19世紀(jì)早期，古氣候的研究材料主要來源于歐洲和北美。由于當(dāng)時北美前寒武紀(jì)晚期冰川沉積尚未發(fā)現(xiàn)，所以認(rèn)為整個地質(zhì)時期的氣候都是溫暖的，直到第三紀(jì)氣候才開始變冷，到第四紀(jì)更新世出現(xiàn)冰川。把高緯度地區(qū)指示溫暖氣候的沉積與化石，認(rèn)為是熱帶或亞熱帶氣候曾達(dá)到極地附近的證據(jù)。
19世紀(jì)后期至20世紀(jì)初期，在南大陸發(fā)現(xiàn)晚古生代冰磧物以后，地質(zhì)學(xué)家不再把冰川看作是更新世特有的古氣候現(xiàn)象。于是對高緯度地區(qū)曾存在溫暖氣候的事實產(chǎn)生了另一種解釋，即地質(zhì)時期古地理面貌與現(xiàn)在不同，各大陸及相對的極地曾發(fā)生過大規(guī)模的位移。這就是魏格納大陸漂移說的基礎(chǔ)之一。與此同時，先后有不少論述古氣候的論著，從而奠定了古氣候?qū)W的基礎(chǔ)。
20世紀(jì)50年代以后，利用現(xiàn)代大氣物理學(xué)研究成果，古氣候?qū)W在研究方法、測試技術(shù)、古氣候成因研究以及應(yīng)用上都有較大的發(fā)展。還把地球的熱平衡、輻射分布、大氣環(huán)流、洋流、氣候帶等理論應(yīng)用到古氣候的研究中去。此外，還對影響古氣候的地內(nèi)和地外原因進(jìn)行深入探討。
另一重要的進(jìn)展是根據(jù)氧同位素對古氣溫的測定。60年代以后，古代海洋和大陸溫度定量恢復(fù)方法的發(fā)展，對第四紀(jì)大冰期陸、海、冰古地理的恢復(fù)，大氣海洋一般環(huán)流模式及冰期氣候的模擬，及地球軌道變化對氣候的影響的研究等，使古氣候?qū)W取得了很大發(fā)展。
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