美国科学家研究发现：北半球冰盖的增长和退缩周期为10万年……曾力

曾力

【内容提要】：

美国明尼苏达大学的一个科学家小组研究发现：两百多万年前，地球开始变得寒冷，南极洲出现了冰封并形成了存在至今的冰盖。冰盖与冰川时而生长，时而退缩，覆盖的面积处在不断的变化之中。地球北半球冰盖的增长和退缩周期为10万年。

用于解释地球冰期10万年周期的假说主要有两个，一个是二氧化碳驱动，即地球大气中二氧化碳浓度的变化影响了全球气候。另一个是轨道驱动，指的是地球轨道的变化造成太阳辐射的变化，阳光更温暖了便会造成冰期的终结。后者又叫做米兰柯维奇循环。

塞尔维亚工程师米兰柯维奇（Milutin Milankovitch）花了几十年的时间计算地球的轨道偏心率、地轴倾斜度和岁差三者的变化如何影响地球的气候。假如地轴倾斜度对冰期起决定性作用的话，那么地球上冰期也应该是以41000年为周期的。地质学家的实地考察发现，从250万年前开始，地球的冰期真的就是以41000年为周期的，与这种预期完全相同。但是，大约过了一百万年，冰期变化的周期却突然发生了改变：从41000年变成了10万年。

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北半球冰盖的增长和退缩为什么以10万年为周期？美国明尼苏达大学的一个科学家小组从中国南方溶洞的石笋里找到了神奇的蛛丝马迹。

　　两百多万年前，地球开始变得寒冷，南极洲出现了冰封并形成了存在至今的冰盖。北半球格陵兰岛上可能也在同一时期形成了冰盖。地球由此进入第四季冰期。在过去这两百多万年里，冰盖与冰川时而生长，时而退缩，覆盖的面积处在不断的变化之中。

　　地球的漫长历史上出现气候变化与冰盖消长似乎不是一件令人意外的事情。但是，科学家发现这其中有一个奇怪的现象：北半球冰盖的增长和退缩是以10万年为周期的。于是，一个人很容易追问，为什么是10万年？

　　这简单的一问却是地质学中一个长期悬而未决的难题。过去几年里，以美国明尼苏达大学一组地质学家为主的研究人员找到了一条独特的路径来回答这一问题。现在，他们有可能最终找到了终结冰期的气候过程。

　　“以前冰期结束的原因有两个大的假说，我们有机会把所有的冰期结束的事件放在一起，看看这两个导致冰期结束的假说到底是怎么回事。”美国明尼苏达大学高级研究助理程海告诉《南方周末》记者。

　　有趣的是，为他们提供了这一机会的物理证据不是来自于两极的冰盖，不是来自于山岳冰川，也不是来自于海底；它来自于一个乍看之下毫不相干的地方——中国南方的溶洞。

溶洞里的日历

　　

据说在1993年，南京附近的一名男孩正在踢足球，突然掉进了地下，由此发现了一个之前不为人知的溶洞。随后，在旅游开发的挖掘过程中，两具直立人的骨骼化石和大量古动物化石被发现。这个溶洞就是南京雷公山葫芦洞。开掘葫芦洞就好像是打开了一段尘封的远古历史。葫芦洞所记载的不仅有古人进化的足迹，还有古气候的信息。

　　经年累月，水滴从溶洞顶端的裂缝中滴下来。这些水中含有二氧化碳，在流经石灰岩时能够溶解少量的碳酸钙，形成碳酸氢钙。由水滴带下来的碳酸氢钙在一定的二氧化碳浓度下又会形成碳酸钙。这些微量的碳酸钙在溶洞的地面上缓慢累积，经过漫长的岁月后形成我们今天看到的石笋。

　　石笋由下向上生长，如果你将一个石笋切开，就会发现它的内部像大树的年轮一样是一圈一圈的。这样的结构让石笋成为了天然的年代记录装置。

　　在发现石笋的年代学功用之前，地质学家确定古气候和年代的方法主要有两种。一种是在两极冰盖中提取“冰芯”。冰芯的层里结构、包含的同位素，乃至气泡里的密封着的远古空气，都能够成为研究古气候的蛛丝马迹。

　　另一种方法是研究海底沉积物。海底沉积物中有一种古老的原生动物，叫做有孔虫。它们能够分泌钙质，在沉积物中形成碳酸钙。提取碳酸钙当中的氧同位素信息便能了解到海水当年的氧同位素状况。而海水的氧同位素情况和海平面变化之间存在着极大的对应关系。当海水蒸发，海平面降低时，氧同位素就变重。

　　然而，这两大最为广泛使用和最为成功的研究手段也存在着无法解决的难题。海底沉积物的研究没办法判断年代，只好通过一系列的假设来确定，最终难逃“循环论证”的嫌疑。冰芯也像树轮一样可以数层，但最多只能数到两三万年前，便就无法再数下去了。因为由于重力的作用，再下面的部分都已经被压扁了。所以两者都在研究中留下了许多疑问。并且，在这两者之间，怎么把海洋记录和冰芯记录放在同一个时标上——冰芯记录了甲烷、二氧化碳和两极温度的变化，它们怎么和海洋所记录的海平面的变化放在一个时间尺度上，也是一大难题。

　　程海等人还曾尝试用珊瑚来研究，但是发现采集到的珊瑚只是生长了十几年或是几十年，而且不同的珊瑚之间也无法连接起来形成更长的年表。

　　十年前，程海的一名研究生杰夫·杜拉尔（Jef Dorale）用石笋做出了古气候的信息，并把这个消息告诉程海等人。一开始，程海等人并不相信，他们认为不同地区的石笋，不同的石灰岩溶洞，采集到的不同样品，做出来的结果一定是不一样的。于是他们问杜拉尔，你能重复你的结果吗？结果这名学生在不同的石笋上重现了相同的气候信息。“1990年代末和2001年有几项重要的研究发表，现在这个领域已经变得非常热了。”程海说，“十年之前，包括我们在内，很多人都不相信石笋这种方法的。”

　　

　　程海和他的印度籍博士生在研究印度溶洞的石笋，他相信这一工作将进一步澄清有关冰期终结的问题。

米兰柯维奇循环

　　用于解释地球冰期10万年周期的假说主要有两个，一个是二氧化碳驱动，即地球大气中二氧化碳浓度的变化影响了全球气候。另一个是轨道驱动，指的是地球轨道的变化造成太阳辐射的变化，阳光更温暖了便会造成冰期的终结。后者又叫做米兰柯维奇循环。

　　米兰柯维奇（Milutin Milankovitch）是二十世纪初的一名塞尔维亚工程师，他提出了天文因素是如何影响到地球上的夏日阳光的。他花了几十年的时间计算地球的轨道偏心率、地轴倾斜度和岁差三者的变化如何影响地球的气候。

　　比如说，地轴倾斜度以41000年为周期增加和减少，使得地球的夏天变得更热，冬天变得更冷。岁差是一个天文学概念，它指的是地轴的指向的周期性变化，地轴的指向旋转一周大约是26000年。

　　很容易想到的是，地轴倾斜度以41000年为周期变化，假如它对冰期起决定性作用的话，那么地球上冰期也应该是以41000年为周期的。地质学家的实地考察发现，从250万年前开始，地球的冰期真的就是以41000年为周期的，与这种预期完全相同。

　　但是，大约过了一百万年，冰期变化的周期却突然发生了改变——从41000年变成了10万年。这又是怎么回事呢？地球轨道的偏心率是以 95000年和125000年为周期变化的，这两个数字的确都接近10万年。但是，计算一下便知道，它们的变化都太小了，远不足以决定冰期的去留。

　　所以谜团依旧。整个故事简直像是一部本格推理小说。科学家开始寻找其他的解释，比如说地球周期性地穿越宇宙中的尘埃团，或者太阳活动的强弱程度是以10万年为周期的。后来，来自南极洲的冰芯给科学家提供了新的线索。冰芯显示出气温与温室气体的浓度存在紧密的关联。

　　于是，新的可能性是：阳光的微小变化对地球气候的影响被二氧化碳的上升给大大加剧了。但对于这种可能性，支持性的证据仍然缺乏。就像前面提到的那样，冰芯和海底沉积物的时标并不可靠，科学家无法确定事件与事件之间究竟谁先谁后，谁引发了谁。

证据的拼图

　　

在冰芯和海底沉积物无能无力的地方，石笋的力量开始展现。奇妙的是，它的精度很高。程海等人2009年底发表在美国《科学》杂志的文章中所用的一个石笋，提供了13万年前的气候信息，而年代的误差可能只有50年。

　　另一方面，它能够提供绝对年标，而不是像冰芯和海底沉积物所提供的相对年标。换句话说，它能够直接指示出某个事件发生在“多少万年前”。

　　程海等人在中国搜寻了大量的溶洞，寻找最佳的石笋样本。让他们最终获得重要信息的样本除了来自南京葫芦洞，还来自湖北神农架的林竹洞和三宝洞。

　　但是，这些石笋位于中国南方，至少南京在第四季冰期中是没有形成过冰川的，那么，石笋所记录的信息与南北两极冰盖的消长之间存在怎样的关联？

　　实际上，程海等人从石笋中得到的是季风的信息。他们发现，在过去四次冰期终结时，季风带来的降水都比较多。这一点是通过探测石笋中的氧同位素发现的。“冰期的降水和非冰期的降水中氧同位素的成分是不一样的，氧同位素指示的是季风的强弱。”程海解释说。

　　科学家们认为，当极地的冰盖开始消融的时候，流入海洋的大量淡水改变了海水环流，进而对气候产生明显的影响。“季风的强弱是一个大范围的气象现象。季风从澳大利亚经过南印度洋，一直到太平洋，最后到中国。现在也是这样。这是一个很大的气候系统。”程海说。

　　石笋实际上提供了第三方的时标，由此科学家得以将冰芯和海底沉积物的气候时标关联起来，然后再与地球轨道、温室气体等因素的变化进行对照。

　　现在他们发现，在过去四个冰期里，规律就像是地砖上的花纹那样显而易见。不同年份中，夏日阳光的强弱发生微微的振荡，强一些然后又弱一些，这与地球轨道的变化存在对应关系。然后，到了阳光第四次或第五次增强时，一个冰期就开始终结了。

　　当然，这里可能又会让人产生疑问：为什么冰盖要到阳光第四次或第五次增强时才融化，而之前却没有反应呢？这可能是因为，冰期开始时，冰盖会逐渐生长，也就变得越来越重，巨大的质量造成陆地下降，直到冰盖的底部接触到海水。对于冰盖来说，底部接触到海水会使得它更易融化。所以，到了这个时候，如果阳光强烈一点的话，冰盖可能就会崩溃了。

　　有早先的研究提出，在冰期终结前数千年，二氧化碳浓度就已经开始上升。然而程海等人的研究却发现，二者是同时出现的。这或许意味着冰盖的融化改变了海洋环流，从而引起二氧化碳的增加。

　　将以上所有的证据拼接起来：冰期开始时，冰盖开始生长，直到达到它的临界点。这时由于地球轨道的变化，阳光在夏天稍稍强烈了一些，冰盖开始融化。融化出的大量淡水流入大西洋，切断海洋循环，并让二氧化碳释放到大气中去。二氧化碳和温室作用与温暖的日光一起，进一步加速冰盖的融化。这样便形成了正反馈，冰期在几千年的时间里迅速终结。

　　“这是第一个真正解释了冰期终结及其周期问题的具有连贯性的故事，程海等人指出了通向这个故事的道路。”美国加州大学圣迭戈分校海洋学教授杰弗里·赛林豪斯（Jefrey Severinghaus）在《科学》杂志上评论说。

　　赛林豪斯同时还指出，理解冰期的崩溃过程与人类的过去和未来都具有相关性，因为冰期崩溃之后往往会有气候相对稳定和温暖的一段时期，上次冰期终结到现在有11700年，人类的农业和文明也是在这段时间里繁荣起来的。

另一方面，尽管现在看起来地质学家的证据正在拼接出一个完整的故事，但米兰柯维奇循环中仍然有一个大问题尚未得到解释，即冰期的终结时间为什么会从41000年突然转变为10万年。

文章作者：黄永明、甘晓

发表媒体：《南方周末》

发表时间：2010年7月7日

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