במהלך ההיסטוריה חלו שינויי אקלים גדולים בכדור הארץ - בין עידני קרח בהם כוסתה רוב היבשה בכיפות קרח גדולות, לתקופות חמות שבהן הפשיר הקרח בקטבים. קיימים כמה גורמים שהשפיעו על שינויי האקלים האלה, ביניהם קרינת השמש, פעילות וולקנית ושינויים בהרכב האטמוספירה. נתונים שמקורם בגלעיני קרח שנקדחו באנטרקטיקה חושפים את שינויי האקלים לאורך 400,000 השנים האחרונות. במהלך התקופה הזו, קיימת התאמה מובהקת בין הטמפרטורה לבין ריכוז הפחמן הדו-חמצני, כלומר - תקופות של טמפרטורה גבוהה חופפות לתקופות של ריכוז גבוה בפחמן הדו חמצני, ולהפך. על פי הנתונים האלה, השינוי בריכוז הפחמן הדו-חמצני עוקב אחרי שינויי הטמפרטורה בהפרש של 600 עד 1000 שנים, כפי שרואים בתמונה 1 להלן. הממצא הזה הוביל למסקנה שלמעלה - פחמן דו חמצני אינו יכול להיות הגורם להתחממות גלובלית.

תמונה 1: ריכוז פחמן דו חמצני וטמפרטורה, על פי מדידות שבוצעו בגלעין הקרח בווסטוק, אנטרקטיקה.

התאור בפסקה הקודמת אינו משקף את התמונה המלאה. הגורמים הטבעיים המניעים את הבדלי הטמפרטורה המתוארים בגרף הם שינויים במסלול כדור הארץ סביב השמש, המשפיעים על כמות הקרינה המגיעה לפני כדור הארץ. במצב של התחממות, טמפרטורת האוקיינוסים עולה, והם משחררים פחמן דו חמצני לאטמוספירה. העליה בריכוז הפחמן הדו חמצני מגבירה את אפקט ההתחממות וגורמת לכך שעוד פחמן דו חמצני ישתחרר. כך נוצר משוב חיובי - ריכוז הפחמן הדו חמצני מהווה גורם ותוצאה כאחד. זהו ההסבר ל"עיכוב" בעליית הריכוז ביחס לנקודת הזמן שבה החלו הטמפרטורות לעלות. המשוב החיובי הזה הכרחי כדי ליצור את המעבר מתקופת קרח לתקופה בין קרחונית. השינויים במסלול כדור הארץ והפרשי הקרינה הנגזרים מהם אינם מספיקים לבדם ליצור את השינוי. תהליכי משוב אחרים שתורמים לתהליך קשורים לגזי חממה נוספים, לשינויים בכיפות הקרח ובכיסוי הצמחיה.

מחקר משנת 2012 שבוצע על ידי שאקון ושותפיו, בחן את שינויי הטמפרטורה שחלו לפני 20,000 שנים (עם סיומו של עידן הקרח האחרון והמעבר לתקופה הבין קרחונית הנוכחית) ברחבי העולם. המחקר העמיק את ההבנה של מנגנוני ההשפעה ההדדית בין ריכוזי הפחמן הדו חמצני לבין הטמפרטורה. להלן סיכום הממצאים:

השינוי במסלול כדור הארץ גרם להתחממות האזור הארקטי לפני 19,000 שנים מה שהביא להפשרת קרח, ולהתווספות כמות גדולה של מים מתוקים לאוקיינוסים. שטף המים המתוקים השפיע על משטר הזרמים באוקיינוס, ויצר מעבר של חום בין שני חצאי כדור הארץ.

ההתחממות החלה בחצי הכדור הדרומי, בערך לפני 18,000 שנים. התחממות האוקיינוס הדרומי גרמה לירידה ברמת המסיסות של פחמן דו חמצני במים, וחלק ממנו השתחרר לאטמוספירה.

הגורם הראשוני להתחממות היה, אם כך, השינוי במסלול כדור הארץ, אך יותר מ-90% מההתחממות שהביאה לסיומו של עידן הקרח התרחשה אחרי שריכוז הפחמן הדו חמצני החלו לעלות.

תמונה 2: טמפרטורה גלובלית ממוצעת (כחול), טמפרטורה אנטרקטית (אדום) וריכוז פחמן דו חמצני באטמוספירה (צהוב מקווקו).