1700'lerde Sanayi Devrimi'nden bu yana insan etkinliği son küresel ısınmayı tetiklerken, normal atmosferik değişimler sonucu meydana gelen doğal iklim değişikliği de var. Tipik olarak, iklim değişikliği, bir bölge ile sınırlandırılabilse de, dünya genelinde hava koşullarında sürekli bir değişim anlamına gelir. Doğal iklim değişikliğine, plaka tektoniği, okyanus varyasyonları, gezegenin eğimi, yörüngesel dalgalanmalar ve güneş çıkışındaki değişiklikler dahil olmak üzere çeşitli faktörler veya iklim zorlamaları neden olabilir.
Bilim adamları 1800'lerden bu yana iklim değişikliğini kaydetmiş olsalar da, havadaki önceki değişikliklerin sözlü tarihlerden, yazılı belgelerden ve arkeolojik kanıtlardan toplanması gerekir. Bilim adamları, buzulları genellikle doğal bir iklim değişikliğinde mercek olarak kullanırlar; bir buzulun ilerleyişine, soğuk bir büyüye işaret ettiğinde veya geri çekildiğinde, bir sıcaklık süresi olduğunu gösterir. Buz çekirdeği numuneleri aynı zamanda atmosferdeki belirli bir zamanda bulunan karbondioksit miktarı hakkında bilgi sağlayarak antik havaya ışık tutuyor. Bitkiler, hayvanlar, böcekler ve polen fosilleri iklim değişikliğini göstermek için belirli türler farklı koşullar altında yaşadıklarından dolayı da kullanılabilir. Bu kanıt, buz çağları ve sıcaklık dönemleri ile işaretlenmiş bir iklim döngüsüne işaret eder ve tarih öncesi zamanlara kadar uzanır.
Doğal iklim değişikliğinin önemli sebeplerinden biri plaka tektoniğine ve karasal kaymaya bağlanabilir. Okyanus ve kıtasal kabukların hemen altında veya Dünya'nın insanların görebildiği kısmı, Litosfer adı verilen sert bir katman olarak yatıyor. Litosfer, daha derin, daha sıcak ve daha akışkan bir katman üzerinde hareket eden plakalara bölünmüştür. Bu plakalar, özellikle plakaların taşlayabileceği, depremlere neden olan, birbirinden uzaklaşan, depremlere ve jeotermal sıcak noktalara neden olan sınırlarda, depremlere, dağlık alanlara, volkanlara ve okyanus siperlerine neden olan toprak kütlelerinin yeniden yapılandırılmasına neden olmaktadır. Bu yeniden yapılanma, dünyanın bir bölgesinden diğerine kara kütlelerini hareket ettirir, rüzgar ve okyanus akıntılarını değiştirir ve bölgesel veya küresel doğal iklim değişikliğine yol açabilecek tüm faktörler olan volkanlar üretir.
Volkan patlamaları, Dünya üzerinde soğuma etkisine neden olur. Volkan patlarken, atmosfere kül ve kükürt dioksit atıyor. Bu malzeme, rüzgarın hareketi ile dünyaya dağılmış atmosferde bir örtü oluşturur. Kül ve kükürt dioksit, güneş ışığının atmosfere girmesini ve Dünya'yı ısıtmasını engeller. Bu güneş ışığı olmadan, Dünya soğumaya başlar.
Bu, güneş ışığının atmosfere yeryüzünden serbestçe geçmesine izin veren, ancak ışığın uzaya doğru geri gitmesini engelleyerek ısınma etkisine neden olan karbondioksit gibi sera gazlarından farklıdır. İnsan faaliyetleri, karbondioksit emisyonlarında bir yükselişe ve Dünya'nın atmosferdeki karbondioksiti kaldırma yeteneğinde bir düşüşe neden oldu.
Dünyanın pozisyonundaki değişimlerin Güneş'e olan kombine etkileri de doğal iklim değişikliğine katkıda bulunur. Yıl boyunca, Dünya eğimini değiştirir, böylece kuzey ucu yılın kabaca yarısı için Güneş'e, güney ucu ise diğer yarısı için Güneş'e ve mevsimsel iklim değişikliğine neden olur. Eksen veya Dünya'nın üzerinde döndüğü ve döndüğü çizgi de, Dünya'nın bazı alanlarını diğerlerinden daha doğrudan güneş ışığına sokmak için zaman içinde çok az değişiklik gösterir. Ek olarak, Dünya'nın yörüngesi yıl boyunca değişir, böylece yılın bazı noktalarında Güneş'e ve sıcağına diğerlerinden daha yakın olur.
Okyanus konveyör kayışı olarak da bilinen Dünya okyanuslarındaki termohalin dolaşımı da doğal iklim değişikliğini etkiler. Genel olarak, termohalin dolaşımı, dünyanın farklı yerlerine ısı taşıyan derin okyanus akıntılarıdır. Bu süreç büyük ölçüde eşitsiz yoğun ve az yoğun kitlelerin kendilerini dengeleştirme arayışları tarafından yönlendirilmektedir. Bu dolaşımdaki değişiklikler, ısının Dünyaya nasıl dağıldığını ve okyanusun atmosferden ne kadar karbon dioksit çıkarabildiğini değiştirir.
