冰河末期地球大解冰

兩萬年前，地球還是一片冰天雪地。是什么原因?qū)е赂采w整個地球的冰雪融化？科學(xué)家致力于尋找冰河末期地球大解凍謎題的答案。

地球大解凍之謎

從紐約城的冰川壺穴到海下森林，在我們周圍到處都留下了冰川主宰世界時代的遺跡。地球最后的大冰期（第四紀(jì)冰期）大約開始于12萬年前，一個厚度超過3千米的巨大冰蓋在這段時期內(nèi)漸漸形成，最后覆蓋了幾乎整個加拿大，并一直延伸到曼哈頓。在地球的另一邊，冰蓋則覆蓋了西伯利亞、北歐和英國的大部分地區(qū)，一直到接近如今倫敦所在的地方。地球其他地方也形成了許多規(guī)模較小的冰原和冰川，而且隨著地球氣候變得越來越干燥，大片地區(qū)變成凍土地帶，沙漠也在不斷擴張。

陸地上積起了厚厚的冰層，海平面比現(xiàn)在低約120米。如今英國和愛爾蘭所在的地方，當(dāng)時是歐洲大陸的一部分；美國佛羅里達州有現(xiàn)在的兩倍大，如今的佛羅里達州西部港市坦帕那時還離海岸很遠；澳大利亞、塔斯馬尼亞和新幾內(nèi)亞島那時都是一片被稱為古莎湖的陸地的一部分。當(dāng)時的地球面貌與如今迥然不同。

到兩萬年前，地球上規(guī)模巨大的解凍時代開始了。在接下來的一萬年里，地球平均溫度上升了3.5℃，地球上的大部分冰雪漸漸融化，上升的海平面吞沒了一些低洼地區(qū)，如英吉利海峽和北海（今天俄羅斯的貝加爾湖），迫使人類祖先放棄了之前的許多定居點。那么，是什么原因促使地球發(fā)生了如此巨變？地球大解凍時代又是如何開始的？

揭開謎底

科學(xué)家早就知道，在冰河末期，隨著地球北半球夏日陽光的增強，地球上的冰雪開始融化。但接下來發(fā)生的事情卻讓他們迷惑不解。例如，在地球開始解凍之后不久，南半球變得溫暖起來，北半球卻變得更冷，與陽光增強的預(yù)期效果正好相反。這個看似矛盾的發(fā)現(xiàn)給人們帶來了極大的困惑。如今，科學(xué)家經(jīng)過將近兩個世紀(jì)的研究探索，終于解開了冰河時代末期地球大解凍之謎。

這個解惑過程始于19世紀(jì)30年代，當(dāng)時路易斯·阿加西斯發(fā)現(xiàn)了受冰川影響而形成的一些地質(zhì)特征，比如冰河在巖床上留下的痕跡，又如在距離如今的冰川很遠的地方發(fā)現(xiàn)的顯然是從其他地方被搬運去的奇特巖石。此后不久，從加拿大到智利，世界各地都有類似的發(fā)現(xiàn)。顯然，冰河期與間冰期曾交替出現(xiàn)，地球周而復(fù)始地經(jīng)歷了一系列的冰河時代。

是什么原因?qū)е卤訒r代開始？又是什么原因?qū)е卤訒r代結(jié)束？1864年，詹姆斯·克羅爾提出，由于地球軌道的改變，導(dǎo)致照射到地球表面不同部分的陽光發(fā)生了變化。他還提出，各種反饋機制將軌道效應(yīng)放大。例如，冰雪融化導(dǎo)致地球反射熱量發(fā)生變化，海洋洋流變化導(dǎo)致地球氣溫發(fā)生變化，等等。

盡管克羅爾在許多細(xì)節(jié)問題的推斷上有錯誤，但他的研究大方向卻是正確的。早在20世紀(jì)，塞爾維亞天文學(xué)家米盧丁·米蘭科維奇在對過去60萬年里的太陽輻射量的變化情況進行精心計算后，提出了著名的“米蘭科維奇周期”，指出北半球夏季的太陽輻射變化是導(dǎo)致地球第四紀(jì)冰期氣候巨變的一個關(guān)鍵因素。米蘭科維奇的理論在當(dāng)時未被人們接受，但20世紀(jì)70年代對海洋沉積物的研究表明，冰河的前進與倒退確與“米蘭科維奇周期”相吻合。

不過，還有許多謎題依然未解。首先，太陽輻射的變化很微小，即使地球冰雪融化導(dǎo)致更多太陽熱量被地球表面吸收，太陽輻射的影響得以放大，仍然難以促成如此全球規(guī)模的巨大變化。更重要的是，當(dāng)北半球的夏季太陽輻射增加時，南半球的太陽輻射卻在相應(yīng)減少。因此克羅爾認(rèn)為冰河時代在兩個半球應(yīng)該是交替出現(xiàn)的：北半球凍結(jié)，南半球解凍，反之亦然。但問題是：整個地球幾乎同時解凍。這是為什么？

這些謎題的答案在上世紀(jì)80年代似乎開始浮出水面。南極冰芯鉆探科學(xué)探險揭露了一個驚人的事實：地球大氣二氧化碳水平的變化與地球溫度變化密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，在過去的幾百萬年里，地球經(jīng)歷了一系列的冰河時代，其間地球大氣二氧化碳水平的變化與地球溫度的上升與下降近乎完美地同步發(fā)生?？茖W(xué)家說：“這是我們所知道的大自然中最奇妙的相互關(guān)系。”

北半球開始解凍不久，二氧化碳水平上升，這解釋了南半球為什么同時變暖，同時也有助于解釋溫度變化幅度為什么如此之大。

大解凍之謎似乎揭開。但是，還有一個重要的問題，這也是科學(xué)家在十年前就已經(jīng)非常清楚的一個事實：南極變暖在二氧化碳水平上升之前幾百年前就已經(jīng)開始了。如此來看，雖然二氧化碳水平上升是造成全球變暖、冰河時代結(jié)束的部分原因，但卻不是最初的觸發(fā)因素，造成全球變暖應(yīng)該另有原因。

隱藏在花粉中的秘密

大解凍之謎并不止于此。20世紀(jì)30年代，科學(xué)家對沉積物中含有的一種名叫“寬葉仙女木”的高山花卉以及其他植物的花粉的研究表明，在冰河末期，當(dāng)歐洲剛開始變暖時，突然又變冷了。這段寒冷時期被稱為“老仙女木期”，大約從17500年前持續(xù)到14700年前。對冰核的研究也顯示，北極格陵蘭島地區(qū)在同一時期也變冷了。

可是，在此期間，南極的溫度仍然穩(wěn)步上升。那么，是什么原因?qū)е略诒卑肭驕囟认陆档耐瑫r，南半球仍然保持溫暖呢？不可能是因為地球軌道變化或二氧化碳水平上升，但有可能與海洋洋流變化有關(guān)：19000年前，隨著巨大的冰原開始融化，驚人數(shù)量的淡水涌入北大西洋。

今天，在北大西洋，來自熱帶的海水在這里變冷，水的密度增大，沉到洋底，這些深海冷流一路流到南半球。而在海洋表面，溫暖的海流——包括墨西哥灣流——則向北流去。這一洋流循環(huán)系統(tǒng)被稱為“大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流”。

19000年前，大量淡水涌入海洋，海水的鹽分被稀釋，海水密度降低，導(dǎo)致洋流循環(huán)速度放緩，其結(jié)果是產(chǎn)生了“拉鋸效應(yīng)”：被表面洋流帶往北半球的熱量大為減少，北半球溫度自然下降；與此同時，南半球熱帶和亞熱帶地區(qū)失去的熱量減少，于是開始變暖。這一理論解釋了許多令人困惑的發(fā)現(xiàn)。大西洋洋流循環(huán)速度放緩也有助于解釋大解凍時期二氧化碳水平上升的原因。

20世紀(jì)90年代，尋找二氧化碳源頭的行動主要集中于南冰洋（也叫南大洋或南極海）。海洋沉積物中的同位素含量表明，冰河時代在海洋深水域積累起了大量的二氧化碳。據(jù)推測，由于減少了海水的垂直對流活動，加上海面被厚厚的海冰封凍，于是二氧化碳被困在了海底。當(dāng)大解凍時代到來之時，封凍海洋的海面冰層融化，這就好像拔掉了一個巨大的瓶塞，海底大部分二氧化碳逃逸到了大氣中?？茖W(xué)家最近對南極冰核中同位素的詳細(xì)分析證實：冰核中的二氧化碳的確來自深海。

南冰洋海水垂直對流增加導(dǎo)致大量二氧化碳外逸的理論已被廣泛接受。

大解凍的理論與依據(jù)

那么，引起南冰洋洋流的變化原因又是什么？有兩種理論。

一種理論認(rèn)為，當(dāng)大西洋環(huán)流停止運轉(zhuǎn)時，取而代之的是南極洲附近海域的翻轉(zhuǎn)環(huán)流。密度較大的海面海水下沉，深層海水上涌，釋放熱量和二氧化碳。這也解釋了南極變暖和二氧化碳上升之間的關(guān)系。

另一種理論認(rèn)為，深層海水上涌增加是受風(fēng)的變化影響。地球上的風(fēng)主要受兩極地區(qū)和熱帶地區(qū)的溫差的影響，以及地球自轉(zhuǎn)的影響，當(dāng)溫差發(fā)生變化時，地球上風(fēng)帶的位置也會發(fā)生變化。冰河時代位于南半球的西風(fēng)帶在冰河末期向北移動，導(dǎo)致“拉鋸效應(yīng)”向南移動越過南冰洋，南極洲氣候變暖，冰凍大陸周圍的海冰開始融化。特別是，受風(fēng)力驅(qū)動產(chǎn)生的大洋環(huán)流在南美洲和南極洲之間的淺海海域?qū)е赂嗪Ｋ嫌俊?/p>

有科學(xué)家對過去22000年里的80種不同的溫度和大氣成分記錄進行分析研究，基本上證實了冰河時代結(jié)束時大解凍事件發(fā)生的先后順序。

大約20000年前，北半球的冰原一直向南延伸到很遠，在那里，只要太陽輻射強度稍有增加，就會導(dǎo)致大面積的冰雪融化，融化的雪水涌入北大西洋，導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)環(huán)流系統(tǒng)關(guān)閉，北半球溫度下降，南半球氣候變暖。這些變化主要源自于17500年前地球表面熱量的重新分配，全球平均溫度上升了0.3℃。

風(fēng)帶或洋流的變化，或者兩個因素兼有，令南冰洋更多深層海水涌上海洋表面，釋放出被困了數(shù)千年的二氧化碳。隨著大氣二氧化碳水平攀升至百萬分之190，整個地球開始變暖，北半球最北方是最慢有所反應(yīng)的。但是，到了大約15000年前，當(dāng)大氣中二氧化碳濃度達到百萬分之240時，大西洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流重新開始加速，氣溫又開始上升。翻轉(zhuǎn)環(huán)流的復(fù)蘇在南半球卻起到了相反的作用：氣候停止變暖，二氧化碳停止釋放。

大約12900年前，“拉踞效應(yīng)”又開始發(fā)揮威力。北緯地區(qū)氣溫突然暴跌，之后的大約1300年里一直持續(xù)寒冷。這股持續(xù)千年的寒流被稱為“新仙女木事件”，據(jù)認(rèn)為是由北美一個巨大的冰湖融化造成的。融化的雪水遠非北美洲五大湖所能容納，于是大量的融化雪水一下子突然涌進大西洋，再次令大西洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流系統(tǒng)關(guān)閉。

與此同時，南半球的海洋又開始釋放二氧化碳，大氣中二氧化碳的含量上升到百萬分之260，導(dǎo)致整個地球在接下來的幾千年里迅速變暖。大約10000年前，原本一片冰雪世界的地球已經(jīng)是舊貌換新顏，冰蓋撤退，海平面上升，人類祖先開始學(xué)習(xí)耕作。

然而，冰河時代至此還沒有真正結(jié)束。在過去的幾百萬年里，冰河經(jīng)歷了幾次前進和撤退，而且兩極地區(qū)的冰雪一直沒有完全融化。不過，從現(xiàn)在開始，大約要不了多長時間，這一天就會到來。太陽輻射強度只稍微增加了一點，二氧化碳濃度漸漸上升了百萬分之70，曾經(jīng)覆蓋整個歐亞大陸和美洲的冰蓋就全部融化了。而自人類開創(chuàng)工業(yè)時代以來，二氧化碳濃度持續(xù)上升了百萬分之130。如果說我們?nèi)祟愃腿氪髿庵械亩趸歼€不足以融化格陵蘭島和南極洲的冰原，那么隨著人類持續(xù)加速這一過程，這一天就為期不遠了。

對于我們來說，幸運的是，可能需要數(shù)千年時間，地球上最后的巨大冰蓋才會徹底消失。如果這一天真的到來，也許未來的南極建設(shè)者有一天會在南極洲融化雪水流過的巖床上發(fā)現(xiàn)一些巨大的冰川壺穴，讓他們反思發(fā)生在這個星球上的另一次巨變。

全球變暖的驚人后果

全球變暖導(dǎo)致的后果可能人人都能背出來：氣溫升高，冰川融化，海平面上升。不過，全球變暖導(dǎo)致的另外一些后果未必人人都知道。

森林大火頻發(fā)：在過去幾十年中，森林大火更頻繁猛烈。研究發(fā)現(xiàn)，森林大火頻發(fā)與氣溫逐漸升高、冰雪提前融化有著很大的關(guān)系。每當(dāng)春天提前來臨、冰雪提早融化時，森林地區(qū)就會變得更干燥，而且干燥的時間會更長。長時間的干燥增加了發(fā)生森林火災(zāi)的概率。

毀壞文物古跡：世界各地的文物古跡都是經(jīng)受住了時間考驗的遠古文明的歷史見證。然而，全球變暖導(dǎo)致的海平面上升和極端天氣最終還是可能波及它們。

山脈反彈：重量級的冰川“鎮(zhèn)壓”著不斷“長高”的山脈。隨著全球變暖，冰雪加速融化，冰層重量減輕，山體反彈將加速。

衛(wèi)星加速：大氣電離層空氣稀薄，但空氣分子仍然會產(chǎn)生阻力，減緩人造衛(wèi)星的運動速度（正因此必須定期推動人造衛(wèi)星回到正確軌道上）。隨著大氣中二氧化碳濃度增加，大氣電離層的空氣密度發(fā)生變化，空氣阻力減小，衛(wèi)星的運動速度會加快。

適者生存：隨著全球變暖，春天來得更早，植物開花期提前，動物如果照常遷徙，有可能錯過它們的食物。那些能較早適應(yīng)環(huán)境變化的物種有更多機會生存繁衍，從而將其隨環(huán)境變化改變了的基因信息傳遞給下一代，最終改變整個族群的基因檔案。

永凍層解凍：全球變暖令地表之下的永久凍土層解凍，使地面下沉，可能導(dǎo)致鐵路、公路和房屋等受損。在高海拔地區(qū)，永久凍土層的解凍可能導(dǎo)致山體崩塌和泥石流。凍土解凍還可能讓古人類遺體出露地面，導(dǎo)致惡疾再度肆虐地球。

湖泊消失：在過去幾十年里，北極消失的湖泊高達125個，而湖泊下的永久凍土層融化被認(rèn)為是湖泊失蹤的罪魁禍?zhǔn)?。?dāng)永久凍土層解凍時，湖水滲漏到土壤中，湖泊的水被排干。從湖泊消失那天起，支持它們的生態(tài)系統(tǒng)也隨之消失了。

北極植物生長旺盛：融化的北極冰川在給低緯度地區(qū)的動植物帶來困境的同時，卻給北極生物群帶來了光明前景。正常情況下，北極植物往往會被困在冰雪中長達數(shù)年之久。而如今，研究發(fā)現(xiàn)，一當(dāng)冰雪在早春提前融化，植物便迫不及待地開始生長。

動物退避三舍：研究發(fā)現(xiàn)，從20世紀(jì)初開始，花栗鼠、老鼠和松鼠等許多動物開始遷移到海拔更高的地方，而其“退避三舍”的原因可能是全球變暖導(dǎo)致其棲息地發(fā)生改變。相同的生存危機也威脅著北極熊等北極生物，因為它們棲身的海冰正在逐漸消融。

過敏癥加?。喝蜃兣€可能讓越來越多的人患上季節(jié)性過敏癥和哮喘。研究顯示，空氣中較高的二氧化碳濃度和不斷攀升的氣溫刺激植物，促使植物開花期提前并產(chǎn)生更多花粉。隨著過敏源到來的時間提前，過敏季節(jié)持續(xù)時間也會延長。