Ledāju veidošanos, attīstību un raksturīgos procesus pēta zinātnes nozare – glacioloģija.

Precīzus parametrus (lielumu, ilglaicīgumu, plūsmas ātrumu), lai ledus masu sakopojumu dēvētu par ledāju, ir grūti definēt, bet parasti tiek uzskaitīti tikai tie ledus masu sakopojumi, kuru platība sasniedz vismaz 0,1 kvadrātkilometru, jo mazāku ledāju atšķiršana no ilggadīgiem sniega sakopojumiem (sniegājiem vai sniega laukiem) satelītattēlos ir apgrūtināta. Ledājs sastāv galvenokārt no ledāja ledus, kurš pēc blīvuma atšķiras no sniega un firna. Sniega transformācija ledāja ledū ir pakāpenisks pārveidošanās process (sablīvēšanās un rekristalizācija), kurā vislielākā nozīme ir sniega atkušanai un atkārtotai sasalšanai. Piejūras klimatā ārpus polārajiem reģioniem ledāja ledus var izveidoties dažu sezonu laikā. Savukārt polārajos reģionos, piemēram, Antarktikas ledus vairogu centrālajā daļā, kur ledājiem nav raksturīga virsmas kušana, ledus var veidoties pat 2500 gadus un vairāk nekā 100 m dziļumā. Firns ir pārveidojies par ledu, kad tā blīvums sasniedz 830 kg uz kubikmetru. Firnā, atšķirībā no ledāja, ledus poras starp kristāliem ir savstarpēji savienotas, tādējādi firnā norisinās gaisa apmaiņa ar atmosfēru.

Ledāju veidošanos nosaka klimats – galvenokārt cieto nokrišņu (sniega) daudzums. Būtisks aspekts ir attālums no mitruma avota – okeānisks klimats pretēji kontinentālam klimatam veicina ledāju veidošanos. Ledāji veidosies tikai tur, kur sniegs uzkrāsies un saglabāsies visu gadu, respektīvi, virs sniega līnijas. Tā aptuveni sakrīt ar neitrālās bilances līniju, kas atdala ledāja akumulācijas zonu no ablācijas zonas. Akumulācija ir pārsvarā pār ablāciju augstākā līmenī par neitrālās bilances līnijas augstumu. Ledāju plūšanas rezultātā to lejasdaļa nonāk zemākā augstumā par sniega līniju. Sniega līnijas augstumu ietekmē daudzi reģionāli un lokāli faktori (nokrišņi, temperatūra, ģeogrāfiskā zonalitāte, augstums virs jūras līmeņa, nogāžu ekspozīcija, vējš), bet globāli tās augstums palielinās ekvatora virzienā.

Ledāju plaša izplatība (apledojumi) ir saistīta ar leduslaikmetiem. Kvartāra periodā, kurš aizsākās pirms 2,588 miljoniem gadu, zināmi aptuveni 50 leduslaikmeti (glaciāli) un tikpat daudz starpleduslaikmeti (interglaciāli). Katrā leduslaikmetā var izdalīt augsta (stadiāls) un silta (interstadiāls) klimata periodus. Pirms kvartāra perioda zināmi vēl daudzi laika posmi, kad uz zemeslodes bijuši leduslaikmeti. Senākais zināmais leduslaikmets eksistēja jau arhaja eonā pirms 2,9 miljardiem gadu. Pirms 2,4 miljardiem gadu iestājās Hūrona leduslaikmets. Vēlajā proterozojā leduslaikmets iestājās pirms 850 miljoniem gadu, kad Zemi vairākkārtīgi pārklāja, tā saucamie, kriogēna apledojumi. Šie apledojumi bija visplašāk izplatītie Zemes vēsturē un, iespējams, aizņēma zemeslodes lielāko daļu, tādēļ šo laika posmu dēvē par “sniega bumbas Zemes” (Snowball Earth) periodiem. Turpmākie leduslaikmeti iestājās ediakārā pirms 635 līdz 541 miljonam gadu. Pēc ediakāra perioda, fanerozoja eonā, uz Zemes bija vismaz trīs lieli leduslaikmeti, kuriem katram bija raksturīgi daudzkārtīgi glaciāli–interglaciāli cikli: pirms 500 līdz 420 miljoniem gadu, pirms 370 līdz 250 miljoniem gadu un kvartāra periodā, kurš turpinās joprojām. Ledus laikmetu cēloņi ir cieši saistīti ar klimata pārmaiņu cēloņiem, un tie ietver orbitālos faktorus (Zemes orbītas ekscentritāte, Zemes griešanās ass sašķiebums un precesiju) un neorbitālos faktorus, piemēram, sauszemes un okeānu izvietojumu, litosfēras plātņu dreifu (īpaši sauszemes tiltu un jūras šaurumu veidošanos), tektoniskos, tai skaitā kalnveidošanās (oroģenēzes) un vulkāniskos procesus, atmosfēras sastāva izmaiņas, kosmisko starojumu, Saules ciklus, atmosfēras un okeāna straumju cirkulāciju un citus faktorus. Leduslaikmetu un starpleduslaikmetu cikliskums cieši korelē ar orbitālajiem cikliem.

Ledāji mūsdienās aizņem apmēram 10 % sauszemes platības (16 miljoni km²), un lielākā to daļa atrodas polārajos apgabalos. 99 % ledāju ledus masas (27,6 miljoni km³) ir koncentrēta Antarktikas un Grenlandes ledus vairogos, kas attiecīgi aizņem 13,9 un 1,7 miljonus km² lielu platību – 8,3 % un 1,2 % sauszemes. Kvartāra periodā ledāji varēja pārklāt gandrīz 30 % sauszemes, tai skaitā apmēram 60 % Ziemeļamerikas un 40 % Eirāzijas. Precīzu ledāju skaitu pasaulē noteikt ir grūti, bet pēc Randolfa ledāju inventarizācijas (Randolph Glacier Inventory) datubāzes pasaulē varētu būt vismaz 200 000 ledāji, kuru platība pārsniedz 0,1 km². To aizņemtā platība, kas neiekļauj Antarktikas un Grenlandes segledājus ir apmēram 750 000 km². Kopumā visas pasaules ledāji ir izvietoti 11 makroreģionos: Antarktikā, Arktikas salās, Dienvidamerikā, Ziemeļamerikā, Skandināvijā, Centrāleiropā, Centrālāzijā, Ziemeļāzijā, Āfrikā, Jaungvinejā un Jaunzēlandē.

Izplatītākā ledāju klasifikācija balstās uz to morfoloģiju. Visi ledāji tiek iedalīti divās grupās: topogrāfiski neatkarīgie un topogrāfiski atkarīgie ledāji. Ledājus, kuri pārvietojas pa kalnu ielejām, sauc arī par šļūdoņiem. Topogrāfiski neatkarīgos ledājus jeb segledājus dala ledus vairogos un ledus kupolos. Pēdējo platība ir mazāka par 50 000 km². Lielākie ledus kupoli mūsdienās atrodas Kanādas Arktiskajā arhipelāgā, piemēram, Devona un Agasī ledus kupoli. Līdzīgi kā ledus vairogi arī ledus kupoli pārklāj gandrīz visus reljefa paaugstinājumus un pazeminājumus. To centrālo daļu veido ledusšķirtne, no kuras ledus masas plūst atšķirīgos virzienos. Ledus vairogi mūsdienās eksistē Grenlandē un Antarktikā, turklāt Antarktikā izdala Austrumantarktikas, Rietumantarktikas un Antarktīdas pussalas ledus vairogus. Pleistocēna epohā ledus vairogi klāja plašas platības Ziemeļamerikā (Laurentīdu ledus vairogu komplekss) un Eirāzijā. Eirāzijas ledusvairogu komplekss pēdējā apledojuma maksimālās izplatības laikā pirms apmēram 21 000 gadu sastāvēja no Britu–Īru, Svalbāras–Barenca–Karas jūras un Skandināvijas (Fenoskandijas) ledus vairogiem. Segledāju ledus masu pārvietošanos galvenokārt nodrošina ledus lielplūsmas. Tajās ledus plūsmas ātrums ir no vairākiem simtiem metru līdz pat vairākiem kilometriem gadā. Ledus lielplūsmas nodala starpplūsmu apgabali, kur ledum raksturīga lēna klājplūsma. Segledāju atkāpšanās (deglaciācijas) laikā no ledus lielplūsmām atdalās ledus lobi un mēles. Ledus masas, kuras izplūst ārpus segledāja galvenās daļas, sauc arī par izvadledājiem. Ja segledāji turpinās jūrās, to uzpeldējušās ledus masas veido šelfa ledājus. Visplašāk šelfa ledāji izplatīti Antarktikā, un to aizņemtā platība (1,56 miljoni km²) ir tikai nedaudz mazāka par visu Grenlandes ledus vairogu. Šelfa ledāji ir uzpeldējuši virs ūdens, tādēļ to kušana tiešā veidā jūras līmeni nepaaugstina. No šelfa ledājiem atdalās pasaules lielākie aisbergi un šo procesu sauc par kalvingu. Tas nodrošina ledāju dinamisko ledus masas zudumu.

Topogrāfiski atkarīgie ledāji aizpilda reljefa pazeminājumus, un tos iedala ieleju ledājos, kalnu ledājos, ledus laukos, kā arī pie šiem ledājiem tiek pieskaitītas ātri plūstošas segledāju daļas ­– izvadledāji, ledus lielplūsmas un šelfa ledāji. Vēl eksistē arī akmeņu ledāji, kuri pieder pie periglaciālā apgabala veidojumiem un galvenokārt sastāv no rupjatlūzu materiāla, kuru cementē poru ledus. Kalnu ledājiem izdala šādus apakštipus – cirka jeb kares, virsotņu, nišu, krāteru un nogāžu ledājus. Ja ieleju ledāji no kalnu ielejām izplūst lēzenos priekškalnu līdzenumos, tos dēvē par priekškalnu jeb pjedmonta ledājiem. Tie parasti veido plašus ledus lobus, kuru platums var pārsniegt garumu. Agrāk šo ledāju tipu iekļāva pussegledāju grupā – līdzīgi kā ledus laukus. Ledus lauki ir plašas ledus masas kalnos, kas nepārsedz visus reljefa paaugstinājumus. Virs šiem ledājiem bieži paceļas kalnu virsotnes, kuras sauc par nunatakiem. Ledus lauki sastopami, piemēram, Aļaskā un Patagonijā. Ledus lauki ir arī Skandināvijas kalnu plakanvirsotņu jeb fjellu ledāji.

Ledājus var iedalīt arī pēc to malas dinamikas. Transgresīvajiem ledājiem raksturīga pozitīva masas bilance, un to mala uzvirzās. Stacionārajiem ledājiem raksturīga neitrāla masas bilance, un to mala atrodas stacionārā stāvoklī. Sarūkošiem ledājiem raksturīga negatīva masas bilance, un to mala atkāpjas. Aprimušiem ledājiem ir ne tikai negatīva masas bilance, bet tie ir zaudējuši akumulācijas apgabalu. Būtisks ir ledāju iedalījums pēc termiskās struktūras. Siltos jeb mērenos ledājos ledus viscaur sasniedz kušanas punktu, izņemot pašu augšējo ledus slāni ziemā, un tas satur ūdeni starp ledus porām. Aukstos ledājos ledus nesasniedz kušanas punktu. Šie ledāji nesatur ūdeni, ir piesaluši pie to gultnes un izplatīti galvenokārt polārajos reģionos. Politermālie ledāji satur gan siltu, gan aukstu ledu visdažādākajās proporcijās un telpiski atšķirīgās pozīcijās. Mūsdienu ledus vairogiem ir kompleksa termiskā struktūra, bet kopumā tos var dēvēt par politermāliem. Ledus kušanu zem ledus vairogiem nosaka spiedienkušanas punkta sasniegšana, siltums, kas rodas ledus iekšējās plūsmas (deformācijas) dēļ, un ģeotermālais siltumstarojums.

Ledāju viena no raksturīgākajām pamatiezīmēm ir ledus plūšana, kas piemīt gandrīz visiem ledājiem. Ledus plūšanas dēļ tiek pārvietots milzīgs ledus un atlūzu materiāla apjoms. Ja ledāja pamatnē atrodas silts ledus un raksturīga ūdens klātbūtne, ledājs veic gultnes eroziju. Līdzīgi kā iežu un nogulumu masīviem ledāja ledus var tikt deformēts trausli un plastiski. Trausla deformācija rada plaisas ledājā, savukārt plastiska deformācija izmaina sākotnējo ledāja primāro stratifikāciju. Ledāju plūšanu nodrošina gravitācijas spēks un ledus masu spiediena horizontālais gradients. Galvenie ledāja plūsmas komponenti ir ledus deformācija jeb iekšējā laminārā plūsma, bazālā slīdēšana un ledāja gultnes nogulumu deformācija. Ja ledājs ir piesalis pie gultnes, tā plūsmu nodrošina tikai iekšējā deformācija, savukārt ledāja gultnes deformācija norisināsies tikai silti bāzētos ledājos, kuri pārvietojas pa deformējamu nogulumu gultni. Šim procesam ir noteicošā loma dažādu ledāja gultnes glaciotektonisko reljefa formu veidošanā. Ledājiem, kuru gultne ir veidota no klintsiežiem un tajā atrodas ūdens, būs raksturīga bazālā slīdēšana, kas izpaužas kā laiktelpiski nevienmērīga ledāja slīdēšana pa gultni virs plānas ūdens kārtas.

Ledāju plūsma ir cieši saistīta ar ledāja ūdens noteces sistēmas īpatnībām. Ledāja noteces sistēmā izdala virsledāja, iekšledāja un zemledāja ledājūdeņus, kas rodas galvenokārt ledāja virsmas kušanas dēļ solārās radiācijas ietekmē. Ledāja noteces sistēmas galvenie komponenti ir virsledāja dīķi, ezeri, ūdens straumju gultnes, plaisas un ūdensrijēji, pa kuriem virsledāja ūdeņi ieplūst ledājā, iekšledāja un zemledāja dobumi, tuneļi un ezeri. Pieledāja teritorijā izplūstošie ledājūdeņi veido pieledāja noteci. Ūdens noteci ledājos pēta zinātnes apakšnozare – ledāju hidroloģija.

Senākā ledāju pētījumu metode ir tieši mērījumi un novērojumi par ledāja malas pozīciju izmaiņām. Mūsdienās references ledājos visā pasaulē tiek veikts monitorings, kas ietver tiešus ledus akumulācijas un ablācijas mērījumus. Aizvien vairāk ledājos tiek uzstādītas autonomas meteoroloģiskās novērojumu stacijas, kas fiksē dažādus meteoroloģiskos parametrus. Lielākā daļa mērījumu tiek veikti, izmantojot datus no satelītu mērierīcēm, sensoriem un attēliem. Augstas izšķirtspējas satelītattēlu pieejamība no 1973. gada ļauj noteikt ledāju aizņemtās platības, malas pozīciju un pat to plūsmas ātruma izmaiņas. Ledāju noteces sistēmas īpatnības tiešā veidā tiek pētītas ar glaciospeleoloģisko metodi, respektīvi mērījumiem ūdensrijējos un ledāja tuneļos. Urbumos ledū tiek ievietoti dažādi sensori, kas mēra, piemēram, ūdens līmeni, spiedienu un temperatūru. Netieši ledāja tuneļu izplatību un dažādus ledājūdeņu plūsmas parametrus var noteikt, izmantojot treiserus jeb krāsvielas, kā arī ģeofizikālās metodes, īpaši ģeoradaru.

Ledājūdeņus var pētīt arī ar klasiskām hidroloģiskām metodēm. Aktīvās ģeofizikālās metodes (radiolokācija, elektroizpēte, seismika) ir ļoti noderīgas, lai raksturotu ledāju biezumu, tilpumu, iekšējo struktūru, termiku, kā arī gultnes reljefa īpatnības un nogulumus. Ledāju ledus masas bilance parasti tiek aprēķināta, izmantojot datus no satelītiem, arī mazāko ledāju masas bilance tiek noteikta, izmantojot tiešus akumulācijas un ablācijas mērījumus. Ledāju virsmas augstuma izmaiņas parasti aprēķina, izmantojot lāzera altimetrijas datus vai mērījumos no radariem. Neatkarīga masas bilances metode ir gravitācijas mērījumi no satelītiem, kas ļauj uzreiz novērtēt visa ledus vairoga ledus masas izmaiņas. Mūsdienās visstraujākā attīstība raksturīga glacioloģiskajai modelēšanai. Izmantojot skaitliskos modeļus, tiek veiktas prognozes par ledāju dinamiku nākotnē un saistīto globālo jūras līmeņa kāpumu. Viena no nozīmīgākajām metodēm, ar kuru tiek iegūtas unikālas liecības ne tikai par ledāju attīstību, bet arī par globālajām klimata pārmaiņām, ir ledus urbšana. Garākie ledus serdeņi, kas iegūti Antarktīdā, satur detalizētu informāciju par gandrīz 800 000 gadu ilgu laika periodu. Aktuālākā urbšanas projekta (Beyond EPICA – Oldest Ice), kuru finansē Eiropas Savienība, mērķis ir iegūt ledus serdeni, kas saturētu informāciju par 1,5 miljonu senu pagātni.

Lielākajai daļai ledāju mūsdienās raksturīga negatīva masas bilance. Kopš 20. gs. otrās desmitgades beigām pasaules ledāji vidēji zaudē vairāk nekā 1 metru ūdens ekvivalenta gadā. Straujš ledus masas zudums pasaules ledājiem īpaši raksturīgs kopš 20. gs. sākumā. Ņemot vērā mūsdienu klimata pasiltināšanos, aptuveni puse no šiem ledājiem (neskaitot ledus vairogus) varētu nokust jau līdz 21. gs. beigām. Negatīva masas bilance raksturīga arī Grenlandes un Antarktikas ledus vairogiem kopumā. Piemēram, Grenlandes ledus vairogs laika posmā no 2003. līdz 2016. gadam katru gadu zaudēja 255 ± 15 gigatonnas (miljardus tonnu) ledus, kas ir aptuveni trīs reizes vairāk nekā periodā pirms 2003. gada. Līdzīgi arī Antarktikas ledus vairogi kopš 2003. gada katru gadu zaudē vairāk nekā 100 gigatonnas ledus, tādējādi līdz 2100. gadam globālais jūras līmenis var paaugstināties līdz pat 40 cm tikai šo ledus vairogu kušanas dēļ. Līdzīgu jūras līmeņa kāpumu var izraisīt pārējo ledāju kušana un okeānu termālā izplešanās, tiem sasilstot. Ledāju kušana rada draudus cilvēcei gan saistībā ar globālā jūras līmeņa kāpumu (ledus vairogi, tiem nokūstot, pilnībā paaugstinātu jūras līmeni par apmēram 65 m), gan saistībā ar riskiem, kas radīsies ledājūdeņu trūkuma dēļ (piemēram, ūdens trūkums irigācijai, hidroelektroenerģijas ražošanai vai dzeramā ūdens nepietiekamība).

Cilvēku darbības ietekme uz ledājiem galvenokārt ir saistīta ar siltumnīcefektu izraisošo gāzu koncentrācijas paaugstināšanos atmosfērā, kas izsauc globālu atmosfēras un okeānu temperatūras palielināšanos, līdz ar to veicinot aizvien straujāku ledāju kušanu un atkāpšanos. Aptuveni trīs ceturtdaļas no siltuma, kuru absorbē Pasaules okeāns, tiek absorbēts tieši Dienvidu okeānā, kas apskalo Antarktiku. Globālās sasilšanas efekts visvairāk izpaužas tieši polārajos reģionos, kur koncentrēta lielākā ledāju daļa. Antropogēnā ietekme mūsdienās novērojama visās dabas sistēmās, tai skaitā ledājos, kur ledus slāņi uzkrāj informāciju par atmosfēras sastāva mainību. Ledus serdeņos iespējams konstatēt gan radioaktīvos elementus no atombumbu izmēģinājumiem, gan sfērisko oglekļa daļiņu koncentrācijas pieaugumu, kas radās fosilā kurināmā straujās izmantošanas dēļ, īpaši pēc 19. gs. vidus. Tāpat arī ledājos atrodami noturīgie piesārņotāji un mikroplastmasa.