大消融：冰河时期结束时的景象

zhixun

就在2万年前，冰雪统治着地球，可为什么后来又悄悄隐退了呢？答案，可能终于找到了。

译者：野旷天低树
发布：2012-12-13 01:31:46


在2008年夏天的下曼哈顿，正在世贸双塔遗址挖掘的工人们凿到了基岩，他们有了一个意料之外的发现：一个10米深的巨大壶穴，它周围的缝隙中填满了不同岩性的碎石。作为顾问的地质学家立即认出了这一特征，这些碎石是被碾过基岩的冰川从很远以外的地方带来的，而在某一段时间里，冰川融化的洪水形成了漩涡，在这里雕刻出了这个壶穴。
从纽约的壶穴到海水下的森林，处处可见冰河时期的遗迹。最近一次的大冰期大约开始于12万年前，一块巨大的冰盖恣意生长着，许多地方厚达3千米，它最终覆盖了几乎了整个加拿大，最南端远达曼哈顿。另一块则包括了西伯利亚大部分地区，北欧与英国，仅仅今天的伦敦地区没有被覆盖。在其它地方则有许多较小的冰盖和冰川形成，许多地方变成了苔原，并且由于地球变得更加干燥，沙漠也扩大了。
由于陆地上有这么多的冰，海平面较今日下降了120米。英国和爱尔兰跟欧洲大陆连在一起，佛罗里达的面积有今日的两倍，而坦帕则远离海岸。澳大利亚、塔斯马尼亚和新几内亚合为一体称为萨胡尔古陆，整个地球几乎都认不出来了。
然而在2万年前，大消融开始了。在前1万年间，地球的平均气温上升了3.5°C，大部分冰川都融化了。上升的海平面吞没了低洼的地方，如英吉利海峡和北海，把我们的祖先从许多定居点赶走。究竟是什么导致地球发生了如此巨变呢？
神秘的变化
一直以来我们所熟知的是，由于北半球夏季日照的增强融化了冰雪，从而导致消融开始。但消融开始后发生了什么却一直不太清楚。比如，消融开始后不久，南半球开始变暖而北半球变冷，可日照增强本应导致气温升高。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，今天似乎才终于明白冰河时期是如何结束的。
这一切要回到1830年代，当时路易斯.阿加西注意到了冰川活动造成的典型特征，比如在基岩上的擦痕，远离最初位置的“飞来石”，出现在了离现存冰川很远的地方。很快，在从加拿大到智利的全世界许多地方都发现了类似的情况，这表明历史上曾出现过一系列的冰河时期。
冰川为何而来又为何离去呢？詹姆士.克洛尔在1864年提出，由于地球轨道的变化而导致地表不同位置日照强度的变化是主要原因。他还认为，各种反馈机制对轨道效应起到了放大作用，比如可反射热量的冰雪融化，以及洋流的变化。
尽管克洛尔在许多细节上都错了，但大方向并没错。在20世纪早期，塞尔维亚天文学家米卢廷.米兰科维奇分析认为北半球夏季日照一定是关键因素，并用多年时间煞费苦心地计算了它在60万年间是如何变化的。他的想法在当时并未被接受，但在1970年代对海洋沉积岩芯的研究显示，冰川进退的确与“米兰科维奇循环”相一致。
然而还有许多谜团尚未解开。首先，日照的变化非常小，即使更多的太阳热量被地球吸收于是冰雪融化从而放大了这一变化，仍然难以解释全球规模的变化。更重要的是，北半球的夏季日照增强，在南半球却是减弱。克洛尔由此认为冰河时期是南北交替的：北半球结冰时南半球开始融化，反之亦然。但全球大致是在同一时间开始变暖的，这一点倒是很久之前就确认了。
这个问题的谜底在1980年代浮出了水面。在南极洲的冰芯钻探有了惊人的发现，大气二氧化碳含量与气温之间有密切关系。
“在过去的1百万年间，你可以看到这两个起伏，分别对应着两个冰河时期，几乎是完美地一致，”哈佛大学的杰里米.沙昆说。“这种相关性就象其它自然之美一样。”
如果北半球消融开始后不久二氧化碳含量即开始上升，这倒可以解释为什么南半球也开始变暖了，也有助于解释变暖的规模。但这一颇有希望的假说遇到了一个大问题：大约10年前，人们发现南极洲在二氧化碳含量上升前几百年就开始变暖了。二氧化碳含量猛增毫无疑问会引起全球变暖――现在科学家认为它对结束冰河时期的全球变暖起到一半作用――但却不是起因。“南极洲变暖另有原因，”普林斯顿大学的丹尼尔.西格曼说。
花粉之谜
这并未唯一的谜。在1930年代，通过对含有阿尔卑斯山仙女木以及其它植物花粉的沉积物研究发现，欧洲差不多刚刚变暖时，又突然再次回冷了。这一寒冷期称为老仙女木冰期或神秘时段，从大约1.75万年前持续到1.47万年前。后来的冰芯显示格陵兰在同期也变冷了。
然而此时的南极洲却稳步变暖。“从局部来说，南半球先于北半球变暖，”西格曼说。但是什么导致北半球变冷时南半球在变暖呢？不可能是地球轨道变化或是二氧化碳含量上升――但可能是洋流的变化。
1.9万年前，巨大的冰盖开始融化，海量的淡水流入北大西洋（见图）。比如爱尔兰外海的海洋沉积物研究显示，海平面在几百年间上升了约10米（科学，304卷，1141页）。
在今天的北大西洋，热带来的咸水变冷，密度升高而沉入海底。这些底层的冷水会一直流向南半球，而表面的热水――包括墨西哥湾流――向北流去。这一洋流系统称为大西洋经向翻转环流。
1.9万年前的流入海中的大量淡水会稀释咸水，从而降低密度，导致翻转环流减速。2004的一项关于海洋沉积物的研究提供了证据。淡水和咸水的比例，标志着海底洋流的速度，表明在1.75万年前翻转环流几乎停止（科学，428卷，834页）。
这有点象一个跷跷板。向北的表面洋流带来的热量大幅减少，北半球变冷了。而热带和南半球亚热带地区正相反，因为流向北方的热量减少而变暖了。这就解释了许多让人困惑的发现。大西洋洋流减速有助于解释大消融时期为什么二氧化碳含量上升（见图）。

在1990年代，人们将搜寻二氧化碳来源的目光投向了南半球海洋。海底沉积物的同位素分析表明，冰河时期的底层海水中储存了大量的二氧化碳。一般认为是缺乏垂直混合，加上海面覆盖着冰，气体无法逸出。然而在消融期的海洋就像是拨了塞子，大量的二氧化碳进入了大气。
这一点在今年早期得到了确认，多亏了对南极洲冰芯中的二氧化碳进行的精细同位素分析。“二氧化碳一定是来自于海洋深处，”瑞士伯尔尼大学的小组成员约亨.施密特说。
现在科学家已经普遍认为二氧化碳释放的原因就在于南半球海洋中增强的垂直混合作用。比如，2009年纽约拉蒙.多赫蒂地球观测站的鲍勃.安德森报告称，南半球海洋在老仙女木冰期出现了硅外壳浮游生物大量增长，此时南半球开始变暖（科学，323卷，1443页）。由于这些生物体的生长受到溶解在表层海水中的硅含量的限制，那么大量增长必定是由于富含硅与其它养份的海水上涌所致。
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二氧化碳升高，”西格曼说。
但是安德森和他的同事们认为，是由于风发生变化导致了上涌增加。地球有不同的恒风带，是由于极地和热带的温度差再加上自转所导致的。当温度差变化时，恒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――因为它的纬度，海员们称之为狂暴40度――可能位置更靠北。跷跷板效应导致西风带移向南部的海洋，使南极洲变暖，同时搅动周围的海水。尤其在南美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。
虽然细节还有待计论，但总体情况已日渐明朗。“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。”
今年早些时候，沙昆和他的同事对2.2万年以来的80份不同的温度和大气成分记录进行了对比分析，并与这些各类研究线索汇兑在一起（自然，484卷，49页）。他们的工作相当程度上确认了结束冰期的事件顺序，过程是这样的：
大约2万年前，北方的冰盖恣意南侵，然而日照的微弱增强导致了全面融化。由于淡水流入北大西洋，翻转环流中止，导致北半球降温而南半球升温。这些变化最主要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°C。
风或洋流的变化，或者两者都有，使得南半球海洋有更多的底层海水上涌，释放了沉积几千年的二氧化碳。当大气中二氧化碳含量达到190ppm时，全球开始变暖。最北方的变化最慢，但到约1.5万年前，二氧化碳上升至240ppm，大西洋翻转环流再次流动，温度迅速上升。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。北半球气温骤降并且持续寒冷了约一千三百年。这一寒冷期称为新仙女木冰期，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。大气含量激增至0.026%，后几千年中全球迅速变暖。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。过去几百万年间，冰川多次进退，两极却始终为冰雪覆盖，但也许不会太久。日照的微弱增强，二氧化碳仅仅上升0.007%，就融化了曾覆盖欧亚大陆和北美的巨大冰盖。自从工业文明以来，二氧化碳已经上升了0.013%并且还在继续，如果说人类排放的二氧化碳还没能融化格陵兰和南极的冰盖，也许很快就可以了。
我们还是幸运的，最后的冰盖如果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，感慨一下又一次的沧海桑田。
Anil Ananthaswamy是《新科学家》的顾问，住在加州伯克利。