, mientras que hace 9.000 años el perihelio se produjo cerca del solsticio de junio.

Estas variaciones orbitales causan cambios en la distribución latitudinal y estacional de la radiación solar, que a su vez impulsan una serie de variaciones climáticas. Las variaciones orbitales juegan un papel importante en el ritmo de los patrones glaciales-interglaciales y monzónicos. Sus influencias se han identificado en los cambios climáticos de gran parte del Fanerozoico. Por ejemplo, los ciclomotores -que son lechos marinos, fluviales y de carbón intercalados característicos del subperíodo de Pensilvania (hace 318,1 millones a 299 millones de años)- parecen representar los cambios impulsados por Milankovitch en el nivel medio del mar.

Los gases de efecto invernadero son moléculas de gas que tienen la propiedad de absorber la radiación infrarroja (energía térmica neta) emitida desde la superficie de la Tierra y volverla a radiar hacia la superficie terrestre, contribuyendo así al fenómeno conocido como efecto invernadero. El dióxido de carbono, el metano y el vapor de agua son los gases de efecto invernadero más importantes, y tienen un profundo efecto en el presupuesto energético del sistema terrestre a pesar de que constituyen sólo una fracción de todos los gases atmosféricos. Las concentraciones de gases de efecto invernadero han variado sustancialmente durante la historia de la Tierra, y estas variaciones han impulsado cambios climáticos sustanciales en una amplia gama de escalas de tiempo. En general, las concentraciones de gases de efecto invernadero han sido particularmente altas durante los períodos cálidos y bajas durante las fases frías. Varios procesos influyen en las concentraciones de gases de efecto invernadero. Algunos, como las actividades tectónicas, operan en escalas de tiempo de millones de años, mientras que otros, como la vegetación, el suelo, los humedales y las fuentes y sumideros oceánicos, operan en escalas de tiempo de cientos a miles de años. Las actividades humanas -especialmente la combustión de combustibles fósiles desde la Revolución Industrial- son responsables del aumento constante de las concentraciones atmosféricas de diversos gases de efecto invernadero, especialmente el dióxido de carbono, el metano, el ozono y los clorofluorocarbonos (CFC).

Tal vez el tema más intensamente discutido e investigado sobre la variabilidad del clima sea el papel de las interacciones y retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre. Las retroalimentaciones implican diferentes componentes que operan a diferentes velocidades y escalas de tiempo. Las capas de hielo, el hielo marino, la vegetación terrestre, las temperaturas oceánicas, las tasas de meteorización, la circulación oceánica y las concentraciones de gases de efecto invernadero están todas influidas directa o indirectamente por la atmósfera; sin embargo, todas ellas también retroalimentan a la atmósfera, influyéndola así de manera importante. Por ejemplo, las diferentes formas y densidades de vegetación en la superficie terrestre influyen en el albedo, o reflectividad, de la superficie de la Tierra, afectando así al balance global de radiación a escalas locales y regionales. Al mismo tiempo, la transferencia de moléculas de agua del suelo a la atmósfera está mediada por la vegetación, tanto directamente (por la transpiración a través de los estomas de las plantas) como indirectamente (por las influencias de la sombra y la temperatura en la evaporación directa del suelo). Esta regulación del flujo de calor latente por parte de la vegetación puede influir en el clima a escalas locales y globales. Como resultado, los cambios en la vegetación, que están parcialmente controlados por el clima, pueden a su vez influir en el sistema climático. La vegetación también influye en las concentraciones de gases de efecto invernadero; las plantas vivas constituyen un importante sumidero de dióxido de carbono atmosférico, mientras que actúan como fuentes de dióxido de carbono cuando se queman por incendios o se descomponen. Estas y otras retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre son fundamentales tanto para comprender los cambios climáticos del pasado como para predecir los futuros.

Las actividades humanas
El reconocimiento del cambio climático mundial como una cuestión ambiental ha llamado la atención sobre el impacto climático de las actividades humanas. La mayor parte de esta atención se ha centrado en la emisión de dióxido de carbono mediante la combustión de combustibles fósiles y la deforestación. Las actividades humanas también producen emisiones de otros gases de efecto invernadero, como el metano (procedente del cultivo de arroz, el ganado, los vertederos y otras fuentes) y los clorofluorocarbonos (procedentes de fuentes industriales). Hay pocas dudas entre los climatólogos de que estos gases de efecto invernadero afectan al presupuesto de radiación de la Tierra; la naturaleza y la magnitud de la respuesta climática son objeto de una intensa actividad de investigación. Los registros paleoclimáticos de los anillos de los árboles, los corales y los núcleos de hielo indican una clara tendencia al calentamiento que abarca todo el siglo XX y la primera década del siglo XXI. De hecho, el siglo XX fue el más cálido de los últimos 10 siglos, y la década 2001-10 fue la década más cálida desde el comienzo de los registros instrumentales modernos. Muchos climatólogos han señalado este patrón de calentamiento como una clara evidencia de los cambios climáticos inducidos por el hombre como resultado de la producción de gases de efecto invernadero.

Un segundo tipo de impacto humano, la conversión de la vegetación por la deforestación, la forestación y la agricultura, está recibiendo una creciente atención como una fuente adicional de cambio climático. Cada vez es más evidente que los impactos humanos sobre la cubierta vegetal pueden tener efectos locales, regionales e incluso mundiales sobre el clima, debido a los cambios en el flujo de calor sensible y latente hacia la atmósfera y la distribución de la energía dentro del sistema climático. La medida en que estos factores contribuyen al cambio climático reciente y en curso es una importante área de estudio emergente.

El cambio climático en el transcurso de la vida humana
Independientemente de su ubicación en el planeta, todos los seres humanos experimentan la variabilidad y el cambio climático durante sus vidas. Los fenómenos más familiares y predecibles son los ciclos estacionales, a los que las personas ajustan su ropa, las actividades al aire libre, los termostatos y las prácticas agrícolas. Sin embargo, no hay dos veranos o inviernos exactamente iguales en el mismo lugar; algunos son más cálidos, húmedos o tormentosos que otros. Esta variación interanual del clima es en parte responsable de las variaciones de un año a otro en los precios del combustible, el rendimiento de los cultivos, los presupuestos de mantenimiento de las carreteras y los riesgos de incendios forestales. Las inundaciones provocadas por las precipitaciones en un solo año pueden causar graves daños económicos, como los de la cuenca de drenaje del río Misisipí superior durante el verano de 1993, y pérdidas de vidas, como las que devastaron gran parte de Bangladesh en el verano de 1998. También pueden producirse daños y pérdidas de vidas similares como resultado de incendios forestales, tormentas graves, huracanes, olas de calor y otros acontecimientos relacionados con el clima.

La variación y el cambio climático también pueden ocurrir en períodos más largos, como décadas. Algunos lugares experimentan múltiples años de sequía, inundaciones u otras condiciones duras. Esas variaciones decenales del clima plantean problemas para las actividades humanas y la planificación. Por ejemplo, las sequías plurianuales pueden perturbar el suministro de agua, inducir a la pérdida de cosechas y causar trastornos económicos y sociales, como en el caso de las sequías de Dust Bowl en el medio continente de América del Norte durante el decenio de 1930. Las sequías plurianuales pueden incluso causar una hambruna generalizada, como en la sequía del Sahel que se produjo en el norte de África durante los años setenta y ochenta.

Variación estacional
Todos los lugares de la Tierra experimentan una variación estacional del clima (aunque el cambio puede ser leve en algunas regiones tropicales). Esta variación cíclica es impulsada por los cambios estacionales en el suministro de radiación solar a la atmósfera y la superficie de la Tierra. La órbita de la Tierra alrededor del Sol es elíptica; está más cerca del Sol ( 147 millones de km [unos 91 millones de millas]) cerca del solsticio de invierno y más lejos del Sol (152 millones de km [unos 94 millones de millas]) cerca del solsticio de verano en el Hemisferio Norte. Además, el eje de rotación de la Tierra se produce en un ángulo oblicuo (23,5°) con respecto a su órbita. Por lo tanto, cada hemisferio está inclinado lejos del Sol durante su período de invierno y hacia el Sol en su período de verano. Cuando un hemisferio está inclinado lejos del Sol, recibe menos radiación solar que el hemisferio opuesto, que en ese momento está apuntado hacia el Sol. Así, a pesar de la mayor proximidad del Sol en el solsticio de invierno, el hemisferio norte recibe menos radiación solar durante el invierno que durante el verano. También como consecuencia de la inclinación, cuando el Hemisferio Norte experimenta el invierno, el Hemisferio Sur experimenta el verano.

El sistema climático de la Tierra está impulsado por la radiación solar; las diferencias estacionales en el clima resultan en última instancia de los cambios estacionales en la órbita de la Tierra. La circulación del aire en la atmósfera y del agua en los océanos responde a las variaciones estacionales de la energía disponible del Sol. Los cambios estacionales específicos del clima que se producen en cualquier lugar determinado de la superficie de la Tierra resultan en gran medida de la transferencia de energía de la circulación atmosférica y oceánica. Las diferencias en el calentamiento de la superficie que tienen lugar entre el verano y el invierno hacen que las vías de las tormentas y los centros de presión cambien de posición y fuerza. Estas diferencias de calentamiento también provocan cambios estacionales en la nubosidad, las precipitaciones y el viento.

Las respuestas estacionales de la biosfera (especialmente la vegetación) y la criosfera (glaciares, hielo marino, campos de nieve) también contribuyen a la circulación atmosférica y al clima. La caída de hojas de los árboles de hoja caduca al entrar en el letargo invernal aumenta el albedo (reflectividad) de la superficie de la Tierra y puede conducir a un mayor enfriamiento local y regional. De manera similar, la acumulación de nieve también aumenta el albedo de las superficies terrestres y a menudo amplifica los efectos del invierno.

Variación interanual
Las variaciones climáticas interanuales, incluidas las sequías, las inundaciones y otros acontecimientos, son causadas por una compleja serie de factores e interacciones del sistema terrestre. Una característica importante que desempeña un papel en estas variaciones es el cambio periódico de las pautas de circulación atmosférica y oceánica en la región del Pacífico tropical, conocido colectivamente como variación de El Niño-Oscilación Austral (ENSO). Aunque sus principales efectos climáticos se concentran en el Pacífico tropical, la ENOS tiene efectos en cascada que a menudo se extienden a la región del Océano Atlántico, al interior de Europa y Asia, y a las regiones polares. Estos efectos, denominados teleconexiones, se producen porque las alteraciones en las pautas de circulación atmosférica de baja latitud en la región del Pacífico influyen en la circulación atmosférica de los sistemas adyacentes y descendentes. Como resultado, las trayectorias de las tormentas se desvían y las crestas de presión atmosférica (zonas de alta presión) y las canalizaciones (zonas de baja presión) se desplazan de sus patrones habituales.

Como ejemplo, los eventos de El Niño ocurren cuando los vientos alisios del este en el Pacífico tropical se debilitan o invierten su dirección. Esto cierra el afloramiento de las aguas profundas y frías de la costa occidental de América del Sur, calienta el Pacífico oriental e invierte el gradiente de presión atmosférica en el Pacífico occidental. Como resultado, el aire de la superficie se desplaza hacia el este desde Australia e Indonesia hacia el Pacífico central y las Américas. Estos cambios producen grandes precipitaciones e inundaciones repentinas a lo largo de la costa normalmente árida del Perú y una grave sequía en las regiones normalmente húmedas del norte de Australia e Indonesia. Los fenómenos de El Niño particularmente graves provocan el fracaso de los monzones en la región del Océano Índico, lo que da lugar a una intensa sequía en la India y en África oriental. Al mismo tiempo, las trayectorias del oeste y de las tormentas se desplazan hacia el Ecuador, lo que proporciona a California y al desierto del sudoeste de los Estados Unidos un clima invernal húmedo y tormentoso y hace que las condiciones invernales en el noroeste del Pacífico, que suelen ser húmedas, se vuelvan más cálidas y secas. El desplazamiento de los vientos del oeste también provoca sequías en el norte de China y desde el noreste de Brasil a través de secciones de Venezuela. Los registros a largo plazo de la variación del ENOS a partir de documentos históricos, anillos de árboles y corales de arrecifes indican que los eventos de El Niño ocurren, en promedio, cada dos a siete años. Sin embargo, la frecuencia e intensidad de estos eventos varían a lo largo del tiempo.

La Oscilación del Atlántico Norte (OAN) es otro ejemplo de una oscilación interanual que produce importantes efectos climáticos dentro del sistema terrestre y puede influir en el clima en todo el hemisferio norte. Este fenómeno es el resultado de la variación del gradiente de presión, o la diferencia de presión atmosférica entre el máximo subtropical, situado normalmente entre las Azores y Gibraltar, y el mínimo islandés, centrado entre Islandia y Groenlandia. Cuando el gradiente de presión es pronunciado debido a un fuerte máximo subtropical y un bajo islandés profundo (fase positiva), Europa septentrional y Asia septentrional experimentan inviernos cálidos y húmedos con frecuentes y fuertes tormentas invernales. Al mismo tiempo, el sur de Europa es seco. El este de los Estados Unidos también experimenta inviernos más cálidos y menos nevados durante las fases positivas de la NAO, aunque el efecto no es tan grande como en Europa. El gradiente de presión se atenúa cuando la NAO está en un modo negativo, es decir, cuando existe un gradiente de presión más débil a partir de la presencia de un débil máximo subtropical y un mínimo islandés. Cuando esto sucede, la región del Mediterráneo recibe abundantes precipitaciones invernales, mientras que el norte de Europa es frío y seco. El este de los Estados Unidos es típicamente más frío y con más nieve durante una fase negativa de la NAO.

Durante los años en que la Oscilación del Atlántico Norte (OAN) se encuentra en su fase positiva, el este de los Estados Unidos, el sudeste del Canadá y el noroeste de Europa experimentan temperaturas invernales más cálidas, mientras que en estos lugares se encuentran temperaturas más frías durante su fase negativa. Cuando tanto el Niño/Oscilación Austral (ENSO) como la NAO se encuentran en su fase positiva, los inviernos europeos tienden a ser más húmedos y menos severos; sin embargo, más allá de esta tendencia general, la influencia del ENSO sobre la NAO no se comprende bien.

Los ciclos del ENSO y la NAO son impulsados por las retroalimentaciones e interacciones entre los océanos y la atmósfera. La variación climática interanual es impulsada por estos y otros ciclos, interacciones entre ciclos y perturbaciones en el sistema terrestre, como las que resultan de grandes inyecciones de aerosoles de las erupciones volcánicas. Un ejemplo de perturbación debida al vulcanismo es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que provocó una disminución de la temperatura mundial media de aproximadamente 0,5 °C (0,9 °F) el verano siguiente.

Variación decenal
El clima varía en escalas de tiempo decenales, con grupos de varios años de condiciones húmedas, secas, frescas o cálidas. Estos grupos plurianuales pueden tener efectos dramáticos en las actividades y el bienestar humanos. Por ejemplo, una grave sequía de tres años a finales del siglo XVI probablemente contribuyó a la destrucción de la "Colonia Perdida" de Sir Walter Raleigh en la isla de Roanoke, en lo que hoy es Carolina del Norte, y una posterior sequía de siete años (1606-12) provocó una elevada mortalidad en la colonia de Jamestown, en Virginia. Además, algunos estudiosos han implicado a las sequías persistentes y graves como la principal razón del colapso de la civilización maya en Mesoamérica entre 750 y 950 d.C.; sin embargo, los descubrimientos de principios del siglo XXI sugieren que las perturbaciones del comercio relacionadas con la guerra desempeñaron un papel, posiblemente interactuando con las hambrunas y otras tensiones relacionadas con la sequía.

Aunque la variación climática a escala decenal está bien documentada, las causas no están del todo claras. Gran parte de la variación decenal del clima está relacionada con las variaciones interanuales. Por ejemplo, la frecuencia y la magnitud del ENOS cambian a lo largo del tiempo. Los primeros años de la década de 1990 se caracterizaron por repetidos eventos de El Niño, y se han identificado varias agrupaciones de este tipo que tuvieron lugar durante el siglo XX. La pendiente del gradiente del NAO también cambia en escalas temporales decenales; ha sido particularmente pronunciada desde el decenio de 1970.

Investigaciones recientes han revelado que las variaciones del clima a escala decenal son el resultado de las interacciones entre el océano y la atmósfera. Una de esas variaciones es la Oscilación Decadal del Pacífico (PDO), también conocida como Variabilidad Decadal del Pacífico (PDV), que implica cambios en las temperaturas de la superficie del mar (SST) en el Océano Pacífico Norte. Las TSM influyen en la fuerza y la posición de la Baja Aleutiana, que a su vez afecta fuertemente los patrones de precipitación a lo largo de la costa del Pacífico de Norteamérica. La variación de las TSM consiste en una alternancia entre los períodos de "fase fría", en los que la costa de Alaska es relativamente seca y el noroeste del Pacífico relativamente húmedo (por ejemplo, 1947-76), y los períodos de "fase cálida", caracterizados por una precipitación relativamente alta en la costa de Alaska y una precipitación baja en el noroeste del Pacífico (por ejemplo, 1925-46, 1977-98). Los registros de anillos de árboles y corales, que abarcan al menos los últimos cuatro siglos, documentan la variación del DOP.

Una oscilación similar, la Oscilación Multidecadal del Atlántico (OMA), se produce en el Atlántico Norte e influye fuertemente en los patrones de precipitación de América del Norte oriental y central. Una AMO de fase cálida (TSM del Atlántico Norte relativamente cálida) se asocia con precipitaciones relativamente altas en Florida y bajas en gran parte del Valle de Ohio. Sin embargo, el AMO interactúa con el PDO, y ambos interactúan con variaciones interanuales, como el ENSO y la NAO, en formas complejas . Tales interacciones pueden llevar a la amplificación de sequías, inundaciones u otras anomalías climáticas. Por ejemplo, las graves sequías que se produjeron en gran parte de los Estados Unidos conterminosos en los primeros años del siglo XXI se asociaron con la OMA de fase cálida combinada con la DOP de fase fría. Los mecanismos que subyacen a las variaciones decenales, como el PDO y la AMO, no se conocen bien, pero probablemente estén relacionados con las interacciones océano-atmósfera con constantes temporales más grandes que las variaciones interanuales. Las variaciones climáticas decenales son objeto de un intenso estudio por parte de los climatólogos y los paleoclimatólogos.

Causas del cambio climático
Es mucho más fácil documentar las pruebas de la variabilidad del clima y el cambio climático pasado que determinar sus mecanismos subyacentes. El clima está influenciado por una multitud de factores que operan en escalas de tiempo que van desde horas hasta cientos de millones de años. Muchas de las causas del cambio climático son externas al sistema de la Tierra. Otras son parte del sistema de la Tierra pero externas a la atmósfera. Otras implican interacciones entre la atmósfera y otros componentes del sistema terrestre y se describen colectivamente como retroalimentaciones dentro del sistema terrestre. Las retroalimentaciones se encuentran entre los factores causales más recientemente descubiertos y difíciles de estudiar. No obstante, se reconoce cada vez más que esos factores desempeñan un papel fundamental en la variación del clima. En esta sección se describen los mecanismos más importantes.

Variabilidad solar
La luminosidad, o brillo, del Sol ha ido aumentando constantemente desde su formación. Este fenómeno es importante para el clima de la Tierra, porque el Sol proporciona la energía para impulsar la circulación atmosférica y constituye el aporte para el presupuesto de calor de la Tierra. La baja luminosidad solar durante el tiempo del Precámbrico subyace a la tenue paradoja del joven Sol, descrita en la sección Climas de la Tierra temprana.

La energía radiante procedente del Sol es variable en escalas de tiempo muy pequeñas, debido a las tormentas solares y otras perturbaciones, pero las variaciones en la actividad solar, en particular la frecuencia de las manchas solares, también están documentadas en escalas de tiempo que van de decenios a milenios y probablemente se producen también en escalas de tiempo más largas. Se ha sugerido que el "mínimo de Maunder", un período de actividad de manchas solares drásticamente reducida entre 1645 y 1715 d.C., es un factor que contribuye a la Pequeña Edad de Hielo. (Ver abajo Variación y cambio climático desde la aparición de la civilización).

La actividad volcánica
La actividad volcánica puede influir en el clima de varias maneras y en diferentes escalas de tiempo. Las erupciones volcánicas individuales pueden liberar grandes cantidades de dióxido de azufre y otros aerosoles en la estratosfera, reduciendo la transparencia atmosférica y, por tanto, la cantidad de radiación solar que llega a la superficie y la troposfera de la Tierra. Un ejemplo reciente es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que tuvo influencias mensurables en la circulación atmosférica y los balances de calor. La erupción de 1815 del Monte Tambora en la isla de Sumbawa tuvo consecuencias más dramáticas, ya que la primavera y el verano del año siguiente (1816, conocido como "el año sin verano") fueron inusualmente fríos en gran parte del mundo. Nueva Inglaterra y Europa experimentaron nevadas y heladas durante todo el verano de 1816.

Los volcanes y los fenómenos conexos, como el desgarramiento y la subducción de los océanos, liberan dióxido de carbono tanto en los océanos como en la atmósfera. Las emisiones son bajas; incluso una masiva erupción volcánica como la del Monte Pinatubo libera sólo una fracción del dióxido de carbono emitido por la combustión de combustibles fósiles en un año. Sin embargo, a escala geológica, la liberación de este gas de efecto invernadero puede tener efectos importantes. Las variaciones en la liberación de dióxido de carbono por los volcanes y las grietas oceánicas a lo largo de millones de años pueden alterar la química de la atmósfera. Esta variabilidad en las concentraciones de dióxido de carbono probablemente explica gran parte de la variación climática que ha tenido lugar durante el Eón Fanerozoico.

Actividad tectónica
Los movimientos tectónicos de la corteza terrestre han tenido profundos efectos en el clima en escalas de tiempo de millones a decenas de millones de años. Estos movimientos han cambiado la forma, el tamaño, la posición y la elevación de las masas continentales, así como la batimetría de los océanos. A su vez, los cambios topográficos y batimétricos han tenido fuertes efectos en la circulación tanto de la atmósfera como de los océanos. Por ejemplo, el levantamiento de la meseta tibetana durante la era cenozoica afectó las pautas de circulación atmosférica, creando el monzón de Asia meridional e influyendo en el clima de gran parte del resto de Asia y las regiones vecinas.

La actividad tectónica también influye en la química atmosférica, en particular en las concentraciones de dióxido de carbono. El dióxido de carbono se emite desde los volcanes y las fumarolas de las zonas de fisura y de subducción. Las variaciones en la tasa de propagación en las zonas de fisuras y el grado de actividad volcánica cerca de los márgenes de las placas han influido en las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono a lo largo de la historia de la Tierra. Incluso la meteorización química de la roca constituye un importante sumidero de dióxido de carbono. (Un sumidero de carbono es cualquier proceso que elimina el dióxido de carbono de la atmósfera mediante la conversión química del CO2 en compuestos de carbono orgánicos o inorgánicos). El ácido carbónico, formado a partir de dióxido de carbono y agua, es un reactivo en la disolución de silicatos y otros minerales. Las tasas de meteorización están relacionadas con la masa, la elevación y la exposición del lecho rocoso. La elevación tectónica puede aumentar todos estos factores y, por lo tanto, conducir a un aumento de la meteorización y la absorción de dióxido de carbono. Por ejemplo, la meteorización química de la meseta tibetana en ascenso puede haber desempeñado un papel importante en el agotamiento del dióxido de carbono en la atmósfera durante un período de enfriamiento global a finales del Cenozoico.

Variaciones orbitales
La geometría orbital de la Tierra se ve afectada de manera predecible por las influencias gravitatorias de otros planetas del sistema solar. Tres características primarias de la órbita de la Tierra se ven afectadas, cada una de ellas de manera cíclica o recurrente. Primero, la forma de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, varía de casi circular a elíptica (excéntrica), con periodicidades de 100.000 y 413.000 años. En segundo lugar, la inclinación del eje de la Tierra con respecto al Sol, que es el principal responsable de los climas estacionales de la Tierra, varía entre 22,1° y 24,5° con respecto al plano de rotación de la Tierra alrededor del Sol. Esta variación se produce en un ciclo de 41.000 años. En general, cuanto mayor es la inclinación, mayor es la radiación solar recibida por los hemisferios en verano y menor la recibida en invierno. El tercer cambio cíclico en la geometría orbital de la Tierra resulta de dos fenómenos combinados: 1) El eje de rotación de la Tierra se tambalea, cambiando la dirección del eje con respecto al Sol, y 2) la orientación de la elipse orbital de la Tierra gira lentamente. Estos dos procesos crean un ciclo de 26.000 años, llamado precesión de los equinoccios, en el que la posición de la Tierra en los equinoccios y solsticios cambia. Hoy en día la Tierra está más cerca del Sol (perihelio) cerca del solsticio de diciembre, mientras que hace 9.000 años el perihelio se produjo cerca del solsticio de junio.

Estas variaciones orbitales causan cambios en la distribución latitudinal y estacional de la radiación solar, que a su vez impulsan una serie de variaciones climáticas. Las variaciones orbitales juegan un papel importante en el ritmo de los patrones glaciales-interglaciales y monzónicos. Sus influencias se han identificado en los cambios climáticos de gran parte del Fanerozoico. Por ejemplo, los ciclomotores -que son lechos marinos, fluviales y de carbón intercalados característicos del subperíodo de Pensilvania (hace 318,1 millones a 299 millones de años)- parecen representar los cambios impulsados por Milankovitch en el nivel medio del mar.

Los gases de efecto invernadero son moléculas de gas que tienen la propiedad de absorber la radiación infrarroja (energía térmica neta) emitida desde la superficie de la Tierra y volverla a radiar hacia la superficie terrestre, contribuyendo así al fenómeno conocido como efecto invernadero. El dióxido de carbono, el metano y el vapor de agua son los gases de efecto invernadero más importantes, y tienen un profundo efecto en el presupuesto energético del sistema terrestre a pesar de que constituyen sólo una fracción de todos los gases atmosféricos. Las concentraciones de gases de efecto invernadero han variado sustancialmente durante la historia de la Tierra, y estas variaciones han impulsado cambios climáticos sustanciales en una amplia gama de escalas de tiempo. En general, las concentraciones de gases de efecto invernadero han sido particularmente altas durante los períodos cálidos y bajas durante las fases frías. Varios procesos influyen en las concentraciones de gases de efecto invernadero. Algunos, como las actividades tectónicas, operan en escalas de tiempo de millones de años, mientras que otros, como la vegetación, el suelo, los humedales y las fuentes y sumideros oceánicos, operan en escalas de tiempo de cientos a miles de años. Las actividades humanas -especialmente la combustión de combustibles fósiles desde la Revolución Industrial- son responsables del aumento constante de las concentraciones atmosféricas de diversos gases de efecto invernadero, especialmente el dióxido de carbono, el metano, el ozono y los clorofluorocarbonos (CFC).

Tal vez el tema más intensamente discutido e investigado sobre la variabilidad del clima sea el papel de las interacciones y retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre. Las retroalimentaciones implican diferentes componentes que operan a diferentes velocidades y escalas de tiempo. Las capas de hielo, el hielo marino, la vegetación terrestre, las temperaturas oceánicas, las tasas de meteorización, la circulación oceánica y las concentraciones de gases de efecto invernadero están todas influidas directa o indirectamente por la atmósfera; sin embargo, todas ellas también retroalimentan a la atmósfera, influyéndola así de manera importante. Por ejemplo, las diferentes formas y densidades de vegetación en la superficie terrestre influyen en el albedo, o reflectividad, de la superficie de la Tierra, afectando así al balance global de radiación a escalas locales y regionales. Al mismo tiempo, la transferencia de moléculas de agua del suelo a la atmósfera está mediada por la vegetación, tanto directamente (por la transpiración a través de los estomas de las plantas) como indirectamente (por las influencias de la sombra y la temperatura en la evaporación directa del suelo). Esta regulación del flujo de calor latente por parte de la vegetación puede influir en el clima a escalas locales y globales. Como resultado, los cambios en la vegetación, que están parcialmente controlados por el clima, pueden a su vez influir en el sistema climático. La vegetación también influye en las concentraciones de gases de efecto invernadero; las plantas vivas constituyen un importante sumidero de dióxido de carbono atmosférico, mientras que actúan como fuentes de dióxido de carbono cuando se queman por incendios o se descomponen. Estas y otras retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre son fundamentales tanto para comprender los cambios climáticos del pasado como para predecir los futuros.

Las actividades humanas
El reconocimiento del cambio climático mundial como una cuestión ambiental ha llamado la atención sobre el impacto climático de las actividades humanas. La mayor parte de esta atención se ha centrado en la emisión de dióxido de carbono mediante la combustión de combustibles fósiles y la deforestación. Las actividades humanas también producen emisiones de otros gases de efecto invernadero, como el metano (procedente del cultivo de arroz, el ganado, los vertederos y otras fuentes) y los clorofluorocarbonos (procedentes de fuentes industriales). Hay pocas dudas entre los climatólogos de que estos gases de efecto invernadero afectan al presupuesto de radiación de la Tierra; la naturaleza y la magnitud de la respuesta climática son objeto de una intensa actividad de investigación. Los registros paleoclimáticos de los anillos de los árboles, los corales y los núcleos de hielo indican una clara tendencia al calentamiento que abarca todo el siglo XX y la primera década del siglo XXI. De hecho, el siglo XX fue el más cálido de los últimos 10 siglos, y la década 2001-10 fue la década más cálida desde el comienzo de los registros instrumentales modernos. Muchos climatólogos han señalado este patrón de calentamiento como una clara evidencia de los cambios climáticos inducidos por el hombre como resultado de la producción de gases de efecto invernadero.

Un segundo tipo de impacto humano, la conversión de la vegetación por la deforestación, la forestación y la agricultura, está recibiendo una creciente atención como una fuente adicional de cambio climático. Cada vez es más evidente que los impactos humanos sobre la cubierta vegetal pueden tener efectos locales, regionales e incluso mundiales sobre el clima, debido a los cambios en el flujo de calor sensible y latente hacia la atmósfera y la distribución de la energía dentro del sistema climático. La medida en que estos factores contribuyen al cambio climático reciente y en curso es una importante área de estudio emergente.

El cambio climático en el transcurso de la vida humana
Independientemente de su ubicación en el planeta, todos los seres humanos experimentan la variabilidad y el cambio climático durante sus vidas. Los fenómenos más familiares y predecibles son los ciclos estacionales, a los que las personas ajustan su ropa, las actividades al aire libre, los termostatos y las prácticas agrícolas. Sin embargo, no hay dos veranos o inviernos exactamente iguales en el mismo lugar; algunos son más cálidos, húmedos o tormentosos que otros. Esta variación interanual del clima es en parte responsable de las variaciones de un año a otro en los precios del combustible, el rendimiento de los cultivos, los presupuestos de mantenimiento de las carreteras y los riesgos de incendios forestales. Las inundaciones provocadas por las precipitaciones en un solo año pueden causar graves daños económicos, como los de la cuenca de drenaje del río Misisipí superior durante el verano de 1993, y pérdidas de vidas, como las que devastaron gran parte de Bangladesh en el verano de 1998. También pueden producirse daños y pérdidas de vidas similares como resultado de incendios forestales, tormentas graves, huracanes, olas de calor y otros acontecimientos relacionados con el clima.

La variación y el cambio climático también pueden ocurrir en períodos más largos, como décadas. Algunos lugares experimentan múltiples años de sequía, inundaciones u otras condiciones duras. Esas variaciones decenales del clima plantean problemas para las actividades humanas y la planificación. Por ejemplo, las sequías plurianuales pueden perturbar el suministro de agua, inducir a la pérdida de cosechas y causar trastornos económicos y sociales, como en el caso de las sequías de Dust Bowl en el medio continente de América del Norte durante el decenio de 1930. Las sequías plurianuales pueden incluso causar una hambruna generalizada, como en la sequía del Sahel que se produjo en el norte de África durante los años setenta y ochenta.

Variación estacional
Todos los lugares de la Tierra experimentan una variación estacional del clima (aunque el cambio puede ser leve en algunas regiones tropicales). Esta variación cíclica es impulsada por los cambios estacionales en el suministro de radiación solar a la atmósfera y la superficie de la Tierra. La órbita de la Tierra alrededor del Sol es elíptica; está más cerca del Sol ( 147 millones de km [unos 91 millones de millas]) cerca del solsticio de invierno y más lejos del Sol (152 millones de km [unos 94 millones de millas]) cerca del solsticio de verano en el Hemisferio Norte. Además, el eje de rotación de la Tierra se produce en un ángulo oblicuo (23,5°) con respecto a su órbita. Por lo tanto, cada hemisferio está inclinado lejos del Sol durante su período de invierno y hacia el Sol en su período de verano. Cuando un hemisferio está inclinado lejos del Sol, recibe menos radiación solar que el hemisferio opuesto, que en ese momento está apuntado hacia el Sol. Así, a pesar de la mayor proximidad del Sol en el solsticio de invierno, el hemisferio norte recibe menos radiación solar durante el invierno que durante el verano. También como consecuencia de la inclinación, cuando el Hemisferio Norte experimenta el invierno, el Hemisferio Sur experimenta el verano.

El sistema climático de la Tierra está impulsado por la radiación solar; las diferencias estacionales en el clima resultan en última instancia de los cambios estacionales en la órbita de la Tierra. La circulación del aire en la atmósfera y del agua en los océanos responde a las variaciones estacionales de la energía disponible del Sol. Los cambios estacionales específicos del clima que se producen en cualquier lugar determinado de la superficie de la Tierra resultan en gran medida de la transferencia de energía de la circulación atmosférica y oceánica. Las diferencias en el calentamiento de la superficie que tienen lugar entre el verano y el invierno hacen que las vías de las tormentas y los centros de presión cambien de posición y fuerza. Estas diferencias de calentamiento también provocan cambios estacionales en la nubosidad, las precipitaciones y el viento.

Las respuestas estacionales de la biosfera (especialmente la vegetación) y la criosfera (glaciares, hielo marino, campos de nieve) también contribuyen a la circulación atmosférica y al clima. La caída de hojas de los árboles de hoja caduca al entrar en el letargo invernal aumenta el albedo (reflectividad) de la superficie de la Tierra y puede conducir a un mayor enfriamiento local y regional. De manera similar, la acumulación de nieve también aumenta el albedo de las superficies terrestres y a menudo amplifica los efectos del invierno.

Variación interanual
Las variaciones climáticas interanuales, incluidas las sequías, las inundaciones y otros acontecimientos, son causadas por una compleja serie de factores e interacciones del sistema terrestre. Una característica importante que desempeña un papel en estas variaciones es el cambio periódico de las pautas de circulación atmosférica y oceánica en la región del Pacífico tropical, conocido colectivamente como variación de El Niño-Oscilación Austral (ENSO). Aunque sus principales efectos climáticos se concentran en el Pacífico tropical, la ENOS tiene efectos en cascada que a menudo se extienden a la región del Océano Atlántico, al interior de Europa y Asia, y a las regiones polares. Estos efectos, denominados teleconexiones, se producen porque las alteraciones en las pautas de circulación atmosférica de baja latitud en la región del Pacífico influyen en la circulación atmosférica de los sistemas adyacentes y descendentes. Como resultado, las trayectorias de las tormentas se desvían y las crestas de presión atmosférica (zonas de alta presión) y las canalizaciones (zonas de baja presión) se desplazan de sus patrones habituales.

Como ejemplo, los eventos de El Niño ocurren cuando los vientos alisios del este en el Pacífico tropical se debilitan o invierten su dirección. Esto cierra el afloramiento de las aguas profundas y frías de la costa occidental de América del Sur, calienta el Pacífico oriental e invierte el gradiente de presión atmosférica en el Pacífico occidental. Como resultado, el aire de la superficie se desplaza hacia el este desde Australia e Indonesia hacia el Pacífico central y las Américas. Estos cambios producen grandes precipitaciones e inundaciones repentinas a lo largo de la costa normalmente árida del Perú y una grave sequía en las regiones normalmente húmedas del norte de Australia e Indonesia. Los fenómenos de El Niño particularmente graves provocan el fracaso de los monzones en la región del Océano Índico, lo que da lugar a una intensa sequía en la India y en África oriental. Al mismo tiempo, las trayectorias del oeste y de las tormentas se desplazan hacia el Ecuador, lo que proporciona a California y al desierto del sudoeste de los Estados Unidos un clima invernal húmedo y tormentoso y hace que las condiciones invernales en el noroeste del Pacífico, que suelen ser húmedas, se vuelvan más cálidas y secas. El desplazamiento de los vientos del oeste también provoca sequías en el norte de China y desde el noreste de Brasil a través de secciones de Venezuela. Los registros a largo plazo de la variación del ENOS a partir de documentos históricos, anillos de árboles y corales de arrecifes indican que los eventos de El Niño ocurren, en promedio, cada dos a siete años. Sin embargo, la frecuencia e intensidad de estos eventos varían a lo largo del tiempo.

La Oscilación del Atlántico Norte (OAN) es otro ejemplo de una oscilación interanual que produce importantes efectos climáticos dentro del sistema terrestre y puede influir en el clima en todo el hemisferio norte. Este fenómeno es el resultado de la variación del gradiente de presión, o la diferencia de presión atmosférica entre el máximo subtropical, situado normalmente entre las Azores y Gibraltar, y el mínimo islandés, centrado entre Islandia y Groenlandia. Cuando el gradiente de presión es pronunciado debido a un fuerte máximo subtropical y un bajo islandés profundo (fase positiva), Europa septentrional y Asia septentrional experimentan inviernos cálidos y húmedos con frecuentes y fuertes tormentas invernales. Al mismo tiempo, el sur de Europa es seco. El este de los Estados Unidos también experimenta inviernos más cálidos y menos nevados durante las fases positivas de la NAO, aunque el efecto no es tan grande como en Europa. El gradiente de presión se atenúa cuando la NAO está en un modo negativo, es decir, cuando existe un gradiente de presión más débil a partir de la presencia de un débil máximo subtropical y un mínimo islandés. Cuando esto sucede, la región del Mediterráneo recibe abundantes precipitaciones invernales, mientras que el norte de Europa es frío y seco. El este de los Estados Unidos es típicamente más frío y con más nieve durante una fase negativa de la NAO.

Durante los años en que la Oscilación del Atlántico Norte (OAN) se encuentra en su fase positiva, el este de los Estados Unidos, el sudeste del Canadá y el noroeste de Europa experimentan temperaturas invernales más cálidas, mientras que en estos lugares se encuentran temperaturas más frías durante su fase negativa. Cuando tanto el Niño/Oscilación Austral (ENSO) como la NAO se encuentran en su fase positiva, los inviernos europeos tienden a ser más húmedos y menos severos; sin embargo, más allá de esta tendencia general, la influencia del ENSO sobre la NAO no se comprende bien.

Los ciclos del ENSO y la NAO son impulsados por las retroalimentaciones e interacciones entre los océanos y la atmósfera. La variación climática interanual es impulsada por estos y otros ciclos, interacciones entre ciclos y perturbaciones en el sistema terrestre, como las que resultan de grandes inyecciones de aerosoles de las erupciones volcánicas. Un ejemplo de perturbación debida al vulcanismo es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que provocó una disminución de la temperatura mundial media de aproximadamente 0,5 °C (0,9 °F) el verano siguiente.

Variación decenal
El clima varía en escalas de tiempo decenales, con grupos de varios años de condiciones húmedas, secas, frescas o cálidas. Estos grupos plurianuales pueden tener efectos dramáticos en las actividades y el bienestar humanos. Por ejemplo, una grave sequía de tres años a finales del siglo XVI probablemente contribuyó a la destrucción de la "Colonia Perdida" de Sir Walter Raleigh en la isla de Roanoke, en lo que hoy es Carolina del Norte, y una posterior sequía de siete años (1606-12) provocó una elevada mortalidad en la colonia de Jamestown, en Virginia. Además, algunos estudiosos han implicado a las sequías persistentes y graves como la principal razón del colapso de la civilización maya en Mesoamérica entre 750 y 950 d.C.; sin embargo, los descubrimientos de principios del siglo XXI sugieren que las perturbaciones del comercio relacionadas con la guerra desempeñaron un papel, posiblemente interactuando con las hambrunas y otras tensiones relacionadas con la sequía.

Aunque la variación climática a escala decenal está bien documentada, las causas no están del todo claras. Gran parte de la variación decenal del clima está relacionada con las variaciones interanuales. Por ejemplo, la frecuencia y la magnitud del ENOS cambian a lo largo del tiempo. Los primeros años de la década de 1990 se caracterizaron por repetidos eventos de El Niño, y se han identificado varias agrupaciones de este tipo que tuvieron lugar durante el siglo XX. La pendiente del gradiente del NAO también cambia en escalas temporales decenales; ha sido particularmente pronunciada desde el decenio de 1970.

Investigaciones recientes han revelado que las variaciones del clima a escala decenal son el resultado de las interacciones entre el océano y la atmósfera. Una de esas variaciones es la Oscilación Decadal del Pacífico (PDO), también conocida como Variabilidad Decadal del Pacífico (PDV), que implica cambios en las temperaturas de la superficie del mar (SST) en el Océano Pacífico Norte. Las TSM influyen en la fuerza y la posición de la Baja Aleutiana, que a su vez afecta fuertemente los patrones de precipitación a lo largo de la costa del Pacífico de Norteamérica. La variación de las TSM consiste en una alternancia entre los períodos de "fase fría", en los que la costa de Alaska es relativamente seca y el noroeste del Pacífico relativamente húmedo (por ejemplo, 1947-76), y los períodos de "fase cálida", caracterizados por una precipitación relativamente alta en la costa de Alaska y una precipitación baja en el noroeste del Pacífico (por ejemplo, 1925-46, 1977-98). Los registros de anillos de árboles y corales, que abarcan al menos los últimos cuatro siglos, documentan la variación del DOP.

Una oscilación similar, la Oscilación Multidecadal del Atlántico (OMA), se produce en el Atlántico Norte e influye fuertemente en los patrones de precipitación de América del Norte oriental y central. Una AMO de fase cálida (TSM del Atlántico Norte relativamente cálida) se asocia con precipitaciones relativamente altas en Florida y bajas en gran parte del Valle de Ohio. Sin embargo, el AMO interactúa con el PDO, y ambos interactúan con variaciones interanuales, como el ENSO y la NAO, en formas complejas . Tales interacciones pueden llevar a la amplificación de sequías, inundaciones u otras anomalías climáticas. Por ejemplo, las graves sequías que se produjeron en gran parte de los Estados Unidos conterminosos en los primeros años del siglo XXI se asociaron con la OMA de fase cálida combinada con la DOP de fase fría. Los mecanismos que subyacen a las variaciones decenales, como el PDO y la AMO, no se conocen bien, pero probablemente estén relacionados con las interacciones océano-atmósfera con constantes temporales más grandes que las variaciones interanuales. Las variaciones climáticas decenales son objeto de un intenso estudio por parte de los climatólogos y los paleoclimatólogos.

Causas del cambio climático
Es mucho más fácil documentar las pruebas de la variabilidad del clima y el cambio climático pasado que determinar sus mecanismos subyacentes. El clima está influenciado por una multitud de factores que operan en escalas de tiempo que van desde horas hasta cientos de millones de años. Muchas de las causas del cambio climático son externas al sistema de la Tierra. Otras son parte del sistema de la Tierra pero externas a la atmósfera. Otras implican interacciones entre la atmósfera y otros componentes del sistema terrestre y se describen colectivamente como retroalimentaciones dentro del sistema terrestre. Las retroalimentaciones se encuentran entre los factores causales más recientemente descubiertos y difíciles de estudiar. No obstante, se reconoce cada vez más que esos factores desempeñan un papel fundamental en la variación del clima. En esta sección se describen los mecanismos más importantes.

Variabilidad solar
La luminosidad, o brillo, del Sol ha ido aumentando constantemente desde su formación. Este fenómeno es importante para el clima de la Tierra, porque el Sol proporciona la energía para impulsar la circulación atmosférica y constituye el aporte para el presupuesto de calor de la Tierra. La baja luminosidad solar durante el tiempo del Precámbrico subyace a la tenue paradoja del joven Sol, descrita en la sección Climas de la Tierra temprana.

La energía radiante procedente del Sol es variable en escalas de tiempo muy pequeñas, debido a las tormentas solares y otras perturbaciones, pero las variaciones en la actividad solar, en particular la frecuencia de las manchas solares, también están documentadas en escalas de tiempo que van de decenios a milenios y probablemente se producen también en escalas de tiempo más largas. Se ha sugerido que el "mínimo de Maunder", un período de actividad de manchas solares drásticamente reducida entre 1645 y 1715 d.C., es un factor que contribuye a la Pequeña Edad de Hielo. (Ver abajo Variación y cambio climático desde la aparición de la civilización).

La actividad volcánica
La actividad volcánica puede influir en el clima de varias maneras y en diferentes escalas de tiempo. Las erupciones volcánicas individuales pueden liberar grandes cantidades de dióxido de azufre y otros aerosoles en la estratosfera, reduciendo la transparencia atmosférica y, por tanto, la cantidad de radiación solar que llega a la superficie y la troposfera de la Tierra. Un ejemplo reciente es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que tuvo influencias mensurables en la circulación atmosférica y los balances de calor. La erupción de 1815 del Monte Tambora en la isla de Sumbawa tuvo consecuencias más dramáticas, ya que la primavera y el verano del año siguiente (1816, conocido como "el año sin verano") fueron inusualmente fríos en gran parte del mundo. Nueva Inglaterra y Europa experimentaron nevadas y heladas durante todo el verano de 1816.

Los volcanes y los fenómenos conexos, como el desgarramiento y la subducción de los océanos, liberan dióxido de carbono tanto en los océanos como en la atmósfera. Las emisiones son bajas; incluso una masiva erupción volcánica como la del Monte Pinatubo libera sólo una fracción del dióxido de carbono emitido por la combustión de combustibles fósiles en un año. Sin embargo, a escala geológica, la liberación de este gas de efecto invernadero puede tener efectos importantes. Las variaciones en la liberación de dióxido de carbono por los volcanes y las grietas oceánicas a lo largo de millones de años pueden alterar la química de la atmósfera. Esta variabilidad en las concentraciones de dióxido de carbono probablemente explica gran parte de la variación climática que ha tenido lugar durante el Eón Fanerozoico.

Actividad tectónica
Los movimientos tectónicos de la corteza terrestre han tenido profundos efectos en el clima en escalas de tiempo de millones a decenas de millones de años. Estos movimientos han cambiado la forma, el tamaño, la posición y la elevación de las masas continentales, así como la batimetría de los océanos. A su vez, los cambios topográficos y batimétricos han tenido fuertes efectos en la circulación tanto de la atmósfera como de los océanos. Por ejemplo, el levantamiento de la meseta tibetana durante la era cenozoica afectó las pautas de circulación atmosférica, creando el monzón de Asia meridional e influyendo en el clima de gran parte del resto de Asia y las regiones vecinas.

La actividad tectónica también influye en la química atmosférica, en particular en las concentraciones de dióxido de carbono. El dióxido de carbono se emite desde los volcanes y las fumarolas de las zonas de fisura y de subducción. Las variaciones en la tasa de propagación en las zonas de fisuras y el grado de actividad volcánica cerca de los márgenes de las placas han influido en las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono a lo largo de la historia de la Tierra. Incluso la meteorización química de la roca constituye un importante sumidero de dióxido de carbono. (Un sumidero de carbono es cualquier proceso que elimina el dióxido de carbono de la atmósfera mediante la conversión química del CO2 en compuestos de carbono orgánicos o inorgánicos). El ácido carbónico, formado a partir de dióxido de carbono y agua, es un reactivo en la disolución de silicatos y otros minerales. Las tasas de meteorización están relacionadas con la masa, la elevación y la exposición del lecho rocoso. La elevación tectónica puede aumentar todos estos factores y, por lo tanto, conducir a un aumento de la meteorización y la absorción de dióxido de carbono. Por ejemplo, la meteorización química de la meseta tibetana en ascenso puede haber desempeñado un papel importante en el agotamiento del dióxido de carbono en la atmósfera durante un período de enfriamiento global a finales del Cenozoico.

Variaciones orbitales
La geometría orbital de la Tierra se ve afectada de manera predecible por las influencias gravitatorias de otros planetas del sistema solar. Tres características primarias de la órbita de la Tierra se ven afectadas, cada una de ellas de manera cíclica o recurrente. Primero, la forma de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, varía de casi circular a elíptica (excéntrica), con periodicidades de 100.000 y 413.000 años. En segundo lugar, la inclinación del eje de la Tierra con respecto al Sol, que es el principal responsable de los climas estacionales de la Tierra, varía entre 22,1° y 24,5° con respecto al plano de rotación de la Tierra alrededor del Sol. Esta variación se produce en un ciclo de 41.000 años. En general, cuanto mayor es la inclinación, mayor es la radiación solar recibida por los hemisferios en verano y menor la recibida en invierno. El tercer cambio cíclico en la geometría orbital de la Tierra resulta de dos fenómenos combinados: 1) El eje de rotación de la Tierra se tambalea, cambiando la dirección del eje con respecto al Sol, y 2) la orientación de la elipse orbital de la Tierra gira lentamente. Estos dos procesos crean un ciclo de 26.000 años, llamado precesión de los equinoccios, en el que la posición de la Tierra en los equinoccios y solsticios cambia. Hoy en día la Tierra está más cerca del Sol (perihelio) cerca del solsticio de diciembre, mientras que hace 9.000 años el perihelio se produjo cerca del solsticio de junio.

Estas variaciones orbitales causan cambios en la distribución latitudinal y estacional de la radiación solar, que a su vez impulsan una serie de variaciones climáticas. Las variaciones orbitales juegan un papel importante en el ritmo de los patrones glaciales-interglaciales y monzónicos. Sus influencias se han identificado en los cambios climáticos de gran parte del Fanerozoico. Por ejemplo, los ciclomotores -que son lechos marinos, fluviales y de carbón intercalados característicos del subperíodo de Pensilvania (hace 318,1 millones a 299 millones de años)- parecen representar los cambios impulsados por Milankovitch en el nivel medio del mar.

Los gases de efecto invernadero son moléculas de gas que tienen la propiedad de absorber la radiación infrarroja (energía térmica neta) emitida desde la superficie de la Tierra y volverla a radiar hacia la superficie terrestre, contribuyendo así al fenómeno conocido como efecto invernadero. El dióxido de carbono, el metano y el vapor de agua son los gases de efecto invernadero más importantes, y tienen un profundo efecto en el presupuesto energético del sistema terrestre a pesar de que constituyen sólo una fracción de todos los gases atmosféricos. Las concentraciones de gases de efecto invernadero han variado sustancialmente durante la historia de la Tierra, y estas variaciones han impulsado cambios climáticos sustanciales en una amplia gama de escalas de tiempo. En general, las concentraciones de gases de efecto invernadero han sido particularmente altas durante los períodos cálidos y bajas durante las fases frías. Varios procesos influyen en las concentraciones de gases de efecto invernadero. Algunos, como las actividades tectónicas, operan en escalas de tiempo de millones de años, mientras que otros, como la vegetación, el suelo, los humedales y las fuentes y sumideros oceánicos, operan en escalas de tiempo de cientos a miles de años. Las actividades humanas -especialmente la combustión de combustibles fósiles desde la Revolución Industrial- son responsables del aumento constante de las concentraciones atmosféricas de diversos gases de efecto invernadero, especialmente el dióxido de carbono, el metano, el ozono y los clorofluorocarbonos (CFC).

Tal vez el tema más intensamente discutido e investigado sobre la variabilidad del clima sea el papel de las interacciones y retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre. Las retroalimentaciones implican diferentes componentes que operan a diferentes velocidades y escalas de tiempo. Las capas de hielo, el hielo marino, la vegetación terrestre, las temperaturas oceánicas, las tasas de meteorización, la circulación oceánica y las concentraciones de gases de efecto invernadero están todas influidas directa o indirectamente por la atmósfera; sin embargo, todas ellas también retroalimentan a la atmósfera, influyéndola así de manera importante. Por ejemplo, las diferentes formas y densidades de vegetación en la superficie terrestre influyen en el albedo, o reflectividad, de la superficie de la Tierra, afectando así al balance global de radiación a escalas locales y regionales. Al mismo tiempo, la transferencia de moléculas de agua del suelo a la atmósfera está mediada por la vegetación, tanto directamente (por la transpiración a través de los estomas de las plantas) como indirectamente (por las influencias de la sombra y la temperatura en la evaporación directa del suelo). Esta regulación del flujo de calor latente por parte de la vegetación puede influir en el clima a escalas locales y globales. Como resultado, los cambios en la vegetación, que están parcialmente controlados por el clima, pueden a su vez influir en el sistema climático. La vegetación también influye en las concentraciones de gases de efecto invernadero; las plantas vivas constituyen un importante sumidero de dióxido de carbono atmosférico, mientras que actúan como fuentes de dióxido de carbono cuando se queman por incendios o se descomponen. Estas y otras retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre son fundamentales tanto para comprender los cambios climáticos del pasado como para predecir los futuros.

Las actividades humanas
El reconocimiento del cambio climático mundial como una cuestión ambiental ha llamado la atención sobre el impacto climático de las actividades humanas. La mayor parte de esta atención se ha centrado en la emisión de dióxido de carbono mediante la combustión de combustibles fósiles y la deforestación. Las actividades humanas también producen emisiones de otros gases de efecto invernadero, como el metano (procedente del cultivo de arroz, el ganado, los vertederos y otras fuentes) y los clorofluorocarbonos (procedentes de fuentes industriales). Hay pocas dudas entre los climatólogos de que estos gases de efecto invernadero afectan al presupuesto de radiación de la Tierra; la naturaleza y la magnitud de la respuesta climática son objeto de una intensa actividad de investigación. Los registros paleoclimáticos de los anillos de los árboles, los corales y los núcleos de hielo indican una clara tendencia al calentamiento que abarca todo el siglo XX y la primera década del siglo XXI. De hecho, el siglo XX fue el más cálido de los últimos 10 siglos, y la década 2001-10 fue la década más cálida desde el comienzo de los registros instrumentales modernos. Muchos climatólogos han señalado este patrón de calentamiento como una clara evidencia de los cambios climáticos inducidos por el hombre como resultado de la producción de gases de efecto invernadero.

Un segundo tipo de impacto humano, la conversión de la vegetación por la deforestación, la forestación y la agricultura, está recibiendo una creciente atención como una fuente adicional de cambio climático. Cada vez es más evidente que los impactos humanos sobre la cubierta vegetal pueden tener efectos locales, regionales e incluso mundiales sobre el clima, debido a los cambios en el flujo de calor sensible y latente hacia la atmósfera y la distribución de la energía dentro del sistema climático. La medida en que estos factores contribuyen al cambio climático reciente y en curso es una importante área de estudio emergente.

El cambio climático en el transcurso de la vida humana
Independientemente de su ubicación en el planeta, todos los seres humanos experimentan la variabilidad y el cambio climático durante sus vidas. Los fenómenos más familiares y predecibles son los ciclos estacionales, a los que las personas ajustan su ropa, las actividades al aire libre, los termostatos y las prácticas agrícolas. Sin embargo, no hay dos veranos o inviernos exactamente iguales en el mismo lugar; algunos son más cálidos, húmedos o tormentosos que otros. Esta variación interanual del clima es en parte responsable de las variaciones de un año a otro en los precios del combustible, el rendimiento de los cultivos, los presupuestos de mantenimiento de las carreteras y los riesgos de incendios forestales. Las inundaciones provocadas por las precipitaciones en un solo año pueden causar graves daños económicos, como los de la cuenca de drenaje del río Misisipí superior durante el verano de 1993, y pérdidas de vidas, como las que devastaron gran parte de Bangladesh en el verano de 1998. También pueden producirse daños y pérdidas de vidas similares como resultado de incendios forestales, tormentas graves, huracanes, olas de calor y otros acontecimientos relacionados con el clima.

La variación y el cambio climático también pueden ocurrir en períodos más largos, como décadas. Algunos lugares experimentan múltiples años de sequía, inundaciones u otras condiciones duras. Esas variaciones decenales del clima plantean problemas para las actividades humanas y la planificación. Por ejemplo, las sequías plurianuales pueden perturbar el suministro de agua, inducir a la pérdida de cosechas y causar trastornos económicos y sociales, como en el caso de las sequías de Dust Bowl en el medio continente de América del Norte durante el decenio de 1930. Las sequías plurianuales pueden incluso causar una hambruna generalizada, como en la sequía del Sahel que se produjo en el norte de África durante los años setenta y ochenta.

Variación estacional
Todos los lugares de la Tierra experimentan una variación estacional del clima (aunque el cambio puede ser leve en algunas regiones tropicales). Esta variación cíclica es impulsada por los cambios estacionales en el suministro de radiación solar a la atmósfera y la superficie de la Tierra. La órbita de la Tierra alrededor del Sol es elíptica; está más cerca del Sol ( 147 millones de km [unos 91 millones de millas]) cerca del solsticio de invierno y más lejos del Sol (152 millones de km [unos 94 millones de millas]) cerca del solsticio de verano en el Hemisferio Norte. Además, el eje de rotación de la Tierra se produce en un ángulo oblicuo (23,5°) con respecto a su órbita. Por lo tanto, cada hemisferio está inclinado lejos del Sol durante su período de invierno y hacia el Sol en su período de verano. Cuando un hemisferio está inclinado lejos del Sol, recibe menos radiación solar que el hemisferio opuesto, que en ese momento está apuntado hacia el Sol. Así, a pesar de la mayor proximidad del Sol en el solsticio de invierno, el hemisferio norte recibe menos radiación solar durante el invierno que durante el verano. También como consecuencia de la inclinación, cuando el Hemisferio Norte experimenta el invierno, el Hemisferio Sur experimenta el verano.

El sistema climático de la Tierra está impulsado por la radiación solar; las diferencias estacionales en el clima resultan en última instancia de los cambios estacionales en la órbita de la Tierra. La circulación del aire en la atmósfera y del agua en los océanos responde a las variaciones estacionales de la energía disponible del Sol. Los cambios estacionales específicos del clima que se producen en cualquier lugar determinado de la superficie de la Tierra resultan en gran medida de la transferencia de energía de la circulación atmosférica y oceánica. Las diferencias en el calentamiento de la superficie que tienen lugar entre el verano y el invierno hacen que las vías de las tormentas y los centros de presión cambien de posición y fuerza. Estas diferencias de calentamiento también provocan cambios estacionales en la nubosidad, las precipitaciones y el viento.

Las respuestas estacionales de la biosfera (especialmente la vegetación) y la criosfera (glaciares, hielo marino, campos de nieve) también contribuyen a la circulación atmosférica y al clima. La caída de hojas de los árboles de hoja caduca al entrar en el letargo invernal aumenta el albedo (reflectividad) de la superficie de la Tierra y puede conducir a un mayor enfriamiento local y regional. De manera similar, la acumulación de nieve también aumenta el albedo de las superficies terrestres y a menudo amplifica los efectos del invierno.

Variación interanual
Las variaciones climáticas interanuales, incluidas las sequías, las inundaciones y otros acontecimientos, son causadas por una compleja serie de factores e interacciones del sistema terrestre. Una característica importante que desempeña un papel en estas variaciones es el cambio periódico de las pautas de circulación atmosférica y oceánica en la región del Pacífico tropical, conocido colectivamente como variación de El Niño-Oscilación Austral (ENSO). Aunque sus principales efectos climáticos se concentran en el Pacífico tropical, la ENOS tiene efectos en cascada que a menudo se extienden a la región del Océano Atlántico, al interior de Europa y Asia, y a las regiones polares. Estos efectos, denominados teleconexiones, se producen porque las alteraciones en las pautas de circulación atmosférica de baja latitud en la región del Pacífico influyen en la circulación atmosférica de los sistemas adyacentes y descendentes. Como resultado, las trayectorias de las tormentas se desvían y las crestas de presión atmosférica (zonas de alta presión) y las canalizaciones (zonas de baja presión) se desplazan de sus patrones habituales.

Como ejemplo, los eventos de El Niño ocurren cuando los vientos alisios del este en el Pacífico tropical se debilitan o invierten su dirección. Esto cierra el afloramiento de las aguas profundas y frías de la costa occidental de América del Sur, calienta el Pacífico oriental e invierte el gradiente de presión atmosférica en el Pacífico occidental. Como resultado, el aire de la superficie se desplaza hacia el este desde Australia e Indonesia hacia el Pacífico central y las Américas. Estos cambios producen grandes precipitaciones e inundaciones repentinas a lo largo de la costa normalmente árida del Perú y una grave sequía en las regiones normalmente húmedas del norte de Australia e Indonesia. Los fenómenos de El Niño particularmente graves provocan el fracaso de los monzones en la región del Océano Índico, lo que da lugar a una intensa sequía en la India y en África oriental. Al mismo tiempo, las trayectorias del oeste y de las tormentas se desplazan hacia el Ecuador, lo que proporciona a California y al desierto del sudoeste de los Estados Unidos un clima invernal húmedo y tormentoso y hace que las condiciones invernales en el noroeste del Pacífico, que suelen ser húmedas, se vuelvan más cálidas y secas. El desplazamiento de los vientos del oeste también provoca sequías en el norte de China y desde el noreste de Brasil a través de secciones de Venezuela. Los registros a largo plazo de la variación del ENOS a partir de documentos históricos, anillos de árboles y corales de arrecifes indican que los eventos de El Niño ocurren, en promedio, cada dos a siete años. Sin embargo, la frecuencia e intensidad de estos eventos varían a lo largo del tiempo.

La Oscilación del Atlántico Norte (OAN) es otro ejemplo de una oscilación interanual que produce importantes efectos climáticos dentro del sistema terrestre y puede influir en el clima en todo el hemisferio norte. Este fenómeno es el resultado de la variación del gradiente de presión, o la diferencia de presión atmosférica entre el máximo subtropical, situado normalmente entre las Azores y Gibraltar, y el mínimo islandés, centrado entre Islandia y Groenlandia. Cuando el gradiente de presión es pronunciado debido a un fuerte máximo subtropical y un bajo islandés profundo (fase positiva), Europa septentrional y Asia septentrional experimentan inviernos cálidos y húmedos con frecuentes y fuertes tormentas invernales. Al mismo tiempo, el sur de Europa es seco. El este de los Estados Unidos también experimenta inviernos más cálidos y menos nevados durante las fases positivas de la NAO, aunque el efecto no es tan grande como en Europa. El gradiente de presión se atenúa cuando la NAO está en un modo negativo, es decir, cuando existe un gradiente de presión más débil a partir de la presencia de un débil máximo subtropical y un mínimo islandés. Cuando esto sucede, la región del Mediterráneo recibe abundantes precipitaciones invernales, mientras que el norte de Europa es frío y seco. El este de los Estados Unidos es típicamente más frío y con más nieve durante una fase negativa de la NAO.

Durante los años en que la Oscilación del Atlántico Norte (OAN) se encuentra en su fase positiva, el este de los Estados Unidos, el sudeste del Canadá y el noroeste de Europa experimentan temperaturas invernales más cálidas, mientras que en estos lugares se encuentran temperaturas más frías durante su fase negativa. Cuando tanto el Niño/Oscilación Austral (ENSO) como la NAO se encuentran en su fase positiva, los inviernos europeos tienden a ser más húmedos y menos severos; sin embargo, más allá de esta tendencia general, la influencia del ENSO sobre la NAO no se comprende bien.

Los ciclos del ENSO y la NAO son impulsados por las retroalimentaciones e interacciones entre los océanos y la atmósfera. La variación climática interanual es impulsada por estos y otros ciclos, interacciones entre ciclos y perturbaciones en el sistema terrestre, como las que resultan de grandes inyecciones de aerosoles de las erupciones volcánicas. Un ejemplo de perturbación debida al vulcanismo es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que provocó una disminución de la temperatura mundial media de aproximadamente 0,5 °C (0,9 °F) el verano siguiente.

Variación decenal
El clima varía en escalas de tiempo decenales, con grupos de varios años de condiciones húmedas, secas, frescas o cálidas. Estos grupos plurianuales pueden tener efectos dramáticos en las actividades y el bienestar humanos. Por ejemplo, una grave sequía de tres años a finales del siglo XVI probablemente contribuyó a la destrucción de la "Colonia Perdida" de Sir Walter Raleigh en la isla de Roanoke, en lo que hoy es Carolina del Norte, y una posterior sequía de siete años (1606-12) provocó una elevada mortalidad en la colonia de Jamestown, en Virginia. Además, algunos estudiosos han implicado a las sequías persistentes y graves como la principal razón del colapso de la civilización maya en Mesoamérica entre 750 y 950 d.C.; sin embargo, los descubrimientos de principios del siglo XXI sugieren que las perturbaciones del comercio relacionadas con la guerra desempeñaron un papel, posiblemente interactuando con las hambrunas y otras tensiones relacionadas con la sequía.

Aunque la variación climática a escala decenal está bien documentada, las causas no están del todo claras. Gran parte de la variación decenal del clima está relacionada con las variaciones interanuales. Por ejemplo, la frecuencia y la magnitud del ENOS cambian a lo largo del tiempo. Los primeros años de la década de 1990 se caracterizaron por repetidos eventos de El Niño, y se han identificado varias agrupaciones de este tipo que tuvieron lugar durante el siglo XX. La pendiente del gradiente del NAO también cambia en escalas temporales decenales; ha sido particularmente pronunciada desde el decenio de 1970.

Investigaciones recientes han revelado que las variaciones del clima a escala decenal son el resultado de las interacciones entre el océano y la atmósfera. Una de esas variaciones es la Oscilación Decadal del Pacífico (PDO), también conocida como Variabilidad Decadal del Pacífico (PDV), que implica cambios en las temperaturas de la superficie del mar (SST) en el Océano Pacífico Norte. Las TSM influyen en la fuerza y la posición de la Baja Aleutiana, que a su vez afecta fuertemente los patrones de precipitación a lo largo de la costa del Pacífico de Norteamérica. La variación de las TSM consiste en una alternancia entre los períodos de "fase fría", en los que la costa de Alaska es relativamente seca y el noroeste del Pacífico relativamente húmedo (por ejemplo, 1947-76), y los períodos de "fase cálida", caracterizados por una precipitación relativamente alta en la costa de Alaska y una precipitación baja en el noroeste del Pacífico (por ejemplo, 1925-46, 1977-98). Los registros de anillos de árboles y corales, que abarcan al menos los últimos cuatro siglos, documentan la variación del DOP.

Una oscilación similar, la Oscilación Multidecadal del Atlántico (OMA), se produce en el Atlántico Norte e influye fuertemente en los patrones de precipitación de América del Norte oriental y central. Una AMO de fase cálida (TSM del Atlántico Norte relativamente cálida) se asocia con precipitaciones relativamente altas en Florida y bajas en gran parte del Valle de Ohio. Sin embargo, el AMO interactúa con el PDO, y ambos interactúan con variaciones interanuales, como el ENSO y la NAO, en formas complejas . Tales interacciones pueden llevar a la amplificación de sequías, inundaciones u otras anomalías climáticas. Por ejemplo, las graves sequías que se produjeron en gran parte de los Estados Unidos conterminosos en los primeros años del siglo XXI se asociaron con la OMA de fase cálida combinada con la DOP de fase fría. Los mecanismos que subyacen a las variaciones decenales, como el PDO y la AMO, no se conocen bien, pero probablemente estén relacionados con las interacciones océano-atmósfera con constantes temporales más grandes que las variaciones interanuales. Las variaciones climáticas decenales son objeto de un intenso estudio por parte de los climatólogos y los paleoclimatólogos.

Causas del cambio climático
Es mucho más fácil documentar las pruebas de la variabilidad del clima y el cambio climático pasado que determinar sus mecanismos subyacentes. El clima está influenciado por una multitud de factores que operan en escalas de tiempo que van desde horas hasta cientos de millones de años. Muchas de las causas del cambio climático son externas al sistema de la Tierra. Otras son parte del sistema de la Tierra pero externas a la atmósfera. Otras implican interacciones entre la atmósfera y otros componentes del sistema terrestre y se describen colectivamente como retroalimentaciones dentro del sistema terrestre. Las retroalimentaciones se encuentran entre los factores causales más recientemente descubiertos y difíciles de estudiar. No obstante, se reconoce cada vez más que esos factores desempeñan un papel fundamental en la variación del clima. En esta sección se describen los mecanismos más importantes.

Variabilidad solar
La luminosidad, o brillo, del Sol ha ido aumentando constantemente desde su formación. Este fenómeno es importante para el clima de la Tierra, porque el Sol proporciona la energía para impulsar la circulación atmosférica y constituye el aporte para el presupuesto de calor de la Tierra. La baja luminosidad solar durante el tiempo del Precámbrico subyace a la tenue paradoja del joven Sol, descrita en la sección Climas de la Tierra temprana.

La energía radiante procedente del Sol es variable en escalas de tiempo muy pequeñas, debido a las tormentas solares y otras perturbaciones, pero las variaciones en la actividad solar, en particular la frecuencia de las manchas solares, también están documentadas en escalas de tiempo que van de decenios a milenios y probablemente se producen también en escalas de tiempo más largas. Se ha sugerido que el "mínimo de Maunder", un período de actividad de manchas solares drásticamente reducida entre 1645 y 1715 d.C., es un factor que contribuye a la Pequeña Edad de Hielo. (Ver abajo Variación y cambio climático desde la aparición de la civilización).

La actividad volcánica
La actividad volcánica puede influir en el clima de varias maneras y en diferentes escalas de tiempo. Las erupciones volcánicas individuales pueden liberar grandes cantidades de dióxido de azufre y otros aerosoles en la estratosfera, reduciendo la transparencia atmosférica y, por tanto, la cantidad de radiación solar que llega a la superficie y la troposfera de la Tierra. Un ejemplo reciente es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que tuvo influencias mensurables en la circulación atmosférica y los balances de calor. La erupción de 1815 del Monte Tambora en la isla de Sumbawa tuvo consecuencias más dramáticas, ya que la primavera y el verano del año siguiente (1816, conocido como "el año sin verano") fueron inusualmente fríos en gran parte del mundo. Nueva Inglaterra y Europa experimentaron nevadas y heladas durante todo el verano de 1816.

Los volcanes y los fenómenos conexos, como el desgarramiento y la subducción de los océanos, liberan dióxido de carbono tanto en los océanos como en la atmósfera. Las emisiones son bajas; incluso una masiva erupción volcánica como la del Monte Pinatubo libera sólo una fracción del dióxido de carbono emitido por la combustión de combustibles fósiles en un año. Sin embargo, a escala geológica, la liberación de este gas de efecto invernadero puede tener efectos importantes. Las variaciones en la liberación de dióxido de carbono por los volcanes y las grietas oceánicas a lo largo de millones de años pueden alterar la química de la atmósfera. Esta variabilidad en las concentraciones de dióxido de carbono probablemente explica gran parte de la variación climática que ha tenido lugar durante el Eón Fanerozoico.

Actividad tectónica
Los movimientos tectónicos de la corteza terrestre han tenido profundos efectos en el clima en escalas de tiempo de millones a decenas de millones de años. Estos movimientos han cambiado la forma, el tamaño, la posición y la elevación de las masas continentales, así como la batimetría de los océanos. A su vez, los cambios topográficos y batimétricos han tenido fuertes efectos en la circulación tanto de la atmósfera como de los océanos. Por ejemplo, el levantamiento de la meseta tibetana durante la era cenozoica afectó las pautas de circulación atmosférica, creando el monzón de Asia meridional e influyendo en el clima de gran parte del resto de Asia y las regiones vecinas.

La actividad tectónica también influye en la química atmosférica, en particular en las concentraciones de dióxido de carbono. El dióxido de carbono se emite desde los volcanes y las fumarolas de las zonas de fisura y de subducción. Las variaciones en la tasa de propagación en las zonas de fisuras y el grado de actividad volcánica cerca de los márgenes de las placas han influido en las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono a lo largo de la historia de la Tierra. Incluso la meteorización química de la roca constituye un importante sumidero de dióxido de carbono. (Un sumidero de carbono es cualquier proceso que elimina el dióxido de carbono de la atmósfera mediante la conversión química del CO2 en compuestos de carbono orgánicos o inorgánicos). El ácido carbónico, formado a partir de dióxido de carbono y agua, es un reactivo en la disolución de silicatos y otros minerales. Las tasas de meteorización están relacionadas con la masa, la elevación y la exposición del lecho rocoso. La elevación tectónica puede aumentar todos estos factores y, por lo tanto, conducir a un aumento de la meteorización y la absorción de dióxido de carbono. Por ejemplo, la meteorización química de la meseta tibetana en ascenso puede haber desempeñado un papel importante en el agotamiento del dióxido de carbono en la atmósfera durante un período de enfriamiento global a finales del Cenozoico.

Variaciones orbitales
La geometría orbital de la Tierra se ve afectada de manera predecible por las influencias gravitatorias de otros planetas del sistema solar. Tres características primarias de la órbita de la Tierra se ven afectadas, cada una de ellas de manera cíclica o recurrente. Primero, la forma de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, varía de casi circular a elíptica (excéntrica), con periodicidades de 100.000 y 413.000 años. En segundo lugar, la inclinación del eje de la Tierra con respecto al Sol, que es el principal responsable de los climas estacionales de la Tierra, varía entre 22,1° y 24,5° con respecto al plano de rotación de la Tierra alrededor del Sol. Esta variación se produce en un ciclo de 41.000 años. En general, cuanto mayor es la inclinación, mayor es la radiación solar recibida por los hemisferios en verano y menor la recibida en invierno. El tercer cambio cíclico en la geometría orbital de la Tierra resulta de dos fenómenos combinados: 1) El eje de rotación de la Tierra se tambalea, cambiando la dirección del eje con respecto al Sol, y 2) la orientación de la elipse orbital de la Tierra gira lentamente. Estos dos procesos crean un ciclo de 26.000 años, llamado precesión de los equinoccios, en el que la posición de la Tierra en los equinoccios y solsticios cambia. Hoy en día la Tierra está más cerca del Sol (perihelio) cerca del solsticio de diciembre, mientras que hace 9.000 años el perihelio se produjo cerca del solsticio de junio.

Estas variaciones orbitales causan cambios en la distribución latitudinal y estacional de la radiación solar, que a su vez impulsan una serie de variaciones climáticas. Las variaciones orbitales juegan un papel importante en el ritmo de los patrones glaciales-interglaciales y monzónicos. Sus influencias se han identificado en los cambios climáticos de gran parte del Fanerozoico. Por ejemplo, los ciclomotores -que son lechos marinos, fluviales y de carbón intercalados característicos del subperíodo de Pensilvania (hace 318,1 millones a 299 millones de años)- parecen representar los cambios impulsados por Milankovitch en el nivel medio del mar.

Los gases de efecto invernadero son moléculas de gas que tienen la propiedad de absorber la radiación infrarroja (energía térmica neta) emitida desde la superficie de la Tierra y volverla a radiar hacia la superficie terrestre, contribuyendo así al fenómeno conocido como efecto invernadero. El dióxido de carbono, el metano y el vapor de agua son los gases de efecto invernadero más importantes, y tienen un profundo efecto en el presupuesto energético del sistema terrestre a pesar de que constituyen sólo una fracción de todos los gases atmosféricos. Las concentraciones de gases de efecto invernadero han variado sustancialmente durante la historia de la Tierra, y estas variaciones han impulsado cambios climáticos sustanciales en una amplia gama de escalas de tiempo. En general, las concentraciones de gases de efecto invernadero han sido particularmente altas durante los períodos cálidos y bajas durante las fases frías. Varios procesos influyen en las concentraciones de gases de efecto invernadero. Algunos, como las actividades tectónicas, operan en escalas de tiempo de millones de años, mientras que otros, como la vegetación, el suelo, los humedales y las fuentes y sumideros oceánicos, operan en escalas de tiempo de cientos a miles de años. Las actividades humanas -especialmente la combustión de combustibles fósiles desde la Revolución Industrial- son responsables del aumento constante de las concentraciones atmosféricas de diversos gases de efecto invernadero, especialmente el dióxido de carbono, el metano, el ozono y los clorofluorocarbonos (CFC).

Tal vez el tema más intensamente discutido e investigado sobre la variabilidad del clima sea el papel de las interacciones y retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre. Las retroalimentaciones implican diferentes componentes que operan a diferentes velocidades y escalas de tiempo. Las capas de hielo, el hielo marino, la vegetación terrestre, las temperaturas oceánicas, las tasas de meteorización, la circulación oceánica y las concentraciones de gases de efecto invernadero están todas influidas directa o indirectamente por la atmósfera; sin embargo, todas ellas también retroalimentan a la atmósfera, influyéndola así de manera importante. Por ejemplo, las diferentes formas y densidades de vegetación en la superficie terrestre influyen en el albedo, o reflectividad, de la superficie de la Tierra, afectando así al balance global de radiación a escalas locales y regionales. Al mismo tiempo, la transferencia de moléculas de agua del suelo a la atmósfera está mediada por la vegetación, tanto directamente (por la transpiración a través de los estomas de las plantas) como indirectamente (por las influencias de la sombra y la temperatura en la evaporación directa del suelo). Esta regulación del flujo de calor latente por parte de la vegetación puede influir en el clima a escalas locales y globales. Como resultado, los cambios en la vegetación, que están parcialmente controlados por el clima, pueden a su vez influir en el sistema climático. La vegetación también influye en las concentraciones de gases de efecto invernadero; las plantas vivas constituyen un importante sumidero de dióxido de carbono atmosférico, mientras que actúan como fuentes de dióxido de carbono cuando se queman por incendios o se descomponen. Estas y otras retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre son fundamentales tanto para comprender los cambios climáticos del pasado como para predecir los futuros.

Las actividades humanas
El reconocimiento del cambio climático mundial como una cuestión ambiental ha llamado la atención sobre el impacto climático de las actividades humanas. La mayor parte de esta atención se ha centrado en la emisión de dióxido de carbono mediante la combustión de combustibles fósiles y la deforestación. Las actividades humanas también producen emisiones de otros gases de efecto invernadero, como el metano (procedente del cultivo de arroz, el ganado, los vertederos y otras fuentes) y los clorofluorocarbonos (procedentes de fuentes industriales). Hay pocas dudas entre los climatólogos de que estos gases de efecto invernadero afectan al presupuesto de radiación de la Tierra; la naturaleza y la magnitud de la respuesta climática son objeto de una intensa actividad de investigación. Los registros paleoclimáticos de los anillos de los árboles, los corales y los núcleos de hielo indican una clara tendencia al calentamiento que abarca todo el siglo XX y la primera década del siglo XXI. De hecho, el siglo XX fue el más cálido de los últimos 10 siglos, y la década 2001-10 fue la década más cálida desde el comienzo de los registros instrumentales modernos. Muchos climatólogos han señalado este patrón de calentamiento como una clara evidencia de los cambios climáticos inducidos por el hombre como resultado de la producción de gases de efecto invernadero.

Un segundo tipo de impacto humano, la conversión de la vegetación por la deforestación, la forestación y la agricultura, está recibiendo una creciente atención como una fuente adicional de cambio climático. Cada vez es más evidente que los impactos humanos sobre la cubierta vegetal pueden tener efectos locales, regionales e incluso mundiales sobre el clima, debido a los cambios en el flujo de calor sensible y latente hacia la atmósfera y la distribución de la energía dentro del sistema climático. La medida en que estos factores contribuyen al cambio climático reciente y en curso es una importante área de estudio emergente.

El cambio climático en el transcurso de la vida humana
Independientemente de su ubicación en el planeta, todos los seres humanos experimentan la variabilidad y el cambio climático durante sus vidas. Los fenómenos más familiares y predecibles son los ciclos estacionales, a los que las personas ajustan su ropa, las actividades al aire libre, los termostatos y las prácticas agrícolas. Sin embargo, no hay dos veranos o inviernos exactamente iguales en el mismo lugar; algunos son más cálidos, húmedos o tormentosos que otros. Esta variación interanual del clima es en parte responsable de las variaciones de un año a otro en los precios del combustible, el rendimiento de los cultivos, los presupuestos de mantenimiento de las carreteras y los riesgos de incendios forestales. Las inundaciones provocadas por las precipitaciones en un solo año pueden causar graves daños económicos, como los de la cuenca de drenaje del río Misisipí superior durante el verano de 1993, y pérdidas de vidas, como las que devastaron gran parte de Bangladesh en el verano de 1998. También pueden producirse daños y pérdidas de vidas similares como resultado de incendios forestales, tormentas graves, huracanes, olas de calor y otros acontecimientos relacionados con el clima.

La variación y el cambio climático también pueden ocurrir en períodos más largos, como décadas. Algunos lugares experimentan múltiples años de sequía, inundaciones u otras condiciones duras. Esas variaciones decenales del clima plantean problemas para las actividades humanas y la planificación. Por ejemplo, las sequías plurianuales pueden perturbar el suministro de agua, inducir a la pérdida de cosechas y causar trastornos económicos y sociales, como en el caso de las sequías de Dust Bowl en el medio continente de América del Norte durante el decenio de 1930. Las sequías plurianuales pueden incluso causar una hambruna generalizada, como en la sequía del Sahel que se produjo en el norte de África durante los años setenta y ochenta.

Variación estacional
Todos los lugares de la Tierra experimentan una variación estacional del clima (aunque el cambio puede ser leve en algunas regiones tropicales). Esta variación cíclica es impulsada por los cambios estacionales en el suministro de radiación solar a la atmósfera y la superficie de la Tierra. La órbita de la Tierra alrededor del Sol es elíptica; está más cerca del Sol ( 147 millones de km [unos 91 millones de millas]) cerca del solsticio de invierno y más lejos del Sol (152 millones de km [unos 94 millones de millas]) cerca del solsticio de verano en el Hemisferio Norte. Además, el eje de rotación de la Tierra se produce en un ángulo oblicuo (23,5°) con respecto a su órbita. Por lo tanto, cada hemisferio está inclinado lejos del Sol durante su período de invierno y hacia el Sol en su período de verano. Cuando un hemisferio está inclinado lejos del Sol, recibe menos radiación solar que el hemisferio opuesto, que en ese momento está apuntado hacia el Sol. Así, a pesar de la mayor proximidad del Sol en el solsticio de invierno, el hemisferio norte recibe menos radiación solar durante el invierno que durante el verano. También como consecuencia de la inclinación, cuando el Hemisferio Norte experimenta el invierno, el Hemisferio Sur experimenta el verano.

El sistema climático de la Tierra está impulsado por la radiación solar; las diferencias estacionales en el clima resultan en última instancia de los cambios estacionales en la órbita de la Tierra. La circulación del aire en la atmósfera y del agua en los océanos responde a las variaciones estacionales de la energía disponible del Sol. Los cambios estacionales específicos del clima que se producen en cualquier lugar determinado de la superficie de la Tierra resultan en gran medida de la transferencia de energía de la circulación atmosférica y oceánica. Las diferencias en el calentamiento de la superficie que tienen lugar entre el verano y el invierno hacen que las vías de las tormentas y los centros de presión cambien de posición y fuerza. Estas diferencias de calentamiento también provocan cambios estacionales en la nubosidad, las precipitaciones y el viento.

Las respuestas estacionales de la biosfera (especialmente la vegetación) y la criosfera (glaciares, hielo marino, campos de nieve) también contribuyen a la circulación atmosférica y al clima. La caída de hojas de los árboles de hoja caduca al entrar en el letargo invernal aumenta el albedo (reflectividad) de la superficie de la Tierra y puede conducir a un mayor enfriamiento local y regional. De manera similar, la acumulación de nieve también aumenta el albedo de las superficies terrestres y a menudo amplifica los efectos del invierno.

Variación interanual
Las variaciones climáticas interanuales, incluidas las sequías, las inundaciones y otros acontecimientos, son causadas por una compleja serie de factores e interacciones del sistema terrestre. Una característica importante que desempeña un papel en estas variaciones es el cambio periódico de las pautas de circulación atmosférica y oceánica en la región del Pacífico tropical, conocido colectivamente como variación de El Niño-Oscilación Austral (ENSO). Aunque sus principales efectos climáticos se concentran en el Pacífico tropical, la ENOS tiene efectos en cascada que a menudo se extienden a la región del Océano Atlántico, al interior de Europa y Asia, y a las regiones polares. Estos efectos, denominados teleconexiones, se producen porque las alteraciones en las pautas de circulación atmosférica de baja latitud en la región del Pacífico influyen en la circulación atmosférica de los sistemas adyacentes y descendentes. Como resultado, las trayectorias de las tormentas se desvían y las crestas de presión atmosférica (zonas de alta presión) y las canalizaciones (zonas de baja presión) se desplazan de sus patrones habituales.

Como ejemplo, los eventos de El Niño ocurren cuando los vientos alisios del este en el Pacífico tropical se debilitan o invierten su dirección. Esto cierra el afloramiento de las aguas profundas y frías de la costa occidental de América del Sur, calienta el Pacífico oriental e invierte el gradiente de presión atmosférica en el Pacífico occidental. Como resultado, el aire de la superficie se desplaza hacia el este desde Australia e Indonesia hacia el Pacífico central y las Américas. Estos cambios producen grandes precipitaciones e inundaciones repentinas a lo largo de la costa normalmente árida del Perú y una grave sequía en las regiones normalmente húmedas del norte de Australia e Indonesia. Los fenómenos de El Niño particularmente graves provocan el fracaso de los monzones en la región del Océano Índico, lo que da lugar a una intensa sequía en la India y en África oriental. Al mismo tiempo, las trayectorias del oeste y de las tormentas se desplazan hacia el Ecuador, lo que proporciona a California y al desierto del sudoeste de los Estados Unidos un clima invernal húmedo y tormentoso y hace que las condiciones invernales en el noroeste del Pacífico, que suelen ser húmedas, se vuelvan más cálidas y secas. El desplazamiento de los vientos del oeste también provoca sequías en el norte de China y desde el noreste de Brasil a través de secciones de Venezuela. Los registros a largo plazo de la variación del ENOS a partir de documentos históricos, anillos de árboles y corales de arrecifes indican que los eventos de El Niño ocurren, en promedio, cada dos a siete años. Sin embargo, la frecuencia e intensidad de estos eventos varían a lo largo del tiempo.

La Oscilación del Atlántico Norte (OAN) es otro ejemplo de una oscilación interanual que produce importantes efectos climáticos dentro del sistema terrestre y puede influir en el clima en todo el hemisferio norte. Este fenómeno es el resultado de la variación del gradiente de presión, o la diferencia de presión atmosférica entre el máximo subtropical, situado normalmente entre las Azores y Gibraltar, y el mínimo islandés, centrado entre Islandia y Groenlandia. Cuando el gradiente de presión es pronunciado debido a un fuerte máximo subtropical y un bajo islandés profundo (fase positiva), Europa septentrional y Asia septentrional experimentan inviernos cálidos y húmedos con frecuentes y fuertes tormentas invernales. Al mismo tiempo, el sur de Europa es seco. El este de los Estados Unidos también experimenta inviernos más cálidos y menos nevados durante las fases positivas de la NAO, aunque el efecto no es tan grande como en Europa. El gradiente de presión se atenúa cuando la NAO está en un modo negativo, es decir, cuando existe un gradiente de presión más débil a partir de la presencia de un débil máximo subtropical y un mínimo islandés. Cuando esto sucede, la región del Mediterráneo recibe abundantes precipitaciones invernales, mientras que el norte de Europa es frío y seco. El este de los Estados Unidos es típicamente más frío y con más nieve durante una fase negativa de la NAO.

Durante los años en que la Oscilación del Atlántico Norte (OAN) se encuentra en su fase positiva, el este de los Estados Unidos, el sudeste del Canadá y el noroeste de Europa experimentan temperaturas invernales más cálidas, mientras que en estos lugares se encuentran temperaturas más frías durante su fase negativa. Cuando tanto el Niño/Oscilación Austral (ENSO) como la NAO se encuentran en su fase positiva, los inviernos europeos tienden a ser más húmedos y menos severos; sin embargo, más allá de esta tendencia general, la influencia del ENSO sobre la NAO no se comprende bien.

Los ciclos del ENSO y la NAO son impulsados por las retroalimentaciones e interacciones entre los océanos y la atmósfera. La variación climática interanual es impulsada por estos y otros ciclos, interacciones entre ciclos y perturbaciones en el sistema terrestre, como las que resultan de grandes inyecciones de aerosoles de las erupciones volcánicas. Un ejemplo de perturbación debida al vulcanismo es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que provocó una disminución de la temperatura mundial media de aproximadamente 0,5 °C (0,9 °F) el verano siguiente.

Variación decenal
El clima varía en escalas de tiempo decenales, con grupos de varios años de condiciones húmedas, secas, frescas o cálidas. Estos grupos plurianuales pueden tener efectos dramáticos en las actividades y el bienestar humanos. Por ejemplo, una grave sequía de tres años a finales del siglo XVI probablemente contribuyó a la destrucción de la "Colonia Perdida" de Sir Walter Raleigh en la isla de Roanoke, en lo que hoy es Carolina del Norte, y una posterior sequía de siete años (1606-12) provocó una elevada mortalidad en la colonia de Jamestown, en Virginia. Además, algunos estudiosos han implicado a las sequías persistentes y graves como la principal razón del colapso de la civilización maya en Mesoamérica entre 750 y 950 d.C.; sin embargo, los descubrimientos de principios del siglo XXI sugieren que las perturbaciones del comercio relacionadas con la guerra desempeñaron un papel, posiblemente interactuando con las hambrunas y otras tensiones relacionadas con la sequía.

Aunque la variación climática a escala decenal está bien documentada, las causas no están del todo claras. Gran parte de la variación decenal del clima está relacionada con las variaciones interanuales. Por ejemplo, la frecuencia y la magnitud del ENOS cambian a lo largo del tiempo. Los primeros años de la década de 1990 se caracterizaron por repetidos eventos de El Niño, y se han identificado varias agrupaciones de este tipo que tuvieron lugar durante el siglo XX. La pendiente del gradiente del NAO también cambia en escalas temporales decenales; ha sido particularmente pronunciada desde el decenio de 1970.

Investigaciones recientes han revelado que las variaciones del clima a escala decenal son el resultado de las interacciones entre el océano y la atmósfera. Una de esas variaciones es la Oscilación Decadal del Pacífico (PDO), también conocida como Variabilidad Decadal del Pacífico (PDV), que implica cambios en las temperaturas de la superficie del mar (SST) en el Océano Pacífico Norte. Las TSM influyen en la fuerza y la posición de la Baja Aleutiana, que a su vez afecta fuertemente los patrones de precipitación a lo largo de la costa del Pacífico de Norteamérica. La variación de las TSM consiste en una alternancia entre los períodos de "fase fría", en los que la costa de Alaska es relativamente seca y el noroeste del Pacífico relativamente húmedo (por ejemplo, 1947-76), y los períodos de "fase cálida", caracterizados por una precipitación relativamente alta en la costa de Alaska y una precipitación baja en el noroeste del Pacífico (por ejemplo, 1925-46, 1977-98). Los registros de anillos de árboles y corales, que abarcan al menos los últimos cuatro siglos, documentan la variación del DOP.

Una oscilación similar, la Oscilación Multidecadal del Atlántico (OMA), se produce en el Atlántico Norte e influye fuertemente en los patrones de precipitación de América del Norte oriental y central. Una AMO de fase cálida (TSM del Atlántico Norte relativamente cálida) se asocia con precipitaciones relativamente altas en Florida y bajas en gran parte del Valle de Ohio. Sin embargo, el AMO interactúa con el PDO, y ambos interactúan con variaciones interanuales, como el ENSO y la NAO, en formas complejas . Tales interacciones pueden llevar a la amplificación de sequías, inundaciones u otras anomalías climáticas. Por ejemplo, las graves sequías que se produjeron en gran parte de los Estados Unidos conterminosos en los primeros años del siglo XXI se asociaron con la OMA de fase cálida combinada con la DOP de fase fría. Los mecanismos que subyacen a las variaciones decenales, como el PDO y la AMO, no se conocen bien, pero probablemente estén relacionados con las interacciones océano-atmósfera con constantes temporales más grandes que las variaciones interanuales. Las variaciones climáticas decenales son objeto de un intenso estudio por parte de los climatólogos y los paleoclimatólogos.

Causas del cambio climático
Es mucho más fácil documentar las pruebas de la variabilidad del clima y el cambio climático pasado que determinar sus mecanismos subyacentes. El clima está influenciado por una multitud de factores que operan en escalas de tiempo que van desde horas hasta cientos de millones de años. Muchas de las causas del cambio climático son externas al sistema de la Tierra. Otras son parte del sistema de la Tierra pero externas a la atmósfera. Otras implican interacciones entre la atmósfera y otros componentes del sistema terrestre y se describen colectivamente como retroalimentaciones dentro del sistema terrestre. Las retroalimentaciones se encuentran entre los factores causales más recientemente descubiertos y difíciles de estudiar. No obstante, se reconoce cada vez más que esos factores desempeñan un papel fundamental en la variación del clima. En esta sección se describen los mecanismos más importantes.

Variabilidad solar
La luminosidad, o brillo, del Sol ha ido aumentando constantemente desde su formación. Este fenómeno es importante para el clima de la Tierra, porque el Sol proporciona la energía para impulsar la circulación atmosférica y constituye el aporte para el presupuesto de calor de la Tierra. La baja luminosidad solar durante el tiempo del Precámbrico subyace a la tenue paradoja del joven Sol, descrita en la sección Climas de la Tierra temprana.

La energía radiante procedente del Sol es variable en escalas de tiempo muy pequeñas, debido a las tormentas solares y otras perturbaciones, pero las variaciones en la actividad solar, en particular la frecuencia de las manchas solares, también están documentadas en escalas de tiempo que van de decenios a milenios y probablemente se producen también en escalas de tiempo más largas. Se ha sugerido que el "mínimo de Maunder", un período de actividad de manchas solares drásticamente reducida entre 1645 y 1715 d.C., es un factor que contribuye a la Pequeña Edad de Hielo. (Ver abajo Variación y cambio climático desde la aparición de la civilización).

La actividad volcánica
La actividad volcánica puede influir en el clima de varias maneras y en diferentes escalas de tiempo. Las erupciones volcánicas individuales pueden liberar grandes cantidades de dióxido de azufre y otros aerosoles en la estratosfera, reduciendo la transparencia atmosférica y, por tanto, la cantidad de radiación solar que llega a la superficie y la troposfera de la Tierra. Un ejemplo reciente es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que tuvo influencias mensurables en la circulación atmosférica y los balances de calor. La erupción de 1815 del Monte Tambora en la isla de Sumbawa tuvo consecuencias más dramáticas, ya que la primavera y el verano del año siguiente (1816, conocido como "el año sin verano") fueron inusualmente fríos en gran parte del mundo. Nueva Inglaterra y Europa experimentaron nevadas y heladas durante todo el verano de 1816.

Los volcanes y los fenómenos conexos, como el desgarramiento y la subducción de los océanos, liberan dióxido de carbono tanto en los océanos como en la atmósfera. Las emisiones son bajas; incluso una masiva erupción volcánica como la del Monte Pinatubo libera sólo una fracción del dióxido de carbono emitido por la combustión de combustibles fósiles en un año. Sin embargo, a escala geológica, la liberación de este gas de efecto invernadero puede tener efectos importantes. Las variaciones en la liberación de dióxido de carbono por los volcanes y las grietas oceánicas a lo largo de millones de años pueden alterar la química de la atmósfera. Esta variabilidad en las concentraciones de dióxido de carbono probablemente explica gran parte de la variación climática que ha tenido lugar durante el Eón Fanerozoico.

Actividad tectónica
Los movimientos tectónicos de la corteza terrestre han tenido profundos efectos en el clima en escalas de tiempo de millones a decenas de millones de años. Estos movimientos han cambiado la forma, el tamaño, la posición y la elevación de las masas continentales, así como la batimetría de los océanos. A su vez, los cambios topográficos y batimétricos han tenido fuertes efectos en la circulación tanto de la atmósfera como de los océanos. Por ejemplo, el levantamiento de la meseta tibetana durante la era cenozoica afectó las pautas de circulación atmosférica, creando el monzón de Asia meridional e influyendo en el clima de gran parte del resto de Asia y las regiones vecinas.

La actividad tectónica también influye en la química atmosférica, en particular en las concentraciones de dióxido de carbono. El dióxido de carbono se emite desde los volcanes y las fumarolas de las zonas de fisura y de subducción. Las variaciones en la tasa de propagación en las zonas de fisuras y el grado de actividad volcánica cerca de los márgenes de las placas han influido en las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono a lo largo de la historia de la Tierra. Incluso la meteorización química de la roca constituye un importante sumidero de dióxido de carbono. (Un sumidero de carbono es cualquier proceso que elimina el dióxido de carbono de la atmósfera mediante la conversión química del CO2 en compuestos de carbono orgánicos o inorgánicos). El ácido carbónico, formado a partir de dióxido de carbono y agua, es un reactivo en la disolución de silicatos y otros minerales. Las tasas de meteorización están relacionadas con la masa, la elevación y la exposición del lecho rocoso. La elevación tectónica puede aumentar todos estos factores y, por lo tanto, conducir a un aumento de la meteorización y la absorción de dióxido de carbono. Por ejemplo, la meteorización química de la meseta tibetana en ascenso puede haber desempeñado un papel importante en el agotamiento del dióxido de carbono en la atmósfera durante un período de enfriamiento global a finales del Cenozoico.

Variaciones orbitales
La geometría orbital de la Tierra se ve afectada de manera predecible por las influencias gravitatorias de otros planetas del sistema solar. Tres características primarias de la órbita de la Tierra se ven afectadas, cada una de ellas de manera cíclica o recurrente. Primero, la forma de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, varía de casi circular a elíptica (excéntrica), con periodicidades de 100.000 y 413.000 años. En segundo lugar, la inclinación del eje de la Tierra con respecto al Sol, que es el principal responsable de los climas estacionales de la Tierra, varía entre 22,1° y 24,5° con respecto al plano de rotación de la Tierra alrededor del Sol. Esta variación se produce en un ciclo de 41.000 años. En general, cuanto mayor es la inclinación, mayor es la radiación solar recibida por los hemisferios en verano y menor la recibida en invierno. El tercer cambio cíclico en la geometría orbital de la Tierra resulta de dos fenómenos combinados: 1) El eje de rotación de la Tierra se tambalea, cambiando la dirección del eje con respecto al Sol, y 2) la orientación de la elipse orbital de la Tierra gira lentamente. Estos dos procesos crean un ciclo de 26.000 años, llamado precesión de los equinoccios, en el que la posición de la Tierra en los equinoccios y solsticios cambia. Hoy en día la Tierra está más cerca del Sol (perihelio) cerca del solsticio de diciembre, mientras que hace 9.000 años el perihelio se produjo cerca del solsticio de junio.

Estas variaciones orbitales causan cambios en la distribución latitudinal y estacional de la radiación solar, que a su vez impulsan una serie de variaciones climáticas. Las variaciones orbitales juegan un papel importante en el ritmo de los patrones glaciales-interglaciales y monzónicos. Sus influencias se han identificado en los cambios climáticos de gran parte del Fanerozoico. Por ejemplo, los ciclomotores -que son lechos marinos, fluviales y de carbón intercalados característicos del subperíodo de Pensilvania (hace 318,1 millones a 299 millones de años)- parecen representar los cambios impulsados por Milankovitch en el nivel medio del mar.

Los gases de efecto invernadero son moléculas de gas que tienen la propiedad de absorber la radiación infrarroja (energía térmica neta) emitida desde la superficie de la Tierra y volverla a radiar hacia la superficie terrestre, contribuyendo así al fenómeno conocido como efecto invernadero. El dióxido de carbono, el metano y el vapor de agua son los gases de efecto invernadero más importantes, y tienen un profundo efecto en el presupuesto energético del sistema terrestre a pesar de que constituyen sólo una fracción de todos los gases atmosféricos. Las concentraciones de gases de efecto invernadero han variado sustancialmente durante la historia de la Tierra, y estas variaciones han impulsado cambios climáticos sustanciales en una amplia gama de escalas de tiempo. En general, las concentraciones de gases de efecto invernadero han sido particularmente altas durante los períodos cálidos y bajas durante las fases frías. Varios procesos influyen en las concentraciones de gases de efecto invernadero. Algunos, como las actividades tectónicas, operan en escalas de tiempo de millones de años, mientras que otros, como la vegetación, el suelo, los humedales y las fuentes y sumideros oceánicos, operan en escalas de tiempo de cientos a miles de años. Las actividades humanas -especialmente la combustión de combustibles fósiles desde la Revolución Industrial- son responsables del aumento constante de las concentraciones atmosféricas de diversos gases de efecto invernadero, especialmente el dióxido de carbono, el metano, el ozono y los clorofluorocarbonos (CFC).

Tal vez el tema más intensamente discutido e investigado sobre la variabilidad del clima sea el papel de las interacciones y retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre. Las retroalimentaciones implican diferentes componentes que operan a diferentes velocidades y escalas de tiempo. Las capas de hielo, el hielo marino, la vegetación terrestre, las temperaturas oceánicas, las tasas de meteorización, la circulación oceánica y las concentraciones de gases de efecto invernadero están todas influidas directa o indirectamente por la atmósfera; sin embargo, todas ellas también retroalimentan a la atmósfera, influyéndola así de manera importante. Por ejemplo, las diferentes formas y densidades de vegetación en la superficie terrestre influyen en el albedo, o reflectividad, de la superficie de la Tierra, afectando así al balance global de radiación a escalas locales y regionales. Al mismo tiempo, la transferencia de moléculas de agua del suelo a la atmósfera está mediada por la vegetación, tanto directamente (por la transpiración a través de los estomas de las plantas) como indirectamente (por las influencias de la sombra y la temperatura en la evaporación directa del suelo). Esta regulación del flujo de calor latente por parte de la vegetación puede influir en el clima a escalas locales y globales. Como resultado, los cambios en la vegetación, que están parcialmente controlados por el clima, pueden a su vez influir en el sistema climático. La vegetación también influye en las concentraciones de gases de efecto invernadero; las plantas vivas constituyen un importante sumidero de dióxido de carbono atmosférico, mientras que actúan como fuentes de dióxido de carbono cuando se queman por incendios o se descomponen. Estas y otras retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre son fundamentales tanto para comprender los cambios climáticos del pasado como para predecir los futuros.

Las actividades humanas
El reconocimiento del cambio climático mundial como una cuestión ambiental ha llamado la atención sobre el impacto climático de las actividades humanas. La mayor parte de esta atención se ha centrado en la emisión de dióxido de carbono mediante la combustión de combustibles fósiles y la deforestación. Las actividades humanas también producen emisiones de otros gases de efecto invernadero, como el metano (procedente del cultivo de arroz, el ganado, los vertederos y otras fuentes) y los clorofluorocarbonos (procedentes de fuentes industriales). Hay pocas dudas entre los climatólogos de que estos gases de efecto invernadero afectan al presupuesto de radiación de la Tierra; la naturaleza y la magnitud de la respuesta climática son objeto de una intensa actividad de investigación. Los registros paleoclimáticos de los anillos de los árboles, los corales y los núcleos de hielo indican una clara tendencia al calentamiento que abarca todo el siglo XX y la primera década del siglo XXI. De hecho, el siglo XX fue el más cálido de los últimos 10 siglos, y la década 2001-10 fue la década más cálida desde el comienzo de los registros instrumentales modernos. Muchos climatólogos han señalado este patrón de calentamiento como una clara evidencia de los cambios climáticos inducidos por el hombre como resultado de la producción de gases de efecto invernadero.

Un segundo tipo de impacto humano, la conversión de la vegetación por la deforestación, la forestación y la agricultura, está recibiendo una creciente atención como una fuente adicional de cambio climático. Cada vez es más evidente que los impactos humanos sobre la cubierta vegetal pueden tener efectos locales, regionales e incluso mundiales sobre el clima, debido a los cambios en el flujo de calor sensible y latente hacia la atmósfera y la distribución de la energía dentro del sistema climático. La medida en que estos factores contribuyen al cambio climático reciente y en curso es una importante área de estudio emergente.

El cambio climático en el transcurso de la vida humana
Independientemente de su ubicación en el planeta, todos los seres humanos experimentan la variabilidad y el cambio climático durante sus vidas. Los fenómenos más familiares y predecibles son los ciclos estacionales, a los que las personas ajustan su ropa, las actividades al aire libre, los termostatos y las prácticas agrícolas. Sin embargo, no hay dos veranos o inviernos exactamente iguales en el mismo lugar; algunos son más cálidos, húmedos o tormentosos que otros. Esta variación interanual del clima es en parte responsable de las variaciones de un año a otro en los precios del combustible, el rendimiento de los cultivos, los presupuestos de mantenimiento de las carreteras y los riesgos de incendios forestales. Las inundaciones provocadas por las precipitaciones en un solo año pueden causar graves daños económicos, como los de la cuenca de drenaje del río Misisipí superior durante el verano de 1993, y pérdidas de vidas, como las que devastaron gran parte de Bangladesh en el verano de 1998. También pueden producirse daños y pérdidas de vidas similares como resultado de incendios forestales, tormentas graves, huracanes, olas de calor y otros acontecimientos relacionados con el clima.

La variación y el cambio climático también pueden ocurrir en períodos más largos, como décadas. Algunos lugares experimentan múltiples años de sequía, inundaciones u otras condiciones duras. Esas variaciones decenales del clima plantean problemas para las actividades humanas y la planificación. Por ejemplo, las sequías plurianuales pueden perturbar el suministro de agua, inducir a la pérdida de cosechas y causar trastornos económicos y sociales, como en el caso de las sequías de Dust Bowl en el medio continente de América del Norte durante el decenio de 1930. Las sequías plurianuales pueden incluso causar una hambruna generalizada, como en la sequía del Sahel que se produjo en el norte de África durante los años setenta y ochenta.

Variación estacional
Todos los lugares de la Tierra experimentan una variación estacional del clima (aunque el cambio puede ser leve en algunas regiones tropicales). Esta variación cíclica es impulsada por los cambios estacionales en el suministro de radiación solar a la atmósfera y la superficie de la Tierra. La órbita de la Tierra alrededor del Sol es elíptica; está más cerca del Sol ( 147 millones de km [unos 91 millones de millas]) cerca del solsticio de invierno y más lejos del Sol (152 millones de km [unos 94 millones de millas]) cerca del solsticio de verano en el Hemisferio Norte. Además, el eje de rotación de la Tierra se produce en un ángulo oblicuo (23,5°) con respecto a su órbita. Por lo tanto, cada hemisferio está inclinado lejos del Sol durante su período de invierno y hacia el Sol en su período de verano. Cuando un hemisferio está inclinado lejos del Sol, recibe menos radiación solar que el hemisferio opuesto, que en ese momento está apuntado hacia el Sol. Así, a pesar de la mayor proximidad del Sol en el solsticio de invierno, el hemisferio norte recibe menos radiación solar durante el invierno que durante el verano. También como consecuencia de la inclinación, cuando el Hemisferio Norte experimenta el invierno, el Hemisferio Sur experimenta el verano.

El sistema climático de la Tierra está impulsado por la radiación solar; las diferencias estacionales en el clima resultan en última instancia de los cambios estacionales en la órbita de la Tierra. La circulación del aire en la atmósfera y del agua en los océanos responde a las variaciones estacionales de la energía disponible del Sol. Los cambios estacionales específicos del clima que se producen en cualquier lugar determinado de la superficie de la Tierra resultan en gran medida de la transferencia de energía de la circulación atmosférica y oceánica. Las diferencias en el calentamiento de la superficie que tienen lugar entre el verano y el invierno hacen que las vías de las tormentas y los centros de presión cambien de posición y fuerza. Estas diferencias de calentamiento también provocan cambios estacionales en la nubosidad, las precipitaciones y el viento.

Las respuestas estacionales de la biosfera (especialmente la vegetación) y la criosfera (glaciares, hielo marino, campos de nieve) también contribuyen a la circulación atmosférica y al clima. La caída de hojas de los árboles de hoja caduca al entrar en el letargo invernal aumenta el albedo (reflectividad) de la superficie de la Tierra y puede conducir a un mayor enfriamiento local y regional. De manera similar, la acumulación de nieve también aumenta el albedo de las superficies terrestres y a menudo amplifica los efectos del invierno.

Variación interanual
Las variaciones climáticas interanuales, incluidas las sequías, las inundaciones y otros acontecimientos, son causadas por una compleja serie de factores e interacciones del sistema terrestre. Una característica importante que desempeña un papel en estas variaciones es el cambio periódico de las pautas de circulación atmosférica y oceánica en la región del Pacífico tropical, conocido colectivamente como variación de El Niño-Oscilación Austral (ENSO). Aunque sus principales efectos climáticos se concentran en el Pacífico tropical, la ENOS tiene efectos en cascada que a menudo se extienden a la región del Océano Atlántico, al interior de Europa y Asia, y a las regiones polares. Estos efectos, denominados teleconexiones, se producen porque las alteraciones en las pautas de circulación atmosférica de baja latitud en la región del Pacífico influyen en la circulación atmosférica de los sistemas adyacentes y descendentes. Como resultado, las trayectorias de las tormentas se desvían y las crestas de presión atmosférica (zonas de alta presión) y las canalizaciones (zonas de baja presión) se desplazan de sus patrones habituales.

Como ejemplo, los eventos de El Niño ocurren cuando los vientos alisios del este en el Pacífico tropical se debilitan o invierten su dirección. Esto cierra el afloramiento de las aguas profundas y frías de la costa occidental de América del Sur, calienta el Pacífico oriental e invierte el gradiente de presión atmosférica en el Pacífico occidental. Como resultado, el aire de la superficie se desplaza hacia el este desde Australia e Indonesia hacia el Pacífico central y las Américas. Estos cambios producen grandes precipitaciones e inundaciones repentinas a lo largo de la costa normalmente árida del Perú y una grave sequía en las regiones normalmente húmedas del norte de Australia e Indonesia. Los fenómenos de El Niño particularmente graves provocan el fracaso de los monzones en la región del Océano Índico, lo que da lugar a una intensa sequía en la India y en África oriental. Al mismo tiempo, las trayectorias del oeste y de las tormentas se desplazan hacia el Ecuador, lo que proporciona a California y al desierto del sudoeste de los Estados Unidos un clima invernal húmedo y tormentoso y hace que las condiciones invernales en el noroeste del Pacífico, que suelen ser húmedas, se vuelvan más cálidas y secas. El desplazamiento de los vientos del oeste también provoca sequías en el norte de China y desde el noreste de Brasil a través de secciones de Venezuela. Los registros a largo plazo de la variación del ENOS a partir de documentos históricos, anillos de árboles y corales de arrecifes indican que los eventos de El Niño ocurren, en promedio, cada dos a siete años. Sin embargo, la frecuencia e intensidad de estos eventos varían a lo largo del tiempo.

La Oscilación del Atlántico Norte (OAN) es otro ejemplo de una oscilación interanual que produce importantes efectos climáticos dentro del sistema terrestre y puede influir en el clima en todo el hemisferio norte. Este fenómeno es el resultado de la variación del gradiente de presión, o la diferencia de presión atmosférica entre el máximo subtropical, situado normalmente entre las Azores y Gibraltar, y el mínimo islandés, centrado entre Islandia y Groenlandia. Cuando el gradiente de presión es pronunciado debido a un fuerte máximo subtropical y un bajo islandés profundo (fase positiva), Europa septentrional y Asia septentrional experimentan inviernos cálidos y húmedos con frecuentes y fuertes tormentas invernales. Al mismo tiempo, el sur de Europa es seco. El este de los Estados Unidos también experimenta inviernos más cálidos y menos nevados durante las fases positivas de la NAO, aunque el efecto no es tan grande como en Europa. El gradiente de presión se atenúa cuando la NAO está en un modo negativo, es decir, cuando existe un gradiente de presión más débil a partir de la presencia de un débil máximo subtropical y un mínimo islandés. Cuando esto sucede, la región del Mediterráneo recibe abundantes precipitaciones invernales, mientras que el norte de Europa es frío y seco. El este de los Estados Unidos es típicamente más frío y con más nieve durante una fase negativa de la NAO.

Durante los años en que la Oscilación del Atlántico Norte (OAN) se encuentra en su fase positiva, el este de los Estados Unidos, el sudeste del Canadá y el noroeste de Europa experimentan temperaturas invernales más cálidas, mientras que en estos lugares se encuentran temperaturas más frías durante su fase negativa. Cuando tanto el Niño/Oscilación Austral (ENSO) como la NAO se encuentran en su fase positiva, los inviernos europeos tienden a ser más húmedos y menos severos; sin embargo, más allá de esta tendencia general, la influencia del ENSO sobre la NAO no se comprende bien.

Los ciclos del ENSO y la NAO son impulsados por las retroalimentaciones e interacciones entre los océanos y la atmósfera. La variación climática interanual es impulsada por estos y otros ciclos, interacciones entre ciclos y perturbaciones en el sistema terrestre, como las que resultan de grandes inyecciones de aerosoles de las erupciones volcánicas. Un ejemplo de perturbación debida al vulcanismo es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que provocó una disminución de la temperatura mundial media de aproximadamente 0,5 °C (0,9 °F) el verano siguiente.

Variación decenal
El clima varía en escalas de tiempo decenales, con grupos de varios años de condiciones húmedas, secas, frescas o cálidas. Estos grupos plurianuales pueden tener efectos dramáticos en las actividades y el bienestar humanos. Por ejemplo, una grave sequía de tres años a finales del siglo XVI probablemente contribuyó a la destrucción de la "Colonia Perdida" de Sir Walter Raleigh en la isla de Roanoke, en lo que hoy es Carolina del Norte, y una posterior sequía de siete años (1606-12) provocó una elevada mortalidad en la colonia de Jamestown, en Virginia. Además, algunos estudiosos han implicado a las sequías persistentes y graves como la principal razón del colapso de la civilización maya en Mesoamérica entre 750 y 950 d.C.; sin embargo, los descubrimientos de principios del siglo XXI sugieren que las perturbaciones del comercio relacionadas con la guerra desempeñaron un papel, posiblemente interactuando con las hambrunas y otras tensiones relacionadas con la sequía.

Aunque la variación climática a escala decenal está bien documentada, las causas no están del todo claras. Gran parte de la variación decenal del clima está relacionada con las variaciones interanuales. Por ejemplo, la frecuencia y la magnitud del ENOS cambian a lo largo del tiempo. Los primeros años de la década de 1990 se caracterizaron por repetidos eventos de El Niño, y se han identificado varias agrupaciones de este tipo que tuvieron lugar durante el siglo XX. La pendiente del gradiente del NAO también cambia en escalas temporales decenales; ha sido particularmente pronunciada desde el decenio de 1970.

Investigaciones recientes han revelado que las variaciones del clima a escala decenal son el resultado de las interacciones entre el océano y la atmósfera. Una de esas variaciones es la Oscilación Decadal del Pacífico (PDO), también conocida como Variabilidad Decadal del Pacífico (PDV), que implica cambios en las temperaturas de la superficie del mar (SST) en el Océano Pacífico Norte. Las TSM influyen en la fuerza y la posición de la Baja Aleutiana, que a su vez afecta fuertemente los patrones de precipitación a lo largo de la costa del Pacífico de Norteamérica. La variación de las TSM consiste en una alternancia entre los períodos de "fase fría", en los que la costa de Alaska es relativamente seca y el noroeste del Pacífico relativamente húmedo (por ejemplo, 1947-76), y los períodos de "fase cálida", caracterizados por una precipitación relativamente alta en la costa de Alaska y una precipitación baja en el noroeste del Pacífico (por ejemplo, 1925-46, 1977-98). Los registros de anillos de árboles y corales, que abarcan al menos los últimos cuatro siglos, documentan la variación del DOP.

Una oscilación similar, la Oscilación Multidecadal del Atlántico (OMA), se produce en el Atlántico Norte e influye fuertemente en los patrones de precipitación de América del Norte oriental y central. Una AMO de fase cálida (TSM del Atlántico Norte relativamente cálida) se asocia con precipitaciones relativamente altas en Florida y bajas en gran parte del Valle de Ohio. Sin embargo, el AMO interactúa con el PDO, y ambos interactúan con variaciones interanuales, como el ENSO y la NAO, en formas complejas . Tales interacciones pueden llevar a la amplificación de sequías, inundaciones u otras anomalías climáticas. Por ejemplo, las graves sequías que se produjeron en gran parte de los Estados Unidos conterminosos en los primeros años del siglo XXI se asociaron con la OMA de fase cálida combinada con la DOP de fase fría. Los mecanismos que subyacen a las variaciones decenales, como el PDO y la AMO, no se conocen bien, pero probablemente estén relacionados con las interacciones océano-atmósfera con constantes temporales más grandes que las variaciones interanuales. Las variaciones climáticas decenales son objeto de un intenso estudio por parte de los climatólogos y los paleoclimatólogos.

Causas del cambio climático
Es mucho más fácil documentar las pruebas de la variabilidad del clima y el cambio climático pasado que determinar sus mecanismos subyacentes. El clima está influenciado por una multitud de factores que operan en escalas de tiempo que van desde horas hasta cientos de millones de años. Muchas de las causas del cambio climático son externas al sistema de la Tierra. Otras son parte del sistema de la Tierra pero externas a la atmósfera. Otras implican interacciones entre la atmósfera y otros componentes del sistema terrestre y se describen colectivamente como retroalimentaciones dentro del sistema terrestre. Las retroalimentaciones se encuentran entre los factores causales más recientemente descubiertos y difíciles de estudiar. No obstante, se reconoce cada vez más que esos factores desempeñan un papel fundamental en la variación del clima. En esta sección se describen los mecanismos más importantes.

Variabilidad solar
La luminosidad, o brillo, del Sol ha ido aumentando constantemente desde su formación. Este fenómeno es importante para el clima de la Tierra, porque el Sol proporciona la energía para impulsar la circulación atmosférica y constituye el aporte para el presupuesto de calor de la Tierra. La baja luminosidad solar durante el tiempo del Precámbrico subyace a la tenue paradoja del joven Sol, descrita en la sección Climas de la Tierra temprana.

La energía radiante procedente del Sol es variable en escalas de tiempo muy pequeñas, debido a las tormentas solares y otras perturbaciones, pero las variaciones en la actividad solar, en particular la frecuencia de las manchas solares, también están documentadas en escalas de tiempo que van de decenios a milenios y probablemente se producen también en escalas de tiempo más largas. Se ha sugerido que el "mínimo de Maunder", un período de actividad de manchas solares drásticamente reducida entre 1645 y 1715 d.C., es un factor que contribuye a la Pequeña Edad de Hielo. (Ver abajo Variación y cambio climático desde la aparición de la civilización).

La actividad volcánica
La actividad volcánica puede influir en el clima de varias maneras y en diferentes escalas de tiempo. Las erupciones volcánicas individuales pueden liberar grandes cantidades de dióxido de azufre y otros aerosoles en la estratosfera, reduciendo la transparencia atmosférica y, por tanto, la cantidad de radiación solar que llega a la superficie y la troposfera de la Tierra. Un ejemplo reciente es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que tuvo influencias mensurables en la circulación atmosférica y los balances de calor. La erupción de 1815 del Monte Tambora en la isla de Sumbawa tuvo consecuencias más dramáticas, ya que la primavera y el verano del año siguiente (1816, conocido como "el año sin verano") fueron inusualmente fríos en gran parte del mundo. Nueva Inglaterra y Europa experimentaron nevadas y heladas durante todo el verano de 1816.

Los volcanes y los fenómenos conexos, como el desgarramiento y la subducción de los océanos, liberan dióxido de carbono tanto en los océanos como en la atmósfera. Las emisiones son bajas; incluso una masiva erupción volcánica como la del Monte Pinatubo libera sólo una fracción del dióxido de carbono emitido por la combustión de combustibles fósiles en un año. Sin embargo, a escala geológica, la liberación de este gas de efecto invernadero puede tener efectos importantes. Las variaciones en la liberación de dióxido de carbono por los volcanes y las grietas oceánicas a lo largo de millones de años pueden alterar la química de la atmósfera. Esta variabilidad en las concentraciones de dióxido de carbono probablemente explica gran parte de la variación climática que ha tenido lugar durante el Eón Fanerozoico.

Actividad tectónica
Los movimientos tectónicos de la corteza terrestre han tenido profundos efectos en el clima en escalas de tiempo de millones a decenas de millones de años. Estos movimientos han cambiado la forma, el tamaño, la posición y la elevación de las masas continentales, así como la batimetría de los océanos. A su vez, los cambios topográficos y batimétricos han tenido fuertes efectos en la circulación tanto de la atmósfera como de los océanos. Por ejemplo, el levantamiento de la meseta tibetana durante la era cenozoica afectó las pautas de circulación atmosférica, creando el monzón de Asia meridional e influyendo en el clima de gran parte del resto de Asia y las regiones vecinas.

La actividad tectónica también influye en la química atmosférica, en particular en las concentraciones de dióxido de carbono. El dióxido de carbono se emite desde los volcanes y las fumarolas de las zonas de fisura y de subducción. Las variaciones en la tasa de propagación en las zonas de fisuras y el grado de actividad volcánica cerca de los márgenes de las placas han influido en las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono a lo largo de la historia de la Tierra. Incluso la meteorización química de la roca constituye un importante sumidero de dióxido de carbono. (Un sumidero de carbono es cualquier proceso que elimina el dióxido de carbono de la atmósfera mediante la conversión química del CO2 en compuestos de carbono orgánicos o inorgánicos). El ácido carbónico, formado a partir de dióxido de carbono y agua, es un reactivo en la disolución de silicatos y otros minerales. Las tasas de meteorización están relacionadas con la masa, la elevación y la exposición del lecho rocoso. La elevación tectónica puede aumentar todos estos factores y, por lo tanto, conducir a un aumento de la meteorización y la absorción de dióxido de carbono. Por ejemplo, la meteorización química de la meseta tibetana en ascenso puede haber desempeñado un papel importante en el agotamiento del dióxido de carbono en la atmósfera durante un período de enfriamiento global a finales del Cenozoico.

Variaciones orbitales
La geometría orbital de la Tierra se ve afectada de manera predecible por las influencias gravitatorias de otros planetas del sistema solar. Tres características primarias de la órbita de la Tierra se ven afectadas, cada una de ellas de manera cíclica o recurrente. Primero, la forma de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, varía de casi circular a elíptica (excéntrica), con periodicidades de 100.000 y 413.000 años. En segundo lugar, la inclinación del eje de la Tierra con respecto al Sol, que es el principal responsable de los climas estacionales de la Tierra, varía entre 22,1° y 24,5° con respecto al plano de rotación de la Tierra alrededor del Sol. Esta variación se produce en un ciclo de 41.000 años. En general, cuanto mayor es la inclinación, mayor es la radiación solar recibida por los hemisferios en verano y menor la recibida en invierno. El tercer cambio cíclico en la geometría orbital de la Tierra resulta de dos fenómenos combinados: 1) El eje de rotación de la Tierra se tambalea, cambiando la dirección del eje con respecto al Sol, y 2) la orientación de la elipse orbital de la Tierra gira lentamente. Estos dos procesos crean un ciclo de 26.000 años, llamado precesión de los equinoccios, en el que la posición de la Tierra en los equinoccios y solsticios cambia. Hoy en día la Tierra está más cerca del Sol (perihelio) cerca del solsticio de diciembre, mientras que hace 9.000 años el perihelio se produjo cerca del solsticio de junio.

Estas variaciones orbitales causan cambios en la distribución latitudinal y estacional de la radiación solar, que a su vez impulsan una serie de variaciones climáticas. Las variaciones orbitales juegan un papel importante en el ritmo de los patrones glaciales-interglaciales y monzónicos. Sus influencias se han identificado en los cambios climáticos de gran parte del Fanerozoico. Por ejemplo, los ciclomotores -que son lechos marinos, fluviales y de carbón intercalados característicos del subperíodo de Pensilvania (hace 318,1 millones a 299 millones de años)- parecen representar los cambios impulsados por Milankovitch en el nivel medio del mar.

Los gases de efecto invernadero son moléculas de gas que tienen la propiedad de absorber la radiación infrarroja (energía térmica neta) emitida desde la superficie de la Tierra y volverla a radiar hacia la superficie terrestre, contribuyendo así al fenómeno conocido como efecto invernadero. El dióxido de carbono, el metano y el vapor de agua son los gases de efecto invernadero más importantes, y tienen un profundo efecto en el presupuesto energético del sistema terrestre a pesar de que constituyen sólo una fracción de todos los gases atmosféricos. Las concentraciones de gases de efecto invernadero han variado sustancialmente durante la historia de la Tierra, y estas variaciones han impulsado cambios climáticos sustanciales en una amplia gama de escalas de tiempo. En general, las concentraciones de gases de efecto invernadero han sido particularmente altas durante los períodos cálidos y bajas durante las fases frías. Varios procesos influyen en las concentraciones de gases de efecto invernadero. Algunos, como las actividades tectónicas, operan en escalas de tiempo de millones de años, mientras que otros, como la vegetación, el suelo, los humedales y las fuentes y sumideros oceánicos, operan en escalas de tiempo de cientos a miles de años. Las actividades humanas -especialmente la combustión de combustibles fósiles desde la Revolución Industrial- son responsables del aumento constante de las concentraciones atmosféricas de diversos gases de efecto invernadero, especialmente el dióxido de carbono, el metano, el ozono y los clorofluorocarbonos (CFC).

Tal vez el tema más intensamente discutido e investigado sobre la variabilidad del clima sea el papel de las interacciones y retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre. Las retroalimentaciones implican diferentes componentes que operan a diferentes velocidades y escalas de tiempo. Las capas de hielo, el hielo marino, la vegetación terrestre, las temperaturas oceánicas, las tasas de meteorización, la circulación oceánica y las concentraciones de gases de efecto invernadero están todas influidas directa o indirectamente por la atmósfera; sin embargo, todas ellas también retroalimentan a la atmósfera, influyéndola así de manera importante. Por ejemplo, las diferentes formas y densidades de vegetación en la superficie terrestre influyen en el albedo, o reflectividad, de la superficie de la Tierra, afectando así al balance global de radiación a escalas locales y regionales. Al mismo tiempo, la transferencia de moléculas de agua del suelo a la atmósfera está mediada por la vegetación, tanto directamente (por la transpiración a través de los estomas de las plantas) como indirectamente (por las influencias de la sombra y la temperatura en la evaporación directa del suelo). Esta regulación del flujo de calor latente por parte de la vegetación puede influir en el clima a escalas locales y globales. Como resultado, los cambios en la vegetación, que están parcialmente controlados por el clima, pueden a su vez influir en el sistema climático. La vegetación también influye en las concentraciones de gases de efecto invernadero; las plantas vivas constituyen un importante sumidero de dióxido de carbono atmosférico, mientras que actúan como fuentes de dióxido de carbono cuando se queman por incendios o se descomponen. Estas y otras retroalimentaciones entre los diversos componentes del sistema terrestre son fundamentales tanto para comprender los cambios climáticos del pasado como para predecir los futuros.

Las actividades humanas
El reconocimiento del cambio climático mundial como una cuestión ambiental ha llamado la atención sobre el impacto climático de las actividades humanas. La mayor parte de esta atención se ha centrado en la emisión de dióxido de carbono mediante la combustión de combustibles fósiles y la deforestación. Las actividades humanas también producen emisiones de otros gases de efecto invernadero, como el metano (procedente del cultivo de arroz, el ganado, los vertederos y otras fuentes) y los clorofluorocarbonos (procedentes de fuentes industriales). Hay pocas dudas entre los climatólogos de que estos gases de efecto invernadero afectan al presupuesto de radiación de la Tierra; la naturaleza y la magnitud de la respuesta climática son objeto de una intensa actividad de investigación. Los registros paleoclimáticos de los anillos de los árboles, los corales y los núcleos de hielo indican una clara tendencia al calentamiento que abarca todo el siglo XX y la primera década del siglo XXI. De hecho, el siglo XX fue el más cálido de los últimos 10 siglos, y la década 2001-10 fue la década más cálida desde el comienzo de los registros instrumentales modernos. Muchos climatólogos han señalado este patrón de calentamiento como una clara evidencia de los cambios climáticos inducidos por el hombre como resultado de la producción de gases de efecto invernadero.

Un segundo tipo de impacto humano, la conversión de la vegetación por la deforestación, la forestación y la agricultura, está recibiendo una creciente atención como una fuente adicional de cambio climático. Cada vez es más evidente que los impactos humanos sobre la cubierta vegetal pueden tener efectos locales, regionales e incluso mundiales sobre el clima, debido a los cambios en el flujo de calor sensible y latente hacia la atmósfera y la distribución de la energía dentro del sistema climático. La medida en que estos factores contribuyen al cambio climático reciente y en curso es una importante área de estudio emergente.

El cambio climático en el transcurso de la vida humana
Independientemente de su ubicación en el planeta, todos los seres humanos experimentan la variabilidad y el cambio climático durante sus vidas. Los fenómenos más familiares y predecibles son los ciclos estacionales, a los que las personas ajustan su ropa, las actividades al aire libre, los termostatos y las prácticas agrícolas. Sin embargo, no hay dos veranos o inviernos exactamente iguales en el mismo lugar; algunos son más cálidos, húmedos o tormentosos que otros. Esta variación interanual del clima es en parte responsable de las variaciones de un año a otro en los precios del combustible, el rendimiento de los cultivos, los presupuestos de mantenimiento de las carreteras y los riesgos de incendios forestales. Las inundaciones provocadas por las precipitaciones en un solo año pueden causar graves daños económicos, como los de la cuenca de drenaje del río Misisipí superior durante el verano de 1993, y pérdidas de vidas, como las que devastaron gran parte de Bangladesh en el verano de 1998. También pueden producirse daños y pérdidas de vidas similares como resultado de incendios forestales, tormentas graves, huracanes, olas de calor y otros acontecimientos relacionados con el clima.

La variación y el cambio climático también pueden ocurrir en períodos más largos, como décadas. Algunos lugares experimentan múltiples años de sequía, inundaciones u otras condiciones duras. Esas variaciones decenales del clima plantean problemas para las actividades humanas y la planificación. Por ejemplo, las sequías plurianuales pueden perturbar el suministro de agua, inducir a la pérdida de cosechas y causar trastornos económicos y sociales, como en el caso de las sequías de Dust Bowl en el medio continente de América del Norte durante el decenio de 1930. Las sequías plurianuales pueden incluso causar una hambruna generalizada, como en la sequía del Sahel que se produjo en el norte de África durante los años setenta y ochenta.

Variación estacional
Todos los lugares de la Tierra experimentan una variación estacional del clima (aunque el cambio puede ser leve en algunas regiones tropicales). Esta variación cíclica es impulsada por los cambios estacionales en el suministro de radiación solar a la atmósfera y la superficie de la Tierra. La órbita de la Tierra alrededor del Sol es elíptica; está más cerca del Sol ( 147 millones de km [unos 91 millones de millas]) cerca del solsticio de invierno y más lejos del Sol (152 millones de km [unos 94 millones de millas]) cerca del solsticio de verano en el Hemisferio Norte. Además, el eje de rotación de la Tierra se produce en un ángulo oblicuo (23,5°) con respecto a su órbita. Por lo tanto, cada hemisferio está inclinado lejos del Sol durante su período de invierno y hacia el Sol en su período de verano. Cuando un hemisferio está inclinado lejos del Sol, recibe menos radiación solar que el hemisferio opuesto, que en ese momento está apuntado hacia el Sol. Así, a pesar de la mayor proximidad del Sol en el solsticio de invierno, el hemisferio norte recibe menos radiación solar durante el invierno que durante el verano. También como consecuencia de la inclinación, cuando el Hemisferio Norte experimenta el invierno, el Hemisferio Sur experimenta el verano.

El sistema climático de la Tierra está impulsado por la radiación solar; las diferencias estacionales en el clima resultan en última instancia de los cambios estacionales en la órbita de la Tierra. La circulación del aire en la atmósfera y del agua en los océanos responde a las variaciones estacionales de la energía disponible del Sol. Los cambios estacionales específicos del clima que se producen en cualquier lugar determinado de la superficie de la Tierra resultan en gran medida de la transferencia de energía de la circulación atmosférica y oceánica. Las diferencias en el calentamiento de la superficie que tienen lugar entre el verano y el invierno hacen que las vías de las tormentas y los centros de presión cambien de posición y fuerza. Estas diferencias de calentamiento también provocan cambios estacionales en la nubosidad, las precipitaciones y el viento.

Las respuestas estacionales de la biosfera (especialmente la vegetación) y la criosfera (glaciares, hielo marino, campos de nieve) también contribuyen a la circulación atmosférica y al clima. La caída de hojas de los árboles de hoja caduca al entrar en el letargo invernal aumenta el albedo (reflectividad) de la superficie de la Tierra y puede conducir a un mayor enfriamiento local y regional. De manera similar, la acumulación de nieve también aumenta el albedo de las superficies terrestres y a menudo amplifica los efectos del invierno.

Variación interanual
Las variaciones climáticas interanuales, incluidas las sequías, las inundaciones y otros acontecimientos, son causadas por una compleja serie de factores e interacciones del sistema terrestre. Una característica importante que desempeña un papel en estas variaciones es el cambio periódico de las pautas de circulación atmosférica y oceánica en la región del Pacífico tropical, conocido colectivamente como variación de El Niño-Oscilación Austral (ENSO). Aunque sus principales efectos climáticos se concentran en el Pacífico tropical, la ENOS tiene efectos en cascada que a menudo se extienden a la región del Océano Atlántico, al interior de Europa y Asia, y a las regiones polares. Estos efectos, denominados teleconexiones, se producen porque las alteraciones en las pautas de circulación atmosférica de baja latitud en la región del Pacífico influyen en la circulación atmosférica de los sistemas adyacentes y descendentes. Como resultado, las trayectorias de las tormentas se desvían y las crestas de presión atmosférica (zonas de alta presión) y las canalizaciones (zonas de baja presión) se desplazan de sus patrones habituales.

Como ejemplo, los eventos de El Niño ocurren cuando los vientos alisios del este en el Pacífico tropical se debilitan o invierten su dirección. Esto cierra el afloramiento de las aguas profundas y frías de la costa occidental de América del Sur, calienta el Pacífico oriental e invierte el gradiente de presión atmosférica en el Pacífico occidental. Como resultado, el aire de la superficie se desplaza hacia el este desde Australia e Indonesia hacia el Pacífico central y las Américas. Estos cambios producen grandes precipitaciones e inundaciones repentinas a lo largo de la costa normalmente árida del Perú y una grave sequía en las regiones normalmente húmedas del norte de Australia e Indonesia. Los fenómenos de El Niño particularmente graves provocan el fracaso de los monzones en la región del Océano Índico, lo que da lugar a una intensa sequía en la India y en África oriental. Al mismo tiempo, las trayectorias del oeste y de las tormentas se desplazan hacia el Ecuador, lo que proporciona a California y al desierto del sudoeste de los Estados Unidos un clima invernal húmedo y tormentoso y hace que las condiciones invernales en el noroeste del Pacífico, que suelen ser húmedas, se vuelvan más cálidas y secas. El desplazamiento de los vientos del oeste también provoca sequías en el norte de China y desde el noreste de Brasil a través de secciones de Venezuela. Los registros a largo plazo de la variación del ENOS a partir de documentos históricos, anillos de árboles y corales de arrecifes indican que los eventos de El Niño ocurren, en promedio, cada dos a siete años. Sin embargo, la frecuencia e intensidad de estos eventos varían a lo largo del tiempo.

La Oscilación del Atlántico Norte (OAN) es otro ejemplo de una oscilación interanual que produce importantes efectos climáticos dentro del sistema terrestre y puede influir en el clima en todo el hemisferio norte. Este fenómeno es el resultado de la variación del gradiente de presión, o la diferencia de presión atmosférica entre el máximo subtropical, situado normalmente entre las Azores y Gibraltar, y el mínimo islandés, centrado entre Islandia y Groenlandia. Cuando el gradiente de presión es pronunciado debido a un fuerte máximo subtropical y un bajo islandés profundo (fase positiva), Europa septentrional y Asia septentrional experimentan inviernos cálidos y húmedos con frecuentes y fuertes tormentas invernales. Al mismo tiempo, el sur de Europa es seco. El este de los Estados Unidos también experimenta inviernos más cálidos y menos nevados durante las fases positivas de la NAO, aunque el efecto no es tan grande como en Europa. El gradiente de presión se atenúa cuando la NAO está en un modo negativo, es decir, cuando existe un gradiente de presión más débil a partir de la presencia de un débil máximo subtropical y un mínimo islandés. Cuando esto sucede, la región del Mediterráneo recibe abundantes precipitaciones invernales, mientras que el norte de Europa es frío y seco. El este de los Estados Unidos es típicamente más frío y con más nieve durante una fase negativa de la NAO.

Durante los años en que la Oscilación del Atlántico Norte (OAN) se encuentra en su fase positiva, el este de los Estados Unidos, el sudeste del Canadá y el noroeste de Europa experimentan temperaturas invernales más cálidas, mientras que en estos lugares se encuentran temperaturas más frías durante su fase negativa. Cuando tanto el Niño/Oscilación Austral (ENSO) como la NAO se encuentran en su fase positiva, los inviernos europeos tienden a ser más húmedos y menos severos; sin embargo, más allá de esta tendencia general, la influencia del ENSO sobre la NAO no se comprende bien.

Los ciclos del ENSO y la NAO son impulsados por las retroalimentaciones e interacciones entre los océanos y la atmósfera. La variación climática interanual es impulsada por estos y otros ciclos, interacciones entre ciclos y perturbaciones en el sistema terrestre, como las que resultan de grandes inyecciones de aerosoles de las erupciones volcánicas. Un ejemplo de perturbación debida al vulcanismo es la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas en 1991, que provocó una disminución de la temperatura mundial media de aproximadamente 0,5 °C (0,9 °F) el verano siguiente.

Variación decenal
El clima varía en escalas de tiempo decenales, con grupos de varios años de condiciones húmedas, secas, frescas o cálidas. Estos grupos plurianuales pueden tener efectos dramáticos en las actividades y el bienestar humanos. Por ejemplo, una grave sequía de tres años a finales del siglo XVI probablemente contribuyó a la destrucción de la "Colonia Perdida" de Sir Walter Raleigh en la isla de Roanoke, en lo que hoy es Carolina del Norte, y una posterior sequía de siete años (1606-12) provocó una elevada mortalidad en la colonia de Jamestown, en Virginia. Además, algunos estudiosos han implicado a las sequías persistentes y graves como la principal razón del colapso de la civilización maya en Mesoamérica entre 750 y 950 d.C.; sin embargo, los descubrimientos de principios del siglo XXI sugieren que las perturbaciones del comercio relacionadas con la guerra desempeñaron un papel, posiblemente interactuando con las hambrunas y otras tensiones relacionadas con la sequía.

Aunque la variación climática a escala decenal está bien documentada, las causas no están del todo claras. Gran parte de la variación decenal del clima está relacionada con las variaciones interanuales. Por ejemplo, la frecuencia y la magnitud del ENOS cambian a lo largo del tiempo. Los primeros años de la década de 1990 se caracterizaron por repetidos eventos de El Niño, y se han identificado varias agrupaciones de este tipo que tuvieron lugar durante el siglo XX. La pendiente del gradiente del NAO también cambia en escalas temporales decenales; ha sido particularmente pronunciada desde el decenio de 1970.

Investigaciones recientes han revelado que las variaciones del clima a escala decenal son el resultado de las interacciones entre el océano y la atmósfera. Una de esas variaciones es la Oscilación Decadal del Pacífico (PDO), también conocida como Variabilidad Decadal del Pacífico (PDV), que implica cambios en las temperaturas de la superficie del mar (SST) en el Océano Pacífico Norte. Las TSM influyen en la fuerza y la posición de la Baja Aleutiana, que a su vez afecta fuertemente los patrones de precipitación a lo largo de la costa del Pacífico de Norteamérica. La variación de las TSM consiste en una alternancia entre los períodos de "fase fría", en los que la costa de Alaska es relativamente seca y el noroeste del Pacífico relativamente húmedo (por ejemplo, 1947-76), y los períodos de "fase cálida", caracterizados por una precipitación relativamente alta en la costa de Alaska y una precipitación baja en el noroeste del Pacífico (por ejemplo, 1925-46, 1977-98). Los registros de anillos de árboles y corales, que abarcan al menos los últimos cuatro siglos, documentan la variación del DOP.

Una oscilación similar, la Oscilación Multidecadal del Atlántico (OMA), se produce en el Atlántico Norte e influye fuertemente en los patrones de precipitación de América del Norte oriental y central. Una AMO de fase cálida (TSM del Atlántico Norte relativamente cálida) se asocia con precipitaciones relativamente altas en Florida y bajas en gran parte del Valle de Ohio. Sin embargo, el AMO interactúa con el PDO, y ambos interactúan con variaciones interanuales, como el ENSO y la NAO, en formas complejas . Tales interacciones pueden llevar a la amplificación de sequías, inundaciones u otras anomalías climáticas. Por ejemplo, las graves sequías que se produjeron en gran parte de los Estados Unidos conterminosos en los primeros años del siglo XXI se asociaron con la OMA de fase cálida combinada con la DOP de fase fría. Los mecanismos que subyacen a las variaciones decenales, como el PDO y la AMO, no se conocen bien, pero probablemente estén relacionados con las interacciones océano-atmósfera con constantes temporales más grandes que las variaciones interanuales. Las variaciones climáticas decenales son objeto de un intenso estudio por parte de los climatólogos y los paleoclimatólogos.