地球冰期循环之谜

□张元国

地球冰期循环之谜

□张元国

一个多世纪以来，许的成因，但均未获得圆满者根据冰期循环这一现兰冰帽中的气泡，揭示出含着温室气体和尘粒，与多科学家企图解释冰期的解答。直至最近研究象，分析了南极和格陵冰期大气成分特别是饱现今大不相同……

在现今全球气候变暖的声讨声中，二氧化碳成了罪魁祸首，就是说地球有如焖在一个玻璃花房中，温度将逐渐增高。据说到下个世纪初，全球平均温度可能上升2℃。这意味着南北极的冰山会融化一部分，海平面将升高，一批沿海城市将陷于汪洋之中。

可是，从地球的长期气候周期来看，这只不过是芝麻小事。原来地球一直处在“冰期→冰间期（较暖和）→冰期”的循环中。约在2万年前，地球上绝大部分陆地都被厚厚的冰层所覆盖，某些地方冰层厚达几千米，收集大量的水囤积于冰中，那时的海平面比现在要低100米。

一个多世纪以来，许多科学家企图解释冰期的成因，但均未获得圆满的解答。直至最近，研究者根据冰期循环这一现象，分析了南极和格陵兰冰帽中的气泡，揭示出冰期大气成分特别是饱含着温室气体和尘粒，与现今大不相同。

前苏联和法国联合开发了伏斯托克钻孔，花了14年工夫，在冰天雪地的南极洲挖掘了一个据说是世界最深的人工洞穴，并从深处取得一个长达2千米的冰芯。为何要在深处取冰？原来那里的冰层含有10多万年前的大气样品。

伏斯托克冰芯的取得，被誉为20年来这一研究领域中最大的成就。它隐藏着有关南极和世界其他区域10多万年来的气候信息。这一时间跨度十分重要，因为它覆盖了一个大于完整冰期的时间。我们现在处在一个冰期结束以后的冰间期，而这个冰芯经历了最近一个长达10万年的冰期。

上述这些冰芯都含有许多气泡，而这些气泡则保存了冰期时的大气样品，从而使科学家第一次直观判断大气在冰期循环中所起的巨大作用。

在研究了冰芯和深海芯后，科学家找到了一个冰期循环的模式：地球慢慢地滑入约延续10万年的冰期，此时冰川横行，到处皆水，而后在一个短暂的冰间期中，气候转暖，我们今天正享受着这个短暂的暖期。现今的冰间期约始于1.1万年前，它将再继续上万年时间，然后再度进入寒冷世界。这样看来，冷暖相互交替，但严寒占上风，与暖期构成了5：1的时间比例。

那么，究竟是什么原因触发了这种冷暖循环呢？

大部分科学家认为，这起因于地球轨道形状的变化。我们一般认为地球绕太阳运行，是沿着一条椭圆形的曲线，其实并非完全如此，地球的这一运行轨迹，在几千年内慢慢地从椭圆形变成近圆形，再变成略扁的圆形。

与此同时，地球的自转轴有如一个旋转的陀螺摇摆着，使得旋转轴的倾斜度发生变化。这些变化最终导致地球按阳光的面积发生变化，引起日照面的重新分布，人们把它称为轨道效应。

气候学家认为，轨道效应是冰期的起搏器，正如米克斯所说：“轨道因素给了整个气候系统以最初的一个推动。”诚然，人们在作了深入研究后感到轨道效应虽是一个“最初一击”的力量，但由此引起的日照面变化对地球温度的影响甚微，仅0.4℃。更具奥妙的地方是，为何冰期的时间是10万年（左右），而在对应的地球轨道变化中10万年却是变化最小的一种周期。

现在科学家面临两个难题：按轨道效应，温度变化并不大，那么是通过什么放大机制才使地球变得如此严寒乃至冰川铺地；又是什么原因使得地球对10万年周期如此敏感？

科学家的研究从地面开始，进而转向天上，现在再一次回到地面，重新研究冰层，它是过去长期覆盖四分之一大陆面积的冰期的标志。

他们设想，当地球轨道发生变化时，我们这颗行星上的敏感区域首先受到日照面变化的影响。具体地说，在夏季，若加拿大北部日照减弱，那么其冬季留下的积雪将终年不化。如此这般地年复一年，这个区域本来冬积夏融的冰层，现在就一年一年地扩大，最终可向南伸展直至纽约。

这样，这一大陆规模的冰川显然成了寒冷的放大器。原先日照面变小仅限于加拿大北部，相应地变冷的地方也仅限于那一区域，可是随着冰川日益扩大，它在更大面积上反射日光，这就使得气温大大降低，显著地加剧了轨道效应。

大面积的厚冰层也可解释10万年周期，因为冰层变厚，它下面的大地被压得慢慢下沉，甚至在今天我们还可以见到一个反证，如斯堪的那维亚和其他一度埋于厚冰之下的区域，它们今天因释去了冰层的重负而在缓慢地升起。

由于地壳对冰的压力反应很慢，它在时间上是一个几万年数量级的过程。一些专家提出，地质学上的惰性时间，可能将气候变化时间调节到10万年的周期上。

尽管用冰层和其他物理机制来解释冰期的过程相当成功，但最近从伏斯托克冰芯的研究揭示出，化学物质和生命物质的变化也是这种大气候循环的重要媒剂。

路易斯小组公布说，在最近的这一冰期中，二氧化碳的密度远低于今天（冰间期）的水平。从冰芯中取得的数据，说明二氧化碳与温度密切相关。在整个冰期循环中，二氧化碳的升降（密度）跟温度的变化是同步的，就是说温度降到最低点，二氧化碳的密度也最小。

他们还发现，在大气成分变化中，二氧化碳并不是唯一的参与者，其他物质如甲烷和硫酸盐粒子也如此，它们的密度水平与温度密切相关。

在冰期中，甲烷密度降低而硫酸盐粒子处于峰值，从冰芯中可看到，这些尘粒在南极洲有较多积累。在众多而复杂的因素中，理清了这些物质跟温度的关系后，其原因几乎不解而明，因为它们皆属温室气体的成分，有助于加热大气；而硫酸盐粒子则相反，它具有促进云层生成的作用，进而助长云层对日光的反射，使大气冷却。

大气中这些化学成分的变化，代表了冰期世界有关状态的信息。理论家和电脑专家合作，他们利用这些数据在电脑上作模拟试验，十分逼真地重现了这种大气候系统的周期变化，似乎是默契合作，配合得十分巧妙。例如冰间期开始时，气温即上升，温室气体的密度也即增加。它们之间的关系是如此“亲密”，以致科学家碰上了一个“鸡和蛋”的问题，很难搞清谁先谁后。

这一过程应该是这样的：随着日照面的变化，引起了大气成分的变化，继而全球温度发生变化，反过来看，仅最初的温度变化对大气有影响，继而大气作为一种温度放大器，发挥其作用。

路易斯说，我们相信化学物质的变化具有很大的意义，其中二氧化碳的变化似乎是关键，这就使人们立即想到海洋，因为大气中二氧化碳的含量仅及海洋的五十分之一。他们的研究也的确看到，海洋中二氧化碳含量的变化，与冰期中二氧化碳（密度）的起伏极其吻合。

既然海洋参与这一大气候系统，那么海洋中的生物也不甘落后，许多电脑模拟说明了海洋生物的光合作用如何影响了气候。况且在冰期开始时，海平面和洋流都有变化，浮游生物可能大量繁殖，它们的光合作用，使得大气中的二氧化碳含量减少，从而促进了全球趋向寒冷。

不仅如此，它们还有可能产生硫化物，这些分子一旦进入大气，即形成硫酸盐粒子，促进云层的扩大而反射更多的日光。

科学界虽然还不能说已彻底揭开冰期循环之谜，但基本上算是搞清了其轮廓。传统的地球轨道效应仅是因素之一，现在可看到，其成因比原来了解的要复杂得多，既有天文的，也有地质和物理的，最后生物学因素也来凑热闹。