第四紀氷河作用

地球の軌道変化が気候を制御する役割は、19 世紀後半にジェームズ・クロールによって初めて提唱されました。 ^{[ 9 ]}その後、セルビアの地球物理学者ミルティン・ミランコビッチは、この理論を発展させ、地球の軌道のこうした不規則性が、現在ミランコビッチ サイクルとして知られる気候サイクルを引き起こす可能性があると計算しました。^{[ 10 ]}これらは、地球の軌道特性におけるいくつかのタイプの周期的変化の加算的な挙動の結果です。

まず、地球の軌道離心率の変化は約 10 万年の周期で起こります。^{[ 11 ]}次に、地球の自転軸の傾きは 4 万 1000 年周期で 22° から 24.5° の間で変化します。^{[ 11 ]}地球の自転軸の傾きは季節の原因であり、傾きが大きいほど夏と冬の気温の差が大きくなります。 3 番目に、歳差運動、つまり地球の自転軸の揺れは 2 万 6000 年周期で起こります。ミランコビッチ理論によれば、これらの要因により地球は周期的に冷却され、周期の中で最も寒い時期は約 4 万年ごとに発生します。ミランコビッチ周期の主な影響は、地球が受ける太陽熱の年間量ではなく、季節のコントラストを変えることです。その結果、氷の融解よりも蓄積が進み、氷河が形成されます。

ミランコビッチは1920年代と1930年代に気候サイクルの考え方をまとめましたが、第四紀の気温変化の十分に長く詳細な年代記が作られ、その理論を適切に検証できるようになったのは1970年代になってからのことでした。^{[ 12 ]}深海コアとその化石の研究によると、過去数十万年の気候の変動はミランコビッチが予測したものと驚くほど近いことが示されています。

ある理論によれば、大気中のCO2の減少は_{2 は}重要な温室効果ガスであり、北極の大陸氷床の形成につながる長期的な寒冷化傾向を引き起こしました。 ^{[ 13 ]}地質学的証拠は中生代中期以降、CO₂が 90% 以上減少したことを示しています。 ^{[ 14 ]}アルケノン記録からのCO₂の分析はCO₂南極氷河期の主な原因として、CO_{2 の}大幅な減少を支持しています^{。 [ 15 ]}鮮新世後期の二酸化炭素レベルの低下は、地球の寒冷化と北半球の氷河期の開始に大きく寄与した可能性があります。 ^{[ 16 ] [ 17 ]}この大気中の二酸化炭素濃度の低下は、南極海の深層水の換気の減少によって起こった可能性があります。 ^{[ 18 ]}

CO2濃度_も間氷期と氷期の移行において重要な役割を果たしている。^{[ 19 ]} CO2濃度が高い時期は温暖な間氷期に対応し、低い時期_は氷期に対応する。しかし、研究によると_CO2濃度は_2は間氷期と氷期の遷移の主な原因ではなく、フィードバック。 ^{[ 3 ]}この観測されたCOの説明₂変異は「依然として帰属の難しい問題である」。 ^{[ 20 ]}

長期氷河期の発生における重要な要素は大陸の位置である。^{[ 21 ]}これらは海洋と大気の循環を制御し、海流が熱を高緯度地域に運ぶ方法に影響を与える。地質時代の大半において、北極は広大な外洋に位置し、主要な海流が妨げられることなく移動できたと考えられる。赤道付近の水が極地に流れ込み、極地を暖めた。これにより、地質時代の大半を通じて持続する穏やかで均一な気候が生まれた。

しかし新生代には、北米大陸プレートと南米大陸プレートがユーラシアプレートから西へ移動しました。これに伴い、南北に走る大西洋が形成され、北極点はほぼ陸地に囲まれた小さな北極海の海盆にありました。ドレーク海峡は3390万年前（始新世-漸新世境界）に開通し、南極大陸と南米大陸が分断されました。その後、南極環流が海峡を流れるようになり、南極大陸は温暖な海水から隔離され、巨大な氷床の形成が始まりました。約365万年前から350万年前にかけて北大西洋海流（NAC）が弱まったことで、北極海は冷却・淡水化し、北極海の海氷の発達を促し、鮮新世後期の大陸氷河の形成を促しました。^{[ 22 ]}約 260 万年前、 MIS 104期に北大西洋東部で渦鞭毛藻シストのターンオーバーが起こったことは、この時期に NAC が大きく南に移動し、北大西洋の高緯度海域への熱輸送が減少したことで北海と北西ヨーロッパが急激に冷え込んだ証拠として挙げられている。^{[ 23 ]}パナマ地峡は約260 万年前に収束型プレート境界で形成され、海洋循環をさらに分離し、極域外の太平洋と大西洋をつないでいた最後の海峡を閉じた。 ^{[ 24 ]}これにより極方向への塩分と熱の輸送が増加し、北大西洋の熱塩循環が強化され、北極緯度に十分な水分が供給されて北半球の氷河期が始まった。^{[ 25 ] [ 26 ]}約 2.74 Ma におけるナノ化石Coccolithus pelagicusの生物地理の変化は、この氷河作用の開始を反映していると考えられている。^{[ 27 ]}しかし、モデルシミュレーションでは、温暖な条件下で氷床の縁での融解が増加するため、氷の体積が減少することが示唆されている。^{[ 17 ]}

大陸表面の隆起、特に山脈の形成は、第四紀氷河作用の原因となったと考えられている。地球の陸塊の大部分が熱帯から徐々に移動したことと、新生代後期に山脈の形成が増加したことで、高地と高緯度に陸地が増え、氷河の形成が促進された。^{[ 29 ]}例えば、グリーンランド氷床は、西グリーンランドと東グリーンランドの高地がそれぞれ1000万年前と500万年前に2段階で隆起したことに関連して形成された。これらの山脈は受動型大陸縁辺部を構成している。^{[ 30 ]}ロッキー山脈とグリーンランド西海岸の隆起は、ジェット気流の偏向と地表標高の上昇による降雪量の増加により、気候を冷却したと推測されている。^{[ 17 ]}コンピューターモデルは、このような隆起が地形性降水量の増加と地表温度の低下により氷河作用を可能にしたことを示している。^{[ 30 ]}アンデス山脈については、主山脈が約100万年前に谷氷河の発達を可能にする高さまで隆起したことが知られている。 ^{[ 31 ]}

第四紀の氷河期は、他のすべての地質学的プロセスを合わせたよりも多くの湖を生み出した。その理由は、大陸氷河が氷河期以前の排水システムを完全に破壊するからである。氷河が移動した地表は氷によって削り取られ、侵食され、岩盤に多くの閉鎖された排水されない窪地が残された。これらの窪地に水が溜まり、湖となったのである。

氷河の縁に沿って非常に大きな湖が形成された。北アメリカとヨーロッパの両方の氷は、最大積雪の中心付近では厚さが約3,000 m (10,000フィート)であったが、氷河の縁に向かって薄くなっていた。氷の重みによって地殻が沈下し、その沈下は最も厚い氷の積雪の下で最大となった。氷が溶けると、地殻の反発が遅れ、氷に向かって地域的な傾斜が生じた。この傾斜によって、数千年にわたって存続する盆地が形成された。これらの盆地は湖になったり、海に侵食されたりした。バルト海^{[ 32 ] [ 33 ]}と北アメリカの五大湖^{[ 34 ]}は主にこのようにして形成された。  

カナダ楯状地、スウェーデン、フィンランドの数多くの湖は、少なくとも部分的には氷河による風化した岩盤の選択的侵食に由来すると考えられている。^{[ 35 ] [ 36 ]}

第四紀氷河期における地殻の大規模な地殻均衡調整は、氷の重みによって大陸が沈下したことが原因でした。カナダでは、ハドソン湾周辺の広範囲が（現在の）海面下に沈下し、ヨーロッパではバルト海周辺地域が沈下しました。氷が溶けて以来、これらの沈下した部分は隆起を続けています。こうした地殻均衡運動の一部は、約9000年前にスカンジナビアで大規模な地震を引き起こしました。これらの地震は、プレートテクトニクスとは関連がないという点で特異です。

研究によると、隆起は 2 つの明確な段階で起こったことがわかっています。氷河の融解後の初期の隆起は急速で (「弾性」と呼ばれ)、氷が取り除かれるときに起こりました。この「弾性」段階の後、隆起は「緩やかな粘性流動」によって進行し、その後は速度が指数関数的に減少しました。今日、典型的な隆起速度は年間 1 cm 程度 かそれ以下ですが、北米、特にアラスカでは隆起速度が 年間 2.54 cm (1 インチ以上) です。^{[ 37 ]}北ヨーロッパでは、これはBIFROST GPS ネットワークによって取得されたGPSデータによって明確に示されています。 ^{[ 38 ]}研究によると、隆起は少なくともあと 10,000 年間は続くとされています。氷河の融解終了からの総隆起は、局所的な氷の負荷に依存し、隆起の中心付近では数百メートルになる可能性があります。

大陸の大部分に氷が存在したことで、大気循環のパターンが大きく変化した。氷河の縁付近の風は、氷河地帯から吹き下ろす濃密で冷たい空気が豊富だったため、強く持続的だった。これらの風は、氷河によって運ばれてきた大量の緩い細かい堆積物を巻き上げて運んだ。この塵は黄土（風で運ばれたシルト）として堆積し、ミズーリ川流域、中央ヨーロッパ、中国北部の大部分に不規則な層を形成した。北アフリカ上空の貿易風は第四紀の氷河作用の開始とともに強まり、北西アフリカ縁辺部での塵の堆積量の増加によって証明されている。^{[ 39 ]}

第四紀初期には、多くの地域で砂丘がはるかに広範囲に分布し、活発に活動していました。良い例として、ネブラスカ州のサンドヒルズ地域が挙げられます。この地域は約60,000 km ² (23,166平方マイル)の面積をカバーしています。^{[ 40 ]}この地域は更新世には大規模で活発な砂丘地帯でしたが、今日では大部分が草に覆われて安定しています。^{[ 41 ] [ 42 ]}   

厚い氷河は、いくつかの重要な地域で海底にまで達するほどの重さがあり、海水の流れを遮断し、海流に影響を与えた。こうした直接的な影響に加え、海流は地球規模の熱伝達に寄与するため、フィードバック効果も引き起こした。

第四紀の氷河によって堆積したモレーンと氷堆積物は、貴重な砂金鉱床の形成に寄与している。これは、第四紀のモレーンの再堆積によって沖合に金が集中したチリ最南端の場合である。^{[ 43 ]}