自然科普:我們的地球曾經(jīng)寒冷到什么程度?
來(lái)源:新浪科技
發(fā)布時(shí)間:2021-03-09
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科學(xué)家可能永遠(yuǎn)無(wú)法知道,在地球大約45.4億年的歲月中,哪個(gè)時(shí)期絕對(duì)最冷。但是研究人員發(fā)現(xiàn)了一些競(jìng)爭(zhēng)選手……

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南極洲

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  在過(guò)去的大部分時(shí)間里,我們的地球溫度都要比現(xiàn)在更熱,有時(shí)甚至熱很多。但是,也有時(shí)候,地球溫度比現(xiàn)在更冷??茖W(xué)家可能永遠(yuǎn)無(wú)法知道,在地球大約45.4億年的歲月中,哪個(gè)時(shí)期絕對(duì)最冷。但是研究人員發(fā)現(xiàn)了一些競(jìng)爭(zhēng)選手。所有這些寒冷的時(shí)期,都被認(rèn)為是古老的冰河時(shí)期。

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  最冷的天氣出現(xiàn)在約20億年前,在大氣層氧氣含量上升后。更多極度深寒則出現(xiàn)在7.5億年前到6億年前。雖然科學(xué)家對(duì)這些時(shí)期的冰川覆蓋范圍沒(méi)有統(tǒng)一結(jié)論,但有證據(jù)表明,在赤道地區(qū),冰川幾乎落到海平面高度。

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  在過(guò)去的幾百萬(wàn)年中,冰川時(shí)不時(shí)地覆蓋著北半球的廣袤地區(qū)。盡管沒(méi)有近乎全球性冰川那么嚴(yán)重,但更新世的冰河時(shí)期可能帶來(lái)了過(guò)去五億年中最寒冷的氣候。部分最嚴(yán)峻的寒冷氣候大約發(fā)生在兩萬(wàn)年前。

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現(xiàn)代地球上最寒冷的地方位于南極洲東部的冰穹A和冰穹F之間的一個(gè)高脊處。每年,日本南極洲科考隊(duì)的科學(xué)家會(huì)從南極洲海岸前往冰穹F的科考站。

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  研究巖石記錄

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  冰河時(shí)期是指全球氣溫低于正常水平,冰川和冰蓋也超過(guò)正常水平的時(shí)期。冰河時(shí)期不會(huì)導(dǎo)致持續(xù)的寒冷氣候。相反,中間也夾雜著相對(duì)溫暖的時(shí)期。因此,冰河時(shí)期其實(shí)是前進(jìn)冰川(冰期)和后退冰川(間冰期)的混合。盡管相對(duì)溫暖,間冰期仍是冰河時(shí)期的一部分。

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  那科學(xué)家是如何知道古代冰河時(shí)期出現(xiàn)的呢?顯然,大陸規(guī)模的冰川向赤道蔓延的時(shí)候,溫度計(jì)還沒(méi)有出現(xiàn)。過(guò)去冰河時(shí)期的證據(jù),其實(shí)來(lái)自于地質(zhì)學(xué)。十九世紀(jì)初,科學(xué)學(xué)科出現(xiàn)后不久,地質(zhì)學(xué)家便開始尋找古代冰塊留下的線索。地質(zhì)學(xué)家意識(shí)到,冰川可能會(huì)在基巖上留下巨大的劃痕,并把巖石移動(dòng)到遙遠(yuǎn)的地方——往往是將巖石扔進(jìn)大海。

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來(lái)自遠(yuǎn)方的巖石落在海洋的邊緣,暗示存在古老的冰川活動(dòng)。這塊漂石“擱淺”在德國(guó)呂根島阿科納角的淺水中。

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  一旦發(fā)現(xiàn)更新世(大約260萬(wàn)年前到11000萬(wàn)年前)的冰川作用痕跡,地質(zhì)學(xué)家就可以知道如何在古老的巖石上識(shí)別這些痕跡。將冰川作用的證據(jù)與板塊運(yùn)動(dòng)和大陸漂移的證據(jù)相結(jié)合之后,地質(zhì)學(xué)家就可以分辨出億萬(wàn)年前的冰川活動(dòng)。那時(shí)的各個(gè)大陸構(gòu)造,與如今的截然不同。

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一直以來(lái)人們將一些地質(zhì)現(xiàn)象視為諾亞洪水造成的結(jié)果。但十九世紀(jì)的一位英國(guó)地質(zhì)學(xué)家威廉·巴克蘭德認(rèn)為,這是冰川作用的證據(jù)。他因此成為冰河時(shí)代理論的擁護(hù)者。

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  總體而言,科學(xué)家已經(jīng)從地質(zhì)紀(jì)錄中確定該了十幾個(gè)冰河時(shí)期,其中有幾個(gè)冰河時(shí)期就發(fā)生在最近的五億年前。有些更古老的冰河時(shí)期可能更加嚴(yán)峻,很有可能是我們地球歷史上最寒冷的冰河時(shí)期。

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  氧氣含量上升與氣溫下降

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  迄今為止,從地質(zhì)紀(jì)錄中發(fā)現(xiàn)的最古老冰河時(shí)期為休倫冰河時(shí)期。至少其中一個(gè)冰期導(dǎo)致了被地質(zhì)學(xué)家稱為“雪球地球”的事件,即整個(gè)地球或幾乎整個(gè)地球都被冰雪覆蓋。算上期間夾雜的幾個(gè)非冰期,整個(gè)休倫冰河時(shí)期出現(xiàn)于24億年前到21億年前,其成因很有可能是微觀生命的變化。

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  古生物學(xué)家推測(cè),當(dāng)35億年前,微生物剛出現(xiàn)在地球上時(shí),它們既不消耗氧氣,也不需要氧氣。其實(shí),生命演化之初,地球的大氣曾與我們?nèi)缃窨吹降拇髿獯笙鄰酵?。盡管氮?dú)夂靠赡芟喈?dāng),但其他氣體含量要么比現(xiàn)在多很多,要么比現(xiàn)在少很多。二氧化碳含量可能是當(dāng)前水平的10倍到2500倍,而甲烷含量可能也是當(dāng)前水平的10000倍以上。那時(shí)的大氣中,幾乎沒(méi)有氧氣。

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

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  科學(xué)家們一直在討論,到底從什么時(shí)候開始,微生物學(xué)會(huì)了光合作用,并生成副產(chǎn)物氧氣。科學(xué)家們給出的估計(jì)范圍大約是在35億年前到25億年前。最古老的氧氣制造者可能是現(xiàn)代藍(lán)藻細(xì)菌或藍(lán)藻的祖先。

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  首先,這些早期光合作用生命產(chǎn)生的氧氣會(huì)與海洋中的鐵元素發(fā)生反應(yīng),從而在海底形成一層又一層的鐵銹般沉積物。之后,氧氣才開始在大氣中積累。有些氧氣與甲烷發(fā)生反應(yīng),生產(chǎn)二氧化碳和水。與此同時(shí),能進(jìn)行光合作用的微生物種群數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng),又消耗了更多的二氧化碳。

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現(xiàn)代藍(lán)藻細(xì)菌(俗稱藍(lán)藻)的祖先可能是地球上首批氧氣制造者,并帶來(lái)了氣候的重大變化。

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  二氧化碳是一種溫室氣體,甲烷則是一種更強(qiáng)大的溫室氣體。當(dāng)大氣中這些溫室氣體的濃度下降時(shí),全球氣溫也隨之驟降,最終導(dǎo)致地球進(jìn)入到一系列的冰河時(shí)期。休倫冰河時(shí)期和間雜的非冰期大約共持續(xù)了3億年之久。有證據(jù)表明,當(dāng)時(shí)的冰川在赤道地區(qū)接近海平面的高度。(如今赤道地區(qū)仍有冰雪覆蓋,但僅限于高海拔位置。)

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  這些冰河時(shí)期的地質(zhì)證據(jù)最早于1907年在休倫湖附近的冰川沉積物中被發(fā)現(xiàn)。自那以后,地質(zhì)學(xué)家在北美其他地區(qū),以及南非、西澳大利亞和歐洲東北部均發(fā)現(xiàn)了更多冰河時(shí)期的地質(zhì)證據(jù)。

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這塊落石位于加拿大安大略省懷特菲斯瀑布附近,休倫湖的北岸。22億年前,在漂浮的冰川作用下,這塊石頭“定居”在海底的沉積物中。

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  氧氣含量的上升,在使得地球越來(lái)越寒冷的同時(shí),也促進(jìn)了呼吸氧氣的復(fù)雜生命的演化,并形成了地球的臭氧層。臭氧層又可以保護(hù)地球生命免受紫外線輻射的傷害。

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  極寒再次來(lái)襲

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  在地球歷史中的成冰紀(jì)期間,極寒再次來(lái)襲。在7.5億年前到6億年前,地球至少兩次陷入極度深寒。由于成冰紀(jì)屬于前寒武紀(jì)元古宙新元古代,期間發(fā)生的極寒事件有時(shí)也被稱為“新元古代雪球地球”。

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  科學(xué)家們?nèi)栽诶^續(xù)討論新元古代的冰凍成因,以及隨后又解凍的原因?;鹕娇赡苁亲尩厍蜻M(jìn)入冰川期,又讓地球走出冰川期的背后力量。大約7.5億年前,多數(shù)大陸聚集在赤道附近。在這片聚集在一起的大陸中,地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)找到所謂的“大火成巖省”的證據(jù)。這里的“大”,只是一種保守的說(shuō)辭。你可以想象一個(gè)面積如大陸般遼闊的火山活動(dòng)區(qū)域。如此龐大的火山爆發(fā),或許可以用兩種方式,使地球冷卻。

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曾經(jīng)的赤道大火成巖省證據(jù),保存于加拿大努納武特地區(qū)。該赤道大火成巖省或開啟了成冰紀(jì)?;鹕轿镔|(zhì)侵入較古老巖層,穿過(guò)古老的沙色巖石。覆蓋海岸線的冰川消退后,海岸線上升,形成淺色的巖石帶。

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  當(dāng)火山釋放出二氧化硫時(shí),該氣體會(huì)在大氣中發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng),形成極易反光的硫酸鹽。硫酸鹽顆粒猶如數(shù)十億個(gè)微型鏡子,可以阻擋陽(yáng)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(fā)會(huì)帶出的大量玄武巖,隨之而來(lái)的巖石風(fēng)化也會(huì)冷卻地球。隨著時(shí)間的流逝,雨水、風(fēng)和化學(xué)變化等會(huì)侵蝕火山巖。滲入巖石的雨水和地下水可以溶解二氧化碳,將二氧化碳從大氣中剝離出來(lái),最終使其形成為諸如石灰石一類的碳酸鹽礦物。

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

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  地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)確定了新元古代的兩個(gè)冰期:斯圖特(Sturtian)冰期,大約在7.2億年前到6.6億年前;和馬里諾(Marinoan)冰期,大約在6.4億年前到6.35億年前。這兩個(gè)冰期留下的巖石層顯示了迄今為止在地質(zhì)紀(jì)錄中發(fā)現(xiàn)的極寒冰期的最廣泛證據(jù)。

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  在這兩個(gè)極寒的冰期之間,地球似乎還經(jīng)歷了同樣極端的溫室氣候。這一極端氣候的根源,或許仍與火山活動(dòng)有關(guān)。

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  長(zhǎng)期來(lái)看,火山釋放的二氧化碳和巖石風(fēng)化消耗的二氧化碳,可以互相制約。但是,由于幾億年前冰層覆蓋了幾乎整個(gè)地球,氣候變得太冷而無(wú)法產(chǎn)生大量降水,巖石風(fēng)化過(guò)程逐漸放緩。同時(shí),增加的海冰又減少了藍(lán)藻細(xì)菌在海洋表面獲得光照的能力,光合作用也變少了。

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土衛(wèi)二表面是一層冰凍的海洋。在其冰凍層下面,可能藏有液態(tài)水和生命所必需的成分。如果地球歷史上最嚴(yán)峻的冰河時(shí)期是真正的雪球地球事件——沒(méi)有開闊的海洋,那么我們的地球可能看起來(lái)就像一個(gè)超大號(hào)的土衛(wèi)二。

土衛(wèi)二表面是一層冰凍的海洋。在其冰凍層下面,可能藏有液態(tài)水和生命所必需的成分。如果地球歷史上最嚴(yán)峻的冰河時(shí)期是真正的雪球地球事件——沒(méi)有開闊的海洋,那么我們的地球可能看起來(lái)就像一個(gè)超大號(hào)的土衛(wèi)二。

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  但是,火山仍在不斷釋放二氧化碳。沒(méi)有了巖石風(fēng)化或光合作用活動(dòng)消耗大氣中的二氧化碳時(shí),這種溫室氣體就會(huì)一直積累,進(jìn)而導(dǎo)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(shí),溫度上升就會(huì)加速。在失去大量可以反射光的冰塊后,地球又可以吸收更多的太陽(yáng)能。隨后的大融化可能會(huì)引起劇烈、快速的巖石風(fēng)化,最終開啟第二次冰期。

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  和休倫冰河時(shí)期一樣,在成冰紀(jì)的冰期,赤道附近的冰川也接近海平面。但是,新元古代的冰川覆蓋程度——無(wú)論是雪球地球還是融雪球地球——仍是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。

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  最近的冰期

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  巖石記錄顯示,盡管地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多個(gè)冰河時(shí)期的證據(jù),但是在過(guò)去的5億年中,休倫冰河時(shí)期和成冰紀(jì)冰期最為嚴(yán)峻。盡管3億年前到2.5億年前出現(xiàn)的寒冷氣候或許可以與之一較高下,但過(guò)去5億年內(nèi)發(fā)生的最嚴(yán)峻冰期也可能是最近的一次冰河時(shí)期。

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  這次冰期發(fā)生于更新世時(shí)期,大約起始于260萬(wàn)年前,一直持續(xù)到大約1.1萬(wàn)年前。

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  和其他冰河時(shí)期一樣,這最近的一次冰河時(shí)期也帶來(lái)了一系列的前進(jìn)冰川和后退冰川。事實(shí)上,嚴(yán)格來(lái)說(shuō),我們目前仍處于冰河時(shí)期。我們眼下正好生活在間冰期而已。

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整個(gè)人類文明——從最早的文字(如楔形文字)到智能手機(jī)等——都發(fā)生在間冰期。

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  大約5000萬(wàn)年前,地球溫度升高,以至于極地冰蓋都融化了。但是從那之后,地球的溫度一直在下降。大約從3400萬(wàn)年前開始,南極冰蓋再次逐漸形成。南美洲與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(lái)挑戰(zhàn)之外,德雷克海峽還創(chuàng)造了南極繞極流。這個(gè)環(huán)繞南極洲由西向東的洋流,減少了抵達(dá)南極洲的海洋熱量,使得南極洲的冰層得以繼續(xù)形成和增長(zhǎng)。

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狂風(fēng)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(jìn)了南極洲冰蓋的發(fā)展。

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  地球進(jìn)入其最近的冰河時(shí)期可能跟另一個(gè)地殼運(yùn)動(dòng)也脫不開關(guān)系。巴拿馬地峽形成于450萬(wàn)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(xiàn),阻斷了兩大洋之間的海水交換,并時(shí)溫暖的咸海水一路北上,進(jìn)而增加了北半球高緯度地區(qū)的降水量。積雪漸漸累積成為冰川,最終變?yōu)楸w。這些巨大的反光冰塊又讓地球的冷卻趨勢(shì)得以延續(xù)。

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  一旦地球寒冷到足以形成冰蓋的程度,這些冰蓋會(huì)在2萬(wàn)年到1萬(wàn)年的時(shí)間范圍內(nèi)增加或減少,部分原因在于米蘭科維奇循環(huán)。地球軌道上的這些可預(yù)測(cè)的變化包括離心率(地球繞太陽(yáng)軌道的變化)、轉(zhuǎn)軸傾角(地球轉(zhuǎn)軸傾斜角度的變化)以及軌道進(jìn)動(dòng)(地球自轉(zhuǎn)軸方向的擺動(dòng))。這些變化可以通過(guò)改變地球表面獲得的太陽(yáng)能分布,來(lái)影響氣候。

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大約2萬(wàn)年前,在更新世冰河時(shí)期的最后一次最大冰期期間,冰層覆蓋了北美和歐亞大陸的大部分地區(qū)。

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  最近的一次極寒冰期大約發(fā)生在2萬(wàn)年前。當(dāng)時(shí)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(shí)期最寒冷的時(shí)候,冰蓋延伸到北美洲和歐亞大陸的大部分地區(qū)。若沒(méi)有這些冰蓋和后續(xù)的融化,我們今天就不會(huì)有五大湖、尼亞加拉大瀑布以及華盛頓州和俄勒岡州的河道疤地。

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大約1.2萬(wàn)年前,融水開始從尼亞加拉斷崖溢出。今天,每秒大約有3160噸水流經(jīng)尼亞加拉大瀑布,是更新世冰河時(shí)期的一個(gè)長(zhǎng)久遺產(chǎn)。

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  大規(guī)模冰蓋什么時(shí)候會(huì)再向著赤道地區(qū)前進(jìn)呢?它們可能不會(huì)按照米蘭科維奇循環(huán)預(yù)測(cè)的時(shí)間卷土重來(lái)。米蘭科維奇循環(huán)對(duì)全球氣候的影響各不相同,有的更明顯,有的則不那么明顯。當(dāng)大氣層中的二氧化碳含量超過(guò)百萬(wàn)分之三百時(shí),該氣體的貯熱能力將足以抵消更加微妙的米蘭科維奇循環(huán)。當(dāng)前,大氣層中的二氧化碳含量已經(jīng)超過(guò)了百萬(wàn)分之四百,又由于二氧化碳是一種長(zhǎng)期存在的氣體,如此高水平的含量或許可以持續(xù)數(shù)千年。這并非是說(shuō),下一個(gè)冰期永遠(yuǎn)不會(huì)到來(lái),只是可能會(huì)遲到一些時(shí)候而已。


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