出現(xiàn)冰期的原因

過去100萬年間出現(xiàn)的那些冰期顯然都沒有能使我們這個星球上的生命絕滅，甚至人類也依然存活了下來。人類及其祖先順利地渡過了所有那些冰期，照樣迅速地進化著和發(fā)展著，看不出有過停頓。

盡管如此，我們仍有理由提出這樣的問題：等待著我們的是不是有另一次冰期？下一次冰期是否同以往的那些冰期一樣？雖然冰期還不至于使生命或者人類絕滅，也就是說，不會是這種意義上的災變，但是，只要想到整個加拿大和美國北部1/4的國土都有可能覆蓋在近兩千米深的冰川之下（且不說歐洲和亞洲的部分地區(qū)也會遭此厄運），那就十分令人可怕了。

為了判斷冰川會不會重新回來，我們有必要先搞清楚是什么因素導致出現(xiàn)這樣的冰川時期。在這樣做以前，我們必須明白讓冰川運動并不是什么非常困難的事情，我們無須假定出現(xiàn)那不可能有的大變化。

就是現(xiàn)在，北美和歐亞的許多地方每年冬天都會降雪，使那些地區(qū)覆蓋著冰雪，仿佛冰期已經(jīng)回來了似的。不過，那里的積雪只能達到幾厘米到兩三米厚，在夏季就會全都融化。一般說來，兩個過程能夠保持平衡；就平均而言，冬季降多少雪，夏季就融化多少雪，不會有什么凈變化。

但是我們可以設想，由于某種原因夏季也許會變得比正常情況稍涼一些，比如說，溫度只低了兩三度。這種降溫變化如果不是一直降下去，我們很可能會覺察不到。更可能出現(xiàn)的情況是有的夏季要熱一些，有的夏季要涼一些，熱夏和涼夏都呈隨機分布。如果出現(xiàn)熱夏的次數(shù)比出現(xiàn)涼夏的次數(shù)少的話，那么平均而言，在冬季降下的雪到夏季就有可能不會全部消融。于是，年復一年，大地上的積雪就會越來越多。這種積雪增加的過程將會十分緩慢，然而，在北極及其附近，以及在高山區(qū)，卻會比較明顯。積雪變成冰就形成了冰川，它們存在于北極地區(qū)，甚至存在于低緯度地區(qū)地勢比較高的地方。到冬季，它們會發(fā)展和向外擴展；而到了夏季，它們會退縮回去，但是退縮得會少一些。于是，一年又一年，冰川就會發(fā)展起來，越長越大。

這樣一種變化具有正反饋作用。冰反射太陽光要比裸露的巖石和泥土更厲害。冰能把射到它上面的太陽光約90%反射回去，而裸露的土壤則只能反射不到10%。這意味著，被冰覆蓋的面積越大，照射到地球表面的太陽光就被反射得越多，而被吸收得越少。這樣一來，地球的平均溫度就會再下降一些，也就是說，夏季會變得再稍微涼一些。于是，冰雪覆蓋面積擴展的速度便會進一步加快。我們看到，起初只是非常小的一點降溫效應，結果卻導致冰川的成長變大，然后又擴展成大片的冰層。這些冰層緩慢地向外伸延，一年又一年，最終則有可能覆蓋住非常大的地區(qū)。

一旦冰期完全到來，冰川向南伸延到相當遠的地方，就又可能出現(xiàn)一種本身也非常小的相反的效應，最后會導致冰川的全面退縮。如果連續(xù)許多年夏季的平均溫度都升高兩三度，那么夏季融化的雪就會比冬季降下的雪更多，地球上的冰便會一年比一年少。隨著冰雪覆蓋面積的減少，整個地球反射的太陽光也會有所減少，從而會吸收較多的熱。這樣一來，夏季又會變得更加溫暖，從而加速冰川的退縮。

現(xiàn)在我們要搞清楚的是，引起冰川前進和后退的那種最初的降溫和升溫效應是什么原因引起的。要搞清楚這一點并不難。不過麻煩在于，可以分析的原因很多，我們不知道其中哪些才是真正的原因。例如，太陽本身就有可能成為起因。我們前面曾經(jīng)提到，當太陽活動出現(xiàn)蒙德極小期時，地球上的氣候正好是普遍變冷。事實上，人們有時就把那個時期稱為“小冰期”。

如果蒙德極小期同小冰期之間的確存在著因果聯(lián)系，也就是說，是太陽活動處于極小使得地球變冷，那么，也許每隔10萬年左右太陽就會經(jīng)歷一次曠日持久的蒙德極小期。那樣的蒙德極小期持續(xù)時間不會只有幾十年，而會是幾千年。到那時，地球變得寒冷的時間也許足夠長，可以開始并維持一次冰期。如果太陽再次黑子變多，那以后充其量只經(jīng)歷一些短暫的極小期，那么地球就會變得稍微暖一些，冰川便會開始后退。

冰川前進和后退的原因可能就在于此，不過目前還沒有什么證據(jù)。也許，在我們進一步研究了太陽的中微子，搞清它們的數(shù)量為什么那樣少以后，我們對太陽內部進行的活動會了解得更清楚，從而掌握太陽黑子周期的奧秘。到那時，我們將有可能把黑子的變化同冰川活動的周期聯(lián)系起來，從而預言是否會有下一個冰川時期以及它將在什么時候到來。

然而，冰川活動的原因也可能不在太陽本身，太陽的照射也許是十分穩(wěn)定的。冰川活動的原因還有可能是地球和太陽之間空間的性質發(fā)生了變化。

我在前面曾經(jīng)講過，另一顆恒星或者來自星際空間的其他小天體同我們的太陽或者地球作近距離相遇的可能性是非常小的，簡直可以忽略不計。但是，在我們所在的銀河系（以及其他類似的星系）的這個外圍地區(qū)卻有不少的塵埃和氣體云，當我們的太陽沿著軌道圍繞銀河系中心運行時，很可能會從某些塵埃—氣體云中穿過。

這些塵?！獨怏w云，按通常標準看，是非常稀薄的。它們不會毒化地球的大氣，更不會對我們人類直接造成傷害。普通的觀測者可能根本不會覺察到太陽正在穿過這類塵埃—氣體云，它們自然更不會引起什么災變。1978年美國宇航局的一位科學家巴特勒（Dixon M.Butler）甚至認為，我們的太陽系在它一生中至少已經(jīng)有十幾次穿過非常大的這樣的云團，如果有過什么影響的話，那一定也是微不足道的。

塵埃—氣體云中的物質幾乎全都是氫和氦，它們不會對我們有任何影響。但是，這種云也有1%的質量是由塵埃組成，即一些冰或巖石的微粒。每一顆這樣的微粒都會反射太陽光，或者吸收太陽光然后再作二次輻射。結果，穿過這些微粒到達地球表面的太陽光就會比平時要少一些。

這些微粒減少照射到地球的太陽光不會太多。太陽看起來同平時一樣明亮，閃爍的恒星似乎也沒有什么不同。然而，如果太陽穿過的塵?！獨怏w云特別濃密的話，那么其中的微粒就有可能遮擋住足夠多的太陽光，剛好使夏季降溫到能夠觸發(fā)起一場冰期。太陽穿出那團塵?！獨怏w云，可能就是冰川開始后退的原因。

很有可能，在上一個100萬年里，我們的太陽系正好在穿過銀河系的一個多云的區(qū)域。每當我們從一團特別濃密的云中穿過時，由于照射到地球的太陽光減少，就會開始一場冰期；而穿過那團云以后，冰川就開始后退。在上一個100萬年以前，有長達2.5億年的時間實際上沒有一次冰期，那段時間我們太陽系可能正在通過銀河系的無云區(qū)域。比那更早，則是正在形成前面提到過的泛大陸的那個時期，又適逢一次冰期。

很有可能，每過2億—2.5億年，地球上就會經(jīng)歷一連串的冰期。因為這個時間同太陽系圍繞銀河中心運行的周期差不太多，所以，很可能我們每運行一周通過的都是那同一個多云區(qū)域。如果我們目前已完全通過這個區(qū)域，那么，我們可以指望在今后大約2.5億年里完全沒有冰期。倘若不是這樣，那么過不了多久，肯定就會出現(xiàn)下一次冰期，甚至是一連串的冰期。

例如，法國的一個天文學家小組曾在1978年提出證據(jù)，指出太陽系有可能就要進入前方的一團星際云?？梢哉J為，太陽系現(xiàn)在向它接近的速度是每秒鐘20千米。以這樣的速度，大約再過5萬年，太陽系便會到達它的邊緣。

不過，也許太陽本身和星際空間的塵埃云都不是引起冰川活動的真正原因。也許地球本身，甚至地球大氣層，就提供了所尋找的機制。太陽輻射到達地球表面必須通過大氣層，當然會受到大氣層的影響。

我們知道，到達地面的太陽輻射主要是可見光。太陽輻射的峰值本來也是落在可見光波長處，這一部分輻射很容易穿過大氣層。其他形式的輻射，如紫外線和X射線，太陽產(chǎn)生得較少，它們會被大氣層遮擋住。

在沒有太陽的時候，比如在夜里，地球表面會向外層空間輻射熱。這種輻射主要是波長較長的紅外線，它們也能夠穿透大氣層。在通常條件下，這兩種效應是平衡的。白天，地球的表面沐浴在陽光下吸收了多少熱，夜間，它就會散失掉多少熱。平均而言，地球表面的溫度每一年都會保持一樣。

地球大氣的基本成分是氮和氧，它們對于可見光和紅外輻射都有相當好的透明度。但是，大氣中的二氧化碳和水汽雖然對于可見光是透明的，卻不能透過紅外輻射。這一點，是愛爾蘭物理學家廷德耳（John Tyndall，1820—1893）指出來的。二氧化碳只占地球大氣的0.03%，水汽的含量經(jīng)常變化，不過也很低。因此，它們不會把紅外輻射完全遮擋住。

但是，它們畢竟會遮擋住一些紅外輻射。如果地球大氣完全不含二氧化碳和水汽，到夜間就會有比現(xiàn)在更多的紅外輻射散失到空間。在那種情況下，晚上就會比現(xiàn)在冷，而白天，由于是從比較冷的清晨開始加熱，也會比現(xiàn)在涼。因此，地球的平均溫度肯定要比現(xiàn)在低。

我們現(xiàn)在大氣中的二氧化碳和水汽雖然含量很少，卻也能阻擋住足夠多的紅外輻射，起到一種替地球保溫的毛毯的作用。它們的存在肯定使地球的平均溫度較之它們不存在的情形為高。這種作用叫做“溫室效應”，因為溫室的玻璃就起著相同的作用：讓可見光透入室內，卻不讓紅外輻射從室內射到室外。

現(xiàn)在我們假定，由于某種原因，大氣中的二氧化碳含量稍微升高了一些。比如說，增加了一倍，達到0.06%。這一點變化當然不會影響到我們的呼吸，如果不是通過這種變化的其他效應，我們恐怕根本覺察不到。當大氣中的二氧化碳稍許增加時，它對紅外輻射就會變得更加不透明。既然紅外輻射更不易散失出去，地球的溫度自然就會稍許升高。由于溫度稍許升高，海洋的蒸發(fā)便會加快，這又會增加空氣中水汽的含量，而后者則會進一步增強溫室效應。

另一方面，我們也可以假定大氣中的二氧化碳稍許有所減少，比如說從0.03%減少到0.015%。在這種情況下，紅外輻射會比較易于散失，地球溫度將會稍許下降。由于溫度下降，大氣中的水汽也會隨之減少，從而進一步減弱溫室效應。地球溫度由于大氣成分變化而出現(xiàn)的升高和下降，有可能足以終結或者開始一次冰川時期。

但是，有什么因素能導致大氣中二氧化碳含量的上述變化呢？動物能產(chǎn)生大量的二氧化碳，可是植物會恰好把它們消耗光，因此從整個生物界來說，這種效應會總是保持平衡。⁽¹⁾不過，地球上還有一些同生命無關的自然現(xiàn)象，它們也能產(chǎn)生或者消耗二氧化碳，有可能破壞掉這種平衡，而成為冰川進退運動的誘發(fā)因素。

例如，大氣中的二氧化碳會大量溶解在海水中，不過，這些溶解在海水中的二氧化碳極容易逸回到大氣。二氧化碳還能夠同地殼中的氧化物發(fā)生反應而形成各種碳酸鹽，并以這種形式長期禁錮在其中。

當然，地殼的那些早已裸露在空氣中的部分早已經(jīng)吸收夠了二氧化碳，無法再吸收了。然而，在造山運動時期，卻不斷有新的巖石上升到地球表面，它們還未曾同大氣中的二氧化碳接觸過，因而能夠成為吸收二氧化碳的介質，使大氣中的二氧化碳含量減少。

另一方面，火山爆發(fā)時會把數(shù)量巨大的二氧化碳噴發(fā)到大氣中，因為火山爆發(fā)時的巨大熱量能把巖石熔化成巖漿，分解其中的碳酸鹽，從而讓二氧化碳重新游離出來。遇上火山特別活躍的時期，大氣中的二氧化碳就有可能增多。

無論火山還是造山運動，它們都是地球構造板塊運動的結果。這一點前面已經(jīng)講過。不過，在有些時候，發(fā)生火山爆發(fā)的條件會比形成山脈的條件更普遍；而又有一些時候，則是造山運動比火山更活躍。

很有可能，在地球歷史上曾有一個時期造山運動特別活躍，大氣中的二氧化碳含量減少，從而地球表面的溫度有所下降，冰川在那時就開始前進。以后火山運動又占優(yōu)勢，二氧化碳增多，地球表面溫度隨之升高，原來的那些冰川就開始后退。

當然，事情畢竟不會像上面講的這樣簡單。比如說，如果火山爆發(fā)過于劇烈，會有大量的火山塵埃被噴射到同溫層，那就有可能造成像1816年那樣的許多“沒有夏季的年份”。而這種情況，也可能導致發(fā)生冰期。

根據(jù)對海洋沉積物中火山灰的研究，人們發(fā)現(xiàn)，在最近200萬年里大約有過4次非常激烈的火山爆發(fā)，它們的強度完全可以同那以前1800萬年中火山爆發(fā)的強度相比擬。這樣說來，也許正是多塵埃的同溫層正在使地球目前周期性地經(jīng)歷著一系列的冰期。