我们相信间冰期的存在，在过去3·5亿年间，地球上曾经出现过多次极其寒冷的冰河期，间冰期便是在时间上位于寒冷冰河期的“山峰”之间的较为暖和的“山谷”。我们知道地球上的温带地区冬天雪花飘飞，春天冰雪融化。目前，两极被冰雪覆盖。这意味着按照地球的气候史来看，我们目前正处在凉爽时期。恐龙生活了2·5亿年，当它们在地球上悠闲地“散步”的时候，地球比现在热得多，那时候绿树还长到北极附近。据推测，最后一次冰河期结束于1·2万年前。大约2万年前，天气是如此晴朗，河马还在英格兰东南部赫特福德郡漫游。19世纪，这种丛林动物尸骨的发现引起了科学家的重视，它也是促使科学家开始去研究地球过去的气候变化的几个因素之一。在地球过去的某个时期，我们现在凉爽的北纬地区接近热带温度；而在另外一个时期，气候是如此寒冷，以至于冰雪覆盖了北美的大部分地区，甚至覆盖到南面的纽约和伊利诺伊。
后来，地质学家的目光从19世纪的赫特福德郡的河马转移到了令人迷惑的石头——化石，特别是遍布英格兰、欧洲北部和北美部分地区的牡蛎壳化石上。这些各种各样的化石是从哪里来的呢？着名的英国地质学家威廉·巴克兰认为它们可能是在《圣经》中记载的洪水过后沉积下来的。但是其他人很快给出了也许更加科学的答案，第一个把冰河期和化石（石堆）联系起来的人是让·路易·阿加西，这个瑞士科学家起初是一个动物学家，后来成为现代地质学的奠基者之一，1846年移居美国后成为哈佛大学的教授，他的思想影响了一代科学家。当他于19世纪30年代在瑞士阿尔卑斯山研究冰河的时候，他注意到阿尔卑斯山最近缩小过，并发现了在英格兰到处都能找到的牡蛎壳化石。他因此得出结论：冰河曾经覆盖的地区远不止阿尔卑斯山和北部地区。后来，随着地质学家的继续挖掘，更多的这种含有化石的地层被发现了。这意味着冰河有好几次沿着欧洲和北美洲向南部移动，每次开始新的移动之前都隔了一段长的时间。一种对地球过去的新的认识诞生了：地球曾经遭遇过多次的冰河期。
大多数冰河期留下的证据都是不完整的，地球表面形貌在不断改变，同时也把这些证据弄得面目全非。但是经过过去的一个半世纪，特别是从20世纪20年代以后，人们已经学会了如何去辨认冰河期往复的一般模式。一次大规模的冰河期开始于石炭纪中期，即3·25亿年前，一直延续到2·6亿年前的二叠纪。那次冰河期接下来是一次温暖期，那时候恐龙正处于繁衍兴旺时期。随后的3500万年间，冰河期变得普遍，平均每10万年就发生一次，这个数字是估计的，可能有较小的出入。这个不完整的时间标度意味着科学家可以有很多解释，这也为不同理论和争论的存在打开了方便之门。
当不同领域的科学家开始严肃思考冰河期为何会发生的时候，都不能忽略一个明显的出发点，那就是在地球不同历史时期，全球平均温度必须有很大的变化，这种变化最基本的原因是到达地球表面的太阳能的多少。据了解，即使在19世纪，地球绕太阳的运动轨道也并非如我们行走的街道般稳定。直到20世纪20年代，南斯拉夫数学家米卢丁·米兰科维奇才精确地计算出了影响地球在太空运行的三个重要因素。第一，地球以椭圆轨道运行而不是正圆——它的轨道更像一个鸡蛋的卵形而不像一个棒球的圆形。另外，这个椭圆轨道有点反常——轨道会从椭圆形逐渐向圆形转变，然后又变成椭圆形，这个周期为10万年。第二，地球是倾斜的，与铅垂线方向的倾角在24·5°与21·5°（目前正在这两个极值的中间）之间变化，变化周期为4·1万年。第三，地球还围绕地轴作螺旋形自转，就像一个“摇头晃脑”的陀螺，这种摆动称为“岁差”。它保持2·2万年的周期，另外每隔1·9万年会出现一次小的跳跃。
米兰科维奇花了将近30年的时间致力于通过一组方程揭示这三种反常现象与冰河期出现的关系。他认为当“岁差”周期和倾角周期达到它们的极端的时候，到达地面的太阳能将大大减少，冰河将再一次开始扩张。科学家们尽管对影响地球环绕太阳运行的椭圆轨道的10万年的周期感到有些怀疑，但还是认为它是有道理的。地球公转轨道从椭圆到圆再到椭圆变化的幅度小于0·3％，这相对于宇宙尺度来说微不足道。但是，人们知道地球大气容易受极其微小的因素影响，因此即使利用最先进的计算技术，要想预报范围小于300英里（482公里）区域的长期天气情况也是很困难的事。因此一些科学家愿意接受这样的事实，即尽管地球轨道只有0·3％的改变也可能引起全球气候发生极大的变化。
但是，米兰科维奇的方程仍然只是一个理论。支持这一理论的证据终于在1976年出现了。当时，研究者发现海洋底部有一些特殊的沉积物，它记录了过去数千年来海水温度的变化，堪称海水温度的指示器。原来，沉积物中含有一些被称为“有孔虫的贝壳”，有孔虫的贝壳的化学组成随着海水温度变化而变化，这种化学成分就是氧元素。这种动物贝壳中氧元素的普通同位素O-16与比它更重的同位素O-18的比率随着海水温度变化而变化，当地球变冷时，海水温度较低，有孔虫的贝壳中O-16的含量较少，因为在寒冷时期，在地面形成的冰河会捕获这种同位素。沉积物的发现和随之而来的实验室测定工作都是艰辛而又繁重的，但是这种工作也是卓有成效的。通过对深海钻探获得的最深层的沉积物的测定表明，白垩纪时期的海洋温度比我们现在的温度高出将近20度。这是一个巨大的变化。不是很激烈但是非常明显的变化已经被发现了，它与开始于11·5万年前的逐渐变冷（那时，英格兰实际上还是热带）一致。这种变冷一直延续到1·5万年前的最后一次冰河期的顶峰，那时，覆盖纽约北部的冰达1英里厚——最后，冰的消融露出了长岛，冰融化后的水把陆地变成海洋。
西方科学家钻探格陵兰岛极地冰盖的深处，从中取出的冰核样品和俄罗斯科学家在南极洲花了很长时间取得的冰核样品证实并扩散了海底的发现。氧的同位素的比率再一次被作为测量的标准，因为冰形成了不同的冰层，就像树木的年轮一样，从格陵兰岛和南极还获得了许多更详细的数据以助于确定地球过去2500万年间冷、暖的时间。即使这些证据全都支持米兰科维奇的理论，经过几十年来的研究，一些科学家越来越觉得这一理论最多只能提供80％的理由说明为什么冰河期会发生，事情似乎仍没有完结。
格陵兰岛的冰核样品本身提供了另一个主要因素的线索，1979年，一个名叫汉斯·厄斯杰的瑞士物理学家前往格陵兰岛，加入了纽约州立大学的切斯特·兰韦领导的小组，通过压碎冰样品，收集到数千年前被冰捕获的气泡中的气体，厄斯杰发现1·2万年前当世界开始变暖时与1·7万年前最近的冰河期比较，二氧化碳水平在每100万份中高出100份。当这些结果公之于众的时候，新的验证工作在深海沉积物中进行，它得出了同样的结果，二氧化碳似乎是一种加强地球大气的太阳能循环效果的气体。
这种机制是如何起作用的呢？许多着名的科学家已经从不同方向解决了这个问题。我们现在知道那是“温室效应”。在最近的新闻中，我们经常听到关于全球气候变暖的争论，事实上，“温室效应”使得地球上有可能存在生命，最近争论的焦点是全球温度升高是否会引起全球气候失控。我们也知道在这个过程中最重要的因素之一是大气中二氧化碳含量上升。
为什么大气中二氧化碳含量在没有人类打破平衡的干预下会上升或下降呢？许多科学家认为在地球历史的不同时期，有不同的原因。例如，白垩纪的变暖可能是地球表面植被迅速扩张的结果。这种植被利用空气中的二氧化碳但是又释放出二氧化碳，随着新的植物物种的繁盛，总的二氧化碳水平是增加的；在另一个时期，海洋植物的数量大大增加，可能吸收大气中的二氧化碳，而把它捕获到水下，造成气候变冷，最终打破平衡引发新的冰河期。
同样，据推测，地球板块的运动和它们所创造的大陆块可能会影响气候。今天，墨西哥暖流把温暖的赤道海水从大西洋带到英格兰，给那块高纬度上的“绿色与美好的土地”带来了相对的温暖。也许在250万年前中美洲大陆的出现导致太平洋和大西洋之间水流的停止引发了北半球冰河期的发生。在1500万年前，南极洲和南美洲的分离可能造成了最近一次的全球变冷。
另外一个相当有争议的理论是基于岩石的侵蚀过程，它是由美国化学家哈罗德·尤里发现的（他因此获得了1934年的诺贝尔奖）。在尤里反应中，含硅酸盐的石头在被侵蚀过程中会消耗大气中的二氧化碳，如果它们被掩埋并经历无数年后又被火山喷发抛出地面，它们能把二氧化碳重新释放回大气，美国气候学家莫林·雷蒙和威廉·拉迪曼认为，冰河期可能与喜马拉雅山和安第斯山崛起时形成的大规模的山脉及随后当它们被侵蚀时从大气中吸取二氧化碳有关。但是，这在解释全球气候变暖时显得证据不充分，因为，科学家认为人类燃烧矿物燃料就像火山爆发一样释放出大量的二氧化碳进入大气。
在过去的几年间，一个新的理论几乎每年都受到宣扬，至少在科学杂志上如此。1997年，加州大学伯克利分校的理查德·A·穆勒和国际应用系统分析学会的戈登·J·麦克唐纳把米兰科维奇循环用于电脑模型。现在已经证实，每年有3万吨宇宙尘降落到地球表面而没有被我们注意到。用20世纪60年代一句很生动的短语来说，这些宇宙尘是混在“飘飞的尘埃”之中的。穆勒和麦克唐纳推测地球每10万年穿过一个特别的宇宙尘带，由于它的轴是倾斜的，结果落到地球表面的宇宙尘埃的数量增加至危机的程度；另外两个研究者华盛顿卡内基协会的斯蒂芬·J·科腾坎普和佛罗里达大学的斯坦利·F·德莫提容用另外一个计算机模型测试了这个猜想。他们于1998年宣布宇宙尘埃数量的增加不是因为地球倾斜的缘故而是由地球绕太阳运行轨道的形状而引起的，这个发现与米兰科维奇的原始方程更接近。根据1999年5月的一条科学新闻的报道，加州理工大学的肯尼思·A·法利发现沉积物确实显示宇宙尘每10万年增加3倍，但是模型预测在某一个点上宇宙尘的数量应当有所下降。“这真的很奇特。”法利总结道。
1999年出现了一个新的面向空间的理论，这个理论必须能够解释宇宙射线的戏剧性增加。这些射线不断地轰击地球，但是它们在更集中的情况下，能引起可能覆盖的密度显着增加。宇宙射线轰击能够用碳-14放射性衰变技术来测量。正如1999年4月在《发现》上报道的一样，这个新理论是丹麦空间研究学会的亨利克·斯文斯马克提出的，他能提供证据证明，在过去冰河期间“只要两个因素中存在一个”便能引起宇宙射线活动增加。
关于造成冰河期的原因，被提出来的新理论当然有待探讨。一些科学家对于一些奇特的理论变得没有耐心，抱怨它们还不如严格的计算机模型，认为有些来自不同学科的自命为专家的人纯粹是臆测。这个学科的性质不可避免地吸引了来自不同领域的人。米兰科维奇的循环理论被广泛接受，尽管科学家对它的重要程度仍存有异议。无论如何，天文学家在这场争论中处于一个有保障的地位，进化论生物学家也是如此，因为存在于特定时期的生命形式反映了——可能有时是影响了——气候的变化。地质学家和化学家趋向于更加紧密地合作，正如从深海中获取和分析沉积物样品的过程一样，虽然一个专业领域的团队工作有时能支持甚至确认另外一个专业领域的团队工作，但是也不可避免地会互相冲突。从地理学家的观点来看很有道理的东西可能与进化论的数据有冲突，反过来也是如此。
事实上，许多科学家对完全破解冰河期之谜是持怀疑态度的。人们提出了很多理论，一些已经证明是正确的。当然，如果米兰科维奇循环像许多科学家所认为的那样重要的话，某种答案应该出现在以后2000年左右的时间里，我们会看到一个新的冰河期的开端。然而，还有一个问题，因为人类活动导致过多的二氧化碳和其他温室气体的释放，结果引起全球气候变暖，可能造成整个进程紊乱，如果真是这样，我们可能会迎来一个极地冰雪融化的时期，而不是一个预期的冰河期。即使这也不是完全的新鲜事。毕竟，在过去2亿多年的恐龙时代，并没有出现过冰河期的迹象。即使在过去的3500万年出现过多次冰河期，它们也不是按时出现的。也许造成冰河期的原因是多种多样的、复杂的，所以不存在某个时间表。至少当全部地球史还更多地是出于人类秩序需要的约定，而很少顾及其他的时候，只能作如是观。
