עידן קרח

שמאל|ממוזער|250px|הבדל ברמות CO2 טמפרטורה ואבק ב-500,000 השנים האחרונות

עידן קרח הוא תקופה ארוכה של ירידה בטמפרטורת פני השטח והאטמוספירה של כדור הארץ, הגורמת לנוכחות או להתרחבות של שכבות קרח יבשתיות וקוטביות וקרחונים אלפיניים. אקלים כדור הארץ משתנה בין עידני קרח ובין תקופות חממה שבהן אין קרחונים על כדור הארץ.

כדור הארץ נמצא כיום בעידן הקרח הנקרא ההתקרחות הרביעונית. עידן קרח מתחלק לתקופות קרות (תקופות קרחוניות) ולתקופות חמות יחסית (תקופות בין-קרחוניות או אינטרסטדיאלים).

בתחום הגלציולוגיה, העוסק בדינמיקת הקרחונים, המונח עידן קרח מוגדר לפי נוכחות יריעות קרח נרחבות בחצאי הכדור הצפוני והדרומי. לפי הגדרה זו, העידן ההולוקני (העידן הנוכחי) הוא תקופה בין-קרחונית של עידן קרח. הצטברות גזי חממה אנתרופוגניים (מעשה ידי אדם) צפויה לעכב את התקופה הקרחונית הבאה.
היסטוריה של המחקר
התבססות התיאוריה על עידני הקרח הייתה תהליך הדרגתי שנמשך כמאתיים שנה. במשך מאות שנים, תושבים מקומיים באזורים הרריים שונים ברחבי העולם הבחינו בסלעים תועים ענקיים ובסימנים גאולוגיים מוזרים שלא התאימו לסביבתם. החל מהמאה ה-18, חוקרי טבע אירופאים החלו לתעד תצפיות אלה ולחפש הסברים מדעיים. בהדרגה התפתחה ההבנה שקרחונים עצומים כיסו בעבר אזורים נרחבים של כדור הארץ, והותירו אחריהם עדויות גאולוגיות ברורות. סקירה זו עוקבת אחר התפתחות התיאוריה המדעית של עידני קרח, מהתצפיות המקומיות הראשונות ועד לקבלתה המלאה על ידי הקהילה המדעית בסוף המאה ה-19.

ב-1742 ביקר פייר מרטל (1706–1767), מהנדס וגאוגרף שחי בז'נבה, בעמק שאמוני בהרי האלפים של סבואה עילית. הערה: עמ' 374 שנתיים לאחר מכן פרסם דיווח על מסעו. הוא דיווח שתושבי העמק ייחסו את הימצאותם הסלעים התועים לקרחונים, ואמרו שהקרחונים השתרעו בעבר הרבה על אזור נרחב הרב יותר. ראו  לביבליוגרפיה מלאה הסברים דומים עלו גם באזורים אחרים באלפים מאוחר יותר. ב-1815 הנגר וצייד היעלים ז'אן-פייר פרודן (1767–1858) תיאר סלעים תועים בוואל דה באן בקנטון השווייצרי והסביר שמקורם בקרחונים שהתפרסו רחוק יותר בעבר. חוטב עצים אלמוני ממיירינגן באוברלנד הברני תמך ברעיון דומה בדיון עם הגאולוג השווייצרי-גרמני ז'אן דה שרפנטייה (1786–1855) ב-1834. הסברים דומים ידועים גם מואל דה פרה (Val de Ferret - עמק בשווייץ) בוואלה (Valais - קנטון/מחוז בשווייץ) ומסילנד (Seeland - אזור במערב שווייץ). ובעבודתו המדעית של יוהאן וולפגנג פון גתה.Goethe, Johann Wolfgang von: Geologische Probleme und Versuch ihrer Auflösung, Mineralogie und Geologie in Goethes Werke, Weimar 1892, , ספר 73 (WA II, 9), עמ' 253, 254. הסברים כאלה נמצאו גם בחלקים אחרים של העולם. בעת ביקורו של חוקר הטבע הבווארי ארנסט פון ביברה (1806–1878) בהרי האנדים הצ'יליאניים ב-1849–1850, הילידים ייחסו מורנות מאובנות לפעולה קודמת של קרחונים (moraine - הצטברות של סלעים, חצץ וחומר שנשחק ונישא על ידי קרחון ומושקע בצדדיו או בקצהו כאשר הקרחון מפשיר).

חוקרים אירופאים החלו לתהות מה גרם לפיזור החומר התועה. מאמצע המאה ה-18, חלקם דנו בקרח ככוח שנשא את הסלעים. ב-1742 מומחה הכרייה השוודי דניאל טילאס (1712–1772) היה הראשון שהציע שקרח ים נסחף היה הגורם לנוכחות סלעים תועים באזורים הסקנדינביים והבלטיים. בב-1795, הפילוסוף הסקוטי וחוקר הטבע ג'יימס האטון (1726–1797) טען שהסלעים התועים באלפים הובלו לשם על ידי קרחונים. שני עשורים לאחר מכן, ב-1818, הבוטנאי השוודי גוראן ולנברג (1780–1851) פרסם את תאוריית ההתקרחות של חצי האי סקנדינביה. הוא ראה בהתקרחות תופעה אזורית.
ממוזער|אגם האוקליבאטנט (50 מטר מעל פני הים) שבו ינס אסמרק גילה ב-1823 דמיון למורנות ליד קרחונים קיימים בהרים הגבוהים
רק כמה שנים לאחר מכן, הגאולוג הדני-נורווגי ינס אסמרק (1762–1839) טען לרצף של עידני קרח עולמיים. במאמר שפורסם ב-1824, אסמרק הציע שינויים באקלים כגורם להתקרחויות אלה, וניסה להראות שהם נבעו משינויים במסלול כדור הארץ. אסמרק גילה את הדמיון בין מורנות ליד אגם האוקליבאטנט הנמצא ליד פני הים ברוגלנד, לבין מורנות בענפים של יוסטדלסברין (דמיון זה הוכיח שקרחונים השתרעו בעבר עד לגובה פני הים, הרבה מתחת למיקומם הנוכחי בהרים הגבוהים). תגליותיו של אסמרק יוחסו מאוחר יותר לתאודור קיירולף (גאולוג נורווגי) ולואי אגסיז (חוקר טבע שווייצרי שהפך למוביל תאוריית עידן הקרח) או נוכסו על ידם.

במהלך השנים הבאות, רעיונותיו של אסמרק נדונו ואומצו בחלקם על ידי מדענים שוודים, סקוטים וגרמנים. באוניברסיטת אדינבורו, רוברט ג'יימסון (1774–1854), מינרלוג וגאולוג סקוטי, פרופסור להיסטוריה של הטבע, היה פתוח יחסית לרעיונותיו של אסמרק, כפי שציין הפרופסור הנורווגי לגלציולוגיה ביורן ג. אנדרסן (חוקר מודרני שפרסם על כך ב-1992). רעיונותיו של ג'יימסון על קרחונים עתיקים בסקוטלנד הושפעו ככל הנראה מעבודתו של אסמרק. בגרמניה, אלברכט ריינהרד ברנהרדי (1797–1849), גאולוג ופרופסור ליערנות באקדמיה בדרייסיגקר (מאז שולבה בעיר מיינינגן בדרום תורינגיה), אימץ את התיאוריה של אסמרק. במאמר שפורסם ב-1832, ברנהרדי העלה השערות על כך שכיפות הקרח הקוטביות הגיעו פעם עד לאזורי האקלים הממוזג של כדור הארץ.

בואל דה באן, עמק באלפים השווייצריים, הייתה אמונה מקומית ארוכת שנים שהעמק היה מכוסה פעם עמוק בקרח, וב-1815 צייד היעלים המקומי ז'אן-פייר פרודן (שהוזכר לעיל) ניסה לשכנע את הגאולוג ז'אן דה שרפנטייה ברעיון זה, תוך הצבעה על חריצים עמוקים בסלעים וסלעים תועים ענקיים כראיה. שרפנטייה החזיק בדעה הרווחת שסימנים אלה נגרמו משיטפונות עצומים, ודחה את התיאוריה של פרודן כאבסורדית. ב-1818 המהנדס איגנץ ונץ (1788–1859, מהנדס שווייצרי) הצטרף לפרודן ושרפנטייה כדי לבחון אגם פרוגלציאלי (אגם שנוצר מול קרחון נסוג) מעל העמק שנוצר על ידי סכר קרח כתוצאה מהתפרצות הר טמבורה ב-1815, שאיים לגרום לשיטפון קטסטרופלי כשהסכר יישבר. פרודן ניסה ללא הצלחה לשכנע את חבריו בתיאוריה שלו, אבל כשהסכר סוף סוף נשבר, השיטפון הותיר אחריו רק סלעים תועים קטנים וללא חריצים עמוקים כמו אלה שנמצאו בעמק. תצפית זו שכנעה את ונץ שפרודן צדק - רק קרח יכול היה לגרום לסימנים הדרמטיים שנמצאו בעמק, לא שיטפונות. ב-1821 ונץ הציג מאמר זוכה פרס על התיאוריה בפני החברה השווייצרית למדעי הטבע, אך המאמר לא פורסם עד 1834, כאשר שרפנטייה - שבינתיים גם הוא השתכנע בתאוריית הקרחונים - פרסם אותו יחד עם מאמר משלו שזכה לתפוצה רחבה יותר.

בינתיים, הבוטנאי הגרמני קרל פרידריך שימפר (1803–1867) חקר טחבים שגדלו על סלעים תועים ברמה האלפינית של בוואריה. הוא החל לתהות מהיכן הגיעו מסות אבן כאלה. במהלך קיץ 1835 ערך כמה טיולים לאלפים הבווריים. שימפר הגיע למסקנה שקרח חייב היה להיות גורם התנועה לסלעים ברמה האלפינית. בחורף 1835–1836 הוא הציג את מסקנותיו בסדרת הרצאות במינכן. הוא הניח אז שחייבות היו להיות תקופות גלובליות של חורבן ("Verödungszeiten") עם אקלים קר ומים קפואים. שימפר בילה את חודשי הקיץ של 1836 בדוונס, ליד בקס, באלפים השווייצריים עם חברו לשעבר לאוניברסיטה לואי אגסיז (1801–1873) וז'אן דה שרפנטייה. שימפר, שרפנטייה ואולי ונץ שכנעו את אגסיז שהייתה תקופה של התקרחות. במהלך חורף 1836–1837, אגסיז ושימפר פיתחו את התיאוריה של רצף התקרחויות. הם נשענו בעיקר על העבודות הקודמות של ונץ, שרפנטייה ועל עבודת השדה שלהם. בתחילת 1837, שימפר טבע את המונח "עידן קרח" („Eiszeit") לתקופת הקרחונים. ביולי 1837 אגסיז הציג את התיאוריה המאוחדת שלהם בפני הישיבה השנתית של החברה השווייצרית למחקר טבע בנשאטל. הקהל היה ביקורתי מאוד, וחלקם התנגדו לתיאוריה החדשה כי היא סתרה את הדעות המבוססות על ההיסטוריה האקלימית. רוב המדענים בני זמנו חשבו שכדור הארץ התקרר בהדרגה מאז לידתו ככדור מותך. כדי לשכנע את הספקנים, אגסיז יצא לעבודת שדה גאולוגית. הוא פרסם את ספרו מחקר על קרחונים ("Études sur les glaciers") ב-1840. שרפנטייה נעלב מכך, שכן גם הוא הכין ספר על התקרחות האלפים. שרפנטייה חש שאגסיז היה צריך לתת לו עדיפות שכן הוא זה שהכניס את אגסיז למחקר קרחוני מעמיק. כתוצאה מסכסוכים אישיים, אגסיז גם השמיט כל אזכור של שימפר בספרו.

נדרשו כמה עשורים עד שתאוריית עידן הקרח התקבלה במלואה על ידי מדענים. זה קרה בקנה מידה בינלאומי במחצית השנייה של שנות ה-70 במאה ה-19 בעקבות עבודתו של ג'יימס קרול (1821–1890, גאולוג וחוקר אקלים סקוטי שפיתח תיאוריה המקשרת בין שינויים במסלול כדור הארץ לעידני קרח), כולל פרסום אקלים וזמן, ביחסיהם הגאולוגיים ב-1875, שסיפק הסבר אמין לגורמי עידני הקרח.

עדויות
ממוזער|דרומלינים סביב ביצת הוריקון, ויסקונסין, באזור עם אחד הריכוזים הגבוהים ביותר של דרומלינים בעולם. ניתן לראות את המסלול המעוגל של מעטה הקרח שכיסה את צפון אמריקה (לורנטייד) בכיוון הגבעות השונות.
טקסט=An ice core being slid out of a drill barrel sideways|ממוזער| דגימת ליבת קרח שנלקחה ממקדחה. צילום – לוני תומפסון, מרכז חקר הקוטב על שם ריצ'רד בירד
מדענים מזהים עידני קרח בעבר הרחוק באמצעות שלושה סוגים עיקריים של עדויות: גאולוגיות (סלעים ותצורות קרקע), כימיות (הרכב כימי של דגימות עתיקות) ופליאונטולוגיות (מאובנים של בעלי חיים וצמחים).

עדויות גאולוגיות הן הסימנים הפיזיים שהשאירו הקרחונים על פני השטח. כאשר קרחונים ענקיים נעים על פני הקרקע, הם משאירים סימנים ייחודיים: שריטות וחריצים עמוקים בסלעים, ערימות של אבנים וחצץ שנקראות מורנות, גבעות מוארכות בצורת ביצה שנקראות דרומלינים, ועמקים שנחצבו בצורת האות U. הקרחונים גם הותירו אחריהם סלעים תועים - אבנים ענקיות שהובלו למרחקים גדולים ונשארו במקומות שאינם תואמים את הסביבה הגאולוגית, ושכבות של חומר דמוי חימר שנקרא 'טיל'. האתגר בפענוח עדויות אלה הוא שכל עידן קרח חדש נוטה למחוק את העדויות מהקודם לו. בנוסף, תיאוריות מוקדמות הניחו שתקופות הקרח היו קצרות יחסית, אך ניתוח של ליבות קרח ומשקעים הראה שתקופות הקרח ארוכות הרבה יותר מהתקופות החמות ביניהן.

עדויות כימיות מבוססות על ניתוח ההרכב הכימי של חומרים עתיקים. המפתח הוא איזוטופים - גרסאות שונות של אותו יסוד כימי, הנבדלות במשקלן. גלילי קרח שנקדחים מעומקי הקרחונים בגרינלנד ואנטארקטיקה מספקים מידע רב: כל שכבה מייצגת תקופה מסוימת, ובועות האוויר הלכודות בקרח מכילות דגימות של האטמוספירה העתיקה. היחס בין איזוטופים קלים לכבדים במים משתנה בהתאם לטמפרטורה: איזוטופים קלים מתאדים ביתר קלות, ולכן היחס ביניהם בקרח מאפשר לשחזר את הטמפרטורות של העבר. עם זאת, פענוח המידע מורכב כי גורמים נוספים יכולים להשפיע על יחסי האיזוטופים.

עדויות פליאונטולוגיות מתבססות על שרידי יצורים חיים מהעבר. בתקופות קרות, בעלי חיים וצמחים המותאמים לקור מתפשטים לקווי רוחב נמוכים יותר, בעוד שיצורים המעדיפים חום נכחדים באזורים אלה או נסוגים לאזורים חמים יותר. מיפוי התפוצה של מאובנים שונים מאפשר לשחזר את תנאי האקלים בעבר. השימוש בעדויות אלה דורש: רצף שכבות סלעי משקע על פני זמן רב ואזור נרחב, זיהוי של יצורים שלא השתנו במשך מיליוני שנים (כך שניתן לדעת את העדפותיהם האקלימיות), ומציאת המאובנים הרלוונטיים.

למרות האתגרים, שילוב של גלילי קרח וגלילי משקעים מקרקעית האוקיינוס סיפק רישום מפורט של עידני הקרח במיליוני השנים האחרונות. העדויות השונות מאששות זו את זו: כאשר מוצאים מורנות עתיקות, דרומלינים וסלעים תועים בשכבות גאולוגיות ישנות (מלפני הזמן שממנו זמינים גלילי קרח), ניתן להסיק שהתרחשו עידני קרח גם בעבר הרחוק יותר.

עידני קרח עיקריים
ממוזער|upright=2.75|שמאל|ציר זמן של התקרחויות, מוצג בכחול
בהיסטוריה של כדור הארץ התרחשו לפחות חמישה עידני קרח עיקריים: ההורוני, הקריוגני, האנדאי-סהרי, הפליאוזואי המאוחר, ועידן הקרח הרביעוני הנוכחי. בין עידנים אלה, היו בכדור הארץ תקופות חמות ללא קרחונים, אף לא בקטבים - אלה הן תקופות חממה. עם זאת, ישנם מחקרים שמאתגרים תפיסה זו ומציגים עדויות לקרחונים מקומיים גם בתקופות אלה.

כדי להבין את עידני הקרח השונים, חשוב להכיר את סולם הזמן הגאולוגי. בגאולוגיה מחלקים את היסטוריית כדור הארץ, שנמשכת כ-4.5 מיליארד שנה, לעידנים, תקופות ותת-תקופות. העידנים הגדולים נמשכים מאות מיליוני עד מיליארדי שנים וכוללים את הפרוטרוזואיקון ("חיים ראשוניים" - אז הופיעו צורות חיים פשוטות), פליאוזואיקון ("חיים עתיקים"), מזוזואיקון ("חיים אמצעיים" - עידן הדינוזאורים) וקנוזואיקון ("חיים חדשים" - העידן הנוכחי). כל עידן מתחלק לתקופות קטנות יותר שנמשכות עשרות מיליוני שנים, כמו אורדוביקיון, סילור, דבון, קרבון ופרם בעידן הפליאוזואי, או קרטיקון בעידן המזוזואי. תקופות אלה מתחלקות עוד לתת-תקופות שנמשכות מיליוני שנים בודדים (כמו ולנז'יניאן או אפטיאן בקרטיקון המוקדם). השמות ניתנו לרוב על שם המקום שבו התגלו לראשונה הסלעים מאותה תקופה או על שם מאפיינים ייחודיים שלה. עידני הקרח עצמם נקראים בדרך כלל על שם האזור שבו נמצאו העדויות הטובות ביותר לקיומם, כמו ההורוני (אגם הורון) או האנדאי-סהרי (הרי האנדים והסהרה).

ממוזער|שמאל|מפת עידן הקרח של צפון גרמניה ושכנותיה הצפוניות. אדום: גבול מקסימלי של קרחון וייכסל; צהוב: קרחון סאלה במקסימום (שלב דרנתה); כחול: מקסימום קרחון אלסטר
עידן הקרח ההורוני היה הראשון המתועד היטב, והתרחש לפני 2.4-2.1 מיליארד שנה בעידן הפרוטרוזואיקון המוקדם (העידן הגאולוגי שנמשך מלפני 2.5 עד 0.54 מיליארד שנה, שפירושו "חיים ראשוניים"). העדויות לקיומו נמצאות בסלעי הורוניאן החשופים לאורך מאות קילומטרים צפונית לאגם הורון בקנדה. הסלעים מכילים שכבות של טיל מאובן (חומר שהושקע על ידי קרחונים), אבני טיפה (סלעים שנפלו מקרחונים צפים), ורוות (שכבות עונתיות במשקעי אגמים קרחוניים), וסימני שחיקה על סלעי הבסיס. עדויות דומות נמצאו במישיגן ובמערב אוסטרליה, מה שמעיד על היקף גלובלי. עידן קרח זה נגרם כנראה מירידה חדה במתאן האטמוספירי - גז חממה חזק - בעקבות אירוע החמצון הגדול, כאשר חיידקים ראשונים החלו לייצר חמצן בכמויות גדולות.

עידן הקרח הקריוגני, שהתרחש לפני 630–720 מיליון שנה, היה כנראה החמור ביותר במיליארד השנים האחרונות. מדענים משערים שבתקופה כדור הארץ היה למעשה קפוא - מצב קיצוני שבו הקרחונים הגיעו עד קו המשווה וכיסו את רוב כדור הארץ. עידן קרח זה הסתיים כנראה כאשר הרי געש המשיכו לפלוט פחמן דו-חמצני לאטמוספירה, אך תהליכי הסרת הפחמן דו-חמצני - בליית סיליקטים ופוטוסינתזה - הופסקו בגלל הקרח שכיסה את היבשות והאוקיינוסים. הצטברות גזי החממה גרמה בסופו של דבר להתחממות ולהפשרה. יש השערה שסיום עידן קרח זה אפשר את הפיצוץ הקמבריוני - ההתפתחות המהירה של צורות חיים מורכבות - אך השערה זו עדיין שנויה במחלוקת.

עידן הקרח האנדאי-סהרי התרחש לפני 420–460 מיליון שנה, במהלך האורדוביקיון המאוחר (סוף התקופה הגאולוגית השנייה של העידן הפליאוזואי) ותקופת הסילור (התקופה הגאולוגית השלישית של העידן הפליאוזואי, שנקראה על שם שבט קלטי עתיק מוויילס). עדויות לעידן קרח זה נמצאו בעיקר בצפון אפריקה ובדרום אמריקה, שהיו אז חלק מיבשת על אחת.
ממוזער|upright=1.35|שמאל|רישומי משקעים המציגים את הרצפים המשתנים של קרחונים ובין-קרחוניים במהלך כמה מיליוני השנים האחרונים
עידן הקרח הפליאוזואי המאוחר (שנקרא בעבר "קרחון קארו" על שם האזור בדרום אפריקה שבו נמצאו עדויות רבות) התרחש לפני 260–360 מיליון שנה. עידן קרח זה החל כאשר צמחי היבשה הראשונים התפתחו בתחילת תקופת הדבון. הצמחים ספגו כמויות גדולות של פחמן דו-חמצני מהאטמוספירה ושחררו חמצן, מה שהוביל להתקררות גלובלית. במהלך תקופות הקרבון והפרם המוקדם, כיפות קרח ענקיות כיסו את אזורי הקוטב. עדויות לעידן קרח זה נמצאו בדרום אפריקה, ארגנטינה ואזורים אחרים שהיו חלק מיבשת העל גונדוונה.

עידן המזוזואיקון (לפני 66–252 מיליון שנה) נחשב באופן מסורתי לתקופת חממה חמה ללא קרחונים. אולם מחקרים חדשים מגלים שגם בתקופה חמה זו היו אירועי התקרחות קצרים. במהלך הקרטיקון המוקדם, בשלבי הולנז'יניאן, הוטריביאן ואפטיאן (תת-תקופות גאולוגיות של הקרטיקון המוקדם, שנמשכו בערך מלפני 145 עד 100 מיליון שנה), נמצאו עדויות לקרחונים: אבני טיפה שנישאו על ידי קרחונים צפים נמצאו במשקעים ימיים, ומעידות שיריעות קרח התפשטו עד חצי האי האיברי. אפילו בסוף המאסטריכטיאן, ממש לפני הכחדת הדינוזאורים, נמצאו עדויות לקרח ימי באנטארקטיקה.

עידן הקרח הרביעוני הוא העידן הנוכחי, שהחל לפני 2.58 מיליון שנה עם היווצרות כיפת הקרח הארקטית. עידן זה מאופיין במחזורים של תקופות קרחוניות ובין-קרחוניות: יריעות הקרח מתרחבות ומתכווצות במחזורים של 40,000 ו-100,000 שנים. יריעת הקרח האנטארקטית החלה להיווצר מוקדם יותר, לפני כ-34 מיליון שנה, ולכן המונח עידן הקרח הקנוזואי המאוחר כולל גם את התקופה המוקדמת יותר.University of Houston-Clear Lake - Disasters Class Notes - Chapter 12: Climate Change sce.uhcl.edu/Pitts/disastersclassnotes/chapter_12_Climate_Change.doc כיום אנו חיים בתקופה בין-קרחונית שהחלה לפני כ-11,700 שנה. יריעות הקרח הגדולות שנותרו הן בגרינלנד ובאנטארקטיקה, יחד עם קרחונים קטנים יותר באזורים הרריים ובאיים הארקטיים.

כל עידן קרח מתחלק לתקופות משנה לפי אזור וזמן. למשל, בהרי האלפים מזהים את תקופות "ריס" (לפני 180,000-130,000 שנה) ו"וירם" (לפני 70,000-10,000 שנה). הקרחונים לא מגיעים להיקפם המרבי לאורך כל התקופה, ושכל התקרחות חדשה נוטה למחוק את העדויות הגאולוגיות מההתקרחויות הקודמות.

תקופות קרחוניות ובין-קרחוניות
שמאל|ממוזער|250px|הבדל בטמפרטורת האטמוספירה ובאחוזי הקרח ב-450,000 השנים האחרונות, בשני אתרים באנטארקטיקה (על פי Petit et al., 1999).בתוך עידן הקרח הנוכחי ישנן תקופות עם אקלים מתון יחסית ותקופות עם אקלים קיצוני יותר. כאמור התקופות הקרות נקראות תקופות קרחוניות, והתקופות החמות נקראות תקופות בין-קרחוניות. התקופה הבין-קרחונית הקודמת לזו הנוכחית היא שלב האמיאן, שהתרחש לפני כ-130,000-115,000 שנה. קיימות עדויות שמחזורים קרחוניים דומים התרחשו בעידני הקרח הקודמים, כולל האנדאי-סהרי ועידן הקרח הפליאוזואי המאוחר (ראו הסברים בפרק הקודם). המחזורים הקרחוניים של עידן הקרח הפליאוזואי המאוחר אחראים ככל הנראה לתופעה שנקראת ציקלותמים - רצפי שכבות סלע החוזרים על עצמם במחזוריות קבועה, הכוללים לסירוגין שכבות של פחם, אבן גיר וצפחה, שנוצרו כתוצאה מעליות וירידות חוזרות של מפלס הים.
תקופות קרחוניות מאופיינות באקלים קר ויבש יותר ברוב חלקי כדור הארץ ובהתפשטות מסות קרח יבשתיות וימיות גדולות מכיוון הקטבים אל קווי הרוחב הנמוכים יותר. קרחוני ההרים באזורים מתפשטים לגבהים נמוכים יותר בשל ירידת קו השלג. מפלס הים יורד עקב הצטברות מים ניכרת מעל פני הים בכיפות הקרח. ישנן עדויות שגם דפוסי זרימת האוקיינוסים משתבשים. התקופות הקרחוניות והבין-קרחוניות מתרחשות בהתאמה לשינויים מחזוריים במסלול כדור הארץ ובזווית ציר הסיבוב שלו המכונים מחזורי מילנקוביץ'.

עתה כדור הארץ נמצא בתקופה בין-קרחונית המכונה הולוקן מזה כ-11,700 שנה. מאמר שפורסם ב-Nature ב-2004 טוען שנראה כי תקופה זו עשויה להיות דומה ביותר לתקופה בין-קרחונית קודמת שנמשכה 28,000 שנה. שינויים צפויים במסלול ובציר הסיבוב של כדור הארץ מצביעים על כך שהתקופה הקרחונית הבאה תחל בעוד 50,000 שנה לפחות. יתרה מזאת, התחממות כתוצאה מפליטת גזי חממה עקב פעילות אנושית עשויה לגבור על שינויים אלה למשך מאות אלפי שנים.

תהליכי משוב
תקופות קרחוניות מתעצמות בשל תהליכי משוב חיובי ונבלמות בשל תהליכי משוב שלילי. בעידן הקרח הרביעוני, כשהקרח והאבק באטמוספירה החזירו חלק ניכר מקרינת השמש (אלבדו גבוה) ורמות הפחמן הדו-חמצני היו נמוכות, נוצר מעגל של התקררות מתמשכת.

משוב חיובי
ממוזער|כיסוי שלג וקרח ימי, חצי הכדור הצפוני בלבד. שלג וקרח מחזירים כ-80-90% מקרינת השמש (אלבדו גבוה), ובכך תורמים לקירור האקלים|400x400 פיקסלים
צורת משוב חשובה נובעת מהאלבדו של כדור הארץ - היחס בין כמות אנרגיית השמש המוחזרת לכמות הנקלטת. קרח ושלג, מפאת לובנם, מגבירים את האלבדו של כדור הארץ, בעוד שאוקיינוסים ויערות מפחיתים אותו עקב כהותם. כאשר טמפרטורת האוויר יורדת, מעטי הקרח והשלג מתרחבים ומצמצמים את כיסוי היערות והאוקיינוסים. ככל שהתהליך מתמשך, הקרינה שנבלעת בכדור הארץ ומחממת אותו הולכת ופוחתת, ההתקררות מעמיקה, מאיצה את הרחבות הקרחונים וחוזר חלילה. תהליך זה נמשך עד שהתחרות עם מנגנון משוב שלילי, שעליו יוסבר בהמשך, מאלצת את המערכת להגיע לשיווי משקל.

ישנה תיאוריה גורסת שכאשר נוצרים קרחונים מתרחשים שני דברים: הקרח טוחן סלעים לאבק, והיבשה הופכת יבשה וצחיחה. תהליך זה מאפשר לרוחות להסיע אבק עשיר בברזל לאוקיינוס הפתוח. אבק זה משמש דשן ומעודד פריחות נרחבות של אצות, שמסייעות בספיגת כמויות גדולות של פחמן דו-חמצני מהאטמוספירה. זה בתורו גורם להתקררות נוספת ולגדילת הקרחונים.

ב-1956, החוקרים מוריס יואינג וויליאם דון שיערו שאוקיינוס ארקטי נטול קרח מוביל להגברת שלגים בקווי רוחב גבוהים. ההיגיון מאחורי ההשערה הוא שבאוקיינוס ארקטי קר ומכוסה קרח אידוי והמראה מתרחשים במשורה, ואז האזורים הקוטביים מועטי משקעים. כמות משקעים נמוכה זו מאפשרת לשלגים בקווי רוחב גבוהים להפשיר במהלך הקיץ. אוקיינוס ארקטי נטול קרח קולט קרינת שמש במהלך ימי הקיץ הארוכים ומאדה יותר מים לאטמוספירה הארקטית. עם משקעים רבים יותר, חלקים מהשלג עשויים שלא להפשיר במהלך הקיץ, וכך יכול להיווצר קרח קרחוני בגבהים נמוכים יותר ובקווי רוחב דרומיים יותר, מה שמפחית את הטמפרטורות מעל היבשה באמצעות הגברת האלבדו כאמור לעיל. יתרה מכך, לפי השערה זו, היעדר קרח ימי מאפשר חילופי מים מוגברים בין האוקיינוס הארקטי לצפון האוקיינוס האטלנטי - תהליך שמחמם את הארקטי ומקרר את צפון האטלנטי (תחזיות עכשוויות להשלכות ההתחממות העולמית כוללות תקופה קצרה של אוקיינוס ארקטי נטול קרח עד 2050.) זרימת מים מתוקים נוספים לצפון האטלנטי במהלך מחזור התחממות עשויה גם להחליש את זרימת מי האוקיינוס העולמית - הסירקולציה התרמוהלינית. החלשה מעין זו (שתתבטא בין השאר בצמצום השפעות זרם הגולף) תגרום להתקררות בצפון אירופה, שתוביל להצטברות שלג קיצית בקווי רוחב נמוכים יותר.

משוב שלילי
מעטי הקרח שוחקים את הקרקע שמתחתיהם, מה שמקטין את שטח היבשה הזמין להיווצרות קרח חדש. כתוצאה מכך נחלש מעגל ההתקררות (משוב האלבדו) משתי סיבות: ראשית, יש פחות שטח יבשתי לקרחונים חדשים. שנית, מפלס הים עולה כשהקרח מפשיר, והאוקיינוס הכהה שנחשף בולע יותר קרינת שמש מאשר יבשה מכוסת קרח.

גורם נוסף המחליש את ההתקרחות הוא הירידה במשקעים בשיא התקופה הקרחונית - ככל שהאקלים קר ויבש יותר, כך יורד פחות שלג לחדש את הקרחונים. כשהקרחונים מתחילים לסגת מסיבה זו או אחרת, נוצר תהליך של "משוב חיובי הפוך": ככל שנחשפת יותר קרקע כהה, כך נספגת יותר קרינת שמש, הטמפרטורה עולה, והקרח מפשיר מהר יותר - בדיוק ההפך מהמעגל שגרם להתפשטות הקרחונים מלכתחילה.

לפי מחקר שפורסם ב-Nature Geoscience, פליטות הפחמן הדו-חמצני מפעילות האדם ידחו את התקופה הקרחונית הבאה. החוקרים בחנו נתונים על מסלול כדור הארץ וחיפשו תקופות חמות בעבר שדומות לימינו. על פי הממצאים, בתנאים טבעיים התקופה הקרחונית הבאה הייתה אמורה להתחיל בעוד כ-1,500 שנה. אולם כמות גזי החממה שנפלטה לאטמוספירה גדולה, ונראה שעידן הקרח הבא יידחה.

גורמים
הגורמים למעברים האקלימיים הגדולים של כדור הארץ - בין עידני קרח לתקופות חממה, וכן התנודות הקטנות יותר בתוך עידן קרח בין תקופות קרחוניות לבין-קרחוניות - עדיין אינם מובנים במלואם. הקונצנזוס המדעי הוא שמספר גורמים משמעותיים:
 הרכב האטמוספירה, כגון ריכוזי הפחמן הדו-חמצני והמתאן (הרמות הספציפיות של הגזים הללו ניתנות כיום לזיהוי בדגימות גלילי קרח חדשות מפרויקט הקידוח האירופי באנטארקטיקה (EPICA) בכיפת C באנטארקטיקה לאורך 800,000 השנים האחרונות);
 שינויים במסלול כדור הארץ סביב השמש הידועים כמחזורי מילנקוביץ';
 תנועת הלוחות הטקטוניים גורמת לשינויים במיקום היחסי ובכמות הקרום היבשתי והאוקייני על פני כדור הארץ, וכן משפיעה על זרמי הרוח והאוקיינוסים;
 שינויים בעוצמת קרינת השמש;
 הדינמיקה המסלולית של מערכת כדור הארץ–ירח;
 פגיעות של מטאוריטים גדולים יחסית;
 פעילות געשית משמעותית

חלק מהגורמים הללו משפיעים זה על זה. לדוגמה, שינויים בהרכב האטמוספירה של כדור הארץ (במיוחד ריכוזי גזי החממה) עשויים לשנות את האקלים, בעוד ששינוי האקלים עצמו יכול לשנות את הרכב האטמוספירה (למשל על ידי שינוי הקצב שבו תהליכי בליה מסירים פחמן דו-חמצני).

חוקרי אקלים, ובהם הגאולוגית מורין ריימו והפליאוקלימטולוג ויליאם רודימן, מציעים שהרמות טיבט וקולורדו פועלות כמעין "מלכודות" ענקיות לפחמן דו-חמצני. כאשר רמות גבוהות אלו נחשפות לאטמוספירה, הסלעים שלהן עוברים תהליכי בליה מואצים שקולטים פחמן דו-חמצני מהאוויר. יעילות התהליך כה גבוהה שהוא נחשב לגורם משמעותי במגמת ההתקררות בעידן הקנוזואיקון (העידן הגאולוגי הנוכחי שהחל לפני כ-66 מיליון שנה, עם הכחדת הדינוזאורים) - מגמה שנמשכת כבר 40 מיליון שנה והובילה בסופו של דבר לעידן הקרח הנוכחי. החוקרים טוענים שכמחצית מההתרוממות של רמות אלו (ועמה גם מחצית מיכולת קליטת הפחמן הדו-חמצני שלהן) התרחשה רק ב-10 מיליון השנים האחרונות.

 שינויים באטמוספירה 
ישנן עדויות לכך שרמת גזי החממה באטמוספירה יורדת בתחילת עידני הקרח ועולות עם נסיגת מעטי הקרח. ואולם, קשה לקבוע סיבה ומסובב בתהליך זה. ייתכן שהירידה בגזי החממה גורמת להתקררות, אך ייתכן גם שההתקררות עצמה מובילה לירידה בריכוז הגזים (כפי שצוין לעיל, תהליכי בליה מואצים עשויים להסיר פחמן דו-חמצני מהאטמוספירה). אפשר גם שריכוז גזי החממה מושפע מגורמים אחרים שהוצעו כגורמים לעידני קרח, כמו תנועת היבשות ופעילות געשית.

ישנה השערה שגורסת שהתקופה שבה כדור הארץ היה קפוא באזורים נרחבים מאוד ("Snow Ball Earth") והתרחשה בסוף הפרוטרוזואיקון (לפני כ-650-750 מיליון שנה) הסתיימה בזכות עלייה חדה ברמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה, בעיקר מהרי געש. חלק מהתומכים בהשערה טוענים שההקפאה עצמה נגרמה מלכתחילה בגלל ירידה דרמטית בפחמן הדו-חמצני האטמוספירי. כיוון מחשבה זה גם מזהיר מפני אפשרות של "כדורי שלג" עתידיים - מצבים קיצוניים שבהם כל כדור הארץ עלול להיות מכוסה בקרח.

ב-2009 התפרסמו עדויות נוספות לכך ששינויים בקרינת השמש המגיעה לכדור הארץ הם הטריגר הראשוני להתחממות לאחר עידן קרח. גורמים משניים, כמו העלייה בגזי החממה, אחראים לעוצמת ההתחממות ולהיקפה.

 מיקום היבשות 
ממוזער|אנימציה של התפרקות יבשת-העל פנגיאה והתנועה של חלקיה השונים לאחר מכן, מהתקופה הגאולוגית המכונה "הטריאס המוקדם" ועד ימינו (250 מיליון שנה עד 0).
התבוננות בממצאים גאולוגיים מעלה שעידני קרח מתחילים כשיבשות נמצאות במיקומים שחוסמים או מפחיתים את זרימת המים החמים מקו המשווה אל הקטבים, כך נוצרים מעטי קרח, ומתחיל משוב אלבדו חיובי. עידן הקרח נמשך עד שהירידה בתהליכי הבליה גורמת לעלייה באפקט החממה.

קיימים שלושה תרחישים עיקריים של סידור היבשות החוסמים את תנועת המים החמים אל הקטבים:Lee Hannah, Climate Change Biology, 2nd ed. (Amsterdam: Academic Press, 2014), 23–28. 

 יבשת יושבת על גבי קוטב, כפי שאנטארקטיקה ממוקמת כיום.
 ים קוטבי כמעט סגור לחלוטין ביבשה, כמו האוקיינוס הארקטי כיום.
 יבשת-על מכסה את רוב קו המשווה, כפי שרודיניה (יבשת-על קדומה) עשתה בזמן התפרקותה לפני כ-750 מיליון שנה, תהליך שתרם לעידני הקרח החמורים של התקופה הקריוגנית.

מאחר שבכדור הארץ של ימינו יש יבשת מעל הקוטב הדרומי ואוקיינוס כמעט סגור מעל הקוטב הצפוני, גאולוגים מאמינים שכדור הארץ ימשיך לחוות תקופות קרחוניות בעתיד הגאולוגי הקרוב.

חלק מהמדענים סבורים שרכס ההימלאיה הוא גורם מרכזי בעידן הקרח הנוכחי. הרי ההימלאיה הגבירו את כמות המשקעים הכוללת על פני כדור הארץ, ולפיכך את הקצב שבו פחמן דו-חמצני נשטף מהאטמוספירה, תופעה שמאזנת את אפקט החממה. היווצרות ההימלאיה החלה לפני כ-70 מיליון שנה עת התנגש הלוח ההודי-אוסטרלי בלוח האירו-אסייתי. ההרים עדיין מתרוממים בקצב של כ-5 מילימטרים בשנה שכן הלוח ההודי-אוסטרלי עדיין נע בקצב של 67 מילימטרים לשנה. ההיסטוריה של ההימלאיה תואמת באופן כללי את מגמת הירידה ארוכת הטווח בטמפרטורה הממוצעת של כדור הארץ מאז אמצע האיאוקן, לפני 40 מיליון שנה.

 תנודות בזרמי האוקיינוסים 
ממוזער|זרמי ים וקרחונים ימיים מתוך אטלס המפות העולמי, הוצאת צבא ארצות הברית, המחלקה להכשרה מיוחדת. מדריך צבאי M-101 (1943).|400x400 פיקסלים
זרמי האוקיינוסים ממלאים תפקיד מרכזי בקביעת האקלים העולמי על ידי הסעת מים חמים וקרים בין אזורים שונים בכדור הארץ. הזרמים מעבירים חום מאזורים טרופיים, שם קרינת השמש חזקה, לאזורי קטבים שמקבלים פחות קרינה, ולהפך - מביאים מים קרים מהקטבים לאזורים חמים. תנועה זו משפיעה דרמטית על האקלים המקומי: זרמים חמים יכולים להעניק לאזורים צפוניים אקלים מתון (כמו זרם הגולף שמחמם את איי בריטניה), בעוד זרמים קרים יכולים לקרר אזורים טרופיים.

זרימת האוקיינוסים מושפעת ממספר גורמים: מיקום היבשות (שמכתיב את נתיבי הזרימה), גובה פני הים, הבדלי מליחות וטמפרטורה בין אזורים שונים, ועוד. שינויים גאולוגיים יכולים לשנות את דפוסי הזרימה באופן דרמטי - לדוגמה, סגירת מצר פנמה לפני כ-3 מיליון שנה חסמה את זרימת המים בין האוקיינוס האטלנטי והאוקיינוס השקט באזורים הטרופיים, וייתכן שהדבר הוביל לתקופת הקרחונים הנוכחית בצפון אמריקה.—formation of Isthmus of Panama may have started a series of climatic changes that led to evolution of hominids

מחקרים מראים שתנודות בזרמי האוקיינוסים עשויות להסביר את המעברים בין תקופות קרחוניות לבין-קרחוניות בעידן הקרח האחרון. במהלך התקופות הקרחוניות, גובה פני הים ירד ב-20-30 מטרים משום שכמויות עצומות של מים קפאו והפכו לחלק מיריעות הקרח, בעיקר בחצי הכדור הצפוני. עם הצטברות קרח וירידה משמעותית בפני הים, הזרימה דרך מצר ברינג (המצר הצר בין סיביר לאלסקה; עומקו כ-50 מטרים כיום) פחתה, והוגברה הזרימה מהאוקיינוס האטלנטי הצפוני. כתוצאה מכך השתנתה הזרימה תרמוהלינית באוקיינוס האטלנטי, והוגברה הובלת החום לאזור הארקטי. הקרח הקוטבי החל להפשיר ומעטי הקרח היבשתיים קטנו. ההפשרה העלתה שוב את פני הים, השיבה את זרימת המים הקרים מהאוקיינוס השקט וחזרה לתהליך הצטברות קרח בחצי הכדור הצפוני.

על פי מחקר שפורסם ב-Nature ב-2021, כל התקופות הקרחוניות בעידני הקרח במהלך 1.6 מיליון השנים האחרונות היו קשורות לנדידת קרחונים צפים מאנטארקטיקה. כשקרחונים אלה הפשירו רחוק מאנטארקטיקה, המים המתוקים שנוצרו גרמו לשינויים במליחות האוקיינוסים - האוקיינוס הדרומי נעשה מלוח יותר בעוד האטלנטי הצפוני נעשה מתוק יותר. שינויים אלה הובילו לשינוי דרמטי בזרמי האוקיינוס, שבתורו גרם לספיחה מוגברת של פחמן דו-חמצני מהאטמוספירה והחלשת אפקט החממה. המחברים מזהירים שתהליך זה עלול להיפגע בעתיד עם התחממות ניכרת של האוקיינוס הדרומי, והקרחונים לא ינדדו צפונה מספיק כדי לחולל שינויים אלה.

התרוממות הרמה הטיבטית

מתיאס קוהלה, גאומורפולוג גרמני שחקר קרחונים, פיתח תאוריה גאולוגית להסבר התפתחותם של עידני הקרח. תאוריה זו התבססה על ההנחה שמעטה קרח עצום כיסה את הרמה הטיבטית בתקופות הקרח, ואולי אף במהלך המקסימום הקרחוני האחרון.

לפני מיליוני שנים, האזור שכיום מהווה את הרמה הטיבטית היה נמוך בהרבה וחשוף - קרקע חשופה הבולעת את קרינת השמש ומחממת את האטמוספירה. אולם, תהליכים טקטוניים הרימו את הרמה לגובה העולה על קו השלג. קוהלה טען כי התרוממות זו יצרה שינוי דרמטי: שטח עצום של כ-2.4 מיליון קילומטרים רבועים הפך ממשטח כהה הבולע חום למשטח לבן מכוסה קרח. קרח לבן מחזיר חלק ניכר מקרינת השמש חזרה לחלל במקום לבלוע אותה - תופעה המכונה אלבדו. במקרה זה, כושר ההחזרה עלה ב-70%, כלומר כמות האנרגיה המוחזרת לחלל גדלה באופן משמעותי. תהליך זה הביא להתקררות כלל-עולמית שתרמה להתפתחות עידן הקרח הפלייסטוקני.

מיקומה של הרמה הטיבטית בקו רוחב סובטרופי מעניק לתאוריה זו משקל מיוחד. אזור זה מקבל קרינת שמש חזקה פי ארבעה עד חמישה מאזורי הקטבים, ולכן המרתו ממשטח בולע חום למשטח מחזיר קרינה השפיעה על מאזן האנרגיה העולמי בצורה דרמטית. המשטח שהיה אמור להיות מקור החימום העוצמתי ביותר על פני כדור הארץ הפך למקור קירור משמעותי.
לגבי התקופות החמות בין עידני הקרח, קוהלה הסביר אותן באמצעות מחזורי הקרינה הנובעים משינויים במסלול כדור הארץ סביב השמש. מחזורים אלה, המתרחשים כל כ-100,000 שנה, גורמים להתחממות קלה יחסית. התבוננות בתהליך מציעה כי התחממות מינורית זו הספיקה כאשר שולבה עם תהליך נוסף: שקיעת מעטי הקרח בצפון אירופה ובטיבט תחת משקלם העצום. שילוב זה הוביל להפשרה מלאה של מעטי הקרח היבשתיים ולתקופות בין-קרחוניות.

תאוריה זו, על אף היותה מעניינת, נותרה שנויה במחלוקת בקהילה המדעית ודורשת מחקר נוסף לביסוסה.

שינויים במסלול כדור הארץ
ממוזער|upright=2.25|קרינת שמש בקיץ הצפוני לאורך הזמן כמות הקרינה היומית הממוצעת בקו רוחב 65°N ביום הארוך בשנה, מעל האטמוספירה הציר האופקי מציג זמן באלפי שנים (ky = kilo-years) ביחס לספירה הנוצרית (AD)
כדור הארץ מקיף את השמש במסלול אליפטי ולא במעגל מושלם. מסלול זה אינו קבוע אלא משתנה לאורך זמן במספר מאפיינים: מידת האליפטיות (האקסצנטריות), זווית הנטייה של ציר הסיבוב של כדור הארץ, וכיוון הציר ביחס לכוכבים. שינויים אלה מתרחשים במחזוריות קבועה ומשפיעים על כמות קרינת השמש המגיעה לאזורים שונים בכדור הארץ. המדען הסרבי מילוטין מילנקוביץ' היה הראשון שחישב במדויק את המחזורים הללו בתחילת המאה ה-20, ומאז הם נקראים על שמו - מחזורי מילנקוביץ'. לכל מחזור אורך שונה, ולפיכך בזמנים מסוימים השפעותיהם מחזקות זו את זו, ובזמנים אחרים הן מבטלות זו את זו באופן חלקי.
ממוזער|נקיפה - סיבוב ציר כדור הארץ ובכך שינוי תזמון עונות השנה
ישנם ממצאים רבים המצביעים על כך שמחזורי מילנקוביץ' משפיעים על המעבר בין תקופות קרחוניות לתקופות בין-קרחוניות במהלך עידני קרח. עידן הקרח הנוכחי הוא הנחקר והמובן ביותר, במיוחד 400,000 השנים האחרונות. תקופה זו מתועדת באמצעות גלילי קרח - דגימות קרח הנלקחות מעומק הקרחונים ושומרות בתוכן תיעוד של הרכב האטמוספירה, טמפרטורה ונפח הקרח (ראו פרק "עדויות"). במהלך תקופה זו, ההתאמה בין תדירות התקופות הקרחוניות והבין-קרחוניות לבין מחזורי מילנקוביץ' כה מדויקת עד שהשפעת המסלול מקובלת באופן כללי בקהילה המדעית.

השפעות משולבות של שינוי המרחק מהשמש, הנקיפה (תנועה מעגלית איטית של ציר הסיבוב של כדור הארץ, בדומה לסביבון המתנדנד), והשינוי בזווית הנטייה של הציר משנות את חלוקת קרינת השמש המגיעה לכדור הארץ. חשיבות מיוחדת נודעת לשינויים בנטיית ציר כדור הארץ, המשפיעים על עוצמת העונות. לדוגמה, כמות קרינת השמש ביולי בקו רוחב 65 מעלות צפון משתנה בשיעור של עד 22% (מ-450 וואט למטר רבוע עד 550 וואט למטר רבוע). התבוננות בתהליך ההצטברות וההפשרה של קרח מציעה כי מעטי קרח גדלים כאשר הקיץ אינו חם מספיק כדי להפשיר את מלוא כמות השלג שנערמה במהלך החורף. חוקרים מסוימים סבורים שעוצמת ההשפעה המסלולית חלשה מדי כדי לגרום לעידני קרח, אולם מנגנונים משלימים כמו ריכוז פחמן דו-חמצני באטמוספירה עשויים להסביר את הפער הזה.

אמנם תאוריית מילנקוביץ' חוזה ששינויים מחזוריים ברכיבי המסלול של כדור הארץ אמורים להתבטא בתיעוד הקרחוני, אולם נדרשים הסברים נוספים כדי להבין אילו מחזורים הם החשובים ביותר בקביעת העיתוי של תקופות קרחוניות ובין-קרחוניות. במיוחד בולט כי במהלך 800,000 השנים האחרונות, המחזור הדומיננטי של תנודות קרחוניות-בין קרחוניות היה 100,000 שנה, התואם לשינויים באקסצנטריות המסלול (מידת האליפטיות של המסלול - כמה הוא "מעוך" לעומת מעגל מושלם) ובנטיית המישור המסלולי של כדור הארץ. אולם, זהו דווקא המחזור החלש ביותר מבין שלושת המחזורים שחזה מילנקוביץ'. בתקופה שלפני 3.0-0.8 מיליון שנה, הדפוס הדומיננטי של תקופות קרח התאים למחזור של 41,000 שנה של שינויים בנטיית הציר של כדור הארץ. הסיבות לדומיננטיות של תדירות אחת על פני אחרת אינן ברורות דיו ומהוות נושא מחקר פעיל כיום, אך התשובה קשורה ככל הנראה לסוג מסוים של תהודה במערכת האקלים של כדור הארץ. מחקרים עדכניים מציעים שהמחזור של 100,000 שנה הפך דומיננטי בגלל הגידול בקרח הים בקוטב הדרומי, שהגביר את החזרת קרינת השמש הכוללת.

ההסבר ה"מסורתי" של מילנקוביץ' מתקשה להסביר את הדומיננטיות של מחזור 100,000 השנים במהלך 8 המחזורים האחרונים. ריצ'רד א. מולר, פיזיקאי אמריקני מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי, וגורדון ג'יי. אף. מקדונלד, גאופיזיקאי אמריקני, ואחרים הצביעו על כך שהחישובים הקלאסיים מתייחסים למסלול דו-ממדי של כדור הארץ, אך למסלול התלת-ממדי יש גם מחזור של 100,000 שנה של נטיית המישור המסלולי. הם הציעו ששינויים אלה בנטיית המסלול מובילים לשינויים בקרינה, כאשר כדור הארץ נע פנימה והחוצה מרצועות אבק ידועות במערכת השמש. למרות שזהו מנגנון שונה מההשקפה המסורתית, התקופות ה"חזויות" במהלך 400,000 השנים האחרונות כמעט זהות. תאוריית מולר ומקדונלד, בתורה, אותגרה על ידי חוסה אנטוניו ריאל, פיזיקאי ספרדי-אמריקני.

ויליאם רודימן, פליאוקלימטולוג האמריקני, הציע מודל המסביר את מחזור 100,000 השנים באמצעות ההשפעה המווסתת של האקסצנטריות (מחזור חלש של 100,000 שנה) על הנקיפה (מחזור של 26,000 שנה) בשילוב עם משובי גזי חממה במחזורים של 41,000 ו-26,000 שנה. תאוריה נוספת הוצעה על ידי פיטר הויברס, אוקיינוגרף אמריקני, שטען כי מחזור 41,000 השנים תמיד היה דומיננטי, אך כדור הארץ נכנס למצב התנהגות אקלימית שבו רק המחזור השני או השלישי מפעיל עידן קרח. משמעות הדבר היא שהמחזוריות של 100,000 שנה היא למעשה אשליה הנוצרת על ידי מיצוע של מחזורים הנמשכים 80,000 ו-120,000 שנה. תאוריה זו עולה בקנה אחד עם מודל אמפירי פשוט רב-מצבי שהוצע על ידי דידייה פייאר, פליאוקלימטולוג צרפתי. פייאר מציע שאת מחזורי הקרח של הפלייסטוקן המאוחר ניתן לראות כקפיצות בין שלושה מצבי אקלים כמעט-יציבים. הקפיצות מושרות על ידי הכוח המסלולי, בעוד שבפלייסטוקן המוקדם מחזורי הקרח של 41,000 שנה נבעו מקפיצות בין שני מצבי אקלים בלבד. מודל דינמי המסביר התנהגות זו הוצע על ידי פיטר דיטלבסן, פיזיקאי דני. as PDF  אם כך נדמה כי מחזורי הקרח של הפלייסטוקן המאוחר אינם נובעים ממחזור האקסצנטריות החלש של 100,000 שנה, אלא מתגובה לא-ליניארית בעיקר למחזור הנטייה של 41,000 שנה. לא רק זאת שההסבר הזה פותר את החידה, אלא שהוא גם מתיישב עם התצפיות הגאולוגיות באופן טוב יותר.

 שינויים בתפוקת האנרגיה של השמש 
ממוזער|כתמי השמש, עלולים לגרום לשינויים בטמפרטורת כדור הארץ בטווח הקצר, אך אינם אחראים לשינויים ארוכי טווח
קיימים לפחות שני סוגים של שינויים בתפוקת האנרגיה של השמש:

בטווח הארוך מאוד - אסטרופיזיקאים סבורים שתפוקת השמש גדלה בכ-7% כל מיליארד שנה. תהליך זה נובע מהתפתחות הגרעינית של השמש: ככל שהשמש מזדקנת, הליבה שלה נעשית צפופה יותר וחמה יותר, מה שמגביר את קצב התגובות הגרעיניות ולפיכך את כמות האנרגיה הנפלטת.

שינויים קצרי טווח - כגון מחזורי כתמי שמש (הנמשכים כ-11 שנה), ואפיזודות ארוכות יותר כמו "המינימום של מאונדר" (Maunder Minimum). המינימום של מאונדר היה תקופה בין השנים 1645-1715 שבה נצפו מעט מאוד כתמי שמש, והיא חפפה לחלק הקר ביותר של "עידן הקרח הקטן" באירופה.

התבוננות בסקאלות הזמן השונות מציעה כי הגידול ארוך-הטווח בתפוקת השמש אינו יכול להיות הגורם לעידני קרח. אם כך נדמה כי בעוד שהשמש נעשית חמה יותר לאורך מיליארדי שנים, תופעה זו אינה מסבירה את המחזוריות של עידני הקרח שמתרחשים בסקאלת זמן של עשרות עד מאות אלפי שנים. לא רק זאת שהכיוון של השינוי הפוך (השמש מתחממת בעוד עידני קרח דורשים קירור), אלא שקצב השינוי איטי מדי בכמה סדרי גודל.

 התפרצויות געשיות 
ממוזער|התפרצות הר סנט הלנס ב-1980
התפרצויות געשיות עשויות היו לתרום לתחילתם או לסיומם של עידני קרח. בתקופות מסוימות בהיסטוריה האקלימית של כדור הארץ, רמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה היו גבוהות פי שניים או שלושה מהרמות הנוכחיות. הרי געש ותנועות של לוחות טקטוניים תרמו לריכוזים גבוהים של CO2 באטמוספירה. פחמן דו-חמצני מהרי געש תרם ככל הנראה לתקופות שבהן שררו הטמפרטורות הגבוהות ביותר על פני כדור הארץ.

התבוננות בקשר בין געשיות לאקלים מציעה כי להרי געש תפקיד מורכב בשינויי אקלים לאורך ההיסטוריה הגאולוגית. מצד אחד, התפרצויות געשיות גדולות יכולות לגרום להתקררות משמעותית אך קצרת טווח על ידי פליטת אפר וגופרית שחוסמים את קרינת השמש. מחקרים עדכניים מצביעים על כך שהתפרצויות היסטוריות בקווי רוחב גבוהים גרמו לתקופות קירור דרמטיות - למשל בשנות ה-540, ה-1450 וה-1600. מחקרים מראים כי ההשפעה המקררת נובעת בין השאר מהתחמצנות אירוסולים של גופרית דו-חמצנית לחלקיקי סולפט באטמוספירה העליונה ומחזירים קרינת שמש לחלל.

מצד שני, בסקאלות זמן גאולוגיות של מיליוני שנים, געשיות מסיבית יכולה לתרום להתחממות ארוכת טווח. בתקופות מסוימות בהיסטוריה האקלימית של כדור הארץ, רמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה היו גבוהות פי שניים או שלושה מהרמות בתקופה הקדם-תעשייתית, בעיקר בשל פעילות געשית אינטנסיבית ותנועות של לוחות טקטוניים. למשל, התפרצויות געשיות תת-ימיות מסיביות הוצעו כהסבר אפשרי למקסימום התרמי של הפליאוקן-איאוקן לפני כ-56 מיליון שנה, כאשר שחרור מהיר של מתאן ממאגרים תת-ימיים הוביל להתחממות קיצונית.

 תקופות קרחוניות ובין קרחוניות אחרונות 
ממוזער|שמאל|300px|כיסוי קרחוני בחצי הכדור הצפוני במהלך עידני הקרח האחרונים. היווצרות שכבות קרח בעובי 3-4 קילומטרים גרמה לירידת פני הים של כ-120 מטרים.
התקופה הנוכחית, עידן הקרח הרביעוני, החלה לפני כ-2.6 מיליון שנה תקופה זו מאופיינת בחילופי אקלים בין שלבים חמים וקרים. השלבים הקרים הנקראים תקופות קרחוניות נמשכים כ-100,000 שנה, ואילו שלבים חמים הנקראים תקופות בין-קרחוניות נמשכים בין 10,000 ל-15,000 שנה.
הפרק הקר האחרון (התקופה הקרחונית האחרונה) הסתיים לפני כ-10,000 שנה. כדור הארץ נמצא כיום בתקופה בין-קרחונית בעידן הקרח הרביעוני, המכונה הולוקן.

 תקופות קרחוניות בצפון אמריקה 
התקופות הקרחוניות העיקריות של עידן הקרח הנוכחי בצפון אמריקה הן האילינויאן (על שם מדינת אילינוי), האימיאן (תקופה בין-קרחונית חמה) וההתקרחות ויסקונסין (על שם מדינת ויסקונסין).

בעבר נהוג היה בקרב החוקרים לחלק את עידן הקרח בצפון אמריקה לשלבים נוספים: נברסקן, אפטון, קנסן וירמות'יאן (כולם נקראו על שם מקומות בארצות הברית). אולם בשנות ה-80, גאולוגים וחוקרי צורות פני השטח שעוסקים בתקופת ההתקרחות הרביעונית החליטו לאחד את כל השלבים הקדומים הללו תחת שם אחד - טרום-אילינויאן - מכיוון שקשה להבחין ביניהם באופן מדעי ברור.

התקרחות ויסקונסין היא התקופה הקרחונית האחרונה והמוכרת ביותר בצפון אמריקה. בשיאה, במהלך החלק המאוחר של שיא הקרחון האחרון (לפני 26,000 עד 13,300 שנה), כיסו משטחי קרח עצומים את צפון היבשת עד קו הרוחב 45 מעלות צפון - העובר דרך צפון ארצות הברית. משטחי קרח אלה היו עבים להפליא - בין 3 ל-4 קילומטרים גובהם.
ממוזער|שלבי היווצרות אגמים קדם-קרחוניים באזור האגמים הגדולים של צפון אמריקההקרחונים העצומים שינו לחלוטין את פני צפון אמריקה:

האגמים הגדולים - חמשת האגמים הענקיים (סופיריור, מישיגן, הורון, אירי ואונטריו) נוצרו כאשר הקרחונים חרתו והעמיקו עמקים קדומים. באופן דומה נוצרו גם אגמי האצבע בניו יורק, שצורתם הארוכה והצרה מזכירה אצבעות.

אלפי אגמים קטנים - במדינות מינסוטה וויסקונסין נחצבו אלפי שקעים על ידי תנועת הקרחונים. כשהקרח נמס, השקעים התמלאו במים ונוצרו האגמים הרבים המפוזרים באזור.

שינוי מסלולי נהרות - מערכת הניקוז העתיקה של נהר טייס נחסמה על ידי הקרחונים ונאלצה למצוא דרך חדשה, מה שיצר את נהר אוהיו המוכר לנו היום. מפלי הניאגרה נוצרו כאשר נהר שהוסט ממסלולו נתקל במדרגת סלע גיר ונאלץ לצנוח מגובה רב.

יצירת נופים חדשים - האזור החופי מלונג איילנד ועד ננטאקט במסצ'וסטס נבנה מחומרים שהקרחונים גררו איתם (חומר הנקרא "טיל קרחוני"). כמו כן, כשהקרח נסוג והותיר אחריו אבק סלעים דק, נשאו הרוחות את האבק מאות קילומטרים ויצרו שכבות עבות של אדמת לס פורייה בעמק נהר מיזורי.

תופעות מתמשכות - גם כיום, שנים לאחר הפשרת הקרחונים, האדמה באזור האגמים הגדולים ממשיכה להתרומם באיטיות. ההסבר הוא שמשקל הקרח העצום לחץ על הקרקע, וככשהקרח נעלם, האדמה שבה באיטיות למקומה בתהליך הנקרא "התרוממות פוסט-קרחונית".

לא כל צפון אמריקה כוסתה בקרח. "אזור חסר הסחף" (Driftless Area) - שטח במערב ויסקונסין וחלקים סמוכים של מינסוטה, איווה ואילינוי - נותר חשוף מסיבות שעודן נחקרות.

 תקופת הקרח האחרונה באנדים הצחיחים-למחצה סביב אקונקגווה וטופונגאטו 
אזור הרי האנדים הגבוהים סביב הר האקונקגווה (32°–33° דרום) והר הגעש טופונגאטו (33°–34° דרום) לא היה מכוסה במלואו בכיפת קרח נרחבת במהלך תקופת הקרח האחרונה. כיסוי הקרח היה מוגבל לקרחונים נרחבים בעמקים ולכיפות קרח קטנות יותר. כל הקרחונים העמקיים הללו התחברו ויצרו קרחון יבשתי (Piedmont glacier) גדול אחד, אשר מילא את השקעים הטופוגרפיים שבין ההרים.

על פי מדידות של קו השלג הנמוך ביותר (ELA - Equilibrium Line Altitude) בתקופה זו, הגבול התחתון של הקרחונים היה נמוך בכ-1,200 מטרים מגובהו כיום. מכך ניתן להסיק כי הטמפרטורה הממוצעת באזור הייתה נמוכה בכ-7.2 עד 9.6 מעלות צלזיוס מהטמפרטורה הנוכחית. עם זאת, יש לקחת בחשבון כי תנאי האקלים באזור היו יבשים מאוד (צחיחים-למחצה), ולכן סביר להניח שהירידה בטמפרטורה הייתה מתונה יותר, בסביבות 7.5 מעלות צלזיוס, ולוותה בירידה משמעותית בכמות המשקעים.
 השפעות עידן הקרח 
ממוזער|שמאל|בסקנדינביה נופים אופייניים שעוצבו על ידי קרחונים, כמו פיורדים ואגמים.
אף שתקופת הקרח האחרונה חלפה לפני יותר מ-8,000 שנה, חותמה ניכר בנוף עד ימינו. תנועת הקרח האדירה חרצה ופיסלה את פני השטח בקנדה (ראו הארכיפלג הארקטי הקנדי), גרינלנד, צפון אירואסיה ואנטארקטיקה. צורות נוף אופייניות שהותירו הקרחונים פזורות בשטחים אלה, ובהן סלעים תועים, טיל, דרמלינים, אסקרים, פיורדים, אגמי קומקום, מורנות, קרקסים קרחוניים, שנים קרחוניות ותצורות נוספות.

משקלן הכביר של יריעות הקרח גרם לעיוות של קרום ומעטפת כדור הארץ. לאחר שיריעות הקרח הפשירו, החלה היבשה, שהשתחררה מן המעמסה, להתרומם בתהליך המכונה התרוממות פוסט-קרחונית. בשל צמיגותה הגבוהה של מעטפת כדור הארץ, זרימת הסלעים המאפשרת את ההתרוממות היא איטית להפליא – קצבה כיום עומד על כסנטימטר אחד בשנה במרכזי האזורים המתרוממים.

במהלך ההתקרחות, כמויות אדירות של מים נאצרו ביריעות הקרח על חשבון מי האוקיינוסים. כתוצאה מכך, מפלס פני הים העולמי צנח בכ-110 מטרים. צניחה זו חשפה את המדפים היבשתיים ויצרה גשרי יבשה שאפשרו נדידת בעלי חיים בין יבשות. עם הפשרת הקרחונים, שבו המים לאוקיינוסים ומפלס פני הים עלה. תהליך זה חולל תמורות חדות ופתאומיות בקווי החוף ובמערכות הידרולוגיות: שטחי יבשה הוצפו, ואחרים בצבצו ועלו מן המים; סכרי קרח קרסו וגרמו להמלחת אגמים; סכרים חדשים נוצרו וכלוא מאחוריהם אגמי מים מתוקים עצומים; ודפוסי מזג האוויר האזוריים השתנו לבלי הכר. תהפוכות אלו אף יכלו להוביל להתקרחות מחודשת ומקומית. דפוס דינמי זה של שינויים מהירים ביבשה, בקרח, במים מלוחים ובמים מתוקים, נחשב למודל סביר למה שהתרחש באזור הבלטי וסקנדינביה, וכן בחלקים נרחבים של מרכז צפון אמריקה, לקראת סוף שיא תקופת הקרח האחרונה. קווי החוף המוכרים לנו כיום התייצבו רק באלפי השנים האחרונות. כך למשל, תהליך ההתרוממות בסקנדינביה, במקביל לעליית פני הים, הביא להצפת מישור יבשתי רחב ידיים שהשתרע מתחת למה שהוא כיום ההים הצפוני, וחיבר בעבר את האיים הבריטיים ליבשת אירופה.

שינוי פיזור מסת המים על פני כדור הארץ וזרימת הסלעים במעטפת גורמים לשינויים בשדה הכבידה וכן במומנט ההתמד של כדור הארץ. שינויים אלו, בתורם, משפיעים על המהירות הזוויתית, על ציר הסיבוב ועל פרצסיית ציר הסיבוב של כדור הארץ.

המעמסה של מסת הקרח על הליתוספירה גרמה לה להתכופף ויצרה מאמצים בתוך כדור הארץ. באופן כללי, נוכחות הקרחונים דיכאה את התנועה לאורך העתקים (שברים גאולוגיים). במהלך ההפשרה, הואצה התנועה בהעתקים, תופעה שחוללה רעידות אדמה. רעידות אדמה שהתרחשו סמוך לשולי הקרחונים יכלו, בתורן, להאיץ הינתקות קרחונים, וייתכן שאף היו הגורם להינתקות משמעות המכונה אירועי היינריך. ככל שהוסר יותר קרח משולי היריעות, כך התרחשו יותר רעידות אדמה תוך-לוחיות. משוב חיובי זה עשוי להסביר את הקריסה המהירה של יריעות הקרח.

באירופה, השילוב של שחיקה קרחונית ושקיעה כתוצאה ממשקל הקרח (שקיעה איזוסטטית) הוא שהוביל להיווצרות ההים הבלטי, שבטרם עידן הקרח היה שטח יבשתי שנוקז על ידי נהר הארידנוס הקדום.

 עידני קרח עתידיים 
בעבר הוערך כי תקופה בין-קרחונית נמשכת כ-10,000 שנים. הערכה זו עוררה בשנות ה-70 של המאה ה-20 חשש שתקופת הקרח הבאה קרובה וצפויה להתרחש בקרוב. כיום סבורים שהשפעת האדם על הסביבה עשויה להאריך את התקופה החמה הנוכחית, שאורכה חריג ממילא.

עידני הקרח מתרחשים במחזורים של כ-100,000 שנים, אולם ייתכן כי עקב פליטות הפחמן הדו-חמצני של האנושות עידן הקרח הבא לא יתרחש. לדברי סטיבן בארקר מאוניברסיטת קארדיף, ללא התערבות אנושית, ההתקרחות הבאה של כדור הארץ "תתרחש בתוך 11,000 השנים הבאות, ותסתיים בעוד 66,000 שנים".

על פי דוח משנת 2015 של פרויקט Past Global Changes, הדמיות מראות כי התקרחות חדשה אינה צפויה להתרחש ב-50,000 השנים הקרובות, כל עוד ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה יישאר מעל 300 חלקים למיליון (ppm) או שפליטות הפחמן המצטברות יעלו על 1,000 גיגה-טון פחמן. "רק אם ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה ירד מתחת לרמתו הטרום-תעשייתית, תיתכן התקרחות ב-10,000 השנים הבאות... בהינתן המשך פליטות הפחמן הדו-חמצני האנתרופוגניות (מעשה ידי אדם), סבירותה של התחלת התקרחות ב-50,000 השנים הבאות נמוכה מאוד, מכיוון שטווחי הזמן להתקררות ולהפחתת ריכוז הפחמן הדוח חמצני בחזרה לערכים טבעיים (ללא סילוק מלאכותי) הם ארוכים מאוד, ובנוסף, בשני מחזורי הנקיפה הבאים צפוי אילוץ פרצסיוני חלש בלבד". (מחזור נקיפה, המכונה גם פרצסיה, נמשך כ-21,000 שנים, וזהו פרק הזמן הדרוש לפריהליון להשלים סיבוב מלא ביחס לשנה הטרופית).

ראו גם
התקופה הקרחונית האחרונה

 לקריאה נוספת 


קישורים חיצוניים






הערות שוליים

קטגוריה:מדעי כדור הארץ
קטגוריה:שינוי אקלים
קטגוריה:קרח