是誰終結了「冰河時代」—新聞—科學網

2020-12-12 科學網

 

Corchia洞穴

研究人員從Corchia洞穴中鑽出巖心。圖片來源：Adriano Roncioni

大約4.45億年前，美國東部（最左邊）位於熱帶地區，在那裡，一次島弧與大陸的碰撞形成了阿巴拉契亞山脈。圖片來源： NICHOLAS SWANSON-HYSELL

猛獁象、劍齒虎、樹懶、松鼠……冰河時代讓無數動物離開家園尋找食物。雖然這只是動畫片的情景，但「結伴一起去南方」，卻也是第四紀冰期的寫照。

第四紀（250萬年前開始的地球歷史時期）通常以一系列的冰期和間冰期為特徵，這期間大陸規模冰蓋反覆消長，尤其是北半球的大部分地區出現了冰凍潮汐。

在中更新世轉變之前，第四紀全球冰期大約每4萬年重複一次。然而，在中更新世轉變期間，第四紀冰期的模式發生了根本性轉變並擴展到10萬年的間期。儘管人們普遍同意， 4萬年的周期是由地球軌道傾斜或傾角的周期性變化驅動的，但軌道推動力理論未能充分解釋中更新世轉變之後的冰川—間冰周期為何會延長。

澳大利亞墨爾本大學的一項新研究顯示，當地軸的傾斜度接近最高值時，過去100萬年的冰河時代就結束了。相關論文3月13日刊登於《科學》。

這項由博士生Petra Bajo及其同事進行的研究還表明，這些冰期終結時的夏季能量水平控制著冰原崩塌所需的時間，而更高的能量水平則會導致冰原迅速崩塌。

該研究為最近11次冰川消退提供了一個新的高解析度記錄，並揭示了傾角和日射在測量地球冰期—間冰期循環中的持續影響。「地球軌道的傾斜是整個第四紀（跨越中更新世轉變及之後）的冰川—間冰期周期的主要驅動因子。」Bajo說。

冷熱交替   循環往復

寒冷—溫暖—寒冷……地球的歷史似乎總是在冰期和間冰期之間來回切換。

事實上，地球默認的氣候似乎溫暖宜人。在過去的10億年裡，非冰期佔了3/4。然而，其間的6次冰河時代使地球變冷，其中兩次嚴重到足以把地球變成一個冰雪覆蓋大部分表面的雪球。

而在冰期之間，更長、更強烈的夏季，融化了北半球的大冰原，推動地球氣候進入溫暖的間冰期，就像人們在過去11000年經歷的那樣。但人們一直不清楚，什麼原因導致了持續數千萬年的冰期結束。

在很大程度上，地球的氣候是由大氣中二氧化碳含量所驅動的，二氧化碳會留住熱量，使地球變暖。儘管自工業革命以來，化石燃料的燃燒已經將二氧化碳水平推高到了300萬年未見的高度，但在地球歷史上，二氧化碳水平甚至更高，並與溫暖時期相吻合。

「地球本身有長期固碳的能力，我們知道這些過程使地球的氣候保持平衡，但確定是什麼原因導致非冰川氣候和冰川氣候在百萬年的時間尺度上發生變化是一個長期存在的難題。」未參與上述研究的加州大學伯克利分校地球和行星科學系助理教授Nicholas Swanson-Hysell說。

板塊撞一撞  寒冷就到來

地球溫暖宜人的氣候偶爾會被寒潮打斷，寒潮使兩極被冰雪覆蓋，為何地球會進入冰河時代？之前研究發現，關鍵的觸發點可能是熱帶大陸板塊與火山島弧碰撞時形成的山脈，比如阿拉斯加的阿留申群島。

2019年4月，Swanson-Hysell團隊及合作者，使用地理學模型「重建」了過去5億年中地質板塊的變動情況，發現這期間所有3次冰河期都出現在大陸板塊和火山島弧在熱帶地區相撞事件之後。

火山島弧指大洋中成弧形分布並有火山活動的群島。這種撞擊形成的蛇綠巖能大量吸收二氧化碳，把大氣中的二氧化碳封存在巖石中，從而給地球降溫。

當這類撞擊慢慢停止，就不再有新的蛇綠巖裸露到地表。如果新生成的蛇綠巖不是處於溫暖潮溼的熱帶，其「固碳」效率也會降低。而火山爆發等事件繼續釋放二氧化碳，地球溫度又重新上升。相關論文刊登於《科學》。

不幸的是，對地球的未來來說，消耗二氧化碳的地質過程是緩慢的，而且無法與當前石油、煤炭和天然氣燃燒產生的大量二氧化碳排放相抗衡。Swanson-Hysell說，在數千年時間尺度內，地球有可能恢復自然的碳平衡，但對現代文明來說，這是過於漫長的等待。

那麼，冰河時代又為何來了又去？

自19世紀中期以來，科學家一直懷疑，地球軌道的幾何形狀的變化是導致冰河時代結束的原因，但人們不確定的哪個軌道特性最重要。

地球彎彎腰   冰河說拜拜

在過去的100萬年中，地球軌道在整個中更新世過渡期及之後的小幅變化，是否觸發和終止了全球性的冰川活動？Bajo等人計劃通過確定冰河時代結束的時間，進一步解開冰河時代為什麼會結束的一些謎團。

評估地球冰河期周期理論的一個主要挑戰是無法確定海洋深處沉積記錄的年代。於是，研究小組將來自義大利石筍的數據與來自葡萄牙海岸的海洋沉積物的信息結合起來。利用最新的放射性年代測定技術，研究小組確定了兩個分別發生在96萬年前和87.5萬年前的冰河時代終止的年代。這些年代表明，這兩次終止的開始與地球傾斜角度的增加更為一致。 

「劍橋大學和葡萄牙研究所的同事對北大西洋冰蓋崩塌情況做了詳細記錄。」論文通訊作者、副教授Russell Drysdale告訴《中國科學報》，「我們可以在石筍生長層中發現與海洋沉積物中記錄的變化相同的變化。這使我們能夠將石筍的年齡信息應用到海洋沉積物記錄中，而這個時期的海洋沉積物記錄是無法確定日期的。」

Bajo和同事還將研究擴展至過去100萬年的11次成冰—消冰事件。結果證明，中更新世轉變之後的前兩次消冰事件被兩個傾角周期隔開。研究人員還表示，在北半球冰蓋所在的地區，氣溫升高會導致夏季變暖，導致冰層融化。

Drysdale說：「當北半球夏季冰蓋上的能量接近峰值時，這兩次冰期都進入了結束階段。將這些發現與之前發表的更晚期的終結數據進行比較，就會發現這種模式在過去100萬年反覆出現。」

研究人員仍在試圖了解這些周期發生的頻率，以及人們多久可以「等到」另一個周期的到來。他們還計劃進一步研究更新世中期，那時冰期周期的平均長度突然增加一倍。

相關論文信息：http://dx.doi.org/10.1126/science.aav5300

http://dx.doi.org//10.1126/science.aaw1114

 

 

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