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本節討論氣候及其在非常長的地質時間尺度上的變化。這些時間尺度大於幾個世紀，在所謂的古記錄中存在著重要的千年和萬年訊號。一些研究專門針對古代氣候；這類工作通常被稱為古氣候學（也稱為古海洋學或古地理學）。
雖然對所有相關主題的綜述超出了本華夏公益教科書的範圍，但對古氣候的一些討論可以闡明氣候系統的自然變化。這包括不太遙遠的氣候，例如“小冰期”的氣候，以及被稱為冰期的全球尺度振盪。在比冰期更長的時間尺度（105 年）上，與大氣和海洋相關的地質過程導致了更大的氣候變化。雖然這些氣候非常有趣，但這裡將忽略它們。