Ледниковый период — это длительный период понижения температуры поверхности и атмосферы Земли , что приводит к появлению или расширению континентальных и полярных ледяных щитов и альпийских ледников . Климат Земли чередуется между ледниковыми периодами и парниковыми периодами , во время которых на планете нет ледников. В настоящее время Земля находится в ледниковом периоде, называемом четвертичным оледенением . [1] Отдельные периоды холодного климата в пределах ледникового периода называются ледниковыми периодами ( ледниковыми, оледенениями, ледниковыми стадиями, стадиалами, стадами или, в просторечии, ледниковыми периодами ), а прерывистые теплые периоды в пределах ледникового периода называются межледниковьями или интерстадиалами . [2]
В гляциологии термин ледниковый период определяется наличием обширных ледниковых щитов в северном и южном полушариях. [3] Согласно этому определению, текущий период голоцена является межледниковым периодом ледникового периода. Накопление антропогенных парниковых газов, как прогнозируется, задержит следующий ледниковый период. [4] [5] [6]
В 1742 году Пьер Мартель (1706–1767), инженер и географ, живший в Женеве , посетил долину Шамони в Савойских Альпах . [7] [8] Два года спустя он опубликовал отчет о своем путешествии. Он сообщил, что жители этой долины приписывали распространение эрратических валунов ледникам, говоря, что когда-то они простирались гораздо дальше. [ 9] [10] Позже подобные объяснения были получены из других регионов Альп. В 1815 году плотник и охотник на серн Жан-Пьер Перроден (1767–1858) объяснил эрратические валуны в Валь-де-Бань в швейцарском кантоне Вале тем, что ледники ранее простирались дальше. [11] Неизвестный лесоруб из Мейрингена в Бернском Оберланде отстаивал похожую идею в дискуссии с швейцарско-немецким геологом Жаном де Шарпантье (1786–1855) в 1834 году. [12] Схожие объяснения также известны из Валь-де-Ферре в Вале и Зеланда в западной Швейцарии [13] и в научной работе Гете . [14] Такие объяснения можно было найти и в других частях света. Когда баварский натуралист Эрнст фон Бибра (1806–1878) посетил чилийские Анды в 1849–1850 годах, местные жители приписали ископаемые морены бывшему действию ледников. [15]
Тем временем европейские ученые начали задаваться вопросом, что вызвало рассеивание эрратического материала. С середины XVIII века некоторые обсуждали лед как средство транспорта. Шведский эксперт по горному делу Даниэль Тилас (1712–1772) был в 1742 году первым человеком, который предположил, что дрейфующий морской лед был причиной наличия эрратических валунов в Скандинавии и Балтийском регионе. [16] В 1795 году шотландский философ и джентльмен-натуралист Джеймс Хаттон (1726–1797) объяснил эрратические валуны в Альпах действием ледников. [17] Два десятилетия спустя, в 1818 году, шведский ботаник Йоран Валенберг (1780–1851) опубликовал свою теорию оледенения Скандинавского полуострова. Он рассматривал оледенение как региональное явление. [18]
Всего несколько лет спустя датско-норвежский геолог Йенс Эсмарк (1762–1839) выступил за последовательность мировых ледниковых периодов. В статье, опубликованной в 1824 году, Эсмарк предложил изменения климата в качестве причины этих оледенений. Он попытался показать, что они возникли из-за изменений в орбите Земли. [19] Эсмарк обнаружил сходство между моренами около озера Хаукаливанет около уровня моря в Рогаланде и моренами в ответвлениях Юстедальсбреена . Открытие Эсмарка позже было приписано или присвоено Теодором Кьерульфом и Луи Агассисом . [20] [21] [22]
В последующие годы идеи Эсмарка обсуждались и частично перенимались шведскими, шотландскими и немецкими учеными. В Эдинбургском университете Роберт Джеймсон (1774–1854) был относительно открыт для идей Эсмарка, как это было отмечено норвежским профессором гляциологии Бьёрном Г. Андерсеном (1992). [23] Замечания Джеймсона о древних ледниках в Шотландии, скорее всего, были подсказаны Эсмарком. [24] В Германии Альбрехт Рейнхард Бернхарди (1797–1849), геолог и профессор лесного хозяйства в академии в Дрейссигакере (с тех пор включенной в состав южнотюрингенского города Майнинген ) , принял теорию Эсмарка. В статье, опубликованной в 1832 году, Бернхарди размышлял о полярных ледяных шапках, которые когда-то достигали умеренных зон земного шара. [25]
В Валь-де-Бань , долине в Швейцарских Альпах , существовало давнее местное поверье, что долина когда-то была покрыта глубоким льдом, и в 1815 году местный охотник на серн по имени Жан-Пьер Перроден попытался убедить геолога Жана де Шарпантье в этой идее, указывая на глубокие борозды в скалах и гигантские эрратические валуны в качестве доказательств. Шарпантье придерживался общего мнения, что эти знаки были вызваны обширными наводнениями, и он отверг теорию Перродена как абсурдную. В 1818 году инженер Игнац Венец присоединился к Перродену и Шарпантье, чтобы исследовать прогляциальное озеро над долиной, созданное ледяной плотиной в результате извержения вулкана Тамбора в 1815 году , которое грозило вызвать катастрофическое наводнение, когда плотина прорвалась. Перроден безуспешно пытался обратить своих товарищей в свою теорию, но когда плотина наконец прорвалась, были только незначительные отклонения и никаких полос, и Венец пришел к выводу, что Перроден был прав и что только лед мог вызвать такие важные результаты. В 1821 году он прочитал удостоенную награды статью о теории в Швейцарском обществе, но она не была опубликована, пока Шарпантье, который также обратился, не опубликовал ее вместе со своей собственной более широко читаемой статьей в 1834 году. [26]
В это же время немецкий ботаник Карл Фридрих Шимпер (1803–1867) изучал мхи, растущие на эрратических валунах в альпийском нагорье Баварии. Он начал задаваться вопросом, откуда взялись такие массы камней. Летом 1835 года он совершил несколько экскурсий в Баварские Альпы. Шимпер пришел к выводу, что лед, должно быть, был средством транспортировки валунов в альпийском нагорье. Зимой 1835–36 годов он прочитал несколько лекций в Мюнхене. Затем Шимпер предположил, что должны были быть глобальные времена забвения («Verödungszeiten») с холодным климатом и замерзшей водой. [27] Шимпер провел летние месяцы 1836 года в Девенсе, недалеко от Бекса, в Швейцарских Альпах со своим бывшим университетским другом Луи Агассисом (1801–1873) и Жаном де Шарпантье. Шимпер, Шарпантье и, возможно, Венец убедили Агассиса, что было время оледенения. Зимой 1836–1837 годов Агассис и Шимпер разработали теорию последовательности оледенений. В основном они опирались на предыдущие работы Венца, Шарпантье и на свои собственные полевые исследования. Агассис, по-видимому, уже был знаком с работой Бернарди в то время. [28] В начале 1837 года Шимпер ввел термин «ледниковый период» ( «Eiszeit» ) для периода ледников. [29] В июле 1837 года Агассис представил свой синтез на ежегодном собрании Швейцарского общества естественных исследований в Невшателе. Аудитория была очень критична, и некоторые выступали против новой теории, поскольку она противоречила устоявшимся мнениям о климатической истории. Большинство современных ученых считали, что Земля постепенно охлаждалась с момента своего рождения в качестве расплавленного шара. [30]
Чтобы убедить скептиков, Агассис приступил к геологическим полевым работам. В 1840 году он опубликовал книгу «Исследование ледников » («Études sur les glaciers»). [31] Шарпантье был этим расстроен, так как он также готовил книгу об оледенении Альп. Шарпантье считал, что Агассис должен был дать ему приоритет, поскольку именно он познакомил Агассиса с глубокими ледниковыми исследованиями. [32] В результате личных ссор Агассис также не упомянул в своей книге Шимпера. [33]
Потребовалось несколько десятилетий, прежде чем теория ледникового периода была полностью принята учеными. Это произошло в международном масштабе во второй половине 1870-х годов, после работы Джеймса Кролла , включая публикацию «Климат и время» в «Их геологических отношениях» в 1875 году, которая дала правдоподобное объяснение причин ледниковых периодов. [34]
Существует три основных типа доказательств ледниковых периодов: геологические, химические и палеонтологические.
Геологические свидетельства ледниковых периодов проявляются в различных формах, включая размывание и царапание горных пород, ледниковые морены , друмлины , прорезы долин и отложение тилла или тиллитов и ледниковых эрратических валунов . Последовательные оледенения имеют тенденцию искажать и стирать геологические свидетельства более ранних оледенений, что затрудняет их интерпретацию. Более того, эти свидетельства было трудно датировать точно; ранние теории предполагали, что ледниковые периоды были короткими по сравнению с длинными межледниковыми периодами. Появление осадочных и ледяных кернов выявило истинную ситуацию: ледниковые периоды длинные, межледниковые короткие. Потребовалось некоторое время, чтобы разработать нынешнюю теорию.
Химические доказательства в основном состоят из изменений в соотношениях изотопов в окаменелостях, присутствующих в отложениях и осадочных породах и кернах океанических отложений . Для последних ледниковых периодов ледяные керны предоставляют климатические прокси , как из самого льда, так и из атмосферных образцов, предоставленных включенными пузырьками воздуха. Поскольку вода, содержащая более легкие изотопы, имеет более низкую теплоту испарения , ее доля уменьшается с более теплыми условиями. [35] Это позволяет построить температурную запись. Однако эти доказательства могут быть искажены другими факторами, зарегистрированными с помощью изотопных соотношений.
Палеонтологические свидетельства состоят из изменений в географическом распределении ископаемых. Во время ледникового периода организмы, адаптированные к холоду, распространяются в более низкие широты, а организмы, предпочитающие более теплые условия, вымирают или отступают в более низкие широты. Эти свидетельства также трудно интерпретировать, поскольку для этого требуется :
Несмотря на трудности, анализ ледяных кернов и кернов океанических осадков [36] предоставил надежную запись ледниковых и межледниковых периодов за последние несколько миллионов лет. Они также подтверждают связь между ледниковыми периодами и явлениями континентальной коры, такими как ледниковые морены, друмлины и ледниковые эрратические валуны. Поэтому явления континентальной коры принимаются как хорошее доказательство более ранних ледниковых периодов, когда они обнаруживаются в слоях, созданных намного раньше временного диапазона, для которого доступны ледяные керны и керны океанических осадков.
В истории Земли было по крайней мере пять крупных ледниковых периодов ( Гуронский , Криогеновый , Андско-Сахарский , поздний палеозойский и последний четвертичный ледниковый период ). За пределами этих периодов Земля, как ранее считалось, была свободна ото льда даже в высоких широтах; [37] [38] такие периоды известны как парниковыми периодами . [39] Однако другие исследования оспаривают это, обнаруживая доказательства случайных оледенений в высоких широтах даже во время очевидных парниковых периодов. [40] [41]
Породы из самого раннего хорошо установленного ледникового периода, называемого гуронским , датируются примерно 2,4–2,1 миллиарда лет назад в раннем протерозое . Несколько сотен километров гуронской супергруппы обнажены на расстоянии от 10 до 100 километров (от 6 до 62 миль) к северу от северного берега озера Гурон, простираясь от Су-Сент-Мари до Садбери, к северо-востоку от озера Гурон, с гигантскими слоями ныне литифицированных тиловых пластов, дропстоунов , варвов , зандровых отложений и размытых фундаментных пород. Коррелятивные гуронские отложения были обнаружены около Маркетта, штат Мичиган , и была проведена корреляция с палеопротерозойскими ледниковыми отложениями из Западной Австралии. Гуронский ледниковый период был вызван устранением атмосферного метана , парникового газа , во время Великого события оксигенации . [42]
Следующий хорошо документированный ледниковый период, и, вероятно, самый суровый за последний миллиард лет, произошел в период с 720 по 630 миллионов лет назад ( криогеновый период) и, возможно, привел к образованию « Земли-снежка» , в которой ледниковые щиты достигли экватора, [43] возможно, закончившись накоплением парниковых газов , таких как CO2 , производимых вулканами. «Наличие льда на континентах и пакового льда в океанах будет препятствовать как выветриванию силиката , так и фотосинтезу , которые являются двумя основными поглотителями CO2 в настоящее время». [44] Было высказано предположение, что конец этого ледникового периода был ответственен за последующий эдиакарский и кембрийский взрыв , хотя эта модель является недавней и спорной.
Андийско -Сахарская эпоха существовала от 460 до 420 миллионов лет назад, в поздний ордовикский и силурийский периоды.
Эволюция наземных растений в начале девонского периода вызвала долгосрочное увеличение планетарного уровня кислорода и снижение уровня CO 2 , что привело к возникновению позднепалеозойского ледника . Его прежнее название, оледенение Кару, было получено в честь ледниковых отложений, обнаруженных в регионе Кару в Южной Африке. В течение каменноугольного и раннего пермского периодов в Южной Африке существовали обширные полярные ледяные шапки с интервалом от 360 до 260 миллионов лет назад . Корреляты известны из Аргентины, а также в центре древнего суперконтинента Гондвана .
Хотя мезозойская эра сохраняла парниковый климат на протяжении всего своего периода и ранее предполагалось, что она была полностью свободна от оледенения, более поздние исследования показывают, что краткие периоды оледенения имели место в обоих полушариях в течение раннего мелового периода . Геологические и палеоклиматологические записи предполагают существование ледниковых периодов в течение валанжинского , готеривского и аптского этапов раннего мелового периода. Ледяные щебни , разнесенные льдом, указывают на то, что в Северном полушарии ледяные щиты могли простираться на юг до Пиренейского полуострова в течение готеривского и аптского периодов. [45] [46] [47] Хотя ледяные щиты в значительной степени исчезли с Земли на оставшуюся часть периода (возможные сообщения из туронского яруса , иначе самого теплого периода фанерозоя, оспариваются), [40] [41] ледяные щиты и связанный с ними морской лед, по-видимому, ненадолго вернулись в Антарктиду около самого конца маастрихта, как раз перед мел-палеогеновым вымиранием . [41] [48]
Четвертичное оледенение / Четвертичный ледниковый период начался около 2,58 миллионов лет назад в начале четвертичного периода , когда началось распространение ледяных щитов в Северном полушарии. С тех пор мир видел циклы оледенения с наступлением и отступлением ледяных щитов в масштабах времени 40 000 и 100 000 лет, называемые ледниковыми периодами , ледниковыми периодами или ледниковыми наступлениями, и межледниковыми периодами, межледниковыми периодами или ледниковыми отступлениями. В настоящее время Земля находится в межледниковье, а последний ледниковый период закончился около 11 700 лет назад. Все, что осталось от континентальных ледяных щитов, — это ледяные щиты Гренландии и Антарктиды , а также более мелкие ледники, такие как на Баффиновой Земле .
Определение четвертичного периода как начинающегося 2,58 млн лет назад основано на формировании арктической ледяной шапки . Антарктический ледяной щит начал формироваться раньше, около 34 млн лет назад, в середине кайнозоя ( граница эоцена и олигоцена ). Термин позднекайнозойский ледниковый период используется для включения этой ранней фазы. [49]
Ледниковые периоды можно дополнительно разделить по местоположению и времени; например, названия Рисс (180 000–130 000 лет до н. э. ) и Вюрм (70 000–10 000 лет до н. э.) относятся конкретно к оледенению в Альпийском регионе . Максимальная протяженность льда не сохраняется в течение всего интервала. Размывающее действие каждого оледенения имеет тенденцию удалять большую часть свидетельств предшествующих ледяных щитов почти полностью, за исключением регионов, где более поздний щит не достигает полного покрытия.
В течение текущего оледенения происходили более умеренные и более суровые периоды. Более холодные периоды называются ледниковыми периодами , более теплые — межледниковьями , например, эемский этап . [1] Имеются данные, что подобные ледниковые циклы происходили и в предыдущие оледенения, включая Андийско-Сахарское [50] и позднепалеозойский ледниковый дом. Ледниковые циклы позднепалеозойского ледникового дома, вероятно, ответственны за отложение циклотем . [51]
Ледниковые периоды характеризуются более прохладным и сухим климатом на большей части Земли и большими массами сухопутного и морского льда, простирающимися от полюсов. Горные ледники в других не покрытых льдом районах простираются до более низких высот из-за более низкой снеговой линии . Уровень моря падает из-за удаления больших объемов воды над уровнем моря в ледяных шапках. Есть доказательства того, что закономерности циркуляции океана нарушаются оледенениями. Ледниковые и межледниковые периоды совпадают с изменениями в орбитальном воздействии на климат из-за циклов Миланковича , которые представляют собой периодические изменения орбиты Земли и наклона оси вращения Земли.
Земля находится в межледниковом периоде, известном как голоцен , около 11 700 лет [52] , и в статье в Nature за 2004 год утверждается, что он может быть наиболее аналогичен предыдущему межледниковью, которое длилось 28 000 лет. [53] Прогнозируемые изменения в орбитальном воздействии предполагают, что следующий ледниковый период начнется по крайней мере через 50 000 лет. Более того, антропогенное воздействие от увеличения парниковых газов , как предполагается, потенциально перевешивает орбитальное воздействие циклов Миланковича на сотни тысяч лет. [54] [5] [4]
Каждый ледниковый период подвержен положительной обратной связи , которая делает его более суровым, и отрицательной обратной связи , которая смягчает и (во всех случаях до сих пор) в конечном итоге завершает его.
Важную форму обратной связи обеспечивает альбедо Земли , которое показывает, сколько солнечной энергии отражается, а не поглощается Землей. Лед и снег увеличивают альбедо Земли, в то время как леса уменьшают его. Когда температура воздуха понижается, ледяные и снежные поля растут, и они уменьшают лесной покров. Это продолжается до тех пор, пока конкуренция с механизмом отрицательной обратной связи не заставит систему прийти в равновесие.
Одна из теорий заключается в том, что при формировании ледников происходят две вещи: лед измельчает камни в пыль, и земля становится сухой и засушливой. Это позволяет ветрам переносить богатую железом пыль в открытый океан, где она действует как удобрение, вызывающее массовое цветение водорослей, которое вытягивает большие объемы CO 2 из атмосферы. Это, в свою очередь, делает ее еще холоднее и заставляет ледники расти еще больше. [55]
В 1956 году Юинг и Донн [56] выдвинули гипотезу, что свободный ото льда Северный Ледовитый океан приводит к увеличению снегопадов в высоких широтах. Когда низкотемпературный лед покрывает Северный Ледовитый океан, испарение или сублимация незначительны , а полярные регионы довольно сухие с точки зрения осадков, сопоставимых с количеством, выпадающим в пустынях средних широт . Такое низкое количество осадков позволяет высокоширотным снегопадам таять летом. Свободный ото льда Северный Ледовитый океан поглощает солнечную радиацию в течение долгих летних дней и испаряет больше воды в атмосферу Арктики. При большем количестве осадков часть этого снега может не таять летом, и поэтому ледниковый лед может образовываться на более низких высотах и в более южных широтах, снижая температуру над сушей за счет увеличения альбедо, как отмечено выше. Кроме того, согласно этой гипотезе, отсутствие океанического пакового льда позволяет увеличить обмен водами между Арктикой и Северной Атлантикой, нагревая Арктику и охлаждая Северную Атлантику. (Текущие прогнозируемые последствия глобального потепления включают кратковременный период безледового периода Северного Ледовитого океана к 2050 году .) Дополнительная пресная вода, поступающая в Северную Атлантику во время цикла потепления, может также уменьшить глобальную циркуляцию океанских вод . Такое сокращение (за счет уменьшения воздействия Гольфстрима ) окажет охлаждающее воздействие на северную Европу, что, в свою очередь, приведет к увеличению удержания снега в низких широтах летом. [57] [58] [59] Также было высказано предположение [ кем? ] , что во время обширного ледникового периода ледники могут перемещаться через залив Святого Лаврентия , простираясь в северную часть Атлантического океана достаточно далеко, чтобы блокировать Гольфстрим.
Ледяные щиты, которые образуются во время оледенений, размывают землю под ними. Это может уменьшить площадь суши над уровнем моря и, таким образом, уменьшить количество пространства, на котором могут формироваться ледяные щиты. Это смягчает обратную связь альбедо, как и повышение уровня моря, которое сопровождает уменьшение площади ледяных щитов, поскольку открытый океан имеет более низкое альбедо, чем суша. [60]
Другим механизмом отрицательной обратной связи является повышенная засушливость, происходящая с ледниковыми максимумами, что уменьшает количество осадков, доступных для поддержания оледенения. Отступление ледника, вызванное этим или любым другим процессом, может быть усилено аналогичными обратными положительными обратными связями, как и при наступлении ледников. [61]
Согласно исследованию, опубликованному в Nature Geoscience , выбросы углекислого газа (CO 2 ) человеком отложат следующий ледниковый период. Исследователи использовали данные об орбите Земли, чтобы найти исторический теплый межледниковый период, который больше всего похож на текущий, и на основании этого предсказали, что следующий ледниковый период обычно начинается в течение 1500 лет. Они продолжают предсказывать, что выбросы были настолько высокими, что этого не произойдет. [62]
Причины ледниковых периодов не полностью поняты ни для крупномасштабных ледниковых периодов, ни для более мелких приливов и отливов ледниково-межледниковых периодов в пределах ледникового периода. Консенсус заключается в том, что важны несколько факторов: состав атмосферы , такой как концентрации углекислого газа и метана (конкретные уровни ранее упомянутых газов теперь можно увидеть с помощью новых образцов ледяных кернов из Европейского проекта по ледяным кернам в Антарктиде (EPICA) Dome C в Антарктиде за последние 800 000 лет); изменения в орбите Земли вокруг Солнца, известные как циклы Миланковича ; движение тектонических плит , приводящее к изменениям относительного расположения и количества континентальной и океанической коры на поверхности Земли, которые влияют на ветер и океанические течения ; изменения в солнечной энергии ; орбитальная динамика системы Земля-Луна; воздействие относительно крупных метеоритов и вулканизма, включая извержения супервулканов . [63] [ необходима цитата ]
Некоторые из этих факторов влияют друг на друга. Например, изменения в составе атмосферы Земли (особенно концентрации парниковых газов) могут изменить климат, в то время как само изменение климата может изменить состав атмосферы (например, изменяя скорость, с которой выветривание удаляет CO2 ) .
Морин Реймо , Уильям Раддиман и другие предполагают, что Тибетское и Колорадское плато являются огромными «очистителями» CO 2 с возможностью удаления достаточного количества CO 2 из глобальной атмосферы, чтобы быть существенным причинным фактором тенденции похолодания кайнозоя длительностью 40 миллионов лет . Они также утверждают, что примерно половина их подъема (и «очистки» CO 2 ) произошла за последние 10 миллионов лет. [64] [65]
Существуют доказательства того, что уровень парниковых газов упал в начале ледниковых периодов и вырос во время отступления ледниковых щитов, но трудно установить причину и следствие (см. примечания выше о роли выветривания). На уровень парниковых газов могли также влиять другие факторы, которые были предложены в качестве причин ледниковых периодов, такие как движение континентов и вулканизм.
Гипотеза « Земли-снежка» утверждает, что сильное похолодание в конце протерозоя закончилось повышением уровня CO2 в атмосфере, в основном из-за вулканов, а некоторые сторонники «Земли-снежка» утверждают, что оно было вызвано в первую очередь снижением уровня CO2 в атмосфере . Гипотеза также предупреждает о будущих «Землях-снежках».
В 2009 году были представлены дополнительные доказательства того, что изменения в солнечной инсоляции являются первоначальным толчком к потеплению Земли после Ледникового периода, а вторичные факторы, такие как увеличение выбросов парниковых газов, объясняют масштабы изменений. [66]
Геологические данные, по-видимому, показывают, что ледниковые периоды начинаются, когда континенты находятся в положениях , которые блокируют или уменьшают поток теплой воды от экватора к полюсам и, таким образом, позволяют формироваться ледяным щитам. Ледовые щиты увеличивают отражательную способность Земли и, таким образом, уменьшают поглощение солнечной радиации. При меньшем поглощении радиации атмосфера охлаждается; охлаждение позволяет ледяным щитам расти, что еще больше увеличивает отражательную способность в положительной обратной связи. Ледниковый период продолжается до тех пор, пока уменьшение выветривания не приведет к увеличению парникового эффекта .
Существует три основных фактора, препятствующих движению теплой воды к полюсам, обусловленных расположением континентов: [67]
Поскольку на современной Земле над Южным полюсом расположен континент, а над Северным полюсом — практически замкнутый океан, геологи полагают, что в геологически недалеком будущем на Земле продолжатся ледниковые периоды.
Некоторые ученые полагают, что Гималаи являются основным фактором в текущем ледниковом периоде, потому что эти горы увеличили общее количество осадков на Земле и, следовательно, скорость вымывания углекислого газа из атмосферы, что уменьшило парниковый эффект. [65] Формирование Гималаев началось около 70 миллионов лет назад, когда Индо-Австралийская плита столкнулась с Евразийской плитой , и Гималаи все еще поднимаются примерно на 5 мм в год, потому что Индо-Австралийская плита все еще движется со скоростью 67 мм/год. История Гималаев в целом соответствует долгосрочному снижению средней температуры Земли со середины эоцена , 40 миллионов лет назад.
Другим важным вкладом в древние климатические режимы является изменение океанических течений, которые изменяются в зависимости от положения континента, уровня моря и солености, а также других факторов. Они обладают способностью охлаждать (например, способствуя образованию антарктического льда) и способностью нагревать (например, давая Британским островам умеренный, а не бореальный климат). Закрытие Панамского перешейка около 3 миллионов лет назад могло ознаменовать начало нынешнего периода сильного оледенения в Северной Америке, положив конец обмену водой между тропической Атлантикой и Тихим океаном. [68]
Анализы показывают, что колебания океанических течений могут адекватно объяснить недавние ледниковые колебания. Во время последнего ледникового периода уровень моря колебался на 20–30 м, поскольку вода была изолирована, в основном в ледяных щитах Северного полушария . Когда лед собрался и уровень моря достаточно упал, поток через Берингов пролив (узкий пролив между Сибирью и Аляской сегодня имеет глубину около 50 м) уменьшился, что привело к увеличению потока из Северной Атлантики. Это перестроило термохалинную циркуляцию в Атлантике, увеличив перенос тепла в Арктику, что растопило полярное накопление льда и уменьшило другие континентальные ледяные щиты. Освобождение воды снова подняло уровень моря, восстановив поступление более холодной воды из Тихого океана с сопутствующим сдвигом к накоплению льда в Северном полушарии. [69]
Согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature в 2021 году, все ледниковые периоды ледниковых периодов за последние 1,5 миллиона лет были связаны со смещением на север тающих антарктических айсбергов, что изменило характер циркуляции океана, что привело к увеличению количества CO2 , вытягиваемого из атмосферы . Авторы предполагают, что этот процесс может быть нарушен в будущем, поскольку Южный океан станет слишком теплым для того, чтобы айсберги могли перемещаться достаточно далеко и вызывать эти изменения. [70] [71]
Геологическая теория Маттиаса Куле о развитии ледникового периода была предложена существованием ледяного щита, покрывающего Тибетское плато во время ледниковых периодов ( последний ледниковый максимум ?). По словам Куле, тектонический подъем плит Тибета за пределы снеговой линии привел к тому, что поверхность площадью около 2 400 000 квадратных километров (930 000 квадратных миль) превратилась из голой земли в лед с альбедо на 70% больше . Отражение энергии в космос привело к глобальному похолоданию, вызвав плейстоценовый ледниковый период. Поскольку эта возвышенность находится в субтропической широте, с инсоляцией в четыре-пять раз большей, чем в высокоширотных областях, то, что было бы самой сильно нагревающейся поверхностью Земли, превратилось в охлаждающую поверхность.
Куле объясняет межледниковые периоды 100 000-летним циклом изменений радиации из-за изменений в орбите Земли. Это сравнительно незначительное потепление в сочетании с понижением скандинавских внутренних ледяных областей и Тибета из-за веса наложенного ледяного груза привело к повторному полному таянию внутренних ледяных областей. [72] [73] [74] [75]
Циклы Миланковича представляют собой набор циклических изменений характеристик орбиты Земли вокруг Солнца. Каждый цикл имеет разную продолжительность, поэтому в некоторые моменты их эффекты усиливают друг друга, а в другие моменты они (частично) отменяют друг друга.
Существуют веские доказательства того, что циклы Миланковича влияют на возникновение ледниковых и межледниковых периодов в течение ледникового периода. Текущий ледниковый период является наиболее изученным и понятным, особенно последние 400 000 лет, поскольку это период, охваченный ледяными кернами , которые регистрируют состав атмосферы и косвенные показатели температуры и объема льда. В течение этого периода соответствие ледниковых/межледниковых частот периодам орбитального воздействия Миланковича настолько близко, что орбитальное воздействие является общепринятым. Совместные эффекты изменяющегося расстояния до Солнца, прецессии земной оси и изменяющегося наклона земной оси перераспределяют солнечный свет, получаемый Землей. Особое значение имеют изменения наклона земной оси, которые влияют на интенсивность сезонов. Например, величина солнечного притока в июле на 65 градусах северной широты варьируется на целых 22% (от 450 Вт/м 2 до 550 Вт/м 2 ). Широко распространено мнение, что ледяные щиты наступают, когда лето становится слишком прохладным, чтобы растопить весь накопленный снег с предыдущей зимы. Некоторые полагают, что сила орбитального воздействия слишком мала, чтобы вызвать оледенение, но механизмы обратной связи, такие как CO 2, могут объяснить это несоответствие.
В то время как воздействие Миланковича предсказывает, что циклические изменения в орбитальных элементах Земли могут быть выражены в записях оледенения, необходимы дополнительные объяснения, чтобы объяснить, какие циклы наблюдаются как наиболее важные в определении времени ледниково-межледниковых периодов. В частности, в течение последних 800 000 лет доминирующий период ледниково-межледниковых колебаний составлял 100 000 лет, что соответствует изменениям орбитального эксцентриситета и наклона орбиты Земли . Тем не менее, это, безусловно, самая слабая из трех частот, предсказанных Миланковичем. В течение периода 3,0–0,8 миллиона лет назад доминирующая картина оледенения соответствовала 41 000-летнему периоду изменений наклона Земли (наклона оси). Причины доминирования одной частоты над другой плохо изучены и являются активной областью текущих исследований, но ответ, вероятно, связан с некоторой формой резонанса в климатической системе Земли. Недавние исследования показывают, что 100-тысячелетний цикл доминирует из-за увеличения морского льда на южном полюсе, что увеличивает общую отражательную способность Солнца. [76] [77]
«Традиционное» объяснение Миланковича с трудом объясняет доминирование 100 000-летнего цикла в течение последних 8 циклов. Ричард А. Мюллер , Гордон Дж. Ф. Макдональд , [78] [79] [80] и другие указали, что эти расчеты относятся к двумерной орбите Земли, но трехмерная орбита также имеет 100 000-летний цикл орбитального наклона. Они предположили, что эти изменения в орбитальном наклоне приводят к изменениям в инсоляции, поскольку Земля входит и выходит из известных пылевых полос в Солнечной системе. Хотя это иной механизм по сравнению с традиционным взглядом, «предсказанные» периоды за последние 400 000 лет почти такие же. Теория Мюллера и Макдональда, в свою очередь, была оспорена Хосе Антонио Риалом. [81]
Уильям Раддиман предложил модель, которая объясняет 100 000-летний цикл модулирующим эффектом эксцентриситета (слабый 100 000-летний цикл) на прецессию (26 000-летний цикл) в сочетании с обратными связями парниковых газов в 41 000- и 26 000-летних циклах. Еще одна теория была выдвинута Питером Хайберсом , который утверждал, что 41 000-летний цикл всегда был доминирующим, но что Земля вошла в режим поведения климата, когда только второй или третий цикл запускает ледниковый период. Это означало бы, что 100 000-летняя периодичность на самом деле является иллюзией, созданной путем усреднения вместе циклов продолжительностью 80 000 и 120 000 лет. [82] Эта теория согласуется с простой эмпирической многогосударственной моделью, предложенной Дидье Пайяром. [83] Пайяр предполагает, что позднеплейстоценовые ледниковые циклы можно рассматривать как скачки между тремя квазистабильными климатическими состояниями. Скачки вызваны орбитальным воздействием, тогда как в раннем плейстоцене 41000-летние ледниковые циклы были результатом скачков только между двумя климатическими состояниями. Динамическая модель, объясняющая это поведение, была предложена Питером Дитлевсеном. [84] Это подтверждает предположение о том, что позднеплейстоценовые ледниковые циклы вызваны не слабым 100000-летним циклом эксцентриситета, а нелинейным ответом в основном на 41000-летний цикл наклона.
Существует по крайней мере два типа изменений в энерговыделении Солнца: [85]
Длительное увеличение солнечной активности не может быть причиной ледниковых периодов.
Вулканические извержения могли способствовать началу и/или концу ледниковых периодов. Временами во время палеоклимата уровни углекислого газа были в два или три раза выше, чем сегодня. Вулканы и движения континентальных плит способствовали высокому содержанию CO 2 в атмосфере. Углекислый газ из вулканов, вероятно, способствовал периодам с самыми высокими общими температурами. [86] Одно из предложенных объяснений палеоцен-эоценового термического максимума заключается в том, что подводные вулканы выделяли метан из клатратов и, таким образом, вызывали большое и быстрое увеличение парникового эффекта . [87] Похоже, что нет геологических свидетельств таких извержений в нужное время, но это не доказывает, что их не было.
Текущий геологический период, четвертичный , начавшийся около 2,6 миллионов лет назад и продолжающийся до настоящего времени, [2] отмечен теплыми и холодными эпизодами, холодными фазами, называемыми ледниковыми ( четвертичный ледниковый период ), длящимися около 100 000 лет, и теплыми фазами, называемыми межледниковыми, длящимися 10 000–15 000 лет. Последний холодный эпизод последнего ледникового периода закончился около 10 000 лет назад. [88] В настоящее время Земля находится в межледниковом периоде четвертичного периода, называемом голоценом .
Главные ледниковые стадии текущего ледникового периода в Северной Америке — это иллинойское , эмианское и висконсинское оледенение . Использование небрасканского, афтонского, кансанского и ярмутского этапов для подразделения ледникового периода в Северной Америке было прекращено четвертичными геологами и геоморфологами. Все эти этапы были объединены в доиллинойский в 1980-х годах. [89] [90] [91]
Во время последнего оледенения Северной Америки, во время последней части последнего ледникового максимума (26 000–13 300 лет назад), ледяные щиты простирались примерно до 45-й параллели северной широты . Толщина этих щитов составляла от 3 до 4 километров (от 1,9 до 2,5 миль). [90]
Это оледенение Висконсина оставило обширные следы на ландшафте Северной Америки. Великие озера и озера Фингер были вырезаны льдом, углубившим старые долины. Большинство озер в Миннесоте и Висконсине были выдолблены ледниками и позже заполнены талыми ледниковыми водами. Старая дренажная система реки Тиайс была радикально изменена и в значительной степени переформирована в дренажную систему реки Огайо . Другие реки были перекрыты плотинами и отведены в новые каналы, такие как Ниагарский водопад , который образовал впечатляющий водопад и ущелье, когда поток воды столкнулся с известняковым уступом. Другой похожий водопад, в нынешнем государственном парке резервации Кларк недалеко от Сиракуз, штат Нью-Йорк , сейчас высох.
Территория от Лонг-Айленда до Нантакета, Массачусетс, была сформирована из ледникового тилла , и обилие озер на Канадском щите в северной Канаде можно почти полностью отнести к действию льда. По мере того, как лед отступал, а каменная пыль высыхала, ветры переносили материал на сотни миль, образуя пласты лёсса толщиной во многие десятки футов в долине Миссури . Послеледниковый отскок продолжает изменять форму Великих озер и других территорий, ранее находившихся под тяжестью ледяных щитов.
Территория Дрифтлесс , часть западного и юго-западного Висконсина, а также части прилегающих Миннесоты , Айовы и Иллинойса , не были покрыты ледниками.
Особенно интересное изменение климата во время ледникового периода произошло в полузасушливых Андах. Помимо ожидаемого похолодания по сравнению с современным климатом, здесь произошло значительное изменение осадков. Так, исследования в ныне полузасушливом субтропическом массиве Аконкагуа (6962 м) показали неожиданно обширное ледниковое оледенение типа «сеть ледяных потоков». [92] [93] [94] [95] [96] Связанные долинные ледники, превышающие 100 км в длину, стекали по восточной стороне этого участка Анд на 32–34° ю.ш. и 69–71° з.д. до высоты 2060 м, а по западной стороне лаффа еще явно глубже. [96] [97] Там, где нынешние ледники едва достигают 10 км в длину, снеговая линия (ELA) проходит на высоте 4600 м и в то время была понижена до 3200 м над уровнем моря , т. е. около 1400 м. Из этого следует, что — помимо ежегодного понижения температуры примерно на 8,4 °C — здесь наблюдалось увеличение количества осадков. Соответственно, в ледниковые времена влажный климатический пояс, который сегодня расположен на несколько градусов широты дальше на юг, был смещен гораздо дальше на север. [95] [96]
Хотя последний ледниковый период закончился более 8000 лет назад, его последствия ощущаются и сегодня. Например, движущийся лед сформировал ландшафт Канады (см. Канадский Арктический архипелаг ), Гренландии, северной Евразии и Антарктиды. Эрратические валуны , тиллы , друмлины , озы , фьорды , озера-котлы , морены , цирки , рога и т. д. являются типичными особенностями, оставленными ледниками. Вес ледяных щитов был настолько велик, что они деформировали земную кору и мантию. После того, как ледяные щиты растаяли, покрытая льдом земля отскочила . Из-за высокой вязкости мантии Земли поток мантийных пород, который контролирует процесс отскока, очень медленный — со скоростью около 1 см/год вблизи центра области отскока сегодня.
Во время оледенения вода была взята из океанов, чтобы сформировать лед в высоких широтах, таким образом, глобальный уровень моря упал примерно на 110 метров, обнажив континентальные шельфы и образовав сухопутные мосты между континентальными массивами для миграции животных. Во время дегляциации растаявшая ледяная вода вернулась в океаны, вызвав повышение уровня моря. Этот процесс может вызвать внезапные сдвиги в береговых линиях и системах гидратации, приводящие к новым затопленным землям, всплывающим землям, обрушившимся ледяным плотинам , приводящим к засолению озер, новым ледяным плотинам, создающим обширные области пресной воды, и общему изменению региональных погодных условий в большом, но временном масштабе. Это может даже вызвать временное повторное оледенение . Этот тип хаотичной картины быстро меняющейся земли, льда, соленой и пресной воды был предложен в качестве вероятной модели для Балтийского и Скандинавского регионов, а также большей части центральной части Северной Америки в конце последнего ледникового максимума, при этом современные береговые линии были достигнуты только в последние несколько тысячелетий доисторического периода. Кроме того, эффект возвышения Скандинавии привел к затоплению обширной континентальной равнины, которая существовала под большей частью того, что сейчас является Северным морем, соединяющим Британские острова с континентальной Европой. [98]
Перераспределение ледяной воды на поверхности Земли и течение мантийных пород вызывает изменения в гравитационном поле , а также изменения в распределении момента инерции Земли. Эти изменения момента инерции приводят к изменению угловой скорости , оси и колебания вращения Земли.
Вес перераспределенной поверхностной массы нагружал литосферу , заставлял ее изгибаться , а также вызывал напряжение внутри Земли. Наличие ледников обычно подавляло движение разломов ниже. [99] [100] [101] Во время дегляциации разломы испытывают ускоренное скольжение, вызывающее землетрясения . Землетрясения, вызванные вблизи границы льда, могут, в свою очередь, ускорить откалывание льда и могут быть причиной событий Хайнриха . [102] По мере того, как больше льда удаляется вблизи границы льда, вызывается больше внутриплитных землетрясений , и эта положительная обратная связь может объяснить быстрое разрушение ледяных щитов.
В Европе ледниковая эрозия и изостатическое опускание под тяжестью льда привели к образованию Балтийского моря , которое до ледникового периода представляло собой сушу, осушаемую рекой Эридан .
В отчете проекта Past Global Changes Project за 2015 год говорится, что моделирование показывает, что новое оледенение вряд ли произойдет в течение следующих примерно 50 000 лет, прежде чем произойдет следующее сильное падение летней инсоляции в Северном полушарии, «если либо концентрация CO 2 в атмосфере останется выше 300 ppm, либо совокупные выбросы углерода превысят 1000 Пг C» (т. е. 1000 гигатонн углерода). «Только при содержании CO 2 в атмосфере ниже доиндустриального уровня может произойти оледенение в течение следующих 10 тыс. лет. ... Учитывая продолжающиеся антропогенные выбросы CO 2 , начало ледника вряд ли произойдет в течение следующих 50 тыс. лет, поскольку временные рамки для снижения CO 2 и температуры до невозмущенных значений при отсутствии активного удаления очень длительны [МГЭИК, 2013], и только слабое прецессионное воздействие происходит в течение следующих двух прецессионных циклов». ( Прецессионный цикл составляет около 21 000 лет, время, необходимое перигелию для полного прохождения тропического года .) [103]
Ледниковые периоды проходят циклами примерно в 100 000 лет, но следующего можно избежать из-за наших выбросов углекислого газа. [5]
Открытие ледниковых периодов является одним из самых революционных достижений в науках о Земле. В 1824 году датско-норвежский геолог Йенс Эсмарк опубликовал статью, в которой утверждалось, что существуют неоспоримые доказательства того, что Норвегия и другие части Европы ранее были покрыты огромными ледниками, вырезавшими долины и фьорды в холодном климате, вызванном изменениями эксцентриситета орбиты Земли. Эсмарк и его спутник Отто Танк пришли к этому выводу, рассуждая по аналогии: загадочные особенности ландшафта, которые они наблюдали вблизи уровня моря вдоль побережья Норвегии, очень напоминали особенности, которые они наблюдали впереди отступающего ледника во время горного траверса летом 1823 года.
Другим фактором является возросшая засушливость, происходящая с ледниковыми максимумами, что уменьшает количество осадков, доступных для поддержания оледенения. Отступление ледника, вызванное этим или любым другим процессом, может быть усилено аналогичными обратными положительными обратными связями, как и при наступлении ледников.