Det finns en rad naturliga processer och fenomen som påverkar klimatet på olika tidsskalor. Medan vissa naturliga processer är snabba och kan påverka klimatet från ett år till ett annat, sker andra mycket långsamt och leder till att klimatet påverkas i en viss riktning under miljontals år.

Cykliska variationer över tusentals år 

Under de senaste 2,6 miljoner åren – den tid vi kallar kvartärtiden – har klimatet successivt blivit kallare. Detta beror bland annat på att världsdelarnas läge i förhållande till polerna har förskjutits, vilket är en effekt av den ständigt pågående kontinentaldriften. Det har gjort att värmeutbytet från varma till kalla breddgrader blivit allt sämre. Antarktis har till exempel hamnat i ett isolerat läge mitt över sydpolen, något som lett till att denna kontinent i stor utsträckning täckts av inlandsis.

Det finns också ett samband mellan klimatets svängningar under kvartärtiden och variationer i jordklotets läge i förhållande till solen. Jordaxelns lutning och formen på jordklotets bana runt solen ändrar sig med en regelbundenhet på många tusen år. Detta leder till långsamma förändringar i solinstrålningen och säsongsvariationerna på jorden. Denna förskjutning i balansen av solenergin som når jorden påverkar klimatet. Undersökningarna av sediment från oceanernas botten visar att jordens temperatur under kvartärtiden har varierat i takt med dessa förändringar av jordbanan. Variationerna kallas Milankovich-cykler och sker med en periodicitet på ungefär 500 000 år, 100 000 år, 40 000 år och 20 000 år.

En effekt av detta är till exempel istiderna, som har inletts när norra halvklotet får en låg solinstrålning under sommarhalvåret. Förändringarna av solinstrålningen är dock så små att de inte ensamma kan förklara den stora och snabba sänkning av temperaturen som kännetecknar inledandet av en istid. Utöver solinstrålningen finns det dessutom olika så kallade feedbackeffekter som påverkar klimatet indirekt. När olika delar av de globala vädersystemen påverkas av variationer i solinstrålningen, kan det leda till att utbytet av värme från varmare till kallare breddgrader förändras. Detta skulle för vår del kunna leda till att den varma Golfströmmen inte längre når våra breddgrader, och att temperaturen i Europa skulle sjunka drastiskt. 

Återkopplingsmekanismer 

Klimatsystemet påverkas av återkopplingsmekanismer som antingen förstärker eller försvagar effekten av en process. Ett exempel är kopplat till hur markytan antingen reflekterar eller absorberar solens strålar. Markytan har olika förmåga att reflektera ljuset beroende på om den täcks av snö, vegetation, jord, åkermark osv. Eftersom snö i stor utsträckning reflekterar bort solens strålar, leder ett permanent snötäcke ibland till att temperaturen sjunker ytterligare. En snötäckt yta kan alltså fungera som en förstärkande effekt som leder till ett allt kallare klimat. Ett kallare klimat gör dessutom att sommarens värme inte förmår smälta bort vinterns snö. Den snö som varje år ackumulerar packas med tiden ihop till is som långsamt börjar röra sig när den nått stor mäktighet. På detta sätt kan en inlandsis bildas. 

En mekanism som har en positiv återkoppling på den globala uppvärmningen är avdunstningen av vattenånga. I en varmare värld avdunstar alltmer vatten, vilket leder till högre koncentrationer av vattenånga i atmosfären. Då vattenånga är en kraftfull växthusgas leder detta till ökad uppvärmning av atmosfären. Avdunstningen stiger därför ytterligare, och så vidare.

Partiklar i atmosfären 

Koncentrationen av partiklar i atmosfären har stor inverkan på klimatet. De kan ha antingen en uppvärmande eller avkylande effekt beroende på vad partikeln består av.

Vissa partiklar, eller aerosoler som man kan kalla dem, har en förmåga att få solstrålningen att reflektera tillbaka ut i rymden istället för att nå jordens yta. Detta gäller till exempel för mineralpartiklar och aska från vulkanutbrott. Vulkanutbrott kan på detta sätt påverka klimatet globalt eftersom partiklarna från ett stort utbrott kan hindra solinstrålningen att nå in genom atmosfären. Istället reflekteras värmeenergin och jorden kyls ned. På samma sätt kan vissa aerosoler från industriella utsläpp ge en avkylande effekt.

Ett undantag utgörs av sot. Dessa partiklar ger istället en värmande effekt på atmosfären, då de mycket effektivt absorberar solens strålar och på så sätt värmer upp atmosfären. Sot kommer upp i atmosfären vid ofullständig förbränning av olika slag, till exempel vid skogsbränder.

Partiklar påverkar också bildandet av moln ur vattenånga. Precis som koldioxid kan vattenånga fungera som en växthusgas. Moln däremot kan ge en omvänd effekt genom ökad reflektion av solens strålar. Partiklar spelar således en viktig men komplex roll i de globala klimatsystemen. Aerosolernas sammanlagda klimatpåverkan är svår att uppskatta och i FNs klimatpanels rapport från 2013 noteras att man tidigare överskattat partiklars förmåga att kyla ned atmosfären. Molnbildning kopplat till aerosoler utgör dessutom en stor osäkerhetskälla i IPCCs uppskattningar av den sammanlagda effekten av alla klimatpåverkande faktorer. 

Solaktivitet och klimat  

Solaktiviteten kan variera från år till år och kan på så sätt påverka klimatet på en relativt kort tidsskala. Dess inverkan är dock relativt liten jämfört med effekten från växthusgaser och partiklar. Solaktiviteten är kopplad till hur solens magnetfält och kosmiska strålning varierar i intensitet över tid. Den varierar med en periodicitet på 11 år som man brukar kalla solcykeln. Under perioder då solaktiviteten är ovanligt hög brukar man säga att solen uppvisar så kallade solfläckar.

I vissa naturliga arkiv, till exempel trädringar, bevaras den kemiska sammansättningen från den kosmogena strålningen. Genom att analysera trädringarna kemiskt kan man på så sätt studera hur solaktiviteten varierat bakåt i tiden. Solaktivitetens inverkan skulle kunna påverka klimatet via strålningsbalans samt molnbildning. Det saknas fortfarande en enkel förklaringsmodell som visar på en koppling mellan solaktiviteten och klimatet på jorden. Satellitmätningar av solstrålningen sedan 1986 visar att solaktiviteten inte har påverkat temperaturökningarna som har skett globalt under denna period. Man har heller inte hittat något robust samband mellan den kosmiska strålningen och molnbildning.