南極洲

　　在過去的大部分時間裏，我們(men) 的地球溫度都要比現在更熱，有時甚至熱很多。但是，也有時候，地球溫度比現在更冷。科學家可能永遠無法知道，在地球大約45.4億(yi) 年的歲月中，哪個(ge) 時期絕對最冷。但是研究人員發現了一些競爭(zheng) 選手。所有這些寒冷的時期，都被認為(wei) 是古老的冰河時期。

　　最冷的天氣出現在約20億(yi) 年前，在大氣層氧氣含量上升後。更多極度深寒則出現在7.5億(yi) 年前到6億(yi) 年前。雖然科學家對這些時期的冰川覆蓋範圍沒有統一結論，但有證據表明，在赤道地區，冰川幾乎落到海平麵高度。

　　在過去的幾百萬(wan) 年中，冰川時不時地覆蓋著北半球的廣袤地區。盡管沒有近乎全球性冰川那麽(me) 嚴(yan) 重，但更新世的冰河時期可能帶來了過去五億(yi) 年中最寒冷的氣候。部分最嚴(yan) 峻的寒冷氣候大約發生在兩(liang) 萬(wan) 年前。

現代地球上最寒冷的地方位於(yu) 南極洲東(dong) 部的冰穹A和冰穹F之間的一個(ge) 高脊處。每年，日本南極洲科考隊的科學家會(hui) 從(cong) 南極洲海岸前往冰穹F的科考站。

　　研究岩石記錄

　　冰河時期是指全球氣溫低於(yu) 正常水平，冰川和冰蓋也超過正常水平的時期。冰河時期不會(hui) 導致持續的寒冷氣候。相反，中間也夾雜著相對溫暖的時期。因此，冰河時期其實是前進冰川（冰期）和後退冰川（間冰期）的混合。盡管相對溫暖，間冰期仍是冰河時期的一部分。

　　那科學家是如何知道古代冰河時期出現的呢？顯然，大陸規模的冰川向赤道蔓延的時候，溫度計還沒有出現。過去冰河時期的證據，其實來自於(yu) 地質學。十九世紀初，科學學科出現後不久，地質學家便開始尋找古代冰塊留下的線索。地質學家意識到，冰川可能會(hui) 在基岩上留下巨大的劃痕，並把岩石移動到遙遠的地方——往往是將岩石扔進大海。

來自遠方的岩石落在海洋的邊緣，暗示存在古老的冰川活動。這塊漂石“擱淺”在德國呂根島阿科納角的淺水中。

　　一旦發現更新世（大約260萬(wan) 年前到11000萬(wan) 年前）的冰川作用痕跡，地質學家就可以知道如何在古老的岩石上識別這些痕跡。將冰川作用的證據與(yu) 板塊運動和大陸漂移的證據相結合之後，地質學家就可以分辨出億(yi) 萬(wan) 年前的冰川活動。那時的各個(ge) 大陸構造，與(yu) 如今的截然不同。

一直以來人們(men) 將一些地質現象視為(wei) 諾亞(ya) 洪水造成的結果。但十九世紀的一位英國地質學家威廉·巴克蘭(lan) 德認為(wei) ，這是冰川作用的證據。他因此成為(wei) 冰河時代理論的擁護者。

　　總體(ti) 而言，科學家已經從(cong) 地質紀錄中確定該了十幾個(ge) 冰河時期，其中有幾個(ge) 冰河時期就發生在最近的五億(yi) 年前。有些更古老的冰河時期可能更加嚴(yan) 峻，很有可能是我們(men) 地球曆史上最寒冷的冰河時期。

　　氧氣含量上升與(yu) 氣溫下降

　　迄今為(wei) 止，從(cong) 地質紀錄中發現的最古老冰河時期為(wei) 休倫(lun) 冰河時期。至少其中一個(ge) 冰期導致了被地質學家稱為(wei) “雪球地球”的事件，即整個(ge) 地球或幾乎整個(ge) 地球都被冰雪覆蓋。算上期間夾雜的幾個(ge) 非冰期，整個(ge) 休倫(lun) 冰河時期出現於(yu) 24億(yi) 年前到21億(yi) 年前，其成因很有可能是微觀生命的變化。

　　古生物學家推測，當35億(yi) 年前，微生物剛出現在地球上時，它們(men) 既不消耗氧氣，也不需要氧氣。其實，生命演化之初，地球的大氣曾與(yu) 我們(men) 如今看到的大氣大相徑庭。盡管氮氣含量可能相當，但其他氣體(ti) 含量要麽(me) 比現在多很多，要麽(me) 比現在少很多。二氧化碳含量可能是當前水平的10倍到2500倍，而甲烷含量可能也是當前水平的10000倍以上。那時的大氣中，幾乎沒有氧氣。

年輕的地球概念圖。地球大氣中氧氣含量上升之前，我們(men) 的地球看上去可能不是一個(ge) 淡藍色的星球，而更像是一個(ge) 淺橙色的星球。

　　科學家們(men) 一直在討論，到底從(cong) 什麽(me) 時候開始，微生物學會(hui) 了光合作用，並生成副產(chan) 物氧氣。科學家們(men) 給出的估計範圍大約是在35億(yi) 年前到25億(yi) 年前。最古老的氧氣製造者可能是現代藍藻細菌或藍藻的祖先。

　　首先，這些早期光合作用生命產(chan) 生的氧氣會(hui) 與(yu) 海洋中的鐵元素發生反應，從(cong) 而在海底形成一層又一層的鐵鏽般沉積物。之後，氧氣才開始在大氣中積累。有些氧氣與(yu) 甲烷發生反應，生產(chan) 二氧化碳和水。與(yu) 此同時，能進行光合作用的微生物種群數量持續增長，又消耗了更多的二氧化碳。

現代藍藻細菌（俗稱藍藻）的祖先可能是地球上首批氧氣製造者，並帶來了氣候的重大變化。

　　二氧化碳是一種溫室氣體(ti) ，甲烷則是一種更強大的溫室氣體(ti) 。當大氣中這些溫室氣體(ti) 的濃度下降時，全球氣溫也隨之驟降，最終導致地球進入到一係列的冰河時期。休倫(lun) 冰河時期和間雜的非冰期大約共持續了3億(yi) 年之久。有證據表明，當時的冰川在赤道地區接近海平麵的高度。（如今赤道地區仍有冰雪覆蓋，但僅(jin) 限於(yu) 高海拔位置。）

　　這些冰河時期的地質證據最早於(yu) 1907年在休倫(lun) 湖附近的冰川沉積物中被發現。自那以後，地質學家在北美其他地區，以及南非、西澳大利亞(ya) 和歐洲東(dong) 北部均發現了更多冰河時期的地質證據。

這塊落石位於(yu) 加拿大安大略省懷特菲斯瀑布附近，休倫(lun) 湖的北岸。22億(yi) 年前，在漂浮的冰川作用下，這塊石頭“定居”在海底的沉積物中。

　　氧氣含量的上升，在使得地球越來越寒冷的同時，也促進了呼吸氧氣的複雜生命的演化，並形成了地球的臭氧層。臭氧層又可以保護地球生命免受紫外線輻射的傷(shang) 害。

　　極寒再次來襲

　　在地球曆史中的成冰紀期間，極寒再次來襲。在7.5億(yi) 年前到6億(yi) 年前，地球至少兩(liang) 次陷入極度深寒。由於(yu) 成冰紀屬於(yu) 前寒武紀元古宙新元古代，期間發生的極寒事件有時也被稱為(wei) “新元古代雪球地球”。

　　科學家們(men) 仍在繼續討論新元古代的冰凍成因，以及隨後又解凍的原因。火山可能是讓地球進入冰川期，又讓地球走出冰川期的背後力量。大約7.5億(yi) 年前，多數大陸聚集在赤道附近。在這片聚集在一起的大陸中，地質學家已經找到所謂的“大火成岩省”的證據。這裏的“大”，隻是一種保守的說辭。你可以想象一個(ge) 麵積如大陸般遼闊的火山活動區域。如此龐大的火山爆發，或許可以用兩(liang) 種方式，使地球冷卻。

曾經的赤道大火成岩省證據，保存於(yu) 加拿大努納武特地區。該赤道大火成岩省或開啟了成冰紀。火山物質侵入較古老岩層，穿過古老的沙色岩石。覆蓋海岸線的冰川消退後，海岸線上升，形成淺色的岩石帶。

　　當火山釋放出二氧化硫時，該氣體(ti) 會(hui) 在大氣中發生各種化學反應，形成極易反光的硫酸鹽。硫酸鹽顆粒猶如數十億(yi) 個(ge) 微型鏡子，可以阻擋陽光。硫酸鹽的冷卻潛力在地球的赤道附近尤其明顯。同樣地，火山噴發會(hui) 帶出的大量玄武岩，隨之而來的岩石風化也會(hui) 冷卻地球。隨著時間的流逝，雨水、風和化學變化等會(hui) 侵蝕火山岩。滲入岩石的雨水和地下水可以溶解二氧化碳，將二氧化碳從(cong) 大氣中剝離出來，最終使其形成為(wei) 諸如石灰石一類的碳酸鹽礦物。

　　如果全球氣溫下降得足夠快，冰塊就會(hui) 開始積聚，而冰塊反射大部分太陽光的能力又進一步降低了地球的溫度。

　　地質學家已經確定了新元古代的兩(liang) 個(ge) 冰期：斯圖特（Sturtian）冰期，大約在7.2億(yi) 年前到6.6億(yi) 年前；和馬裏諾（Marinoan）冰期，大約在6.4億(yi) 年前到6.35億(yi) 年前。這兩(liang) 個(ge) 冰期留下的岩石層顯示了迄今為(wei) 止在地質紀錄中發現的極寒冰期的最廣泛證據。

　　在這兩(liang) 個(ge) 極寒的冰期之間，地球似乎還經曆了同樣極端的溫室氣候。這一極端氣候的根源，或許仍與(yu) 火山活動有關(guan) 。

　　長期來看，火山釋放的二氧化碳和岩石風化消耗的二氧化碳，可以互相製約。但是，由於(yu) 幾億(yi) 年前冰層覆蓋了幾乎整個(ge) 地球，氣候變得太冷而無法產(chan) 生大量降水，岩石風化過程逐漸放緩。同時，增加的海冰又減少了藍藻細菌在海洋表麵獲得光照的能力，光合作用也變少了。

土衛二表麵是一層冰凍的海洋。在其冰凍層下麵，可能藏有液態水和生命所必需的成分。如果地球曆史上最嚴(yan) 峻的冰河時期是真正的雪球地球事件——沒有開闊的海洋，那麽(me) 我們(men) 的地球可能看起來就像一個(ge) 超大號的土衛二。

　　但是，火山仍在不斷釋放二氧化碳。沒有了岩石風化或光合作用活動消耗大氣中的二氧化碳時，這種溫室氣體(ti) 就會(hui) 一直積累，進而導致全球氣溫逐漸升高。一旦氣候變暖，足以融化熱帶的冰塊時，溫度上升就會(hui) 加速。在失去大量可以反射光的冰塊後，地球又可以吸收更多的太陽能。隨後的大融化可能會(hui) 引起劇烈、快速的岩石風化，最終開啟第二次冰期。

　　和休倫(lun) 冰河時期一樣，在成冰紀的冰期，赤道附近的冰川也接近海平麵。但是，新元古代的冰川覆蓋程度——無論是雪球地球還是融雪球地球——仍是一個(ge) 活躍的研究領域。

　　最近的冰期

　　岩石記錄顯示，盡管地質學家已經發現多個(ge) 冰河時期的證據，但是在過去的5億(yi) 年中，休倫(lun) 冰河時期和成冰紀冰期最為(wei) 嚴(yan) 峻。盡管3億(yi) 年前到2.5億(yi) 年前出現的寒冷氣候或許可以與(yu) 之一較高下，但過去5億(yi) 年內(nei) 發生的最嚴(yan) 峻冰期也可能是最近的一次冰河時期。

　　這次冰期發生於(yu) 更新世時期，大約起始於(yu) 260萬(wan) 年前，一直持續到大約1.1萬(wan) 年前。

　　和其他冰河時期一樣，這最近的一次冰河時期也帶來了一係列的前進冰川和後退冰川。事實上，嚴(yan) 格來說，我們(men) 目前仍處於(yu) 冰河時期。我們(men) 眼下正好生活在間冰期而已。

整個(ge) 人類文明——從(cong) 最早的文字（如楔形文字）到智能手機等——都發生在間冰期。

　　大約5000萬(wan) 年前，地球溫度升高，以至於(yu) 極地冰蓋都融化了。但是從(cong) 那之後，地球的溫度一直在下降。大約從(cong) 3400萬(wan) 年前開始，南極冰蓋再次逐漸形成。南美洲與(yu) 南極洲或許也因此分離，開辟出德雷克海峽。除了給幾代的航海者帶來挑戰之外，德雷克海峽還創造了南極繞極流。這個(ge) 環繞南極洲由西向東(dong) 的洋流，減少了抵達南極洲的海洋熱量，使得南極洲的冰層得以繼續形成和增長。

狂風巨浪讓穿越德雷克海峽之旅令人尤其難忘。德雷克海峽或許也促進了南極洲冰蓋的發展。

　　地球進入其最近的冰河時期可能跟另一個(ge) 地殼運動也脫不開關(guan) 係。巴拿馬地峽形成於(yu) 450萬(wan) 年前，是南北美洲之間的陸橋。在巴拿馬地峽形成之前，大西洋和太平洋可以自由地交換熱帶海水。但是巴拿馬地峽的出現，阻斷了兩(liang) 大洋之間的海水交換，並時溫暖的鹹海水一路北上，進而增加了北半球高緯度地區的降水量。積雪漸漸累積成為(wei) 冰川，最終變為(wei) 冰蓋。這些巨大的反光冰塊又讓地球的冷卻趨勢得以延續。

　　一旦地球寒冷到足以形成冰蓋的程度，這些冰蓋會(hui) 在2萬(wan) 年到1萬(wan) 年的時間範圍內(nei) 增加或減少，部分原因在於(yu) 米蘭(lan) 科維奇循環。地球軌道上的這些可預測的變化包括離心率（地球繞太陽軌道的變化）、轉軸傾(qing) 角（地球轉軸傾(qing) 斜角度的變化）以及軌道進動（地球自轉軸方向的擺動）。這些變化可以通過改變地球表麵獲得的太陽能分布，來影響氣候。

大約2萬(wan) 年前，在更新世冰河時期的最後一次最大冰期期間，冰層覆蓋了北美和歐亞(ya) 大陸的大部分地區。

　　最近的一次極寒冰期大約發生在2萬(wan) 年前。當時的全球氣溫可能比今日的氣溫低10華氏度左右（5攝氏度）。在更新世冰河時期最寒冷的時候，冰蓋延伸到北美洲和歐亞(ya) 大陸的大部分地區。若沒有這些冰蓋和後續的融化，我們(men) 今天就不會(hui) 有五大湖、尼亞(ya) 加拉大瀑布以及華盛頓州和俄勒岡(gang) 州的河道疤地。

大約1.2萬(wan) 年前，融水開始從(cong) 尼亞(ya) 加拉斷崖溢出。今天，每秒大約有3160噸水流經尼亞(ya) 加拉大瀑布，是更新世冰河時期的一個(ge) 長久遺產(chan) 。

　　大規模冰蓋什麽(me) 時候會(hui) 再向著赤道地區前進呢？它們(men) 可能不會(hui) 按照米蘭(lan) 科維奇循環預測的時間卷土重來。米蘭(lan) 科維奇循環對全球氣候的影響各不相同，有的更明顯，有的則不那麽(me) 明顯。當大氣層中的二氧化碳含量超過百萬(wan) 分之三百時，該氣體(ti) 的貯熱能力將足以抵消更加微妙的米蘭(lan) 科維奇循環。當前，大氣層中的二氧化碳含量已經超過了百萬(wan) 分之四百，又由於(yu) 二氧化碳是一種長期存在的氣體(ti) ，如此高水平的含量或許可以持續數千年。這並非是說，下一個(ge) 冰期永遠不會(hui) 到來，隻是可能會(hui) 遲到一些時候而已。


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