地球冰期循環(huán)之謎

□張元國

地球冰期循環(huán)之謎

□張元國

一個多世紀以來，許的成因，但均未獲得圓滿者根據(jù)冰期循環(huán)這一現(xiàn)蘭冰帽中的氣泡，揭示出含著溫室氣體和塵粒，與多科學家企圖解釋冰期的解答。直至最近研究象，分析了南極和格陵冰期大氣成分特別是飽現(xiàn)今大不相同……

在現(xiàn)今全球氣候變暖的聲討聲中，二氧化碳成了罪魁禍首，就是說地球有如燜在一個玻璃花房中，溫度將逐漸增高。據(jù)說到下個世紀初，全球平均溫度可能上升2℃。這意味著南北極的冰山會融化一部分，海平面將升高，一批沿海城市將陷于汪洋之中。

可是，從地球的長期氣候周期來看，這只不過是芝麻小事。原來地球一直處在“冰期→冰間期（較暖和）→冰期”的循環(huán)中。約在2萬年前，地球上絕大部分陸地都被厚厚的冰層所覆蓋，某些地方冰層厚達幾千米，收集大量的水囤積于冰中，那時的海平面比現(xiàn)在要低100米。

一個多世紀以來，許多科學家企圖解釋冰期的成因，但均未獲得圓滿的解答。直至最近，研究者根據(jù)冰期循環(huán)這一現(xiàn)象，分析了南極和格陵蘭冰帽中的氣泡，揭示出冰期大氣成分特別是飽含著溫室氣體和塵粒，與現(xiàn)今大不相同。

前蘇聯(lián)和法國聯(lián)合開發(fā)了伏斯托克鉆孔，花了14年工夫，在冰天雪地的南極洲挖掘了一個據(jù)說是世界最深的人工洞穴，并從深處取得一個長達2千米的冰芯。為何要在深處取冰？原來那里的冰層含有10多萬年前的大氣樣品。

伏斯托克冰芯的取得，被譽為20年來這一研究領(lǐng)域中最大的成就。它隱藏著有關(guān)南極和世界其他區(qū)域10多萬年來的氣候信息。這一時間跨度十分重要，因為它覆蓋了一個大于完整冰期的時間。我們現(xiàn)在處在一個冰期結(jié)束以后的冰間期，而這個冰芯經(jīng)歷了最近一個長達10萬年的冰期。

上述這些冰芯都含有許多氣泡，而這些氣泡則保存了冰期時的大氣樣品，從而使科學家第一次直觀判斷大氣在冰期循環(huán)中所起的巨大作用。

在研究了冰芯和深海芯后，科學家找到了一個冰期循環(huán)的模式：地球慢慢地滑入約延續(xù)10萬年的冰期，此時冰川橫行，到處皆水，而后在一個短暫的冰間期中，氣候轉(zhuǎn)暖，我們今天正享受著這個短暫的暖期?，F(xiàn)今的冰間期約始于1.1萬年前，它將再繼續(xù)上萬年時間，然后再度進入寒冷世界。這樣看來，冷暖相互交替，但嚴寒占上風，與暖期構(gòu)成了5：1的時間比例。

那么，究竟是什么原因觸發(fā)了這種冷暖循環(huán)呢？

大部分科學家認為，這起因于地球軌道形狀的變化。我們一般認為地球繞太陽運行，是沿著一條橢圓形的曲線，其實并非完全如此，地球的這一運行軌跡，在幾千年內(nèi)慢慢地從橢圓形變成近圓形，再變成略扁的圓形。

與此同時，地球的自轉(zhuǎn)軸有如一個旋轉(zhuǎn)的陀螺搖擺著，使得旋轉(zhuǎn)軸的傾斜度發(fā)生變化。這些變化最終導致地球按陽光的面積發(fā)生變化，引起日照面的重新分布，人們把它稱為軌道效應。

氣候?qū)W家認為，軌道效應是冰期的起搏器，正如米克斯所說：“軌道因素給了整個氣候系統(tǒng)以最初的一個推動?！闭\然，人們在作了深入研究后感到軌道效應雖是一個“最初一擊”的力量，但由此引起的日照面變化對地球溫度的影響甚微，僅0.4℃。更具奧妙的地方是，為何冰期的時間是10萬年（左右），而在對應的地球軌道變化中10萬年卻是變化最小的一種周期。

現(xiàn)在科學家面臨兩個難題：按軌道效應，溫度變化并不大，那么是通過什么放大機制才使地球變得如此嚴寒乃至冰川鋪地；又是什么原因使得地球?qū)?0萬年周期如此敏感？

科學家的研究從地面開始，進而轉(zhuǎn)向天上，現(xiàn)在再一次回到地面，重新研究冰層，它是過去長期覆蓋四分之一大陸面積的冰期的標志。

他們設想，當?shù)厍蜍壍腊l(fā)生變化時，我們這顆行星上的敏感區(qū)域首先受到日照面變化的影響。具體地說，在夏季，若加拿大北部日照減弱，那么其冬季留下的積雪將終年不化。如此這般地年復一年，這個區(qū)域本來冬積夏融的冰層，現(xiàn)在就一年一年地擴大，最終可向南伸展直至紐約。

這樣，這一大陸規(guī)模的冰川顯然成了寒冷的放大器。原先日照面變小僅限于加拿大北部，相應地變冷的地方也僅限于那一區(qū)域，可是隨著冰川日益擴大，它在更大面積上反射日光，這就使得氣溫大大降低，顯著地加劇了軌道效應。

大面積的厚冰層也可解釋10萬年周期，因為冰層變厚，它下面的大地被壓得慢慢下沉，甚至在今天我們還可以見到一個反證，如斯堪的那維亞和其他一度埋于厚冰之下的區(qū)域，它們今天因釋去了冰層的重負而在緩慢地升起。

由于地殼對冰的壓力反應很慢，它在時間上是一個幾萬年數(shù)量級的過程。一些專家提出，地質(zhì)學上的惰性時間，可能將氣候變化時間調(diào)節(jié)到10萬年的周期上。

盡管用冰層和其他物理機制來解釋冰期的過程相當成功，但最近從伏斯托克冰芯的研究揭示出，化學物質(zhì)和生命物質(zhì)的變化也是這種大氣候循環(huán)的重要媒劑。

路易斯小組公布說，在最近的這一冰期中，二氧化碳的密度遠低于今天（冰間期）的水平。從冰芯中取得的數(shù)據(jù)，說明二氧化碳與溫度密切相關(guān)。在整個冰期循環(huán)中，二氧化碳的升降（密度）跟溫度的變化是同步的，就是說溫度降到最低點，二氧化碳的密度也最小。

他們還發(fā)現(xiàn)，在大氣成分變化中，二氧化碳并不是唯一的參與者，其他物質(zhì)如甲烷和硫酸鹽粒子也如此，它們的密度水平與溫度密切相關(guān)。

在冰期中，甲烷密度降低而硫酸鹽粒子處于峰值，從冰芯中可看到，這些塵粒在南極洲有較多積累。在眾多而復雜的因素中，理清了這些物質(zhì)跟溫度的關(guān)系后，其原因幾乎不解而明，因為它們皆屬溫室氣體的成分，有助于加熱大氣；而硫酸鹽粒子則相反，它具有促進云層生成的作用，進而助長云層對日光的反射，使大氣冷卻。

大氣中這些化學成分的變化，代表了冰期世界有關(guān)狀態(tài)的信息。理論家和電腦專家合作，他們利用這些數(shù)據(jù)在電腦上作模擬試驗，十分逼真地重現(xiàn)了這種大氣候系統(tǒng)的周期變化，似乎是默契合作，配合得十分巧妙。例如冰間期開始時，氣溫即上升，溫室氣體的密度也即增加。它們之間的關(guān)系是如此“親密”，以致科學家碰上了一個“雞和蛋”的問題，很難搞清誰先誰后。

這一過程應該是這樣的：隨著日照面的變化，引起了大氣成分的變化，繼而全球溫度發(fā)生變化，反過來看，僅最初的溫度變化對大氣有影響，繼而大氣作為一種溫度放大器，發(fā)揮其作用。

路易斯說，我們相信化學物質(zhì)的變化具有很大的意義，其中二氧化碳的變化似乎是關(guān)鍵，這就使人們立即想到海洋，因為大氣中二氧化碳的含量僅及海洋的五十分之一。他們的研究也的確看到，海洋中二氧化碳含量的變化，與冰期中二氧化碳（密度）的起伏極其吻合。

既然海洋參與這一大氣候系統(tǒng)，那么海洋中的生物也不甘落后，許多電腦模擬說明了海洋生物的光合作用如何影響了氣候。況且在冰期開始時，海平面和洋流都有變化，浮游生物可能大量繁殖，它們的光合作用，使得大氣中的二氧化碳含量減少，從而促進了全球趨向寒冷。

不僅如此，它們還有可能產(chǎn)生硫化物，這些分子一旦進入大氣，即形成硫酸鹽粒子，促進云層的擴大而反射更多的日光。

科學界雖然還不能說已徹底揭開冰期循環(huán)之謎，但基本上算是搞清了其輪廓。傳統(tǒng)的地球軌道效應僅是因素之一，現(xiàn)在可看到，其成因比原來了解的要復雜得多，既有天文的，也有地質(zhì)和物理的，最后生物學因素也來湊熱鬧。