تغییرات ناگهانی آب و هوا ‌‌می‌تواند در بازه‌‌‌های زمانی کوتاه رخ دهد. آزمایش‌‌‌های صورت‌گرفته در هسته‌‌‌های یخی گرینلند در آخرین عصر یخبندان (100 هزار تا 11.500 سال پیش) نشان می‌دهد که دما به طور متناوب چندین بار بیش از 10 درجه سانتیگراد گرم و سرد شده و با تغییرات آب و هوایی عمده در نیمکره شمالی همراه بوده است. هر دوره گرم و سرد فقط چند دهه تا چند صد سال به طول انجامیده است. سامانه اقلیمی در آن دوران یخبندان به وضوح ناپایدار بود و این تغییرات به احتمال زیاد ناشی از تغییراتی در نحوه انتقال حرارت اقیانوس‌‌‌ها بین نیمکره‌‌‌ها بوده است.
برای بررسی هوای 800 هزار سال گذشته ‌‌می‌توان از حباب‌‌‌های هوا که در هسته‌‌‌های یخی قطب جنوب گیر کرده‌اند نمونه‌برداری کرد. غلظت CO2 و سایر گازها در این حباب‌‌‌ها از الگوی افزایش و کاهش دما بین دوره‌‌‌های یخبندان و بین یخبندان پیروی ‌‌می‌کند. به عنوان مثال ، سطوح CO2 از میانگین 180 ppm (قسمت در میلیون) در حداکثر یخبندان تا حدود 280 ppm در طول دوره‌‌‌های بین‌یخچالی متفاوت بود. در طول گرم شدن از عصر یخچال تا دوره بین‌یخچالی ، دما و CO2 با هم افزایش یافت. زمین‌شناسان تصور ‌‌می‌کنند که گرم شدن اولیه ناشی از تغییرات در مدار زمین و میزان کج بودن محور زمین سرانجام باعث انتشار CO2 از اقیانوس در حال گرم شدن شده که به نوبه خود افزایش دما را تقویت ‌‌می‌کند. با بازتاب پرتو‌‌‌های خورشیدی به فضا دی‌اکسید کربن (CO2) در جو افزایش می‌یابد.
حدود 55 میلیون سال پیش، در پایان دوره پالئوسن، یک رویداد گرم شدن ناگهانی رخ داد که در آن درجه حرارت در سطح جهان حدود 6 درجه سانتی‌گراد و در قطب‌‌‌ها 10 تا 20 درجه سانتی‌گراد افزایش یافت. داده‌‌‌های ایزوتوپی کربن نشان می‌دهد که این رویداد گرم شدن (که دمای حداکثر پالئوسن-ائوسن نامیده ‌‌می‌شود) با انتشار عمده 1500-2000 میلیارد تن یا بیشتر کربن در اقیانوس و جو همراه بود. Co2 بیش از 1000 ppm در 50 میلیون سال پیش (در دوران ائوسن) به حدود 180 ppm در 800 هزار سال قبل کاهش یافته است. این کاهش CO2 احتمالاً یکی از عوامل اصلی خنک‌کننده است که منجر به تشکیل ورقه‌‌‌های یخی بزرگ در قطب جنوب شد. تغییرات گردش اقیانوس‌‌‌ها در اطراف قطب جنوب نیز ممکن است در زمان‌بندی و میزان شکل‌گیری این ورقه‌‌‌های یخی نقش داشته باشد.
در 50 میلیون سال پیش همراه با 6 تا 10 درجه افزایش دما در پایان پنجمین انقراض زمین در اوایل ائوسن به اوج خود رسیده بود. CO2 اضافی که به جو و اقیانوس تزریق می شد، اقیانوس را حتی گرمتر می‌کرد، اکسیژن کمتری داشت و اسیدی‌تر بود و با انقراض بسیاری از گونه‌‌‌ها در اعماق دریا همراه شد.
رویدادهای مشابه گرم شدن ناگهانی از گذشته‌‌‌های دورتر، به عنوان مثال در حدود 120 و 183 میلیون سال پیش شناخته شده است. در همه این رویدادها، آب و هوای زمین حدود 100 هزار سال یا بیشتر طول کشید تا بهبود یابد و این نشان می‌دهد که انتشار CO2 به این بزرگی ممکن است آب و هوای زمین را در آن مدت تحت تأثیر قرار داده باشد.