幾億年前的大冰期什麼樣?一文帶你了解史上五大冰期

在地球幾十億年的歷史中，超過85%的時間裡，地球都維持著一個全球性的溫室，其溼熱氣候從赤道一直延伸到兩極。

然而，一些特殊的變化也會時常在地球上出現：世界氣溫下降，冰川擁抱地球。

這些特別的情況被稱為——冰期（Ice Age）。

那麼，究竟是什麼導致了這樣廣泛且影響巨大的氣候變化呢？地球上冰期的真面目到底如何？

今天就讓我們回到過去，看一看這些冰川形成背後的原因。或許冰期時代的歷史能夠告訴我們如何面對地球氣候的未來！

1

Huronian冰期

地球自誕生以來一共經歷了五次主要的大型冰期。

第一次冰期始於24億年前，當時地球上唯一發現的生命是生活在海洋中的單細胞厭氧生物。

然而，由於藍藻的出現，地球上的一切都發生了改變。

藍藻

藍藻是第一個能在太陽的幫助下把二氧化碳和水轉化成有用的糖的生物，即進行光合作用。

光合作用在進行過程中，會釋放出氧氣。在此之前，地球大氣中從未發現過這種高活性氣體。

隨著藍藻菌的數量持續增長，所排放的氧氣「汙染」了以甲烷為主的大氣，大多數厭氧的生命形式都發生了大滅絕。

而當甲烷被氧化成二氧化碳和水時，它從大氣中的主要氣體變成了一種微量氣體。

地球受到溫室氣體減少的影響，溫度開始下降，迎來了第一個重要的大冰期——Huronian冰期。

Huronian冰期是地質史上最嚴重且持續時間最長的一次冰河時期。

命名的由來是因為相關的地質學證據是從北美的休倫湖地區搜集而來的，在此地能發現有3處彼此分隔的冰期沉澱物地層被非冰期沉澱物所分隔開來。

休倫湖

這樣寒冷的氣候持續了3億年之久！

2

Cryogenian冰期

在世界上大部分地區被冰掩埋了3億年之後，冰蓋終於慢慢融化，大地又變回一片沼澤茂密的叢林。

從此時開始又過了十多億年，地球才再次被冰覆蓋。

「Cryogenian」源於希臘語的「cold」和「birth」，是一個從7.2億年前持續到6.35億年前的地質時期。

Cryogenian冰期通常被認為至少可以被分成兩個主要的世界性冰期。

司圖特冰期(Sturtian glaciation)從約7.2億年前持續到6.6億年前，而馬林諾冰期(Marinoan glaciation))結束於大約6.3億年前，即Cryogenian冰期的結束。

特有的冰川沉積物表明，這一時期冰川一直延伸到赤道，而海洋則變成了冰原混合物，幾乎把整個地球都淹沒在一層冰之下。

這一次降溫被認為受到了火山活動的影響。火山活動的一個主要副作用是在地球表面產生新的巖石，而這些巖石自然不是一成不變的。

大氣中的二氧化碳與水蒸氣反應生成碳酸。當這種弱酸最終降雨到地表時，它會與新生成的巖石(如長石)相互作用，導致所謂的化學風化。

它使長石變成高嶺石，同時產生鈣離子和碳酸鹽離子，這些離子會發生驚人的反應，形成另一種物質——碳酸鈣。

這意味著，新巖石的形成和風化實際上可以將二氧化碳從大氣中吸出，並將其鎖在新巖石中。

大氣中二氧化碳濃度的減少對加快地球溫度降低起到了促進作用。

可能是由於當時資源的極度限制，這一時期見證了第一批掠奪性浮遊動物的進化。

它們可以捕食幾乎沒有防禦能力的浮遊植物，首次為這些大量的光合作用提供了控制機制。

3

Andean-Saharan冰期

隨著時間的流逝，氣候平衡重新轉向溫室環境，地球再次解凍。

下一個冰河時代要再過2億年才會到來，也就是我們所知的Andean-Saharan冰期。

Andean-Saharan冰期發生在古生代，時間約為4.5-4.2億年前。

它被認為可能是小行星帶某處的一次大規模碰撞的結果，被稱為奧陶紀流星事件。

這次事件把大量的碰撞碎片送入地球軌道。經過幾十萬年，這些碎片會落到地球上，使大氣中的塵埃水平比現在高出幾個數量級。

當大量塵埃存在於大氣中時，這些小顆粒就像小鏡子一樣，在陽光到達地表之前將其反射出去。

所產生的影響與溫室氣體恰好相反，使地球溫度減低。

第三次冰河期事件背後的原因十分複雜，但我們知道的是，這次冰期僅維持了約3000萬年。

Andean-Saharan冰期成為迄今為止最短的冰河期。

4

Late Paleozoic冰期

在這之後不久，大約3.6億年前，一條新的進化之路逐漸出現。這又導致了二氧化碳的急劇下降和大氣中氧氣的急劇增加。

在地球歷史上，植物第一次開始在陸地上生長。

在此之前，生命基本上被局限於海洋，但隨著樹蕨等植物的發展，地球的陸地迅速被消耗二氧化碳和產生氧氣的生命所佔據。

很快，植物就形成了木質素和纖維素這樣的結構，由於它們複雜的結構，分解速度慢得令人難以置信。

這就意味著有充足的時間讓它們被埋起來，防止它們進一步分解，並將它們體內的碳儲存在地表以下，最終變成煤炭。

木質素和纖維素

造成的結果就是，大氣中的氧氣含量上升到35%以上，而二氧化碳含量下降到300ppm以下。

大氣中二氧化碳水平的降低足以開始改變地球氣候，導致更涼爽的夏季無法融化前一年冬天的積雪。積雪深達6米，就會產生足夠的壓力把較低的地方變成冰。

隨著地球上冰蓋的不斷擴大，行星反照率增加，導致正反饋循環，使冰蓋進一步擴大，直到這一過程達到極限。

地球進入了古生代晚期的冰河時代——Late Paleozoic冰期（3.6-2.6億年前）。

然而，全球氣溫的下降最終會限制植物的生長，而氧氣含量的上升會增加火災的頻率。

這兩種效應都將二氧化碳釋放到大氣中，逆轉了「雪球效應」，迫使溫室效應加劇。

在接下來的時間裡，二氧化碳濃度上升到300ppm。地球溫度逐漸開始回升，部分冰原的擴散被抑制。

行星反照率因此下降，其他地區的冰川受到影響也開始融化。

與此同時，全球變暖導致的海平面上升淹沒了大面積的平地。陸地上碳沉積面積逐漸縮小，更多的二氧化碳被釋放到大氣中，進一步使地球變暖。

5

Quaternary 冰期

Quaternary 冰期，也被稱為又稱「第四紀大冰期」，是始於距今200-300萬年前的第四紀期間的一系列交替的冰期和間冰期。

第四紀大冰期的冰蓋規模很大。在歐洲冰蓋南緣可達北緯50°附近；在北美冰蓋前緣延伸到北緯40°以南；南極洲的冰蓋也遠比現在大得多。

包括赤道附近地區的山嶽冰川和山麓冰川，都曾經向下延伸到較低的位置。

（北半球在第四紀冰期的冰川作用。3-4公裡厚冰層的形成相當於全球海平面下降約120米）

面積巨大的冰蓋使地球反照率(太陽的輻射能從地球上反射的程度)提高，進一步冷卻了氣候。

這些影響塑造了整個陸地和海洋環境，以及它們相關的生物群落。

到目前為止，第四紀大冰期僅存的主要冰蓋為南極和格陵蘭冰蓋，其他大部分冰蓋，形成於冰期，在間冰期已完全消失。

南極

6

米蘭科維奇循環

地球的冰川史是地球氣候系統內部變化(如洋流、碳循環)加上氣候系統外部現象(如地球軌道變化、火山活動和太陽活動)所造成的「外力」效應的產物。

而地球軌道變化在控制氣候方面的作用最早由詹姆斯·克羅爾（James Croll）在19世紀末提出。

詹姆斯·克羅爾

二十世紀初，塞爾維亞的地球物理學家兼天文學家米蘭科維奇提出地球圍繞太陽環行時，三個因素的周期性變化會影響地球冰期的始末興衰，即米蘭科維奇循環（Milankovitch cycles）理論。

米蘭科維奇

第一個是地球環繞太陽公轉的軌道形狀。軌道形狀有時較接近圓形，有時較接近橢圓形，這個變化周期約為10萬年。

公轉軌道形狀的變化會影響在不同季節抵達地球的太陽能量。

公轉軌道離心率=0.5

第二個是地球自轉軸心的傾斜角度，它會在22.1度至24.5度之間變化，周期約為4萬年。

這個角度變化不會改變由太陽抵達地球的總能量，但會影響日照在不同緯度的分布。

轉軸傾角

最後一個是地球自轉軸心的進動。地球自轉軸的方向相對於恆星的變化稱為進動，周期大約是2.6萬年。

這種地球的軸向進動同樣會影響日照在不同緯度的分布。

軸向進動

然而，事實上在20世紀70年代之前都沒有任何支持這個假說的證據，因為直到那時海洋學家才剛能夠到海底鑽孔並且從深海的海底取樣，然後由地質學家對樣本進行分析。

（循環時間的變化，由海洋沉積物確定的曲線）

海底樣本中能夠得出幾十萬年的關於海洋氣候的歷史狀況。

這些證明了地球氣候的變化正如米蘭科維奇假說所描述的一樣。這些證據是對米蘭科維奇循環的一個非常有利的支持，直到20世紀80年代多數人才接受了這一理論。

（來自南極科考站Vostok的42萬年的冰核數據，左為更近時間）

無論是冰河時代或全球變暖，最主要的影響因素依舊是地球大氣的組成。

因此，如果我們想要減慢高速發展的現代溫室效應進程的話，最好的方法始終是——減少溫室氣體的排放。

參考資料：

YouTube、維基百科、Geology等

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