Введение

Серия чередующихся ледниковых и межледниковых периодов. Серия ледниковых периодов за последние 2,58 миллиона лет.

Кватернарное оледенение, также известное как плейстоценовое оледенение, представляет собой чередующуюся серию ледниковых и межледниковых периодов в течение кватернарного периода, начавшуюся 2,58 миллиона лет назад и продолжающуюся по сей день. Хотя геологи описывают весь этот период до настоящего времени как «ледниковый период», в популярной культуре этот термин обычно относится к последнему ледниковому периоду или к плейстоценовой эпохе в целом. Поскольку на Земле до сих пор существуют полярные ледяные щиты, геологи считают, что кватернарное оледенение продолжается, хотя в настоящее время находится в межледниковом периоде. В ходе кватернарного оледенения формировались ледяные щиты, расширявшиеся в ледниковые периоды и сокращавшиеся в межледниковые периоды. С момента окончания последнего ледникового периода сохранились лишь антарктический и гренландский ледяные щиты, в то время как другие щиты, образовавшиеся в ледниковые периоды, такие как Лаврентийский ледниковый щит, полностью растаяли. Основными последствиями кватернарного оледенения стали континентальная эрозия суши и отложение материала, изменение речных систем, образование миллионов озер, включая развитие плувиальных озер вдали от ледниковых окраин, изменения уровня моря, изостатическая компенсация земной коры, наводнения и аномальные ветры. Ледяные щиты, повышая альбедо (отношение солнечной радиации, отраженной от Земли обратно в космос), создавали значительную обратную связь для дальнейшего охлаждения климата. Эти эффекты сформировали наземную и океаническую среду, а также биологические сообщества. Задолго до кватернарного оледенения наземный лед появлялся и исчезал как минимум в течение четырех других ледниковых периодов. Кватернарное оледенение можно рассматривать как часть позднего кайнозоя, начавшегося 33,9 миллиона лет назад и продолжающегося до сих пор.

Открытие

Доказательства четвертичного оледенения впервые были осознаны в 18 и 19 веках в ходе научной революции. За последнее столетие обширные полевые наблюдения предоставили доказательства того, что континентальные ледники покрывали значительные территории Европы, Северной Америки и Сибири. Карты ледниковых форм рельефа были составлены после многолетних полевых работ сотнями геологов, которые картографировали местоположение и ориентировку драмлинов, эскеров, морен, борозд и русел талых вод, чтобы установить границы ледниковых щитов, направление их движения и системы отводных каналов талой воды. Это также позволило ученым реконструировать историю многократных продвижений и отступлений льда. Еще до всеобщего признания теории всемирного оледенения, многие наблюдатели отмечали, что ледник совершал не одно продвижение и отступление.

Причины

История оледенений Земли обусловлена внутренней изменчивостью климатической системы Земли (например, океаническими течениями, круговоротом углерода) и взаимодействием с внешними факторами, такими как явления, происходящие за пределами климатической системы (например, изменения орбиты Земли, вулканизм и колебания солнечной активности).

Астрономические циклы

Роль изменений орбиты Земли в регулировании климата впервые была предложена Джеймсом Кроллом в конце XIX века. Позже сербский геофизик Милутин Миланкович развил эту теорию и вычислил, что эти нерегулярности в орбите Земли могут вызывать климатические циклы, известные как циклы Миланковича. Они являются результатом суммарного эффекта нескольких типов циклических изменений в орбитальных характеристиках Земли. Во-первых, изменения эксцентриситета орбиты Земли происходят в цикле примерно 100 000 лет. Во-вторых, наклон оси Земли изменяется от 22° до 24,5° в цикле продолжительностью 41 000 лет. Исследования кернов глубоководных отложений и содержащихся в них окаменелостей показывают, что колебания климата за последние несколько сотен тысяч лет удивительно хорошо соответствуют предсказаниям, основанным на циклах Миланковича.

Атмосферный состав

Одна теория утверждает, что снижение атмосферного уровня углекислого газа, важного парникового газа, положило начало долгосрочной тенденции охлаждения, которая в конечном итоге привела к образованию континентальных ледяных щитов в Арктике. Геологические данные свидетельствуют о снижении атмосферного уровня более чем на 90% с середины мезозойской эры. Анализ реконструкций по данным алкенонов показывает, что концентрация углекислого газа в атмосфере снижалась до и во время антарктического оледенения, и подтверждает, что существенное снижение углекислого газа является основной причиной антарктического оледенения. Снижение уровня углекислого газа в конце плиоцена могло существенно способствовать глобальному охлаждению и началу оледенения в Северном полушарии. Это снижение концентрации углекислого газа в атмосфере могло произойти из-за уменьшения вентиляции глубоководных масс в Южном океане. Уровни углекислого газа также играют важную роль в переходах между межледниковыми и ледниковыми периодами. Высокое содержание углекислого газа соответствует теплым межледниковым периодам, а низкое – ледниковым периодам. Однако исследования показывают, что углекислый газ может быть не основной причиной этих переходов, а скорее выступать в качестве фактора обратной связи. Объяснение наблюдаемой изменчивости углекислого газа "остается сложной проблемой атрибуции".

Тектоника плит и океанские течения

Важным компонентом в развитии долгосрочных ледниковых периодов является положение континентов. Они могут контролировать циркуляцию океанов и атмосферы, влияя на то, как океанские течения переносят тепло к высоким широтам. На протяжении большей части геологического времени Северный полюс, по-видимому, находился в широком, открытом океане, что позволяло основным океанским течениям свободно перемещаться. Экваториальные воды поступали в полярные регионы, согревая их. Это создавало умеренный, однородный климат, который сохранялся на протяжении большей части геологического времени. Но в течение кайнозойской эры крупные Североамериканская и Южноамериканская континентальные плиты дрейфовали на запад от Евразийской плиты. Это было связано с развитием Атлантического океана, простирающегося с севера на юг, при этом Северный полюс оказался в небольшом, почти замкнутом бассейне Северного Ледовитого океана. Пролив Дрейка открылся 33,9 миллиона лет назад (на границе эоцена и олигоцена), отделив Антарктиду от Южной Америки. Тогда через него мог протекать Антарктический циркумполярный поток, изолируя Антарктиду от теплых вод и вызывая формирование ее огромных ледяных щитов. Ослабление Североатлантического течения (NAC) примерно 3,65–3,5 миллиона лет назад привело к охлаждению и опреснению Северного Ледовитого океана, способствуя развитию арктического морского льда и созданию условий для формирования континентальных ледников в более позднем плиоцене. Обнаружение смены динофлагеллят в восточной части Северной Атлантики около 2,60 млн лет назад, во время MIS 104, было приведено в качестве доказательства значительного южного смещения NAC в это время, что вызвало резкое охлаждение Северного моря и северо-западной Европы из-за уменьшения переноса тепла к высокоширотным водам Северной Атлантики. Панамский перешеек сформировался в зоне схождения плит около 2,6 миллиона лет назад и еще больше разделил океаническую циркуляцию, закрыв последний пролив за пределами полярных регионов, соединявший Тихий и Атлантический океаны. Это увеличило приток соли и тепла к полюсам, усиливая Североатлантическую термохалинную циркуляцию, которая обеспечивала арктические широты достаточным количеством влаги для начала северного оледенения. Однако, согласно результатам моделирования, объем льда мог уменьшиться из-за усиления абляции у края ледяного покрова в более теплых условиях.

Разрушение постоянного Эль-Ниньо

Постоянное состояние Эль-Ниньо существовало в начале и середине плиоцена. Более высокая температура в восточной экваториальной части Тихого океана привела к усилению парникового эффекта водяного пара и уменьшению площади, покрытой высокоотражающими слоистыми облаками, тем самым снижая альбедо планеты. Распространение эффекта Эль-Ниньо через планетарные волны могло согреть полярные области и отсрочить начало оледенения в северном полушарии. Следовательно, появление холодных поверхностных вод в восточной экваториальной части Тихого океана около 3 миллионов лет назад могло способствовать глобальному охлаждению и изменить реакцию глобального климата на циклы Миланковича.

Восхождение гор

Считается, что поднятие континентальной поверхности, часто в форме горообразования, способствовало наступлению четвертичного оледенения. Постепенное смещение основной массы суши от тропиков, в сочетании с усилением горообразования в позднем кайнозое, привело к увеличению площади суши на больших высотах и высоких широтах, что благоприятствовало формированию ледников. Например, Гренландский ледниковый щит сформировался в связи с поднятием западных и восточных Гренландских возвышенностей в два этапа, 10 и 5 миллионов лет назад соответственно. Эти горы являются частью пассивных континентальных окраин. Компьютерное моделирование показывает, что такое поднятие могло способствовать оледенению за счет увеличения орографических осадков и понижения температуры поверхности. Для Анд известно, что Главная Кордильера поднялась до высот, позволяющих развиваться долинным ледникам, примерно 1 миллион лет назад.

Эффекты

Наличие такого большого количества льда на континентах оказало глубокое влияние практически на все аспекты гидрологической системы Земли. Наиболее заметными являются впечатляющие горные пейзажи и другие континентальные ландшафты, созданные как ледниковой эрозией, так и отложениями, а не текущими водами. Целиком новые ландшафты, занимающие миллионы квадратных километров, образовались за относительно короткий геологический период. Более того, огромные массы ледникового льда повлияли на Землю далеко за пределами границ ледников. Прямым или косвенным образом, последствия оледенения ощущались во всех уголках мира.

Озера

Квартерное оледенение создало больше озер, чем все остальные геологические процессы, взятые вместе. Это связано с тем, что континентальный ледник полностью разрушает систему дренажа, существовавшую до оледенения. Поверхность, по которой перемещался ледник, была вымыта и эродирована льдом, в результате чего в коренной породе образовалось множество замкнутых, не имеющих стока понижений. Эти понижения заполнились водой и превратились в озера. Очень крупные озера формировались по краям ледников. Толщина льда в Северной Америке и Европе достигала около [укажите единицу измерения, если она есть в оригинале] вблизи центров максимального накопления, но уменьшалась к краям ледников. Вес льда вызывал проседание земной коры, которое было наиболее значительным под самой большой толщей льда. По мере таяния льда восстановление коры происходило с задержкой, создавая региональный уклон в сторону тающего льда. Этот уклон сформировал бассейны, которые существуют уже тысячи лет. Эти бассейны превратились в озера или были затоплены океаном. Балтийское море и Великие озера Северной Америки образовались главным образом таким образом. Считается, что многочисленные озера Канадского щита, Швеции и Финляндии возникли, по крайней мере частично, в результате избирательной эрозии выветренной коренной породы ледниками.

Озера дождевых вод

Климатические условия, вызывающие оледенение, оказали косвенное влияние на засушливые и полузасушливые регионы, расположенные далеко от крупных ледяных щитов. Увеличение количества осадков, питающих ледники, также привело к увеличению стока крупных рек и пересыхающих ручьев, что способствовало росту и развитию крупных плювиальных озер. Большинство плювиальных озер формировались в относительно засушливых регионах, где обычно не хватало осадков для формирования речной системы, ведущей к морю. Вместо этого, поверхностный сток направлялся в замкнутые бассейны и образовывал пересохшие озера. С увеличением количества осадков, пересохшие озера расширялись и переливались. Плювиальные озера достигали наибольшего размера в периоды оледенения. В межледниковые периоды, с уменьшением количества осадков, плювиальные озера сокращались, образуя небольшие солончаки.

Изостатическая регулировка

Основные изостатические изменения литосферы в период четвертичного оледенения были вызваны весом льда, который вызывал прогиб континентов. В Канаде обширная область вокруг залива Гудзона оказалась углубленной ниже (современного) уровня моря, как и область в Европе вокруг Балтийского моря. Земля начала восстанавливаться после этих прогибов с момента таяния льда. Некоторые из этих изостатических движений спровоцировали сильные землетрясения в Скандинавии около 9000 лет назад. Эти землетрясения уникальны тем, что не связаны с тектоникой плит. Исследования показали, что подъем происходил в два отчетливых этапа. Первоначальный подъем после деглациации был быстрым ("эластичным") и происходил по мере разгрузки льда. После этой "эластичной" фазы подъем продолжался за счет "медленного вязкого течения", поэтому скорость его уменьшалась экспоненциально. Сегодня типичные скорости подъема составляют около 1 см в год или меньше, за исключением районов Северной Америки, особенно Аляски, где скорость подъема достигает 2,54 см в год (1 дюйм и более). В Северной Европе это отчетливо демонстрируют данные GPS, полученные сетью BIFROST. Исследования предполагают, что восстановление продолжится еще как минимум 10 000 лет. Общая величина подъема с момента окончания деглациации зависит от локальной ледниковой нагрузки и может достигать нескольких сотен метров вблизи центра области восстановления.

Ветер

Наличие льда на большей части континентов значительно изменило схемы атмосферной циркуляции. Ветры вблизи ледниковых окраин были сильными и устойчивыми из-за обилия плотного, холодного воздуха, исходящего от ледниковых полей. Эти ветры поднимали и переносили большие объемы рыхлого, мелкозернистого осадка, принесенного ледниками. Эта пыль накапливалась в виде лёсса (ветровой пыли), образуя неравномерные покровы над большей частью долины реки Миссури, центральной Европы и северного Китая. Песчаные дюны были гораздо более распространены и активны во многих районах в начале четвертичного периода. Хорошим примером является район Sand Hills в Небраске, занимающий площадь около [укажите площадь]. Этот регион представлял собой обширное, активное дюнное поле в эпоху плейстоцена, но сегодня в значительной степени стабилизирован травянистой растительностью.

Океанские течения

Толстые ледники были настолько массивными, что достигали морского дна в нескольких ключевых районах, препятствуя прохождению океанических вод и влияя на океанические течения. Помимо этих непосредственных последствий, это также приводило к эффектам обратной связи, так как океанические течения участвуют в глобальном переносе тепла.

Золотые месторождения

Морены и тилл, отложенные ледниками четвертичного периода, способствовали формированию ценных россыпных месторождений золота. Так обстоит дело в самом южном Чили, где переотложение четвертичных морен привело к концентрации золота в прибрежной зоне.

Записи предыдущих оледенений

Ледниковые периоды были редким явлением в истории Земли, но существуют свидетельства широко распространенного оледенения в позднем палеозое (300–200 млн лет назад) и позднем протерозое (то есть неопротерозойской эре, 800–600 млн лет назад). До нынешнего ледникового периода, начавшегося 2–3 млн лет назад, климат Земли обычно был мягким и однородным на протяжении длительных периодов времени. Об этом свидетельствуют типы ископаемых растений и животных, а также характеристики отложений, сохранившихся в стратиграфической летописи. Однако существуют широко распространенные ледниковые отложения, фиксирующие несколько крупных периодов древнего оледенения в различных частях геологической истории. Эти данные указывают на то, что крупные периоды оледенения предшествовали нынешнему четвертичному оледенению. Одним из наиболее хорошо документированных свидетельств дочетвертичного оледенения, известного как Каруский ледниковый период, являются отложения позднего палеозоя в Южной Африке, Индии, Южной Америке, Антарктиде и Австралии. В этих регионах многочисленны проявления древних ледниковых отложений. Отложения еще более древних ледниковых осадков существуют на всех континентах, кроме Южной Америки. Это указывает на то, что два других периода широко распространенного оледенения произошли в конце протерозоя, сформировав состояние «Земля-снежок» в криогении.