Dấu hiệu của sự thay đổi khí hậu được lấy từ nhiều nguồn khác nhau có thể được sử dụng để tái hiện lại khí hậu trong quá khứ. Những ghi chép toàn cầu hoàn chỉnh mang tính hợp lý về nhiệt độ bề mặt bắt đầu được ghi nhận từ giữa sau thế kỷ XIX. Đối với những giai đoạn trước đây, hầu hết đều là dấu hiệu ghi nhận gián tiếp - biến đổi khí hậu được suy ra từ những thay đổi proxy, các nhân tố phản ánh khí hậu như thảm thực vật, lõi băng,[20] khí hậu thực vật, thay đổi mực nước biển và địa chất sông băng.

Dấu hiệu từ lịch sử và khảo cổ

Biến đổi khí hậu trong thời gian gần đây có thể được ghi nhận từ những biến đổi tương ứng về các kiểu định cư và nông nghiệp.[21] Dấu hiệu khảo cổ học, lịch sử thành văn và lịch sử truyền miệng có thể cung cấp hiểu biết về những biến đổi khí hậu trong quá khứ. Những ảnh hưởng của biến đổi khí hậu cũng có liên hệ với sự sụp đổ của các nền văn minh.[21]

Sông băng

Sông băng Baltoro ở Bắc Pakistan, một trong những sông băng dài nhất thế giới.Biểu đồ sự suy giảm độ dày của sông băng trên thế giới.

Sông băng được xem là một trong những đối tượng dự báo nhạy cảm nhất của biến đổi khí hậu.[22] Kích thước của sông băng được xác định bởi sự cân bằng giữa lượng tuyết hòa vào và lượng tuyết tan ra. Khi nhiệt độ ấm lên, chiều dài sông băng lùi dần, trừ khi lượng tuyết tăng lên đủ bù vào lượng băng bị tan chảy; việc này cũng đúng cho điều ngược lại.

Sông băng mở rộng hơn và thu hẹp lại do sự thay đổi của tự nhiên lẫn sự tác động từ bên ngoài. Sự thay đổi về nhiệt độ, lượng tuyết rơi, lượng nước nằm giữa và dưới lớp băng có thể mang tính chất quyết định đến biến đổi của sông băng trong một khoảng thời gian đặc biệt. Do đó, một sông băng vốn hình thành từ nhiều sông băng nhỏ khác nhau phải tốn trung bình hàng thế kỉ hoặc thậm chí lâu hơn để tan ra bởi tác động của những biến đổi ngắn hạn của vùng. Chính vì vậy, lịch sử sông băng chứa đựng trong mình nó những thông tin có liên quan đến biến đổi khí hậu.

Việc thu thập tài liệu theo dõi và đánh giá sông băng trên thế giới đã được tiến hành từ những năm 1970, ban đầu chủ yếu dựa vào những bức ảnh trên không và bản đồ, nhưng ngày nay phụ thuộc vào các vệ tinh nhiều hơn. Việc đánh giá kết hợp này được thực hiện với hơn 100.000 sông băng bao phủ một diện tích khoảng 240.000 km2, và ước tính sơ bộ cho thấy lượng băng bao phủ còn lại là khoảng 445.000 km2. Tổ chức Giám sát Sông băng Thế giới (WGMS) thu thập dữ liệu hàng năm về mức độ lùi dần của sông băng và sự cân bằng lượng sông băng. Từ những dữ liệu này có thể nhận thấy sông băng trên toàn thế giới đã thu hẹp đáng kể, với sự lùi dần mạnh của những sông băng trong những năm 1940, có điều kiện ổn định hoặc phát triển trong những năm 1920 và 1970, và một lần nữa bắt đầu giảm từ giữa những năm 1980 đến nay.[23]

Những quá trình biến đổi khí hậu lớn nhất từ giữa sau thế Pliocen (khoảng 3 triệu năm trước) thuộc các chu kỳ băng hà và gian băng. Giai đoạn gian băng hiện nay (thế Holocen) đã kéo dài khoảng 11.700 năm.[24] Do băng lục địa và mực nước biển được định hình do thay đổi quỹ đạo, những phản ứng như tăng hoặc giảm các dải băng lục địa và thay đổi mực nước biển tạo nên khí hậu. Tuy nhiên, những thay đổi khác, bao gồm sự kiện Heinrich, sự kiện Dansgaard-Oeschger và Younger Dryas, là bằng chứng cho biết sự biến đổi băng cũng có thể ảnh hưởng đến khí hậu mà không liên quan gì đến ảnh hướng của quỹ đạo.

Sông băng để lại sau nó băng tích có chứa các chất giá trị - có thể truy ngược để xác định được tuổi, bao gồm chất hữu cơ, thạch anh, và Kali - đánh dấu những giai đoạn sông băng tiến triển và rút lui. Tương tự, bằng các kỹ thuật địa lý đặc biệt nghiên cứu tro núi lửa, người ta có thể xác định được sự giảm diện tích bao phủ của sông băng qua việc xác định thời gian lắng xuống của đất hoặc các lớp riêng biệt của tephra - một loại tro núi lửa phun ra từ một vụ nổ.

Thực vật

Sự thay đổi về loài đại diện, sự phân bố và mức độ bao phủ của các thảm thực vật có thể xảy ra do biến đổi khí hậu, điều này rất dễ nhận thấy. Trong bất kỳ tình huống nào, một sự thay đổi khí hậu nhẹ cũng có thể dẫn đến tăng lượng mưa hoặc tuyết và tăng mức ấm áp, dẫn đến tăng trưởng thực vật được cải thiện và kéo theo việc hấp thụ nhiều CO2 trong không khí hơn. Tuy nhiên, những thay đổi triệt để hơn, mức độ lớn hơn hay tốc độ xảy ra nhanh hơn cũng có thể dẫn đến tác động lớn lên thực vật, nhiều loài nhanh chóng biến mất và trong mốt số trường hợp có thể xảy ra hiện tượng sa mạc hoá.[25]

Lõi băng

Các thông tin từ việc phân tích phần lõi băng khoan từ một khối băng như khối băng Nam Cực, có thể được sử dụng để cho thấy mối liên hệ giữa nhiệt độ và biến đổi mực nước biển toàn cầu. Không khí bị mắc kẹt ở dạng bong bóng trong băng cũng có thể cho biết những biến đổi nồng độ CO2 trong khí quyển từ quá khứ xa xôi, trước khi chịu ảnh hưởng từ môi trường hiện đại. Nghiên cứu các lõi băng sẽ đưa ra được những chỉ số quan trọng về sự thay đổi lượng CO2 qua hàng ngàn năm, và tiếp tục cung cấp những thông tin có giá trị về sự khác nhau giữa điều kiện không khí cổ xưa và hiện đại.

Khí hậu thực vật

Vân gỗ của cây.

Khí hậu thực vật là ngành phân tích các dạng vòng gỗ tăng trưởng của cây từ đó xác định biến đổi khí hậu từng xảy ra trong quá khứ. Những vòng lớn và dày cho biết cây đã trải qua giai đoạn phát triển đủ nước và màu mỡ. Trong khi những vòng mỏng, hẹp thể hiện thời gian cây hưởng lượng mưa thấp hơn và điều kiện lý tưởng để phát triển cũng kém hơn.

Phân tích phấn hoa

Hình ảnh qua kính hiển vi điện tử của hạt phấn hoa từ nhiều loại thực vật phổ biến.

Phân tích phấn hoa là bộ môn khoa học hiện đại nghiên cứu về lĩnh vực hóa thạch ở kích thước tế bào, bao gồm cả phấn hoa. Phân tích phấn hoa được sử dụng để suy ra sự phân bố địa lý của các loài thực vật từng thay đổi theo điều kiện khí hậu khác nhau. Những nhóm thực vật khác nhau có hình dạng và cấu tạo bề mặt phấn hoa rất đặc thù. Do lớp ngoài của phấn hoa được cấu thành từ một lớp chất liệu có tính đàn hồi rất cao nên đã ngăn ngừa cho phần bên trong bị hư hại. Sự thay đổi trong các loại phấn hoa được tìm thấy từ những lớp trầm tích khác nhau - trong các hồ, đầm lầy hay vùng châu thổ - cho biết các thay đổi ở thế giới thực vật. Những thay đổi này thường là dấu hiệu của biến đổi khí hậu.[26][27] Ví dụ như những nghiên cứu về phương pháp phân tích phấn hoa đã được sử dụng để theo dõi sự thay đổi ở các mẫu thực vật trong suốt kỷ băng hà thứ tư,[28] và đặc biệt là trong thời kì băng giá nhất của kỉ băng hà cuối cùng.[29]

Côn trùng

Một số loài bọ cánh cứng.

Những loài bọ cánh cứng còn sót lại sống chủ yếu tại những vùng nước ngọt và trầm tích đất đai. Các loài bọ cánh cứng khác không có xu hướng được tìm thấy trong những điều kiện khí hậu khác nhau. Do giống bọ cánh cứng rất đa dạng với số lượng lớn và có cấu trúc di truyền không thay đổi đáng kể qua hàng ngàn năm, việc nghiên cứu dựa trên những loài bọ cánh cứng khác nhau sẽ đem lại kiến thức về phạm vi khí hậu hiện tại, xác định được tuổi của các trầm tích còn sót lại, từ đó có thể suy ra điều kiện khí hậu trong quá khứ.[30]

Thay đổi mực nước biển

Sự thay đổi mực nước biển toàn cầu trong nhiều thế kỷ qua đã được ước tính bằng cách sử dụng các máy đo thủy triều, các số liệu đo được đối chiếu trong thời gian dài để đưa ra một mực nước trung bình dài hạn. Gần đây hơn, máy đo độ cao - kết hợp với sự định vị chính xác của các quỹ đạo vệ tinh - đã cung cấp một phương pháp đo sự thay đổi mực nước biển toàn cầu cải thiện hơn.[31] Trước khi các công cụ đo lường máy móc được đưa vào sử dụng, các nhà khoa học đã xác định độ cao mực nước biển thông qua các dấu vết trên những rặng san hô, những lớp trầm tích ven biển, trên thềm biển, hạt trong đá vôi và những di tích khảo cổ còn sót lại gần bờ biển. Các phương pháp định tuổi có nhiều ưu điểm là phương pháp urani-thori và cacbon phóng xạ, còn phương pháp định tuổi hạt nhân vũ trụ đôi khi được áp dụng để xác định tuổi các bề mặt (thềm) đã trải qua sự giảm mực nước biển.