10.冰河时代

10.1更新世冰期的发现

当北欧温带地区的农民准备春季种植时，他们的犁偶尔会被散落在草地土壤中的大圆石碰坏。这些巨石现在被称为“漂砾”，其神秘之处让19世纪初的地质学家十分着迷，他们最初认为这些巨石一定是被巨大的洪水搬运的。1837年，一位名叫Louis Agassiz的年轻瑞士地质学家提出了另一种解释。

Agassiz住在阿尔卑斯山附近，他知道冰川的冰不仅可以携带泥沙，还可以携带大石头。他提出，在欧洲草原上发现的冰川是冰川留下的，这意味着欧洲曾经处于冰河时代，当时气候明显寒冷，巨大的冰川覆盖了欧洲大陆的大部分地区。

冰川景观仍然装饰着地球表面，这一事实意味着最后一次冰河时代在地球历史上发生的时间相当近。否则，地貌特征要么被侵蚀掉，要么被埋没。随后的研究表明，这个冰河时代发生在过去的几百万年里。它的时间间隔现在被称为更新世，它是跨越260万年前到11700年前的地质时代。这个时间段的冰期现在被称为更新世冰期。

10.2更新世冰川的范围

今天，纽约市的大部分地表都隐藏在混凝土之下，但在中央公园，仍然可以看到半自然状态的土地。如果你在公园里散步，你会发现露出地面的表面是光滑的，抛光的，有凹槽和划痕的。你看到的证据表明，冰盖曾经在这片如今已成为城市的土地上刮过。地质学家估计，覆盖纽约市地区的冰盖可能有250m厚，足以覆盖一座75层的建筑。

地质学家研究了这些冰川侵蚀特征的分布和方向，以及冰碛物的分布和漂移物的来源，不仅绘制出了更新世冰川的范围，而且还绘制出了它们的起源和流向。在北美，主要的冰原至少起源于三个地方。

这些冰原与一个或多个较小的冰原合并，形成了巨大的Laurentide冰盖，它时而覆盖落基山脉以东的整个加拿大，时而向南延伸至美国北部。一个单独的冰原，Cordilleran冰盖，起源于加拿大西部的山区，然后向西扩展到太平洋海岸，向东扩展，直到与Laurentide冰盖合并。

其他的冰原形成于格陵兰岛、斯堪的纳维亚半岛、俄罗斯北部和西伯利亚。由于冰原的范围，气候带向南移动。当更新世冰川覆盖陆地时，海冰扩大覆盖了整个北冰洋和北大西洋的一部分。

冻土带覆盖了美国的部分地区；在更新世时期，欧洲人口众多的地区可能是贫瘠的苔原

适应寒冷的大型哺乳动物现已灭绝，它们曾在现在的温带地区游荡

10.3更新世冰期，冰进和冰退

Louis Agassiz认为只有一次冰河时代影响了地球。但是，对陆地上的冰川沉积物的仔细研究表明，古土壤(保存在地层记录中的古代土壤)，以及含有温暖季节动物和植物化石的河床，都出现在冰川沉积物层之间的沉积物中。这一观察结果表明，在冰川期之间，冰川消退，气候变暖。20世纪下半叶，当现代地质年代测定方法可用时，冰川沉积物层间的年龄差异就可以得到处理。

现在可以清楚地看到，冰河在更新世期间不止一次地前进和后退。冰川生长并覆盖大陆大部分地区的时期称为冰期，冰期之间的时期称为间冰期。利用陆地沉积记录，地质学家最初确认了欧洲的五次更新世冰期，美国中北部的四次冰期。

美国中北部的更新世冰川沉积物记录显示，冰川不止一次向前推进，弯曲的冰碛反映了冰川尾部的形状

20世纪60年代，地质学家开始研究海洋沉积物的堆积。他们发现，在某一特定位置的某些地层中含有冰期运输的颗粒，而其他地层则没有。同样地，他们发现一些层中含有冷水浮游生物的化石，但另一些层中含有温水浮游生物的化石。在更新世的海洋沉积物中，他们发现了20到30个不同冰期的证据。欧洲和美国传统上公认的冰川期可能只是其中最大的一个。

海洋沉积物中的氧同位素比值确定了更新世20-30次冰川作用，褐色带代表了传统上公认的美国中北部冰川

10.4地球历史上的其他冰河时代

到目前为止，我们一直专注于更新世冰期，因为它对发展我们地球现在北半球的地貌很重要。这是地球历史上唯一的冰河期吗？还是冰河期经常发生？为了回答这些问题，地质学家研究地层记录，寻找已成岩化的岩石。这些冰碛岩由分布在砂岩和泥岩基质中的卵石和巨砾组成，在某些情况下，它们位于冰川抛光的表面上。

地质学家发现了来自晚古生代、晚元古代、早元古代和晚太古宙的冰碛岩(Alfred Wegener在为大陆漂移进行论证时研究的沉积物)。在地球历史上其他时期沉积的地层不包含冰碛岩，因此，冰川的推进和后退似乎在整个地球历史上并没有规律地发生，而只是在特定的时期发生，其中有四到五个冰期。

值得特别注意的是，形成在晚元古代冰碛岩形成的沉积物分布在各个纬度，这表明，至少在很短的一段时间内，所有的大陆大部分都被冰封，海洋可能被冰覆盖了全世界。地质学家将这一时期被冰覆盖的行星称为“雪球地球”。

更新世并不是地球历史上唯一的冰河时代。冰川期也发生在较早的时代较冷的时期

11.冰河时代的成因

正如我们刚才看到的，冰河时代只在地球历史上有限的时间间隔出现，相隔数亿年。但在冰河时代，冰川的前进和后退的频率可达数万到数十万年。地质学家们一直在寻找长期和短期控制冰川作用的方法来解释这一时机。

11.1长期原因

构造作用对冰川作用起着长期控制作用。例如，大陆漂移决定了大陆相对于赤道的分布，从而决定了陆地接收到的太阳热量。只有当大片土地位于高纬度地区时，冰河时代才会开始。大陆的移动和岛弧的增加也可能触发冰河时代，因为它们影响了洋流的变化，洋流将热量从赤道地区带到高纬度地区。

大气中二氧化碳(CO2)的浓度可能在为冰期的形成起了重要作用。二氧化碳是一种温室气体，这意味着它能阻挡来自地球的红外辐射，所以当二氧化碳浓度高时，大气就会变暖。即使其他因素有利于冰期的形成，冰盖也不能在这样的时期形成。

什么因素导致二氧化碳浓度的长期变化？可能的方法包括海洋生物的种群大小的改变，这些生物从海水中提取溶解的气体来制造贝壳；陆地上化学风化程度的变化(吸收气体的过程);以及火山活跃量的变化(火山活动释放气体)。进化的主要阶段也会影响二氧化碳的浓度。例如，植物通过光合作用将这些气体吸收到体内，因此古生代末期繁茂的煤沼泽的出现可能将二氧化碳从大气中移走，从而有助于触发泛大陆的冰川。

11.2短期原因

现在我们已经知道了冰河时期是如何发生的，但是为什么冰川会在冰河时期周期性地前进和后退呢？1920年，塞尔维亚和地球物理学家、天文学家Milutin Milanković提出了一个解释。他研究了地球轨道是如何改变形状的，以及它的旋转轴是如何随着时间改变方向的，并计算了这些变化的频率。他特别评估了地球绕太阳运行的三个方面:

11.2.1离心率(轨道形状)Eccentricity (orbital shape)

Milanković研究表明表明地球的轨道在约100000年内逐渐从接近圆到椭圆形变化，之后再变回接近圆的轨道

米兰科维奇(Milanković)循环导致高纬度地区的日照量随时间变化

11.2.2地轴倾斜(Tilt of Earth’s axis)

我们有季节是因为地球的地轴不垂直于它的轨道平面。Milanković计算出地球的倾斜角度在41000年间在22.5°和24.5°之间变化

由地轴倾斜变化引起的季节变化

11.2.3岁差(Precession)

如果你曾经让陀螺旋转，你可能已经注意到它的旋转轴摆动，这种运动称为岁差。Milanković确定地球地轴在过去23000年内的摇摆。岁差决定了季节的时间和地球绕太阳运行轨道的位置之间的关系

由岁差引起的变化

这些循环现在被称为米兰科维奇循环(Milanković cycle)。Milanković接下来检查了轨道形状，轴向倾斜，岁差的周期性变化对中高纬度总年度日照量(太阳能的数量到达地球大气层的顶端)和日照季节性分布的影响。他发现，这些变化可能导致日照变化多达25%。

在中高纬度地区夏季不同数量的日照

在高纬度地区夏季日照最少的时候，冰川会向前推进，因为在凉爽的夏季，前一个冬天的冰不会完全融化。然而，米兰科维奇循环预测的冷却可能不足以引发冰川。

地质学家认为，其他因素可能发挥作用，使地球更冷，并在日照低的时期触发冰川推进。例如，当雪全年停留在地面上，或云在天空中形成时，地球的反射率(反射率)会增加，因此地球表面会反射入射的阳光，从而变得更冷。

考虑到可能引发地球变冷的各种因素，让我们来看看一个可能的历史案例，即Laurentide冰盖的一次前进和后退。当地球达到米兰科维奇循环中的某个点时，这个过程就开始了。在这个点上，加拿大北部纬度的夏季温度变得足够冷，冬天的雪不会完全融化。

由于雪反射阳光，它的存在使该地区变得更冷，所以更多的雪堆积起来。最终，积雪的底部变成了冰，当新生的冰川变得足够厚时，它就开始在陆地上横向流动。

随着冰盖的扩大，它会反射更多的阳光，因此气候会更冷，而且由于温度较低，高纬度地区的大片海域会结冰。在这个过程中，冰盖也在变厚，它的重量导致岩石圈下沉。

海冰的增长切断了空气中的水分供应，因此降雪减少，大陆的下沉降低了冰盖的表面高度，因此它下降到平衡线以下并开始融化。当消融速度超过累积速度时，冰川就会后退。冰川的收缩减少了高反照率的面积，因此气候变暖，雪变成雨，落在冰川上的冰融化。融化的速度增加，直到冰川消失。

下一次冰川推进会不会发生？考虑到米兰科维奇循环所预测的冰期的周期性，我们很可能会迎来一个新的冰期。事实上，在14世纪到19世纪之间，气候确实变冷了，欧洲和亚洲的高山冰川也在上升。在这个被称为小冰河期的时期，荷兰的运河都结冰了，溜冰成了这个国家最受欢迎的娱乐活动。

但是，在过去的两个世纪里，全球气温一直在变暖，全球范围内的冰川一直在消退。冰是否会在接下来的几千年里重新回来仍然是未知的。

自冰河时代以来，全球气温发生了变化：约1600年，在荷兰的冻结运河期间的溜冰者

小冰河时代；每年夏天，格陵兰冰盖都会融化，融水湖排入裂缝中