53. 地球的冰河期是如何形成的？
       What causes ice ages?

地球表面相对稳定的气候条件为地球生命的存在提供了适宜的居住环境，也是人类这种碳基智慧生命得以延续和发展的前提。

图1 地球的宜居气候条件

然而地球表面的气候并非是一成不变地发展到今天这种状态，根据存留于地球表面以及古老冰川中的大量确切证据（地质、生物和冰川活动的大量证据），地球表面的气候在其发展历史中呈现出明显的“冰河期”(glacial periods)到“间冰期”(interglacial period)(相对温暖期)的周期特征。也就是说地球气候总体上会发生周期性地冷暖循环，在地球进入相对较冷的冰河时期，全球平均气温会下降，地球两极形成的冰盖会慢慢向下扩展覆盖更多的陆地；而随着冰河期的结束，地球气候会回到一个相对温和的阶段，称为间冰期。在这个所谓的相对寒冷的冰河时期，整个地球会一直维持一个相对较冷的气候条件，地球的极地区域温度明显下降，赤道和极地的温度差异性加大，此期间地球上的冰川会因为全球气温下降而覆盖着地表更大的区域。

图2 地球极地冰川的周期变化

由于地球冰河期持续的时间一般会很长（时间跨度从几千万年到2-3亿年不等），所以冰河期有时会翻译为冰河时代(ice age)或冰川时代(glacial age)，也就是指地球陆地覆盖着大面积冰川的地质时期。这种大规模的冰河期一般可能会持续数百万年，所以冰河期大面积冰川的存在会给地表构造带来巨大的变化，有时甚至可能彻底重塑地球大陆的表面形貌。冰河时代逐渐扩张的冰川会在其不可阻挡的推进过程中带走地表的岩石和土壤，侵蚀山脉和丘陵，从而持续改变地表形貌（注意大部分河流的源头及湖泊的形成都来自于冰川）；冰河期不断增长的冰层重量会使地壳承受巨大挤压而发生沉降或形变，伴随着冰川延申区域附近气温的下降，寒冷地区生存的植物或动物也会被带到纬度更低的区域进行活动。

图3 冰川活动对地表的影响

所以冰河时代地球表面的这些改变和活动都会被地表地质形态的变化所记录，正是对这些不同时期冰川活动记录的研究，地球学家发现，在地球45亿年的发展历史中至少有五个主要的冰河时期被记录下来。这些主要的冰河时代持续的时间也是长短不等，其中一些持续了数亿年，而最后一次发生在大概250万到300万年前，并且一直持续到了今天。也就是说我们现在正生活在地球最近的一个主(大)冰河时代。更为细致的研究进一步发现，在大冰河时代，还存在一些较小的冰河时期（称为小冰河期），最近的一个小冰河期开始于16世纪，这期间冰川在欧洲和许多其他地区的收缩和扩张断断续续地持续了300多年，在1750年左右冰川的面积达到了鼎盛，当时的冰川在地球上的分布比上一次主要冰河时代结束以来的任何时候都要广泛。

图4a 地球表面平均温度所展现的主冰河期循环

图4b 主冰河期内北美洲北部小冰河期冰川的变化

虽然关于大冰河期和大冰河期间的小冰河期的分类和周期还没有达到充分的共识，但地球气候的冰河周期性循环目前已经没有人怀疑，那么问题来了，到底是什么导致了地球冰河期的循环，或者是什么造成了地球冰川的周期性扩张呢?

站在地球上，我们可以非常清楚地感受到地球短周期气候的变化，如春夏秋冬四季的气候变化，显然这种短周期气候的变化来源于地球自传轴相对于地球公转面的倾斜角，地球自转轴的倾斜角意味着在地球公转过程中总有一个半球远离太阳(冬天)，而另一个半球朝向太阳(夏天)，这就造成了太阳在地表的垂直照射区域会在南北回归线之间周期变化，从而引起南北半球接受太阳辐射量的改变，造成冬夏气温的变化，伴随着南北两极的冰川覆盖区域也会周期性地增长和减少。显然这个四季小周期气候的变化本质上来源于太阳在地球表面南北半球的辐射量的改变，由此可见，地球气候的变迁和地球接受到的太阳的辐射量有很大关系。

图5 地球气候的四季变化

然而冰河期这种大周期的气候变化也是来源于地球整体接受太阳辐射量的改变吗？如果是，那又是什么造成了地球表面太阳辐射量的改变？

20世纪40年代，塞尔维亚天体物理学家米卢廷·米兰科维奇(Milutin Milankovitch)提出了后来被称为米兰科维奇周期(Milankovitch cycles)的理论，该理论认为正是地球运动相对于太阳的变化，造成了到达地球表面太阳辐射量的周期改变，也就造成了地球冰河周期的出现。米兰科维奇提出了地球轨道相对于太阳变化的三种主要方式。

图6 地球绕太阳的多种运动

首先，地球绕太阳运行的轨道形状会在9.6万年的周期内从接近圆形轨道变到椭圆轨道。这种地球公转轨道偏心率的变化来源于地球外侧木星的引力效应，木星超大质量的引力会把地球的轨道向外移开，然后再移回来；其次就是导致地球四季变化的地球自传轴的倾斜程度的变化。地球自传轴倾斜角以大约4.1万年的时间周期变化，从而改变了地球四季变化的极端程度（可以想象倾斜角越小，夏天和冬天气候差异就越小）；不仅如此，地球的自传轴还会发生缓慢摆动，这就好像一个旋转的陀螺一样，而这种摆动的周期大概为2万年左右。

然而这是三个长短不同的周期运动，是哪一个主导了地球冰河期的出现还是三个周期互相匹配统一造成了冰河期的出现，目前还是无法说清楚。而且地球所参与的运动从更宏观的角度还有绕银河系中心的运动，银河系中物质分布的不均匀性或对太阳活动的影响也会导致到达地球表面太阳辐射量的改变，所以究竟是什么真正导致了地球冰期循环的产生，到现在依然是一个谜。

但无论如何，根据物理学运动规律，地球所参与的几种不同周期的运动之间通过耦合会在动力学上产生一种更为缓慢的周期运动，但这个周期运动所导致的太阳辐射变化到底是不是决定了地球冰河期的周期，虽然无法肯定，但对于一个复杂的多体系统的运动，运动的复杂性还揭示出地球气候进入冰河期的过程和初始条件也有很大关系，所以地球运动轨道的变化绝对不是故事的唯一情节，地球进入冰河时代的真正原因还有来自地球自身气候系统的反馈因素。所以科学家们目前仍在梳理地球气候系统中各种环境因素是如何影响冰川的形成和消退的，最近的研究表明，大气中的温室气体的水平似乎也在起着重要作用。

图7 地球温度和二氧化碳及海平面的依赖关系

在20世纪70年代，通过对古老冰川中封闭气体的研究，科学家们发现，在冰河时期，大气中温室气体二氧化碳(CO₂)的浓度降低了约30%。这一发现促使一些理论认为，大气中二氧化碳水平的下降是冰期循环的一个关键因素。例如，德国波茨坦气候影响研究所(PIK)的科学家们发现，上一个冰河期的开始主要是由二氧化碳的减少引发的，而由于目前人类活动导致大气中二氧化碳的急剧增加（见图7中的椭圆标示），这可能会把下一个冰河期开始的时间推迟至少10万年。

但问题又来了，导致地球大气中二氧化碳变化的原因又是什么？虽然有一些数据表明，在冰河时期，更多的二氧化碳会被困在深海中，但为什么会被困在深海中依然存在争议。