Une calotte glaciaire est un glacier d’eau douce très étendu, s’écoulant dans différentes directions sur un socle rocheux. S’il est suffisamment vaste on parle d’inlandsis. Il n’y a que deux inlandsis encore en activité aujourd’hui, celui du Groenland et celui de l’Antarctique. Une calotte polaire se forme par une accumulation de précipitations neigeuses durant de très longues périodes. Au fil des ans, cette neige se compacte sous le poids des précipitations suivantes et se transforme en glace. L’épaisseur d’une telle calotte peut atteindre plusieurs centaines de mètres, voire plusieurs kilomètres d’épaisseur. C’est également le poids de cette couche, s’exerçant verticalement, qui pousse la masse de la glace horizontalement, vers les parties basses, donc vers les côtes. La vitesse de déplacement est donc plus grande à la périphérie de la calotte que dans sa région centrale. Lorsqu’elle s’écoule sur la mer, la glace y forme des plateformes glaciaires (ice shelves en anglais, un terme parfois utilisé en français). Durant l’été, ces plateformes se fragmentent et forment des icebergs.Les masses d’eau douce retenues dans deux grands inlandsis actuels, en Antarctique et au Groenland, représentent de très grands volumes. Au cours du temps, leurs variations en augmentation ou en diminution influent de manière importante sur le niveau de l’océan mondial.

Depuis les années 1960, les forages dans les calottes polaires permettent d’accéder aux archives climatiques accumulées dans la glace depuis des millénaires. La composition isotopique de la glace et notamment la teneur en deutérium et en oxygène 18 (deux isotopes remarquables respectivement de l’Hydrogène et de l’Oxygène) permet de reconstruire quantitativement les variations passées de température. Les bulles d’air emprisonnées dans la glace préservent des échantillons de l’atmosphère de chaque époque tandis que les poussières et les aérosols témoignent de l’activité des sources comme les volcans et de l’intensité de la circulation atmosphérique. Le forage de 3623 m de profondeur de Vostok en Antarctique de l’Est, fruit d’une collaboration Russie/USA/France, avait notamment permis en 1999 d’accéder pour la première fois à des enregistrements couvrant 420.000 ans d’histoire du climat. Le forage EPICA a permis d’extraire une carotte glaciaire à 3.260 mètres de profondeur révélant le climat des 800.000 dernières années. Les glaces polaires constituent les seules archives qui, sur les mêmes échantillons, donnent accès à des informations à la fois sur la modification du climat de notre planète et sur celle de la composition de l’atmosphère. L’analyse des carottes de glace joue, en conséquence, un rôle essentiel dans la compréhension des différents mécanismes impliqués dans l’évolution naturelle du climat au cours des derniers grands cycles de périodes glaciaires et interglaciaires. Trois kilomètres de carottes de glace ont été extraits du site de Dôme C en Antarctique, ce qui a permis aux chercheurs de révéler les secrets du climat des 800 000 dernières années, représentant à ce jour la plus ancienne reconstitution climatique jamais obtenue.

The Cape Roberts Project fut aussi un des programmes de recherche majeurs entre 1997 et 1999, mené par des scientifiques de Nouvelle-Zélandes, d’Australie, d’Allemagne, de Grande-Bretagne, d’Italie et les États-Unis qui ont foré des strates sur la Mer de Ross dans le but de connaitre plus en détail le passé climatique et tectonique de la région. Lors de travaux de recherche portant sur l’apparition et la chronologie de formation de la calotte polaire en Antarctique il y a 34 millions d’années, les paléoclimatologues ont identifié un seuil critique de CO2 qui pourrait mener à une fonte massive des glaces. Basé sur les taux de CO2 sous lesquels les dépôts de glace se sont formés, les scientifiques estiment que la calotte Antarctique sera à son plus haut point de vulnérabilité lorsque l’on atteindra les 600 ppm (partie par million) dans l’atmosphère. La concentration des gaz à effet de serre a atteint les 400 ppm l’année dernière, bien loin des 280 ppm de l’ère préindustrielle. Au rythme actuel d’après certains chercheurs, il est probable que l’on atteigne les 600 ppm avant la fin du siècle. La fonte complète des calottes polaires entrainerait une hausse de 60 mètres et une modification des terres émergées par la submersion des côtes les plus basses.

L’étude a été réalisé sur une carotte sédimentaire d’environ 900 mètres de long forée en 1999 sur la côte est de l’Antarctique. Celle-ci a fourni les enregistrements détaillés des caractéristiques chimiques des sédiments accumulés sur une période qui va de -34 à -31 millions d’années, ce qui semble mettre en évidence une formation de la calotte en deux étapes. Lorsque le CO2 est descendu sous les 750 ppm et que la première couche de glace est apparue il y a 34 millions d’années, elle était fine et uniquement sur les terres émergées. Suivant les fluctuations solaires, cette couche était sensible aux variations rapides des températures. Mais lorsque le CO2 est descendu encore plus bas, sous le seuil des 600 ppm il y a 32,8 millions, la couche de glace s’est stabilisé face à un éventuel changement climatique, puis a pris de l’expansion provoquant une baisse du niveau des mers. Si le niveau de CO2 remonte au-dessus du seuil des 600 ppm, la calotte polaire arctique risquerait une fonte massive et rapide. Les données renforcent l’idée que la diminution du niveau de CO2 facilite la formation de glaces. L’expansion des calottes a par la suite sans doute contribué à une baisse des températures grâce à l’effet miroir que l’on mesure par l’indice d’albédo.

L’hypothèse de la Terre boule de neige suppose que la surface de la Terre fut entièrement couverte de glace, il y a plus de 650 millions d’années. Cette hypothèse est généralement acceptée par la communauté des géologues, parce qu’elle est la meilleure explication de sédiments d’origine apparemment glaciaire, découverts à des paléolatitudes tropicales, ainsi que d’autres aspects difficilement explicables des archives géologiques. Les adversaires de cette hypothèse contestent que ces traces prouvent une glaciation globale, estiment géophysiquement difficile que l’océan soit entièrement recouvert de glace, ou mentionnent la difficulté de ressortir d’une situation entièrement gelée. Certaines questions restent encore sans réponse, en particulier celle de savoir si l’océan était complètement pris dans les glaces, ou si une étroite bande équatoriale restait liquide. Ces épisodes ont eu lieu avant la soudaine multiplication des formes de vie connue sous le nom d’explosion cambrienne, et le dernier d’entre eux pourrait avoir déclenché l’évolution de la vie multicellulaire..