我们的地球曾经寒冷到什么程度

　　北京时间 3 月 9 日消息，在过去的大部分时间里，我们的地球温度都要比现在更热，有时甚至热很多。但是，也有时候，地球温度比现在更冷。科学家可能永远无法知道，在地球大约 45.4 亿年的岁月中，哪个时期绝对最冷。但是研究人员发现了一些竞争选手。所有这些寒冷的时期，都被认为是古老的冰河时期。
　　最冷的天气出现在约 20 亿年前，在大气层氧气含量上升后 。更多极度深寒则出现在 7.5 亿年前到 6 亿年前。虽然科学家对这些时期的冰川覆盖范围没有统一结论，但有证据表明，在赤道地区，冰川几乎落到海平面高度。
　　在过去的几百万年中，冰川时不时地覆盖着北半球的广袤地区。尽管没有近乎全球性冰川那么严重，但更新世的冰河时期可能带来了过去五亿年中最寒冷的气候。部分最严峻的寒冷气候大约发生在两万年前。
　　▲ 现代地球上最寒冷的地方位于南极洲东部的冰穹 A 和冰穹 F 之间的一个高脊处。每年，日本南极洲科考队的科学家会从南极洲海岸前往冰穹 F 的科考站。研究岩石记录
　　冰河时期是指全球气温低于正常水平，冰川和冰盖也超过正常水平的时期。冰河时期不会导致持续的寒冷气候。相反，中间也夹杂着相对温暖的时期。因此，冰河时期其实是前进冰川（冰期）和后退冰川（间冰期）的混合。尽管相对温暖，间冰期仍是冰河时期的一部分。
　　那科学家是如何知道古代冰河时期出现的呢？显然，大陆规模的冰川向赤道蔓延的时候，温度计还没有出现。过去冰河时期的证据，其实来自于地质学。十九世纪初，科学学科出现后不久，地质学家便开始寻找古代冰块留下的线索。地质学家意识到，冰川可能会在基岩上留下巨大的划痕，并把岩石移动到遥远的地方——往往是将岩石扔进大海。
　　▲来自远方的岩石落在海洋的边缘，暗示存在古老的冰川活动。这块漂石 ＂搁浅＂在德国吕根岛阿科纳角的浅水中。
　　一旦发现更新世（大约 260 万年前到 11000 万年前）的冰川作用痕迹，地质学家就可以知道如何在古老的岩石上识别这些痕迹。将冰川作用的证据与板块运动和大陆漂移的证据相结合之后，地质学家就可以分辨出亿万年前的冰川活动。那时的各个大陆构造，与如今的截然不同。
　　▲一直以来人们将一些地质现象视为诺亚洪水造成的结果。但十九世纪的一位英国地质学家威廉 · 巴克兰德认为，这是冰川作用的证据。他因此成为冰河时代理论的拥护者。
　　总体而言，科学家已经从地质纪录中确定该了十几个冰河时期，其中有几个冰河时期就发生在最近的五亿年前。有些更古老的冰河时期可能更加严峻，很有可能是我们地球历史上最寒冷的冰河时期。氧气含量上升与气温下降
　　迄今为止，从地质纪录中发现的最古老冰河时期为休伦冰河时期。至少其中一个冰期导致了被地质学家称为 ＂雪球地球＂的事件，即整个地球或几乎整个地球都被冰雪覆盖。算上期间夹杂的几个非冰期，整个休伦冰河时期出现于 24 亿年前到 21 亿年前，其成因很有可能是微观生命的变化。
　　古生物学家推测，当 35 亿年前，微生物刚出现在地球上时，它们既不消耗氧气，也不需要氧气。其实，生命演化之初，地球的大气曾与我们如今看到的大气大相径庭。尽管氮气含量可能相当，但其他气体含量要么比现在多很多，要么比现在少很多。二氧化碳含量可能是当前水平的 10 倍到 2500 倍，而甲烷含量可能也是当前水平的 10000 倍以上。那时的大气中，几乎没有氧气。
　　▲年轻的地球概念图。地球大气中氧气含量上升之前，我们的地球看上去可能不是一个淡蓝色的星球，而更像是一个浅橙色的星球。
　　科学家们一直在讨论，到底从什么时候开始，微生物学会了光合作用，并生成副产物氧气。科学家们给出的估计范围大约是在 35 亿年前到 25 亿年前。最古老的氧气制造者可能是现代蓝藻细菌或蓝藻的祖先。
　　首先，这些早期光合作用生命产生的氧气会与海洋中的铁元素发生反应，从而在海底形成一层又一层的铁锈般沉积物。之后，氧气才开始在大气中积累。有些氧气与甲烷发生反应，生产二氧化碳和水。与此同时，能进行光合作用的微生物种群数量持续增长，又消耗了更多的二氧化碳。
　　▲现代蓝藻细菌（俗称蓝藻）的祖先可能是地球上首批氧气制造者，并带来了气候的重大变化。
　　二氧化碳是一种温室气体，甲烷则是一种更强大的温室气体。当大气中这些温室气体的浓度下降时，全球气温也随之骤降，最终导致地球进入到一系列的冰河时期。休伦冰河时期和间杂的非冰期大约共持续了 3 亿年之久。有证据表明，当时的冰川在赤道地区接近海平面的高度。（如今赤道地区仍有冰雪覆盖，但仅限于高海拔位置。）
　　这些冰河时期的地质证据最早于 1907 年在休伦湖附近的冰川沉积物中被发现。自那以后，地质学家在北美其他地区，以及南非、西澳大利亚和欧洲东北部均发现了更多冰河时期的地质证据。
　　▲这块落石位于加拿大安大略省怀特菲斯瀑布附近，休伦湖的北岸。22 亿年前，在漂浮的冰川作用下，这块石头 ＂定居＂在海底的沉积物中。
　　氧气含量的上升，在使得地球越来越寒冷的同时，也促进了呼吸氧气的复杂生命的演化，并形成了地球的臭氧层。臭氧层又可以保护地球生命免受紫外线辐射的伤害。极寒再次来袭
　　在地球历史中的成冰纪期间，极寒再次来袭。在 7.5 亿年前到 6 亿年前，地球至少两次陷入极度深寒。由于成冰纪属于前寒武纪元古宙新元古代，期间发生的极寒事件有时也被称为 ＂新元古代雪球地球＂。
　　科学家们仍在继续讨论新元古代的冰冻成因，以及随后又解冻的原因。火山可能是让地球进入冰川期，又让地球走出冰川期的背后力量。大约 7.5 亿年前，多数大陆聚集在赤道附近。在这片聚集在一起的大陆中，地质学家已经找到所谓的 ＂大火成岩省＂的证据。这里的 ＂大＂，只是一种保守的说辞。你可以想象一个面积如大陆般辽阔的火山活动区域。如此庞大的火山爆发，或许可以用两种方式，使地球冷却。
　　▲曾经的赤道大火成岩省证据，保存于加拿大努纳武特地区。该赤道大火成岩省或开启了成冰纪。火山物质侵入较古老岩层，穿过古老的沙色岩石。覆盖海岸线的冰川消退后，海岸线上升，形成浅色的岩石带。
　　当火山释放出二氧化硫时，该气体会在大气中发生各种化学反应，形成极易反光的硫酸盐。硫酸盐颗粒犹如数十亿个微型镜子，可以阻挡阳光。硫酸盐的冷却潜力在地球的赤道附近尤其明显。同样地，火山喷发会带出的大量玄武岩，随之而来的岩石风化也会冷却地球。随着时间的流逝，雨水、风和化学变化等会侵蚀火山岩。渗入岩石的雨水和地下水可以溶解二氧化碳，将二氧化碳从大气中剥离出来，最终使其形成为诸如石灰石一类的碳酸盐矿物。
　　如果全球气温下降得足够快，冰块就会开始积聚，而冰块反射大部分太阳光的能力又进一步降低了地球的温度。
　　地质学家已经确定了新元古代的两个冰期：斯图特（Sturtian）冰期，大约在 7.2 亿年前到 6.6 亿年前；和马里诺（Marinoan）冰期，大约在 6.4 亿年前到 6.35 亿年前。这两个冰期留下的岩石层显示了迄今为止在地质纪录中发现的极寒冰期的最广泛证据。
　　在这两个极寒的冰期之间，地球似乎还经历了同样极端的温室气候。这一极端气候的根源，或许仍与火山活动有关。
　　长期来看，火山释放的二氧化碳和岩石风化消耗的二氧化碳，可以互相制约。但是，由于几亿年前冰层覆盖了几乎整个地球，气候变得太冷而无法产生大量降水，岩石风化过程逐渐放缓。同时，增加的海冰又减少了蓝藻细菌在海洋表面获得光照的能力，光合作用也变少了。
　　▲土卫二表面是一层冰冻的海洋。在其冰冻层下面，可能藏有液态水和生命所必需的成分。如果地球历史上最严峻的冰河时期是真正的雪球地球事件——没有开阔的海洋，那么我们的地球可能看起来就像一个超大号的土卫二。
　　但是，火山仍在不断释放二氧化碳。没有了岩石风化或光合作用活动消耗大气中的二氧化碳时，这种温室气体就会一直积累，进而导致全球气温逐渐升高。一旦气候变暖，足以融化热带的冰块时，温度上升就会加速。在失去大量可以反射光的冰块后，地球又可以吸收更多的太阳能。随后的大融化可能会引起剧烈、快速的岩石风化，最终开启第二次冰期。
　　和休伦冰河时期一样，在成冰纪的冰期，赤道附近的冰川也接近海平面。但是，新元古代的冰川覆盖程度——无论是雪球地球还是融雪球地球——仍是一个活跃的研究领域。最近的冰期
　　岩石记录显示，尽管地质学家已经发现多个冰河时期的证据，但是在过去的 5 亿年中，休伦冰河时期和成冰纪冰期最为严峻。尽管 3 亿年前到 2.5 亿年前出现的寒冷气候或许可以与之一较高下，但过去 5 亿年内发生的最严峻冰期也可能是最近的一次冰河时期。
　　这次冰期发生于更新世时期，大约起始于 260 万年前，一直持续到大约 1.1 万年前。
　　和其他冰河时期一样，这最近的一次冰河时期也带来了一系列的前进冰川和后退冰川。事实上，严格来说，我们目前仍处于冰河时期。我们眼下正好生活在间冰期而已。
　　▲整个人类文明——从最早的文字（如楔形文字）到智能手机等——都发生在间冰期。
　　大约 5000 万年前，地球温度升高，以至于极地冰盖都融化了。但是从那之后，地球的温度一直在下降。大约从 3400 万年前开始，南极冰盖再次逐渐形成。南美洲与南极洲或许也因此分离，开辟出德雷克海峡。除了给几代的航海者带来挑战之外，德雷克海峡还创造了南极绕极流。这个环绕南极洲由西向东的洋流，减少了抵达南极洲的海洋热量，使得南极洲的冰层得以继续形成和增长。
　　▲狂风巨浪让穿越德雷克海峡之旅令人尤其难忘。德雷克海峡或许也促进了南极洲冰盖的发展。
　　地球进入其最近的冰河时期可能跟另一个地壳运动也脱不开关系。巴拿马地峡形成于 450 万年前，是南北美洲之间的陆桥。在巴拿马地峡形成之前，大西洋和太平洋可以自由地交换热带海水。但是巴拿马地峡的出现，阻断了两大洋之间的海水交换，并使温暖的咸海水一路北上，进而增加了北半球高纬度地区的降水量。积雪渐渐累积成为冰川，最终变为冰盖。这些巨大的反光冰块又让地球的冷却趋势得以延续。
　　一旦地球寒冷到足以形成冰盖的程度，这些冰盖会在 2 万年到 1 万年的时间范围内增加或减少，部分原因在于米兰科维奇循环。地球轨道上的这些可预测的变化包括离心率（地球绕太阳轨道的变化）、转轴倾角（地球转轴倾斜角度的变化）以及轨道进动（地球自转轴方向的摆动）。这些变化可以通过改变地球表面获得的太阳能分布，来影响气候。
　　▲大约 2 万年前，在更新世冰河时期的最后一次最大冰期期间，冰层覆盖了北美和欧亚大陆的大部分地区。
　　最近的一次极寒冰期大约发生在 2 万年前。当时的全球气温可能比今日的气温低 10 华氏度左右（5 摄氏度）。在更新世冰河时期最寒冷的时候，冰盖延伸到北美洲和欧亚大陆的大部分地区。若没有这些冰盖和后续的融化，我们今天就不会有五大湖、尼亚加拉大瀑布以及华盛顿州和俄勒冈州的河道疤地。
　　▲大约 1.2 万年前，融水开始从尼亚加拉断崖溢出。今天，每秒大约有 3160 吨水流经尼亚加拉大瀑布，是更新世冰河时期的一个长久遗产。
　　大规模冰盖什么时候会再向着赤道地区前进呢？它们可能不会按照米兰科维奇循环预测的时间卷土重来。米兰科维奇循环对全球气候的影响各不相同，有的更明显，有的则不那么明显。当大气层中的二氧化碳含量超过百万分之三百时，该气体的贮热能力将足以抵消更加微妙的米兰科维奇循环。当前，大气层中的二氧化碳含量已经超过了百万分之四百，又由于二氧化碳是一种长期存在的气体，如此高水平的含量或许可以持续数千年。这并非是说，下一个冰期永远不会到来，只是可能会迟到一些时候而已。