氷河時代
ドイツの地理学者マティアス・クーレの氷河時代の発達に関する地質学的理論は、氷河時代(最終氷期最盛期)中のチベット高原を覆う氷床の存在によって示されていた。クーレによると、プレートテクトニクスにより隆起して雪線を越えたチベットは、約240万km2の表面が裸地から70%を超えるアルベドを有する氷の高原へと変化した。宇宙へのエネルギーの反射は地球寒冷化の原因となり、更新世の氷河時代の引き金となった。チベット高原は亜熱帯の緯度に位置しているため、高緯度地域の4倍から5倍ほどの日射量がある。地球上で最も強い加熱面だったであろう表面が冷却面に変わったといえる。
クーレは地球の軌道の変化による10万年単位の放射サイクルの変化によって間氷期を説明する。この比較的軽微な温暖化は、上積氷の荷重による北欧の内陸の氷域とチベットの高度の低下と相まって、度々内陸の氷域の氷を完全に解かした。
ミランコビッチ・サイクルは、太陽の周りを公転する地球の軌道にみられる特徴で、公転軌道や自転軸の一連の周期的な変化を指す。それらの変化は日射量を変化させるが、各サイクルは異なる長さを持つため、ある時はそれらは互いに効果を強め合い、またある時は(部分的に)相殺され、日射量の変化は複雑な曲線で表示される。
ミランコビッチ・サイクルが氷河時代の中で氷期と間氷期の発生に影響を及ぼすことには有力な証拠がある。現在の氷河時代は、特に最近40万年間については、詳しく研究され、最もよく理解されているが、それは大気組成及び温度指標と氷体積を記録している氷床コアの対象とする期間だからである。この期間内において、ミランコビッチの軌道強制力の期間と氷期/間氷期の振動数の一致が非常に近いので、軌道強制力は一般的に受け入れられている。太陽からの距離の変化(軌道離心率)、地軸の歳差運動、及び地軸の傾き(軌道傾斜角)の変化が複合して、地球が受ける日射量が変化している。特に重要なのは地軸の傾きの変化で、季節ごとの気候の激しさに強い影響を与える。たとえば、7月の北緯65度での太陽放射フラックスの量は22%ほどの割合(450 W/m²から550 W/m²)で変動する。夏があまりに涼しくなると、前の冬に積もった雪を全て解かすことができなくなるため、氷床が発達することは広く信じられている。軌道強制力は弱すぎるので氷河の形成の引き金になることはないと信じる者もいるが、Co2のようなフィードバックの仕組みでこの不一致を説明できるかもしれない。
ミランコビッチ強制力が地球の軌道要素の周期的変化は氷河の記録で表現できると予測する一方で、氷期-間氷期のタイミングにおいてどの周期が最も重要だと認められるかを説明するためには追加の説明が必要である。特に、過去80万年の間、氷期-間氷期振動の卓越周期は10万年であり、それは地球の軌道離心率と軌道傾斜角の変化に合致する。けれども、これはミランコビッチが予測した3つの振動数の中では最も弱い。300万年前から80万年前までの間は、優勢な氷河形成のパターンは41,000年という地球の赤道傾斜角(自転軸傾斜角)の変化に合致する。ある振動数が他の振動数に対して優勢であることの理由はあまり理解されておらず、現在研究の活発な分野であるが、その答えはおそらく地球の気候系における何らかの共鳴の形と関係するだろうと考えられている。最近の研究成果は、増加した南極の海氷による10万年周期の優勢が全体の日射反射率を増大させていることが原因であると示唆している。
従来のミランコビッチの説では、10万年周期の支配的な時期が過去8回あったことの説明が難しい。アメリカの物理学者の Richard A. Muller や Gordon J. F. MacDonald らは、それは地球の軌道の計算が2次元的な手法に基づいているからであり、3次元的な解析を行えば、軌道傾斜角にも10万年周期が現れると指摘している。彼らは、太陽系のダストバンドと地球の軌道との交差が影響している可能性を提示しながら、これらの軌道傾斜角の変化が日射量の変化を導いているのだと述べている。これらは従来提唱されてきたメカニズムとは異なるものだが、計算結果は「予言されていた」最近40万年間について得られているデータとほぼ同じ結果を示している。この Muller と MacDonald の理論に対しては、気候学者の Jose Antonio Rial から反論されている。
古気候学者のウィリアム・ラディマンは、10万年周期をもっともらしく説明するモデルとして、歳差運動(26,000年周期)に対する離心率の変調効果(弱い10万年周期)が、41,000年周期と26,000年周期で起こる温室効果ガスのフィードバック効果と結びついたという説明をしている。けれども、Peter Huybers が提案した別の理論では、41,000年周期は常に優勢なのであるが、地球は現在、2番目か3番目の周期だけでも氷河時代の引き金となり得る気候モードに入っているのだと主張している。これは10万年の周期性が実は8万年と12万年の周期が平均されたことによって作り出された錯覚ではないかと暗に示している。この理論は、Didier Paillard によって提唱された、単純な実験に基づく多状態モデルと一致している。Paillard は、更新世後期の氷期のサイクルは3つの準安定的な気候の状態の間の飛躍としてみることができると説明している。それらの飛躍が軌道強制力に誘発されたのに対し、更新世前期には41,000年周期の氷期はたった2つの気候状態の間の飛躍から結果として生じたとしている。この振る舞いを説明する力学モデルは Peter Ditlevsen によって提唱された。これは、更新世後期の氷期の周期は離心率の「弱い10万年周期」が原因ではなく、主として41,000年の自転軸傾斜角の周期に対する非線形の応答であるとする説に裏付けられるものである。
また、地球磁場の変動と気候変化の相関性が指摘されている。地磁気が弱まることにより、それまではローレンツ力によって弾かれていた宇宙線の大気圏内への入射量が増え、粒子の飛跡が電離して、それを核として大気圏内の過冷却水蒸気が凝結して雲の形成が増加し、加速度的に寒冷化すると考えられる。
火山の噴火は氷河時代の開始や終焉の一因となったかもしれない。古気候のある時期には、二酸化炭素の濃度は今日の2倍ないし3倍はあったと考えられている。火山と大陸プレートの動きは、大気中に含まれる大量のCo2の一因だった。地球全体の気温が最も高かった時期では火山由来の二酸化炭素がおそらく気温上昇に影響を及ぼしただろうと考えられる。ある暁新世始新世境界温暖極大期の学説では、海底火山はクラスレート由来のメタンを放出し、そうして大規模で急速な温室効果の増大が生じたのだと説明されている。そのような噴火がタイミングよく起きたことを示す地質学的証拠は見つかっていないようであるが、それをもって火山の噴火が発生しなかったことを証明するものではない。
最終氷期は8,000年以上前に終わった一方、その影響は今日においても感じることができる。たとえば、カナダ(北極諸島)、グリーンランド、ユーラシア大陸北部および南極大陸では、移動する氷が風景を切り開いた。迷子石、ティル(氷礫土)、ドラムリン(氷堆丘)、エスカー、フィヨルド(峡湾)、ケトル湖、モレーン(氷堆石)、カール(圏谷)、ホルン(氷食尖峰)などは、氷河が残した典型的な特徴である。
氷床は非常に重いので、地球の地殻とマントルを変形させた。氷床が解けた後、氷に覆われていた陸地はポスト・グレイシャル・リバウンドした。地球のマントルの粘度が高いために、隆起過程を制御するマントルの岩石の流れはかなり遅く、今日の隆起地域の中心付近では約1 cm/年の割合である。
氷河発達期には、海から海水が取水されて2017年11月高緯度地域で氷を形成することで全球の海水準は約110メートル下がり、大陸棚が露出して大陸間に陸橋が形成され、動物が移動するようになった。氷河後退期には、氷が解けることで水が海へ還り、海水準は上昇した。このプロセスは海岸線や水和系2017年9月の急変を引き起こし、新たに海中に沈んだ陸地、海上に現れた陸地、湖の塩化を引き起こす氷ダムの決壊、新しい氷ダムが作り出す広大な淡水地域、そして地域的な気象パターンの全般的な変化のような、規模は大きいが一時的な結果を生む。また、一時的な氷河の再発達を引き起こすことさえある。この種の急速に変化する陸地、氷、海水、淡水の混沌としたパターンは、現在の海岸線が有史以前の過去数千年間でしか達成2017年11月されていない最終氷期最盛期の終わり頃の北アメリカ大陸中央部の大部分のほか、バルト地方やスカンディナヴィア地方がもっともなモデルとして提案されている。また、スカンディナビア地方に面する海面上昇の影響により、かつて、現在の北海の大部分の下に存在し、ブリテン諸島とヨーロッパ大陸をつないでいた広大な大陸の平原が海に沈んだ。
地表の氷が解けてできた水の再分配とマントルの岩石の流れは、地球の慣性モーメントの分布の変化だけでなく、重力場をも変化させた。慣性モーメントに対するこれらの変化は、地球の自転の角速度、軸、ぐらつきをもたらしている。
再分配された表面質量はリソスフェアに荷重をかけて屈曲させ、地球内部に応力を加える。氷河の存在は一般的に断層の運動を下方に押しつけた。しかし、氷河後退期には断層は地震を誘発する加速すべりを経験する。氷縁付近で誘発された地震は、今度は氷山からの氷塊の分離を加速させるかもしれず、ハインリッヒ・イベントを説明するかもしれない。より多くの氷塊が氷縁付近で分離されるほど、より多くの大陸プレート内地震が誘発され、この正のフィードバックは氷床の急速な崩壊を説明するかもしれない。
ヨーロッパでは、氷河の侵食作用と、氷河の重さによるアイソスタシーに伴う沈降によりバルト海が形成された。なお、氷河時代以前は、現在のバルト海の辺りは全土が陸地で、降水はエリダヌス川 (地学)によって排水された。
更新世の氷期と間氷期には名前がつけられている。最近のものから新しい順に並べられている(年代は1000年BP)。北米、北欧、アルプス(ドイツ)、ロシア、イギリス、イタリア、南米、ニュージーランドの研究者は別の名称を使ってきた。日本ではアルプス名を使うことが多い。
ただし、氷河時代は場所と時間の別により、さらに細かく区分されることがある。たとえば、リス (Riß) 氷期(18万年前から13万年前)とヴュルム (Würm) 氷期(7万年前から1万年前)は、特にアルプス地方の氷期を指していうときの区分である。氷床が最も拡大したときの範囲は、完全な隔たりがあるために保たれていない。これは各氷期での研磨作用によって、(年代的に)前の氷床の痕跡のほとんどがほぼ完全に消し去られてしまいやすいからであるが、例外として、後の氷床が前の氷床を完全に覆い尽くすことがなかった地域では、古い方の氷床の痕跡がみられる。
南北の大陸氷床の発達により、最近の氷期・間氷期では海水準が大きく変動したことが知られている(ただし時代を遡ると地殻変動の影響が無視できなくなる)。蒸発した海水が両極に氷床として固定されるため、地上の海水の体積全体が減少し、結果として世界的に海水準が低下する。反対に氷期の終了に伴って融解水が海洋に還元されると海水準は上昇する。海洋酸素同位体ステージによって示される氷床量の変動は、特に新しい時代になるにつれて、世界的な海水準の変動を反映しているといって良い(上記「過去500万年間の氷期・間氷期の変動を示す堆積物の記録」グラフ参照)。その変動幅は最近の氷期では100m以上におよぶ。
日本近海では、太平洋と日本海を結ぶ海峡の深度が浅いため、少なくとも過去数十万年の間の氷期では、海水準の低下に伴って対馬暖流の流入が止まり、気候に大きく影響を与えた。氷期には寒冷化のために亜寒帯林が西日本まで分布していた。また、対馬暖流が流入しないため(現在の日本海側の降雪は対馬暖流の蒸発量に影響を受ける)氷河は日本アルプスおよび北日本の高地にわずかに発達するのみであった。それでも、これらの氷河が最終氷期に形成したカールやモレーンなどの氷河地形は現在の日本アルプスや日高山脈で明瞭に確認することができる。
最も新しい氷期は最終氷期とも呼ばれる。最終氷期の終了後、人類が定住し農業が発展するという出来事が起こった。このことは農業の発達が人類の生活様式と深い関係があるということであろう。
氷期もしくは間氷期が続く間に、更に細かな気候の変動が見られることがある。寒冷な時期を亜氷期 (stadial)、温暖な時期を亜間氷期 (interstadial) と呼ぶ。最終氷期終了前後から現在にかけてはヨーロッパの泥炭湿地で発見された花粉層序がしばしば用いられ、現在では最終氷期の終了から後氷期にかけての気候変化を表現する際に幅広く使われている。