De laatste 50 miljoen jaar kende het klimaat op aarde een afkoelende trend. De gestage daling van de gemiddelde jaartemperatuur leidde op de overgang van het Plioceen naar het Pleistoceen (het zogenaamde Pretiglien, rond 2,6 miljoen jaar geleden) tot een eerste echte ijstijd, waarin zowel de zuidelijke als de noordelijke ijskappen sterk groeiden. Deze groei werd mogelijk gemaakt door de juiste randvoorwaarden, zoals landmassa's op hoge breedte en een lage concentratie broeikasgas, in combinatie met een minimum aan zonne-instraling tijdens de zomer op het noordelijk halfrond. Hierdoor smolt er ‘s zomers minder sneeuw van de gletsjers van Scandinavië dan er in de winter viel. Gevallen sneeuw bleef liggen en stapelde zich op tot steeds dikkere lagen. Sneeuwlagen veranderden in ijs. Scandinavische gletsjers groeiden langzaam uit tot echte landijskappen die zo groot werden dat ze naar het zuiden gingen bewegen. De ijskappen hielden water vast, waardoor het zeeniveau 100 tot 150 meter daalde. Dit leidde tot een verdere afkoeling. Oceaanstromingen brachten geen warm water en warme lucht meer vanuit tropische gebieden naar het noorden. Ook de groei van de ijskappen zelf versterkte de afkoeling. Het witte ijsoppervlak kaatste namelijk een groot deel van het binnenkomende zonlicht terug de ruimte in - en er was geen isolerende CO2-laag in de atmosfeer om de warmte vast te houden. De combinatie van al deze koudeversterkende factoren leidde ertoe dat de klimatologische noordpool opschoof naar het zuiden. In Nederland en de rest van de gematigde gebieden op het noordelijk halfrond werd het koud en droog.

Maar het Pleistoceen was niet aan een stuk door koud. In het verdere verloop van het tijdvak wisselden ijstijden (glacialen) en tussen-ijstijden (interglacialen) elkaar af. In de tussenijstijden ging de temperatuur omhoog en trokken de ijskappen zich terug naar het noorden, om even later - als het weer koud werd - terug te keren. De laatste ijstijd liep ongeveer 10.000 jaar geleden af. Nu leven we weer in een tussen-ijstijd: het Holoceen. Klimatologen verwachten dat dit interglaciaal over ongeveer tienduizend jaar afloopt: er staat dan weer een nieuwe ijstijd voor de deur.

De afwisseling tussen glacialen en interglacialen wordt veroorzaakt door veranderingen in de (zomer)instraling op het noordelijk halfrond. Deze veranderingen hebben een astronomische achtergrond. Ze zijn het gevolg van cyclische veranderingen in de beweging van de aarde om de zon (zogenaamde Milankovitch cycli, naar de Servische geofysicus Milutin Milanković - 1879-1958). Zo varieert de hoek tussen de aardas en de aardbaan (obliquiteit) tussen 22° en 24,5°. Eén cyclus (van 22° naar 24,5° en weer terug) duurt 41.000 jaar. Tijdens periodes waarin de aardas niet zo schuin staat, is het noordelijk halfrond in de zomer het minst naar de zon gericht. De aarde warmt dan minder op en er smelt minder sneeuw weg, waardoor de ijskappen kunnen groeien. Daarnaast maakt de aardas ook een tollende beweging (precessie), met een periodiciteit van ongeveer 21.000 jaar. Door deze tollende beweging verschuift de zomerse positie van de aarde op de aardbaan. Dit leidt tot grotere verschillen in de duur van zomer en winter. Ook kunnen de zomers koeler worden. Een korte, koele zomer gevolgd door een lange koude winter stimuleert de groei van ijskappen. Een laatste variatie speelt in de vorm (excentriciteit) van de baan die de aarde beschrijft om de zon. In een tijdsbestek van 100.000 tot 413.000 jaar varieert die van een cirkelvorm tot een ellips. De excentriciteit heeft geen direct effect op de hoeveelheid zonnestraling die op aarde per jaar binnenkomt, maar wel over de verdeling over het jaar. Bij een sterk elliptische baan wordt het effect van de precessie versterkt, waardoor zomers nog koeler en korter kunnen zijn. Samenvattend zorgen de Milankovitch cycli voor verandering in de intensiteit van de zonne-instraling op aarde en daarmee voor meer kou.

Tijdens de ijstijden groeiden de noordelijke ijskappen ver naar het zuiden. Minstens twee keer werd Nederland bereikt. In die perioden was ons land onderdeel van het polaire gletsjerfront. Gletsjers worden gevormd uit sneeuw die het hele jaar blijft liggen. Het moet daarom erg koud zijn, zodat de sneeuw die in de winter valt, niet helemaal wegsmelt in de zomer. Deze kou vinden we hoog in de bergen of op hoge breedtegraden. De sneeuw die op deze plaatsen valt en blijft liggen, transformeert vervolgens langzaam in gletsjerijs. Door de druk van bovenliggende sneeuw veranderen de sneeuwkristallen en plakken ze aan elkaar terwijl de lucht tussen de kristallen wordt weggedrukt. Hoe snel dit verloopt, hangt vooral af van de hoeveelheid sneeuw die per jaar valt. Afhankelijk hiervan kan het enkele tientallen tot een paar duizend jaar duren voor sneeuw volledig is samengeperst tot ijs. Onderin een gletsjer is de druk zo groot, dat een deel van het ijs weer kan worden omgezet in water (onder druk worden veel vaste stoffen vloeibaar, zo ook ijs). Het water werkt als een smeermiddel waardoor de gletsjer gemakkelijk over de ondergrond kan glijden, net zoals een schaats. Door de druk die we uitoefenen op het ijzer smelt het ijs onder onze schaatsen en kunnen we over het ijs glijden.

Een ijskap groeit door sneeuw en krimpt door ablatie. Ablatie is het overgaan van het vaste ijs in een gasvormige of vloeibare toestand. Dit kan gebeuren door sublimatie (het ijs verdampt tot waterdamp) of door smelten (het ijs verandert in vloeibaar water). Een gletsjer kan ook krimpen doordat aan de randen stukken afbreken. Tegenwoordig zijn gletsjers min of meer in een evenwichtstoestand tussen groei en krimp: ze blijven ongeveer even groot. Maar bij langdurige kou smelt de sneeuw bij de bron van gletsjers niet meer en gaan ze groeien. Bij aanhoudende groei zal de gletsjer door de zwaartekracht langzaam langs de berghelling omlaag bewegen, als een traag stromende rivier van ijs. De gletsjer vloeit het dal in en als de aangroei lang genoeg doorgaat, kan hij zich ook over het laagland uitspreiden en zich ontwikkelen tot een landijskap (continentale gletsjer). Op die manier hebben Scandinavische gletsjers twee keer Nederland bereikt. Er was niet sprake van één, maar van meerdere ijsstromen, die vanuit verschillende gebergten werden gevoed en die zich op de Europese laagvlakte aaneensloten tot één geweldige ijsmassa. De dikte van het ijs in Scandinavië bedroeg vermoedelijk meer dan 3000 meter. Hele bergen waren in het ijs ingepakt. Bij ons in Nederland had het ijs nog een dikte van enkele honderden meters.

Onderweg hadden de gletsjers een grote invloed op het landschap. Om te beginnen oefende het gewicht van het ijs een immense druk uit op de bodem. De hele aardkorst onder een gletsjer werd een flink stuk naar beneden geduwd. Smelt het ijs, dan heeft de bodem - ontdaan van de ijslast - de neiging om weer terug te veren. Door dit zogenaamde isostatische terugveren herstelt de bodem vanzelf zijn oude evenwicht. Scandinavië is vandaag de dag nog steeds aan het terugveren van de loodzware ijslast die het tijdens de laatste ijstijd torste. De bodem van Nederland is na het smelten van de ijsbedekking in de voorlaatste (Saale) ijstijd weer teruggeveerd.

Een vooruitbewegende gletsjer heeft ook een grote mechanische invloed. Stromend ijs laat zich door niets tegenhouden en stroomt om of over obstakels heen. Ondertussen neemt het veel materiaal mee en vervormt het bestaande landschappelijke structuren. Kleine verhogingen in de ondergrond, kunnen door het ijs omgevormd worden tot gestroomlijnde, langwerpige heuvels (drumlins). Drumlins zijn asymmetrisch, met de steile kant in de richting waar het ijs vandaan kwam. Vooral in Groningen zijn ze soms nog goed zichtbaar. Hier zijn in het Saalien stuwwallen uit het Elsterien overstroomd en omgevormd, waarbij er keileem op is afgezet.

Het stromende ijs ondervindt aan de voorkant wrijving van de ondergrond, die de gletsjer als het ware terugduwt. Doordat het ijs daarachter door blijft stromen, wordt de gletsjer gedwongen zich in de grond te boren. Dit is onder andere gebeurd bij Amsterdam, waar het ijs zich 125 m de bodem heeft ingegraven. Hierbij wordt veel sediment vooruitgeduwd waardoor een laaggelegen vlakte, een glaciaal bekken, ontstaat. De Gelderse Vallei op de Veluwe en de IJsselvallei zijn nog steeds in het landschap zichtbare overblijfsels van zulke glaciale bekkens. Veel materiaal dat vooruitgeduwd wordt, komt op een grote bult terecht aan het front van de gletsjer. Zo zijn onze stuwwallen ontstaan. Als je de stuwwallen vanuit de lucht bekijkt, kun je precies zien waar het gletsjerfront heeft gelegen. In ons land liggen de verschillende stuwwallen niet allemaal netjes op een rijtje, maar er zijn verschillende stuwwalcomplexen die niet allemaal dezelfde oriëntatie in het landschap hebben. Dit toont aan dat er in ons land geen sprake was van één gletsjerfront, maar van verschillende ijstongen, die vanuit verschillende richtingen kwamen. Stuwwallen werden ook niet uitsluitend aan de voorkant van de gletsjer opgeduwd, maar ook aan de zijkant. De Veluwse stuwwallen zijn daar een mooi voorbeeld van. Gevormd aan de zijkant van de gletsjertong, staan ze vrijwel haaks op de stuwwallen van de Utrechtse heuvelrug, welke gevormd werden aan het front van de centrale gletsjer die over Nederland stroomde.

Gletsjers kunnen ook stukken gesteenten afbreken en meeslepen. Het ijs breekt de stenen door de kracht waarmee het er tegen aan duwt en ook door eventueel water in kleine scheurtjes te bevriezen. Dit water zet dan uit en de scheur wordt groter, tot een stuk steen afbreekt. Afgebroken stukken steen veroorzaken wig-vormige deuken in de ondergrond als ze op de bodem terechtkomen. IJs met daarin stenen en kiezels kan zich ook gedragen als een gigantische rasp ten opzichte van het onderliggende gesteente (abrasie). Dit produceert heel fijn sediment, net zo als het schuren van hout fijn zaagsel oplevert. Stenen kunnen zo gladde, gepolijste oppervlakken krijgen, vaak met lange dunne krassen. Dit zijn glaciale striaties of gletsjerkrassen. Deze striaties worden gevormd door losse stenen die over de bodem bewegen en over het onderliggende gesteente krassen, terwijl ze met het ijs mee vooruit stromen. De striaties lopen parallel aan de stroomrichting van het ijs. In Nederland komen dergelijke krassen niet voor, omdat de ondergrond te zacht is. Er zijn wel losse stenen gevonden met gletsjerkrassen. Ze zaten in de zool van de gletsjer in het ijs geklemd en kregen hun krassen toen ze tijdens hun tocht vanuit Scandinavië over stenige bodem schuurden.

Het materiaal dat door het eroderende geweld van de gletsjer wordt losgemaakt, stroomt met het ijs mee. Gletsjers nemen zo als een lopende band sediment mee van de bron in de bergen naar het gletsjerfront, honderden of duizenden kilometers verderop. Dit sediment kan op het ijs zijn gevallen van de hellingen ter weerszijden van het dal waar de gletsjer doorheen stroomde, of het kan door het stromende ijs uit de ondergrond opgenomen zijn. In beide gevallen wordt het steeds verder van de bron vervoerd, totdat het ijs smelt. Het materiaal dat door het ijs getransporteerd wordt, volgt de stroomlijnen van het ijs. Omdat het ijs in gebogen lijnen stroomt, kan materiaal uiteindelijk weer de bovenkant van een gletsjer bereiken. Zo worden op Antarctica in een gebied waar het ijs tegen bergen aan stroomt, kleine meteorieten omhoog gebracht, lang nadat ze zijn begraven onder sneeuw. Hier ontstaat daardoor een verzamel plaats van meteorieten, waar onderzoekers elk jaar naar toe gaan. De gebogen stroomlijnen zijn het gevolg van een verschil in bewegingsrichting van ijskristallen bij de bron en die aan het front van een gletsjer. De zwaartekracht zorgt voor de beweging van hoofd naar voet. Aan het begin van de gletsjer bewegen ijskristallen echter naar beneden, als gevolg van de druk van de sneeuw die er op valt. Aan de voet van een gletsjer vindt ablatie plaats, waardoor ijskristallen naar boven worden getrokken. Hierdoor krijg je een gebogen stroomlijn voor het ijs. Naast het materiaal dat met het ijs zelf mee stroomt, worden ook nog grote hoeveelheden sediment door smeltwaterstromen onder het ijs meegevoerd.

Al het materiaal dat door de gletsjer wordt meegenomen, blijft uiteindelijk in het landschap achter zodra het ijs smelt. Het materiaal dat bij de voet van de gletsjer accumuleert, vormt de eindmorene. Eindmorenen zijn soms moeilijk te onderscheiden van stuwwallen, die gevormd worden door materiaal dat de gletsjer voor zich uitduwt. Bij Steenwijk liggen de geërodeerde resten van een eindmorene. Stuwwallen hebben vaak een langgerekte vorm en geven aan waar het einde van een gletsjertong was, het zogenaamde gletsjerfront. Een groot deel van het reliëf in Nederland, zoals de Utrechtse Heuvelrug, de Veluwe en de Hondsrug in Drenthe, bestaat uit stuwwallen die gevormd zijn tijdens het Saalien, de laatste keer dat de ijskap tot in Nederland kwam, rond 200.000 jaar geleden. Smeltwater dat vanaf de gletsjer over de stuwwallen heen stroomde, nam klei, leem, zand en grind mee dat van de gletsjer spoelde. Aan de andere kant van de stuwwal werd dit in een waaier afgezet, doordat de stroom van het smeltwater zich over een groot gebied uitspreidde en daardoor minder sterk werd. Vooral grotere deeltjes (zand en grind) werden op deze vlaktes, die spoelzandwaaiers worden genoemd, afgezet. Fijnere klei en de leem kwamen terecht in de smeltwatermeren die door de onophoudelijke aanvoer van smeltwater aan het front van de gletsjer ontstonden. Het water hiervan was wit gekleurd door de fijne leem. Deze 'gletsjermelk' zorgde voor klei-afzettingen op de bodem van de gletsjermeren, die opvallen door een zeer fijne gelaagdheid. Deze gelaagde afzettingen (naar een Zweeds woord warven genoemd) laten het seizoensmatige afsmelten van de gletsjer goed zien.

Onder het ijs bevonden zich tunnels waar smeltwater door heen stroomde. Als deze tunnels worden opgevuld met sediment, blijven ze na het wegsmelten van het ijs zichtbaar in het landschap. Ze vormen dan langgerekte, slangachtige ruggen die door het landschap heen kronkelen. Deze eskers, zoals ze genoemd worden naar het Ierse woord voor verhoging, zijn vooral in Scandinavië en Noord-Amerika te vinden. In Nederland is er één exemplaar bekend, bij Langeveen in Overijssel.

Keileem.

Al het materiaal dat in de zool van de gletsjer werd meegenomen, bleef na het afsmelten liggen. Dit materiaal vormt de grondmorene. Meestal is het een mix van zand, grind en keien, bijeen gehouden door een uiterst fijne en taaie leem. Deze leem bestaat uit de restanten van de bodem of van keien die de gletsjer tijdens het voort denderen over het landschap heeft fijngemalen. Keileem kan afgezet zijn in metersdikke pakketten. Zo ligt onder het nationaal park Dwingelderveld in Drenthe een laag keileem van 8 meter dik. Keileem is erg dicht van structuur en daardoor slecht waterdoorlatend. In Drenthe hebben deze ondoorlatende kleilagen de basis gevormd voor de natte ondergrond waar na de laatste ijstijd veenvorming plaats vond.

Het ijs liet niet alleen het relatief kleine materiaal achter dat keileem vormt, maar ook grote zwerfstenen van soms meer dan een meter doorsnee. De samenstelling van zwerfstenen die gevonden worden boven de lijn van de maximale ijsuitbreiding, laat zien dat ze uit Scandinavië afkomstig zijn. Ze worden dan ook 'noordelijke zwerfstenen' genoemd, dit in tegenstelling tot 'zuidelijke zwerfstenen' die door rivieren vanuit de Alpen en de Ardennen zijn aangevoerd en die ook andere gesteentesoorten bevatten. IJs heeft een veel groter transporterend vermogen dan water. Het is dan ook logisch dat onder de noordelijke zwerfstenen veel grotere exemplaren zitten. Het bekendste gebruik van grote zwerfstenen zijn de hunebedden, zoals die vooral in Drenthe te vinden zijn, waar het ijs veel grote keien heeft laten liggen. Daarnaast zijn zwerfstenen ook gebruikt als bestrating, als fundament voor kerkgebouwen, en voor de aanleg van dijken langs het IJsselmeer. Om deze dijken waterdicht te krijgen werden de gaten tussen de zwerfstenen dichtgesmeerd met een ander handig product dat de gletsjers uit het hoge noorden aanvoerden: keileem.

- Harm van Netten, Naturalis