Hãy tưởng tượng tòa nhà Chicago Skyline. Bây giờ hãy hình dung nó nằm dưới băng gần 2 dặm (3km). Đó chính là quang cảnh Trái Đất tại thời điểm băng giá nhất của Kỷ băng hà cuối cùng.
Xét khía cạnh lịch sử địa chất gần đây của Trái đất, đây sẽ không phải là một cảnh tượng khác thường. Trong 2,6 triệu năm qua (hay còn gọi là Thời kỳ Đệ tứ), hành tinh này đã trải qua hơn 50 kỷ băng hà, với các thời kỳ liên vùng ấm lên đan xen.
Nhưng điều gì khiến các tảng băng và sông băng phát triển định kỳ? Kỷ băng hà được thúc đẩy bởi tập hợp các yếu tố phức tạp, liên kết với nhau, liên quan đến vị trí của Trái đất trong hệ mặt trời và nhiều ảnh hưởng cục bộ hơn, như mức độ CO2 trong không khí. Các nhà khoa học vẫn đang cố gắng tìm hiểu cách hoạt động của hệ thống này, đặc biệt khi biến đổi khí hậu do con người gây ra có thể đã phá vỡ chu kỳ này vĩnh viễn.
Kỷ băng hà được thúc đẩy bởi tập hợp các yếu tố phức tạp.
Mãi cho đến vài thế kỷ trước, các nhà khoa học mới bắt đầu nhận ra những bằng chứng về một quá khứ đóng băng. Vào giữa thế kỷ 19, nhà tự nhiên học người Mỹ gốc Thụy Sĩ Louis Agassiz đã ghi lại những dấu ấn mà các dòng sông băng đã để lại trên Trái đất, như những tảng đá bị lệch ra khỏi vị trí và những mảng nứt vỡ khổng lồ, được gọi là băng tích, mà ông nghi ngờ là sông băng cổ đại đã cuốn và đẩy chúng ra xa.
Vào cuối thế kỷ 19, các nhà khoa học đã đặt tên cho bốn kỷ băng hà xảy ra trong Kỷ nguyên Pleistocene, tồn tại từ khoảng 2,6 triệu năm trước cho đến khoảng 11.700 năm trước. Tuy nhiên, phải đến hàng thập kỷ sau, các nhà nghiên cứu mới nhận ra rằng những thời kỳ lạnh giá này diễn ra đều đặn hơn nhiều.
Một bước đột phá lớn trong việc tìm hiểu về chu kỳ kỷ băng hà xuất hiện vào những năm 1940, khi nhà vật lý thiên văn người Serbia Milutin Milankovitch đề xuất cái gọi là chu kỳ Milankovitch, một nghiên cứu về chuyển động của Trái đất vẫn được sử dụng để giải thích sự biến đổi khí hậu ngày nay.
Mark Maslin, giáo sư cổ sinh vật học tại Đại học College London cho hay Milankovitch đã phác thảo ba con đường chính mà qua đó, quỹ đạo của Trái đất thay đổi so với mặt trời. Những yếu tố này quyết định lượng bức xạ mặt trời (nói cách khác là nhiệt) đến hành tinh này.
- Đầu tiên, là sự lệch tâm của quỹ đạo Trái đất quanh mặt trời, thay đổi từ gần tròn đến elip theo chu kỳ 96.000 năm. Maslin giải thích: "Nguyên nhân quỹ đạo có độ biến dạng là vì Sao Mộc, chiếm 4% khối lượng của hệ mặt trời, có lực hấp dẫn mạnh mẽ, làm dịch chuyển quỹ đạo Trái đất ra ngoài và sau đó quay trở lại".
- Thứ hai, là độ nghiêng của Trái đất, cũng là lý do chúng ta có các mùa. Trục quay của Trái đất cho phép một bán cầu luôn nghiêng xa mặt trời (gây ra mùa đông) trong khi bên kia nghiêng về phía nó (gây ra mùa hè). Maslin cũng cho biết góc nghiêng này thay đổi theo chu kỳ khoảng 41.000 năm, làm biến đổi mức độ khắc nghiệt của các mùa. "Nếu [trục] thẳng đứng hơn thì dĩ nhiên mùa hè sẽ bớt nóng hơn và mùa đông sẽ bớt lạnh hơn một chút".
- Thứ ba, là sự chao đảo trục nghiêng của Trái đất, chuyển động giống như cái gụ. Maslin nói, "Điều xảy ra là, động lượng góc của Trái đất quay vòng rất nhanh mỗi ngày một lần khiến trục cũng chao đảo theo". Sự chao đảo đó xảy ra theo chu kỳ 20.000 năm.
Milankovitch xác định rằng điều kiện quỹ đạo tạo ra mùa hè mát mẻ là tiền thân đặc biệt quan trọng đối với kỷ băng hà. Maslin nói: "Sẽ luôn luôn có băng vào mùa đông. Để xây dựng một kỷ băng hà, một phần băng phải tồn tại suốt mùa hè".
Nhưng, để chuyển sang thời kỳ băng hà, một mình hiện tượng quỹ đạo là không đủ. Nguyên nhân thực sự của một kỷ băng hà là phản ứng cơ bản của hệ thống khí hậu. Các nhà khoa học vẫn đang tranh luận làm thế nào mà các yếu tố môi trường khác nhau ảnh hưởng đến sự đóng băng và tan chảy của băng, nhưng nghiên cứu gần đây cho thấy mức độ khí nhà kính trong khí quyển đóng một vai trò quan trọng.
Chẳng hạn, các nhà khoa học tại Viện nghiên cứu tác động khí hậu Potsdam (PIK) ở Đức đã chỉ ra rằng các tác nhân của thời kỳ băng hà trước đây được kích hoạt chủ yếu bởi sự giảm đáng kể lượng khí CO2 trong khí quyển và chính tốc độ tăng chóng mặt khí CO2 trong khí quyển do khí thải từ các hoạt động của con người gây ra có khả năng sẽ ngăn chặn sự khởi đầu của kỷ băng hà tiếp theo trong vòng 100.000 năm tới.
"Không giống bất cứ thế lực nào khác trên hành tinh, kỷ băng hà đã định hình môi trường toàn cầu và từ đó quyết định sự phát triển của nền văn minh nhân loại", Hans Joachim Schellnhuber, lúc đó là giám đốc của PIK và là đồng tác giả của một trong những nghiên cứu, cho biết trong một tuyên bố vào năm 2016. "Chẳng hạn, chúng ta có được những mảnh đất màu mỡ cũng như cảnh quan ngày nay là nhờ vào kỷ băng hà cuối cùng, kỷ băng hà đã để lại cho chúng ta các dòng sông, băng tích, vịnh và các hồ. Tuy nhiên, ngày nay, loài người với khí thải phát ra từ nhiên liệu hóa thạch mới là yếu tố quyết định sự phát triển trong tương lai của hành tinh".