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氷河期とは、地球の表面と大気の温度が低下し、大陸氷床、極地氷床、高山氷河が出現または拡大する期間のことである。この用語は、非常に長い期間と比較的短い期間の両方の寒冷化に対して、さまざまな意味で用いられる。寒冷期は氷河期と呼ばれ、温暖期は間氷期と呼ばれる。
地球の気候は、地球上に氷河が存在するかどうかに基づいて、氷河期と温室期が交互に訪れます。地球の歴史の大半は、永久氷がほとんどまたは全くない温室期でした。非常に長い期間で見ると、地球は現在、3400万年前に始まった後期新生代氷河期と呼ばれる氷河期にあります。この氷河期には寒冷期と温暖期があり、この用語は258万年前に始まった第四紀氷河期にも適用されます。この期間の中で、 11万5000年前に最終間氷期が終わり、その後、最終氷期（LGP）が続き、1万1700年前に始まった現在の温暖な完新世へと移行しました。LGPの中で最も厳しい寒冷期は最終氷期最盛期で、2万6000年前から2万年前の間に最盛期を迎えました。最も最近の氷河期は、12,800年前から11,700年前のヤンガードリアス期であった。
1742年、ジュネーブ在住の技師で地理学者のピエール・マルテル（1706年～1767年）は、サヴォワ・アルプスのシャモニー渓谷を訪れた。[ 1 ] [ 2 ] 2年後、彼は旅の記録を出版した。彼は、その渓谷の住民が、漂礫岩の分散は氷河によるもので、かつてはもっと遠くまで広がっていたと述べていると報告した。[ 3 ] [ 4 ]その後、アルプスの他の地域からも同様の説明が報告された。1815年、大工でシャモア猟師のジャン＝ピエール・ペローダン（1767年～1858年）は、スイスのヴァレー州のヴァル・ド・バニュにある漂礫岩は、かつてもっと遠くまで広がっていた氷河によるものだと説明した。[ 5 ]ベルナーオーバーラント地方のマイリンゲン出身の無名の木材加工職人が、1834年にスイス系ドイツ人の地質学者ジャン・ド・シャルパンティエ（1786–1855）との議論の中で同様の考えを提唱した。 [ 6 ]同様の説明は、スイス西部のヴァレー州ヴァル・ド・フェレやゼーラント地方[ 7 ] 、ゲーテの科学研究[ 8 ]でも知られている。このような説明は世界の他の地域でも見られる。バイエルンの博物学者エルンスト・フォン・ビブラ（1806–1878）が1849～1850年にチリのアンデス山脈を訪れた際、先住民は化石化したモレーンをかつての氷河の作用によるものとした。[ 9 ]
一方、ヨーロッパの学者たちは、漂流物が分散した原因は何なのか疑問に思い始めていた。18世紀半ばから、氷が輸送手段であった可能性について議論する者もいた。スウェーデンの鉱山専門家ダニエル・ティラス（1712～1772）は、1742年に、流氷がスカンジナビアとバルト海地域に漂流岩が存在する原因であると初めて示唆した人物である。[ 10 ] 1795年、スコットランドの哲学者で紳士博物学者のジェームズ・ハットン（1726～1797）は、アルプスの漂流岩を氷河の作用によって説明した。[ 11 ] 20年後の1818年、スウェーデンの植物学者ヨーラン・ヴァーレンベルク（1780～1851）は、スカンジナビア半島の氷河作用に関する自身の理論を発表した。彼は氷河作用を地域的な現象とみなした。[ 12 ]
わずか数年後、デンマーク・ノルウェーの地質学者イェンス・エスマルク（1762–1839）は、世界規模の氷河期の連続を主張した。1824年に発表された論文で、エスマルクはこれらの氷河期の原因として気候変動を提案した。彼は、それらが地球の軌道の変化に由来することを示そうとした。[ 13 ]エスマルクは、ローガランの海抜に近いハウカリヴァトネ湖付近のモレーンとヨステダルスブリーン川の支流のモレーンの類似性を発見した。エスマルクの発見は後にテオドール・キェルルフとルイ・アガシーに帰属または流用された。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]
その後数年間、エスマルクの考えはスウェーデン、スコットランド、ドイツの科学者によって議論され、部分的に取り入れられた。ノルウェーの氷河学教授ビョルン・G・アンデルセン（1992）のレビューによると、エディンバラ大学のロバート・ジェイムソン（1774–1854）はエスマルクの考えに比較的寛容であったようだ。[ 17 ]スコットランドの古代氷河に関するジェイムソンの発言は、おそらくエスマルクに触発されたものだろう。[ 18 ]ドイツでは、ドライシガッカー（現在はテューリンゲン州南部の都市マイニンゲンに統合）のアカデミーの地質学者で林業教授であったアルブレヒト・ラインハルト・ベルンハルディ（1797–1849）がエスマルクの理論を採用した。1832年に発表された論文で、ベルンハルディは極地の氷冠がかつて地球の温帯地域にまで達していたと推測した。[ 19 ]
スイスアルプスの谷、ヴァル・ド・バニュでは、かつて谷が深い氷に覆われていたという言い伝えが古くから地元に伝わっており、1815年に地元のカモシカ猟師ジャン＝ピエール・ペローダンが、岩に刻まれた深い条痕や巨大な迷子石を証拠として挙げ、地質学者のジャン・ド・シャルパンティエにその考えを納得させようと試みた。シャルパンティエは、これらの痕跡は大規模な洪水によって生じたものだという一般的な見解を持っており、ペローダンの説をばかげているとして退けた。1818年、技師のイグナツ・ヴェネッツがペローダンとシャルパンティエに加わり、 1815年のタンボラ山の噴火によって氷のダムができた谷の上流にある氷河湖を調査した。このダムが決壊すると壊滅的な洪水を引き起こす恐れがあった。ペローダンは仲間を自分の理論に改宗させようと試みたが失敗に終わった。しかし、ダムが最終的に決壊したとき、わずかな迷子石しかなく、条痕はなかったため、ヴェネッツはペローダンが正しく、氷だけがそのような大きな結果を引き起こしたと結論付けた。1821年、彼はスイス協会でこの理論に関する受賞論文を発表したが、同じく改宗したシャルパンティエが1834年に自身のより広く読まれた論文とともに発表するまで、出版されることはなかった。[ 20 ]
その頃、ドイツの植物学者カール・フリードリヒ・シンパー（1803-1867）は、バイエルンのアルプス高地の迷子石に生えているコケを研究していた。彼は、このような石の塊がどこから来たのか疑問に思い始めた。1835年の夏、彼はバイエルン・アルプスに何度か遠征した。シンパーは、アルプス高地の岩塊の運搬手段は氷に違いないという結論に達した。1835年から1836年の冬、彼はミュンヘンでいくつかの講義を行った。シンパーはその後、寒冷な気候と凍った水を伴う世界的な消滅の時代（「Verödungszeiten」）があったに違いないと考えた。[ 21 ]シンパーは1836年の夏を、かつての大学時代の友人ルイ・アガシー（1801-1873）とジャン・ド・シャルパンティエとともに、スイス・アルプスのベックス近郊のデヴェンスで過ごした。シンパー、シャルパンティエ、そしておそらくヴェネッツは、アガシーに氷河期があったことを確信させた。1836年から1837年の冬、アガシーとシンパーは氷河期の連続説を発展させた。彼らは主にヴェネッツ、シャルパンティエの先行研究と自分たちの現地調査に基づいていた。アガシーはその時点でベルンハルディの論文に既に精通していたようである。[ 22 ] 1837年の初め、シンパーは氷河期を「氷河期」（ 「Eiszeit」 ）と名付けた。 [ 23 ] 1837年7月、アガシーはヌーシャテルで開催されたスイス自然研究協会の年次総会で彼らの総合的な見解を発表した。聴衆は非常に批判的で、気候史に関する確立された見解と矛盾するため、新しい理論に反対する者もいた。当時の科学者のほとんどは、地球は溶融した球体として誕生して以来、徐々に冷えてきたと考えていた。[ 24 ]
懐疑論者を説得するために、アガシーは地質学的フィールドワークに着手した。彼は1840年に著書『氷河の研究』（Études sur les glaciers）を出版した。 [ 25 ]シャルパンティエはこれに不満を抱いた。彼もまたアルプスの氷河作用に関する本を準備していたからである。シャルパンティエは、アガシーに氷河の詳細な研究を紹介したのは自分だったのだから、アガシーは自分を優先すべきだったと感じていた。[ 26 ]個人的な確執の結果、アガシーは著書の中でシンパーについて一切言及しなかった。[ 27 ]
氷河期理論が科学者に完全に受け入れられるまでには数十年かかりました。これは1870年代後半に国際的に起こり、ジェームズ・クロールの研究、特に1875年に出版された「気候と時間、その地質学的関係」が氷河期の原因について信頼できる説明を提供しました。[ 28 ]
氷河期を示す証拠には、地質学的証拠、化学的証拠、古生物学的証拠の3つの主要な種類がある。
氷河期の地質学的証拠は、岩石の削り跡や引っ掻き跡、氷河堆積物、ドラムリン、谷の浸食、氷堆積物や氷河漂礫の堆積など、さまざまな形で現れます。氷河期が繰り返されると、以前の氷河期の地質学的証拠が歪められたり消えたりする傾向があり、解釈が難しくなります。さらに、これらの証拠を正確に年代測定することも困難でした。初期の理論では、氷河期は間氷期に比べて短いと想定されていました。堆積物コアや氷床コアの登場により、氷河期は長く、間氷期は短いという真実が明らかになりました。現在の理論が確立されるまでには、しばらく時間がかかりました。
化学的証拠は主に、堆積物や堆積岩、海洋堆積物コア中に存在する化石の同位体比の変動から成ります。最も最近の氷河期については、氷床コアが、氷自体と、含まれている気泡から得られる大気サンプルの両方から気候の指標を提供します。軽い同位体を含む水は蒸発熱が低いため、温暖な状況ではその割合が減少します。[ 29 ]これにより、温度記録を構築できます。ただし、この証拠は、同位体比によって記録される他の要因によって混乱する可能性があります。
古生物学的証拠は、化石の地理的分布の変化から成ります。氷河期には、寒冷地に適応した生物が低緯度地域に広がり、温暖な環境を好む生物は絶滅するか、低緯度地域に後退します。この証拠は、以下の条件を満たす必要があるため、解釈が難しいという問題もあります。
困難はあるものの、氷床コアや海洋堆積物コア[ 30 ]の分析により、過去数百万年の氷期と間氷期の信頼できる記録が得られています。これらはまた、氷河期と、氷河モレーン、ドラムリン、氷河漂礫岩などの大陸地殻現象との関連性も確認しています。したがって、氷床コアや海洋堆積物コアが利用可能な期間よりもはるかに前に形成された地層に大陸地殻現象が見られる場合、それらは以前の氷期の確かな証拠として受け入れられています。
地球の歴史上、少なくとも 5 つの主要な氷河期 (ヒューロニアン氷河期、クリオジェニアン氷河期、アンデス・サハラ氷河期、古生代後期、および最新の第四紀氷河期) があった。これらの時代以外では、地球は高緯度でも氷がないと考えられていた。[ 31 ] [ 32 ]このような期間は温室期として知られている。[ 33 ]しかし、他の研究ではこれに異議を唱え、明らかな温室期の間にも高緯度で時折氷河が起こった証拠を発見している。[ 34 ] [ 35 ]
最も初期の確立された氷河期であるヒューロニアン期の岩石は、原生代初期の約24億年前から21億年前のものと年代測定されている。ヒューロニアン超層群は、ヒューロン湖の北岸から北に10～100キロメートル（6～62マイル）の範囲に数百キロメートルにわたって露出しており、スーセントマリー付近からヒューロン湖の北東にあるサドベリーまで広がっており、現在では固結した氷堆積層、ドロップストーン、年縞、アウトウォッシュ、浸食された基盤岩の巨大な層がある。ミシガン州マーケット付近で相関関係のあるヒューロニアン堆積物が発見されており、西オーストラリアの古原生代の氷河堆積物との相関関係が認められている。ヒューロニアン氷河期は、大酸化イベント中に温室効果ガスである大気中のメタンが消失したことによって引き起こされた。[ 36 ]
次に記録が残っている氷河期は、おそらく過去 10 億年で最も厳しいもので、7 億 2000 万年前から 6 億 3000 万年前 (クリオジェニアン期) に発生し、氷床が赤道にまで達するスノーボール アースを引き起こした可能性があり、 [ 37 ]火山から発生するCO2などの温室効果ガスの蓄積によって終焉を迎えた可能性がある。「大陸に氷が存在し、海洋に流氷が存在すると、現在CO2の主要な吸収源であるケイ酸塩風化と光合成の両方が阻害されるだろう。」 [ 38 ]この氷河期の終焉が、その後のエディアカラ爆発とカンブリア爆発の原因であると示唆されているが、このモデルは最近のもので議論の余地がある。
アンデス・サハラ造山運動は、4億6000万年前から4億2000万年前、後期オルドビス紀からシルル紀にかけて発生した。
デボン紀の初めに陸上植物が進化すると、惑星の酸素レベルが長期的に上昇し、CO 2レベルが低下し、その結果、古生代後期の氷河期が到来しました。その旧称であるカルー氷河期は、南アフリカのカルー地方で発見された氷河堆積物にちなんで名付けられました。石炭紀とペルム紀前期には、3億6000万年前から2億6000万年前まで、南アフリカには広範囲にわたる極地氷冠が断続的に存在していました。古代の超大陸ゴンドワナランドの中心に位置するアルゼンチンにも、同様の氷河期が知られています。
中生代は全期間にわたって温室気候が維持され、これまで氷河作用が全くなかったと考えられていたが、近年の研究では、白亜紀前期に両半球で短期間の氷河作用があったことが示唆されている。地質学的および古気候学的記録は、白亜紀前期のヴァランギニアン期、オーテリビアン期、アプチアン期に氷河期が存在したことを示唆している。氷河によって運ばれた氷河性ドロップストーンは、北半球ではオーテリビアン期とアプチアン期に氷床がイベリア半島まで南下していた可能性があることを示している。[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]氷床はその後、地球からほぼ完全に姿を消したが（顕生代で最も温暖な時期であるチューロニアン期の報告の可能性については議論がある）、[ 34 ] [ 35 ]氷床とそれに伴う海氷は、白亜紀-古第三紀絶滅イベントの直前、マーストリヒチアン期の末期近くに南極大陸に一時的に戻ってきたようである。[ 35 ] [ 42 ]
第四紀氷河期は、北半球で氷床の拡大が始まった第四紀の初め、約258万年前に始まりました。それ以来、世界は氷床が4万年と10万年の周期で前進と後退を繰り返す氷河期（氷期、氷期、氷期前進とも呼ばれる）と間氷期（間氷期、氷期後退とも呼ばれる）のサイクルを経験してきました。地球は現在間氷期にあり、最後の氷期は約1万1700年前に終わりました。大陸氷床の残骸は、グリーンランド氷床と南極氷床、そしてバフィン島などの小さな氷河だけです。
第四紀の定義は、 258万年前に北極氷床が形成されたことに由来する。南極氷床はそれより早く、約3400万年前の中期新生代（始新世-漸新世境界）に形成され始めた。後期新生代氷河期という用語は、この初期段階を含めるために用いられる。[ 43 ]
氷河期は場所と時間によってさらに細分化できます。例えば、リス氷期（18万～13万年前）とヴュルム氷期（7万～1万年前）は、アルプス地域の氷河作用を具体的に指しています。氷の最大範囲は、氷河期全体にわたって維持されるわけではありません。各氷河期の浸食作用により、後の氷床が全面を覆わなかった地域を除いて、以前の氷床の痕跡のほとんどが完全に除去される傾向があります。
現在の氷河期には、より温暖な時期とより厳しい時期がありました。寒冷な時期は氷河期、温暖な時期は間氷期と呼ばれ、エーミアン氷期などがその例です。[ 44 ]アンデス・サハラ氷河期[ 45 ]や古生代後期の氷河期など、過去の氷河期にも同様の氷河サイクルがあったという証拠があります。古生代後期の氷河期の氷河サイクルは、サイクロセムの堆積の原因であると考えられます。[ 46 ]
氷河期は、地球の大部分で気候が冷涼で乾燥し、極から外側に向かって広大な陸氷と海氷が広がるのが特徴です。氷河のない地域では、雪線が低くなるため、山岳氷河がより低い標高まで広がります。氷冠から海面上の大量の水が除去されるため、海面が低下します。氷河期によって海洋循環パターンが乱されるという証拠もあります。氷河期と間氷期は、地球の軌道と自転軸の傾きの周期的な変化であるミランコビッチサイクルによる気候の軌道強制力の変化と一致しています。
地球は約 11,700 年間、完新世として知られる間氷期にあり、 [ 47 ] 2004 年のNature 誌の記事では、それが 28,000 年間続いた以前の間氷期に最も類似している可能性があると主張しています。 [ 48 ]軌道強制力の予測される変化は、次の氷期が少なくとも 50,000 年後に始まることを示唆しています。さらに、温室効果ガスの増加による人為的強制力は、数十万年にわたってミランコビッチ サイクルの軌道強制力を上回る可能性があると推定されています。[ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]
各氷河期は、その深刻さを増す正のフィードバック機構と、さまざまな強制力に対する気候全体の反応を弱める負のフィードバック機構の影響を受ける。第四紀氷河期の場合、氷床や大気中の塵による地球の高いアルベドと、大気中のCO2濃度の低さが、寒冷な氷河気候に寄与した。[ 52 ]
地球のアルベド（反射率）は重要なフィードバック機構の一つであり、太陽エネルギーのうち地球が吸収するのではなく反射する割合を示します。氷と雪は地球のアルベドを高め、森林はアルベドを低下させます。気温が低下すると、氷と雪の領域が拡大し、森林面積が減少します。このプロセスは、負のフィードバック機構との競合によってシステムが平衡状態に達するまで続きます。
ある説によれば、氷河が形成されると、2つのことが起こります。氷が岩石を粉々に砕き、土地が乾燥して不毛になります。これにより、風が鉄分を豊富に含む塵を外洋に運び、そこで肥料として働き、大量の藻類の異常繁殖を引き起こし、大気から大量のCO2を吸収します。その結果、さらに寒くなり、氷河がさらに成長します。[ 54 ]
1956年、ユーイングとドン[ 55 ]は、氷のない北極海が高緯度地域での降雪量の増加につながるという仮説を立てた。低温の氷が北極海を覆っていると、蒸発や昇華はほとんど起こらず、極地は降水量に関して非常に乾燥しており、中緯度砂漠で見られる量に匹敵する。この降水量の少なさにより、高緯度地域で降った雪は夏の間に溶けてしまう。氷のない北極海は、長い夏の日中に太陽放射を吸収し、より多くの水を北極の大気中に蒸発させる。降水量が増えると、この雪の一部は夏の間に溶けずに残る可能性があり、そのため氷河氷はより低い高度やより南の緯度で形成され、前述のようにアルベドの増加によって陸上の気温を低下させる。さらに、この仮説では、海洋の流氷がないことで、北極海と北大西洋の間で水の交換が増加し、北極海が温暖化し、北大西洋が冷え込む。 （地球温暖化の現在の予測結果には、2050 年までに北極海が一時的に氷のない状態になることが含まれています。）温暖化サイクル中に北大西洋に流入する追加の淡水は、世界の海洋循環を減少させる可能性もあります。このような減少（メキシコ湾流の影響を減少させることによって）は、北ヨーロッパを冷却する効果があり、その結果、夏季の低緯度地域の積雪量の増加につながります。[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]また、広範囲にわたる氷河期には、氷河がセントローレンス湾を通過し、北大西洋にメキシコ湾流を遮断するほどまで広がる可能性があることも示唆されています。
氷河期に形成される氷床は、その下の土地を侵食します。これにより、海面上の陸地面積が減少し、氷床が形成される空間の量が減少します。これは、外洋は陸地よりもアルベドが低いため、氷床面積の減少に伴う海面上昇と同様に、アルベドフィードバックを緩和します。[ 59 ]
もう一つの負のフィードバック機構は、氷河期最盛期に起こる乾燥の増加であり、これにより氷河を維持するために利用可能な降水量が減少する。このプロセスやその他のプロセスによって引き起こされる氷河の後退は、氷河の前進の場合と同様の逆正のフィードバックによって増幅される可能性がある。 [ 60 ]
Nature Geoscienceに掲載された研究によると、人間の二酸化炭素（CO2 ）排出は次の氷河期を遅らせるだろう。研究者たちは地球の軌道データを使って、現在の氷河期に最もよく似た過去の温暖な間氷期を見つけ出し、そこから次の氷河期は通常1500年以内に始まると予測した。彼らはさらに、排出量が非常に多いため、そうはならないと予測している。[ 61 ]
氷河期の原因は、大規模な氷河期と、氷河期内の氷期と間氷期の小さな増減のどちらについても完全には解明されていません。いくつかの要因が重要であるという共通認識があります。例えば、二酸化炭素やメタンの濃度などの大気組成（前述のガスの具体的なレベルは、南極のドームCにある欧州南極氷床コアリングプロジェクト（EPICA）の新しい氷床コアサンプルによって、過去80万年にわたって確認できるようになりました）、ミランコビッチサイクルとして知られる地球の太陽周回軌道の変化、地殻プレートの動きによる地球表面の大陸地殻と海洋地殻の相対的な位置と量の変化（風や海流に影響します）、太陽活動の変動、地球・月系の軌道力学、比較的大きな隕石の影響、超巨大火山の噴火を含む火山活動などです。[ 62 ]
これらの要因の中には、互いに影響し合うものもあります。例えば、地球の大気組成の変化（特に温室効果ガスの濃度）は気候を変化させる可能性があり、また気候変動自体も大気組成を変化させる可能性があります（例えば、風化作用によって二酸化炭素が除去される速度を変化させることによって）。
モーリーン・レイモ、ウィリアム・ラディマンらは、チベット高原とコロラド高原は巨大なCO2 「スクラバー」であり、地球の大気から十分なCO2を除去する能力があり、4000万年にわたる新生代寒冷化傾向の重要な原因となっていると提唱している。さらに彼らは、これらの高原の隆起（およびCO2 「スクラバー」能力）の約半分が過去1000万年の間に起こったと主張している。[ 63 ] [ 64 ]
氷河期の始まりに温室効果ガス濃度が低下し、氷床の後退期に上昇したという証拠はあるものの、因果関係を明確にすることは困難である（風化作用の役割については上記の注記を参照）。温室効果ガス濃度は、大陸移動や火山活動など、氷河期の原因として提唱されている他の要因によっても影響を受けた可能性がある。
スノーボールアース仮説は、原生代後期の厳しい寒冷化は、主に火山活動による大気中の二酸化炭素濃度の上昇によって終息したと主張している。また、スノーボールアースの支持者の中には、そもそも大気中の二酸化炭素濃度の減少が寒冷化の原因だったと主張する者もいる。この仮説は、将来再びスノーボールアースのような寒冷化が起こる可能性についても警告している。
2009年には、太陽放射の変化が氷河期後の地球温暖化の最初の引き金となり、温室効果ガスの増加などの二次的要因が変化の大きさを説明するというさらなる証拠が提示された。[ 65 ]
地質学的記録によると、氷河期は大陸が赤道から極地への温水の流れを遮断または減少させる位置にあるときに始まり、その結果、氷床が形成される。氷床は地球の反射率を高め、太陽放射の吸収を減少させる。吸収される放射が減少すると大気は冷却され、この冷却によって氷床が成長し、さらに反射率が増加するという正のフィードバックループが生じる。氷河期は、風化作用の減少によって温室効果が増大するまで続く。
大陸の配置によって暖かい水が極地へ移動するのを妨げる主な要因は 3 つあります。[ 66 ]
現在の地球は南極に大陸があり、北極にはほぼ陸に囲まれた海洋があるため、地質学者たちは、地球は地質学的に見て近い将来、氷河期を経験し続けるだろうと考えている。
科学者の中には、ヒマラヤ山脈が現在の氷河期の主要因であると考える者もいる。なぜなら、これらの山脈によって地球の総降水量が増加し、その結果、大気から二酸化炭素が洗い流される速度が増し、温室効果が減少したからである。[ 64 ]ヒマラヤ山脈の形成は約7000万年前にインド・オーストラリアプレートがユーラシアプレートに衝突したことから始まり、 インド・オーストラリアプレートが現在も年間67mmの速度で移動しているため、ヒマラヤ山脈は年間約5mmずつ隆起し続けている。ヒマラヤ山脈の歴史は、4000万年前の中期始新世 以降の地球の平均気温の長期的な低下と概ね一致する。
古代の気候体制に大きく貢献したもう一つの要因は、大陸の位置、海面水位、塩分濃度、その他の要因によって変化する海流の変動である。海流には冷却する力（例えば、南極の氷の形成を助ける）と温暖化する力（例えば、イギリス諸島を寒帯気候ではなく温帯気候にする）がある。約300万年前のパナマ地峡の閉鎖は、熱帯大西洋と太平洋間の水の交換を終わらせることで、北アメリカ大陸における現在の強い氷河期をもたらした可能性がある。[ 67 ]
分析によると、海流の変動は最近の氷河期の変動を十分に説明できることが示唆されている。最後の氷河期には、主に北半球の氷床に水が隔離されたため、海面は20～30メートル（66～98フィート）変動した。氷が集まり、海面が十分に低下すると、ベーリング海峡（シベリアとアラスカの間の狭い海峡で、現在は約50メートル（165フィート）の深さ）を通る流れが減少し、北大西洋からの流入が増加した。これにより、大西洋の熱塩循環が再編成され、北極への熱輸送が増加し、極地の氷の蓄積が溶け、他の大陸氷床が減少した。水の放出により海面が再び上昇し、太平洋からのより冷たい水の流入が回復し、それに伴って北半球の氷の蓄積が移動した。[ 68 ]
2021年にNatureに掲載された研究によると、過去150万年の氷河期はすべて、南極の氷山が北へ移動して海洋循環パターンが変化し、大気からより多くのCO2が除去されたことと関連していた。著者らは、南極海が温暖化しすぎて氷山がこれらの変化を引き起こすほど遠くまで移動できなくなるため、将来このプロセスが阻害される可能性があると示唆している。[ 69 ] [ 70 ]
マティアス・クーレの氷河期発達に関する地質学的理論は、氷河期（最終氷期最盛期？）にチベット高原を覆っていた氷床の存在によって示唆された。クーレによれば、チベットのプレートテクトニクスによる雪線を超えた隆起により、約240万平方キロメートル（93万平方マイル）の地表が裸地からアルベドが70%高い氷に変わった。宇宙へのエネルギーの反射は地球規模の寒冷化をもたらし、更新世氷河期を引き起こした。この高地は亜熱帯緯度に位置し、高緯度地域の4～5倍の日射量があるため、地球上で最も強い加熱面となるはずだった場所が冷却面となった。
クーレは、地球の軌道の変動による放射変化の 10 万年周期によって間氷期を説明している。この比較的わずかな温暖化は、重なり合った氷の重みによる北欧内陸氷域とチベットの氷床低下と相まって、内陸氷域の完全な融解が繰り返される原因となっている。 [ 71 ] [ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]
ミランコビッチサイクルとは、地球の太陽周回軌道の特性が周期的に変化する現象のことである。各サイクルは長さが異なるため、その影響は時として互いに強め合い、また時として（部分的に）打ち消し合う。
ミランコビッチサイクルが氷河期内の氷期と間氷期の発生に影響を与えるという強い証拠がある。現在の氷河期は、特に過去40万年間が最もよく研究され、理解されている。これは、大気組成や気温と氷量の指標を記録する氷床コアが存在する期間だからである。この期間内では、氷期/間氷期の頻度とミランコビッチ軌道強制周期の一致が非常に近いため、軌道強制は一般的に受け入れられている。太陽までの距離の変化、地球の自転軸の歳差運動、および地球の自転軸の傾きの変化の複合効果により、地球が受ける太陽光が再分配される。特に重要なのは、季節の強さに影響を与える地球の自転軸の傾きの変化である。たとえば、北緯65度 の7月の太陽光入射量は、最大で22%（450 W/m 2から550 W/m 2）も変化する。氷床が拡大するのは、夏が寒すぎて前冬に積もった雪がすべて溶けきらない時だと広く信じられている。軌道強制力の強さが小さすぎて氷河期を誘発できないと考える人もいるが、CO₂のようなフィードバック機構がこの不一致を説明できるかもしれない。
ミランコビッチ強制力は、地球の軌道要素の周期的変化が氷河期の記録に現れると予測しているが、氷河期と間氷期のタイミングにおいてどの周期が最も重要であるかを説明するには、さらなる説明が必要である。特に、過去80万年間、氷河期と間氷期の振動の支配的な周期は10万年であり、これは地球の軌道離心率と軌道傾斜角の変化に対応している。しかし、これはミランコビッチが予測する3つの周波数の中で最も弱いものである。300万年前から80万年前の期間、氷河期の支配的なパターンは、地球の地軸傾斜角（自転軸の傾き）の変化の4万1000年周期に対応していた。ある周波数が他の周波数よりも支配的になる理由は十分に理解されておらず、現在も活発な研究分野となっているが、その答えはおそらく地球の気候システムにおける何らかの共鳴に関係していると考えられる。最近の研究では、南極の海氷の増加により全太陽光反射率が上昇するため、10万年周期が支配的になることが示唆されている。[ 75 ] [ 76 ]
「伝統的な」ミランコビッチの説明では、過去 8 サイクルにわたる 10 万年周期の優勢を説明するのに苦労している。リチャード A. ミュラー、ゴードン JF マクドナルド[ 77 ] [ 78 ] [ 79 ]らは、これらの計算は地球の 2 次元軌道に関するものであるが、3 次元軌道にも 10 万年周期の軌道傾斜角があることを指摘している。彼らは、地球が太陽系の既知の塵帯に出入りするにつれて、これらの軌道傾斜角の変動が日射量の変動につながると提案した。これは伝統的な見解とは異なるメカニズムであるが、過去 40 万年間の「予測」周期はほぼ同じである。ミュラーとマクドナルドの理論は、今度はホセ アントニオ リアルによって異議を唱えられている。[ 80 ]
ウィリアム・ラディマンは、10万年周期を、歳差運動（2万6千年周期）に対する離心率（弱い10万年周期）の変調効果と、4万1千年周期および2万6千年周期における温室効果ガスのフィードバックの組み合わせによって説明するモデルを提案した。また、ピーター・ハイバースは、4万1千年周期が常に支配的であったが、地球は2番目または3番目の周期のみが氷河期を引き起こす気候挙動モードに入ったと主張する別の理論を提唱した。これは、10万年周期は実際には8万年と12万年の周期を平均化することによって作られた錯覚であることを意味する。[ 81 ]この理論は、ディディエ・パイアールが提案した単純な経験的多状態モデルと一致している。[ 82 ]パイラールは、後期更新世の氷河サイクルは、3 つの準安定な気候状態間のジャンプとして見ることができると示唆している。これらのジャンプは軌道強制によって引き起こされるが、前期更新世の 41,000 年の氷河サイクルは、わずか 2 つの気候状態間のジャンプによって生じた。この挙動を説明する力学モデルは、ピーター・ディトレフセンによって提案された。[ 83 ]これは、後期更新世の氷河サイクルは弱い 100,000 年の離心率サイクルによるものではなく、主に 41,000 年の傾斜角サイクルに対する非線形応答によるものであるという提案を支持するものである。
太陽のエネルギー出力には少なくとも2種類の変動がある。[ 84 ]
太陽活動の長期的な増加は、氷河期の原因にはなり得ない。
火山噴火は氷河期の開始や終了に寄与した可能性がある。古気候の時期には、二酸化炭素濃度が現在よりも2倍または3倍高かった時期があった。火山活動と大陸プレートの移動により、大気中のCO2濃度が高くなった。火山からの二酸化炭素は、おそらく気温が最も高かった時期に寄与したと考えられる。[ 85 ]暁新世-始新世温暖化極大期の提案されている説明の1つは、海底火山がクラスレートからメタンを放出し、それによって温室効果が大きく急速に増加したというものである。[ 86 ] 適切な時期にそのような噴火があったという地質学的証拠はないようだが、だからといって噴火が起こらなかったとは証明されない。
約 260 万年前に始まり現在まで続く現在の地質時代である第 4 紀[ 87 ]は、温暖期と寒冷期によって特徴づけられ、約 10 万年続く氷河期(第 4 紀氷期) と呼ばれる寒冷期と、1 万～ 1 万 万 千年続く間氷期と呼ばれる温暖期があります。最後の氷河期の最後の寒冷期は約 1 万年前に終わりました。[ 88 ]地球は現在、完新世と呼ばれる第 4 紀の間氷期にあります。
北アメリカの現在の氷河期の主要な氷河期は、イリノイ氷期、エーミアン氷期、ウィスコンシン氷期です。北アメリカの氷河期を細分化するためにネブラスカ氷期、アフトン氷期、カンザス氷期、ヤーマス氷期を使用することは、第四紀の地質学者や地形学者によって廃止されました。これらの氷期はすべて、1980年代にプレ・イリノイ氷期に統合されました。 [ 89 ] [ 90 ] [ 91 ]
北米の最新の氷河期、すなわち最終氷期最盛期の後半（26,000年前から13,300年前）には、氷床は北緯45度付近まで広がっていた。これらの氷床の厚さは3～4キロメートル（1.9～2.5マイル）であった。[ 90 ]
このウィスコンシン氷河期は、北米の景観に広範囲にわたる影響を残しました。五大湖とフィンガー湖は、氷河が古い谷を深く削り込んで形成されました。ミネソタ州とウィスコンシン州の湖のほとんどは氷河によって削り取られ、後に氷河の融解水で満たされました。かつてのテイズ川の流域は大きく変化し、オハイオ川の流域へとほぼ完全に作り変えられました。ナイアガラの滝のように、他の河川もダムによって堰き止められ、新しい水路へと流路が変更されました。ナイアガラの滝は、水流が石灰岩の断崖にぶつかった際に、壮大な滝と峡谷を形成しました。ニューヨーク州シラキュース近郊の現在のクラーク自然保護区州立公園にある、同様の滝は現在干上がっています。
ロングアイランドからマサチューセッツ州ナンタケットまでの地域は氷河堆積物から形成され、カナダ北部のカナダ楯状地にある数多くの湖は、ほぼ完全に氷河の作用によるものと言える。氷河が後退し、岩石の粉塵が乾燥すると、風によってその物質が数百マイルも運ばれ、ミズーリ川流域には数十フィートもの厚さの黄土層が形成された。氷河期後の地殻隆起は、五大湖やかつて氷床の重みで覆われていた他の地域を今もなお形作り続けている。
ドリフトレス地域（ウィスコンシン州西部および南西部の一部と、隣接するミネソタ州、アイオワ州、イリノイ州の一部）は、氷河に覆われていなかった。
最後の氷河期は8,000年以上前に終わりましたが、その影響は今日でも感じられます。例えば、移動する氷はカナダ（カナダ北極諸島を参照）、グリーンランド、北ユーラシア、南極大陸の地形を削り出しました。迷子石、氷堆積物、ドラムリン、エスカー、フィヨルド、ケトル湖、モレーン、圏谷、角などは、氷河が残した典型的な地形です。氷床の重量は非常に大きく、地球の地殻とマントルを変形させました。氷床が溶けた後、氷に覆われた土地は隆起しました。地球のマントルの粘性が高いため、隆起プロセスを制御するマントル岩石の流れは非常に遅く、現在、隆起域の中心付近では年間約1cmの速度です。
氷河期には、高緯度地域で氷を形成するために海から水が奪われたため、世界の海面は約110メートル低下し、大陸棚が露出して陸地間の陸橋が形成され、動物が移動できるようになりました。氷河期が終わると、溶けた氷水が海に戻り、海面が上昇しました。このプロセスは、海岸線や水系に急激な変化をもたらし、新たに水没した土地、新たに出現した土地、崩壊した氷ダムによる湖の塩水化、新たな氷ダムによる広大な淡水域の形成、そして大規模かつ一時的な地域的な気象パターンの全般的な変化を引き起こす可能性があります。一時的な再氷河期を引き起こすことさえあります。このような急速に変化する陸地、氷、塩水、淡水の混沌としたパターンは、バルト海地域やスカンジナビア地域、そして最後の氷河期の終わりに北アメリカ中央部の大部分で起こった可能性のあるモデルとして提案されており、現在の海岸線は先史時代の最後の数千年で形成されたものです。また、スカンジナビア半島の標高上昇の影響により、現在北海の大部分の下に存在し、ブリテン諸島とヨーロッパ大陸をつないでいた広大な大陸平野が水没した。[ 92 ]
地球表面における氷水の再分布とマントル岩石の流れは、重力場の変化と地球の慣性モーメントの分布の変化を引き起こします。これらの慣性モーメントの変化は、地球の自転の角速度、軸、および揺れの変化につながります。
再分配された地表質量の重量がリソスフェアに負荷をかけ、リソスフェアを曲げ、地球内部にも応力を誘発した。氷河の存在は一般的に、その下の断層の動きを抑制した。[ 93 ] [ 94 ] [ 95 ]氷河の後退期には、断層は滑りが加速し、地震を引き起こす。氷縁付近で発生した地震は、氷山崩落を加速させ、ハインリッヒイベントの原因となる可能性がある。[ 96 ]氷縁付近で氷がさらに除去されると、プレート内地震がさらに誘発され、この正のフィードバックが氷床の急速な崩壊を説明できる可能性がある。
ヨーロッパでは、氷河の侵食と氷の重みによる地殻均衡沈下によってバルト海が形成された。氷河期以前は、バルト海はすべてエリダノス川によって排水される陸地であった。
過去の推定では間氷期は約 10,000 年とされていたため、1970 年代には次の氷河期が間近に迫っているのではないかという懸念があった。[ 97 ]現在では、人間の影響によって、すでに異常に長い温暖期がさらに延長される可能性があると考えられている。[ 98 ] [ 99 ]氷河期は約 100,000 年周期で繰り返されるが、次の氷河期は人間の二酸化炭素排出によって回避される可能性がある。[ 50 ]カーディフ大学のスティーブン・バーカーによれば、人間の干渉がなければ、地球の次の氷河期は「今後 11,000 年以内に発生し、66,000 年で終わる」という。[ 100 ]
過去の地球変動プロジェクトによる2015年の報告書によると、シミュレーションでは、北半球の夏の日射量が次に大きく減少する前に、今後約5万年以内に新たな氷河期が起こる可能性は低いとされています。「大気中のCO2濃度が300ppm以上であるか、累積炭素排出量が1000PgC（すなわち1000ギガトン炭素）を超える場合」です。「今後1万年以内に氷河期が起こる可能性があるのは、大気中のCO2濃度が産業革命以前のレベルを下回った場合のみです。…人為的なCO2排出が継続していることを考えると、今後5万年以内に氷河期が始まる可能性は非常に低いでしょう。なぜなら、積極的な除去がない場合、CO2と気温が擾乱のない値まで低下する時間スケールは非常に長く[IPCC、2013]、次の2つの歳差運動サイクルでは弱い歳差運動による強制力しか発生しないからです。」 （歳差運動の周期は約21,000年で、これは近日点が熱帯年を一周するのにかかる時間です。）[ 101 ]
氷河期の発見は、地球科学における最も革新的な進歩の1つです。 1824年、デンマーク系ノルウェー人の地球科学者イェンス・エスマルクは、地球の軌道の偏心率の変化によって引き起こされた寒冷気候の下、ノルウェーやヨーロッパの他の地域がかつて巨大な氷河に覆われ、谷やフィヨルドが削られていたという紛れもない証拠があると主張する論文を発表した。エスマルクと彼の旅の仲間オットー・タンクは、同様の推論によってこの洞察に至った。ノルウェー沿岸の海抜に近い場所で彼らが観察した謎めいた地形の特徴は、1823年の夏に山岳横断中に彼らが後退する氷河の前面で観察した地形と非常によく似ていたからである。
氷河期最盛期に起こる乾燥化の進行であり、これにより氷河を維持するために必要な降水量が減少する。この現象、あるいはその他の要因によって引き起こされる氷河の後退は、氷河の前進の場合と同様の逆正のフィードバックによって増幅される可能性がある。
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