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地球史上的冰河期

冰河期,又叫冰期、冰川期,是地球表面覆盖大规模冰川的地质时期。地球历史上曾经出现过4次超大冰期:休伦冰期、瓦兰吉尔冰期、安第萨哈拉冰期、卡鲁冰期。大冰期的时间尺度至少数百万年,此外还有数不胜数的小冰期。其中最持久的一次,也是最早的一次,就是休伦冰期。

冰川期的地球

休伦冰期,又叫第一次“雪球地球”事件,出现于24亿年前到21亿年前,没错,地球被冰冻了2亿~3亿年,差点就把刚刚出现的原始生物彻底灭绝。我们都知道,同等材质的物体颜色越深,越容易吸收热量,而白色吸热量最少。由于地球被冻成了一个白色雪球,地球反射阳光的量越来越大,使得整个地球系统获得的太阳能愈来愈少。此外,当时地球的大气层几乎没有二氧化碳之类的温室气体,所以地球的这次冰期持续了很久。但你可能没想到,最后“破冰”的不是太阳,而是地球自己的“内力”—由于冰川的挤压,地球内部的岩浆按捺不住,喷涌而出,大量二氧化碳被送入大气层,地球开始变暖,逐渐走出冰期。

蓝藻

猛犸复原图

冰期的成因是什么

造成第一次大冰期的“罪魁祸首”是一种今天仍然存在的细菌—蓝藻。蓝藻是一种结构简单的单细胞生物,是目前我们知道的最早能进行光合作用的生物体。虽然被大家称为“藻”,但它并不属于植物中的藻类,它和其他细菌一样属于原核生物,因此还是叫蓝细菌比较合适。

距今38亿年前,最早的生命出现在海洋之中,由于当时大气中氧气含量极低,所以那时候还没有需要吸收氧气的生物,早期生物都是一些厌氧细菌。它们靠摄取一些有机物分子为生,甚至可以靠硫酸盐、铁盐等简单的化学物质就能活下来。但是万万没想到,34亿年前出现了蓝细菌,它还学会了光合作用这一“逆天技能”—吸收二氧化碳产生氧气。但是在蓝细菌出现早期,由于地球上还有很多可以氧化的还原性物质,比如海水中的亚铁离子,所以蓝细菌产生的氧消耗掉早期地球上的还原性物质共用了近10亿年。到距今24.5億年前,海洋里所有的亚铁离子都已经被氧化,游离的氧终于释放出来,并在海洋和大气中积累。

从24.5亿年前到18.5亿年前,大气中的氧气浓度从0.02%上升到了4%,这就是地质史上著名的大氧化事件。在这一时期,大量的厌氧生物被氧气杀死,从此那些厌氧的古细菌只能躲在缺氧的环境中苟活,如在热泉水、缺氧湖底、盐水湖、高酸碱度水体、海底火山口等极端环境中。

大氧化事件之后,休伦冰期降临地球。当时,大气中的主要温室气体是二氧化碳和甲烷,蓝细菌吸收了二氧化碳,释放的氧气又把甲烷氧化,于是温室气体越来越少,地球急剧降温,冻成了一个雪球。此时,地球进入休伦冰期,这是地质史上第一次持续最久也是杀死生物最多的冰期。对比之下,人类祖先和猛犸一起赶上的那场冰期真是小巫见大巫了。

进入休伦冰期以后,虽然太阳光度的周期变化也会影响地球的气候,但是由于实在太远,太阳的温度变化也不大,因此对地球影响很有限。其实,历史上的地球冰期都有相似的“套路”:首先,看似人畜无害的生物让地球的温室气体减少,然后进入冰期,生物被冻死之后,又进入下一个比较温暖的间冰期;温暖的时候,生物也大量繁殖,抢占水体中的氧气,导致大量其他生物死亡;死去的生物成为肥料供其生长,最终再度吸收大量二氧化碳,让地球再度变冷。所以,对于地球来说,含氧量不是越高越好,而是恰当就行。不过凡事都有两面,如果不是水中含氧量降低,便也不会逼迫一部分鱼类登陆,从而进化成今天的人类。

下一次大冰期何时到来

我们还会遇到大冰期吗?这个问题其实本身就有些问题,因为从更大的时间尺度上看人类现在就正处于一个大冰期之中—晚新生代大冰期,也是地球历史上距今最近的一次大冰期。大约在8000~10000年前,全球又普遍转暖,大量冰川和冰盖消失或收缩,地球进入冰后期。但是,各个大陆的冰川和冰盖并未完全消失。虽然很多证据都是我们现在可以直接看到的,但由于线索众多,对于这次大冰期,学术界至今没有一个明确的细节划分。有德国学者认为其中包含4次小冰期和3次间冰期。中国地质学家李四光也认为包含4个冰期,但是由于观测点都在中国,因此划分方法和外国研究者不同,包含鄱阳冰期、大姑山冰期、庐山冰期以及大理冰期。

美国密歇根州北部麦基纳克岛形成于冰期的拱形岩石

花岗岩基岩中的冰川沟槽,是冰期留下的遗产

但是,并不是所有的气候变冷都和冰期有关,例如20世纪70年代北半球的低温时段(南半球为高温时段),中国大部分地区处于低温少雨时段。究其原因,20世纪70年代是地球自转的慢段,是太阳黑子的相对低值时段,也是中国大陆地震多发的时段,这些特点均与小冰期相似,但是科学家已经证明,这段气候变化并不属于小冰期。

担心冰期会毁灭人类还为时尚早,目前人类的活动并不会让地球的温度出现剧烈而持续的变化。与其去猜测下一个未知的地球毁灭时间点,还不如脚踏实地设计更有效的应对举措。虽然冰期时不时会干扰到地球气候,但是按照目前人类的科技水平,在寒冷中生存下来,保持种族的延续,还是不成问题的。

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