Последние ледниковые периоды Земли, обычно называемые ледниковыми периодами, представляют собой некоторые из самых глубоких климатических преобразований в новейшей геологической истории нашей планеты. Во время этих расширенных интервалов более низких глобальных температур массивные ледяные щиты расширились на большие части Северной Америки, Европы и частей Южной Америки, окутав миллионы квадратных километров под толстыми слоями льда. Эти колоссальные ледяные массы резко изменили поверхность Земли, изменив ландшафты, перенаправив океанские течения и укрыв огромное количество воды - достаточно, чтобы снизить глобальный уровень моря более чем на 120 метров. Понимание сложных процессов, лежащих в основе формирования, роста и возможного отступления этих ледниковых щитов, имеет важное значение не только для реконструкции климатического прошлого Земли, но и для предоставления решающего понимания того, как современные ледяные щиты в Гренландии и Антарктиде могут реагировать на продолжающееся глобальное потепление.

Орбитальный двигатель: что движет ледниковыми циклами?

Образование ледяного покрова не является случайным явлением, но в значительной степени обусловлено долгосрочными изменениями орбитальных параметров Земли, которые влияют на распределение и интенсивность солнечного излучения, достигающего поверхности планеты. Эти циклические изменения, известные как циклы Миланковича, состоят из трех основных компонентов: эксцентриситет (форма орбиты Земли), наклон (наклон оси Земли) и прецессия (колебание оси Земли). Вместе они модулируют сезонность и географическое распределение инсоляции, особенно в высоких северных широтах, где возникают большинство крупных ледяных щитов.

Когда летняя инсоляция в Северном полушарии уменьшается из-за этих орбитальных сдвигов, меньше снега и льда тает в теплое время года, позволяя зимнему снегопаду накапливаться из года в год. Это постоянное накопление снега закладывает основу для постепенного формирования ледяных щитов континентального масштаба. И наоборот, повышенная летняя инсоляция приводит к усилению таяния и отступления льда. Эти орбитальные воздействия устанавливают сроки ледниково-межледниковых циклов в течение десятков-сот тысяч лет.

Последний ледниковый период, часто называемый поздним плейстоценовым оледенением, начался примерно 115 000 лет назад после более теплого эмиевского межледникового периода. Однако переход в полные ледниковые условия был отмечен сложной схемой чередующихся холодных и относительно теплых фаз. Пик оледенения произошел во время последнего ледникового максимума (LGM) — около 26 500 — 19 000 лет назад, когда глобальные средние температуры были примерно на 4-5 ° C холоднее, чем сегодня, и ледяные щиты покрывали почти четверть поверхности Земли.

Эти орбитальные циклы хорошо документированы через прокси-серверы палеоклимата и служат фундаментальной основой для понимания времени ледникового периода. Более подробную информацию о циклах Миланковича и их климатическом воздействии см. в обзоре НАСА орбитального форсирования .

Процессы формирования: от снежинки до ледяного щита

Накопление и волокнение

Генезис ледяного покрова начинается с постоянного накопления снега в регионах, где зимний снегопад превосходит летнее таяние. Обычно это происходит на высоких широтах или высотах, где температура остается достаточно низкой, чтобы сохранить снег в течение лета. По мере накопления снежных слоев нижний снег сжимается под весом чрезмерного накопления, вытесняя воздух и постепенно превращаясь из пушистых снежинок в более плотный гранулированный лед под названием .

Этот процесс уплотнения, известный как волокнение , занимает десятилетия до столетий и включает в себя перекристаллизацию, которая уменьшает поровые пространства между льдом. В конце концов, волокно превращается в твердый ледниковый лед, характеризующийся его синим цветом из-за поглощения длин волн красного света. Утолщение поверхности ледяного покрова охлаждает находящуюся в воздухе атмосферу, еще больше уменьшая таяние (абляцию) и способствуя дополнительному накоплению - положительная обратная связь, которая ускоряет рост ледяного покрова.

Механика и динамика ледовых потоков

Как только масса льда утолщается до нескольких сотен метров, огромный вес создает давление у основания, заставляя лед деформироваться и вытекать наружу из самых толстых центральных областей.Лед движется в основном через два механизма: внутренняя деформация (или ползучесть), где кристаллы льда медленно изгибаются и скользят мимо друг друга, и базальное скольжение, которое происходит, когда талая вода у основания уменьшает трение с подстилающей породой.

Это движение перераспределяет лед из зон накопления в интерьере в зоны абляции вблизи полей, где происходит таяние и откалывание айсбергов. Баланс между накоплением и абляцией контролирует массу и протяженность ледяного покрова. Например, во время ЛГМ ледяной щит Лорантида достигал толщины более 3000 метров в центральных районах и простирался на сотни километров наружу, при этом лед динамически течет на огромные расстояния.

Механизмы положительной обратной связи в росте ледяного покрова

Ключевым процессом ускорения расширения ледяного покрова является обратная связь альбедо . Снежные и ледяные поверхности имеют высокое альбедо, отражающее до 80-90% поступающего солнечного излучения обратно в космос. Эта высокая отражательная способность охлаждает местный климат, уменьшает таяние и стимулирует дальнейшее накопление снега. По мере роста ледяных покровов они увековечивают этот охлаждающий эффект, облегчая дальнейшее расширение льда до ограничения климатическими или географическими факторами.

Кроме того, по мере того, как вода становится секвестрированной во льду, глобальные уровни моря падают, обнажая континентальные шельфы и изменяя модели циркуляции в атмосфере и океане. Эти изменения могут модулировать доставку влаги и температурные режимы, что дополнительно влияет на динамику ледяного покрова. Такие обратные связи способствуют фазам быстрого роста, обычно наблюдаемым в ледниковых циклах.

Для углубленного обзора ледников и ледяного покрова Национальный центр данных о снеге и льде предлагает ценные ресурсы: NSIDC ледниковый научный грунт .

Основные ледяные щиты последнего ледникового периода

Лорантидский ледяной щит (Северная Америка)

Лёдный щит Лорантида был самой большой ледниковой массой в течение последнего ледникового периода, доминировавшей на большей части Канады и севера США.В максимальной степени он простирался от Скалистых гор на западе до Атлантического побережья на востоке, достигая столь же далекого юга, как современные Нью-Йорк и Сент-Луис.Огромный вес этого ледяного щита угнетал земную кору под ним, создавая низменности Гудзонова залива, область, которая остается геологически подавленной сегодня.

Ледяной щит Лорантида был очень динамичным, с эпизодическими достижениями и отступлениями под влиянием климатических колебаний. Его распад после LGM был отмечен быстрыми сбросами талой воды, что способствовало резким климатическим событиям, таким как Младший Дриас, внезапному возвращению к более холодным условиям примерно 12 900 лет назад. Мельтовые импульсы из этого ледяного щита также значительно повлияли на глобальное повышение уровня моря и приток пресной воды в Северную Атлантику, влияя на циркуляцию океана.

Скандинавский ледяной щит (Европа)

Скандинавский ледяной щит, сосредоточенный над горными районами Фенноскандии, покрывал большую часть северной Европы во время последнего ледника. Он окутывал Британские острова, Данию, северную Германию, Польшу и Прибалтику. Хотя он меньше Лорантида, в некоторых районах он все еще достиг толщины, превышающей 2500 метров.

Этот ледяной щит характеризовался многочисленными достижениями и отступлениями, часто быстро реагирующими на климатические сдвиги. Таяние воды с его окраин образовывало обширные проледниковые озера и вызывало катастрофические события дренажа, такие как те, которые помогли вырезать Ла-Манш. Эти гидрологические события сформировали геологию региона и повлияли на пути миграции человека после ледникового отступления.

Патагонский ледяной щит (Южная Америка)

В Южном полушарии Патагонский ледяной щит покрывал южные Анды и простирался на Патагонский степь, хотя и меньше по масштабу по сравнению с ледяными щитами Северного полушария, он сыграл решающую роль в глобальных изменениях уровня моря и создал отличительные фьорды и ледниковые озера, которые характеризуют сегодня южную часть Чили и Аргентину.

Чувствительность Патагонского ледяного щита к сдвигам в южных Вестерлиях — преобладающие ветры, которые приносят влагу — сделала его модели продвижения и отступления тесно связанными с изменениями атмосферной циркуляции. Его сложные взаимодействия с окружающими экосистемами и климатом обеспечивают важную информацию о динамике оледенения в Южном полушарии.

Антарктический ледяной щит

Антарктический ледяной щит выделяется среди других ледниковых масс благодаря своей долголетности, просуществовав десятки миллионов лет.В течение последнего ледникового периода он расширился дальше на континентальный шельф, причем некоторые регионы утолщались, а другие истончались.Морской Западно-Антарктический ледяной щит был особенно динамичным и, как предполагается, способствовал быстрым эпизодам повышения уровня моря в периоды оледенения.

Проекты по бурению ледяного керна в Антарктиде, такие как проекты в Востоке и Куполе С, восстановили непрерывные климатические рекорды, охватывающие более 800 000 лет, обеспечивая беспрецедентное разрешение в прошлых атмосферных условиях, колебаниях температуры и концентрациях парниковых газов во время последнего ледникового цикла.

Другие известные ледяные щиты и ледниковые шапки

  • Кордильерский ледяной щит: Охватывая гористый запад Северной Америки от Аляски до штата Вашингтон, этот ледяной щит часто связан с Лорантидом в определенных регионах, влияя на ледниковую динамику на северо-западе Тихого океана.
  • Британско-ирландский ледяной покров: Отдельная ледяная масса, покрывающая Ирландию и большую часть Великобритании, достигнув максимальной протяженности около 27 000 лет назад, формируя топографию и дренаж Британских островов.
  • Гренландский ледяной щит:] Постоянно просуществовал в течение последнего ледникового периода, хотя его толщина и протяженность варьировались с климатическими изменениями. Он остается сегодня крупнейшим ледяным щитом за пределами Антарктиды, служа критическим показателем для исследований изменения климата.
  • Альпийские и горные ледники: Хотя они не континентальные по масштабам, ледники долины в горных регионах, таких как Гималаи, Альпы и Новая Зеландия, значительно расширились, образовав обширные ледяные поля и резко изменив местные ландшафты.

Время и хронология роста и упадка ледяного покрова

Последний ледниковый период подразделяется на несколько этапов, каждый из которых отмечен достижениями и отступлениями ледниковых щитов.Вслед за теплым эмийским межледниковым периодом примерно 130 000 — 115 000 лет назад глобальные температуры начали снижаться и ледниковые щиты начали восстанавливаться.Первые фазы накопления льда были постепенными, но около 70 000 лет назад по всей Северной Америке и Скандинавии образовались значительные ледяные массы.

Значительное ледниковое продвижение произошло на 4-й стадии (MIS 4) , примерно 70 000-60 000 лет назад, за которой последовало частичное отступление в более мягкой MIS 3 . Наибольшая протяженность и толщина ледяных щитов, однако, были достигнуты во время MIS 2 , охватывая последний ледниковый максимум примерно с 26 500 до 19 000 лет назад.

Оледенение началось около 19 000 лет назад, вызванное увеличением летней инсоляции в Северном полушарии. Это отступление не было ни однородным, ни устойчивым; в некоторых регионах наблюдалось быстрое коллапс льда, в то время как другие испытывали более медленное таяние. Одно из самых драматических событий талой воды, пульс 1A мельтвёрды, произошло около 14 500 лет назад, в результате чего уровень моря поднялся примерно на 20 метров всего за 500 лет. Этот быстрый рост, вероятно, был результатом комбинированного таяния ледяного покрова Лорантида и Антарктики.

К началу голоценовой эпохи около 11 700 лет назад ледяные щиты Лорантида и Скандинавии в значительной степени исчезли, оставив только ледяные щиты Гренландии и Антарктики в качестве основных остаточных ледниковых масс.Этот переход ознаменовал начало нынешнего межледникового климата.

Для подробного графика и карты ледяного покрова в течение последнего ледникового максимума, Кембриджский университет предоставляет всесторонние ресурсы:

Оригинальное название: What Ice Sheets Left Behind

Ледниковая эрозия и депозиционные формы суши

Наступление и отступление ледяных щитов плейстоцена вылепили некоторые из самых знаковых ландшафтов Земли. Ледниковая эрозия вырезала характерные U-образные долины , глубокие фьорды, цирки и висячие долины, которые резко контрастируют с V-образными долинами, образованными реками. Например, Лаврентийский ледяной щит широко прочесывал Канадский щит, обнажая древнюю докембрийскую породу и создавая бассейн Великих озер - продукт как эрозионного углубления, так и ледникового осаждения.

Морейны — хребты несортированного ледникового мусора — отмечают бывшие ледовые поля, в то время как барабанные перемычки (обтекаемые холмы) и эскеры (тонкие хребты осадочных пород, осаждаемых подледниковыми потоками) раскрывают подледниковую гидрологию и направления потока. Терминал Морейн на Лонг-Айленде является классическим примером, отмечая самую южную степень Лаврентийского ледяного щита во время LGM.

Изменения уровня моря и изостатическая адаптация

В разгар последнего ледникового периода глобальный уровень моря упал примерно на 120-130 метров из-за секвестрации воды в ледяных щитах. Огромный вес этих ледяных масс подавил земную кору на несколько сотен метров, процесс, известный как ледниковый изостаз. Когда ледник растаял, кора начала отскакивать — явление, называемое ледниковой изостатической регулировкой .

Этот отскок продолжается и сегодня в ранее оледеневших регионах, таких как Канада и Скандинавия, при этом темпы поднятия суши достигают 10 мм в год. И наоборот, в районах, периферийных к ледяным щитам, наблюдается оседание, вызванное эффектом выпуклости, который представляет собой восходящую гибкость коры за пределами ледяной нагрузки. Эти движения коры влияют на современные измерения уровня моря, поток грунтовых вод и сейсмическую активность.

Обсуждение Ice Core Paleoclimate Records

Ледяные керны, извлеченные из Гренландии и Антарктиды, обеспечивают некоторые из наиболее подробных и непрерывных доступных климатических записей, предлагая понимание состава атмосферы, температуры и условий окружающей среды за последний ледниковый цикл. Записи высокого разрешения, такие как записи из GISP2 (Гренландия) и Восток (Антарктика)], показывают быстрые климатические колебания, известные как события Дансгаарда-Оехгера и события Генриха.

Эти резкие изменения климата связаны с нестабильностью ледяного покрова и массовыми выбросами айсбергов в океаны, которые нарушили циркуляцию термохалинов и глобальные климатические модели. Данные ледяного ядра также отслеживают концентрации парниковых газов, уровень пыли и вулканическую активность, предоставляя многогранный взгляд на факторы, влияющие на ледниково-межледниковые циклы.

Для дальнейшего изучения исследований ледяного керна страница NOAA предлагает обширные ресурсы: NOAA исследования ледяного керна и данные .

Сравнение с сегодняшними ледяными щитами

Последний ледниковый период служит критическим аналогом для понимания поведения оставшихся ледниковых щитов сегодня — Гренландии и Антарктиды — в контексте продолжающегося изменения климата. Хотя эти современные ледяные щиты вряд ли полностью исчезнут в течение следующих столетий, в настоящее время они теряют массу ускоряющимися темпами, способствуя глобальному повышению уровня моря.

Ледяной щит Гренландии, покрывающий примерно ту же область, что и скандинавский ледяной щит, в настоящее время переживает беспрецедентное таяние поверхности на больших участках своего пространства, особенно в теплое лето. Аналогично, ледяной щит Западной Антарктики, большая часть которого лежит на скале ниже уровня моря, считается очень уязвимым для быстрого коллапса в результате таких процессов, как нестабильность морского ледяного щита. Эта потенциальная нестабильность отражает события, выведенные во время последнего оледенения.

Изучение формирования, динамики и разрушения ледниковых щитов в течение последних ледниковых циклов дает ценные уроки для прогнозирования будущих траекторий этих критических компонентов климатической системы Земли, подчеркивая актуальность мониторинга и смягчения антропогенных воздействий на климат.