科学界的冰冻状态是怎么形成的？

第三章
冰期来临

火与冰

普通大众对科学越来越失望，主要原因之一就是他们觉得科学家们总是争论不休、变化无常。实际上，正是通过不同观点之间的交锋，直到有足够证据表明一方获胜并得到认可，科学才得以进步。但是，对大众如此解释则是徒劳。人们希望科学家能够统一说法，告诉他们什么是对，什么是错，使他们的生活更轻松，烦恼更少。如果你所关注的事情是自己的职业或婚姻，你就不会考虑转基因作物是好是坏，也不会去想如何吃牛肉——是带着骨头吃还是切下来吃，甚至不用理会你的子孙后代是身在冰山还是火海。然而，在过去几十年中，科学界的共识似乎又有了180度的大转弯。上一章我们看到，除了那些标新立异的气候学家，大多数气候学家现在都承认这一事实：地球正在快速变暖，原因是人类活动所导致的环境污染。然而，在20世纪80年代，气候学领域所关注的大问题是：下一次冰期何时出现？为什么会这样？是气候学界的观点发生了什么变化吗？实际上变化并不大。正如我随后要解释的，冰川会再次推进，地球有可能在未来1万年内陷入严寒。然而，变化体现在人们已经认识到：当地球从目前所处的间冰期进入长达数万年的冰期时，人类活动导致的全球变暖及其对气候的影响可能会在这种自然转变的关键时期起到一定作用。令人困惑的是学者们不能肯定这种作用是什么，尽管你本能地希望全球变暖能够推迟、甚至完全阻挡下一次冰期的来临，但一些科学家认为，持续的大幅升温实际上会加速下一次冰期的到来。即使情况并非如此，问题仍然存在。既然知道另一个新冰期即将出现，我们不是应该主动保持地球温度吗？不是应该张开双臂欢迎全球变暖吗？换句话说，我们目前面临着一个残酷的选择，以往关于全球变暖的大辩论中很少提及：我们希望眼前这个熟悉的世界由什么来终结——是火？还是冰？

如何冰封地球

在地球形成初期，它的表面是沸腾的熔岩海洋，到处都是火山爆发。尽管随着主要地质变化减缓，地表温度大幅下降，但在地球46亿年的历史中，大部分时间气候都很温暖。然而，一些非常偶然的事件宣告了巨大冰原的形成，从而使地球从温暖的天堂变为寒冷的地狱。艺术家的描述和电视纪录片让大多数人已经熟悉了最后一次大冰期，那时猛犸（已经灭绝的古代长毛象）漫步在冻土带上，满身长毛的人类祖先在冰冻的世界里为生存而苦苦挣扎。直到近期，对与冰有关的岩石形成过程的研究才向我们揭示了地球历史中一个更久远、更可怕的冰冻时期。那时的地球只不过是飞驰于太空的一个冰冻的雪球。在很久很久以前的一段地质时期——现在被越来越多地称作成冰纪^〔1〕（Cryogenian，这一名称恰如其分；源于冷冻剂cryogen）——地球处在历史的临界点上。自地球形成35亿多年以来，其温度已经大幅度冷却，此时的问题是如何保持温度。大约在8亿至6亿年前，太阳辐射比现在弱，地球接收的辐射比现在少6％左右。而且，导致目前全球变暖的以二氧化碳和甲烷为主的温室气体的浓度在那时很低，不足以抵御太空的寒冷。巨大的冰原迅速形成，由两极向赤道推进，将整个或大部分地球（仍然是争论的焦点）裹在1公里厚的冰层中。由于雪白刺目的冰层把到达地面的太阳辐射反射回了太空，地表温度下降到了-50℃，永冻冰层出现的可能性极大。但是，可以说一定是发生了什么事使得地球冲破了冰层，否则我今天不可能在这里告诉你这些。事实上，这种“雪球”状态可能出现了多达6次，每当气候回暖，这种“雪球”状态就会消失。

没有人能确定地球是如何成功地摆脱冰冻状态的。也许是火山爆发挽救了地球。在长达几百万年甚至几千万年的严寒之后，火山爆发排出的大量二氧化碳似乎产生了显著的温室效应，使得大气温度上升、冰层融化。地球上的生命顽强地走出了历史中的这个特别的创伤期，虽然倍受挫折和打击，但仍跃跃欲试。“雪球”地球最终变暖，紧随其后出现了生物多样性的“大爆炸”，它标志着5.65亿年前寒武纪时期的开始。与成冰纪的酷寒相比，距离我们最近的第四纪冰期（Quaternary ice ages）就逊色不少。虽然第四纪冰期的影响范围较小，但这些距今最近的严寒却是决定性的，因为它们与人类远祖出现和进化的时期一致。不仅如此，它们还可能影响到人类的未来。

在地球的近代史时期，太阳辐射水平一直比成冰纪时期高很多，二氧化碳和其他温室气体的含量也更高。但是，为什么在大约一千万年前的中新世（Miocene）末期，冰川又一次开始形成，并且推进到北半球的大部分地区呢？更重要的是，为什么在大约300万年前，向南挺进的冰层得以加强？在第四纪科学和环境变化领域，这仍然是一个热门话题，但本书不会对相关理论作详细的分析，在此只需指出，在过去200万年中，出现了20次左右严重影响地球的冰期，其原因包括：喜玛拉雅山脉隆起而导致的对地球大气环流的破坏，以及巴拿马地峡出现而引起的全球洋流系统的剧烈变化。

虽然以上两个惊人的地球物理事件——或者只是其中之一——可能促使地球日益寒冷，但当时冰层早已开始活动，我们需要从其他地方寻找冰期形成的根本原因。换言之，什么原因导致了冰期的出现？又是什么原因使它结束？二者同等重要。多年来，这个问题吸引了众多科学家。早在1864年，苏格兰地质学家詹姆斯·克罗尔（James Croll）就首次给出了解释，在20世纪30年代又由塞尔维亚科学家米卢廷·米兰科维奇（Milutin Milankovitch）进一步扩充。克罗尔-米兰科维奇（Croll-Milankovitch）天文冰期理论（Astronomical theory of the ice ages）指出，地球公转与自转轨迹的长期变化是第四纪冰期盛衰的根本原因。根据天文学理论，冰期出现的前提是北半球高纬度地区的夏季足够清凉，以保存冬季降雪。随着冰雪的逐年累积，地表反照率（albedo）增大，夏季日照的影响更小，冰盖和冰川加速成长。但是，怎样才能首先使北半球的夏季变凉呢？这正是天文学要解答的问题。只有到达地面的太阳辐射量减少，才能导致高纬度地区的清凉夏季，而前者取决于两个因素：地轴倾斜度的变化和地球绕太阳公转轨道的变化。

图9　过去42万年间的温度变化表明，在大多数时间内，地球温度比目前温度低许多

如果地轴没有倾斜，地球上就不会有四季变化。例如，北半球处于夏季时，北极朝太阳倾斜，更多的阳光直射到北半球表面，使其温度上升。与此相反，在冬季时，北极偏离了太阳，温暖的长夏被阴冷的北半球冬季所取代。此时，南半球受到了更多的太阳直射辐射，那里的人沐浴着温暖的阳光，而北半球的人则在阴暗的天空下瑟瑟发抖。虽然地轴的平均倾斜度为23.5°，但它并不是常数。地球像一个旋转的陀螺一样绕地轴进动（precesses），周期为2.3万至2.6万年。这种进动使地轴的倾斜度在22°到25°之间变化，周期为4.1万年。当倾斜度最小的时候，冬季实际上更温和，更重要的是，高纬度地区接收的太阳直射减少而变得更冷，这就使得冬季的降雪更不易消融，有利于冰盖增长。除此之外，还有另一种有助于冰期出现的机制，即“天文驱动机制”（astronomical forcing mechanism）。像所有的行星一样，地球绕太阳公转的轨道并非圆形，而是椭圆形的，轨道形状的变化周期大约在10到40万年之间。现在地球离太阳的最近点出现在1月份，这时北极偏离太阳，使得北半球的冬季偏冷。然而，就在1.1万年前，这一最近点——也叫近日点——出现在7月份，此时北半球夏季温度就会有所上升。

为了便于理解，我来画一些图示。如图10所示，在地球倾斜度和地球轨道的变化中可以确认出有规律、可预测的循环——米兰科维奇循环（Milankovitch Cycles），周期在几千年到几十万年之间，这些循环决定了到达地球表面的太阳辐射量，进而决定了地表温度。有时几个循环恰好重合，使高纬度地区的夏季温度下降，从而使冬季降雪得以累积。单靠这一点还不能产生在最近几百万年几乎一直覆盖北半球的巨大冰盖，但随着冰雪覆盖区域的扩大，越来越多的太阳辐射被反射回太空，加速了冷却过程。冰期本质上就是这样出现的。与此相反，在其他时候，各种循环彼此抵消，导致地球变暖，冰盖就会退回到极地。

虽然米兰科维奇和后来研究这一问题的学者能够解释冰期的形成机制及其周期性，但是，冰期为什么出现在大约1,000万年前，而不是贯穿整个地球历史？他们对这一问题的解释则不太理想。原因之一可能是地球大气中二氧化碳的浓度水平在过去3亿年中平稳下降，从1,600ppm下降到工业革命前的279ppm。有人曾经提出，也许只有当地球大气中二氧化碳的浓度低于一个临界值——比如400ppm——“天文驱动”才足以启动冰期的冷热循环。我们不禁要问：一旦二氧化碳浓度在未来20多年后超过这一临界值，我们是否就会永远告别冰期？这个问题我们稍后讨论。

我们有可能在未来的某个时候再次面对冰期，基于这种可能，让我们看看上次冰期极盛时期的情况。随着温度在大约12万年前开始下降，地球上越来越多的水体被山地冰川和极地海冰所封锁，使得北半球陆地冰盖范围扩大，导致了海平面的大幅下降。这一时期，冰盖至少4次向南朝赤道扩展，在1.5到2万年前，冰盖达到顶峰。

那时的海平面比现在低大约120米，相当于40层楼，连接各大洲的新陆桥露了出来，极大地方便了各种动物和人类远祖的迁徙。其中一座陆桥横贯白令海峡，亚洲人可以穿过它进入北美洲，从那里开始，他们最终开拓了一个新世界（New World）。就在人类的600代以前，地球北部牢牢地被冰川作用所控制，全部陆地的1/3被冰层覆盖，世界上5％的海洋被冻结。与今天相比，上次冰期在极盛时期的环境非常恶劣，全球平均温度比今天低4℃，而北部高纬度地区还要更低。在英国，温度降低了15℃到20℃，整个国家变成了一块冻结的荒地，巨大的冰盖向南移动，抵达泰晤士河以远。北美洲也有一些极恶劣的环境，那里大部分地区的温度比今天低25℃，冰原厚度达到几公里，生命根本不可能存在。然而，值得注意的是，正当地球看似要回到成冰纪的“雪球”状态时，令人惊奇的变化发生了。地球开始迅速变暖，巨大的冰盖开始融化，其速度远比冰盖形成时要快很多。融化的雪水源源不断地流入冰原周围的巨大湖泊，随后注入海洋，使海平面上升，淹没了几千年前刚露出来的土地。到1.2万年前，海平面上升的速度比对下个世纪最悲观的预测还要快很多，几个世纪内上升了约10米。气候持续变暖——几乎一直是这样。从冰期的极盛期到现在温暖的间冰期，这个过程充满了起伏，冰盖不止一次地试图占据中心舞台。例如在大约1.28万年前，冰盖停止了快速撤退，开始了一波为期1,000年的冷冻期，称为新仙女木期（Younger Dryas），与出现时间较早、不太寒冷的中仙女木期（Older Dryas）相区分。没有人能够肯定这次寒潮的起因，但有人提出主要原因是加拿大阿加西湖水的大量倾泻。早已消失的阿加西湖是北美洲众多由冰川融水形成的巨大湖泊之一。湖水突然灾难性地全部泻入圣劳伦斯河，由此汇入北大西洋，从而破坏了流向极地的暖洋流，使得高纬度地区的气候变冷，冰盖再次形成。新仙女木事件和类似的后冰期寒潮事件给了我们深刻的教训，当地球正在经历剧烈的气候变化时，我们更应该牢记这些教训。首先，冷暖之间的转换异常迅速——可能在10年内，其次，洋流的破坏会对气候变化有深远的影响。关于后者可能产生的负面影响，稍后我会详细讨论。

图10　米兰科维奇周期决定了冰期来临的时间；地球绕太阳公转轨道的变化（上图），地球自转轴倾斜度变化（中图），地球自转轴进动（下图）

狄更斯、白色圣诞、小冰期

读到这里，每一位读者似乎都已熟悉冰期一词，但是大家对小冰期（Little Ice Age）是否同样熟悉？气候学家用“小冰期”一词来表示从1450年起——也可能是1200年——一直持续到1850年和20世纪初的一段寒冷时期。在整个小冰期内，冰川快速推进，吞没了高山村落，而北大西洋海冰严重破坏了冰岛和斯堪的纳维亚的养殖业。传说伊努伊特人曾远涉重洋，一路向南，最远曾抵达苏格兰，而在格陵兰强盛一时的北欧海盗则被冰川阻隔，从此销声匿迹。

在17世纪末，英格兰的年平均温度几乎比1920到1960年间低1℃，导致了冰天雪地的寒冬。“冰雪节”经常在冰冻的泰晤士河上举办，降雪也很常见。查尔斯·狄更斯（Charles Dickens）在许多著作中描写的白雪皑皑的冬天就是这个寒冷时期的真实写照，这样的冬天在很大程度上孕育了我们对传统的“白色圣诞节”经久不变的期望。

究竟是什么引起了小冰期？这是一个尚在激烈争论中的问题。然而很明显，由于大多数寒潮都发生在工业革命前，人类活动对此肯定没有影响。尽管如此，在全球变暖的背景下理解小冰期仍然是极其重要的，原因就在于如果我们不了解近代地球气候的自然变化，就不可能揭示人类活动所产生的影响。事实上，小冰期并不是历史上唯一一次有悖气候规律的情况——如果存在气候规律的话。就在这次寒潮（指小冰期）来临前一刻，至少是欧洲还沉浸在中世纪暖期，这一时期大约从公元1000年持续到公元1300年。在此期间，英格兰北部的葡萄长势就像今天一样，而生活在格陵兰的古斯堪的纳维亚人则能够在一些近期才被冰雪掩埋的地方放牧。从小冰期到19世纪末正是全球范围内的工业化加速时期，这是引发目前对气候变暖原因的争论的重要因素。

正如上一章提到的，绝大多数科学家一致认为全球变暖是人类活动造成的，但是，还有一些科学家坚持认为这只是纯粹的自然变化，将目前的气候变暖看作地球走出小冰期后进入另一个与中世纪暖期类似的时期。虽然有充分的证据表明全球变暖是人为导致而不是单纯的自然变暖，但是毫无疑问，人类活动的影响附加于纯自然变化之上，而这种自然变化在近期导致了重大的气候转变。为什么纯自然变化也能引发重大的气候转变？太阳可能是一个主要因素，它的辐射量在100年到1万年内持续变化。例如，出现在小冰期的两个最冷时期就与如下两个太阳活动明显减弱的时期几近重合：公元1400到1510年间的史波尔极小期（Spörer Minimum）和公元1645到1715年间的蒙德尔极小期（Maunder Minimum）。在这两个极小时期，几乎看不到太阳黑子，极光几乎不存在，这表明地球接收的太阳辐射减少。据从事太阳研究的学者估计，太阳在蒙德尔极小期可能比今天暗0.25％，但这足以引发明显的降温。然而，其他因素也可能起了一定的作用。新近的一个理论认为当时的爆发性火山活动具有极为重要的作用，至少加剧了小冰期的寒冷。1815年发生的印度尼西亚坦博拉火山大爆发就是如此，大型火山爆发更能有效地使大量二氧化硫和其他硫化物气体进入平流层，即大约10公里以上的大气层。在这里，这些气体与大气中的水汽结合，它们所形成的细小的硫酸烟雾能够减少太阳入射辐射，从而导致对流层大气（10公里以下的低层大气）和地面的冷却。我们将在下一章进一步讨论。

图11　小冰期内的冬季往往非常寒冷，足以在泰晤士河上举办冰雪节（1739—1740）

不列颠冰期

对历史气候变化了解越多，就越能清楚地看到，剧烈的气候变化可能会突然发生。大约几十年内，地球气候就从日益变暖返回到了1.28万年前新仙女木期的严寒，这就足以证明这一点，从中世纪暖期到小冰期的快速转化也与此类似。同样令人不安的是，在特定条件下，气候可能突然从一个极端走向另一个极端，正如当前从人为引发的气候变暖突然走向另一个极端一样。这就回到了本章开始时的问题：全球变暖有可能使地球回到寒冷状态吗？这似乎与直觉相反，但越来越多的证据表明这种情况很可能发生，至少在英国和欧洲西北部，也许还有整个北大西洋地区。热带棕榈树之所以能在爱尔兰西部和英格兰西南部生长茂盛，唯一的原因是墨西哥湾（暖）流（Gulf Stream）携加勒比海的暖水向北流。结果是英国和爱尔兰远比处于同一纬度的加拿大东部温暖，加拿大东部则不得不忍受副极地的寒冷。如果没有了来自南部的暖水，将发生什么情况呢？情况很可能是英国的气候会非常寒冷——也许还有欧洲西北部大部分地区——有人甚至认为其寒冷程度可以与挪威的斯瓦尔巴群岛（旧称斯匹次卑尔根群岛）相匹敌，这些冰雪覆盖的岛屿位于格陵兰东部，是北极熊的领地。在最近一项研究中，英国气象局模拟了墨西哥湾流停止后的情形。结果显示，在湾流停止后的10年内，整个北半球将变冷，北大西洋周围最明显。在英国，严冬将在湾流停止后的几年内来临，温度骤降到-10℃以下。

使墨西哥湾流减弱或停止的途径之一是向北大西洋倾注巨量的冷水，从而使湾流短路，这正是许多旨在研究本世纪及未来全球变暖影响的气候模型的预测结果。最新预测结果表明，最迟到2100年，温度会上升2℃到3℃，墨西哥湾流因此大幅减弱或者停止的概率为45％。仅在50年内，英国周围海水就会大幅度冷却，从而改变主要的天气模式，使该地区的气候更加寒冷。当全球其它地区酷热难当时，北大西洋地区却可能是一片冰天雪地，比小冰期还要严寒。这也许仅仅是个开始。北大西洋地区洋流变化的间接效应可能会扩散，从而颠覆目前气候变暖的趋势，将冰雪带回北半球。最后，让我们看一看冰期回归的前景以及人类在此过程中所扮演的角色。

出油锅　入冰窟

按照米兰科维奇循环理论，地球已经为本次间冰期的终结和全冰期的回归作好了准备。一些人认为，现在所需要的只是一个诱因，即对气候系统的一次突然冲击，从而使其失去平衡并开始扰动，直至崩溃并陷入十分恶劣的局面。全球变暖能否提供这样一次强度适中的冲击仍然值得怀疑，但最新的研究表明，今天的气候变暖可能会导致未来的气候变冷，这引发了越来越多的关注。北大西洋的洋流系统又成为了关键所在，它与以往的冷暖转换有密切关系。实际上，大多数人所熟悉的墨西哥湾流只是洋流系统的一部分，该洋流系统有很多名称，其中大西洋倒转环流（Atlantic Overturning Circulation）是最直观的一个。当墨西哥湾流的温盐海水向北流动时，海水逐渐冷却，导致密度增大。在到达北冰洋之前，海水下沉并形成一股向南流动的深层冷流，汇入一个更宽阔的、被称为全球输送带（Global Conveyor）的洋流系统。

看来只要寒冷控制了北半球，大西洋倒转环流的作用就会被严重破坏。例如，在新仙女木期，这一环流就曾被严重削弱，使得北欧的温度下降多达10℃。有关海洋温度和盐度的最新证据也表明，在大约两万年前上次冰期的极盛时期，墨西哥湾流非常弱。这些证据来自对有孔虫类（foraminifera）这种海洋微生物的壳体研究。那时，墨西哥湾流的强度只有现在的2/3，整个洋流系统大幅减弱。问题是此次减弱是导致上次冰期的原因之一吗？还是仅仅是一个结果？没有人知道答案，但总体来说湾流强度减弱将使北半球更为寒冷，而且这一减弱似乎与巨量冷水注入北大西洋有关。由于北冰洋海冰和格陵兰冰盖的融化，预计未来几百年内湾流强度即会减弱。

在1.28万年前的新仙女木期，从冰川湖排出的大量冷水仅产生了一次1,000年左右的短期寒潮。但是，那时的地球正处在米兰科维奇循环中的温度上升期。现在，我们处在间冰期到下一个冰期的转换时期，如果没有人类活动造成的污染，温度将有望逐步降低。大量的冷水流入北冰洋不但可能引起欧洲西北部的短期寒冷，也可能触发影响整个北半球的新冰期。这种看法并非没有道理。也许我们不用等多久。在20世纪90年代，从事气候模拟研究的美国学者罗纳德·斯托佛（Ronald Stouffer）和亚历克斯·霍尔（Alex Hall）几乎连续10年运行了一个地球气候系统的计算机综合模型，以探讨未来几千年的气候状况。他们的发现着实令人担忧。据该模型预测，大约在3,000年内，格陵兰上空的强西风将促使大量北冰洋淡水注入北大西洋。由于密度较低，这些冰冷的淡水将停留在北大西洋表面，使其上空空气变冷并形成一个低气压天气系统，并通过正反馈机制使西风再次加强。预测结果表明，北大西洋将冷却3℃以上，大西洋倒转环流也会减弱，欧洲西北部的天气将更加寒冷。在该模型中，寒冷期仅仅持续了40年左右，但我们关心的是，如果全球变暖促使格陵兰冰盖大面积融化，则注入北大西洋的冷水量的增加可能把短暂的区域性变冷放大为大范围的持久性严寒。更加堪忧的是，人们可能已经探测到了即将到来的严寒的第一个征兆。最新观测显示，位于苏格兰和法罗群岛之间一支重要的南向洋流在过去50年内速度减慢了20％左右。这会是大西洋倒转环流崩溃和气候平稳地步入严寒的预兆吗？

要说明目前拿全球气候来做试验有多不合时宜，最好的方法之一就是比较本次间冰期和上次间冰期的温度廓线。从图12中可以看到，自然温度在过去的几千年内呈持续下降趋势。目前，人为导致的温度上升似乎扭转了这一趋势，如果没有温室气体排放，在大约8,000年内，地球的温度会降低3℃左右，地球将逐步走向下一次冰期。虽然全球变暖此时抵挡了严寒，但它对大西洋倒转环流的影响最终会加速下一次冰期的到来。

图12　本次和上次间冰期温度对比表明，我们已经在走向下一次冰期

到目前为止，我希望你已经相信当前的全球变暖有可能引发寒冷天气的出现，这可能是由于持续不减的温室气体排放所致。如果全世界的人都醒悟过来，大幅度削减排入大气的二氧化碳和其他气体，那又会怎样呢？从图中可以看出，冰期终究会来临。这仅仅是我们愿意马上进入冰雪世界，还是希望先呆在桑拿室，然后再去冰雪世界的问题。不论选择哪种，一旦冰期回归，后人的生活必定会越来越艰苦。届时，在欧洲、北美洲、俄罗斯、亚洲中部和东部，人类将无法生存，进而导致人类大规模地向南迁徙，途中无疑会伴随着为争夺生存空间和资源而发生的流血战争。在冰期地球（Ice Age Earth）的气候状况下，地球上不可能再维持80到100亿的人口，大范围的饥荒和内乱无疑将导致人口锐减。毫无疑问，就像上次冰期来临时一样，人类还会继续生存下去，但却失去了往日的活力。

令人不安的事实

·在8亿年前至6亿年前这段时期，地球是一个冰冻的雪球，表面被1公里以上的冰层覆盖。

·自上次冰期末以来，人类只经历了600代。

·在上次冰期的极盛时期，英国的温度比现在低15℃到20℃，在北美洲大部分地区，当时的温度比现在低25℃以上。

·自大约1.8万年前冰雪开始消退以来，海平面上升幅度超过了120米。

·温度上升仅2℃到3℃——这在2100年以前肯定会发生——就可能导致墨西哥湾流的大幅减速或停止，这一概率为45％。

·在过去50年内，位于苏格兰和法罗群岛之间的一支大西洋洋流减弱了20％。

·如果没有温室气体排放，在8,000年内温度可能会降低3℃。

注释

〔1〕成冰纪（NP2）是地质年代中的一个纪，属于前寒武纪元古宙新元古代，期间出现全球雪球事件，是生物低潮期。