Дослідники створили багато теорій для пояснення таємниці, що оточують мамонтів, але питання про причини Льодовикового періоду також породили безліч ідей. 

Теорії льодовикового періоду можна розділити на дві загальні групи. Перша група — позаземна (щось сталося в нашій Сонячній системі чи в галактиці Чумацький Шлях, або навіть на Сонці). 

Друга — земна. Вони припускають, що щось в кліматі Землі змінилося, і почався Льодовиковий період.

Позаземні теорії

Тільки в середині 1800-х років науковий світ остаточно визнав, що Льодовиковий період дійсно мав місце. У той час причина Льодовикового періоду була вперше приписана втраті сонячного світла. 

Температура Землі залежить від кількості сонячного світла, що досягає її поверхні. Різниця в кілкості сонячного світла є причиною існування холодних полярних й теплих тропічних регіонів. Відмінності в температурі також живлять вітрову систему Землі й штормові рухи. Теорія каже, що якщо б потужність Сонця можна було якимось чином зменшити, температура в більш високих широтах впала б і призвела до Льодовикового періоду.

Однак ніхто не знає, чи змінювалася кількість сонячного світла в минулому. Ніхто не був там і не міг спостерігати таку зміну. Не було проведено жодних спостережень, які необхідні для того, щоб ідея була перевірена як наукова теорія. Це правда, що інтенсивність випромінювання Сонця трохи змінюється, залежно від кількості сонячних плям, але ця зміна дуже мала. Наскільки відомо, Сонце підтримувало майже постійну інтенсивність протягом всієї історії Землі. Метеорологічною мовою, ймовірна надійність сонячної енергії називається сталою Сонця.

Навіть якщо б у минулому було менше сонячного світла, ця обставина не обов'язково призвела б до Льодовикового періоду. Більш холодні температури менш здатні утримувати водяну пару. Тому кількість дощу або снігу буде меншою, а не більшою.

Інші вчені припустили, що Сонячна система рухалася через пилову хмару, що викликало Льодовиковий період. Вони припускають, що, можливо, ця пилова хмара була брудним рукавом галактики Чумацький Шлях. Пил між Сонцем і Землею буде блокувати деякі сонячні промені й призведе до накопичення льоду. На жаль, ця теорія також страждає від нестачі доказів, а також не передбачає великої кількості снігу, необхідного для того, щоб настав Льодовикового періоду.

Земні теорії

Багато вчених сьогодні стурбовані накопиченням вуглекислого газу в атмосфері, так як більше вуглекислого газу спричиняє парниковий ефект. Більша кількість вуглекислого газу в атмосфері поглинає більше інфрачервоного випромінювання землі, нагріваючи нижню атмосферу. І навпаки, якщо б у минулому було менше вуглекислого газу, клімат став би більш прохолодним. 

Вчені вважають, що під час Льодовикового періоду було приблизно на 30% менше вуглекислого газу, ніж на початку промислової революції. Це твердження базується на вимірах вуглекислого газу, захопленого в невеликих повітряних бульбашках у льодових щитах Гренландії та Антарктиди.

Рівень інших парникових газів, таких як метан, збільшився значно більше, ніж вуглекислого газу, але вони мають більш слабкий вплив на парникове потепління. Інші парникові гази зручно розглядати з точки зору діоксиду вуглецю, тому вчені перерахували усі інші парникові гази в еквіваленти вуглекислого газу. Чистий ефект інших парникових газів аналогічний збільшенню вуглекислого газу ще на 30%. 

Таким чином, рівень «парникових» газів збільшилися на 60№ з моменту промислової революції. Однак це призвело, в кращому випадку, тільки до підвищення глобальної температури на 0,6°C. Цілком імовірно, що частина цього потепління була викликана не збільшенням кількості парникових газів¹, а іншими причинами, але давайте припустимо, що так воно й було. Скорочення вуглекислого газу на 30% під час Льодовикового періоду, ймовірно, призвело б до зниження температури менше ніж на один градус — недостатньо, щоб Льодовиковий період почався.

Утворення гір може бути використане для пояснення холодного клімату місцевості. Не виключено, що воно могло спровокувати крижаний покрив. Добре відомо, що в міру підйому в гору температура знижується. Також добре відомо, що гори отримують набагато більше дощу й снігу, ніж сусідні долини. Отже, як свідчить теорія, якби Земля була вище, температура була б холодніше, а снігопад більше.

Однак, хоча гірські райони Північної Америки, Європи й Азії сьогодні високі, у них дуже мало льодовиків і немає крижаного покриву. Інша проблема полягає в тому, що крижаний покрив у Північній Америці розвинувся над низькими районами північно-східної Канади. 

Ще одне утруднення полягає в тому, що висота землі в Сполучених Штатах від Північної Дакоти до штату Мен не дуже велика. Таким чином, постулювання того, що утворення гір в минулому викликало Льодовиковий період, зовсім не допомагає. Крім того, високі гори все ще з нами, і немає ніяких крижаних щитів, які вкривають Північну Америку, Європу та Азію.

Ще одна геніальна теорія Льодовикового періоду полягає в тому, що якщо б морський лід розтанув над Північним Льодовитим океаном, підвищене випаровування забезпечило б необхідну вологу на високих широтах. Через скупчення снігу й льоду клімат буде охолоджуватися, а Північний Льодовитий океан знову замерзне й поверне назад всю кригу. Цикл буде постійно повторюватися. Ця теорія дає пояснення багатьом льодовиковим періодам, які, як стверджують вчені, мали місце в останні 2,5 мільйона років геологічного часу.²

У теорії є заслуга в тому, що вона фокусується на необхідній волозі, якою нехтує більшість теорій. Однак цілком імовірно, що доданої вологи буде недостатньо для початку Льодовикового періоду. Це правда, що збільшення випаровування з непокритого кригою Північного Льодовитого океану забезпечить більшу кількість снігу в північній Канаді та Євразії. Проте тепло, яке передається в атмосферу з води протягом зими, швидше за все, збереже континенти занадто теплими протягом літа так, що сніг і лід не зможуть накопичуватися. 

Теорія не в змозі пояснити небувале літнє охолодження, необхідне для Льодовикового періоду. Крім того, ніхто не згадує, як лід Північного Льодовитого океану міг розтанути та чи є які-небудь докази того, що це відбулося в недавньому минулому. За стандартною думкою, лід на Північному Льодовитому океані не танув, принаймні, протягом останніх ймовріних мільйонів років геологічного часу.

Рисунок 1. Вулканічний пил та аерозолі відбивають сонячне світло назад у космос, охолоджуючи Землю.

Інші теорії припускають збільшення кількості вулканічного пилу, який затримується у верхніх шарах атмосфери, блокуючи частину сонячного світла і, отже, викликаючи більш низькі температури й Льодовиковий період (мал.1). 

Ця теорія також має свої переваги, тому що вулканічний пил і гази спричиняють більш холодні температури. Проблема в тому, що кожен Льодовиковий період повинен тривати 100 000 років. Вулканічний пил і гази, з іншого боку, випадають зі стратосфери протягом періоду від одного до декількох років. 

Для підтримки холодних літніх температур протягом такого тривалого Льодовикового періоду потрібна надмірна кількість вулканізму.

Одна відчайдушна теорія говорить, що Західно-Антарктичний крижаний щит зісковзнув зі своїх підводних основ і вийшов у глибокий океан. Коли він плавав в Південному океані, більше сонячного світла відбивалося назад у космос і охолоджувало землю. 

Однак зміщення Західно-Антарктичного крижаного щита з його нинішнього місця розташування навряд чи могло сильно змінити кількість сонячного світла, відбитого назад у космос. Більше того, якщо сніг та лід якимось чином збільшаться в Південній півкулі за допомогою цього механізму, це буде мати мало впливу в Північну півкулю. 

Дві півкулі зазвичай діють незалежно одна від одної з невеликим обміном тепла або вологи між ними.

Теорія, яка відмовляється від більшості інших теорій, полягає в тому, що Льодовиковий період просто викликаний випадковими коливаннями клімату. Оскільки невеликі зміни клімату відбуваються в коротких часових масштабах, передбачається, що великі зміни клімату відбуваються протягом тривалих періодів часу. Це твердження підкріплюється складною математикою. 

Правдоподібність цієї теорії, проте, знаходиться під великим запитанням. Згідно з прийнятими уявленнями, десять льодовикових періодів регулярно збільшувалися й зменшувалися кожні 100 000 років. Це кидає виклик правилам випадковості. Оскільки теорія не може бути перевірена, вона не може вважатися науковою теорією.

Резюме

Вчені ненавидять теоретичний вакуум. Було важко знайти кілька правдоподібних теорій, щоб пояснити навіть один Льодовиковий період. Додатково до цього геологи рано переконалися, що було багато льодовикових періодів. Таким чином, механізм, який може виробляти більше, ніж один, буде схвалений. 

Одна конкретна теорія з багатьох нещодавно стала популярною. З 1970-х рр. вона називається астрономічною або теорією Льодовикового періоду Міланковича. Вона не нова; метеорологи раніше відкидали її кілька разів (див. нижче Астрономічна теорія льодовикових періодів).

Коли явище не може бути пояснене існуючими даними, створбється більше теорій. У 1968 році в книзі про причини зміни клімату Ерік Еріксон нарахував понад 60 теорій про причини Льодовикового періоду. Хоча у багатьох з них є переваги, що заслуговують уваги, у кожної є фатальні недоліки. 

Присвятивши ціле життя вивченню Льодовикового періоду, Чарльзуорт прокоментував стан усіх цих теорій, включаючи астрономічну:

«Феномени плейстоцену [Льодовикового періоду] породили абсолютне буйство теорій з різними варіаціями "від віддалено можливої до взаємно суперечливої й явно неадекватної"».³

Це не говорить багато про теорії Льодовикового періоду; Чарльзуорт по суті говорить, що всі ці теорії — гігантські невдачі. Двадцять два роки потому, в 1979 році, Брайан Джон, згадуючи слова Чарльзуорта, розповідає, що ситуація не покращилася. Насправді, він каже: 

«З тих пір все стало ще більш заплутаним...»⁴

Астрономічна теорія льодовикових періодів

Багато людей вважають, що Земля рухається навколо Сонця, і це ніколи не змінюється. Однак було виявлено, що орбіта Землі навколо Сонця трохи змінюється. Її шлях перетворюється з кола в злегка сплощене коло, яке називається еліпсом, і назад у коло. Це займе 100 000 років, або близько того, для кожного циклу.

Малюнок 2. Зміна ексцентриситету Землі протягом ймовріних останніх двох мільйонів років. Одиниці знаходяться в тисячах років.⁵Вчені-еволюціоністи екстраполювали ексцентриситет на мільйони років назад (див. мал. 2). Різниця орбіт Землі від кола до еліпса називається ексцентриситетом. Ексцентриситет нуля — це коло.

Сама орбіта Землі обертається навколо Сонця. Особливо це помітно, коли орбіта являє собою еліпс. Такий цикл важко собі уявити. Подумайте про це, як про еліптичний шлях навколо Сонця, і що шлях повільно обертається навколо Сонця. 

Орбітальний шлях буде здійснювати один оберт приблизно кожні 22 000 років і називається прецесією рівнодення. У нинішній орбіті Землі Сонце ближче всього в січні й далі в липні (мал. 3). Приблизно через 11 000 років, Сонце буде ближче до Землі в липні й далі в січні.

Багато хто вчив, що 23,5-градусний нахил земної осі відносно земної орбітальної площини навколо Сонця ніколи не змінюється і є причиною існування пір року. Це правда, що цей нахил викликає сезони. Однак нахил також трохи змінюється з часом. Він коливається взад і вперед від 22,1 градусів до 24,5 градусів й назад до 22,1. 

Повний цикл зайняв би 40 000 років, якби не було ніяких інших сил.

Невелике гравітаційне тяжіння Місяця й планет викликає всі циклічні зміни орбіти Землі. Варіації невеликі, відповідно, невеликі зміни в кількості сонячного світла на земній кулі (мал. 6.3). Зміна сонячної радіації, викликана усіма трьома орбітальними змінними, показана на мал. 4. 

Вчені постулюють, що зменшення сонячного світла в більш високих широтах влітку, спричинене змінами в геометрії орбіти Землі, викличе Льодовиковий період. 

В якості альтернативи, збільшення сонячного світла влітку призведе до танення крижаного покриву. Оскільки вищевказані зміни сонячного світла є циклічними процесами, це буде сприяти регулярному повторенню кількох льодовикових періодів — приваблива концепція.

Малюнок 3. Присутній ексцентриситет орбіти Землі (сплощений для ілюстрації явища). Пори року відносяться до Північного півкулі.

Джеймс Кролл вперше запропонував астрономічну теорію в кінці 1800-х рр. Вона допомогла переконати вчених вірити в багато льодовикових періодів, а не тільки в один.

 Згідно теорії, в кінці 1880-х років останній льодовиковий період закінчився близько 70 000 років тому. Наукові докази були зібрані, щоб «довести», що цей час закінчення періоду був істинним. Але астрономічна теорія не була добре розвинена до 1920-х і 1930-х роках, поки Мілютін Міланкович, сербський метеоролог, не розробив багато деталей з більшою точністю. 

Згідно з переглянутою теорією Міланковича, як часто називають астрономічну теорію, Льодовиковий період досяг свого піку близько 18 000 років тому. Дані, в черговий раз, були змінені, щоб «довести» на цей раз максимум Льодовикового періоду. 

Незабаром після того, як Міланкович удосконалив теорію, вона піддалася нищівному шквалу критики, головним чином з боку метеорологів. Вона була швидко відкинута в 1950-х і 1960-х роках.

В історії науки досить часто трапляється, що відкинута теорія повертається.⁶ Це доведено теорією Міланковича. Нова технологія, застосована до глибоких відкладень океанського дна, і наполегливість кількох видатних вчених відродили цю теорію. 

Ґрунтуючись на властивостях донних відкладень океану, океанографи прийшли до висновку, що було більше 30 різних льодовикових періодів, які регулярно повторювалися, кожен з яких повністю танув протягом так званого міжльодовикового періоду. Деякі навіть вважають таємницю Льодовикового періоду розгаданою.⁷

Незважаючи на ентузіазм більшості вчених по відношенню до астрономічної теорії, вона має ряд серйозних, швидше за все фатальних, недоліків. Зміни річного сонячного світла у високих широтах, про які йдеться у теорії, занадто малі, щоб стати причиною Льодовикового періоду. Кількість тепла в більш високих широтах залежить тільки частково від кількості сонячного світла. 

Північне перенесення тепла атмосферою й океанськими течіями також важливе, але здебільшого ігнорується прихильниками цієї теорії. Перехід тепла зменшив би охолоджуючу дію, заподіяну зменшеною кількістю сонячної енергії. Між перенесенням тепла та вже невеликим ефектом зменшеного сонячного світла охолодження буде незначним.

Метеорологи давно знають про цю слабкість в теорії. Саме через це її відкинули у свій час. Відомий астроном Фред Хойл висловив своє ставлення до теорії Міланковіча, сказавши:

«Якщо б я стверджував, що льодовиковий стан може бути викликаний в кімнаті, яка щедро забезпечена взимку зарядженими нічними обігрівачами, просто взявши в кімнату кубик льоду, це припущення було б не більше малоймовірним, ніж теорія Міланковіча».⁸

«Нічні нагрівачі» — це інші процеси, які постачають тепло в більш високі широти, в той час, як кубик льоду являє собою невелике охолодження в рамках астрономічної теорії.

Малюнок 4. Чиста зміна сонячної радіації в ленглі за добу отримала у верхній частині атмосфери Північної півкулі теплове літо за ймовірний проміжок часу від 160 000 років минулого до 50 000 років у майбутнє. Мінусова широта - для Південної півкулі. Одиниці знаходяться у тисячах років.⁹

Дані з океанічних відкладів, ймовірно, показують, що 100 000-літній цикл ексцентриситету є найбільш важливим циклом для повторюваних льодовикових періодів. Цей конкретний цикл, однак, є найменшим з трьох орбітальних варіацій на сьогоднішній день. Він майже не викликає зміни річного сонячного світла в більш високих широтах. 

Вчені сильно спантеличені й шукають вторинний механізм, щоб посилити свою теорію.

Інша серйозна проблема полягає в тому, що цикли льодовикового періоду приблизно відбуваються в один і той же час як у Південній, так і в Північній півкулях. Але зменшення сонячного світла, викликане прецесією рівнодення, зазвичай чергується між півкулями, як показано на мал. 4. 

Коли Північна півкуля має дещо нижчу інтенсивність сонячного світла протягом літа, Південна півкуля має підвищену інтенсивність річного сонячного світла. Оскільки ці дві півкулі зазвичай розділені кліматологічно, ніколи не було дано відповіді на питання: чому ймовірні льодовикові періоди та міжльодовиков'я будуть циклічно чергуватися?

Маючи так багато наукових заперечень проти астрономічної теорії, можна запитати, чому вона така популярна. Я вважаю, що це тому, що очевидні статистичні збіги з глибоководних ядер похитнули більшість вчених. 

Однак існує багато проблем, пов'язаних з властивостями глибоководних ядер астрономічної теорії. 

Точні дати необхідні, але не всі методи датування є точними. На жаль, цифри, які складають статистику, мабуть, мають високу ступінь інтерпретації, змішаної з ними. Ніхто ніколи не знає, скільки є тлумачення, а скільки — факту. 

Інша причина популярності теорії полягає в тому, що така драматична подія, як Льодовиковий період в недавньому минулому, потребує пояснення, і будь-яке пояснення краще, ніж нічого — навіть якщо це слабка астрономічна теорія.