阿尼爾·阿南塔斯瓦米　劉法宗

2008年夏天，下曼哈頓城區(qū)的世貿(mào)中心遺址“歸零地”上正在施工。工人們向下挖掘到基巖時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)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(dān)任顧問的地質(zhì)學(xué)家很快就識(shí)別出這些巖石，它們是被碾過基巖的巨大冰川從數(shù)千米外攜帶而來的。在之后的某段時(shí)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(jù)都證明冰川曾經(jīng)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(dá)3000米的巨大冰原曾經(jīng)不斷擴(kuò)展，最終覆蓋了幾乎整個(gè)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(qū)、北歐和英國，一直延伸到現(xiàn)在的倫敦附近。其他地區(qū)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(qū)域變成了苔原，荒漠也逐漸擴(kuò)大。

因?yàn)楫?dāng)時(shí)陸地上有這么多冰，所以海平面要比現(xiàn)在低120米。在那個(gè)時(shí)候，英國和愛爾蘭還與歐洲大陸相連，佛羅里達(dá)州的面積是現(xiàn)在的2倍，坦帕市（美國佛羅里達(dá)州西部的海港城市）離海岸還有很遠(yuǎn)，而澳大利亞、塔斯馬尼亞島和新幾內(nèi)亞島屬于一整塊叫作莎湖的大陸。那時(shí)的地球你肯定認(rèn)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(qū)，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(dǎo)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(qiáng)融化了冰川和積雪，但之后發(fā)生了什么一直是個(gè)謎。比如說，當(dāng)冰川開始消融時(shí)，南半球開始變暖而北半球開始變冷，這與日照變化本應(yīng)帶來的結(jié)果是完全相反的。兩個(gè)世紀(jì)以來，人們一直為這些看似矛盾的發(fā)現(xiàn)而困惑不已。

這一切都要回到19世紀(jì)30年代。當(dāng)時(shí)路易斯？阿加西注意到冰川活動(dòng)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(yīng)該待在相距十分遙遠(yuǎn)的冰川附近。從加拿大到智利，全球很多地方都有類似的發(fā)現(xiàn)。很明顯，歷史上曾經(jīng)有過多次冰河時(shí)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(guān)于冰川成因的天文說。他認(rèn)為，地球圍繞太陽的旋轉(zhuǎn)軌道的變化改變了不同地區(qū)接收日照的多少，這導(dǎo)致了冰川的形成和消融。他還認(rèn)為，軌道變化這一因素因?yàn)楦鞣N反饋機(jī)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(xì)節(jié)上都錯(cuò)了，但他的整體方向是對(duì)的。20世紀(jì)初，塞爾維亞的天文學(xué)家米盧廷？米蘭科維奇總結(jié)說北半球的夏季日照是一個(gè)關(guān)鍵因素，并且花費(fèi)了數(shù)年時(shí)間計(jì)算出過去60萬年的變化曲線。在當(dāng)時(shí)，他的觀點(diǎn)并沒有被人接受，但20世紀(jì)70年代對(duì)海洋沉積巖芯的研究發(fā)現(xiàn)，冰原的前進(jìn)與消退和“米蘭科維奇曲線”相吻合。

還有很多謎團(tuán)有待解開。首先，日照的變化是很微小的，就算因?yàn)楸┫趯?dǎo)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(guī)模的變化。其次，當(dāng)北半球夏季日照增多的時(shí)候，南半球日照是減少的?？肆_爾因此得出結(jié)論，南北半球的冰期是相間的：當(dāng)北半球進(jìn)入冰期時(shí)南半球就進(jìn)入暖期，反之亦然。然而，我們?cè)缇鸵呀?jīng)確認(rèn)，整個(gè)地球大約是在同一個(gè)時(shí)期變暖的。

這個(gè)問題的答案在20世紀(jì)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?！斑^去100萬年來，這兩個(gè)數(shù)值一起上升下降，每個(gè)冰期都一致，幾乎是完全同步的，”哈佛大學(xué)的杰里米？沙昆說，“這是你能從自然中得到的最美妙的關(guān)聯(lián)。”

如果北半球冰原開始消融導(dǎo)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(shí)開始變暖，還能解釋變化的幅度。但這一觀點(diǎn)遇到的主要問題是：在20世紀(jì)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(shí)會(huì)導(dǎo)致地球變暖，但它只是地球變暖、冰期結(jié)束的部分原因，而不是最初原因?！澳蠘O洲變暖另有原因?！泵绹樟炙诡D大學(xué)的丹尼爾？西格曼說。

花粉之謎

還有一個(gè)謎團(tuán)。20世紀(jì)30年代，科學(xué)家對(duì)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(xù)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(shí)期變冷的。

在這一時(shí)期，南極洲卻持續(xù)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(dǎo)致北半球變冷的時(shí)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(dāng)巨大的冰原開始融化時(shí)，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(shù)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(xù)向北流動(dòng)。這一洋流系統(tǒng)被稱為大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)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(dǎo)致翻轉(zhuǎn)環(huán)流減速。2004年，一項(xiàng)關(guān)于海洋沉積物的研究提供了相關(guān)證據(jù)，兩種重元素的比值顯示出，在1.75萬年前翻轉(zhuǎn)環(huán)流幾乎停止。

這有點(diǎn)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(qū)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(fā)現(xiàn)。大西洋洋流的減速也有助于解釋冰川大消融時(shí)期大氣中二氧化碳濃度的增加。

20世紀(jì)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(shí)期的底層海水中儲(chǔ)藏有大量的二氧化碳。一般認(rèn)為，這些氣體因?yàn)闊o法垂直混合，又被海冰覆蓋，所以儲(chǔ)藏在深水中。在冰川大消融時(shí)，海洋就像是被撥了塞子，大量二氧化碳因此進(jìn)入大氣中。

這一點(diǎn)在2012年年初得到了確認(rèn)?，F(xiàn)在，南半球海洋垂直混合程度的增加導(dǎo)致了二氧化碳的排放，這一觀點(diǎn)已經(jīng)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(shí)，南半球海洋中具有二氧化硅殼的浮游生物的數(shù)量大大增加了。因?yàn)檫@類生物體的數(shù)量取決于表層海水中溶解的二氧化硅的多少，所以它們數(shù)量的增加一定是富含二氧化硅和其他營養(yǎng)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(shí)變暖。但大西洋環(huán)流停止應(yīng)當(dāng)僅僅導(dǎo)致熱帶海水升溫，不至于影響到南極。2007年，他的小組提出，當(dāng)大西洋環(huán)流停止時(shí)，南極洲水域自身形成的區(qū)域環(huán)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?！斑@可以解釋南極洲變暖和大氣中二氧化碳濃度升高?！蔽鞲衤f。

但是安德森和他的同事認(rèn)為，是風(fēng)帶發(fā)生的變化導(dǎo)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(zhuǎn)產(chǎn)生了不同的盛行風(fēng)帶，當(dāng)溫差發(fā)生變化時(shí)，盛行風(fēng)帶的位置也會(huì)發(fā)生變化。

在冰河時(shí)代，位于南半球的西風(fēng)帶可能位置更靠北。蹺蹺板效應(yīng)導(dǎo)致西風(fēng)帶移向南半球海洋，使南極洲變暖，同時(shí)攪動(dòng)周圍的海水。尤其在南美洲與南極洲之間的淺海地區(qū)，這種風(fēng)成環(huán)流引起了更多的上涌。

雖然細(xì)節(jié)還有待討論，但總體情況已日漸明朗。“盡管對(duì)最后一個(gè)冰期結(jié)束時(shí)南極洲的演化狀態(tài)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(shí)候，沙昆和他的同事對(duì)2.2萬年以來的80份溫度和大氣成分記錄進(jìn)行了對(duì)比分析，并將這些研究線索歸納在一起。他們的工作在相當(dāng)程度上確認(rèn)了冰河時(shí)期結(jié)束時(shí)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(yuǎn)，然而日照的微弱增加導(dǎo)致了冰川全面融化。由于融化的淡水流入北大西洋，翻轉(zhuǎn)環(huán)流中止，導(dǎo)致北半球降溫而南半球升溫。導(dǎo)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(fēng)或洋流的變化，或者兩種變化同時(shí)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(dāng)大氣中二氧化碳的濃度達(dá)到190毫克/升時(shí)，全球開始變暖，最北方的地區(qū)變化最慢。但到約1.5萬年前時(shí)，二氧化碳的濃度上升至240毫克/升，大西洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流再次流動(dòng)，溫度開始迅速上升。而南半球的效應(yīng)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(yīng)開始起作用。北半球氣溫驟降并且持續(xù)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(dǎo)致翻轉(zhuǎn)環(huán)流再次中止。

與此同時(shí)，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(dǎo)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(xué)習(xí)農(nóng)耕。

不過嚴(yán)格來講，冰河時(shí)代并未真正結(jié)束。在過去的幾百萬年間，冰川多次進(jìn)退，兩極卻始終為冰雪覆蓋。但這種情況也許不會(huì)持續(xù)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(yè)文明以來，二氧化碳的濃度已經(jīng)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(shí)日無多了。

我們還是幸運(yùn)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(huì)發(fā)現(xiàn)冰川融水在基巖上雕刻出的壺穴，會(huì)又一次感慨地球上的滄海桑田。