冰川大消融：冰河時代末期的演變

阿尼爾·阿南塔斯瓦米　劉法宗

2008年夏天，下曼哈頓城區的世貿中心遺址“歸零地”上正在施工。工人們向下挖掘到基巖時發現了一個10多米深的巨大壺穴，四周的裂縫中填滿了不同種類的巖石。擔任顧問的地質學家很快就識別出這些巖石，它們是被碾過基巖的巨大冰川從數千米外攜帶而來的。在之后的某段時間里，融化的冰川形成急流，鉆出了這一巨大的壺穴。

從紐約的壺穴到海水下的森林，我們身邊的種種證據都證明冰川曾經遍布世界。最近一次的大冰期大約開始于12萬年前，一塊最厚處達3000米的巨大冰原曾經不斷擴展，最終覆蓋了幾乎整個加拿大，向南一直延伸到曼哈頓。另一塊冰原則覆蓋了西伯利亞大部分地區、北歐和英國，一直延伸到現在的倫敦附近。其他地區還形成了許多較小的冰原和冰川。后來，地球逐漸變暖，很大一部分區域變成了苔原，荒漠也逐漸擴大。

因為當時陸地上有這么多冰，所以海平面要比現在低120米。在那個時候，英國和愛爾蘭還與歐洲大陸相連，佛羅里達州的面積是現在的2倍，坦帕市（美國佛羅里達州西部的海港城市）離海岸還有很遠，而澳大利亞、塔斯馬尼亞島和新幾內亞島屬于一整塊叫作莎湖的大陸。那時的地球你肯定認不出來。

2萬年前，冰川開始消融。在隨后的1萬年間，地球的平均溫度上升了3.5℃，大部分冰川都融化了。上升的海平面吞沒了低洼的地區，英吉利海峽和北海形成了，我們的祖先放棄了很多定居地。問題是，到底是什么導致了地球上的這一巨變？

神秘的變化

我們很早就知道，全球冰川消融的起因是北半球夏季日照的增強融化了冰川和積雪，但之后發生了什么一直是個謎。比如說，當冰川開始消融時，南半球開始變暖而北半球開始變冷，這與日照變化本應帶來的結果是完全相反的。兩個世紀以來，人們一直為這些看似矛盾的發現而困惑不已。

這一切都要回到19世紀30年代。當時路易斯？阿加西注意到冰川活動留下的顯著特征，如基巖上的擦痕和漂移的巖石，這些巖石原本應該待在相距十分遙遠的冰川附近。從加拿大到智利，全球很多地方都有類似的發現。很明顯，歷史上曾經有過多次冰河時期。

冰川是怎么形成的，又是怎么消融的呢？1864年，詹姆斯？克羅爾提出了關于冰川成因的天文說。他認為，地球圍繞太陽的旋轉軌道的變化改變了不同地區接收日照的多少，這導致了冰川的形成和消融。他還認為，軌道變化這一因素因為各種反饋機制被放大，比如能反射熱量的冰雪的融化以及洋流的變化都加速了消融。

盡管克羅爾在許多細節上都錯了，但他的整體方向是對的。20世紀初，塞爾維亞的天文學家米盧廷？米蘭科維奇總結說北半球的夏季日照是一個關鍵因素，并且花費了數年時間計算出過去60萬年的變化曲線。在當時，他的觀點并沒有被人接受，但20世紀70年代對海洋沉積巖芯的研究發現，冰原的前進與消退和“米蘭科維奇曲線”相吻合。

還有很多謎團有待解開。首先，日照的變化是很微小的，就算因為冰雪消融導致地球吸收了更多的太陽熱量，從而放大了這一變化，也很難解釋全球規模的變化。其次，當北半球夏季日照增多的時候，南半球日照是減少的。克羅爾因此得出結論，南北半球的冰期是相間的：當北半球進入冰期時南半球就進入暖期，反之亦然。然而，我們早就已經確認，整個地球大約是在同一個時期變暖的。

這個問題的答案在20世紀80年代浮出了水面。在南極洲鉆孔取出的冰芯表明，大氣中二氧化碳的濃度與溫度密切相連。“過去100萬年來，這兩個數值一起上升下降，每個冰期都一致，幾乎是完全同步的，”哈佛大學的杰里米？沙昆說，“這是你能從自然中得到的最美妙的關聯。”

如果北半球冰原開始消融導致大氣中二氧化碳濃度很快上升，就能夠解釋為什么南半球同時開始變暖，還能解釋變化的幅度。但這一觀點遇到的主要問題是：在20世紀初我們了解到，南極洲在大氣中二氧化碳濃度上升的幾百年前就開始變暖。因此，二氧化碳確實會導致地球變暖，但它只是地球變暖、冰期結束的部分原因，而不是最初原因。“南極洲變暖另有原因。”美國普林斯頓大學的丹尼爾？西格曼說。

花粉之謎

還有一個謎團。20世紀30年代，科學家對仙女木（高山植物）和其他植物的花粉沉積物的研究表明，歐洲在開始變暖后不久又很快變冷。這一寒冷周期大約從1.75萬年前持續到1.47萬年前，被稱為老仙女木期或神秘階段。后來的冰芯研究表明，格陵蘭島也是在同一時期變冷的。

在這一時期，南極洲卻持續變暖。“從局部來看，南半球似乎先于北半球變暖。”西格曼說。但是，是什么導致北半球變冷的時候南半球在變暖？不是地球軌道或大氣中二氧化碳濃度的變化，而是洋流的變化。

1.9萬年前，當巨大的冰原開始融化時，大量的淡水涌入北大西洋。愛爾蘭海沿岸的海洋沉積物研究顯示，那里的海平面僅在數百年間就升高了10米。在今天的北大西洋，熱帶涌來的咸水冷卻后密度增加，沉到底部。這些深層的冷水回流到南半球，而表層的溫水，包括墨西哥灣暖流，繼續向北流動。這一洋流系統被稱為大西洋經向翻轉環流。

1.9萬年前涌入海洋的大量淡水稀釋了咸水，從而使海水密度降低，導致翻轉環流減速。2004年，一項關于海洋沉積物的研究提供了相關證據，兩種重元素的比值顯示出，在1.75萬年前翻轉環流幾乎停止。

這有點像蹺蹺板。表層洋流向北帶去的熱量減少，北半球因此變冷。與之相反，南半球熱帶和亞熱帶地區熱量損失減少，因此開始變暖。這就解釋了之前的很多令我們困惑的發現。大西洋洋流的減速也有助于解釋冰川大消融時期大氣中二氧化碳濃度的增加。

20世紀90年代，人們將搜尋二氧化碳來源的目光投向南半球海洋。海洋沉積物的同位素分析表明，冰河時期的底層海水中儲藏有大量的二氧化碳。一般認為，這些氣體因為無法垂直混合，又被海冰覆蓋，所以儲藏在深水中。在冰川大消融時，海洋就像是被撥了塞子，大量二氧化碳因此進入大氣中。

這一點在2012年年初得到了確認。現在，南半球海洋垂直混合程度的增加導致了二氧化碳的排放，這一觀點已經被廣泛接受。紐約勒芒？道荷迪地告說，在老仙女木期南半球變暖時，南半球海洋中具有二氧化硅殼的浮游生物的數量大大增加了。因為這類生物體的數量取決于表層海水中溶解的二氧化硅的多少，所以它們數量的增加一定是富含二氧化硅和其他營養物的海水上涌所致。

但原因是什么呢？有兩種說法。西格曼指出，南極洲幾乎與赤道南部的海水同時變暖。但大西洋環流停止應當僅僅導致熱帶海水升溫，不至于影響到南極。2007年，他的小組提出，當大西洋環流停止時，南極洲水域自身形成的區域環流取代了它，密度高的表面海水下沉，底層海水上涌，釋放了熱量和二氧化碳。“這可以解釋南極洲變暖和大氣中二氧化碳濃度升高。”西格曼說。

但是安德森和他的同事認為，是風帶發生的變化導致了上涌增加。在地球上，由于極地和熱帶的溫差再加上自轉產生了不同的盛行風帶，當溫差發生變化時，盛行風帶的位置也會發生變化。

在冰河時代，位于南半球的西風帶可能位置更靠北。蹺蹺板效應導致西風帶移向南半球海洋，使南極洲變暖，同時攪動周圍的海水。尤其在南美洲與南極洲之間的淺海地區，這種風成環流引起了更多的上涌。

雖然細節還有待討論，但總體情況已日漸明朗。“盡管對最后一個冰期結束時南極洲的演化狀態還有一些不同意見，”安德森說，“但至少宏觀特征得到了廣泛接受。”

2012年早些時候，沙昆和他的同事對2.2萬年以來的80份溫度和大氣成分記錄進行了對比分析，并將這些研究線索歸納在一起。他們的工作在相當程度上確認了冰河時期結束時各事件的順序，過程是這樣的：

大約2萬年前，北方的冰原向南一直延伸到很遠，然而日照的微弱增加導致了冰川全面融化。由于融化的淡水流入北大西洋，翻轉環流中止，導致北半球降溫而南半球升溫。導致這些變化的最主要的原因是熱量的重新分配——約1.75萬年前，地球的平均溫度僅僅上升了0.3℃。

風或洋流的變化，或者兩種變化同時作用，使得南半球海洋更多的底層海水上涌，釋放了貯藏幾千年的二氧化碳。當大氣中二氧化碳的濃度達到190毫克/升時，全球開始變暖，最北方的地區變化最慢。但到約1.5萬年前時，二氧化碳的濃度上升至240毫克/升，大西洋翻轉環流再次流動，溫度開始迅速上升。而南半球的效應則相反，升溫停止，二氧化碳也不再釋放。

約1.29萬年前，蹺蹺板效應開始起作用。北半球氣溫驟降并且持續寒冷了約1300年。這一寒冷期被稱為新仙女木期，可能是由北美的巨大冰川融湖引起的。超過五大湖總水量的湖水突然涌入大西洋，導致翻轉環流再次中止。

與此同時，南半球海洋再次開始釋放二氧化碳。二氧化碳的濃度激增至260毫克/升，導致之后的幾千年全球迅速變暖。大約1萬年前，地球可謂面貌一新，冰川退去，海平面上升，我們的祖先正在學習農耕。

不過嚴格來講，冰河時代并未真正結束。在過去的幾百萬年間，冰川多次進退，兩極卻始終為冰雪覆蓋。但這種情況也許不會持續太久。日照的微弱增加，以及二氧化碳的濃度僅僅上升70毫克/升，就融化了曾覆蓋歐亞大陸和美洲的巨大冰原。而自工業文明以來，二氧化碳的濃度已經上升了130毫克/升，并且還在上升，就算人類排放的二氧化碳還沒能融化覆蓋格陵蘭和南極洲的冰蓋，也時日無多了。

我們還是幸運的，最后的冰蓋全部融化還需要幾千年。如果真的融化了，也許某一天南極的建筑工人會發現冰川融水在基巖上雕刻出的壺穴，會又一次感慨地球上的滄海桑田。