第四纪冰河时期

描述

在第四紀，陸地冰的體積、海平面，全球氣溫的波動最初以41,000年的周期，後來是以100,000年的周期。證據是對過去80萬年的冰核鑽孔取樣，以及更早期形成的海底沉積物的鑽孔取樣。過去740,000年有8次冰期循環。整個第四紀，開始於258萬年前，被稱作一次冰河時期，因為至少有一個永久型大型冰蓋— 南極大陸—連續地存在。第四紀之前與早期的格陵蘭的冰覆蓋的情況還不能確定。在寒冷的冰期內，歐洲、北美與西伯利亞西北部存在大型大陸冰蓋。冰期之間的短暫、溫暖的時期，稱之為間冰期。
當前，地球處於自全新世開始的間冰期之中。這次間冰期始於1.1萬年前。這導致了末次冰期的冰蓋的消退。末次冰期殘存的冰蓋還覆蓋著10%的陸地面積，存在於南極大陸與格陵蘭。全球暖化自1850年以來加劇了冰川消融。
在冰期的時候，正常的水文系統（指間冰期時候）在全世界大片地區被徹底中斷。由於陸地冰積累了巨大體積，海平面比現在最多下降了120公尺。大量野外地質工作證實，歐洲、北美與西伯利亞的很多地區曾被大陸冰川覆蓋。綜合這些冰川遺蹟的位置、鼓丘的朝向、 蛇形丘、冰磧、條痕，冰河流動的通道，可以繪製出地圖，揭示了冰蓋的範圍、流動方向、冰川融水系統的位置，使得科學家可以解開多次冰進、冰退的歷史。冰河時期的冰進與冰退的時段，對應了冰期與間冰期的輪替。溫暖的間冰期對應了泥土沉積剖面、泥炭層、湖泊與河流的沉積，並被未分類未分層的冰河岩屑所間隔開。

冰核證據

冰核的分析提供了高解析度的氣候變化的證據。並證實了海洋同位素階提供的編年。冰核分析表明，過去40萬年的各次間冰期都很短暫（10,000至30,000年），如同現今一樣溫暖；而各次冰期很漫長（70,000至90,000年）。新的EPICA南極冰核提供了400,000至780,000年前的樣本，表明間冰期占據了每次冰期/間冰期旋迴的很大時間段，但是沒有更近的間冰期那樣溫暖。

分期

從19世紀開始，研究者用各地的地質特徵來為第四紀冰河時期的各個冰期命名。現在普遍使用海洋同位素階數劃分，從2.6Ma前至今已劃分出104個階。奇數表示溫暖期，偶數表示寒冷期。海洋記錄保存了所有過去的冰期的信息；而陸地證據可能會被後續的冰期所破壞。大陸冰蓋的冰核也提供了完整的記錄，但是不能像海洋數據那樣追溯到很遠。湖底或沼澤中的花粉數據，以及黃土的垂直地層剖面也提供了重要的陸基相關證據。雖然科學文獻已經採用了海洋同位素階數，但是這些海洋數據得出的分期還沒有都獲得「名字」。例如，過去50萬年的海洋沉積物分析表明了更新世的5個冰期/間冰期旋迴，但是同期在陸上只有3個經典的間冰期被識別出來。
陸基證據可以以海洋數據一直到MIS 6都對應得很好，但是更久遠的地質史階段的協調就困難了。因此陸基資料對地質史的劃分是不完整的，某種程度上是推測性的。但是陸地數據對於研究地貌是必須的。
第四紀的冰期與間冰期，按照從新到老順序命名如下，時間單位為千年。

原因

尚沒有完全令人滿意的理論能解釋地球的冰期。板塊構造能在大的時間尺度上影響到冰河時期的出現與結束；地球軌道力學的要素可以產生中等時間尺度影響到冰期與間冰期的輪迴。太陽活動、火山噴發、溫鹽循環等因素可以在較小時間尺度上影響冰段與間冰段的交替。

天文因素

19世紀後期，James Croll首先提出地球軌道的變化與冰期的關係。1930年前後，米盧廷·米蘭科維奇，一位南斯拉夫地球物理學家，明確提出並計算了地球軌道的不規則的變化與冰期之間的關係，被稱之為米蘭科維奇循環。
地球軌道離心率以100,000年為周期改變。 地球自轉的轉軸傾角在22°至24.5°之間變化（地球自轉軸相對於地球公轉平面的傾角，造成了季節變化。傾角越大，四季越分明）。自轉軸傾角的改變以41,000年為周期。 地球自轉軸進動以21,700年為周期。根據米蘭科維奇的理論，上述因素導致地球每40,000年周期性冷暖變化。主要原因是季節性接受太陽輻射熱的對比的變化，而不是地球接受太陽總輻射能量的變化。
直到1970年代有了充分長且詳細的第四紀溫度變化的編年數據後，米蘭科維奇的理論才被證實是成立的。深海鑽孔取樣分析表明，過去數十萬年的氣候波動非常接近於米蘭科維奇的計算結果。
米蘭科維奇的理論存在的問題是：天文學周期存在了數十億年，但冰期的出現確是稀少的。實際上，天文學周期用來解釋一個冰河時期內冰期與間冰期的交替。其它因素，如大陸的位置及對洋流的影響，太陽內部的長期波動等等，可能造成了冰河時期。

大氣成分

有的理論認為，大氣中CO₂的下降，啟動了長期的冷卻，最終導致冰期。最近對格陵蘭冰芯鑽探取樣中的微小氣泡中CO₂比例的分析，傾向於支持這一理論。地球化學碳循環表明從中生代以來大氣CO₂的比例下降了10倍。但不清楚什麼原因導致了CO₂含量的下降，以及這種下降是氣候變冷的原因還是結果。
CO₂對冰期與間冰期的輪替也有重要意義。高的CO₂含量對應於溫暖的間冰期，而低的CO₂含量對應於冰期。但研究表明CO₂可能不是冰期與間冰期轉變的原因，而是一種反饋。

板塊構造與洋流

氣溫長期下降的一個重要原因可能是大陸相對於南北極的位置（但這不能解釋冰期的快速出現與消退）。 這種相對關係可以控制洋流與大氣的循環，影響到洋流能否把熱量輸送到高緯度地區。在大部分地質歷史上，北極是開闊的、開放的海洋，大型洋流可以從赤道不受阻礙的進抵北極區。這種不受限的循環在大部分地質歷史時期形成了溫和、均勻的氣候。
在新生代，北美大陸與南美大陸離開了歐亞板塊而向西移動，形成了大西洋呈南北分布，北極區成為一個小型的，幾乎是被陸地包圍的海盆——北冰洋。大約3百萬年前，南北美大陸的匯合形成了巴拿馬地峽，改變了洋流，形成了流向北大西洋與北冰洋的灣流，這與第四紀冰河時期開始時間一致。

後果

冰期的時候，大量的陸地冰川給地貌造成了巨大影響。山脈不再受水流侵蝕，取而代之受到冰川的侵蝕與沉積。數百萬平方公里的地貌在冰川影響下在很短時間裡發生巨變。大量的冰川冰影響到了整個地球。

湖泊

第四紀冰河時期產生的湖泊數量超過了其它地質過程的總和。大陸冰川完全打斷了冰前水系。冰川流經之地遭到了擦蝕與侵蝕，在基岩上留下了無數封閉的、沒有外流出口的窪地。這些窪地填入了水後就成為湖泊。
在冰緣產生了非常大的湖泊。北美與歐洲的大陸冰蓋的中心之處厚達3,000米（9,800英尺） ，並且向冰緣處逐漸變薄。冰蓋中心處的地殼受到冰的巨大壓力而下沉很大。當冰蓋融化後，地殼反彈上升有個後延時間，造成了向著冰蓋中心的地殼傾斜。這種傾斜產生的盆地可以持續數千年。這種盆地變成湖泊或者海侵。北美五大湖與波羅的海就是如此形成的。

雨成湖

冰川導致了一些距離冰緣較遠的乾旱或半乾旱地區有了較多降水，增加了河流與時令河的水量，導致了大型雨成湖的形成與增長。雨成湖在冰期可以非常大，但在間冰期由於降水減少，雨成湖往往蒸發成鹽灘。

均衡調整

第四紀冰河時期的大陸冰蓋數千米的厚度，壓迫其下的岩石圈下沉，達到了均衡調整（isostatic adjustment）。加拿大環繞哈德遜灣的大片地區下沉到海平面以下，同時期歐洲環波羅的海地區也是如此。冰川融化後這些地區的地殼處於反彈上升中。9,000年前還曾在斯坎迪納維亞引發了大地震。這些地震非常獨特，因為它與板塊構造無關。
研究表明地殼上升有兩個不同階段。冰消後最初的上升是快速的（或者說是彈性的）。彈性階段後，地殼上升是緩慢黏滯的，上升速度呈指數下降直到趨於0。現在，典型上升速率是1 cm每年的數量級或者更小。在北歐，這被GPS數據觀測網BIFROST所證實。研究認為地殼反彈還會再持續10,000年。整個地殼反彈取決於冰期時的當地冰蓋重量，在冰蓋中心可能是幾百米。

風

大規模的陸地冰蓋，很大地改變了大氣環流。冰緣的風是很強烈與持續的，因為密度大的寒冷空氣流出冰原。 這種風吹起並運送了大量鬆散、細粒度的冰川帶下來的沉積物。風攜帶這些物質，在一定地區逐漸累積形成了黃土，包括密蘇里河河谷的一些不規則條狀分布、中歐、中國華北。在中國黃土高原，代表了寒冷乾旱氣候的黃土與代表暖濕氣候的古土壤（典型如紅粘土）交替分層出現達28次，表明了地質史上的氣候冷暖旋迴。
早第四紀時沙丘分布非常廣泛與活躍。如內布拉斯加州的沙山，覆蓋了大約60,000 km²（23,166 sq mi）。這一地區在更新世是廣闊活躍的沙丘地區，但現在已經是穩定了並被草地覆蓋。

早期冰川作用的記錄

冰期在地球歷史上是稀少的。存在證據表明在古生代後期（200—300 Ma）與前寒武紀末期（即新元古代，600—800 Ma）曾廣泛分布大陸冰川。在2-3百萬年開始的當前冰河時期之前，地球氣候長期是溫和、均勻。這被地層沉積中植物、動物化石所證實。

下一次冰期

1972年氣象學家討論這一主題時，下一次冰期看起來正在快速來臨（當時稱為全球變冷）。此前的間冰期看起來每次也就持續了10,000年。假定當前的間冰期是同樣長度，氣象學家得出結論：「很可能當前間冰期將很快結束，如果人類不作干涉」。從1972年之後，對氣候系統的理解得到了改善，知道了並不是所有間冰期都是相同的長度；由於米蘭科維奇循環地球接受的太陽熱量輻射是非線性的；溫室氣體濃度正在增加。對未來全球氣溫的計算認為，如果CO₂濃度增加到750ppm（當前按照體積是398ppm），間冰期可以持續50,000年並發生全球暖化。如果CO₂下降到210 ppm，那麼下次冰期將在15,000年後出現。
海床沉積物與冰蓋的冰核研究指出，氣候變化並不順滑。冰核中同位素成分研究表明從溫暖到嚴寒的轉變可以在一、二十年內完成。此外，冰核研究表明冰期並不是均勻的冷，間冰期也不是均勻的溫暖（參見小冰期）。格陵蘭冰核分析表明過去25萬年氣候變化是頻繁、突然的。當前間冰期已經是相當穩定與溫暖的，與此相比，上一個間冰期就被幾段持續了數百年的冷期而突然中斷。