氷河期
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更新世氷河期極大期における地球の想像図

氷河期とは、地球の表面温度と大気温度の低下により、大陸氷床、極地氷床、そして高山氷河が出現または拡大する期間を指す用語です。この用語は、非常に長く比較的短い寒冷期を指す様々な意味で用いられます。寒冷期は氷河期または氷河期と呼ばれ、温暖期は間氷期と呼ばれます。

地球の気候は、惑星上に氷河があるかどうかに基づいて氷室期と温室期を交互に繰り返しており、地球の歴史のほとんどでは永久氷がほとんどまたは全くない温室期でした。非常に長い期間で見ると、地球は現在、3400万年前に始まった後期新生代氷河期と呼ばれる氷室期にあります。この氷河期にはより寒い時期とより暖かい時期があり、この用語は258万年前に始まった第四紀氷河期にも適用されます。この期間中、最終間氷期は115,000年前に終了し、その後最終氷期（LGP）が続き、11,700年前に始まった現在の温暖な完新世に取って代わられました。LGPの最も厳しい寒さの時期は最終氷期極大期で、26,000年前から20,000年前に極大に達しました。最も最近の氷河期は、12,800年から11,700年前の ヤンガードリアス氷河期でした。

研究の歴史

1742年、ジュネーヴに住む技術者で地理学者のピエール・マルテル（1706–1767）は、サヴォワアルプスのシャモニー渓谷を訪れた。[ 1 ] [ 2 ] 2年後、彼は旅の記録を出版した。彼によると、その渓谷の住民は漂礫が分散したのは氷河によるもので、かつては氷河がもっと遠くまで広がっていたと述べている。[ 3 ] [ 4 ]後にアルプスの他の地域からも同様の説明が報告された。1815年、大工でシャモア猟師のジャン＝ピエール・ペローダン（1767–1858）は、スイスのヴァレー州バーニュ渓谷の漂礫は、かつてもっと遠くまで広がっていた氷河によるものだと説明した。[ 5 ]ベルナーオーバーラントのマイリンゲン出身の無名の樵夫が、1834年にスイス系ドイツ人の地質学者ジャン・ド・シャルパンティエ（1786–1855）との議論の中で同様の考えを主張した。 [ 6 ]同様の説明は、ヴァレー州のヴァル・ド・フェレットやスイス西部​​のゼーラントでも知られており[ 7 ]また、ゲーテの科学的著作にも見られる。[ 8 ]このような説明は世界の他の地域でも見られる。バイエルンの博物学者エルンスト・フォン・ビブラ（1806–1878）が1849年から1850年にチリのアンデス山脈を訪れた際、現地の人々は化石モレーンをかつての氷河の作用によるものとした。[ 9 ]

一方、ヨーロッパの学者たちは、漂石の拡散の原因は何なのか疑問に思い始めていた。18世紀半ばから、氷を輸送手段として議論する者も現れた。スウェーデンの鉱山専門家ダニエル・ティラス（1712-1772）は1742年、スカンジナビア半島とバルト海地域に漂石が存在する原因は海氷の漂流にあると初めて提唱した。[ 10 ] 1795年、スコットランドの哲学者で博物学者のジェームズ・ハットン（1726-1797）は、アルプス山脈の漂石は氷河の作用によるものだと説明した。[ 11 ] 20年後の1818年、スウェーデンの植物学者ヨーラン・ヴァーレンベルグ（1780-1851）は、スカンジナビア半島の氷河作用に関する自身の理論を発表した。彼は氷河作用を地域的な現象とみなした。[ 12 ]

ハウカリヴァトネット湖（海抜50メートル、164フィート）では、1823年にイェンス・エスマルクが高山の既存の氷河近くのモレーンとの類似点を発見した。

わずか数年後、デンマーク系ノルウェー人の地質学者イェンス・エスマルク（1762-1839）は、世界各地に氷河期が連続して存在したと主張した。1824年に発表された論文で、エスマルクは気候変動がこれらの氷河期の原因であると提唱し、地球の軌道の変化に起因することを示そうとした。[ 13 ]エスマルクは、ローガラン県の海抜ゼロメートル地帯にあるハウカリヴァトネット湖付近のモレーンと、ヨステダール氷河の支流にあるモレーンの類似性を発見した。エスマルクの発見は、後にテオドール・キェルルフとルイ・アガシーに帰属、あるいは流用された。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]

その後数年間、エスマルクの考えはスウェーデン、スコットランド、ドイツの科学者によって議論され、部分的には採用された。エディンバラ大学のロバート・ジェイムソン（1774-1854）は、ノルウェーの氷河学教授ビョルン・G・アンダーセン（1992）の調査によると、エスマルクの考えに比較的オープンだったようだ。 [ 17 ]ジェイムソンのスコットランドの古代の氷河に関する発言は、おそらくエスマルクの影響を受けたものと思われる。[ 18 ]ドイツでは、ドライシガッカー（現在は南テューリンゲン州の都市マイニンゲンに統合）のアカデミーの地質学者で林業教授のアルブレヒト・ラインハルト・ベルンハルディ（1797-1849）がエスマルクの理論を採用した。1832年に発表された論文で、ベルンハルディは、かつて極地の氷床が地球の温帯にまで達していたと推測した。[ 19 ]

スイスアルプスの谷、ヴァル・ド・バニュでは、谷はかつて深い氷に覆われていたという地元の信念が長く続いており、1815年に地元のシャモア猟師ジャン・ピエール・ペローダンが、岩の深い縞模様と巨大な迷子石を証拠として挙げ、地質学者ジャン・ド・シャルパンティエをこの考えに改めさせようとした。シャルパンティエは、これらの兆候は大規模な洪水によって引き起こされたというのが一般的な見解であり、ペローダンの理論はばかげているとして退けた。1818年、技師のイグナッツ・ヴェネツがペローダンとシャルパンティエに加わり、1815年のタンボラ山の噴火でできた氷のダムによって谷の上にある氷河前縁湖を調査した。ダムが決壊すると壊滅的な洪水を引き起こす恐れがあった。ペローダンは仲間を自分の理論に改宗させようとしたが失敗に終わった。しかし、ダムが決壊した際には、軽微な漂礫しか見られず、条線は見られなかった。ヴェネッツはペローダンの言う通りであり、氷だけがこのような大きな結果を引き起こしたと結論づけた。1821年、彼はこの理論に関する論文を発表し、スイス協会で受賞したが、1834年に同じく改宗していたシャルパンティエが自身の論文と共に発表し、より広く読まれた。[ 20 ]

その頃、ドイツの植物学者カール・フリードリヒ・シンパー（1803–1867）は、バイエルン高原の迷子岩に生えるコケを研究していました。彼は、このような大量の岩石がどこから来たのか疑問に思い始めました。1835年の夏、彼はバイエルンアルプスへの遠足を行いました。シンパーは、アルプス高原の迷子岩を運ぶ手段は氷だったに違いないという結論に達しました。1835年から1836年の冬、彼はミュンヘンで講演を行いました。そして、寒冷な気候と凍った水を伴う地球規模の消滅期（「Verödungszeiten」）があったに違いないと考えました。[ 21 ]シンパーは1836年の夏、スイスアルプスのベー近郊のデヴァンスで、大学時代の友人ルイ・アガシー（1801–1873）とジャン・ド・シャルパンティエと共に過ごした。シンパー、シャルパンティエ、そしておそらくヴェネツも、アガシーに氷河期があったことを納得させた。1836年から1837年の冬、アガシーとシンパーは一連の氷河期の理論を展開した。彼らは主にヴェネツとシャルパンティエの先行研究と、自らのフィールドワークを参考にした。アガシーは当時すでにベルナルディの論文を知っていたようである。[ 22 ] 1837年初頭、シンパーは氷河期を指す「氷河期」（ Eiszeit ）という用語を造語した。 [ 23 ] 1837年7月、アガシーはヌーシャテルで開催されたスイス自然科学協会の年次総会で、この統合理論を発表しました。聴衆は非常に批判的で、気候史に関する定説に反するとして、この新理論に反対する者もいました。当時の科学者の多くは、地球は溶融球として誕生して以来、徐々に冷えてきたと考えていました。[ 24 ]

懐疑論者を説得するため、アガシーは地質学のフィールドワークに乗り出し、 1840年に『氷河の研究』（Études sur les glaciers）を出版した。 [ 25 ]シャルパンティエはこれに憤慨した。彼自身もアルプスの氷河作用に関する著書を執筆中だったからだ。シャルパンティエは、アガシーに氷河の詳細な研究を紹介したのは自分なのだから、アガシーは彼に優先権を与えるべきだったと感じていた。[ 26 ]また、個人的な確執の結果、アガシーは著書の中でシンパーについて一切触れていなかった。[ 27 ]

氷河期説が科学者に完全に受け入れられるまでには数十年を要した。これは1870年代後半に国際的な規模で起こり、ジェームズ・クロールの研究、特に1875年の『気候と時間、その地質学的関係』の出版によって氷河期の原因について信憑性のある説明が提示された。[ 28 ]

証拠

氷河期の証拠には、地質学的、化学的、古生物学的な 3 つの主な種類があります。

氷河期の地質学的証拠は、岩石の削り取りや削り跡、氷河モレーン、ドラムリン、谷の削り跡、漂礫土や氷河迷子石の堆積など、様々な形で現れます。氷河期が繰り返されると、以前の氷河期の地質学的証拠は歪められ、消失してしまう傾向があり、解釈を困難にしています。さらに、この証拠の正確な年代測定は困難でした。初期の理論では、氷河期は長い間氷期に比べて短いと想定されていました。堆積物と氷床コアの出現により、氷河期は長く、間氷期は短いという真実が明らかになりました。現在の理論が確立されるまでには、ある程度の時間がかかりました。

化学的証拠は主に、堆積物や堆積岩、海洋堆積物コアに含まれる化石中の同位体比の変動から成ります。最新の氷河期については、氷床コアが気候プロキシを提供します。これは、氷自体と、氷に含まれる気泡から得られる大気サンプルの両方から得られます。軽い同位体を含む水は蒸発熱が低いため、温暖化に伴いその割合は減少します。[ 29 ]これにより、気温記録を構築することができます。しかしながら、この証拠は同位体比によって記録される他の要因によって混乱する可能性があります。

古生物学的証拠は、化石の地理的分布の変化から成ります。氷河期には、寒冷に適応した生物が低緯度地域に広がり、温暖な環境を好む生物は絶滅するか低緯度地域に後退します。この証拠は、以下の条件を満たす必要があるため、解釈が困難です。

  1. 長期間にわたり、広範囲の緯度にわたっており、相関関係が容易にわかる堆積物の層序。
  2. 数百万年もの間変化なく生き残り、その温度嗜好が容易に診断できる古代の生物。
  3. 関連する化石の発見。

困難にもかかわらず、氷床コアと海洋堆積物コア[ 30 ]の分析は、過去数百万年間の氷期と間氷期の信頼できる記録を提供してきました。これらの記録はまた、氷河モレーン、ドラムリン、氷河迷子石といった大陸地殻現象と氷河期との関連性を裏付けています。したがって、大陸地殻現象は、氷床コアと海洋堆積物コアが利用可能な時期よりもはるかに古い地層で発見された場合、以前の氷河期の優れた証拠として受け入れられています。

主要な氷河期

氷河期のタイムライン（青で表示）

地球の歴史には、少なくとも5つの主要な氷河期（ヒューロニアン氷河期、クライオジェニアン氷河期、アンデス・サハラ氷河期、後期古生代氷河期、そして最新第四紀氷河期）がありました。これらの氷河期以外では、地球は高緯度地域でも氷がなかったと考えられてきました。[ 31 ] [ 32 ]このような期間は温室効果期として知られています。[ 33 ]しかし、他の研究ではこれに異論があり、温室効果期であっても高緯度地域で時折氷河期があったという証拠が見つかっています。[ 34 ] [ 35 ]

北ドイツとその北隣国における氷河期の地図。赤：ヴァイクゼール氷河期の限界、黄：ザーレ氷河期最大期（ドレンテ期）、青：エルスター氷河期最大期。

ヒューロニアン氷河期と呼ばれる最も古い氷河期の岩石は、約24～21億年前の原生代初期に遡る年代測定がされている。ヒューロニアン累層群の数百キロメートルは、ヒューロン湖北岸の北10～100キロメートル（6～62マイル）の範囲に露出しており、スーセントマリー付近からヒューロン湖北東のサドベリーにかけて広がっており、現在では石化したティルベッド、ドロップストーン、バーブ、アウトウォッシュ、および洗掘された基盤岩の巨大な層が含まれている。相関するヒューロニアン堆積物はミシガン州マルケット付近で発見されており、西オーストラリアの古原生代氷河堆積物との相関関係が示されている。ヒューロニアン氷河期は、大酸化イベント中に温室効果ガスである大気中のメタンが消失したことによって引き起こされた。[ 36 ]

次に記録に残る氷河期は、7億2000万年前から6億3000万年前（クライオジェニアン期）に起こり、おそらく過去10億年間で最も厳しい氷河期であった。この氷河期には、氷床が赤道まで達するスノーボールアースが形成された可能性があるが、 [ 37 ]火山活動によって排出されるCO2などの温室効果ガスの蓄積によって終焉を迎えた可能性がある。「大陸の氷と海洋の流氷の存在は、現在CO2の2大吸収源であるケイ酸塩の風化と光合成の両方を阻害するだろう。」[ 38 ]この氷河期の終焉が、その後のエディアカラ紀とカンブリア紀の爆発を引き起こしたという説もあるが、このモデルは最近のものであり、議論の余地がある。

アンデス・サハラ砂漠は、 4億6000万年から4億2000万年前、後期オルドビス紀からシルル紀にかけて形成されました。

過去数百万年間の氷河期と間氷期の変動を示す堆積物記録

デボン紀初頭の陸上植物の進化は、地球上の酸素濃度の長期的な上昇と二酸化炭素濃度の低下を引き起こし、古生代後期の氷河期をもたらしました。その旧称であるカルー氷河期は、南アフリカのカルー地方で発見された氷河堆積物にちなんで名付けられました。南アフリカでは、石炭紀からペルム紀初期にかけて、3億6000万年前から2億6000万年前にかけて、広大な極地氷床が存在していました。類似の氷床は、同じく古代超大陸ゴンドワナ大陸の中心に位置するアルゼンチンにも存在することが知られています。

中生代は温室気候が持続し、以前は氷河期は全くなかったと考えられていましたが、近年の研究では、白亜紀前期に両半球で短期間の氷河期があったことが示唆されています。地質学的および古気候学的記録は、白亜紀前期のヴァランギニアン期、オーテリビアン期、アプチアン期に氷河期が存在したことを示唆しています。氷河に運ばれた氷河ドロップストーンは、北半球においてオーテリビアン期とアプチアン期に氷床が南はイベリア半島まで広がっていた可能性があることを示唆しています。[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]残りの期間、氷床は地球上からほぼ消滅しましたが（顕生代で最も温暖な時期であるチューロニアン期からの報告の可能性は議論の余地があります）、[ 34 ] [ 35 ]氷床とそれに伴う海氷は、白亜紀-古第三紀絶滅イベントの直前のマーストリヒチアン期の終わり頃に南極大陸に短期間戻ってきたようです。[ 35 ] [ 42 ]

第四紀氷河期は約258万年前、第四紀の初めに北半球で氷床の拡大が始まったときに始まりました。それ以来、世界では氷河期のサイクルが繰り返され、氷床は4万年と10万年のスケールで前進と後退を繰り返してきました。これらは氷河期、氷期または氷河前進、間氷期、間氷期または氷河後退と呼ばれます。地球は現在間氷期にあり、最後の氷河期は約1万1700年前に終了しました。大陸氷床で残っているのは、グリーンランドと南極の氷床、そしてバフィン島などの小さな氷河だけです。

第四紀が258万年前から始まるという定義は、北極氷床の形成に基づいています。南極氷床はそれより古く、約3400万年前、新生代中期（始新世-漸新世境界）に形成され始めました。後期新生代氷河期という用語は、この初期の段階を含むものとして用いられます。[ 43 ]

氷河期は場所と時期によってさらに細分化されます。例えば、リス（18万～13万年前）とヴュルム（7万～1万年前）は、アルプス地方の氷河期に特化しています。氷河の最大面積は、氷河期の全期間にわたって維持されるわけではありません。各氷河期の削り取り作用により、後続の氷床が完全に覆われていない地域を除き、以前の氷床の痕跡のほとんどがほぼ完全に除去される傾向があります。

氷河期と間氷期

最近の氷河期と間氷期に関連する気温と氷量の変化のパターン
最小氷河期と最大氷河期
北半球の最小氷河期（間氷期、黒）と最大氷河期（氷期、灰色）
南半球の最小氷河期（間氷期、黒）と最大氷河期（氷期、灰色）

現在の氷河期には、より温暖な時期とより厳しい時期がありました。より寒冷な時期は氷河期、より温暖な時期は間氷期と呼ばれ、例えばエミアン期などが挙げられます。[ 44 ]過去の氷河期にも、アンデス・サハラ氷河期[ 45 ]や後期古生代氷河期など、同様の氷河サイクルが存在したという証拠があります。後期古生代氷河期の氷河サイクルは、サイクロセムの堆積に関与していると考えられます。[ 46 ]

氷河期は、地球の大部分でより寒冷で乾燥した気候となり、両極から外側へ広大な陸氷と海氷が広がることを特徴とします。氷河のない地域でも、山岳氷河は雪線が低いため、より低い標高まで広がります。海面は、氷冠から海面上の大量の水が除去されるため低下します。氷河作用によって海洋循環パターンが乱れるという証拠があります。氷河期と間氷期は、ミランコビッチサイクル（地球の軌道と自転軸の傾きの周期的な変化）による気候の軌道強制力の変化と一致しています。

地球は約11,700年間、完新世として知られる間氷期にありました[ 47 ]。 2004年のネイチャー誌の記事では、この間氷期は28,000年間続いた過去の間氷期に最も類似している可能性があると主張されています[ 48 ]。軌道力の予測変化は、次の氷期が少なくとも今から50,000年後に始まることを示唆しています。さらに、温室効果ガスの増加による人為的強制力は、今後数十万年間、ミランコビッチサイクルの軌道力を上回る可能性があると推定されています[ 49 ] 。 [ 50 ]。[ 51 ]

フィードバックプロセス

各氷河期は、氷河期をより深刻にする正のフィードバック機構と、様々な種類の強制力に対する全体的な気候応答を弱める負のフィードバック機構の影響を受ける。第四紀氷河期の場合、氷床と大気中の塵による地球の高いアルベドと、大気中のCO2濃度の低さが、寒冷な氷河期気候に寄与した。[ 52 ]

第四紀の気候と気温、一般化ミランコビッチ理論（GMT）を大気中のCO2と氷床に結び付ける主要な気候-炭素循環フィードバックの図。 [ 53 ]正のフィードバックは環境変化を増幅し、負のフィードバックは環境変化を抑制し、遅い反応は破線の矢印で示されている。

ポジティブ

重要なフィードバックの一つは地球のアルベド、つまり太陽エネルギーが地球に吸収されるのではなく反射される量です。氷と雪は地球のアルベドを増加させ、森林はアルベドを減少させます。気温が低下すると、氷原と雪原が拡大し、森林被覆が減少します。この現象は、負のフィードバック機構との競合によってシステムが均衡状態に達するまで続きます。

ある説によると、氷河が形成される際には、2つのことが起こる。1つは氷が岩石を粉砕し、もう1つは陸地が乾燥して不毛になるというものだ。これにより、風が鉄分を豊富に含む塵を外洋に運び、それが肥料となって大量の藻類ブルームを引き起こし、大気中から大量の二酸化炭素を吸収する。その結果、気温はさらに下がり、氷河の成長が促進される。[ 54 ]

1956年、ユーイングとドン[ 55 ]は、北極海の氷がなくなると高緯度での降雪が増加するという仮説を立てた。低温の氷が北極海を覆うと、蒸発や昇華はほとんど起こらず、極地の降雪量は中緯度の砂漠と同程度と非常に乾燥している。この降水量が少ないため、高緯度の降雪は夏の間に溶ける。北極海の氷がなくなると、夏の長い日中に太陽放射を吸収し、北極の大気中により多くの水が蒸発する。降水量が増えると、この雪の一部は夏の間に溶けず、より低高度でより南の緯度で氷河氷が形成され、前述のようにアルベドの増加によって陸上の気温が下がる。さらに、この仮説では、海洋の流氷がなくなることで北極海と北大西洋の間の水交換が増加し、北極海が温暖化し、北大西洋が冷却される。 （現在予測されている地球温暖化の影響には、2050年までに北極海の氷が一時的になくなる期間が含まれる。）温暖化サイクル中に北大西洋に流入する淡水の増加も、世界の海洋水循環を低下させる可能性がある。このような減少（メキシコ湾流の影響を減少させることによる）は北ヨーロッパに冷却効果をもたらし、今度は夏季の低緯度地域の積雪増加につながるだろう。[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]また、広範囲の氷河期には、氷河がセントローレンス湾を移動し、北大西洋まで広がり、メキシコ湾流を遮断する 可能性があることも示唆されている。

ネガティブ

氷河期に形成される氷床は、その下の陸地を侵食します。これにより海面上の陸地面積が減少し、氷床が形成できる空間が減少する可能性があります。これはアルベドフィードバックを緩和するだけでなく、外洋は陸地よりもアルベドが低いため、氷床面積の減少に伴う海面上昇も緩和します。[ 59 ]

もう一つの負のフィードバック機構は、氷河期最大期に起こる乾燥化の増加であり、これにより氷河を維持するための降水量が減少する。このプロセスや他のプロセスによって引き起こされる氷河後退は、氷河前進の場合と同様の逆の正のフィードバックによって増幅される可能性がある。 [ 60 ]

Nature Geoscienceに掲載された研究によると、人間による二酸化炭素（CO2 ）の排出は、次の氷河期を遅らせる可能性がある。研究者たちは地球の軌道データを用いて、現在の氷河期に最も類似した歴史的な温暖な間氷期を特定し、そこから次の氷河期は通常1500年以内に始まると予測した。さらに、排出量があまりにも多すぎるため、次の氷河期は来ないと予測している。[ 61 ]

原因

氷河期の原因は、大規模な氷河期についても、氷河期内の小規模な盛衰である氷期・間氷期についても、完全には解明されていない。いくつかの要因が重要であるという点で一致している。二酸化炭素やメタンの濃度などの大気組成（前述のガスの具体的なレベルは、南極のヨーロッパ氷床コア掘削プロジェクト（EPICA）ドームCで過去80万年間に採取された新しい氷床コアサンプルで確認できる）、ミランコビッチサイクルとして知られる太陽の周りの地球の軌道の変化、地殻の相対的な位置と量の変化をもたらし、風や海流に影響を与えるプレート運動、太陽出力の変動、地球-月系の軌道力学、比較的大きな隕石の影響、超巨大火山の噴火を含む火山活動などである。[ 62 ]

これらの要因の中には、互いに影響を及ぼし合うものもあります。例えば、地球の大気組成の変化（特に温室効果ガスの濃度）は気候を変化させる可能性がありますが、気候変動自体も大気組成を変化させる可能性があります（例えば、風化によるCO2除去速度の変化など）。

モーリーン・レイモ、ウィリアム・ラディマンらは、チベット高原とコロラド高原が巨大な二酸化炭素「スクラバー」であり、地球の大気から十分な量の二酸化炭素を除去する能力を有し、4000万年にわたる新生代寒冷化傾向の重要な原因であると主張している。さらに彼らは、これらの高原の隆起（および二酸化炭素「スクラビング」能力）の約半分が過去1000万年間に発生したと主張している。[ 63 ] [ 64 ]

地球の大気の変化

温室効果ガスのレベルは氷河期の始まりに低下し、氷床の後退期に上昇したという証拠はあるものの、因果関係を明らかにすることは困難です（風化の役割については上記の注記を参照）。温室効果ガスのレベルは、大陸の移動や火山活動など、氷河期の原因として提唱されている他の要因の影響も受けている可能性があります。

スノーボール・アース仮説は、原生代後期の深刻な凍結は、主に火山活動による大気中の二酸化炭素濃度の上昇によって終焉を迎えたと主張している。スノーボール・アースの支持者の中には、そもそも大気中の二酸化炭素濃度の減少がスノーボール・アースの起源であると主張する者もいる。この仮説はまた、将来のスノーボール・アースの到来を警告している。

2009年には、太陽放射量の変化が氷河期後の地球温暖化の最初の引き金となり、温室効果ガスの増加などの二次的な要因が変化の規模を説明するというさらなる証拠が提示されました。[ 65 ]

大陸の位置

地質学的記録によると、氷河期は大陸の位置によって赤道から両極への温水の流れが遮断または減少し、氷床が形成されるときに始まるようです。氷床は地球の反射率を高め、太陽放射の吸収を減少させます。吸収される放射が減少すると大気は冷え、その冷却によって氷床が成長し、さらに反射率が高まるという正のフィードバックループが起こります。氷河期は、風化の減少によって温室効果が増加するまで続きます。

大陸の配置による極地への暖かい水の移動を妨げる主な要因は3つあります。[ 66 ]

現在の地球には南極の上に大陸があり、北極の上にはほぼ陸地に囲まれた海があるため、地質学者は地質学的に近い将来に地球は氷河期を経験し続けるだろうと考えています。

一部の科学者は、ヒマラヤ山脈が現在の氷河期の主要因であると考えている。なぜなら、これらの山脈は地球の総降水量を増加させ、それによって大気中から二酸化炭素が洗い流される速度を増加させ、温室効果を減少させているからである。[ 64 ]ヒマラヤ山脈の形成は、インド・オーストラリアプレートがユーラシアプレートと衝突した約7000万年前に始まり、インド・オーストラリアプレートは現在も年間67 mmの速度で移動しているため、ヒマラヤ山脈は現在も年間約5 mmの速度で隆起し続けている。ヒマラヤ山脈の歴史は、4000万年前の中期始新世以来の地球の平均気温の長期的な低下とほぼ一致している。

海流の変動

古代の気候レジームに大きく寄与したもう一つの要因は、海流の変動である。海流は大陸の位置、海面、塩分濃度、その他の要因によって変化する。海流には冷却作用（例えば、南極の氷の形成を助ける）と加温作用（例えば、イギリス諸島に北半球気候ではなく温帯気候をもたらす）がある。約300万年前にパナマ地峡が閉鎖されたことで、熱帯大西洋と太平洋の間の水の移動が停止し、北米における現在の強力な氷河期が始まったと考えられる。[ 67 ]

分析によると、海流の変動は近年の氷河振動を十分に説明できる可能性がある。最終氷河期には、主に北半球の氷床に水が隔離されたため、海面は20～30メートル（66～98フィート）変動した。氷が集まり海面が十分に低下すると、ベーリング海峡（シベリアとアラスカの間の狭い海峡で、現在の深さは約50メートル（165フィート））の流れが減少し、北大西洋からの流入量が増加した。これにより大西洋の熱塩循環が再編され、北極への熱輸送量が増加した。その結果、極地の氷床が融解し、他の大陸の氷床が減少した。水の放出により海面が再び上昇し、太平洋からの冷たい水の流入が回復し、それに伴い北半球の氷床への移動が進んだ。[ 68 ]

2021年にネイチャー誌に掲載された研究によると、過去150万年間の氷河期におけるすべての氷河期は、南極の氷山の融解が北上したことと関連しており、それが海洋循環パターンの変化を招き、大気中からより多くの二酸化炭素が吸収されることにつながったという。著者らは、南極海が温暖化しすぎて氷山がこれらの変化を引き起こすほどの距離を移動できなくなるため、このプロセスは将来的に中断される可能性があると示唆している。[ 69 ] [ 70 ]

チベット高原の隆起

マティアス・クーレの氷河期発達に関する地質学理論は、氷河期（最終氷期極大期？）にチベット高原を覆っていた氷床の存在を示唆するものでした。クーレによれば、チベットがプレートテクトニクスによって雪線を越えて隆起したことにより、約240万平方キロメートル（93万平方マイル）の面積が裸地からアルベドが70%も高い氷河へと変化しました。このエネルギーが宇宙に反射されたことで地球全体が寒冷化し、更新世氷河期が引き起こされました。この高地は亜熱帯緯度に位置し、日射量は高緯度地域の4～5倍であるため、地球上で最も熱を帯びる表面が冷却面へと変化したのです。

クーレは、間氷期を地球の軌道変動による10万年周期の放射変化によって説明している。この比較的わずかな温暖化と、積もった氷の重みによる北欧内陸氷域とチベットの氷床低下が相まって、内陸氷域の完全融解が繰り返されてきた。[ 71 ] [ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]

地球の軌道の変化

夏至の日に北緯65度における大気上端の日平均日射量の過去と未来

ミランコビッチ・サイクルとは、地球の太陽周回軌道の特性における周期的な変動の集合体です。各サイクルの長さは異なるため、ある時にはその影響が強め合い、またある時には（部分的に）打ち消し合います。

ミランコビッチ サイクルが氷河期における氷期と間氷期の発生に影響するという強力な証拠があります。現在の氷河期、特に過去 40 万年間は最も研究され、最もよく理解されています。これは、この期間が、大気の組成や気温と氷の量の代理指標を記録する氷床コアの対象となっているためです。この期間中、氷河期/間氷期の頻度とミランコビッチの軌道強制周期は非常によく一致しているため、軌道強制は一般的に受け入れられています。太陽までの距離の変化、地軸の歳差運動、地軸の傾きの変化による複合的な影響により、地球が受ける太陽光が再分配されます。特に重要なのは地軸の傾きの変化で、これは季節の激しさに影響します。たとえば、北緯 65 度での 7 月の太陽光の流入量は22 % も変化します (450 W/m 2から550 W/m 2まで)。夏が寒冷化しすぎて前冬の積雪が全て溶けなくなると、氷床が前進すると広く考えられています。軌道力の強さが氷河期を引き起こすには小さすぎると考える人もいますが、CO2などのフィードバック機構がこの不一致を説明できるかもしれません。

ミランコビッチの強制は、地球の軌道要素の周期的な変化が氷河期の記録に表れると予測するが、氷河期と間氷期のタイミングにおいてどの周期が最も重要であると観測されているかを説明するには追加の説明が必要である。特に、過去 80 万年間、氷河期と間氷期の振動の卓越した期間は 10 万年であり、これは地球の軌道離心率と軌道傾斜角の変化に対応している。しかし、これはミランコビッチが予測した 3 つの周波数の中でははるかに弱い。300 万～80 万年前の期間、氷河期の卓越したパターンは、地球の黄道傾斜角(軸の傾き) の変化の 41,000 年間に対応していた。ある周波数が別の周波数よりも卓越する理由はあまり解明されておらず、現在活発に研究されている分野だが、答えはおそらく地球の気候システムにおける何らかの形の共鳴に関係していると思われる。最近の研究では、南極の海氷の増加により太陽光反射率が上昇し、10万年周期が支配的になっていることが示唆されている。[ 75 ] [ 76 ]

「伝統的な」ミランコビッチの説明は、過去8周期における10万年周期の優勢性を説明するのに苦労している。リチャード・A・ミュラー、ゴードン・J・F・マクドナルド[ 77 ] [ 78 ] [ 79 ]らは、これらの計算は地球の2次元軌道に基づくものであるが、3次元軌道にも10万年周期の軌道傾斜角が存在することを指摘している。彼らは、地球が太陽系内の既知の塵の帯に出入りする際に、軌道傾斜角の変動が日射量の変動につながると提唱した。これは従来の見解とは異なるメカニズムであるが、過去40万年間の「予測」周期はほぼ同じである。一方、ミュラーとマクドナルドの理論は、ホセ・アントニオ・リアル[ 80 ]によって反論されている。

ウィリアム・ラディマンは、10万年周期を、離心率（弱い10万年周期）が歳差運動（2万6000年周期）に及ぼす変調効果と、4万1000年周期および2万6000年周期における温室効果ガスのフィードバックの組み合わせによって説明するモデルを提唱している。さらに別の理論をピーター・ホイバーズが提唱しており、4万1000年周期は常に支配的であったが、地球は2番目または3番目の周期のみが氷河期を引き起こす気候行動モードに入ったと主張した。これは、10万年周期性は実際には8万年と12万年の周期を平均化することで作り出された錯覚であることを意味する。[ 81 ]この理論は、ディディエ・パイヤールが提唱した単純な経験的多状態モデルと整合している。[ 82 ]パイヤールは、後期更新世の氷河サイクルは3つの準安定な気候状態間のジャンプとして捉えられると示唆している。このジャンプは軌道力によって引き起こされるが、前期更新世では41,000年の氷河サイクルはわずか2つの気候状態間のジャンプによって生じた。この挙動を説明する力学モデルはピーター・ディトレフセンによって提唱された。[ 83 ]これは、後期更新世の氷河サイクルは10万年周期の弱い離心率サイクルによるものではなく、主に41,000年周期の黄道黄道周期に対する非線形応答によるものであるという説を支持するものである。

太陽エネルギー出力の変動

太陽のエネルギー出力には少なくとも2種類の変動がある。[ 84 ]

  • 非常に長期的には、天体物理学者は太陽の出力が10億年ごとに約7％増加すると考えています。
  • 太陽黒点周期などの短期的な変動と、小氷期の最も寒い時期に発生したマウンダー極小期などの長期的変動です。

太陽の長期的な出力増加は氷河期の原因にはなり得ない。

火山活動

火山噴火は氷河期の始まりや終わりに寄与した可能性がある。古気候の時代には、二酸化炭素濃度が現在の2～3倍高かった時期もあった。火山と大陸プレートの動きが大気中の二酸化炭素濃度上昇に寄与した。火山からの二酸化炭素は、おそらく気温が全体的に最も高かった時期の一因となった。[ 85 ]暁新世-始新世温暖極大期の説明として提案されているのは、海底火山がクラスレートからメタンを放出し、その結果、温室効果が急激かつ大幅に増加したというものである。[ 86 ] 適切な時期にそのような噴火があったことを示す地質学的証拠はないようであるが、それが起こらなかったことの証明にはならない。

最近の氷河期と間氷期

最終氷河期における北半球の氷河作用。厚さ3～4キロメートルの氷床の形成により、海面は約120メートル低下した。

現在の地質時代である第四紀は約260万年前に始まり、現在まで続いています[ 87 ]。温暖期と寒冷期が繰り返され、約10万年間続く氷河期（第四紀氷河期）と呼ばれる寒冷期と、1万年から1万5千年間続く間氷期と呼ばれる温暖期が繰り返されます。最終氷河期の最後の寒冷期は約1万年前に終わりました[ 88 ] 。地球は現在、第四紀の間氷河期、すなわち完新世にあります。

北アメリカの氷河期

北米における現在の氷河期の主要な氷河期は、イリノイアン氷河期、エミアン氷河期、ウィスコンシン氷河期である。北米の氷河期をネブラスカ氷河期、アフトン氷河期、カンザス氷河期、ヤーマス氷河期に区分することは、第四紀の地質学者と地形学者によって廃止された。これらの氷河期はすべて、 1980年代に先イリノイアン氷河期に統合された。[ 89 ] [ 90 ] [ 91 ]

北米の最も最近の氷河期、最終氷期極大期（26,000年前から13,300年前）の後半には、氷床は北緯45度付近まで広がりました。これらの氷床の厚さは3～4キロメートル（1.9～2.5マイル）でした。[ 90 ]

現在の北米五大湖地域における氷河前縁湖の発達段階

このウィスコンシン氷河期は、北米の景観に広範囲にわたる影響を及ぼしました。五大湖とフィンガーレイクスは、氷河が古い谷を深く削り取ったものです。ミネソタ州とウィスコンシン州の湖のほとんどは氷河によって削り取られ、後に氷河の融解水で満たされました。かつてのティーズ川水系は根本的に変化し、オハイオ川水系へと大きく作り変えられました。他の河川は堰き止められ、ナイアガラの滝のように新しい水路へと流れを変えました。ナイアガラの滝は、水流が石灰岩の断崖にぶつかり、劇的な滝と渓谷を形成しました。ニューヨーク州シラキュース近郊の現在のクラーク保留地州立公園にある同様の滝も、現在は干上がっています。

ロングアイランドからマサチューセッツ州ナンタケット島に至る地域は氷河堆積物によって形成され、カナダ北部のカナダ楯状地帯に点在する湖の多さは、ほぼ完全に氷河の作用によるものです。氷河が後退し、岩石の塵が乾燥すると、風によって数百マイルも運ばれ、ミズーリ渓谷に数十フィートの厚さの黄土層が形成されました。氷河期後の隆起は、かつて氷床の重みに押しつぶされていた五大湖などの地域を今もなお形を変え続けています。

ドリフトレス地域はウィスコンシン州西部と南西部の一部、および隣接するミネソタ州、アイオワ州、イリノイ州の一部であり、氷河に覆われていませんでした。

氷河作用の影響

スカンジナビアには、フィヨルドや湖など、氷河期の氷河作用の典型的な影響がいくつか見られます。

最終氷河期は 8,000 年以上前に終了しましたが、その影響は今日でも感じられます。たとえば、移動する氷はカナダ (カナダ北極諸島を参照)、グリーンランド、ユーラシア北部、南極大陸の地形を刻み込みました。迷子石、ティル、ドラムリン、エスカー、フィヨルド、ケトル湖、モレーン、カール、ホーンなどは、氷河が残した典型的な地形です。氷床の重さは非常に大きく、地球の地殻とマントルを変形させました。氷床が溶けた後、氷で覆われた陸地はリバウンドしました。地球のマントルは粘性が高いため、リバウンドのプロセスを制御するマントルの岩石の流れは非常に遅く、現在、リバウンド地域の中心付近では約 1 cm/年の速度です。

氷河期には、高緯度で氷を形成するために海から水が奪われたため、世界の海面は約 110 メートル低下し、大陸棚が露出して、動物が移動できるように陸地の間に陸橋が形成されました。氷河期終了後は、溶けた氷水が海に戻り、海面上昇を引き起こしました。このプロセスにより、海岸線や水和システムが突然変化し、新たに水没した陸地や、陸地が出現し、氷のダムが崩壊して湖が塩分で塩分化し、新しい氷のダムによって広大な淡水域が形成され、大規模だが一時的な地域的な気象パターンの一般的な変化が生じる可能性があります。一時的な再氷河期を引き起こすことさえあります。急速に変化する陸地、氷、塩水、淡水のこのタイプの混沌とし​​たパターンは、最終氷期極大期の終わりのバルト海、スカンジナビア半島、および北アメリカ中央部の大部分のモデルである可能性が高いと提案されており、現在の海岸線は先史時代の最後の数千年でのみ実現されました。また、スカンジナビア半島の標高の影響により、現在の北海の大部分の下に存在していた広大な大陸平野が水没し、イギリス諸島とヨーロッパ大陸を結んでいた。[ 92 ]

地球表面の氷水の再分布とマントル岩石の流動は、重力場の変化と地球の慣性モーメントの分布の変化を引き起こします。これらの慣性モーメントの変化は、地球の自転の角速度、軸、そして揺れの変化をもたらします。

再分配された表層質量の重量はリソスフェアに負荷をかけ、リソスフェアを撓ませ、地球内部に応力を誘発した。氷河の存在は、一般的にその下の断層の動きを抑制した。[ 93 ] [ 94 ] [ 95 ]氷河後退期には、断層の滑りが加速し、地震を誘発する。氷縁付近で誘発された地震は、氷の分離を加速させ、ハインリッヒ・イベントの原因となる可能性がある。[ 96 ]氷縁付近で氷が除去されるほど、プレート内地震が誘発され、この正のフィードバックが氷床の急速な崩壊を説明する可能性がある。

ヨーロッパでは、氷河の浸食と氷の重みによる静水圧沈下によってバルト海が形成されましたが、氷河期以前はこの海域はすべてエリダノス川によって排水された陸地でした。

将来の氷河期

過去の推定では間氷期は約1万年とされていたため、1970年代には次の氷河期が差し迫っているのではないかという懸念がありました。[ 97 ]人間の影響により、すでに異常に長い温暖期がさらに延長される可能性があると現在では見られています。[ 98 ] [ 99 ]氷河期は約10万年の周期で繰り返されますが、人間の二酸化炭素排出によって次の氷河期は回避される可能性があります。[ 50 ]カーディフ大学のスティーブン・バーカー氏によると、人間の介入がなければ、地球の次の氷河期は「今後1万1000年以内に発生し、6万6000年後に終わる」とのことです。[ 100 ]

過去の地球変動プロジェクトによる2015年の報告書によると、シミュレーションの結果、北半球の夏の日射量が次に大幅に減少する「大気中のCO2濃度が300ppmを超えるか、累積炭素排出量が1000 Pg C（つまり1000ギガトンの炭素）を超える」まで、今後約5万年以内に新たな氷河期が始まる可能性は低いことが示されています。「大気中のCO2濃度が産業革命以前の水準を下回る場合にのみ、今後1万年以内に氷河期が始まる可能性があります。…人為的なCO2排出が継続することを考慮すると、今後5万年以内に氷河期が始まる可能性は非常に低いです。なぜなら、積極的な除去が行われない場合、CO2と気温が擾乱のない値に向かって減少する時間スケールは非常に長く[IPCC, 2013]、今後2つの歳差運動周期では弱い歳差運動の影響しか生じないからです。」 （歳差運動の周期は約21,000年で、近日点が太陽の1年を一周するのにかかる時間です。）[ 101 ]

参照

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引用文献

ウィキブック歴史地質学には、氷河期に関するページがあります。
ウィキメディア・コモンズには、氷河期に関連するメディアがあります。
Wikisource には、「氷河期」に関するThe New Student's Reference Work記事のテキストがあります。
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