در بررسی عوامل تغییرات آب و هوایی، اگر چه خورشید منشأ اصلی و نهایی آب و هواست، ولی نوسان آب و هوایی ممکن است از عوامل زیر نشات گرفته باشد:
1) تابش خورشید که تشعشع امواج الکترو مغناطیس با طول موج های مختلف است. Ultraviolet ماوراء بنفش ، Infrared مادون قرمز، Particle transmission انتشارذرات همانند بادهای خورشیدی .
2) علل مرتبط با گردش زمین (Orbital factors) که فاصله زمین با خورشید را متأثر می سازد و به طور پیوسته همراه با ماه و نظم قرار گرفتن کرات در حال تغییر است .
3) فاکتورهای زمینی که شامل: عرض جغرافیایی ، توپوگرافی ، تبادل هوا دریا، جریانهای اقیانوسی و گردش اتمسفری می شود.
در این میان علل مرتبط با فرآیند گردش زمین به دور خورشید، کمتر شناخته شده است. نظر به اهمیت متغیرهای مرتبط با مکانیزم گردش انتقالی و گردش وضعی و دوره های آب وهوایی به بررسی این موضوع می پردازیم:
دانشمندان مصر و بابل قدیم، نخستین اخترشناسانی بودند که به رصد ستارگان پرداختند. آنها با پژوهش در آسمان و سپهر ، صورتهای فلکی را نقشه برداری کرده و مسیری را که خورشید در آسمان ظاهر می شود، تشخیص داده و دوره هایی را که ماه و خورشید از عرض آسمان عبور می کنند تخمین زده بودند. اما یک اختر شناس یونانی به نام Hipparchus نخستین اکتشاف عمده نجوم را به سرانجام رساند . او با مقایسه مشاهدات افزون بر یک قرن قبل از زمان زندگی خود، به این نتیجه رسید که به نظرمی رسد چرخش آسمان به تدریج و بسیار آهسته تغییر می کند.
در حدود 120 سال قبل از میلاد ، Hipparchus با مقایسه مشاهدات خود و اطلاعات قبلی به این نتیجه رسید که در مدت 169 سال محل طلوع و غروب خورشید (در روزی که طول شب و روز برابر است و کاملا" در موقعیت شرقی غربی اتفاق می افتد) به میزان 2 درجه تغییر کرده است .
اما در این میان نخستین کسی که به صورت سیستماتیک به وجود چرخه ها و دوره های مشخص در گردش زمین به دور خورشید اشاره نمود، یک ریاضیدان اهل صربستان به نام Milutin Milankovich است که در دهه 1930 تئوری خود را تحت عنوان Astronomical theory of climate ارائه کرد. هر چند این موضوع پس از او به چرخه های میلانکوویچ معروف شد، اما او نخستین فردی نبود که پارامتر چرخش زمین را به آب و هوا مرتبط دانست و قبل از او Adhemarا(1842) و Croll (1875) دانشمندانی بودند که درباره این موضوع بحث کرده بودند .
میلانکوویچ اظهار می دارد: آشفتگی و اختلاف در انحراف محور زمین و نیز تغییر در مسیر چرخش زمین به دور خورشید ، مقدار تشعشع وارده خورشید به یک منطقه معین از زمین یا تابش در عرضهای مختلف را متأثر می سازد.
تغییرات درجه حرارت حاصل از این پدیده ها در اتمسفر، موجب تغییر آب و هوایی و در نتیجه گسترش یا ذوب کلاهک یخی قطبی، افزایش یا کاهش حرارتی اقیانوسها می شود که هر دو این پدیده ها موجب نوسان سطح آب دریاها در مقیاس جهانی می گردد.
سه متغیر عمده در ارتباط با گردش زمین به دور خورشید قابل تامل و بررسی است:
1 تغییرات در شدت نیروی گریز از مرکز؛ eccentricity : این پدیده تغییر تدریجی در شکل مسیر گردش از یک مسیر نسبتاً دایره ای با ضریب بیضوی تقریباً صفر (0) تا کمی بیضوی با ضریب حدود 06/0 است. دوره های حاصل از این حرکت شامل 95 هزار سال، 123 هزار سال (که چرخه های 100 هزار ساله را می سازد) و نیز دوره 413 هزار ساله است. شکل زیر این تغییرات را نشان می دهد:
(تصاویر در فایل اصلی موجود است)
2 - تغییر زاویه کج شدگی محور زمین؛ Obliquty : این میزان انحراف در واقع نوسان بین زاویه محور زمین و صفحه ای که مدار گردش زمین به دور خورشید در آن قرار دارد می باشد و میزان آن از 8/21 تا 4/24 درجه تغییر می کند. این نوسان هر 41 هزار سال تکرار می شود. شایان گفتن است، این مبحث، کج شدگی محور زمین و نه جهت آن را مورد بحث قرار می دهد. مقادیر بالای زاویه انحراف محور زمین موجب افزایش اختلاف درجه حرارت بین زمستان و تابستان در عرضهای بالا می شود و بیشترین تغییر در نواحی قطبی است
3 - تغییرات در لرزش محوری یا رقص محوری؛ Precession : این فرآیند یک پدیده پیچیده است که شامل دو مؤلفه می شود. نخست لرزش محور چرخش زمین و دوم مسیر لغزش محور حول یک بیضوی می باشد. دوره حاصل از این لغزش یا رقص محوری چرخه های 19 و 23 هزار ساله (میانگین 21 هزار سال) را ایجاد می کند.
نتیجه این پدیده تغییر جهت محور چرخش زمین نسبت به خورشید است؛ به نحوی که سبب تغییر در روزهایی از سال که شب و روز برابر دارند (equinoxes) می شود. در حال حاضر ، زمین در نیمکره شمالی نزدیکترین فاصله را در زمستان با خورشید دارد. در حدود 11 هزار سال دیگر زمین کوتاهترین فاصله با خورشید را در تابستان نیمکره شمالی تجربه می کند . این پدیده تابستان گرمتر و زمستان سردتر را سبب می شود.