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南極洲

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　　在過(guò)去的大部分時(shí)間里，我們的地球溫度都要比現在更熱，有時(shí)甚至熱很多。但是，也有時(shí)候，地球溫度比現在更冷?？茖W(xué)家可能永遠無(wú)法知道，在地球大約45.4億年的歲月中，哪個(gè)時(shí)期絕對最冷。但是研究人員發(fā)現了一些競爭選手。所有這些寒冷的時(shí)期，都被認為是古老的冰河時(shí)期。

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　　最冷的天氣出現在約20億年前，在大氣層氧氣含量上升后。更多極度深寒則出現在7.5億年前到6億年前。雖然科學(xué)家對這些時(shí)期的冰川覆蓋范圍沒(méi)有統一結論，但有證據表明，在赤道地區，冰川幾乎落到海平面高度。

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　　在過(guò)去的幾百萬(wàn)年中，冰川時(shí)不時(shí)地覆蓋著(zhù)北半球的廣袤地區。盡管沒(méi)有近乎全球性冰川那么嚴重，但更新世的冰河時(shí)期可能帶來(lái)了過(guò)去五億年中最寒冷的氣候。部分最嚴峻的寒冷氣候大約發(fā)生在兩萬(wàn)年前。

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現代地球上最寒冷的地方位于南極洲東部的冰穹A和冰穹F之間的一個(gè)高脊處。每年，日本南極洲科考隊的科學(xué)家會(huì )從南極洲海岸前往冰穹F的科考站。

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　　研究巖石記錄

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　　冰河時(shí)期是指全球氣溫低于正常水平，冰川和冰蓋也超過(guò)正常水平的時(shí)期。冰河時(shí)期不會(huì )導致持續的寒冷氣候。相反，中間也夾雜著(zhù)相對溫暖的時(shí)期。因此，冰河時(shí)期其實(shí)是前進(jìn)冰川（冰期）和后退冰川（間冰期）的混合。盡管相對溫暖，間冰期仍是冰河時(shí)期的一部分。

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　　那科學(xué)家是如何知道古代冰河時(shí)期出現的呢？顯然，大陸規模的冰川向赤道蔓延的時(shí)候，溫度計還沒(méi)有出現。過(guò)去冰河時(shí)期的證據，其實(shí)來(lái)自于地質(zhì)學(xué)。十九世紀初，科學(xué)學(xué)科出現后不久，地質(zhì)學(xué)家便開(kāi)始尋找古代冰塊留下的線(xiàn)索。地質(zhì)學(xué)家意識到，冰川可能會(huì )在基巖上留下巨大的劃痕，并把巖石移動(dòng)到遙遠的地方——往往是將巖石扔進(jìn)大海。

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來(lái)自遠方的巖石落在海洋的邊緣，暗示存在古老的冰川活動(dòng)。這塊漂石“擱淺”在德國呂根島阿科納角的淺水中。

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　　一旦發(fā)現更新世（大約260萬(wàn)年前到11000萬(wàn)年前）的冰川作用痕跡，地質(zhì)學(xué)家就可以知道如何在古老的巖石上識別這些痕跡。將冰川作用的證據與板塊運動(dòng)和大陸漂移的證據相結合之后，地質(zhì)學(xué)家就可以分辨出億萬(wàn)年前的冰川活動(dòng)。那時(shí)的各個(gè)大陸構造，與如今的截然不同。

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一直以來(lái)人們將一些地質(zhì)現象視為諾亞洪水造成的結果。但十九世紀的一位英國地質(zhì)學(xué)家威廉·巴克蘭德認為，這是冰川作用的證據。他因此成為冰河時(shí)代理論的擁護者。

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　　總體而言，科學(xué)家已經(jīng)從地質(zhì)紀錄中確定該了十幾個(gè)冰河時(shí)期，其中有幾個(gè)冰河時(shí)期就發(fā)生在最近的五億年前。有些更古老的冰河時(shí)期可能更加嚴峻，很有可能是我們地球歷史上最寒冷的冰河時(shí)期。

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　　氧氣含量上升與氣溫下降

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　　迄今為止，從地質(zhì)紀錄中發(fā)現的最古老冰河時(shí)期為休倫冰河時(shí)期。至少其中一個(gè)冰期導致了被地質(zhì)學(xué)家稱(chēng)為“雪球地球”的事件，即整個(gè)地球或幾乎整個(gè)地球都被冰雪覆蓋。算上期間夾雜的幾個(gè)非冰期，整個(gè)休倫冰河時(shí)期出現于24億年前到21億年前，其成因很有可能是微觀(guān)生命的變化。

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　　古生物學(xué)家推測，當35億年前，微生物剛出現在地球上時(shí)，它們既不消耗氧氣，也不需要氧氣。其實(shí)，生命演化之初，地球的大氣曾與我們如今看到的大氣大相徑庭。盡管氮氣含量可能相當，但其他氣體含量要么比現在多很多，要么比現在少很多。二氧化碳含量可能是當前水平的10倍到2500倍，而甲烷含量可能也是當前水平的10000倍以上。那時(shí)的大氣中，幾乎沒(méi)有氧氣。

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年輕的地球概念圖。地球大氣中氧氣含量上升之前，我們的地球看上去可能不是一個(gè)淡藍色的星球，而更像是一個(gè)淺橙色的星球。

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　　科學(xué)家們一直在討論，到底從什么時(shí)候開(kāi)始，微生物學(xué)會(huì )了光合作用，并生成副產(chǎn)物氧氣?？茖W(xué)家們給出的估計范圍大約是在35億年前到25億年前。最古老的氧氣制造者可能是現代藍藻細菌或藍藻的祖先。

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　　首先，這些早期光合作用生命產(chǎn)生的氧氣會(huì )與海洋中的鐵元素發(fā)生反應，從而在海底形成一層又一層的鐵銹般沉積物。之后，氧氣才開(kāi)始在大氣中積累。有些氧氣與甲烷發(fā)生反應，生產(chǎn)二氧化碳和水。與此同時(shí)，能進(jìn)行光合作用的微生物種群數量持續增長(cháng)，又消耗了更多的二氧化碳。

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現代藍藻細菌（俗稱(chēng)藍藻）的祖先可能是地球上首批氧氣制造者，并帶來(lái)了氣候的重大變化。

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　　二氧化碳是一種溫室氣體，甲烷則是一種更強大的溫室氣體。當大氣中這些溫室氣體的濃度下降時(shí)，全球氣溫也隨之驟降，最終導致地球進(jìn)入到一系列的冰河時(shí)期。休倫冰河時(shí)期和間雜的非冰期大約共持續了3億年之久。有證據表明，當時(shí)的冰川在赤道地區接近海平面的高度。（如今赤道地區仍有冰雪覆蓋，但僅限于高海拔位置。）

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　　這些冰河時(shí)期的地質(zhì)證據最早于1907年在休倫湖附近的冰川沉積物中被發(fā)現。自那以后，地質(zhì)學(xué)家在北美其他地區，以及南非、西澳大利亞和歐洲東北部均發(fā)現了更多冰河時(shí)期的地質(zhì)證據。

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這塊落石位于加拿大安大略省懷特菲斯瀑布附近，休倫湖的北岸。22億年前，在漂浮的冰川作用下，這塊石頭“定居”在海底的沉積物中。

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　　氧氣含量的上升，在使得地球越來(lái)越寒冷的同時(shí)，也促進(jìn)了呼吸氧氣的復雜生命的演化，并形成了地球的臭氧層。臭氧層又可以保護地球生命免受紫外線(xiàn)輻射的傷害。

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　　極寒再次來(lái)襲

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　　在地球歷史中的成冰紀期間，極寒再次來(lái)襲。在7.5億年前到6億年前，地球至少兩次陷入極度深寒。由于成冰紀屬于前寒武紀元古宙新元古代，期間發(fā)生的極寒事件有時(shí)也被稱(chēng)為“新元古代雪球地球”。

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　　科學(xué)家們仍在繼續討論新元古代的冰凍成因，以及隨后又解凍的原因?；鹕娇赡苁亲尩厍蜻M(jìn)入冰川期，又讓地球走出冰川期的背后力量。大約7.5億年前，多數大陸聚集在赤道附近。在這片聚集在一起的大陸中，地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)找到所謂的“大火成巖省”的證據。這里的“大”，只是一種保守的說(shuō)辭。你可以想象一個(gè)面積如大陸般遼闊的火山活動(dòng)區域。如此龐大的火山爆發(fā)，或許可以用兩種方式，使地球冷卻。

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曾經(jīng)的赤道大火成巖省證據，保存于加拿大努納武特地區。該赤道大火成巖省或開(kāi)啟了成冰紀?；鹕轿镔|(zhì)侵入較古老巖層，穿過(guò)古老的沙色巖石。覆蓋海岸線(xiàn)的冰川消退后，海岸線(xiàn)上升，形成淺色的巖石帶。

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　　當火山釋放出二氧化硫時(shí)，該氣體會(huì )在大氣中發(fā)生各種化學(xué)反應，形成極易反光的硫酸鹽。硫酸鹽顆粒猶如數十億個(gè)微型鏡子，可以阻擋陽(yáng)光。硫酸鹽的冷卻潛力在地球的赤道附近尤其明顯。同樣地，火山噴發(fā)會(huì )帶出的大量玄武巖，隨之而來(lái)的巖石風(fēng)化也會(huì )冷卻地球。隨著(zhù)時(shí)間的流逝，雨水、風(fēng)和化學(xué)變化等會(huì )侵蝕火山巖。滲入巖石的雨水和地下水可以溶解二氧化碳，將二氧化碳從大氣中剝離出來(lái)，最終使其形成為諸如石灰石一類(lèi)的碳酸鹽礦物。

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　　如果全球氣溫下降得足夠快，冰塊就會(huì )開(kāi)始積聚，而冰塊反射大部分太陽(yáng)光的能力又進(jìn)一步降低了地球的溫度。

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　　地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)確定了新元古代的兩個(gè)冰期：斯圖特（Sturtian）冰期，大約在7.2億年前到6.6億年前；和馬里諾（Marinoan）冰期，大約在6.4億年前到6.35億年前。這兩個(gè)冰期留下的巖石層顯示了迄今為止在地質(zhì)紀錄中發(fā)現的極寒冰期的最廣泛證據。

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　　在這兩個(gè)極寒的冰期之間，地球似乎還經(jīng)歷了同樣極端的溫室氣候。這一極端氣候的根源，或許仍與火山活動(dòng)有關(guān)。

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　　長(cháng)期來(lái)看，火山釋放的二氧化碳和巖石風(fēng)化消耗的二氧化碳，可以互相制約。但是，由于幾億年前冰層覆蓋了幾乎整個(gè)地球，氣候變得太冷而無(wú)法產(chǎn)生大量降水，巖石風(fēng)化過(guò)程逐漸放緩。同時(shí)，增加的海冰又減少了藍藻細菌在海洋表面獲得光照的能力，光合作用也變少了。

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土衛二表面是一層冰凍的海洋。在其冰凍層下面，可能藏有液態(tài)水和生命所必需的成分。如果地球歷史上最嚴峻的冰河時(shí)期是真正的雪球地球事件——沒(méi)有開(kāi)闊的海洋，那么我們的地球可能看起來(lái)就像一個(gè)超大號的土衛二。

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　　但是，火山仍在不斷釋放二氧化碳。沒(méi)有了巖石風(fēng)化或光合作用活動(dòng)消耗大氣中的二氧化碳時(shí)，這種溫室氣體就會(huì )一直積累，進(jìn)而導致全球氣溫逐漸升高。一旦氣候變暖，足以融化熱帶的冰塊時(shí)，溫度上升就會(huì )加速。在失去大量可以反射光的冰塊后，地球又可以吸收更多的太陽(yáng)能。隨后的大融化可能會(huì )引起劇烈、快速的巖石風(fēng)化，最終開(kāi)啟第二次冰期。

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　　和休倫冰河時(shí)期一樣，在成冰紀的冰期，赤道附近的冰川也接近海平面。但是，新元古代的冰川覆蓋程度——無(wú)論是雪球地球還是融雪球地球——仍是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。

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　　最近的冰期

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　　巖石記錄顯示，盡管地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)發(fā)現多個(gè)冰河時(shí)期的證據，但是在過(guò)去的5億年中，休倫冰河時(shí)期和成冰紀冰期最為嚴峻。盡管3億年前到2.5億年前出現的寒冷氣候或許可以與之一較高下，但過(guò)去5億年內發(fā)生的最嚴峻冰期也可能是最近的一次冰河時(shí)期。

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　　這次冰期發(fā)生于更新世時(shí)期，大約起始于260萬(wàn)年前，一直持續到大約1.1萬(wàn)年前。

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　　和其他冰河時(shí)期一樣，這最近的一次冰河時(shí)期也帶來(lái)了一系列的前進(jìn)冰川和后退冰川。事實(shí)上，嚴格來(lái)說(shuō)，我們目前仍處于冰河時(shí)期。我們眼下正好生活在間冰期而已。

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整個(gè)人類(lèi)文明——從最早的文字（如楔形文字）到智能手機等——都發(fā)生在間冰期。

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　　大約5000萬(wàn)年前，地球溫度升高，以至于極地冰蓋都融化了。但是從那之后，地球的溫度一直在下降。大約從3400萬(wàn)年前開(kāi)始，南極冰蓋再次逐漸形成。南美洲與南極洲或許也因此分離，開(kāi)辟出德雷克海峽。除了給幾代的航海者帶來(lái)挑戰之外，德雷克海峽還創(chuàng )造了南極繞極流。這個(gè)環(huán)繞南極洲由西向東的洋流，減少了抵達南極洲的海洋熱量，使得南極洲的冰層得以繼續形成和增長(cháng)。

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狂風(fēng)巨浪讓穿越德雷克海峽之旅令人尤其難忘。德雷克海峽或許也促進(jìn)了南極洲冰蓋的發(fā)展。

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　　地球進(jìn)入其最近的冰河時(shí)期可能跟另一個(gè)地殼運動(dòng)也脫不開(kāi)關(guān)系。巴拿馬地峽形成于450萬(wàn)年前，是南北美洲之間的陸橋。在巴拿馬地峽形成之前，大西洋和太平洋可以自由地交換熱帶海水。但是巴拿馬地峽的出現，阻斷了兩大洋之間的海水交換，并時(shí)溫暖的咸海水一路北上，進(jìn)而增加了北半球高緯度地區的降水量。積雪漸漸累積成為冰川，最終變?yōu)楸w。這些巨大的反光冰塊又讓地球的冷卻趨勢得以延續。

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　　一旦地球寒冷到足以形成冰蓋的程度，這些冰蓋會(huì )在2萬(wàn)年到1萬(wàn)年的時(shí)間范圍內增加或減少，部分原因在于米蘭科維奇循環(huán)。地球軌道上的這些可預測的變化包括離心率（地球繞太陽(yáng)軌道的變化）、轉軸傾角（地球轉軸傾斜角度的變化）以及軌道進(jìn)動(dòng)（地球自轉軸方向的擺動(dòng)）。這些變化可以通過(guò)改變地球表面獲得的太陽(yáng)能分布，來(lái)影響氣候。

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大約2萬(wàn)年前，在更新世冰河時(shí)期的最后一次最大冰期期間，冰層覆蓋了北美和歐亞大陸的大部分地區。

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　　最近的一次極寒冰期大約發(fā)生在2萬(wàn)年前。當時(shí)的全球氣溫可能比今日的氣溫低10華氏度左右（5攝氏度）。在更新世冰河時(shí)期最寒冷的時(shí)候，冰蓋延伸到北美洲和歐亞大陸的大部分地區。若沒(méi)有這些冰蓋和后續的融化，我們今天就不會(huì )有五大湖、尼亞加拉大瀑布以及華盛頓州和俄勒岡州的河道疤地。

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大約1.2萬(wàn)年前，融水開(kāi)始從尼亞加拉斷崖溢出。今天，每秒大約有3160噸水流經(jīng)尼亞加拉大瀑布，是更新世冰河時(shí)期的一個(gè)長(cháng)久遺產(chǎn)。

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　　大規模冰蓋什么時(shí)候會(huì )再向著(zhù)赤道地區前進(jìn)呢？它們可能不會(huì )按照米蘭科維奇循環(huán)預測的時(shí)間卷土重來(lái)。米蘭科維奇循環(huán)對全球氣候的影響各不相同，有的更明顯，有的則不那么明顯。當大氣層中的二氧化碳含量超過(guò)百萬(wàn)分之三百時(shí)，該氣體的貯熱能力將足以抵消更加微妙的米蘭科維奇循環(huán)。當前，大氣層中的二氧化碳含量已經(jīng)超過(guò)了百萬(wàn)分之四百，又由于二氧化碳是一種長(cháng)期存在的氣體，如此高水平的含量或許可以持續數千年。這并非是說(shuō)，下一個(gè)冰期永遠不會(huì )到來(lái)，只是可能會(huì )遲到一些時(shí)候而已。


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