В истории Земли неоднократно происходили крупные оледенения. В докембрийское время (свыше 570 млн. лет назад) - вероятно, в протерозое (наиболее молодом из двух подразделений докембрия), - часть Юты, север Мичигана и Массачусетс, а также часть Китая подверглись оледенению. Не известно, развивалось ли оледенение всех этих территорий одновременно, хотя в протерозойских породах сохранились явные свидетельства того, что в Юте и Мичигане оледенение было синхронным. В позднепротерозойских породах Мичигана и в породах серии коттонвуд Юты обнаружены горизонты тиллитов (уплотненной или литифицированной морены). В позднепенсильванское и пермское время - возможно, в интервале от 290 млн. до 225 млн. лет назад - обширные районы Бразилии, Африки, Индии и Австралии были покрыты ледниковыми шапками или ледниковыми покровами. Как ни странно, все эти районы расположены в низких широтах - от 40. с.ш. до 40. ю.ш. Синхронное оледенение происходило также в Мексике. Менее достоверны доказательства оледенения Северной Америки в девонское и миссисипское время (примерно от 395 млн. до 305 млн. лет назад). Свидетельства оледенения в эоцене (от 65 млн. до 38 млн. лет назад) обнаружены в горах Сан-Хуан (шт. Колорадо). Если добавить к этому перечню плейстоценовую ледниковую эпоху и современное оледенение, занимающее почти 10% суши, станет очевидно, что оледенения в истории Земли были нормальными явлениями.

Причины ледниковых эпох. Причина или причины ледниковых эпох нераздельно связаны с более широкими проблемами глобальных климатических изменений, имевших место на протяжении истории Земли. Время от времени происходили значительные смены геологических и биологических обстановок. Растительные остатки, слагающие мощные угольные пласты Антарктиды, конечно, накапливались в климатических условиях, отличных от современных. Сейчас в Гренландии не растут магнолии, но они обнаружены в ископаемом состоянии. Ископаемые остатки песца известны из Франции - далеко к югу от современного ареала этого животного. Во время одного из плейстоценовых межледниковий мамонты заходили на север вплоть до Аляски. Провинцию Альберта и Северо-Западные территории Канады в девоне покрывали моря, в которых было много крупных коралловых рифов. Коралловые полипы прекрасно развиваются лишь при температуре воды выше 21. С, т.е. значительно более высокой, чем современная средняя годовая температура на севере Альберты.

Следует иметь в виду, что начало всех великих оледенений определяется двумя важными факторами. Во-первых, на протяжении тысячелетий в годовом ходе осадков должны доминировать обильные продолжительные снегопады. Во-вторых, в районах с таким режимом осадков температуры должны быть настолько низкими, чтобы летнее снеготаяние сводилось к минимуму, а фирновые поля увеличивались из года в год до тех пор, пока не станут формироваться ледники. Обильная аккумуляция снега должна превалировать в балансе ледников на протяжении всей эпохи оледенения, так как если абляция превысит аккумуляцию, оледенение пойдет на убыль. Очевидно, для каждой ледниковой эпохи необходимо выяснить причины ее начала и окончания.

Гипотеза миграции полюсов. Многие ученые полагали, что ось вращения Земли время от времени меняет свое положение, что приводит к соответствующему смещению климатических зон. Так, например, если бы Северный полюс находился на п-ове Лабрадор, там преобладали бы арктические условия. Однако силы, которые могли бы вызвать такое изменение, не известны ни внутри Земли, ни за ее пределами. Согласно астрономическим данным, полюсы могут мигрировать всего на 21. по широте (что составляет ок. 37 км) от центральной позиции.

Гипотеза диоксида углерода. Содержащийся в атмосфере диоксид углерода CO2 действует подобно теплому одеялу, удерживающему излучаемое Землей тепло близ ее поверхности, и любое существенное сокращение содержания СО2 в воздухе приведет к понижению температуры на Земле. Это сокращение может быть вызвано, например, необычно активным выветриванием пород. CO2 соединяется с водой в атмосфере и почве, образуя углекислоту, которая является очень активным химическим соединением. Она легко вступает в реакцию с такими наиболее распространенными в горных породах элементами, как натрий, калий, кальций, магний и железо. Если происходит значительное поднятие суши, свежие поверхности горных пород подвергаются эрозии и денудации. В процессе выветривания этих пород из атмосферы будет извлечено большое количество углекислоты. В результате температура суши понизится, и начнется ледниковая эпоха. Когда спустя продолжительное время в атмосферу возвратится углекислота, поглощенная океанами, ледниковая эпоха подойдет к концу. Гипотеза диоксида углерода применима, в частности, для объяснения развития позднепалеозойского и плейстоценового оледенений, которым предшествовали поднятие суши и горообразование. Эта гипотеза вызывала возражения на том основании, что в воздухе содержится гораздо больше СО2, чем требуется для формирования теплоизолирующего покрова. Кроме того, она не объясняла повторяемость оледенений в плейстоцене.

Гипотеза диастрофизма (движений земной коры). В истории Земли неоднократно происходили значительные поднятия суши. В целом температура воздуха над сушей уменьшается примерно на 1,8. C с подъемом на каждые 90 м. Таким образом, если бы район, расположенный к западу от Гудзонова залива, испытал поднятие всего на 300 м, там стали бы формироваться фирновые поля. В действительности горы поднялись на многие сотни метров, что оказалось достаточным для формирования там долинных ледников. Кроме того, рост гор изменяет циркуляцию влагонесущих воздушных масс. Каскадные горы на западе Северной Америки перехватывают поступающие с Тихого океана воздушные массы, что приводит к обильным осадкам на наветренном склоне, а к востоку от них выпадает гораздо меньше жидких и твердых осадков. Поднятие участков дна океанов в свою очередь может изменить циркуляцию океанических вод и также вызвать климатические изменения. Например, полагают, что некогда между Южной Америкой и Африкой существовал сухопутный мост, который мог препятствовать проникновению теплых вод в Южную Атлантику, а антарктические льды могли оказывать охлаждающее влияние на эту акваторию и прилегающие районы суши. Такие условия выдвигают в качестве возможной причины оледенения Бразилии и Центральной Африки в позднем палеозое. Неизвестно, могли бы только тектонические движения оказаться причиной оледенения, во всяком случае, они могли весьма содействовать его развитию.

Гипотеза вулканической пыли. Вулканические извержения сопровождаются выбросом в атмосферу огромного количества пыли. Например, в результате извержения вулкана Кракатау в 1883 в атмосферу попало и было развеяно ок. 1,5 км3 мельчайших частиц вулканогенных продуктов. Вся эта пыль разносилась по всему земному шару, и поэтому в течение трех лет жители Новой Англии наблюдали необычно яркие закаты. После бурных вулканических извержений на Аляске Земля некоторое время получала от Солнца меньше тепла, чем обычно. Вулканическая пыль поглощала, отражала и рассеивала назад в атмосферу больше солнечного тепла, чем обычно. Очевидно, что вулканическая активность, широко распространенная на Земле на протяжении тысячелетий, могла бы значительно понизить температуры воздуха и послужить причиной начала оледенения. Такие вспышки вулканической активности случались в прошлом. Во время образования Скалистых гор на территории Нью-Мексико, Колорадо, Вайоминга и южной Монтаны происходило множество очень сильных вулканических извержений. Вулканическая деятельность началась в позднемеловое время и была весьма интенсивной примерно до периода, отстоявшего от нас на 10 млн. лет. Влияние вулканизма на плейстоценовое оледенение проблематично, но не исключено, что оно играло важную роль. Кроме того, такие вулканы молодых Каскадных гор, как Худ, Рейнир, Сент-Хеленс, Шаста, выбрасывали в атмосферу большое количество пыли. Наряду с движениями земной коры эти выбросы тоже могли в значительной степени способствовать началу оледенения.

Гипотеза дрейфа материков. Согласно этой гипотезе, все современные материки и самые крупные острова некогда входили в состав единого материка Пангея, омывавшегося Мировым океаном. Сплочение материков в такой единый массив суши могло бы объяснить развитие позднепалеозойского оледенения Южной Америки, Африки, Индии и Австралии. Территории, охваченные этим оледенением, вероятно, находились гораздо севернее или южнее их современного положения. Материки начали разделяться в меловое время, а современного положения достигли примерно 10 тыс. лет назад. Если эта гипотеза верна, то она в значительной степени помогает объяснить древнее оледенение районов, расположенных в настоящее время в низких широтах. Во время оледенения эти районы должны были находиться в высоких широтах, а впоследствии они заняли свои современные позиции. Однако гипотеза дрейфа материков не дает объяснения многократности плейстоценовых оледенений.

Гипотеза Юинга - Донна. Одна из попыток объяснить причины возникновения плейстоценовой ледниковой эпохи принадлежит М.Юингу и У.Донну - геофизикам, внесшим значительный вклад в изучение рельефа дна океанов. Они полагают, что в доплейстоценовое время Тихий океан занимал северные полярные регионы и поэтому там было гораздо теплее, чем теперь. Арктические области суши тогда располагались в северной части Тихого океана. Затем в результате дрейфа материков Северная Америка, Сибирь и Северный Ледовитый океан заняли свое современное положение. Благодаря Гольфстриму, заходившему из Атлантики, воды Северного Ледовитого океана в то время были теплыми и интенсивно испарялись, что способствовало обильным снегопадам в Северной Америке, Европе и Сибири. Таким образом в этих районах началось плейстоценовое оледенение. Оно прекратилось из-за того, что в результате разрастания ледников уровень Мирового океана понизился примерно на 90 м, и Гольфстрим в конце концов не смог преодолевать высокие подводные хребты, разделяющие бассейны Северного Ледовитого и Атлантического океанов. Лишенный притока теплых атлантических вод, Северный Ледовитый океан замерз, и иссяк источник влаги, питающий ледники. Согласно гипотезе Юинга и Донна, нас ожидает новое оледенение. Действительно, в период между 1850 и 1950 большинство ледников мира отступало. Это значит, что уровень Мирового океана повышался. Льды в Арктике также таяли на протяжении последних 60 лет. Если когда-нибудь арктический лед полностью растает и воды Северного Ледовитого океана снова станут испытывать отепляющее воздействие Гольфстрима, который сможет преодолевать подводные хребты, появится источник влаги для испарения, что приведет к обильным снегопадам и формированию оледенения по периферии Северного Ледовитого океана.

Гипотеза циркуляции океанических вод. В океанах существует множество течений, как теплых, так и холодных, которые оказывают существенное влияние на климат материков. Гольфстрим - одно из замечательных теплых течений, которое омывает северное побережье Южной Америки, проходит через Карибское море и Мексиканский залив и пересекает Северную Атлантику, оказывая отепляющий эффект на Западную Европу. Теплое Бразильское течение движется к югу вдоль побережья Бразилии, а течение Куросио, которое зарождается в тропиках, следует к северу вдоль Японских о-вов, переходит в широтное Северо-Тихоокеанское течение и в нескольких сотнях километров от побережья Северной Америки разделяется на Аляскинское и Калифорнийское течения. Теплые течения имеются также в южной части Тихого океана и Индийском океане. Наиболее мощные холодные течения направляются из Северного Ледовитого океана в Тихий через Берингов пролив и в Атлантический океан - через проливы вдоль восточного и западного берегов Гренландии. Одно из них - Лабрадорское течение - охлаждает побережье Новой Англии и приносит туда туманы. Холодные воды поступают также в южные океаны из Антарктики в виде особо мощных течений, двигающихся к северу почти до экватора вдоль западных берегов Чили и Перу. Сильное подповерхностное противотечение Гольфстрима уносит свои холодные воды на юг в Северную Атлантику.

В настоящее время предполагают, что Панамский перешеек опускался на несколько десятков метров. В таком случае не существовало бы Гольфстрима, а теплые атлантические воды направлялись бы пассатами в Тихий океан. Воды Северной Атлантики были бы гораздо холоднее, как, впрочем, и климат стран Западной Европы, в прошлом получавших тепло от Гольфстрима. Существовало множество легенд о "потерянном материке" Атлантиде, некогда расположенном между Европой и Северной Америкой. Исследования Срединно-Атлантического хребта на участке от Исландии до 20. с.ш. геофизическими методами и с отбором и анализом донных проб показали, что некогда там действительно была суша. Если это справедливо, то климат всей Западной Европы был гораздо холоднее, чем в настоящее время. Все эти примеры показывают, в каком направлении менялась циркуляция океанических вод.

Гипотеза изменений солнечной радиации. В результате продолжительного изучения солнечных пятен, представляющих собой сильные выбросы плазмы в атмосфере Солнца, обнаружено, что существуют весьма значительные годовые и более продолжительные циклы изменения солнечной радиации. Пики солнечной активности наблюдаются примерно каждые 11, 33 и 99 лет, когда Солнце излучает больше тепла, что приводит к более мощной циркуляции земной атмосферы, сопровождающейся большей облачностью и более обильными осадками. Из-за высокой облачности, блокирующей солнечные лучи, поверхность суши получает тепла меньше, чем обычно. Эти короткие циклы не могли бы стимулировать развитие оледенения, но на основе анализа их последствий было высказано предположение, что могут быть и весьма продолжительные циклы, возможно, порядка тысяч лет, когда радиация была выше или ниже обычной.

На основе этих представлений английский метеоролог Дж.Симпсон выдвинул гипотезу, объясняющую многократность плейстоценового оледенения. Он проиллюстрировал кривыми развитие двух полных циклов солнечной радиации выше нормы. Как только радиация достигала середины своего первого цикла (как и в коротких циклах активности солнечных пятен), увеличение тепла способствовало активизации атмосферных процессов, включая усиление испарения, повышение количества твердых осадков и зарождение первого оледенения. Во время радиационного пика Земля нагревалась до такой степени, что ледники таяли и начиналось межледниковье. Как только радиация понижалась, возникали условия, подобные условиям первого оледенения. Так начиналось второе оледенение. Оно завершалось с наступлением такой фазы радиационного цикла, во время которой происходило ослабление атмосферной циркуляции. При этом испарение и количество твердых осадков сокращались, а ледники отступали из-за уменьшения аккумуляции снега. Таким образом наступало второе межледниковье. Повторение радиационного цикла позволило выделить еще два оледенения и разделявшее их межледниковье.

Следует иметь в виду, что два последовательных солнечных радиационных цикла могли продолжаться 500 тыс. лет и более. Режим межледниковья отнюдь не означает полного отсутствия ледников на Земле, хотя с ним сопряжено значительное сокращание их числа. Если гипотеза Симпсона верна, то она прекрасно объясняет историю плейстоценовых оледенений, однако нет доказательств подобной периодичности для доплейстоценовых оледенений. Следовательно, либо следует допустить, что режим солнечной активности менялся на протяжении геологической истории Земли, либо необходимо продолжить поиск причин возникновения ледниковых эпох. Вполне вероятно, что это происходит при совместном действии нескольких факторов.