vignette|redresse=1.5|Calottes glaciaires actuelles de la Terre (avec les banquises). Lors de leur extension quaternaire maximale, les glaces couvraient près de 30 % de la planète..
vignette|redresse=1.5|Extension maximale des calottes glaciaires du Nord de l'Europe au cours de la glaciation de Würm. L'inlandsis (calotte anglo-irlandaise et calotte fennoscandienne dont l'épaisseur était de au centre.) atteint le bassin de Londres et la plaine germano-polonaise. Les glaciers alpins poussent des langues terminales en larges glaciers de piémont jusqu'à Sisteron, la Dombes et le Jura. La toundra est au cœur de l'Europe.
Les glaciations quaternaires sont la succession de nombreux cycles glaciaires (de durées variables, d'abord d'environ , puis, à partir de , avec une périodicité d'environ ) survenant depuis 2,6 millions d'années (durant le Quaternaire, dernière période de l'ère Cénozoïque), incluant des périodes interglaciaires de durées très variables.. Cette période s'inscrit dans une tendance au refroidissement global du climat depuis et en constitue la période la plus froide. Les phases glaciaires sont caractérisées par le développement d'inlandsis sur les continents, dont l'action a fortement contribué à façonner les paysages actuels par le biais de l'érosion glaciaire. Ces phases ont produit des cycles d'extinction suivis de recolonisations des milieux qui, associés à la dérive génétique, ont profondément structuré la diversité génétique de chaque zone au cours des épisodes glaciaires successifs.
Formation de la calotte glaciaire Arctique vignette|Le glacier de Mendenhall en Alaska.|alt=
La formation de la calotte glaciaire arctique a débuté il y a environ 2,7 millions d'années. Elle a été suivie d'un lent processus de refroidissement global. Il y a 3 millions d'années, l’isthme de Panama commença à se refermer, entraînant un bouleversement des courants océaniques, ce qui se traduisit entre autres par une augmentation de l'hygrométrie dans l'Arctique et finalement l'englacement de l’hémisphère Nord..
Structure de la période glaciaire actuelle La période Quaternaire est ponctuée de courtes périodes de réchauffement. Les épisodes froids (glaciations) se caractérisent par une extension massive des glaciers. Avec une durée moyenne de , ils dominent largement sur les épisodes interglaciaires (seulement ). Ces interglaciaires sont généralement prompts à s'établir alors que les glaciations sont très progressives. Ainsi les changements climatiques sont-ils rarement équilibrés : à des réchauffements rapides succèdent des refroidissements lents et durables.
Le cycle complet d'un interglaciaire au suivant dure, pour les périodes récentes, un peu plus de ; mais cette estimation ne vaut que pour les derniers . De 2,7 millions d'années jusqu'à environ AP, la durée moyenne d'un cycle n'était que de . Il faut rapporter cela à des périodes presque aussi longues, de changement de l’inclinaison de l’écliptique (inclinaison de l'axe terrestre). Le cycle actuel de est principalement lié aux variations de l’excentricité de l'orbite terrestre. On ne dispose pour l'instant d'aucune interprétation satisfaisante de cette altération de la durée des cycles.
L'interglaciaire actuel, désigné sur l'échelle des temps géologiques comme l'Holocène., dure depuis . Cependant, ces épisodes, plus chauds que les épisodes de glaciation, présentent un climat relativement frais à l'échelle des temps géologiques : la couverture neigeuse autour des pôles et au sommet des montagnes (neiges éternelles) reste permanente. Les glaciers ne peuvent toutefois se maintenir aux latitudes moyennes et il s'y établit le climat tempéré d'aujourd'hui, avec en particulier des hivers doux.
Causes des glaciations On recherche aujourd’hui les causes du refroidissement général de la planète depuis l’Éocène dans la géologie elle-même, les oscillations climatiques mineures se laissant par ailleurs expliquer par les variations périodiques de l'excentricité de l'orbite terrestre ou les cycles d'activité du Soleil.
La recherche des causes du cycle des glaciations reste aujourd'hui l'une des branches fondamentales de la paléoclimatologie. Elle est intimement liée aux noms de James Croll et Milutin Milanković, qui tous deux se sont appuyés sur l’hypothèse de Joseph-Alphonse Adhémar selon laquelle des altérations de la géométrie de l’orbite terrestre seraient responsables des glaciations périodiques.
Variations de l'orbite terrestre
Les variations de l’orbite terrestre sont une conséquence de l’évolution de la distribution des interactions gravitationnelles au sein du système Soleil-Terre-Lune. Elles altèrent la forme elliptique de l’orbite terrestre (Excentricité) autour du Soleil selon une période d'environ , ainsi qu'une oscillation de l'axe de rotation propre de la Terre (inclinaison de l’Écliptique) selon une période de , tandis que l'axe des équinoxes reprend la même position sur la trajectoire elliptique à peu près tous les (précession). Ces « cycles de Milanković » provoquent des changements périodiques de la répartition du flux solaire à la surface de la Terre.
Inspiré par les idées du météorologue allemand Vladimir P. Köppen, Milutin Milanković formula en 1941 : "Der Kanon der Erdbestrahlung und seine Anwendung auf das Eiszeitproblem" (La règle de l'irradiation de la terre et son application au problème de l'ère glaciaire) d'après laquelle les glaciations surviennent à chaque fois que le rayonnement solaire reçu dans les hautes latitudes de l'hémisphère nord atteint un minimum. Selon Köppen, en effet, la fraîcheur des étés compte davantage que le froid des hivers dans la formation des glaciers. Milanković a donc recherché la cause des glaciations dans les régions où les étés sont les plus frais, à savoir les hautes latitudes de l'hémisphère Nord.
Pour certains, les variations des paramètres de l'orbite terrestre (cycles de Milanković) ont pu constituer un facteur déclenchant propice au phénomène, mais leur action a certainement été amplifiée par différents facteurs. Ainsi a-t-on avancé comme l'une des causes du début de l'englacement de l'Antarctique et de l'hémisphère Nord les processus tectoniques et leur action sur les courants marinsPar ex. .. Par ailleurs, la teneur en CO2 de l’atmosphère, qui est couplée aux oscillations thermiques du globe, aurait joué un rôle actif, comme en témoignent diverses études menées sur les carottes de glace vieilles de prélevées dans l’Antarctique et au Groënland.. De cette façon, la baisse de concentration des gaz à effet de serre dans l'atmosphère, tels le dioxyde de carbone, le méthane ou le protoxyde d'azote, expliquent environ un tiers de la baisse de température ayant mené aux glaciations., voire la moitié selon une étude récente.. D'autres processus de contre-réaction positive, comme l'amplification de l'albédo par les calottes glaciaires, la disparition de la couverture végétale ou la variabilité de l'humidité de l’atmosphère, ont entretenu le phénomène. On explique les variations dites « stadiales » (refroidissements éphémères au cours d'un âge interglaciaire) et « interstadiales » par le couplage avec la circulation thermohaline.
Cycles solaires Il y a eu, lors de la dernière période glaciaire, deux douzaines d'oscillations climatiques au cours desquelles la température de l'Atlantique Nord n'est remontée à que pour une décennie. Ces « évènements de Dansgaard-Oeschger » paraissent survenir tous les , périodicité qu'on tente d'expliquer par la concomitance de deux cycles solaires : celui de 87 ans et celui de 210 ans., puisque est le premier multiple commun de 210 et de 86,5. Au cours de l'interglaciaire actuel, ces événements de Dansgaard-Oeschger ne se sont toujours pas reproduits car les faibles variations d'activité solaire n'ont pas suffi à altérer de manière significative la stabilité des courants marins de l'Atlantique depuis .
Datation et nomenclature Problèmes de datation Initialement, la datation des glaciations du Quaternaire s'est appuyée sur la localisation des dépôts correspondants. On les distinguait par la structure des couches alternées des sédiments interglaciaires avec les moraines glaciaires. Mais la comparaison et la recherche de correspondances entre les dépôts identifiés dans des régions éloignées ont fait apparaître de nombreuses difficultés. Ainsi, on n'a toujours aucune certitude sur la concomitance des dépôts de la glaciation de la Saale (qui a affecté l'Allemagne du Nord) et ceux de la glaciation de Riss dans l'espace Alpin. C'est pourquoi les différentes régions de la Terre conservent leur propre division stratigraphique du Quaternaire.
Ces différentes appellations régionales, où les spécialistes eux-mêmes ont du mal à se retrouver, créent de la confusion auprès du grand public. C'est ainsi que la dernière avancée des glaciers, qui a culminé il y a plus de , est appelée « glaciation de Würm » en France et dans les autres pays alpins, « glaciation du Devensien » dans les Îles Britanniques, « glaciation de la Vistule » en Allemagne et en Europe du Nord, « glaciation de Valdaï » en Russie, enfin « glaciation du Wisconsin » en Amérique du Nord. Il y a tout autant de diversité pour les autres périodes glaciaires et interglaciaires.
Une autre difficulté dans la datation des dépôts glaciaires continentaux provient de ce que la stratification n'a rien d'un processus continu. Aux phases intenses de sédimentation (comme lors de la progression de l'inlandsis) ont succédé des phases sans sédimentation, voire des phases d'érosion. En Allemagne du Nord par exemple, il n'existe aucun site où l'on trouve une alternance complète des sédiments des trois grandes phases de glaciation et des alluvions des épisodes interglaciaires. Le recoupement ne peut donc se faire que par comparaison avec des régions éloignées, ce qui peut conduire à des erreurs d'appréciation.
Classification internationale La subdivision internationalement adoptée pour les glaciations du Quaternaire repose sur les propriétés des dépôts sédimentaires marins. Ces sédiments offrent la caractéristique intéressante de se déposer régulièrement dans des poches préservées, ce qui permet aussi bien le dépôt des sédiments des périodes chaudes que des périodes froides.
Stratigraphie par les isotopes de l’oxygène marin vignette|redresse=2|Reconstitution de la courbe de température moyenne pour les cinq derniers millions d'années. vignette|redresse=1.4|Stades isotopiques de l'oxygène au cours des derniers , d'après Martinson et al.
Une ressource remarquable pour la datation des différents stades de l'ère glaciaire réside dans le comportement des isotopes stables de l’oxygène 16O et 18O fixés dans les micro-organismes coralliens (foraminifères). Comme l’isotope16O est plus léger que 18O, il est présent en plus grande proportion dans les dépôts sédimentaires, ce qui se traduit par une composition isotopique particulière de l’oxygène. Le piégeage de l’isotope léger 16O dans les massifs glaciers continentaux au cours des glaciations a chargé l'océan en isotopes lourds au cours de ces périodes (effet de gel). C'est ainsi que s'est développée une discipline propre, la stratigraphie des sédiments marins.
L'ère glaciaire a été divisée en 103 stades isotopiques de l'oxygène. On attribue un numéro impair aux périodes de réchauffement (interglaciaires) et un numéro pair aux épisodes glaciaires. Ainsi l'interglaciaire contemporain est-il classé comme stade isotopique de l'oxygène 1 (abrégé en SIO 1) et l'apogée de la dernière glaciation comme SIO 2. En prévision de la découverte de nouvelles variations isotopiques postérieurement à l'adoption de cette classification, on a prévu de les intercaler grâce à des lettres suffixées après le numéro : par exemple SIO 5e pour l'interglaciaire Éémien.
Magnétostratigraphie