Geologisch gezien maakt de regio van de stuwwal tussen Nijmegen, Kleef en Mook deel uit van het Noordzeebekken met zijn lange geschiedenis.
Diep in de ondergrond bevinden zich hier dan ook nog steeds mariene sedimenten. Bij boringen in de diepere ondergrond zijn hieruit veel vondsten naar boven gekomen zoals haaientanden, walvisbotten en mariene schelpen. In het museum voor natuur en cultuurhistorie de Bastei in Nijmegen zijn dergelijke bodemschatten te zien en de Geologische Dienst in Krefeld heeft zelfs een compleet walvisskelet gevonden en tentoongesteld.
...we leven in instabiel gebied
Door de opvulling met sedimenten zien we nooit de ware diepte van het wegzakkende Noordzeebekken maar slechts de oppervlakte van de delta die het grootste deel van Nederland vormt.
Door de wisselende zeespiegelstand wisselen in de ondergrond van Nederland zee- en riviersedimenten elkaar met regelmaat af. Concluderend leven we dus, geologisch gezien, in een nogal instabiel gebied. Immers, de ene keer reikte de zeespiegel tot ver boven ons hoofd en de volgende keer kon je van hieruit over de zeebodem naar Engeland wandelen. Zo gebeurde dat niet één keer, maar meerdere malen.
Milankovic cycli
Over de ijstijden wordt nog altijd veel gediscussieerd, maar over de oorzaken komt steeds meer duidelijkheid, zie IJstijd in Wikipedia. Ongeveer over een periode van bijna 300 miljoen jaar is er geen of nauwelijks ijs op onze aarde geweest. Waarom dan plotseling 2.6 miljoen geleden het ijs op de polen en gebergten zich heftig ging uitbreiden is opmerkelijk. Gedacht wordt aan aardas- en aardbaanschommelingen, zie afbeelding 14.
De aardbaan om de zon wisselt tussen ellipsvormig naar cirkelvormig (zie afbeelding 14) en deze cyclus duurt ongeveer 100.000 jaar. Tijdens de ellipsvorm is er een grootste afstand tot de zon die met afkoeling gepaard gaat, het aphelium. Tijdens het perihelium staat de aarde het dichtst bij de zon. Het verschil in zonnestralingsintensiteit tussen een maximaal perihelium en maximaal aphelium kan tot 25% oplopen en bedraagt op dit moment slechts 6%. Ook de aardas verandert van stand, die kantelt (met een periodiciteit van 41.000 jaar) en tolt (precessie met een periodiciteit van 19.000 tot 24.000 jaar). Het is de Servische wiskundige en astronoom Milankovic (ook gespeld als Milankovitch) geweest die het verband tussen deze planetaire factoren en klimaat heeft aangetoond.
Echter deze planetaire factoren waren er door de afgelopen miljarden jaren ook, zelfs al bij het ontstaan van de aarde en zullen ongetwijfeld voor temperatuurschommelingen hebben gezorgd. Echter tot ijsvorming van Pleistocene afmetingen kwam het de afgelopen honderden miljoenen jaren niet omdat in deze periode de aardse temperatuur te hoog was. Pas door afkoeling in het Tertiair door opstapeling van ijs op en isolatie van het continent Antarctica ontstond aan het eind Tertiair een zodanige temperatuur op aarde dat veranderingen in de aardbaan en aardas nu wel het extra zetje konden geven die tot uitbreiding van het pool- en gebergteijs kon leiden. De interglacialen komen dan voor rekening van een zodanige stand van as en baan dat door een toename van de zonne-instraling de temperatuur weer tijdelijk kan oplopen.
Als de aardbaan het minst excentrisch is, worden door een gelijkmatiger zonne-instraling de winters gemiddeld iets warmer en de zomers iets koeler. Daardoor neemt het vochtgehalte gedurende de winter in de atmosfeer toe wat tot meer sneeuw- en ijsvorming leidt. Door de koelere zomers smelt het winterijs niet geheel af en groeit in de loop van de duizenden jaren het landijs aan. Bij een meer excentrische aardbaan gebeurd dus het omgekeerde en wordt de winterse aangroei van ijs in de zomer opgeruimd.
Bedenk dat gedurende het Pleistoceen de aardbaan ongeveer 26 keer veranderd is van maximaal ovaal naar maximaal cirkelvormig en weer terug. De aardas is in deze periode ongeveer 65 keer naar een maximale verticale stand en weer terug gekanteld. Er zijn dus verschillende perioden geweest tijdens het Pleistoceen dat de aarde een koudste, warmste of tussenin positie heeft gekend. Stand van de as en afstand tot de zon kunnen dus ook wat temperatuurinvloed betreft een tegengestelde invloed hebben. Op dit moment valt de winter op het noordelijk halfrond samen met een perihelium bij een gemiddelde kanteling van de aardas en de zomer op het noordelijk halfrond valt dus samen met een aphelium. De askanteling is nu op weg naar meer verticale waarden, echter de excentrische vorm van de aardbaan is op weg naar een minimum en stevenen we weer af naar het begin van een volgende ijstijd.
Zolang er een continent ligt op Antarctica wat geïsoleerd blijft waarbij warmte-uitwisseling met de warmer gebieden op aarde niet volledig kan plaats vinden zal het koude Pleistoceen met zijn ijstijden voorlopig blijven voortduren. Pleistocene temperatuurschommelingen herkent men voornamelijk aan de verschillen in fossiele inhoud van de sedimenten. Recentelijk is daar de succesvolle zuurstof isotopenverhouding 18O/16O in zeesedimenten aan toegevoegd. Het lichtere 16O verdampt sneller dan het zwaardere 18O. In warmer tijden stroomt al dit extra 16O via rivieren terug in zee waardoor de verhouding gelijk blijft in zeewater. In koude perioden echter blijft een deel van dit verdampte 16O in sneeuw en ijs op het land liggen waardoor het achterblijvende 18O in zeewater de verhouding doet toenemen. Deze wisselende verhoudingen zijn dus in o.a. fossielen in zeesedimenten terug te vinden en zo worden klimaatreconstructies mogelijk.
In de aardse geschiedenis zijn er buiten het Pleistoceen nog enkele ijstijdvakken geweest ieder met een onderlinge tijdsafstand van ruwweg een ¼ miljard jaar. Van de twee voorafgaande ijstijden heeft men kunnen aantonen dat door continentverschuiving er een continent kwam te liggen op de zuidpool. Bij de vorige ijstijd (overgang Carboon-Perm) was dat Gondwana, en bij de daaraan voorafgaande ijstijd (Ordovicium-Siluur) was dat een stuk continent waar nu de Sahara gelegen is. In de Sahara zijn op kale rotsbodem gletsjerkrassen uit die tijd gevonden. Van de vierde ijstijd (in het Precambrium) zijn te weinig sporen gevonden om iets over de aanwezigheid van een continent op de Zuidpool te zeggen.
Er zijn dus genoeg aanwijzingen om met enige zekerheid te stellen dat 'ons' Pleistoceen ontstaan is door een combinatie van een geïsoleerd liggend continent op de Zuidpool zonder warmte-uitwisseling met de warmer delen van de aarde en schommelingen in de aardas en aardbaan om de zon.
Ondanks dat wij nu in het Pleistocene ijstijdvak leven is de aanwezigheid van ijs altijd een schaars gebeuren geweest in de totale ruim 4 miljard jaar geschiedenis van de aarde, niet meer dan ruwweg enkele procenten van het totaal. Een factor die verder een rol speelt in temperatuurveranderingen op aarde zijn o.a. veranderingen in de energiehuishouding van de zon zelf. Veel zonnevlekken duiden op een hogere energiestraling van de zon en weinig zonnevlekken duiden op een lager energieniveau. De Kleine IJstijd van een paar eeuwen terug viel samen met een zonnevlekkenminimum. Verder is van belang het percentage broeikasgassen in de atmosfeer zoals het door de mensheid geproduceerde CO2, hetgeen echter niet meer dan een geologisch gezien kortstondige rimpeling vormt te midden van de veel grotere invloed door planetaire schommelingen. Echter een rimpeling die voor de mensheid een grote impact heeft omdat nog nooit zo veel mensen als nu in kustnabije gebieden leven.
De masterfactoren voor ijstijden zijn dus het gelijktijdig voorkomen van geïsoleerde landmassa's op de polen en een 'koudste' stand van de aarde t.o.v. de zon.
De koudste gebieden op aarde zijn altijd de polen geweest maar daar heeft niet altijd land gelegen. Pas met land kun je kilometers dikke ijslagen krijgen, met zee lukt dat niet omdat het ijs aan de onderkant dan weer afsmelt en het koude water over de oceaanbodems wegzakt richting evenaar. Vandaar dat Antarctica nu kilometers dik ijs bevat en de Noordpool slechts enkele meters behalve waar bijvoorbeeld Groenland ligt.
In deze animatie legt Marcel Creemers uit hoe de verschillende componenten die de Milankovitch-cyclus bepalen, samen leiden tot het komen en gaan van ijstijden.