地球为什么会有冰川期?

想象一下芝加哥的天际线。现在再想象一下它被冻在近3公里厚的冰层中。这就是上一个冰川期鼎盛期的地貌。

在地球最近的地质史的范围内,这并没什么稀奇的。在过去的260万年中(也就是“第四纪”),地球经历了超过50次冰川期,期间穿插着较温暖的间冰期。

但是什么导致冰盖和冰川周期性的扩张呢?冰川期受一套复杂又互相联系的因素驱使,包括地球在太阳系中的位置以及更为区域性的影响,比如二氧化碳的水平。科学家仍想试着理解这个系统的运作方式,尤其因为人类造成的气候变化或许已经永久性的打破了这个循环。

直到几百年前,科学家才开始发现上一次冰川期的迹象。19世纪中期,瑞士裔美国籍博物学家Louis Agassiz记录到了冰川留在地球上的印记,比如说出现在不可能位置的岩石,以及被称为冰碛石的巨量碎岩,这使他怀疑是古代的冰川从很远的地方将这些岩石推送到这里的。

到了19世纪末,科学家提出了更新世(260万年前到1.17万年前)期间出现了4次冰川期。不过,几十年后研究者才意识到,这些冰川期来的其实更有规律。

对冰川期循环的理解在19世纪40年代迎来了一个重要突破,当时塞尔维亚的天体物理学家Milutin Milankovitch提出了被后来人称为“米兰科维奇循环”的理论,该理论对于地球运动的深刻见解仍被用于解释今日的气候变化。

伦敦大学学院的古气候学教授Mark Maslin告诉Live Science说,Milankovitch概述了地球轨道随太阳变化的三个主要方式。这些因素决定了有多少太阳辐射(也就是热量)能够抵达地球。

第一是地球围绕太阳轨道的偏心形状,地球的公转轨道会在一个96000年的周期内从近乎圆形变化成椭圆形。Maslin解释说:“这都因为木星,它的质量占太阳系的4%,在这么一个强大引力的作用下,地球轨道的形状会来回改变。”

第二是地球的倾斜度,这也是我们会有四季的原因。地球自转轴的倾斜度意味着一侧半球总会远离太阳(导致冬季),而另一侧半球则总是向着太阳(导致了夏天)。这个倾斜的角度会以一个41000年的周期变化,进而改变季节的极端程度。Maslin说:“如果倾斜的角度更接近直角,那么夏天肯定会没那么热,冬天也就没那么冷了。”

第三就是地球倾斜轴的摆动,它的移动就像是一个大陀螺。“地球的角动量很快,导致地轴也会随之摆动,”Maslin说。这个摆动以20000年的周期出现。

Milankovitch确定,凉爽夏季的轨道条件是冰川期尤为重要的先兆。Maslin表示,一个冰川期的真正诱因是气候系统的基本反馈。科学家仍在梳理有多少种不同的环境因素能够影响到冰川的形成和消融,但是近期研究已经暗示,大气中温室气体的水平起着重要的影响。

比如说,德国波茨坦气候影响研究所(PIK)的科学家已经证明了上一个冰川期的开始主要是因为二氧化碳的减少,而如今由于人为排放,大气中二氧化碳的浓度急剧增加,有可能将下一次冰川期的开始抑制10万年的时间。

“地球上没有哪种力量能像冰川期那样,它塑造了全球的环境并且决定了人类文明的发展,”Hans Joachim Schellnhuber表示,“例如我们如今肥沃的土地就是上个冰川期的恩赐,它同时也塑造出现今的地貌,留下了冰川和河流,形成了峡湾、冰碛石和湖泊。只不过现如今地球未来的决定权落在了人类手中。”

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