Kỷ băng hà là gì?

Kỷ băng hà là một giai đoạn giảm nhiệt độ lâu dài của khí hậu Trái Đất, xảy ra trong vài triệu năm gần đây, ban đầu với chu kỳ 40.000 năm nhưng gần đây là 100.000 năm, dẫn tới sự mở rộng của các dải băng lục địa, các dải băng vùng cực và các sông băng trên núi ("sự đóng băng"). 

Những chu kỳ gần đây là được nghiên cứu kỹ lưỡng nhất. Đã có bốn kỷ băng hà chính trong quá khứ.


Những biến đổi về CO2, nhiệt độ và bụi từ lõi băng ở trạm nghiên cứu Vostok trong 400.000 năm qua

Trong băng hà học, kỷ băng hà thường được dùng để chỉ một giai đoạn của các dải băng ở bán cầu phía bắc và phía nam; theo cách định nghĩa đó chúng ta hiện vẫn đang ở trong một thời kỳ băng hà (bởi vì các dải băng Greenland và Nam Cực vẫn đang tồn tại). Nói một cách nôm na, khi nói về vài triệu năm gần đây, kỷ băng hà được dùng để chỉ những giai đoạn lạnh hơn khi các dải băng mở rộng ra toàn bộ lục địa Bắc Mỹ và Á-Âu: theo nghĩa này, thời kỳ băng hà cuối cùng đã kết thúc khoảng 10.000 năm trước. Bài viết này sẽ sử dụng thuật ngữ kỷ băng hà theo cách ban đầu, dùng nghĩa của băng hà học; và dùng thuật ngữ các giai đoạn băng giá để chỉ các giai đoạn lạnh hơn trong những kỷ băng hà và gian băng cho những giai đoạn ấm hơn.

Nguồn gốc lý thuyết kỷ băng hà
Ý tưởng rằng trong quá khứ các con sông băng từng mở rộng hơn rất nhiều đã hiện diện trong tri thức của cư dân ở một số vùng trên dãy Alps thuộc châu Âu. Không phải một cá nhân nào đã nghĩ ra ý tưởng đó. Giai đoạn từ năm 1825 tới năm 1833, Charpentier đã thu thập các bằng chứng ủng hộ giả thuyết này. Năm 1836, Charpentier đã thuyết phục Jean Louis Rodolphe Agassiz về lý thuyết đó, và Agassiz đã xuất bản nó trong cuốn sách "Nghiên cứu các dòng sông băng" (Étude sur les glaciers) của ông năm 1840.

Ở giai đoạn hiểu biết sơ khai này, những vấn đề được nghiên cứu chỉ là các giai đoạn băng giá ở vài trăm ngàn năm gần đây, trong kỷ băng hà hiện tại. Sự tồn tại của các kỷ băng hà cổ đại vẫn còn bị nghi ngờ.

Các kỷ băng hà chính
Ít nhất đã có bốn thời kỳ băng hà chính trong lịch sử Trái Đất. Kỷ băng hà sớm nhất theo lý thuyết được cho rằng đã xảy ra khoảng 2,4 tới 2,1 tỷ (109) năm trước trong băng giá Huron thuộc giai đoạn đầu của Liên đại Nguyên Sinh.

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


Lưu đồ trầm tích cho thấy sự dao động liên tục của băng giá và gian băng trong vài triệu năm qua.

Một thời kỳ băng hà ngắn, băng giá Andes-Sahara xảy ra từ 460 đến 430 triệu năm trước, trong suốt thời kỳ hậu Ordovic - Silur. Đã có những chỏm băng khổng lồ trong khoảng từ 350 đến 260 triệu năm trước, trong suốt kỷ Than Đá và tiền Permi, có liên quan đến kỷ băng hà Karoo.

Lưu đồ trầm tích cho thấy sự dao động liên tục của băng giá và gian băng trong vài triệu năm qua.

Kỷ băng hà hiện tại bắt đầu từ khoảng 40 triệu năm trước với sự phát triển của những khối băng ở Nam Cực. Nó tăng mạnh ở thời kỳ hậu Pliocen (bắt đầu 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 đã chứng kiến vòng tuần hoàn của sự đóng băng, với các khối băng phát triển và thoái trào sau mỗi chu kỳ 40.000 và 100.000 năm. Giai đoạn băng giá cuối cùng kết thúc khoảng 10.000 năm trước.

Thời gian của các kỷ băng hà trong toàn bộ lịch sử địa chất được kiểm soát một phần nhờ vị trí của các mảng lục địa trên bề mặt Trái Đất. Khi các khối lục địa được tập trung gần các vùng cực, có nhiều cơ hội để tuyết và băng được tích luỹ lại. Những thay đổi nhỏ trong năng lượng từ Mặt Trời có thể làm thay đổi sự cân bằng giữa các mùa hè trong đó khối lượng tuyết trong mùa đông tan hết hoàn toàn và các mùa hè mà tuyết vẫn còn tồn tại cho tới tận mùa đông tiếp theo. Vì vị trí của Greenland, Nam Cực và các phần phía bắc của châu Âu, châu Á và Bắc Mỹ tại các vùng cực của Trái Đất ngày nay được coi là nghiêng về khả năng thời kỳ đóng băng.

Bằng chứng về các kỷ băng hà xuất hiện theo nhiều hình thức, gồm cả việc rửa sạch và gây ra sự chà xát bề mặt đá, các băng tích, địa mạo băng hà, các thung lũng bị cắt, và sự lắng đọng của sét tảng lăn (tillit) và các băng giá di chuyển. Những thời kỳ băng giá liên tục có khuynh hướng làm thay đổi và xoá sạch các bằng chứng địa chất, khiến cho việc nghiên cứu rất khó khăn. Thỉnh thoảng nó khiến cho lý thuyết hiện nay không thể áp dụng được. Những phân tích lõi băng và lõi trầm tích đại dương không chứng minh rõ ràng sự hiện diện của băng giá và những thời kỳ trung gian băng giá trong vòng vài triệu năm qua.

Các gian băng
Giữa các kỷ băng hà, là những giai đoạn khí hậu ôn hoà hơn kéo dài hàng triệu năm, khí hậu hầu như là nhiệt đới nhưng cũng trong giai đoạn các kỷ băng hà (hay ít nhất trong kỷ băng hà cuối cùng), có những giai đoạn khí hậu ôn hoà và giai đoạn dữ dội. Các giai đoạn lạnh hơn được gọi là 'giai đoạn băng giá', các giai đoạn ấm hơn được gọi là 'gian băng', như Giai đoạn gian băng Eemian.


Thể hiện những hình mẫu nhiệt độ và khối lượng băng thay đổi ở những giai đoạn băng giá và băng gian gần đây

Hiện chúng ta đang ở trong một gian băng, lần rút lui cuối cùng đã kết thúc khoảng 10.000 năm trước. Ý kiến cho rằng "giai đoạn gian băng tiêu biểu đã kết thúc ~12.000 năm trước" có vẻ là đúng đắn nhưng rất khó để chứng minh điều đó từ nghiên cứu thực tiễn lõi băng. Ví dụ, một bài báo trong tạp chí Nature đưa ra lý lẽ rằng gian băng hiện nay có lẽ là giống nhất với một thời gian băng trước kia và đã kết thúc 28.000 năm trước. Tuy nhiên, sự lo ngại rằng một thời kỳ băng giá sẽ nhanh chóng xảy ra quả thực có tồn tại (Xem: sự lạnh đi toàn cầu). Dù sao, nhiều người hiện tin rằng những điều kiện do tác động của con người từ sự tăng "khí gây hiệu ứng nhà kính" có thể vượt quá mọi lực (quỹ đạo) Milankovitch; và một số ý kiến gần đây của những người ủng hộ lực quỹ đạo thậm chí cho rằng kể cả khi có sự tác động của con người thời kỳ gian băng hiện nay có lẽ sẽ kéo dài 50.000 năm.


Một con sông băng đã biến mất một nửa mái vòm tại Thung lũng Yosemite.

Các nguyên nhân gây nên kỷ băng hà
Nguyên nhân của các kỷ băng hà hiện vẫn đang gây tranh cãi cho cả các thời kỳ "kỷ băng hà" trên diện rộng và thời kỳ rút lui nhỏ hơn và sự tuần hoàn của các giai đoạn "băng/gian băng" bên trong một kỷ băng hà. Một sự đồng thuận chung cho rằng nó là sự tổng hợp của ba yếu tố khác nhau: thành phần khí quyển (đặc biệt là tỷ lệ của CO2 và mêtan), những thay đổi của quỹ đạo Trái Đất quanh Mặt Trời được gọi là các chu kỳ Milankovitch (và có lẽ là Quỹ đạo của Mặt Trời quanh Ngân Hà), và vị trí của các lục địa.

Thành phần khí quyển có lẽ là nguyên nhân chủ yếu gây ra sự thay đổi, đặc biệt ở kỷ băng hà đầu tiên. Lý thuyết "Quả cầu tuyết Trái Đất" cho rằng những sự thay đổi về mức độ CO2 vừa là nguyên nhân gây ra, vừa là nguyên nhân làm kết thúc thời kỳ cực lạnh ở cuối Liên đại Nguyên Sinh (Proterozoic). Tuy nhiên, hai yếu tố còn lại cũng có liên quan tới sự kiện đó.

Sự hiện diện đông đảo của lục địa bên trong Bắc Cực và vùng Nam Cực có lẽ là một yếu tố cần thiết gây ra kỷ băng hà, có lẽ bởi vì khối lượng lục địa khiến cho băng và tuyết có địa điểm thích hợp để tích tụ trong những khoảng thời gian lạnh và vì thế gây ra một quá trình phản hồi ngược như những thay đổi của suất phản chiếu. Quỹ đạo Trái Đất không có hiệu ứng lớn đối với sự thành tạo trong quá trình dài của các kỷ băng hà, nhưng có lẽ nó bức chế mô hình lạnh đi và nóng lên rất phức tạp đã diễn ra trong kỷ băng hà hiện nay. Mô hình phức tạp của sự thay đổi trong quỹ đạo Trái Đất và sự thay đổi của suất phản chiếu có thể ảnh hưởng tới sự tuần hoàn của các pha băng giá và băng gian — điều này lần đầu được giải thích bởi lý thuyết của Milutin Milanković.

Các kỷ băng hà hiện tại được nghiên cứu kỹ nhất và chúng ta cũng có những hiểu biết tốt nhất về nó, đặc biệt là trong 400.000 năm gần đây, bởi vì đây là giai đoạn được ghi lại trong các lõi băng về thành phần khí quyển và các biến đổi nhiệt độ cũng như khối lượng băng. Trong giai đoạn này, tần số sự thay đổi giữa băng giá/băng gian theo các giai đoạn lực quỹ đạo của Milanković làm việc rất tốt khiến cho lực quỹ đạo này được chấp nhận chung làm nhân tố để giải thích sự kiện. Những hiệu ứng tổng hợp của sự thay đổi vị trí đối với Mặt Trời, sự tiến động của trục Trái Đất, và sự thay đổi của độ nghiêng của trục Trái Đất có thể làm thay đổi một cách đáng kể sự tái phân bố lượng ánh sáng mặt trời nhận được của Trái Đất. Quan trọng nhất là những sự thay đổi trong độ nghiêng của trục Trái Đất, nó gây ảnh hưởng tới cường độ mùa. Ví dụ, khối lượng dòng ánh sáng mặt trời vào tháng 7 ở 65 độ vĩ bắc có thể thay đổi tới 25% (từ 400 W/m2 tới 500 W/m2). Nhiều người tin rằng các khối băng tiến lên khi mùa hè quá yếu không đủ làm tan chảy toàn bộ số tuyết đã rơi xuống trong mùa đông trước đó. Một số người tin rằng sức mạnh của lực quỹ đạo có lẽ không đủ để gây ra sự đóng băng, nhưng cơ cấu hoàn chuyển như CO2 có thể giải thích sự không đối xứng này.

Trong khi lực Milanković dự đoán chu kỳ thay đổi trong các tham số quỹ đạo của Trái Đất có thể được thể hiện trong những dấu tích băng, nhưng vẫn cần có thêm những giải thích nữa để biết tại sao những chu kỳ đó được quan sát thấy ở mức cao nhất vào những giai đoạn băng giá/băng gian. Đặc biệt, trong 800 ngàn năm qua, sự dao động chính băng/gian băng là 100 ngàn năm, tương đương với những thay đổi trong sự lệch tâm và độ nghiêng quỹ đạo, và hơn nữa là yếu nhất trong ba tần suất do Milanković dự đoán. Trong giai đoạn 3,0 — 0,8 triệu năm trước, mô hình đóng băng chính tương đương với giai đoạn 41 nghìn năm của sự thay đổi trong độ nghiêng Trái Đất (độ nghiêng trục). Những lý do để gây ra tần suất theo kiểu này chứ không phải kiểu kia hiện vẫn chưa được biết nhiều và nó là một lĩnh vực thiết thực trong nghiên cứu hiện tại, nhưng câu trả lời có lẽ liên quan tới một số hình thức cộng hưởng trong hệ thống thời tiết của Trái Đất.

Sự giải thích "truyền thống" của Milankovitch phải gắng sức để giải thích sự thống trị của chu kỳ 100 nghìn năm trong 8 chu kỳ cuối cùng. Richard A. Muller và Gordon J. MacDonald và những người khác đã chỉ ra rằng những tính toán đó chỉ dành cho quỹ đạo Trái Đất hai chiều, nhưng quỹ đạo ba chiều cũng có một chu kỳ quỹ đạo nghiêng 100 nghìn năm. Họ cho rằng những biến đổi đó trong độ nghiêng quỹ đạo dẫn tới nhiều biến đổi trong lượng nhiệt nhận được từ Mặt Trời, bởi vì Trái Đất chuyển động ra và vào những dải bụi đã biết trong hệ Mặt Trời. Mặc dù có một cơ cấu khác biệt với quan điểm truyền thống, những giai đoạn "được dự báo trước" trong 400.000 năm qua gần như giống hệt nhau. Tới lượt mình lý thuyết của Muller và MacDonald lại bị Rial không thừa nhận.

Một nhà nghiên cứu khác, Ruddiman đã đưa ra một hình thức đáng tin cậy giải thích chu kỳ 100.000 bằng cách điều chỉnh hiệu ứng lệch tâm (yếu chu kỳ 100.000) về tiến động (chu kỳ 23.000 năm) tổng hợp với cơ cấu hoàn ngược của khí nhà kính trong các chu kỳ 41.000 và 23.000 năm. Tuy nhiên, một lý thuyết khác do Peter Huybers, người cho rằng chu kỳ 41.000 năm luôn chiếm ưu thế, đưa ra cho rằng Trái Đất đã bước vào một hình thức đối xử thời tiết theo đó chỉ chu kỳ thứ 2 và thứ 3 là gây ra kỷ băng hà. Điều này có thể ngụ ý rằng tính chu kỳ 100.000 năm thực sự là một sự phản hồi được tạo ra bằng cách cân bằng các chu kỳ đã kết thúc 80 và 120 năm trước. Lý thuyết này ủng hộ sự tồn tại của sự không chắc chắn trong thời gian nhưng hiện không được chấp nhận rộng rãi.

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 khối băng kéo dài tới tận 45 độ vĩ bắc.


Giới hạn lớn nhất của băng hà tại vùng cực bắc ở kỷ Pleistocene

Giai đoạn băng giá Wisconsin này hiện vẫn gây nhiều ảnh hưởng tới địa lý Bắc Mỹ. Ngũ Đại Hồ và các hồ Finger được tạo ra do băng đào sâu vào các thung lũng cũ. Đa số các hồ ở Minnesota và Wisconsin đều do các dòng sông băng tạo nên và sau đó được nước băng tan lấp đầy. Hệ thống dòng chảy cũ của sông Teays đã bị thay đổi hoàn toàn và được định hình lại chảy vào dòng của sông Ohio. Các con sông khác bị chặn lại và đổi hướng tới những dòng chảy mới, như thác Niagara, tạo nên một thác nước tuyệt đẹp, khi dòng nước chảy thình lình bắt gặp vách núi đá vôi. Một thác tương tự gần Syracuse, New York hiện đã khô cạn.

Long Island được tạo nên từ sét tảng lăn băng hà, và dòng nước của Canada đã bị chặn đứng hẳn lại khiến chúng hiện vẫn đang tìm dòng chảy mới — số lượng hồ nhiều quá mức ở Canadian Shield phía bắc Canada có thể cho là bắt nguồn từ nguyên nhân hoạt động của băng. Khi băng rút đi và bụi đá trở nên khô, gió mang chúng đi xa hàng trăm dặm, tạo nên những lớp hoàng thổ dày hàng chục ft ở lưu vực sông Missouri. Phản ứng đẳng tĩnh tiếp tục tái tạo lại hình dáng của Ngũ Đại Hồ và các vùng khác dưới sức nặng của các khối băng.

Vùng không trôi dạt xung quanh điểm nối của Wisconsin, Minnesota và Iowa, không bị các dòng sông băng bao phủ.