Son consideradas como causas naturales aquellas que no son producidas por la actividad humana, entre las que se cuentan las siguientes:

1. Variaciones en la órbita de la Tierra.

El factor principal que produce cambios en el clima es el movimiento de la Tierra. Los movimientos de rotación y de traslación de la Tierra no son constantes, sino que cambian en períodos largos de tiempo. Esto produce cambios en el clima por variaciones en la distribución estacional y latitudinal de la radiación solar entrante. Tres características de los movimientos de la Tierra en órbita alrededor del Sol han sido consideradas como factores que influyen en la cantidad de radiación solar incidente en superficie y su distribución con la latitud. La primera es la excentricidad, la segunda es la oblicuidad y la tercera es la precesión. El astrónomo Yugoslavo Milutin Milankovitch (1879-1954) formuló un modelo matemático que considera estas variaciones en la órbita terrestre, llamados ciclos de Milankovitch.

a) Variaciones en la excentricidad de la órbita de la Tierra alrededor del Sol.

Johannes Kepler (1571 - 1630), astrónomo alemán, descubrió que la Tierra se mueve en una órbita elíptica alrededor del Sol, lo que hace que se encuentre ligeramente mas cerca del sol en algún momento del año, y un poco mas lejos en otro momento. Ya que la cantidad de radiación solar que llega a la Tierra varia con la distancia al Sol, la superficie terrestre recibe mas radiación solar en el perihelio (el punto mas cercano al Sol) y menos radiación en el afelio (el mas alejado). Casi 200 años después de Kepler, el astrónomo francés Urbain Leverrier (1811 - 1877) descubrió que la órbita cambia gradualmente de mas elíptica a mas circular. Posteriormente, Milankovitch calculó que este cambio tiene un periodo de entre 100 mil a 400 mil años, y es el resultado de la atracción gravitacional sobre la tierra de otros planetas. Esta variación en la elipticidad de la órbita se llama excentricidad. Por esta razón, cambia la energía solar que llega a la Tierra, y por lo tanto el clima.

b) Variaciones en la oblicuidad, esto es cambios en el ángulo de inclinación del eje de la Tierra con el plano de su órbita.

El eje de rotación terrestre no forma un ángulo recto con el plano de la eclíptica, sino que tiene una inclinación de 23.5°, inclinación que se llama oblicuidad. La oblicuidad de la Tierra varia de 22.5° a 24.5° con una periodicidad de aproximadamente 41 mil años. Esto produce grandes cambios en las estaciones. En la actualidad la inclinación del eje es 23.5º y está disminuyendo a razón de 48” de arco cada siglo.

c) Precesión:

semejante en parte a un trompo, la Tierra está precesando lentamente cuando gira en torno a su eje. Alrededor de 125 AC, el astrónomo griego Hipparcos de Rodas (190AC-120AC) descubrió que el polo norte de la Tierra no apunta siempre en la misma dirección entre las estrellas. La orientación del polo norte en el espacio cambia muy lentamente, con un periodo de 26 mil años. Este movimiento, llamado precesión, lo podríamos pensar como si el eje de la tierra formara un cono en el espacio, barriendo un cono completo cada 26 mil años. En la actualidad el eje de la Tierra apunta hacia la estrella del Norte (figura), pero en 13000 años en el futuro apuntará hacia la estrella Vega. La causa de la precesión es la atracción del Sol y de la Luna en el material “sobresaliente” o protuberancia, en el ecuador de la tierra. Esto genera significativos cambios climáticos, porque cambia la posición donde se producen los solsticios de verano e invierno, haciendo que estas estaciones ocurran en épocas diferentes a las del presente.

2. Variabilidad solar.

El Sol es una estrella variable y la energía por él emitida varía con el tiempo. Su efecto es claro: un aumento (disminución) de la energía recibida del Sol produce un calentamiento (enfriamiento) en el sistema tierra - atmósfera. Los resultados de los modelos climáticos indican que un aumento del 2% de la energía entrante debería producir el mismo cambio climático que una duplicación del dióxido de carbono en la misma cantidad de tiempo, aunque cabe destacar que mientras la energía solar se concentra en los trópicos, el efecto invernadero afectaría más a las altas que a las bajas latitudes. Si la radiación solar se incrementa en el futuro, tal como ha ocurrido en los últimos 50 años, entonces se reforzará el efecto invernadero, de lo contrario podría haber una pequeña atenuación del mismo.

3. Tectónica de placas.

Los continentes están continuamente reubicándose, con movimientos muy lentos acercándose o alejándose hacia el Ecuador, los polos o en otra dirección, produciéndose lentos cambios en el clima.

4. Actividad volcánica.

Cambia la reflectividad de la atmósfera y reduce la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra. Si la actividad volcánica es suficientemente intensa, se puede acumular gran cantidad de cenizas y gases contaminantes en la atmósfera, que pueden permanecer en suspensión por largos periodos de tiempo, atenuando la radiación solar que llega a la superficie, produciendo las correspondientes alteraciones en el comportamiento del clima.