氣候變遷指在較長的一段時間裏，一個或幾個氣候要素有規律地變化的過程，通常用不同時期的溫度和降水量等氣候要素的差異來表現。氣候變遷的時間尺度往往是幾百年、幾千年、幾萬年甚至更長。
地球上各種自然現象都在不斷變化之中，氣候也不例外。據地質考古資料、曆史文獻記載和氣候觀測記錄分析，地球上的氣候一直不停地在發生周期性的變化。從時間尺度和研究方法來分析，地球氣候變化可分為3個階段：
（1）地質時期氣候變化：是指距今22億~1萬年前的氣候變化。這個時期氣候變化的幅度很大，它不但形成了各種時間尺度的冰河期和間冰河期的相互交替，同時也相應地存在著生態係統、自然環境等的巨大變遷。按當前的科學概念，地質時期的氣候變化是體現了大氣、海洋、大陸、冰雪和生物圈等組成的氣候係統的總體變化。
（2）曆史時期氣候變化：是指1萬年左右以來，特別是人類有文字記載以來的氣候變化，是近代氣候變化的背影。由於曆史時期可供考證的文物古跡、文字記載和氣象觀測記錄更加豐富，所以用曆史記載所得出的資料是彌補現代儀器觀測資料年代太短的手段。
循環的氣候變遷（3）近代氣候變化：是指近200～300年以來的儀器觀測時期。隨著近代氣象觀測儀器的出現，可以普遍使用精確的氣象觀測記錄來研究氣候變化。
大冰期與氣候變化
關於地球遠古時代的氣候，隨著時代的久遠，我們的認識有些模糊不清。地球形成為行星大約在55億年前，從那時候開始直到46億年前，地球上充滿原始大氣，並且逐漸逃逸。從46億年前開始，地球進入到地質年代，逐漸產生次生大氣。大約在30億年前，地球上出現生命，開始改造地球大氣，到寒武紀，大氣才被生物改造成現在這個樣子。但是，對古代以前的古氣候，我們幾乎是一無所知，到了古生代，古氣候狀況才逐漸清楚起來。
我們大體上知道，在地質時期反複經過幾次大冰期，其中從古生代以來，就有3次大冰期。它們是：震旦紀大冰期、石炭紀二疊紀大冰期、第四紀大冰期。大冰期之間是比較溫暖的間冰期。
每2次冰期之間，大約是2億～3億年。為什麼有這樣長的周期呢？一種意見認為，可能與造山運動有關係。地質上的大造山運動，往往使地麵起伏程度加大，全球變冷。因為山脈越高，引起大氣的熱機效率就越高，上升運動增強，雲雨增多，反射率增大，地麵接收的太陽輻射能量減少，地表變冷。
3次大冰期與地質時代三次強烈的造山運動相對應。震旦紀大冰期產生在元古代末地殼運動以後，石炭紀二疊紀大冰期與海西運動相對應，第四紀大冰期與喜馬拉雅運動對應。這不是偶然的。現在，喜馬拉雅山還在升高，造山運動並未停止，所以第四紀大冰期還遠未結束。現在，喜馬拉雅運動還不到7000萬年，第四紀大冰期還隻200多萬年。所以，這次大冰期還會延續下去，至少還要持續1萬～2萬年。
另一種意見認為，地質曆史上的大冰期和大間冰期，是由於地球的黃道傾斜的大波動造成的。這種觀點認為，黃道傾斜的範圍是在0°~54°之間，黃道傾斜大的時期代表著冰川流行的時期，在3次大冰期期間，黃道傾斜曾有過10°～23.5°的變化。
那麼，造山運動為什麼也有2億～3億年的周期呢？地球黃道傾斜為什麼也有2億～3億年的波動呢？澳大利亞人威廉斯認為，這種氣候變遷與地球在銀河係的位置有關係。因為地球不停地繞太陽公轉。整個太陽係也繞著銀河係中心公轉。這樣轉一圈的時間約2.5億年，太陽係又回到原來的位置。
第四紀冰期的氣候變化