Климат, как известно, формируется под воздействием совокупности многих климатообразующих факторов, наиболее важными из которых считаются светимость Солнца и расстояние до него, эксцентриситет земной орбиты, положение земной оси в пространстве и угловая скорость вращения Земли, географическое распределение материков и океанов, высота суши над уровнем моря, общая циркуляция атмосферы и океана. Температурные условия на поверхности Земли, кроме того, зависят от массы атмосферы, объема океанических вод, альбедо земной поверхности. Исключительно важным фактором стабилизации климата следует считать Мировой океан, непрерывное существование которого подтверждено на отрезке времени более трех миллиардов лет.
Температура на поверхности Земли за последние три миллиарда лет не претерпевала таких сильных изменений, какие могли бы оказаться губительными для существования земных форм жизни. Во всяком случае, в среднем на Земле всегда были температурные условия, удовлетворяющие сохранению больших объемов жидкой воды. Воды Мирового океана никогда полностью не испарялись и не превращались в лед. Периодически возникавшие на разных этапах истории Земли крупные покровные оледенения, по-видимому, отмечались лишь в тех случаях, когда в околополюсном районе оказывался континент, как это имеет место сегодня в Антарктиде и Гренландии (ее тоже можно считать небольшим континентом).
Расположение континентов и океанов, достаточно близкое к современному, установилось к началу кайнозойской эры (около 67 млн лет тому назад). В кайнозое климат Земли был наиболее теплым в эоценовую эпоху, около 55 млн лет тому назад. Средняя годовая температура воздуха в Европе в то время была выше 22 °С (заметим, что в настоящее время средняя температура воздуха на поверхности Земли около 15 °С). По данным палеоокеанологии, температура глубинных вод в экваториальном поясе Тихого океана составляла 14 °С. Температура воды океанов в придонных слоях низких широт соответствует температуре поверхностных вод полярных бассейнов. То есть термический режим северного океана, который сегодня мы называем Ледовитым, в середине эоцена совершенно исключал возможность образования там морских льдов.
С середины эоцена началось очень медленное, но почти непрерывное понижение температуры, продолжавшееся до начала четвертичного периода. Объяснение причин кайнозойского похолодания климата пока находится на уровне многочисленных и нередко противоречивых гипотез, поэтому здесь этот вопрос не рассматривается, как не окончательно еще разработанный.
Особенностью кайнозойского похолодания климата была пространственная неравномерность остывания. Околополярные районы теряли тепло значительно быстрее, чем экваториальные. Так, средняя годовая температура воздуха в экваториальном поясе понизилась на 3 °С, а в полосе широт 70—80° Северного полушария на 26 °С. Особенно сильно обострились контрасты между летним и зимним сезонами.
В июле температура воздуха понизилась на экваторе на 4 °С, а на 75° с. ш. на 18 °С, соответственно, в январе понижение составило 2, 5 °С и 40 °С. Из этих данных видно, что одновременно с общим похолоданием в кайнозое существенно нарастали контрасты между полюсом и экватором, между холодным и теплым сезонами.
Наиболее сильно остывала Антарктида, занявшая к тому времени свое положение в южном околополюсном районе. Признаки покровного оледенения на этом континенте появились не позднее 20 млн лет тому назад, но в виде, близком к современному, антарктический ледяной щит сформировался около
4 млн лет тому назад. Оледенение Гренландии возникло много позже и окончательно сформировалось около 3 млн лет тому назад. Такая задержка может быть объяснена тем, что этот крупнейший остров находится почти в тысяче километров от полюса, а кроме того, сказывалось отепляющее влияние северного океана, который, хотя и сильно охладился, но еще не стал ледовитым.
Большие перепады температур между тропиками и полярными областями неизбежно вызывают усиление зональной составляющей в общей циркуляции атмосферы. Широтная зональность климата в свою очередь обостряет сезонные колебания. Происходит усиление переноса воздушных масс, насыщенных влагой, с акваторий Северной Атлантики и северной части Тихого океана на материки Евразии и Северной Америки, что увеличивает там количество атмосферных осадков и приводит к соответствующему увеличению объема речного стока. Особенности рельефа Евразии таковы, что основная доля речного стока направлена в северный океанический бассейн, где в результате стал увеличиваться приток пресных вод.
Значительную роль в преобразовании климата в кайнозое сыграли также горообразовательные процессы. Установлено, что Альпийская и Гималайская горные страны за последние 10—12 млн лет поднялись на 2—3 км. Увеличение высоты континентов неизбежно сопровождается понижением приземной температуры воздуха, а поднятие горных массивов выше снеговой линии создает условия для возникновения ледников.
Продолжавшееся охлаждение земной поверхности в сочетании с ростом сезонных контрастов температуры привело к тому, что часть осадков стала выпадать в твердом состоянии, в виде снега. Появление значительных заснеженных пространств в холодную половину года привело к резкому увеличению альбедо земной поверхности. Напомним, что ровная поверхность, покрытая свежевыпавшим снегом, способна отразить обратно в атмосферу до 95% падающей солнечной радиации (при среднем альбедо Земли около 30%).
Подобное сочетание климатообразующих факторов создает эффект так называемой положительной обратной связи, когда в цепочке последовательных преобразований создаются условия для усиления первоначальных изменений. Остывание земной поверхности понизило температуру до точки замерзания воды и вызвало тем самым появление твердых атмосферных осадков; появление заснеженных пространств увеличило альбедо поверхности и сократило приток солнечного тепла; это в свою очередь привело к еще большему похолоданию.
После образования гренландского ледяного щита покровные оледенения начали возникать на островах крупных арктических архипелагов — Шпицбергене, Земле Франца-Иосифа, Новой Земле, Северной Земле. В то же время на отмелых приустьевых участках сибирских рек, подверженных сильному опреснению, стали создаваться условия для образования морских льдов. Появление на арктическом шельфе морского ледяного покрова еще увеличило долю отраженной солнечной радиации. Процесс охлаждения северной полярной области значительно ускорился.
Климатообразующие факторы существенных изменений в кайнозойскую эру не претерпели. Из-за приливного трения, замедляющего вращение Земли вокруг оси, продолжительность суток увеличивается на 17 секунд за миллион лет. В то же время продолжительность года сохраняется, то есть в начале кайнозоя в сутках насчитывалось 23 ч 41 мин, а в году было 370 суток. Угол наклона плоскости экватора Земли к плоскости ее орбиты за последние 30 млн лет менялся в пределах от 22, 068 до 24, 568° с периодичностью около 41 тысячи лет. Эксцентриситет орбиты Земли, сегодня равный 0, 017, менялся от 0, 0007 до 0, 0658 с периодичностью около 1000 лет. Эти колебания пренебрежимо малы. Светимость Солнца оставалась на современном уровне. Почти не изменялись масса и состав атмосферы. Географическое распределение материков и океанов практически соответствовало современному.
К началу плейстоцена (1, 5—2 млн лет тому назад) средняя годовая температура воздуха в Европе опустилась до 10 °С, а температура воды на поверхности северного океанического бассейна понизилась до 2, 2 °С. Количество пресной воды, поступавшее на поверхность северного океана в виде атмосферных осадков и речного стока, превысило величину испарения, и пресная составляющая в водном балансе северной полярной области стала преобладать. Началось формирование поверхностной холодной распресненной водной массы — древнего аналога современной поверхностной арктической воды.
На этом фоне в плейстоцене произошло резкое изменение климата. Медленное охлаждение, постепенно увеличивавшее суровость климата на протяжении нескольких десятков миллионов лет, сменилось резкими ритмическими колебаниями высокой амплитуды с периодичностью порядка ста тысяч лет. На поверхности Евразии и Северной Америки стали возникать обширные покровные оледенения, сменявшиеся относительно короткими промежутками межледниковий. Сегодня не представляется возможным со всей определенностью датировать начало этих колебаний. По разным оценкам, переход к колебательному режиму произошел в промежутке времени от 1 млн до 700 тыс. лет тому назад. В плейстоцене выделено пять главных эпох оледенения, причем каждая состояла из двух или трех стадий. Самым интенсивным было Рисское (по отечественной терминологии — Днепровское) оледенение, состоявшее из двух стадий, максимумы которых датируются около 230 и 190 тыс. лет тому назад. Тогда в Северном полушарии площадь континентального оледенения превышала современную в 13 раз. Концентрация большого количества пресной воды на материках сопровождалась понижением уровня Мирового океана на 120 м ниже современного, что приводило к увеличению поверхности суши до 163 млн км2. Последнее, Вюрмское оледенение достигало максимума 18 тыс. лет назад.