지구가 태양을 공전하는 유일한 행성이라면 타원궤도는 거의 변화하지 않는다. 그러나 목성과 토성이 함께 공전하면서 중력의 영향을 받아 타원괘도가 계속 바뀐다. 공전궤도가 원에서 얼마나 벗어나는지를 나타내는 지표가 이심률(eccentricity)이다. 이심률이 낮을수록 원에 가깝다. 거의 원형(0.005의 낮은 이심률)에서 완만한 타원 모양까지(0.058의 높은 이심률) 변하고 평균 이심률은 0.028이다(2020년대의 공전 궤도 이심률은 0.017이다.). 지구의 공전궤도는 약 10만년과 40만 년 주기로 변한다. 지구의 공전궤도가 주기적으로 타원에서 거의 원형으로 바뀌었다가 다시 타원으로 바뀌는 것이 빙하기의 시작과 끝을 설명해줄 수 있다. 또한 지구 공전궤도의 자전축의 기울기는 22.1도에서 24.5도까지 2.4도의 폭으로 약 4만1천 년을 주기로 변화한다. 지구 자전축의 흔들림은 약 2만 1천년 주기로 변동한다.
약 10만년 주기로 변하는 지구 공전궤도의 이심률과 약 4만년 주기의 자전축 변화를 기초로 밀란코비치(Milutin Milanković, 1879~1958)는 지구가 태양으로부터 가장 멀어졌을 때 빙하기가 왔다고 주장했다. 즉 지구 공전궤도가 변화함에 따라 ‘차가운 여름(cool summers)’이 이어지면서 빙하기가 왔다는 것이다. 이것이 바로 ‘밀란코비치 주기(Milankovitch cycles)’이다. 그의 주장은 큰 호응을 얻었지만 지구상에서 일어난 빙하의 생성 과정을 구체적으로 설명할 수 없었다. 이후 남극의 얼음 중심에서 채취한 산소와 질소의 비가 10만년을 주기로 변해온 것이 알려져서 주목을 받았다.
실제로 300만 년 동안 기온은 점차 떨어지고 빙하기 주기가 늘었다. 260만 년 전 북반구와 고위도 지역에 빙상이 형성됐고 4만 년 주기의 빙하기 순환이 나타났다. 120만 년 전에는 이 주기가 약 10만 년으로 증가해 빙상이 더 크게 커졌다.
이러한 기후 변화가 인류의 진화에 영향을 준다는 것은 화석과 고고학적 증거로 입증되었다. 고대 인류의 서식지는 2만 1천년에서 40만 년까지의 시간 주기에서 발생한 천문학적 변동으로 인한 기후 변화에 따라 이동했다. 200만~100만 년 전 초기 아프리카 인류는 기후가 안정적인 특정지역에만 살았다. 100~80만년 전후로 빙하기와 간빙기의 주기가 약 4만 1천년에서 10만년 주기로 바뀌며 더 춥고 오래 지속되는 빙하기를 겪었다. 당시 호모 하이델베르크인(Homo heidelbergensis)은 다양한 식량에 적응하여 유럽과 동아시아의 먼 지역까지 이주했다.
2026년 연구에 의하면 290만~120만 년 전 사이에 대기 중 이산화탄소 농도는 약 20ppm 감소했고, 120만~80만 년 전에는 큰 변화 없이 안정적으로 유지됐다. 300만 년 간 지구 기후가 냉각되는 과정에서 온실가스 농도는 미미하게 감소한 것이다. 이 기간 메탄 농도도 뚜렷한 변화가 없었다. 반면 해양 평균 온도는 300만년 동안 2~2.5℃가 하락했다. 온실가스보다 해양 온도변화가 기후변화와 더 상관관계가 있다. 그렇다고 온실가스가 기후변화의 원인이 아니라는 것은 아니다. 해양온도 하락도 온실가스 감소로 인한 것일 수도 있다. 한편 분석에 사용되누 된 빙 핵(먼지 같은 작은 입자에 얼음 알갱이가 붙여진 것) 기록은 지층이 쌓인 순서(층서)가 뒤섞여서 빙하기 주기의 정밀한 복원이 어렵고 간빙기에 눈이 더 많이 쌓여 왜곡된 정보일 수 있다.
https://www.nature.com/articles/s41586-025-10032-y
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10116-3
기후변화는 여러 요인이 복잡하게 얽혀있다. 온실가스로 인한 온난화에 연구에 대해서는 2021년 노벨상이 수여되어 입증된 사실이다.