冰川大消融：冰河时代末期的演变

阿尼尔·阿南塔斯瓦米　刘法宗

2008年夏天，下曼哈顿城区的世贸中心遗址“归零地”上正在施工。工人们向下挖掘到基岩时发现了一个10多米深的巨大壶穴，四周的裂缝中填满了不同种类的岩石。担任顾问的地质学家很快就识别出这些岩石，它们是被碾过基岩的巨大冰川从数千米外携带而来的。在之后的某段时间里，融化的冰川形成急流，钻出了这一巨大的壶穴。

从纽约的壶穴到海水下的森林，我们身边的种种证据都证明冰川曾经遍布世界。最近一次的大冰期大约开始于12万年前，一块最厚处达3000米的巨大冰原曾经不断扩展，最终覆盖了几乎整个加拿大，向南一直延伸到曼哈顿。另一块冰原则覆盖了西伯利亚大部分地区、北欧和英国，一直延伸到现在的伦敦附近。其他地区还形成了许多较小的冰原和冰川。后来，地球逐渐变暖，很大一部分区域变成了苔原，荒漠也逐渐扩大。

因为当时陆地上有这么多冰，所以海平面要比现在低120米。在那个时候，英国和爱尔兰还与欧洲大陆相连，佛罗里达州的面积是现在的2倍，坦帕市（美国佛罗里达州西部的海港城市）离海岸还有很远，而澳大利亚、塔斯马尼亚岛和新几内亚岛属于一整块叫作莎湖的大陆。那时的地球你肯定认不出来。

2万年前，冰川开始消融。在随后的1万年间，地球的平均温度上升了3.5℃，大部分冰川都融化了。上升的海平面吞没了低洼的地区，英吉利海峡和北海形成了，我们的祖先放弃了很多定居地。问题是，到底是什么导致了地球上的这一巨变？

神秘的变化

我们很早就知道，全球冰川消融的起因是北半球夏季日照的增强融化了冰川和积雪，但之后发生了什么一直是个谜。比如说，当冰川开始消融时，南半球开始变暖而北半球开始变冷，这与日照变化本应带来的结果是完全相反的。两个世纪以来，人们一直为这些看似矛盾的发现而困惑不已。

这一切都要回到19世纪30年代。当时路易斯？阿加西注意到冰川活动留下的显著特征，如基岩上的擦痕和漂移的岩石，这些岩石原本应该待在相距十分遥远的冰川附近。从加拿大到智利，全球很多地方都有类似的发现。很明显，历史上曾经有过多次冰河时期。

冰川是怎么形成的，又是怎么消融的呢？1864年，詹姆斯？克罗尔提出了关于冰川成因的天文说。他认为，地球围绕太阳的旋转轨道的变化改变了不同地区接收日照的多少，这导致了冰川的形成和消融。他还认为，轨道变化这一因素因为各种反馈机制被放大，比如能反射热量的冰雪的融化以及洋流的变化都加速了消融。

尽管克罗尔在许多细节上都错了，但他的整体方向是对的。20世纪初，塞尔维亚的天文学家米卢廷？米兰科维奇总结说北半球的夏季日照是一个关键因素，并且花费了数年时间计算出过去60万年的变化曲线。在当时，他的观点并没有被人接受，但20世纪70年代对海洋沉积岩芯的研究发现，冰原的前进与消退和“米兰科维奇曲线”相吻合。

还有很多谜团有待解开。首先，日照的变化是很微小的，就算因为冰雪消融导致地球吸收了更多的太阳热量，从而放大了这一变化，也很难解释全球规模的变化。其次，当北半球夏季日照增多的时候，南半球日照是减少的。克罗尔因此得出结论，南北半球的冰期是相间的：当北半球进入冰期时南半球就进入暖期，反之亦然。然而，我们早就已经确认，整个地球大约是在同一个时期变暖的。

这个问题的答案在20世纪80年代浮出了水面。在南极洲钻孔取出的冰芯表明，大气中二氧化碳的浓度与温度密切相连。“过去100万年来，这两个数值一起上升下降，每个冰期都一致，几乎是完全同步的，”哈佛大学的杰里米？沙昆说，“这是你能从自然中得到的最美妙的关联。”

如果北半球冰原开始消融导致大气中二氧化碳浓度很快上升，就能够解释为什么南半球同时开始变暖，还能解释变化的幅度。但这一观点遇到的主要问题是：在20世纪初我们了解到，南极洲在大气中二氧化碳浓度上升的几百年前就开始变暖。因此，二氧化碳确实会导致地球变暖，但它只是地球变暖、冰期结束的部分原因，而不是最初原因。“南极洲变暖另有原因。”美国普林斯顿大学的丹尼尔？西格曼说。

花粉之谜

还有一个谜团。20世纪30年代，科学家对仙女木（高山植物）和其他植物的花粉沉积物的研究表明，欧洲在开始变暖后不久又很快变冷。这一寒冷周期大约从1.75万年前持续到1.47万年前，被称为老仙女木期或神秘阶段。后来的冰芯研究表明，格陵兰岛也是在同一时期变冷的。

在这一时期，南极洲却持续变暖。“从局部来看，南半球似乎先于北半球变暖。”西格曼说。但是，是什么导致北半球变冷的时候南半球在变暖？不是地球轨道或大气中二氧化碳浓度的变化，而是洋流的变化。

1.9万年前，当巨大的冰原开始融化时，大量的淡水涌入北大西洋。爱尔兰海沿岸的海洋沉积物研究显示，那里的海平面仅在数百年间就升高了10米。在今天的北大西洋，热带涌来的咸水冷却后密度增加，沉到底部。这些深层的冷水回流到南半球，而表层的温水，包括墨西哥湾暖流，继续向北流动。这一洋流系统被称为大西洋经向翻转环流。

1.9万年前涌入海洋的大量淡水稀释了咸水，从而使海水密度降低，导致翻转环流减速。2004年，一项关于海洋沉积物的研究提供了相关证据，两种重元素的比值显示出，在1.75万年前翻转环流几乎停止。

这有点像跷跷板。表层洋流向北带去的热量减少，北半球因此变冷。与之相反，南半球热带和亚热带地区热量损失减少，因此开始变暖。这就解释了之前的很多令我们困惑的发现。大西洋洋流的减速也有助于解释冰川大消融时期大气中二氧化碳浓度的增加。

20世纪90年代，人们将搜寻二氧化碳来源的目光投向南半球海洋。海洋沉积物的同位素分析表明，冰河时期的底层海水中储藏有大量的二氧化碳。一般认为，这些气体因为无法垂直混合，又被海冰覆盖，所以储藏在深水中。在冰川大消融时，海洋就像是被拨了塞子，大量二氧化碳因此进入大气中。

这一点在2012年年初得到了确认。现在，南半球海洋垂直混合程度的增加导致了二氧化碳的排放，这一观点已经被广泛接受。纽约勒芒？道荷迪地告说，在老仙女木期南半球变暖时，南半球海洋中具有二氧化硅壳的浮游生物的数量大大增加了。因为这类生物体的数量取决于表层海水中溶解的二氧化硅的多少，所以它们数量的增加一定是富含二氧化硅和其他营养物的海水上涌所致。

但原因是什么呢？有两种说法。西格曼指出，南极洲几乎与赤道南部的海水同时变暖。但大西洋环流停止应当仅仅导致热带海水升温，不至于影响到南极。2007年，他的小组提出，当大西洋环流停止时，南极洲水域自身形成的区域环流取代了它，密度高的表面海水下沉，底层海水上涌，释放了热量和二氧化碳。“这可以解释南极洲变暖和大气中二氧化碳浓度升高。”西格曼说。

但是安德森和他的同事认为，是风带发生的变化导致了上涌增加。在地球上，由于极地和热带的温差再加上自转产生了不同的盛行风带，当温差发生变化时，盛行风带的位置也会发生变化。

在冰河时代，位于南半球的西风带可能位置更靠北。跷跷板效应导致西风带移向南半球海洋，使南极洲变暖，同时搅动周围的海水。尤其在南美洲与南极洲之间的浅海地区，这种风成环流引起了更多的上涌。

虽然细节还有待讨论，但总体情况已日渐明朗。“尽管对最后一个冰期结束时南极洲的演化状态还有一些不同意见，”安德森说，“但至少宏观特征得到了广泛接受。”

2012年早些时候，沙昆和他的同事对2.2万年以来的80份温度和大气成分记录进行了对比分析，并将这些研究线索归纳在一起。他们的工作在相当程度上确认了冰河时期结束时各事件的顺序，过程是这样的：

大约2万年前，北方的冰原向南一直延伸到很远，然而日照的微弱增加导致了冰川全面融化。由于融化的淡水流入北大西洋，翻转环流中止，导致北半球降温而南半球升温。导致这些变化的最主要的原因是热量的重新分配——约1.75万年前，地球的平均温度仅仅上升了0.3℃。

风或洋流的变化，或者两种变化同时作用，使得南半球海洋更多的底层海水上涌，释放了贮藏几千年的二氧化碳。当大气中二氧化碳的浓度达到190毫克/升时，全球开始变暖，最北方的地区变化最慢。但到约1.5万年前时，二氧化碳的浓度上升至240毫克/升，大西洋翻转环流再次流动，温度开始迅速上升。而南半球的效应则相反，升温停止，二氧化碳也不再释放。

约1.29万年前，跷跷板效应开始起作用。北半球气温骤降并且持续寒冷了约1300年。这一寒冷期被称为新仙女木期，可能是由北美的巨大冰川融湖引起的。超过五大湖总水量的湖水突然涌入大西洋，导致翻转环流再次中止。

与此同时，南半球海洋再次开始释放二氧化碳。二氧化碳的浓度激增至260毫克/升，导致之后的几千年全球迅速变暖。大约1万年前，地球可谓面貌一新，冰川退去，海平面上升，我们的祖先正在学习农耕。

不过严格来讲，冰河时代并未真正结束。在过去的几百万年间，冰川多次进退，两极却始终为冰雪覆盖。但这种情况也许不会持续太久。日照的微弱增加，以及二氧化碳的浓度仅仅上升70毫克/升，就融化了曾覆盖欧亚大陆和美洲的巨大冰原。而自工业文明以来，二氧化碳的浓度已经上升了130毫克/升，并且还在上升，就算人类排放的二氧化碳还没能融化覆盖格陵兰和南极洲的冰盖，也时日无多了。

我们还是幸运的，最后的冰盖全部融化还需要几千年。如果真的融化了，也许某一天南极的建筑工人会发现冰川融水在基岩上雕刻出的壶穴，会又一次感慨地球上的沧海桑田。