Iklim bumi memiliki variasi dalam sejarahnya, dari zaman es yang ditandai dengan lapisan es besar yang menutupi berbagai area di daratan, sampai periode hangat tanpa es di kutub. Beberapa faktor telah mempengaruhi perubahan iklim di masa lalu, termasuk variabilitas matahari, aktivitas vulkanik dan perubahan komposisi atmosfer. Data dari inti es Antartika mengungkapkan cerita yang menarik selama 400.000 tahun terakhir. Selama periode ini, CO2 dan suhu sangat erat hubungannya, yang berarti mereka bangkit dan jatuh bersama-sama. Namun, berdasarkan data inti es Antartika, perubahan CO2 mengikuti perubahan suhu sekitar 600-1000 tahun, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1 di bawah ini. Hal ini menyebabkan beberapa hal untuk menyimpulkan bahwa CO2 tidak bisa bertanggung jawab untuk pemanasan global saat ini.

Gambar 1: catatan inti es Vostok untuk konsentrasi karbon dioksida dan perubahan suhu.

Pernyataan ini tidak menceritakan keseluruhan cerita. Perubahan awal suhu selama periode ini dijelaskan oleh perubahan orbit bumi dalam mengelilingi matahari, dimana mempengaruhi jumlah sinar matahari musiman yang mencapai permukaan bumi. Dalam kasus pemanasan, jeda antara temperatur dan CO2 dijelaskan sebagai berikut: suhu laut meningkat, lautan melepaskan CO2 ke atmosfer. Pada gilirannya, pelepasan ini menguatkan tren pemanasan, menyebabkan lebih banyak lagi CO2 yang dilepaskan. Dengan kata lain, peningkatan kadar CO2 menjadi sebab dan akibat dari pemanasan yang lebih lanjut. Umpan balik positif ini diperlukan untuk memicu pergeseran antara glasials dan interglasials, sebagai dampak dari perubahan orbit yang terlalu lemah untuk menyebabkan variasi tersebut. Tambahan umpan balik positif memainkan peranan yang penting dalam proses ini, termasuk gas rumah kaca lainnya, dan perubahan tutupan vegetasi dan pola lapisan es.

Sebuah studi 2012 oleh Shakun et al. memandang perubahan suhu 20.000 tahun yang lalu (transisi glasial-interglasial terakhir) dari seluruh dunia dan menambahkan lebih detail  bagi pemahaman kita tentang hubungan perubahan suhu dan CO2. Mereka menemukan bahwa:

• Siklus orbital bumi memicu pemanasan di Kutub Utara sekitar 19.000 tahun yang lalu, menyebabkan sejumlah besar es mencair, membanjiri lautan dengan air tawar.

• Masuknya air tawar kemudian terganggu oleh sirkulasi arus laut, yang pada gilirannya menyebabkan jungkat jungkit panas antara belahan bumi.

• Belahan bumi selatan dan samudranya yang pertama hangat, dimulai sekitar 18.000 tahun yang lalu. Sebagaimana Samudra Selatan menghangat, kelarutan CO2 dalam air menurun. Hal ini menyebabkan lautan untuk melepaskan lebih banyak CO2, menuju ke atmosfer.

Sementara siklus orbital memicu pemanasan awal, secara keseluruhan, lebih dari 90% dari pemanasan glasial-interglasial terjadi setelah kenaikan CO2 di atmosfer (Gambar 2)

Gambar 2: suhu rata-rata global (biru), suhu Antartika (merah), dan konsentrasi CO2 di atmosfer (titik kuning). Sumber .