Геологи нашли доказательства по меньшей мере двух эпизодов четвертичных оледенений, на протяжении которых Северный Ледовитый океан и прилегающие к нему моря были не только покрыты толстым ледяным шельфом, но и, возможно, заполнены пресной водой. На это указывает отсутствие изотопов тория-230 в морских отложениях соответствующих эпох. Периоды полных оледенений акватории 150 и 70 тысяч лет назад сменялись эпизодами таяния покровного ледника и быстрым перетоком пресных и солёных водных масс, что также может объяснить резкие колебания климата в те эпохи, для которых пока не было предложено удовлетворительных моделей.
60—70 тысяч лет назад на пике последнего четвертичного оледенения покровный ледник (такой, который в наше время занимает территорию Гренландии) занимал значительную часть Северной Европы и Северной Америки. В Европе площадь оледенения распространялась на 5 тысяч километров: от Ирландии и Шотландии, через Скандинавию, до восточного края Карского моря; в то же время ледником была покрыта значительная часть территории Канады. Для понимания циклов климатических изменений на Земле нужно знать, насколько такое оледенение захватывало акватории, включая Северный Ледовитый океан, то есть был ли он покрыт льдом полностью или же это был открытый водоём, в котором плавают отдельные языки покровного ледника. Распределение четвертичных оледенений на суше легко прослеживается по особым формам рельефа, в частности, по скоплениям эрратических («блуждающих») валунов, которые приносили с собой ледники. Этот метод исследования, оказывается, можно применить для изучения даже прошлых оледенений на Марсе (см. об этом недавнюю статью). В открытом море такой привязки к рельефу нет, поэтому вопрос о характере четвертичных оледенений в акватории остаётся открытым. Предположения о протекании отдельных эпизодов ледниковых периодов в океане в большей степени опираются на модельные расчёты. Геологи из института Альфреда Вегенера (Институт полярных и морских исследований в Бремене; нем. Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung) проанализировали осадочные отложения из кернов скважин, пробуренных в разных точках Северного Ледовитого океана и прилегающих территорий и сравнили концентрацию радиоактивного изотопа тория на различных глубинах и на разных участках акватории. Это позволило реконструировать историю оледенений за последние 150 тысяч лет и предположить по меньшей мере два эпизода, в которых океан мог быть почти полностью покрыт льдом. В статье, вышедшей в начале февраля 2021 года в Nature они приводят оценки длительности этих периодов и количества льда и пресной воды в океане (см. также научно-популярную заметку от пресс-службы института).
Изотоп тория-230 (230Th) — распространённый инструмент для изучения морской воды и морских отложений. Его период полураспада составляет около 75 тысяч лет, и он подходит для изучения геологической истории на сопоставимых временных отрезках в десятки-сотни тысяч лет, в частности, для отложений четвертичного периода (уран-ториевая датировка по изотопу урана 234U). Этот изотоп — один из промежуточных продуктов распада урана. Содержание урана в морской воде пропорционально её солёности, и эта зависимость неплохо изучена и устойчива на протяжении по меньшей мере последних 800 тысяч лет. Поэтому количество 230Th, которое образуется на данном участке, связано прямой зависимостью с общим количеством соли в толще воды.
После образования малорастворимый в воде торий легко абсорбируется материалом взвешенных в воде частиц и вместе с ними за несколько лет или десятков лет оседает на дно близко к месту образования, входя затем в состав слоя осадочных отложений. Если акватория покрыта значительным слоем льда с почти нулевой солёностью, в отложениях этого периода можно ожидать уменьшения содержания этого изотопа пропорционально количеству вытесненной морской воды. Например, при двухкилометровой глубине моря образование ледового шельфа толщиной километр должно бы уменьшить содержание тория в отложениях в два раза. А если подо льдом вода сильно опреснена, в отложениях вообще не должно быть изотопа тория.
Всего проанализировали десять кернов породы из разных точек Северного ледовитого океана и прилегающих морей и проливов. Оказалось, что во всех кернах в концентрациях 230Th наблюдаются два «провала», отвечающих одним и тем же отрезкам времени: от 70 до 62 тысяч лет и, примерно, от 150 до 131 тысяч лет назад.
Интерпретация результатов предполагает, что в эти периоды толщина плавучего ледникового шельфа составляла около 900 метров и весь океан был заполнен 9 миллионами кубических километров практически пресной воды. Из-за пониженного уровня моря многие проливы, включая Берингов, были перекрыты, и основным каналом сообщения с другими океанами оставались неглубокие моря между Гренландией и Норвегией. Опреснение Северного океана в этой модели происходило за счёт разной плотности пресной и солёной воды (солёная вода более тяжёлая и задерживается в нижней части толщи). Акватория Арктики заполнялась массами пресной воды от тающего ледника, которые вытесняли нижние солёные слои и «выдавливали» их в Атлантику через эти узкие проливы, как показано на схеме выше.
Однако даже незначительные изменения условий в Гренландско-Шотландском подводном хребте могли привести к обращению процесса и восстановлению равновесия: когда это «бутылочное горлышко» становилось достаточно широким из-за потепления и поднятия уровня моря, более тяжёлая солёная морская вода из Атлантики в конце этого эпизода опять быстро заполняла акваторию Арктики, начиная со дна, вытесняла значительные массы пресной воды и вызывала подтаивание ледников. В свою очередь массы более лёгкой пресной воды беспрепятственно перетекали в северные моря. Это также должно было происходить достаточно быстро по геологическим меркам. Такой механизм объясняет быстрые климатические колебания, наблюдавшиеся в тот период в северных широтах, для которых пока не было найдено удовлетворительной модели.