在地球几十亿年的历史中，超过85%的时间里，地球都维持着一个全球性的温室，其湿热气候从赤道一直延伸到两极。

然而，一些特殊的变化也会时常在地球上出现：世界气温下降，冰川拥抱地球。

这些特别的情况被称为——冰期（Ice Age）。

那么，究竟是什么导致了这样广泛且影响巨大的气候变化呢？地球上冰期的真面目到底如何？

今天就让我们回到过去，看一看这些冰川形成背后的原因。或许冰期时代的历史能够告诉我们如何面对地球气候的未来！

1

Huronian冰期

地球自诞生以来一共经历了五次主要的大型冰期。

第一次冰期始于24亿年前，当时地球上唯一发现的生命是生活在海洋中的单细胞厌氧生物。

然而，由于蓝藻的出现，地球上的一切都发生了改变。

蓝藻

蓝藻是第一个能在太阳的帮助下把二氧化碳和水转化成有用的糖的生物，即进行光合作用。

光合作用在进行过程中，会释放出氧气。在此之前，地球大气中从未发现过这种高活性气体。

随着蓝藻菌的数量持续增长，所排放的氧气“污染”了以甲烷为主的大气，大多数厌氧的生命形式都发生了大灭绝。

而当甲烷被氧化成二氧化碳和水时，它从大气中的主要气体变成了一种微量气体。

地球受到温室气体减少的影响，温度开始下降，迎来了第一个重要的大冰期——Huronian冰期。

Huronian冰期是地质史上最严重且持续时间最长的一次冰河时期。

命名的由来是因为相关的地质学证据是从北美的休伦湖地区搜集而来的，在此地能发现有3处彼此分隔的冰期沉淀物地层被非冰期沉淀物所分隔开来。

休伦湖

这样寒冷的气候持续了3亿年之久！

2

Cryogenian冰期

在世界上大部分地区被冰掩埋了3亿年之后，冰盖终于慢慢融化，大地又变回一片沼泽茂密的丛林。

从此时开始又过了十多亿年，地球才再次被冰覆盖。

“Cryogenian”源于希腊语的“cold”和“birth”，是一个从7.2亿年前持续到6.35亿年前的地质时期。

Cryogenian冰期通常被认为至少可以被分成两个主要的世界性冰期。

司图特冰期(Sturtian glaciation)从约7.2亿年前持续到6.6亿年前，而马林诺冰期(Marinoan glaciation))结束于大约6.3亿年前，即Cryogenian冰期的结束。

特有的冰川沉积物表明，这一时期冰川一直延伸到赤道，而海洋则变成了冰原混合物，几乎把整个地球都淹没在一层冰之下。

这一次降温被认为受到了火山活动的影响。火山活动的一个主要副作用是在地球表面产生新的岩石，而这些岩石自然不是一成不变的。

大气中的二氧化碳与水蒸气反应生成碳酸。当这种弱酸最终降雨到地表时，它会与新生成的岩石(如长石)相互作用，导致所谓的化学风化。

它使长石变成高岭石，同时产生钙离子和碳酸盐离子，这些离子会发生惊人的反应，形成另一种物质——碳酸钙。

这意味着，新岩石的形成和风化实际上可以将二氧化碳从大气中吸出，并将其锁在新岩石中。

大气中二氧化碳浓度的减少对加快地球温度降低起到了促进作用。

可能是由于当时资源的极度限制，这一时期见证了第一批掠夺性浮游动物的进化。

它们可以捕食几乎没有防御能力的浮游植物，首次为这些大量的光合作用提供了控制机制。

3

Andean-Saharan冰期

随着时间的流逝，气候平衡重新转向温室环境，地球再次解冻。

下一个冰河时代要再过2亿年才会到来，也就是我们所知的Andean-Saharan冰期。

Andean-Saharan冰期发生在古生代，时间约为4.5-4.2亿年前。

它被认为可能是小行星带某处的一次大规模碰撞的结果，被称为奥陶纪流星事件。

这次事件把大量的碰撞碎片送入地球轨道。经过几十万年，这些碎片会落到地球上，使大气中的尘埃水平比现在高出几个数量级。

当大量尘埃存在于大气中时，这些小颗粒就像小镜子一样，在阳光到达地表之前将其反射出去。

所产生的影响与温室气体恰好相反，使地球温度减低。

第三次冰河期事件背后的原因十分复杂，但我们知道的是，这次冰期仅维持了约3000万年。谭老师地理工作室综合整理

Andean-Saharan冰期成为迄今为止最短的冰河期。

4

Late Paleozoic冰期

在这之后不久，大约3.6亿年前，一条新的进化之路逐渐出现。这又导致了二氧化碳的急剧下降和大气中氧气的急剧增加。

在地球历史上，植物第一次开始在陆地上生长。

在此之前，生命基本上被局限于海洋，但随着树蕨等植物的发展，地球的陆地迅速被消耗二氧化碳和产生氧气的生命所占据。

很快，植物就形成了木质素和纤维素这样的结构，由于它们复杂的结构，分解速度慢得令人难以置信。

这就意味着有充足的时间让它们被埋起来，防止它们进一步分解，并将它们体内的碳储存在地表以下，最终变成煤炭。

木质素和纤维素

造成的结果就是，大气中的氧气含量上升到35%以上，而二氧化碳含量下降到300ppm以下。

大气中二氧化碳水平的降低足以开始改变地球气候，导致更凉爽的夏季无法融化前一年冬天的积雪。积雪深达6米，就会产生足够的压力把较低的地方变成冰。

随着地球上冰盖的不断扩大，行星反照率增加，导致正反馈循环，使冰盖进一步扩大，直到这一过程达到极限。

地球进入了古生代晚期的冰河时代——Late Paleozoic冰期（3.6-2.6亿年前）。

然而，全球气温的下降最终会限制植物的生长，而氧气含量的上升会增加火灾的频率。

这两种效应都将二氧化碳释放到大气中，逆转了“雪球效应”，迫使温室效应加剧。

在接下来的时间里，二氧化碳浓度上升到300ppm。地球温度逐渐开始回升，部分冰原的扩散被抑制。

行星反照率因此下降，其他地区的冰川受到影响也开始融化。

与此同时，全球变暖导致的海平面上升淹没了大面积的平地。陆地上碳沉积面积逐渐缩小，更多的二氧化碳被释放到大气中，进一步使地球变暖。

5

Quaternary 冰期

Quaternary 冰期，也被称为又称“第四纪大冰期”，是始于距今200-300万年前的第四纪期间的一系列交替的冰期和间冰期。

第四纪大冰期的冰盖规模很大。在欧洲冰盖南缘可达北纬50°附近；在北美冰盖前缘延伸到北纬40°以南；南极洲的冰盖也远比现在大得多。

包括赤道附近地区的山岳冰川和山麓冰川，都曾经向下延伸到较低的位置。

（北半球在第四纪冰期的冰川作用。3-4公里厚冰层的形成相当于全球海平面下降约120米）

面积巨大的冰盖使地球反照率(太阳的辐射能从地球上反射的程度)提高，进一步冷却了气候。

这些影响塑造了整个陆地和海洋环境，以及它们相关的生物群落。

到目前为止，第四纪大冰期仅存的主要冰盖为南极和格陵兰冰盖，其他大部分冰盖，形成于冰期，在间冰期已完全消失。

南极

6

米兰科维奇循环

地球的冰川史是地球气候系统内部变化(如洋流、碳循环)加上气候系统外部现象(如地球轨道变化、火山活动和太阳活动)所造成的“外力”效应的产物。

而地球轨道变化在控制气候方面的作用最早由詹姆斯·克罗尔（James Croll）在19世纪末提出。

詹姆斯·克罗尔

二十世纪初，塞尔维亚的地球物理学家兼天文学家米兰科维奇提出地球围绕太阳环行时，三个因素的周期性变化会影响地球冰期的始末兴衰，即米兰科维奇循环（Milankovitch cycles）理论。

米兰科维奇

第一个是地球环绕太阳公转的轨道形状。轨道形状有时较接近圆形，有时较接近椭圆形，这个变化周期约为10万年。

公转轨道形状的变化会影响在不同季节抵达地球的太阳能量。

公转轨道离心率=0.5

第二个是地球自转轴心的倾斜角度，它会在22.1度至24.5度之间变化，周期约为4万年。

这个角度变化不会改变由太阳抵达地球的总能量，但会影响日照在不同纬度的分布。

转轴倾角

最后一个是地球自转轴心的进动。地球自转轴的方向相对于恒星的变化称为进动，周期大约是2.6万年。

这种地球的轴向进动同样会影响日照在不同纬度的分布。

轴向进动

然而，事实上在20世纪70年代之前都没有任何支持这个假说的证据，因为直到那时海洋学家才刚能够到海底钻孔并且从深海的海底取样，然后由地质学家对样本进行分析。

（循环时间的变化，由海洋沉积物确定的曲线）

海底样本中能够得出几十万年的关于海洋气候的历史状况。

这些证明了地球气候的变化正如米兰科维奇假说所描述的一样。这些证据是对米兰科维奇循环的一个非常有利的支持，直到20世纪80年代多数人才接受了这一理论。

（来自南极科考站Vostok的42万年的冰核数据，左为更近时间）

无论是冰河时代或全球变暖，最主要的影响因素依旧是地球大气的组成。

因此，如果我们想要减慢高速发展的现代温室效应进程的话，最好的方法始终是——减少温室气体的排放。