WeChat ID kexueyougushi About Feature 比科学故事更重要的是科学精神 听完 / 看完后，请为本期打两个分值： 本文知识含量值 ☆☆☆☆☆ 本文趣味值 ☆☆☆☆☆ 总共十颗星，你给几颗？ 上期我们说到，塞尔维亚的工程师米洛柯维奇横空出世，他发现，克罗尔的理论并不是不正确，问题在于，克罗尔的计算模型过于简单了。地球在太空中运动时，发生变化的不仅仅是轨道的长度和形状，它朝向太阳的角度也会发生周期性的变化，尤其取决于三种天文效应的长期影响，也就是天文学上所说的岁差、章动和极移。所有这些因素同时产生作用，使得地球上任何一点所受到阳光照射的时间和强度产生周期性的变化。米洛柯维奇觉得，这些复杂的周期性变化可能与冰川期的出现和消失有某种关联。但麻烦的是，这些周期性变化的时间跨度差得很大大，这就意味着，若要确定它们在漫长时间段中的交叉点，必须要经过几乎是无穷无尽的细致计算。对米洛柯维奇来说，最重要的是他必须计算出，100 万年以来，在上面三种天文效应的影响下，阳光在每一个季节照射到地球上不同纬度的角度和持续时间。 图：米洛柯维奇 令人高兴的是，米洛柯维奇的性格很适合干这项繁杂庞大的工程。再接下去的20 年之中，他仅仅用了一支铅笔和一把计算尺，就开始无休无止地计算着他的周期表，即使是在节假日也没停过。现在用一台计算机可以在一两天之内就完成同样的工作。原本他只能在业余时间搞计算，谁知 1914 年一战爆发，米洛柯维奇突然就有了大量的时间，原因竟然是他作为一名塞尔维亚军队的预备役军人而被捕了。在此后的 4 年中，他大部分时间被软禁在布达佩斯，但管理很松，只需要每周到警局报到一次。他基本上就泡在匈牙利科学院图书馆里埋头计算，他很可能是史上最快乐的战俘。 米洛柯维奇的埋头苦算终于在 1930  年变成了一本书，名字是《数学与气候变化的天文学原理》。米洛柯维奇的计算是正确的，冰川期确实与行星摄动有关系。但是，他与大多数人一样，也认为导致漫长冰川期的原因是逐渐加剧的寒冬。但事实上并没有这么简单，冰川期的成因很微妙、很出人意料。这是由俄裔德国气象学家柯本（Wladimir Koppen）首次提出来的。他是板块学说的创始人魏格纳的岳父大人。 你可能会以为冰川纪的诱因是冬天特别寒冷，结冰结的太多了。但是，柯本却发现，冰川期的诱因是凉快的夏季，而不是寒冷的冬季。如果在某个地区，夏天的气温不足以融化掉所有的冰雪，那么冰雪反光的表面就会把阳光更多地反射回去，使得天气变得更冷，从而又会引起更多的降雪。结果就会趋向于永久冰冻。随着积雪累积成冰盖，整个地区就会变得更加寒冷，又促使更多的冰雪累积起来。冰川学家舒尔茨（Schultz）也指出：“冰盖的形成并不取决于降雪的多少，而是取决于有多少未融化的雪，哪怕只有一点点。”现在一般认为，冰川期开始于某个反常的夏季，残留的积雪会反射阳光，从而加剧了寒冷，这是一个恶性循环。一旦开始，就停不下来了。冰川形成后，就会开始移动，使得冰川覆盖地区的面积逐步扩大。于是，冰川时代来临了。最厉害的一次冰川纪，整个地球都快被完全冻住了。 在上世纪五十年代，由于年代测定技术还不完善，科学家们没能将米洛柯维奇精心计算出来的周期表与当时已知的冰川期数据相印证。所以米洛柯维奇和他的计算结果也就越来越不吃香。直到他 1958 年去世，也未能证明他的周期表是正确的。直到上世纪七十年代，随着年代测定技术的完善，才最终证明了米洛柯维奇的正确性。 不过，仅仅靠米洛柯维奇的周期表并不足以解释冰川期的实际周期。还有许多别的因素也必须考虑，包括但不限于陆地的分布情况，尤其是极地陆块的存在。我们对这一切的了解还是极为有限的。不过，有一种说法是如果我们把北美大陆、欧亚大陆、格陵兰岛往北移动 500 公里，那么，整个地球都将不可避免地进入永久性的冰河时代。显然，我们是幸运的，能享受着这么好的天气。在每个冰川期之间，有一段相对温暖的时期，这被称为“间冰期”，但我们对此也缺乏认识。有件事也许令人感到不安，人类的全部文明史：农业的发展、城镇的建立、数学文学科学的兴起，所有的这一切，都是发生在一段不寻常的好天气之中。之前的间冰期持续的时间一般都只有 8000 年左右，而我们现在所处的这次间冰期已经持续了一万年了。 在整个地球的历史上，冰河时代其实很罕见，而我们现在恰好就处在这样一个冰河时代中，不知道这算是一种巧合呢还是生物演化的必然。现在的冰川规模虽然不是很大，但依然比人们想象中的要大很多。在上一次冰川期最鼎盛的时候，也就是大约 2 万年以前，陆地面积的 30%左右覆盖着冰雪。现在这一数字大约是 10%，另外还有 14%的永久冻土带。今天，地球上有四分之三的淡水是冰，两极有冰盖。如果不是看到资料，我也不会相信，在过去的 5 亿年中，只出现过 4 次短暂的凉爽期或者寒冷期，绝大多数时期，地球都要比现在热得多。我们现在可以比较有把握地说，在过去的 7000 万年中，我们现在所处的时期是最寒冷的时期，甚至，也极有可能是过去 5 亿年中最寒冷的时期，当然，这里指的时期都是以十万年为单位的地质期。甚至有一些我们司空见惯的自然现象，其实，在地球的历史上是不常有的。比如，全球许多地方冬季会下雪，在新西兰这样的温带地区，竟也会有永久冰盖。 直到相当近的一段时期之前，地球要比现在热得多，没有一点儿永久冰盖。我们目前所处的冰川期大约始于 4000 万年前，如果你去看这段时期的全球平均温度的变化图，很像是一根典型的股票熊市图，总体是在不断地下跌，现在下跌到了最低点，但是在下跌的过程中，会有一些小小的起伏。地球在这 7000 万年中经历了很多次往复变化。而我们现在就处于最寒冷的时期中一个稍微温和一点的时期。新的冰川期总是会抹掉上一次冰川期的痕迹，因此，时间越往前推移，你得到的图景也就越不完整。但是，在过去的 250 万年，地球似乎至少经历了 17 次严酷的冰川期。这段时期，恰好是非洲直立人及随后的现代智人生活的时期。 造成此次冰川期的原因，通常认为有两个，一是喜马拉雅山脉的隆起，二是巴拿马地峡的形成。前者干扰了气流，而后者干扰了洋流。4500 万年前，印度是一个岛，它漂移了 2000 公里后撞上了亚洲大陆，不仅撞出了一个喜马拉雅山脉，还在它后面形成了广阔的青藏高原。一种假说认为，陆地的升高不仅仅使得气候变得更加寒冷，还改变了风向，使它们往北吹，吹向了北美大陆，使那里更容易处于长期的严寒之中。接着，巴拿马地区从海中升起，把南北美洲大陆连为一体，打乱了太平洋和大西洋之间的暖流流向，改变了至少半个世界的降水分布。造成的结果之一是，非洲因此变得干旱，猿人不得不从树上下来，到正在形成的大草原上寻找新的生活方式。 无论如何，按现在的海洋和大陆的分布情况，我们似乎还将经历一个漫长的冰河时代。麦克菲认为，我们还将经历 50 多个冰川期，每一个都将持续 10 万年左右，之后我们才有望迎来一个真正的解冻期。 4000 万年前，地球上并没有规律性的冰川期，但它们一上来便规模巨大。第一次大范围的冰川期出现在大约22 亿年之前，这次冰川期过了之后就是10亿年左右的温暖期 。接着又是一次比第一次规模更大的冰川期，这次的规模特别大，有些科学家把它称为覆冰纪或是超级冰川期。还有一种更为通俗的称法是“雪球地球”。 然而，“雪球地球”不足以表明当时环境的恶劣程度。那种理论认为，由于地球上的阳光照射量减少了 6%，使得温室气体的产生量和存留量都大为减少，实际上地球已经不再有能力保存热量。整个地球都变成了“南极洲”，气温下降了 45℃。所有的地表都被冻得结结实实，在高纬度地区，海洋中的冰层厚达 800 米，即使在热带，也厚达几十米。这一时期，多毛虫、蛤蜊和其它一些依附于深海喷口的生命形式无疑活得好好的，仿佛没发生任何事情。但是地球上的其他生命很可能都快死绝了。不过这一切离现在实在太遥远了，那时的很多事情我们并不清楚。 但这种理论却存在一个悖论，一方面，地质学的证据表明，包括赤道地区在内的所有地表都结了冰；另一方面，生物学的证据却又明确地表明，在地球上的某些地方必定存在未冻结的水域。举个例子，蓝藻细菌存活了下来，还进行了光合作用。要做到这些，它们需要阳光。但是我们都知道，冰块的透光度随厚度下降得很快，只需几米厚，就完全不透光了。对于这个问题，有两种可能的解释：一、确实有一些没结冰的海域（可能是由于那个地方有热源的存在）；二、可能某种方式下形成的冰块干净得足以让阳光透过，这在自然界中是有可能发生的。 如果地球真的被彻底冻住过，有一个问题就很难解释：地球是如何再次变暖的呢？按理说一个冰冻的星球把热量都反射掉了，就应当永久封冻了，就像现在的木卫二和土卫二那样。挽救这种局面的力量似乎来自于地球内部的岩浆。我们的存在很可能又得再次感谢板块构造，因为有种观点认为是火山拯救了地球。火山喷发冲破了冰冻的地表，喷涌而出的热量和气体融化了冰雪，重建了大气。有趣的是，标志着此次超级冰冻世纪结束的事件就是寒武纪生命大爆发，这可是生命史上的春天。当然，这个春天并不总是风和日丽的。随着全球变暖，史上最狂暴的天气也随之而来，强烈的飓风掀起摩天大楼高的巨浪，到处下着难以形容的瓢泼大雨。 相对于那次覆冰纪而言，最近几次的冰川期的规模就显得小多了。当然，这要是用今天地球上的标准衡量，那依然是规模巨大的。曾经覆盖欧洲和北美洲大部分的威斯康星冰盖，在某些地方可以厚达 3000 米，并以每年 120 米的速度前进，这种景象如果被现代人看到，肯定会目瞪口呆的。即使是在冰盖的边缘，也有差不多 800 米厚。你可以想像一下站在如此高的一堵冰墙脚下的感觉，看过《权力的游戏》吗，里面就有这么一道冰墙。但是与美剧中冰墙不同的是，在冰川纪的冰墙后面，几百万平方公里的范围内，除了零星几座刺向青天的冰峰，唯有一望无际的冰盖。在这么多坚冰的重压下，整块整块的大陆都下沉了。即便到了今天，冰川早已退去了 12000 年，陆块依然还在回升中。随着冰盖的缓慢移动，不仅洒下了众多巨石和一长串的冰碛石，还扔下了一些完整的陆块，像是长岛、科德角、南塔吉特岛等。阿加西斯之前的地质学家们，往往无法理解冰川重塑地表的巨大力量，这没什么奇怪的。 图：《权利的游戏》中的冰墙 如果冰盖卷土重来，在人类的武器库中，是找不到使它转向的武器的。1964年，北美洲最大的冰川区，阿拉斯加的威廉王子湾，遭受了有记录以来最强的一次地震，达到了里氏 9.2 级。沿着断层带，地表抬升了6米之多。这次地震如此强烈，远在田纳西州的池塘中的水都溅了出来。但是，这次前所未有的地震对威廉王子湾的冰川造成了什么样的影响了呢？什么也没有。冰川仿佛什么也没发过，继续前进。 有很长一段时间，人们一直以为冰川的产生和消退都是缓缓发生的，至少需要数百或数千年。但是，现在我们知道，并不是这样的。这要感谢格陵兰的冰芯样本，使我们得到了一份跨度超过几十万年的地球详细气候记录，但这份结果却是令人不安的。记录表明，在地球的最近一段历史时期中，并不是我们以为的风调雨顺，而是在温暖期和严寒期之间猛烈的摇摆。 说起冰芯，它还登上过《科学》杂志2017年的十大科学突破排行榜，名列第九。2017 年的时候，科学家在南极挖出了一块冰封了 270 万年之久的冰块。而之前最古老的冰块的记录是 80 万年。研究这块古老的冰芯，让科学家们有了新发现。在过去的 270 万年中，二氧化碳的浓度从没有超过 300 ppm，远远低于现在 408.23 的数值。科学家表示，南极艾伦山的这段冰芯为我们提供了关于过去地球气候的最全面的信息。通过对比过去和现在的气候变化，就可以有根据地做出对未来气候的预测。可惜的是，这块冰芯里无法捕捉到二氧化碳浓度高于 400 ppm 时的远古地球的信息。未来的冰块挖掘新技术或许可以弥补这个遗憾。冰块的挖掘者普林斯顿大学的科学家们已经把目光投向了未来的取样，希望可以找到 500 万年左右的冰块，倒推 500 万年，那时的二氧化碳浓度和今天的数值相当。这或许是一个机会，可以看看在未来的几十年里，我们的气候会如何演化。 大约在 12000 年之前，也就是接近最后一次大冰川期的尾声时，地球开始迅速回暖。但是，接着地球又突然调头变得酷寒，又持续了大约 1000 年，科学界把这一时期称为新仙女木期（这一名称来自一种叫仙女木的北极植物，它们是冰川消退后第一批重新生长起来的植物）。还有一个老仙女木期，但特征不这么明显。在这个长达千年的酷寒时期的末尾，平均气温再次开始跃升，二十年之内就升高了 4℃之多。看上去似乎不怎么可怕，其实相当于在短短20年之内斯堪的纳维亚半岛的气候变成了地中海气候。在局部地区，变化更富戏剧性。格陵兰的冰核显示，气温在10年之内就上升了 8℃之多，这使得降雨形势和生长环境都发生了剧烈的变化。这种变化足以让人烟稀少的地球动荡不安。要是发生在今天，后果不堪设想。 图：仙女木 到底是什么样的力量导致了如此剧烈的气候变化呢？科学有故事，咱们下期接着聊。 本期节目给大家找了 2004 年的好莱坞灾难电影《后天》（The Day After Tomorrow）中的一个精彩片段，这部电影讲述了冰雹、冰山融化、极度严寒下人们面临的一场不可挽救的灾难。如果你跑过的地方，后面的一切都结成了冰，这会不会就是世界末日可能的样子呢？ 说明： 《宇宙自然生命简史》是我重译、改编的《万物简史》。 1、修正了原书中不准确的知识点。 2、更新了最近这 10 年来的科学进展。 3、补充新增大量相关知识点。 4、直接翻译自英文原著，没有使用原译。 【更多免费内容，就在科学声音小程序】 ↓↓↓ 点击“阅读原文”看上期 有赞赏有动力 信扫一扫赞赏作者 Reward   reward(s) Long-press QR code to transfer me a reward 有赞赏有动力 As required by Apple's new policy, the Reward feature has been disabled on WeChat for iOS. 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