如何冰封地球
在地球形成初期，它的表面是沸腾的熔岩海洋，到处都是火山爆发。尽管随着主要地质变化减缓，地表温度大幅下降，但在地球46亿年的历史中，大部分时间气候都很温暖。然而，一些非常偶然的事件宣告了巨大冰原的形成，从而使地球从温暖的天堂变为寒冷的地狱。艺术家的描述和电视纪录片让大多数人已经熟悉了最后一次大冰期，那时猛犸（已经灭绝的古代长毛象）漫步在冻土带上，满身长毛的人类祖先在冰冻的世界里为生存而苦苦挣扎。直到近期，对与冰有关的岩石形成过程的研究才向我们揭示了地球历史中一个更久远、更可怕的冰冻时期。那时的地球只不过是飞驰于太空的一个冰冻的雪球。在很久很久以前的一段地质时期——现在被越来越多地称作成冰纪（Cryogenian，这一名称恰如其分；源于冷冻剂cryogen）——地球处在历史的临界点上。自地球形成35亿多年以来，其温度已经大幅度冷却，此时的问题是如何保持温度。大约在8亿至6亿年前，太阳辐射比现在弱，地球接收的辐射比现在少6％左右。而且，导致目前全球变暖的以二氧化碳和甲烷为主的温室气体的浓度在那时很低，不足以抵御太空的寒冷。巨大的冰原迅速形成，由两极向赤道推进，将整个或大部分地球（仍然是争论的焦点）裹在1公里厚的冰层中。由于雪白刺目的冰层把到达地面的太阳辐射反射回了太空，地表温度下降到了-50℃，永冻冰层出现的可能性极大。但是，可以说一定是发生了什么事使得地球冲破了冰层，否则我今天不可能在这里告诉你这些。事实上，这种“雪球”状态可能出现了多达6次，每当气候回暖，这种“雪球”状态就会消失。
没有人能确定地球是如何成功地摆脱冰冻状态的。也许是火山爆发挽救了地球。在长达几百万年甚至几千万年的严寒之后，火山爆发排出的大量二氧化碳似乎产生了显著的温室效应，使得大气温度上升、冰层融化。地球上的生命顽强地走出了历史中的这个特别的创伤期，虽然倍受挫折和打击，但仍跃跃欲试。“雪球”地球最终变暖，紧随其后出现了生物多样性的“大爆炸”，它标志着5.65亿年前寒武纪时期的开始。与成冰纪的酷寒相比，距离我们最近的第四纪冰期（Quaternary ice ages）就逊色不少。虽然第四纪冰期的影响范围较小，但这些距今最近的严寒却是决定性的，因为它们与人类远祖出现和进化的时期一致。不仅如此，它们还可能影响到人类的未来。
在地球的近代史时期，太阳辐射水平一直比成冰纪时期高很多，二氧化碳和其他温室气体的含量也更高。但是，为什么在大约一千万年前的中新世（Miocene）末期，冰川又一次开始形成，并且推进到北半球的大部分地区呢？更重要的是，为什么在大约300万年前，向南挺进的冰层得以加强？在第四纪科学和环境变化领域，这仍然是一个热门话题，但不会对相关理论作详细的分析，在此只需指出，在过去200万年中，出现了20次左右严重影响地球的冰期，其原因包括：喜玛拉雅山脉隆起而导致的对地球大气环流的破坏，以及巴拿马地峡出现而引起的全球洋流系统的剧烈变化。
虽然以上两个惊人的地球物理事件——或者只是其中之一——可能促使地球日益寒冷，但当时冰层早已开始活动，我们需要从其他地方寻找冰期形成的根本原因。换言之，什么原因导致了冰期的出现？又是什么原因使它结束？二者同等重要。多年来，这个问题吸引了众多科学家。早在1864年，苏格兰地质学家詹姆斯·克罗尔（James Croll）就首次给出了解释，在20世纪30年代又由塞尔维亚科学家米卢廷·米兰科维奇（Milutin Milankovitch）进一步扩充。克罗尔-米兰科维奇（Croll-Milankovitch）天文冰期理论（Astronomical theory of the ice ages）指出，地球公转与自转轨迹的长期变化是第四纪冰期盛衰的根本原因。根据天文学理论，冰期出现的前提是北半球高纬度地区的夏季足够清凉，以保存冬季降雪。随着冰雪的逐年累积，地表反照率（albedo）增大，夏季日照的影响更小，冰盖和冰川加速成长。但是，怎样才能首先使北半球的夏季变凉呢？这正是天文学要解答的问题。只有到达地面的太阳辐射量减少，才能导致高纬度地区的清凉夏季，而前者取决于两个因素：地轴倾斜度的变化和地球绕太阳公转轨道的变化。
如果地轴没有倾斜，地球上就不会有四季变化。例如，北半球处于夏季时，北极朝太阳倾斜，更多的阳光直射到北半球表面，使其温度上升。与此相反，在冬季时，北极偏离了太阳，温暖的长夏被阴冷的北半球冬季所取代。此时，南半球受到了更多的太阳直射辐射，那里的人沐浴着温暖的阳光，而北半球的人则在阴暗的天空下瑟瑟发抖。虽然地轴的平均倾斜度为23.5°，但它并不是常数。地球像一个旋转的陀螺一样绕地轴进动（precesses），周期为2.3万至2.6万年。这种进动使地轴的倾斜度在22°到25°之间变化，周期为4.1万年。当倾斜度最小的时候，冬季实际上更温和，更重要的是，高纬度地区接收的太阳直射减少而变得更冷，这就使得冬季的降雪更不易消融，有利于冰盖增长。除此之外，还有另一种有助于冰期出现的机制，即“天文驱动机制”（astronomical forcing mechanism）。像所有的行星一样，地球绕太阳公转的轨道并非圆形，而是椭圆形的，轨道形状的变化周期大约在10到40万年之间。现在地球离太阳的最近点出现在1月份，这时北极偏离太阳，使得北半球的冬季偏冷。然而，就在1.1万年前，这一最近点——也叫近日点——出现在7月份，此时北半球夏季温度就会有所上升。
为了便于理解，我来画一些图示。如图10所示，在地球倾斜度和地球轨道的变化中可以确认出有规律、可预测的循环——米兰科维奇循环（Milankovitch Cycles），周期在几千年到几十万年之间，这些循环决定了到达地球表面的太阳辐射量，进而决定了地表温度。有时几个循环恰好重合，使高纬度地区的夏季温度下降，从而使冬季降雪得以累积。单靠这一点还不能产生在最近几百万年几乎一直覆盖北半球的巨大冰盖，但随着冰雪覆盖区域的扩大，越来越多的太阳辐射被反射回太空，加速了冷却过程。冰期本质上就是这样出现的。与此相反，在其他时候，各种循环彼此抵消，导致地球变暖，冰盖就会退回到极地。
虽然米兰科维奇和后来研究这一问题的学者能够解释冰期的形成机制及其周期性，但是，冰期为什么出现在大约1,000万年前，而不是贯穿整个地球历史？他们对这一问题的解释则不太理想。原因之一可能是地球大气中二氧化碳的浓度水平在过去3亿年中平稳下降，从1,600ppm下降到工业革命前的279ppm。有人曾经提出，也许只有当地球大气中二氧化碳的浓度低于一个临界值——比如400ppm——“天文驱动”才足以启动冰期的冷热循环。我们不禁要问：一旦二氧化碳浓度在未来20多年后超过这一临界值，我们是否就会永远告别冰期？这个问题我们稍后讨论。
我们有可能在未来的某个时候再次面对冰期，基于这种可能，让我们看看上次冰期极盛时期的情况。随着温度在大约12万年前开始下降，地球上越来越多的水体被山地冰川和极地海冰所封锁，使得北半球陆地冰盖范围扩大，导致了海平面的大幅下降。这一时期，冰盖至少4次向南朝赤道扩展，在1.5到2万年前，冰盖达到顶峰。
那时的海平面比现在低大约120米，相当于40层楼，连接各大洲的新陆桥露了出来，极大地方便了各种动物和人类远祖的迁徙。其中一座陆桥横贯白令海峡，亚洲人可以穿过它进入北美洲，从那里开始，他们最终开拓了一个新世界（New World）。就在人类的600代以前，地球北部牢牢地被冰川作用所控制，全部陆地的1/3被冰层覆盖，世界上5％的海洋被冻结。与今天相比，上次冰期在极盛时期的环境非常恶劣，全球平均温度比今天低4℃，而北部高纬度地区还要更低。在英国，温度降低了15℃到20℃，整个国家变成了一块冻结的荒地，巨大的冰盖向南移动，抵达泰晤士河以远。北美洲也有一些极恶劣的环境，那里大部分地区的温度比今天低25℃，冰原厚度达到几公里，生命根本不可能存在。然而，值得注意的是，正当地球看似要回到成冰纪的“雪球”状态时，令人惊奇的变化发生了。地球开始迅速变暖，巨大的冰盖开始融化，其速度远比冰盖形成时要快很多。融化的雪水源源不断地流入冰原周围的巨大湖泊，随后注入海洋，使海平面上升，淹没了几千年前刚露出来的土地。到1.2万年前，海平面上升的速度比对下个世纪最悲观的预测还要快很多，几个世纪内上升了约10米。气候持续变暖——几乎一直是这样。从冰期的极盛期到现在温暖的间冰期，这个过程充满了起伏，冰盖不止一次地试图占据中心舞台。例如在大约1.28万年前，冰盖停止了快速撤退，开始了一波为期1,000年的冷冻期，称为新仙女木期（Younger Dryas），与出现时间较早、不太寒冷的中仙女木期（Older Dryas）相区分。没有人能够肯定这次寒潮的起因，但有人提出主要原因是加拿大阿加西湖水的大量倾泻。早已消失的阿加西湖是北美洲众多由冰川融水形成的巨大湖泊之一。湖水突然灾难性地全部泻入圣劳伦斯河，由此汇入北大西洋，从而破坏了流向极地的暖洋流，使得高纬度地区的气候变冷，冰盖再次形成。新仙女木事件和类似的后冰期寒潮事件给了我们深刻的教训，当地球正在经历剧烈的气候变化时，我们更应该牢记这些教训。首先，冷暖之间的转换异常迅速——可能在10年内，其次，洋流的破坏会对气候变化有深远的影响。关于后者可能产生的负面影响，稍后我会详细讨论。
