Thời kỳ băng hà

Kỳ băng hà, hay gọi không chính xác là kỷ băng hà, là một thời kỳ lạnh lâu dài dẫn đến mở rộng của dải băng và sông băng trên núi, thường xảy ra trong một thời kỳ địa chất nhất định. Trong nghiên cứu về băng hà, thuật ngữ kỳ băng hà thường chỉ giai đoạn của các dải băng ở cả Bắc và Nam Cực; theo định nghĩa này, chúng ta hiện đang sống trong một thời kỳ băng hà (vì dải băng Greenland và Nam Cực vẫn tồn tại). Nói một cách đơn giản, trong vài triệu năm gần đây, thuật ngữ kỳ băng hà được sử dụng để chỉ các giai đoạn lạnh hơn khi các dải băng mở rộng ra toàn bộ lục địa Bắc Mỹ và Á-Âu; theo định nghĩa này, thời kỳ băng hà cuối cùng đã kết thúc khoảng 10.000 năm trước. Bài viết này sẽ sử dụng thuật ngữ kỳ băng hà và thời kỳ băng hà để chỉ các giai đoạn lạnh hơn trong các kỳ băng hà và thời kỳ ấm hơn.

Trong vài triệu năm gần đây, đã có nhiều giai đoạn băng hà xảy ra, ban đầu có chu kỳ 40.000 năm nhưng gần đây là 100.000 năm. Những chu kỳ gần đây nhất được nghiên cứu kỹ lưỡng nhất. Có tổng cộng bốn thời kỳ băng hà chính trong quá khứ.

Nguồn gốc lý thuyết về kỳ băng hà

Ý tưởng rằng trong quá khứ, các dòng sông băng từng mở rộng rất nhiều đã được ghi nhận trong kiến thức của người dân sống tại một số vùng trên dãy Alps thuộc châu Âu. Không phải một cá nhân nào đã nghĩ ra ý tưởng đó. Từ năm 1825 đến 1833, Charpentier đã thu thập các bằng chứng để ủng hộ giả thuyết này. Năm 1836, Charpentier đã thuyết phục Jean Louis Rodolphe Agassiz về lý thuyết này, và Agassiz đã xuất bản nó trong cuốn sách 'Nghiên cứu về các dòng sông băng' của ông vào năm 1840.

Trong giai đoạn hiểu biết sơ khai này, các vấn đề được nghiên cứu chỉ tập trung vào các giai đoạn băng giá trong vài trăm nghìn năm gần đây, trong thời kỳ băng hà hiện tại. Tồn tại của các giai đoạn băng hà cổ đại vẫn còn bị nghi ngờ.

Các giai đoạn băng hà chính

Ít nhất đã có bốn giai đoạn băng hà chính trong lịch sử Trái Đất. Giai đoạn băng hà sớm nhất, theo giả thuyết, được cho là đã xảy ra từ khoảng 2,4 đến 2,1 tỷ năm trước trong băng giá Huron, thuộc giai đoạn đầu của Liên đại Nguyên Sinh.

Giai đoạn băng hà sớm nhất, được ghi nhận nhiều nhất và có lẽ là ghê gớm nhất trong 1 tỷ năm qua, xảy ra từ 800 đến 600 triệu năm trước (thuộc giai đoạn kỷ Cryogen), và được cho là đã biến Trái Đất thành một hành tinh tuyết với các vùng băng vĩnh cửu trải dài gần như đến xích đạo. Có ý kiến cho rằng sự kết thúc của giai đoạn băng hà này là nguyên nhân dẫn tới sự bùng nổ của kỷ Ediacara và kỷ Cambri, mặc dù thuyết này mới được đưa ra gần đây và vẫn còn tranh cãi.

Một giai đoạn băng hà ngắn, băng giá Andes-Sahara đã xảy ra từ 460 đến 430 triệu năm trước, trong thời kỳ hậu Ordovic - Silur. Có những thảo nguyên băng lớn từ 350 đến 260 triệu năm trước, trong kỷ Than Đá và tiền Permi, có liên quan đến kỳ băng hà Karoo.

Kỳ băng hà hiện tại bắt đầu từ khoảng 40 triệu năm trước với sự phát triển của các khối băng ở Nam Cực. Nó tăng mạnh trong thời kỳ hậu Pliocen (bắt đầu từ khoảng 3 triệu năm trước) với sự mở rộng của các khối băng ở Bắc Bán Cầu, và tiếp tục phát triển vào thế Pleistocen. Từ đó, thế giới chứng kiến các chu kỳ đóng băng, với các khối băng phát triển và rút lại sau mỗi chu kỳ 40.000 và 100.000 năm. Giai đoạn băng cuối cùng kết thúc khoảng 10.000 năm trước.

Thời gian của các kỳ băng hà trong lịch sử địa chất được điều chỉnh một phần nhờ vào vị trí của các mảng lục địa trên bề mặt của Trái Đất. Khi các lục địa tập trung gần các cực, có nhiều cơ hội để tuyết và băng tích tụ. Những thay đổi nhỏ trong năng lượng từ Mặt Trời có thể làm thay đổi sự cân bằng giữa mùa hè khi lượng tuyết mùa đông tan hoàn toàn và mùa hè khi tuyết vẫn còn tồn tại cho đến mùa đông tiếp theo. Vị trí của Greenland, Nam Cực và các khu vực phía bắc của châu Âu, châu Á và Bắc Mỹ ở các cực của Trái Đất ngày nay được coi là có khả năng trong thời kỳ đóng băng.

Bằng chứng về sự xuất hiện của các kỳ băng hà biểu hiện qua nhiều hình thức, bao gồm rửa sạch và gây ra sự mài mòn bề mặt đá, băng tích, địa hình băng hà, các thung lũng bị chia cắt và sự lắng đọng của các tảng băng di chuyển. Những giai đoạn băng giá liên tục có xu hướng thay đổi và xóa sạch các bằng chứng địa chất, làm cho nghiên cứu rất phức tạp. Đôi khi điều này dẫn đến các lý thuyết hiện tại không thể áp dụng được. Phân tích các lõi băng và lõi trầm tích đại dương không cho thấy rõ ràng sự hiện diện của băng giá và các giai đoạn băng giá trung gian trong vài triệu năm qua.

Các giai đoạn băng hà

Giữa các kỳ băng hà là những giai đoạn khí hậu ôn hòa kéo dài hàng triệu năm, với khí hậu gần như nhiệt đới, nhưng cũng có những giai đoạn khí hậu ôn hòa và khắc nghiệt trong các kỳ băng hà (ít nhất là trong kỳ băng hà cuối cùng). Các giai đoạn lạnh hơn được gọi là 'giai đoạn băng giá', trong khi các giai đoạn ấm hơn được gọi là 'gian băng', ví dụ như giai đoạn gian băng Eemian.

Hiện nay chúng ta đang sống trong một giai đoạn băng hà, sau khi giai đoạn băng hà cuối cùng kết thúc khoảng 10.000 năm trước. Lập luận rằng 'giai đoạn gian băng tiêu biểu đã kết thúc ~12.000 năm trước' có vẻ đúng, mặc dù rất khó chứng minh điều đó từ nghiên cứu thực tế trên lõi băng. Ví dụ, một bài báo trong tạp chí Nature lập luận rằng giai đoạn gian băng hiện nay có thể tương tự như một giai đoạn băng hà trước đó và đã kết thúc cách đây 28.000 năm. Tuy nhiên, lo ngại rằng một giai đoạn băng hà mới có thể nhanh chóng xảy ra vẫn còn tồn tại (Xem: hành động làm lạnh toàn cầu). Dù sao, nhiều người hiện nay tin rằng các điều kiện do con người gây ra từ sự gia tăng của hiệu ứng nhà kính có thể vượt qua mọi ảnh hưởng của chu kỳ Milankovitch; và một số quan điểm gần đây từ các nhà ủng hộ chu kỳ Milankovitch thậm chí cho rằng, ngay cả khi không có ảnh hưởng của con người, giai đoạn băng hà hiện nay có thể kéo dài 50.000 năm (nghĩa là còn gần 40.000 năm nữa mới xảy ra).

Những nguyên nhân gây ra các kỳ băng hà

Nguyên nhân của các kỳ băng hà vẫn đang gây tranh cãi rộng rãi, bao gồm cả các thời kỳ băng hà lớn và nhỏ hơn, cũng như sự tuần hoàn của các giai đoạn 'băng/gian băng' trong một kỳ băng hà. Đồng thuận chung cho rằng có ba yếu tố chính: thành phần của khí quyển (đặc biệt là CO₂ và methane), những thay đổi trong quỹ đạo của Trái Đất quanh Mặt Trời (các chu kỳ Milankovitch và có lẽ cả quỹ đạo của Mặt Trời quanh Ngân Hà), và vị trí của các lục địa.

Thành phần khí quyển có thể là nguyên nhân chính gây ra sự thay đổi, đặc biệt là trong các kỳ băng hà đầu tiên. Lý thuyết 'Quả cầu tuyết Trái Đất' cho rằng các thay đổi về CO₂ vừa là nguyên nhân, vừa là lý do kết thúc các thời kỳ lạnh cuối cùng của Liên đại Sinh vật đầu tiên (Proterozoic). Tuy nhiên, hai yếu tố khác cũng có ảnh hưởng đáng kể tới sự kiện này.

Sự hiện diện rộng rãi của các lục địa ở Bắc Cực và Nam Cực có thể là một yếu tố quan trọng gây ra các kỳ băng hà, có lẽ do các khối lục địa cung cấp điều kiện thuận lợi cho băng tuyết tích tụ trong các giai đoạn lạnh, dẫn đến một phản ứng phản hồi ngược như các thay đổi trong suất phản chiếu. Quỹ đạo của Trái Đất không có ảnh hưởng lớn tới quá trình hình thành các kỳ băng hà dài hạn, nhưng có lẽ nó đã ảnh hưởng tới sự phức tạp hóa mô hình lạnh và nóng hiện tại của kỳ băng hà. Mô hình phức tạp của sự thay đổi trong quỹ đạo Trái Đất và sự biến đổi của suất phản chiếu có thể ảnh hưởng tới sự tuần hoàn của các giai đoạn băng giá và băng gian — điều này lần đầu tiên được giải thích bởi lý thuyết của Milutin Milanković.

Các kỳ băng hà hiện tại được nghiên cứu kỹ lưỡng nhất và chúng ta có kiến thức tốt nhất về chúng, đặc biệt là trong vòng 400.000 năm gần đây, thông qua các lõi băng ghi nhận các thay đổi trong thành phần khí quyển và biến đổi nhiệt độ cũng như khối lượng băng. Trong giai đoạn này, sự biến đổi tuần hoàn của băng giá/băng gian theo chu kỳ Milanković đã giải thích rất tốt các sự kiện này. Những hiệu ứng kết hợp của sự thay đổi vị trí quanh Mặt Trời, sự tiến triển của trục đất, và biến đổi của độ nghiêng của trục đất có thể thay đổi đáng kể phân bố ánh sáng mặt trời nhận được tại Trái Đất. Quan trọng nhất là sự thay đổi độ nghiêng của trục đất, ảnh hưởng đến mạnh mẽ mùa vụ. Ví dụ, lượng ánh sáng mặt trời đến ở 65 độ vĩ bắc vào tháng 7 có thể biến đổi lên đến 25% (từ 400 W/m² lên 500 W/m²). Nhiều người tin rằng các khối băng tiến lên khi mùa hè yếu đi không đủ để làm tan hết tuyết đã rơi xuống vào mùa đông trước đó. Một số khác cho rằng sức mạnh của chu kỳ quỹ đạo có lẽ không đủ để gây ra sự đóng băng, nhưng sự phát triển của CO₂ có thể giải thích sự không đối xứng này.

Lý thuyết của Milanković dự báo sự thay đổi chu kỳ trong các tham số quỹ đạo của Trái Đất có thể được thể hiện qua dấu tích băng, tuy nhiên vẫn cần thêm giải thích để hiểu tại sao những chu kỳ này lại có đỉnh điểm vào các giai đoạn băng lạnh/gian lạnh. Trong 800 ngàn năm qua, chu kỳ chính của băng/gian băng là 100 ngàn năm, tương đương với sự thay đổi trong sự lệch tâm và độ nghiêng quỹ đạo, và là yếu nhất trong ba chu kỳ do Milanković dự báo. Trong khoảng thời gian từ 3,0 đến 0,8 triệu năm trước, mô hình đóng băng chính tương ứng với chu kỳ 41 nghìn năm của sự thay đổi độ nghiêng Trái Đất (độ nghiêng trục). Nguyên nhân của các chu kỳ này so với các chu kỳ khác hiện vẫn còn nhiều điều chưa rõ và đây là một lĩnh vực quan trọng trong nghiên cứu hiện tại, nhưng câu trả lời có lẽ liên quan đến một số cơ chế tương tác trong hệ thống khí hậu của Trái Đất.

Giải thích 'truyền thống' của Milankovitch cố gắng giải thích sự thống trị của chu kỳ 100 nghìn năm trong 8 chu kỳ gần đây nhất. Richard A. Muller và Gordon J. MacDonald cùng các nhà nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng các tính toán này chỉ áp dụng cho quỹ đạo Trái Đất hai chiều, trong khi quỹ đạo ba chiều cũng có một chu kỳ 100 nghìn năm trong độ nghiêng quỹ đạo. Họ cho rằng những biến đổi này trong độ nghiêng quỹ đạo dẫn đến nhiều thay đổi trong lượng nhiệt nhận được từ Mặt Trời, do Trái Đất di chuyển vào và ra khỏi các dải bụi đã biết trong hệ Mặt Trời. Mặc dù có sự khác biệt so với quan điểm truyền thống, những chu kỳ được dự báo trong 400.000 năm qua gần như giống nhau. Lý thuyết của Muller và MacDonald bị Rial không chấp nhận.

Một nhà nghiên cứu khác là Ruddiman đã đưa ra một lý thuyết đáng tin cậy giải thích chu kỳ 100.000 năm bằng cách điều chỉnh hiệu ứng lệch tâm (chu kỳ yếu 100.000 năm) với sự tiến hóa (chu kỳ 23.000 năm), kết hợp với cơ chế đảo ngược của khí hậu trong các chu kỳ 41.000 và 23.000 năm. Tuy nhiên, một lý thuyết khác do Peter Huybers đưa ra rằng chu kỳ 41.000 năm luôn chiếm ưu thế, cho rằng Trái Đất đã bước vào một hình thức đáp ứng khí hậu theo đó chỉ có hai chu kỳ thứ hai và thứ ba gây ra các kỳ băng hà. Điều này ngụ ý rằng chu kỳ 100.000 năm có thể là một phản ứng được tạo ra bằng cách cân bằng các chu kỳ đã kết thúc từ 80 đến 120 năm trước. Lý thuyết này hỗ trợ sự không chắc chắn về thời gian mặc dù hiện tại chưa được chấp nhận rộng rãi.

Các giai đoạn băng lạnh và băng hà gần đây

Xem Biểu đồ thời gian của băng giá.

Sự đóng băng ở Bắc Mỹ

Trong thời kỳ băng giá gần đây nhất ở Bắc Mỹ, giai đoạn băng giá Wisconsin (70.000 đến 10.000 năm trước), các tảng băng kéo dài tới 45 độ vĩ bắc.

Giai đoạn băng giá Wisconsin hiện vẫn có nhiều ảnh hưởng lớn đến địa lý của Bắc Mỹ. Các hồ lớn như Ngũ Đại Hồ và hồ Finger được hình thành khi băng đào sâu vào các thung lũng cổ. Hầu hết các hồ ở Minnesota và Wisconsin được tạo ra bởi các dòng sông băng và sau đó được nước băng tan chảy lấp đầy. Hệ thống dòng sông Teays đã bị hoàn toàn thay đổi và điều hướng lại chảy vào sông Ohio. Các sông khác đã bị chặn lại và điều hướng vào các dòng chảy mới, như thác Niagara, tạo ra những cảnh quan nước tuyệt đẹp khi dòng nước đột ngột rơi xuống vách đá vôi. Một thác nước tương tự gần Syracuse, New York hiện đã khô cạn.

Long Island được hình thành từ những tảng sét lăn từ thời kỳ băng hà, và các dòng sông của Canada đã bị chặn lại hoàn toàn, khiến chúng vẫn đang tìm kiếm các dòng chảy mới. Số lượng hồ lớn quá mức ở Canadian Shield phía bắc Canada có thể xuất phát từ hoạt động băng. Khi băng tan đi và bụi đá khô lại, gió thổi chúng xa hàng trăm dặm, tạo thành những lớp đất phủ dày hàng chục feet ở lưu vực sông Missouri. Các phản ứng tĩnh điện tiếp tục tái tạo lại hình dáng Ngũ Đại Hồ và các vùng khác dưới sức nặng của các tảng băng.

Vùng không bị đóng băng xung quanh điểm nối giữa Wisconsin, Minnesota và Iowa, không bị các dòng sông băng phủ kín.

Phim điện ảnh

Bộ phim The Day After Tomorrow kể về một kỳ băng hà mới đột ngột xảy ra, gây ra các thảm họa thiên nhiên trên toàn cầu.

Trong loạt phim Kỷ băng hà - Ice Age (thực tế là Kỳ băng hà), ngoài hiện tượng thời kỳ đó còn có các loài động vật từng sống trong kỳ băng hà.

• Voi lông xù (Manny, Ellie, Peaches, Ethan, Steffie, Katie, Julian)
• Hổ răng kiếm (Diego, Soto, Zeke, Oscar, Shira)
• Lười cổ xưa (Sid, Rachel, Jennifer, Granny, Eunice, Uncle Fungus, Francine, Brooke)
• Sóc răng nanh tiền sử (Scrat, Scratte, Ariscratle)

• Khoa học địa chất

Liên kết bên ngoài

• Giải mã Kỷ băng hà từ PBS