Kỷ băng hà

Kỷ băng hà là một giai đoạn giảm nhiệt độ lâu dài của khí hậu Trái Đất, dẫn tới sự mở rộng của các dải băng lục địa, các dải băng vùng cực và các sông băng trên núi ("sự đóng băng"). Trong băng hà học, kỷ băng hà thường được dùng để chỉ một giai đoạn của các dải băng ở bán cầu phía bắc và phía nam; theo cách định nghĩa đó chúng ta hiện vẫn đang ở trong một thời kỳ băng hà (bởi vì các dải băng Greenland và Nam Cực vẫn đang tồn tại). Nói một cách nôm na, khi nói về vài triệu năm gần đây, kỷ băng hà được dùng để chỉ những giai đoạn lạnh hơn khi các dải băng mở rộng ra toàn bộ lục địa Bắc Mỹ và Á-Âu: theo nghĩa này, thời kỳ băng hà cuối cùng đã kết thúc khoảng 10.000 năm trước. Bài viết này sẽ sử dụng thuật ngữ kỷ băng hà theo cách ban đầu, dùng nghĩa của băng hà học; và dùng thuật ngữ các giai đoạn băng giá để chỉ các giai đoạn lạnh hơn trong những kỷ băng hà và gian băng cho những giai đoạn ấm hơn.
Nhiều giai đoạn băng hà đã xảy ra trong vài triệu năm gần đây, ban đầu với chu kỳ 40.000 năm nhưng gần đây là 100.000 năm. Những chu kỳ gần đây là được nghiên cứu kỹ lưỡng nhất. Đã có bốn kỷ băng hà chính trong quá khứ.

Nguồn gốc lý thuyết kỷ băng hà

Ý tưởng rằng trong quá khứ các con sông băng từng mở rộng hơn rất nhiều đã hiện diện trong tri thức của cư dân ở một số vùng trên dãy Alps thuộc châu Âu . Không phải một cá nhân nào đã nghĩ ra ý tưởng đó. Giai đoạn từ năm 1825 tới năm 1833, Charpentier đã thu thập các bằng chứng ủng hộ giả thuyết này. Năm 1836, Charpentier đã thuyết phục Jean Louis Rodolphe Agassiz về lý thuyết đó, và Agassiz đã xuất bản nó trong cuốn sách "Nghiên cứu các dòng sông băng" (Étude sur les glaciers) của ông năm 1840.
Ở giai đoạn hiểu biết sơ khai này, những vấn đề được nghiên cứu chỉ là các giai đoạn băng giá ở vài trăm ngàn năm gần đây, trong kỷ băng hà hiện tại. Sự tồn tại của các kỷ băng hà cổ đại vẫn còn bị nghi ngờ.

Các nguyên nhân gây nên kỷ băng hà

Nguyên nhân của các kỷ băng hà hiện vẫn đang gây tranh cãi cho cả các thời kỳ "kỷ băng hà" trên diện rộng và thời kỳ rút lui nhỏ hơn và sự tuần hoàn của các giai đoạn "băng/gian băng" bên trong một kỷ băng hà. Một sự đồng thuận chung cho rằng nó là sự tổng hợp của ba yếu tố khác nhau: thành phần khí quyển (đặc biệt là tỷ lệ của CO₂ và mêtan), những thay đổi của quỹ đạo Trái Đất quanh Mặt Trời được gọi là các chu kỳ Milankovitch (và có lẽ là Quỹ đạo của Mặt Trời quanh Ngân Hà), và vị trí của các lục địa.
Thành phần khí quyển có lẽ là nguyên nhân chủ yếu gây ra sự thay đổi, đặc biệt ở kỷ băng hà đầu tiên. Lý thuyết "Quả cầu tuyết Trái Đất" cho rằng những sự thay đổi về mức độ CO₂ vừa là nguyên nhân gây ra, vừa là nguyên nhân làm kết thúc thời kỳ cực lạnh ở cuối Liên đại Nguyên Sinh (Proterozoic). Tuy nhiên, hai yếu tố còn lại cũng có liên quan tới sự kiện đó.
Sự hiện diện đông đảo của lục địa bên trong Bắc Cực và vùng Nam Cực có lẽ là một yếu tố cần thiết gây ra kỷ băng hà, có lẽ bởi vì khối lượng lục địa khiến cho băng và tuyết có địa điểm thích hợp để tích tụ trong những khoảng thời gian lạnh và vì thế gây ra một quá trình phản hồi ngược như những thay đổi của suất phản chiếu. Quỹ đạo Trái Đất không có hiệu ứng lớn đối với sự thành tạo trong quá trình dài của các kỷ băng hà, nhưng có lẽ nó bức chế mô hình lạnh đi và nóng lên rất phức tạp đã diễn ra trong kỷ băng hà hiện nay. Mô hình phức tạp của sự thay đổi trong quỹ đạo Trái Đất và sự thay đổi của suất phản chiếu có thể ảnh hưởng tới sự tuần hoàn của các pha băng giá và băng gian — điều này lần đầu được giải thích bởi lý thuyết của Milutin Milanković.
Các kỷ băng hà hiện tại được nghiên cứu kỹ nhất và chúng ta cũng có những hiểu biết tốt nhất về nó, đặc biệt là trong 400.000 năm gần đây, bởi vì đây là giai đoạn được ghi lại trong các lõi băng về thành phần khí quyển và các biến đổi nhiệt độ cũng như khối lượng băng. Trong giai đoạn này, tần số sự thay đổi giữa băng giá/băng gian theo các giai đoạn lực quỹ đạo của Milanković làm việc rất tốt khiến cho lực quỹ đạo này được chấp nhận chung làm nhân tố để giải thích sự kiện. Những hiệu ứng tổng hợp của sự thay đổi vị trí đối với Mặt Trời, sự tiến động của trục Trái Đất, và sự thay đổi của độ nghiêng của trục Trái Đất có thể làm thay đổi một cách đáng kể sự tái phân bố lượng ánh sáng mặt trời nhận được của Trái Đất. Quan trọng nhất là những sự thay đổi trong độ nghiêng của trục Trái Đất, nó gây ảnh hưởng tới cường độ mùa. Ví dụ, khối lượng dòng ánh sáng mặt trời vào tháng 7 ở 65 độ vĩ bắc có thể thay đổi tới 25% (từ 400 W/m² tới 500 W/m²,). Nhiều người tin rằng các khối băng tiến lên khi mùa hè quá yếu không đủ làm tan chảy toàn bộ số tuyết đã rơi xuống trong mùa đông trước đó. Một số người tin rằng sức mạnh của lực quỹ đạo có lẽ không đủ để gây ra sự đóng băng, nhưng cơ cấu hoàn chuyển như CO₂ có thể giải thích sự không đối xứng này.
Trong khi lực Milanković dự đoán chu kỳ thay đổi trong các tham số quỹ đạo của Trái Đất có thể được thể hiện trong những dấu tích băng, nhưng vẫn cần có thêm những giải thích nữa để biết tại sao những chu kỳ đó được quan sát thấy ở mức cao nhất vào những giai đoạn băng giá/băng gian. Đặc biệt, trong 800 ngàn năm qua, sự dao động chính băng/gian băng là 100 ngàn năm, tương đương với những thay đổi trong sự lệch tâm và độ nghiêng quỹ đạo, và hơn nữa là yếu nhất trong ba tần suất do Milanković dự đoán. Trong giai đoạn 3,0 — 0,8 triệu năm trước, mô hình đóng băng chính tương đương với giai đoạn 41 nghìn năm của sự thay đổi trong độ nghiêng Trái Đất (độ nghiêng trục). Những lý do để gây ra tần suất theo kiểu này chứ không phải kiểu kia hiện vẫn chưa được biết nhiều và nó là một lĩnh vực thiết thực trong nghiên cứu hiện tại, nhưng câu trả lời có lẽ liên quan tới một số hình thức cộng hưởng trong hệ thống thời tiết của Trái Đất.
Sự giải thích "truyền thống" của Milankovitch phải gắng sức để giải thích sự thống trị của chu kỳ 100 nghìn năm trong 8 chu kỳ cuối cùng. Richard A. Muller và Gordon J. MacDonald và những người khác đã chỉ ra rằng những tính toán đó chỉ dành cho quỹ đạo Trái Đất hai chiều, nhưng quỹ đạo ba chiều cũng có một chu kỳ quỹ đạo nghiêng 100 nghìn năm. Họ cho rằng những biến đổi đó trong độ nghiêng quỹ đạo dẫn tới nhiều biến đổi trong lượng nhiệt nhận được từ Mặt Trời, bởi vì Trái Đất chuyển động ra và vào những dải bụi đã biết trong hệ Mặt Trời. Mặc dù có một cơ cấu khác biệt với quan điểm truyền thống, những giai đoạn "được dự báo trước" trong 400.000 năm qua gần như giống hệt nhau. Tới lượt mình lý thuyết của Muller và MacDonald lại bị Rial không thừa nhận.
Một nhà nghiên cứu khác, Ruddiman đã đưa ra một hình thức đáng tin cậy giải thích chu kỳ 100.000 bằng cách điều chỉnh hiệu ứng lệch tâm (yếu chu kỳ 100.000) về tiến động (chu kỳ 23.000 năm) tổng hợp với cơ cấu hoàn ngược của khí nhà kính trong các chu kỳ 41.000 và 23.000 năm. Tuy nhiên, một lý thuyết khác do Peter Huybers, người cho rằng chu kỳ 41.000 năm luôn chiếm ưu thế, đưa ra cho rằng Trái Đất đã bước vào một hình thức đối xử thời tiết theo đó chỉ chu kỳ thứ 2 và thứ 3 là gây ra kỷ băng hà. Điều này có thể ngụ ý rằng tính chu kỳ 100.000 năm thực sự là một sự phản hồi được tạo ra bằng cách cân bằng các chu kỳ đã kết thúc 80 và 120 năm trước. Lý thuyết này ủng hộ sự tồn tại của sự không chắc chắn trong thời gian nhưng hiện không được chấp nhận rộng rãi .

Sự đóng băng ở Bắc Mỹ

Trong thời kỳ băng giá gần đây nhất ở Bắc Mỹ, giai đoạn băng giá Wisconsin (70.000 đến 10.000 năm trước), các khối băng kéo dài tới tận 45 độ vĩ bắc.
Giai đoạn băng giá Wisconsin này hiện vẫn gây nhiều ảnh hưởng tới địa lý Bắc Mỹ. Ngũ Đại Hồ và các hồ Finger được tạo ra do băng đào sâu vào các thung lũng cũ. Đa số các hồ ở Minnesota và Wisconsin đều do các dòng sông băng tạo nên và sau đó được nước băng tan lấp đầy. Hệ thống dòng chảy cũ của sông Teays đã bị thay đổi hoàn toàn và được định hình lại chảy vào dòng của sông Ohio. Các con sông khác bị chặn lại và đổi hướng tới những dòng chảy mới, như thác Niagara, tạo nên một thác nước tuyệt đẹp, khi dòng nước chảy thình lình bắt gặp vách núi đá vôi. Một thác tương tự gần Syracuse, New York hiện đã khô cạn.
Long Island được tạo nên từ sét tảng lăn băng hà, và dòng nước của Canada đã bị chặn đứng hẳn lại khiến chúng hiện vẫn đang tìm dòng chảy mới — số lượng hồ nhiều quá mức ở Canadian Shield phía bắc Canada có thể cho là bắt nguồn từ nguyên nhân hoạt động của băng. Khi băng rút đi và bụi đá trở nên khô, gió mang chúng đi xa hàng trăm dặm, tạo nên những lớp hoàng thổ dày hàng chục ft ở lưu vực sông Missouri. Phản ứng đẳng tĩnh tiếp tục tái tạo lại hình dáng của Ngũ Đại Hồ và các vùng khác dưới sức nặng của các khối băng.
Vùng không trôi dạt xung quanh điểm nối của Wisconsin, Minnesota và Iowa, không bị các dòng sông băng bao phủ.