我們的地球曾經經歷了哪些極寒時期

在過去的大部分時間里，我們的地球溫度都要比現在更熱，有時甚至熱很多。但是，也有時候，地球溫度比現在更冷。科學家可能永遠無法知道，在地球大約45.4億年的歲月中，哪個時期絕對最冷。但是研究人員發現了一些競爭選手。所有這些寒冷的時期，都被認為是古老的冰河時期。

最冷的天氣出現在約20億年前，在大氣層氧氣含量上升后。更多極度深寒則出現在7.5億年前到6億年前。雖然科學家對這些時期的冰川覆蓋范圍沒有統一結論，但有證據表明，在赤道地區，冰川幾乎落到海平面高度。

在過去的幾百萬年中，冰川時不時地覆蓋著北半球的廣袤地區。盡管沒有近乎全球性冰川那么嚴重，但更新世的冰河時期可能帶來了過去5億年中最寒冷的氣候。部分最嚴峻的寒冷氣候大約發生在2萬年前。

研究巖石記錄

冰河時期是指全球氣溫低于正常水平，冰川和冰蓋也超過正常水平的時期。冰河時期不會導致持續的寒冷氣候。相反，中間也夾雜著相對溫暖的時期。因此，冰河時期其實是前進冰川（冰期）和后退冰川（間冰期）的混合。盡管相對溫暖，間冰期仍是冰河時期的一部分。

那么，科學家是如何知道古代冰河時期出現的呢？顯然，大陸規模的冰川向赤道蔓延的時候，溫度計還沒有出現。過去冰河時期的證據，其實來自于地質學。19世紀初，科學學科出現后不久，地質學家便開始尋找古代冰塊留下的線索。地質學家意識到，冰川可能會在基巖上留下巨大的劃痕，并把巖石移動到遙遠的地方——往往是將巖石扔進大海。

一旦發現更新世（大約260萬年前到1.1萬年前）的冰川作用痕跡，地質學家就可以知道如何在古老的巖石上識別這些痕跡。將冰川作用的證據與板塊運動和大陸漂移的證據相結合之后，地質學家就可以分辨出億萬年前的冰川活動。那時的各個大陸構造，與如今的截然不同。

總體而言，科學家已經從地質記錄中確定了十幾個冰河時期，其中有幾個冰河時期就發生在最近的5億年前。有些更古老的冰河時期可能更加嚴峻，很有可能是我們地球歷史上最寒冷的冰河時期。

氧氣含量上升與氣溫下降

迄今為止，從地質記錄中發現的最古老冰河時期為休倫冰河時期。至少其中一個冰期導致了被地質學家稱為“雪球地球”的事件，即整個地球或幾乎整個地球都被冰雪覆蓋。算上期間夾雜的幾個非冰期，整個休倫冰河時期出現于24億年前到21億年前，其成因很有可能是微觀生命的變化。

古生物學家推測，在35億年前，微生物剛出現在地球上時，它們既不消耗氧氣，也不需要氧氣。其實，生命演化之初，地球的大氣曾與我們如今看到的大氣大相徑庭。盡管氮氣含量可能相當，但其他氣體含量要么比現在多很多，要么比現在少很多。二氧化碳含量可能是當前水平的10～2 500倍，而甲烷含量可能也是當前水平的1萬倍以上。那時的大氣中，幾乎沒有氧氣。

科學家們一直在討論，到底從什么時候開始，微生物學會了光合作用，并生成副產物氧氣。科學家們給出的估計范圍大約是在35億年前到25億年前。最古老的氧氣制造者可能是現代藍藻細菌或藍藻的祖先。

首先，這些早期光合作用生命產生的氧氣會與海洋中的鐵元素發生反應，從而在海底形成一層又一層的鐵銹般沉積物。之后，氧氣才開始在大氣中積累。有些氧氣與甲烷發生反應，生產二氧化碳和水。與此同時，能進行光合作用的微生物種群數量持續增長，又消耗了更多的二氧化碳。

二氧化碳是一種溫室氣體，甲烷則是一種更強大的溫室氣體。當大氣中這些溫室氣體的濃度下降時，全球氣溫也隨之驟降，最終導致地球進入到一系列的冰河時期。休倫冰河時期和間雜的非冰期大約共持續了3億年之久。有證據表明，當時的冰川在赤道地區接近海平面的高度。如今赤道地區仍有冰雪覆蓋，但僅限于高海拔位置。

這些冰河時期的地質證據最早于1907年在休倫湖附近的冰川沉積物中被發現。自那以后，地質學家在北美其他地區，以及南非、西澳大利亞和歐洲東北部均發現了更多冰河時期的地質證據。

氧氣含量的上升，在使得地球越來越寒冷的同時，也促進了呼吸氧氣的復雜生命的演化，并形成了地球的臭氧層。臭氧層又可以保護地球生命免受紫外線輻射的傷害。

極寒再次來襲

在地球歷史中的成冰紀期間，極寒再次來襲。在7.5億年前到6億年前，地球至少兩次陷入極度深寒。由于成冰紀屬于前寒武紀元古宙新元古代，其間發生的極寒事件有時也被稱為“新元古代雪球地球”。

科學家們仍在繼續討論新元古代的冰凍成因，以及隨后又解凍的原因。火山可能是讓地球進入冰川期，又讓地球走出冰川期的背后力量。大約7.5億年前，多數大陸聚集在赤道附近。在這片聚集在一起的大陸中，地質學家已經找到所謂的“大火成巖省”的證據。這里的“大”，只是一種保守的說辭。你可以想象一個面積如大陸般遼闊的火山活動區域。如此龐大的火山爆發，或許可以用兩種方式，使地球冷卻。

當火山釋放出二氧化硫時，該氣體會在大氣中發生各種化學反應，形成極易反光的硫酸鹽。硫酸鹽顆粒猶如數10億個微型鏡子，可以阻擋陽光。硫酸鹽的冷卻潛力在地球的赤道附近尤其明顯。同樣地，火山噴發會帶出的大量玄武巖，隨之而來的巖石風化也會冷卻地球。隨著時間的流逝，雨水、風和化學變化等會侵蝕火山巖。滲入巖石的雨水和地下水可以溶解二氧化碳，將二氧化碳從大氣中剝離出來，最終使其形成諸如石灰石一類的碳酸鹽礦物。

如果全球氣溫下降得足夠快，冰塊就會開始積聚，而冰塊反射大部分太陽光的能力又進一步降低了地球的溫度。

地質學家已經確定了新元古代的兩個冰期：斯圖特（Sturtian）冰期，大約在7.2億年前到6.6億年前;馬里諾（Marinoan）冰期，大約在6.4億年前到6.35億年前。這兩個冰期留下的巖石層顯示了迄今為止在地質記錄中發現的極寒冰期的最廣泛證據。

在這兩個極寒的冰期之間，地球似乎還經歷了同樣極端的溫室氣候。這一極端氣候的根源，或許仍與火山活動有關。

長期來看，火山釋放的二氧化碳和巖石風化消耗的二氧化碳，可以互相制約。但是，由于幾億年前冰層覆蓋了幾乎整個地球，氣候變得太冷而無法產生大量降水，巖石風化過程逐漸放緩。同時，增加的海冰又減少了藍藻細菌在海洋表面獲得光照的能力，光合作用也變少了。

但是，火山仍在不斷釋放二氧化碳。沒有了巖石風化或光合作用活動消耗大氣中的二氧化碳時，這種溫室氣體就會一直積累，進而導致全球氣溫逐漸升高。一旦氣候變暖，足以融化熱帶的冰塊時，溫度上升就會加速。在失去大量可以反射光的冰塊后，地球又可以吸收更多的太陽能。隨后的大融化可能會引起劇烈、快速的巖石風化，最終開啟第二次冰期。

和休倫冰河時期一樣，在成冰紀的冰期，赤道附近的冰川也接近海平面。但是，新元古代的冰川覆蓋程度——無論是雪球地球還是融雪球地球——仍是一個活躍的研究領域。

最近的冰期

巖石記錄顯示，盡管地質學家已經發現多個冰河時期的證據，但是在過去的5億年中，休倫冰河時期和成冰紀冰期最為嚴峻。盡管3億年前到2.5億年前出現的寒冷氣候或許可以與之一較高下，但過去5億年內發生的最嚴峻冰期也可能是最近的一次冰河時期。

這次冰期發生于更新世時期，大約起始于260萬年前，一直持續到大約1.1萬年前。

和其他冰河時期一樣，這最近的一次冰河時期也帶來了一系列的前進冰川和后退冰川。事實上，嚴格來說，我們目前仍處于冰河時期。我們眼下正好生活在間冰期而已。

大約5000萬年前，地球溫度升高，以至于極地冰蓋都融化了。但是從那之后，地球的溫度一直在下降。大約從3400萬年前開始，南極冰蓋再次逐漸形成。南美洲與南極洲或許也因此分離，開辟出德雷克海峽。除了給幾代的航海者帶來挑戰之外，德雷克海峽還創造了南極繞極流。這個環繞南極洲由西向東的洋流，減少了抵達南極洲的海洋熱量，使得南極洲的冰層得以繼續形成和增長。

地球進入其最近的冰河時期可能跟另一個地殼運動也脫不開關系。巴拿馬地峽形成于450萬年前，是南北美洲之間的陸橋。在巴拿馬地峽形成之前，大西洋和太平洋可以自由地交換熱帶海水。但是巴拿馬地峽的出現，阻斷了兩大洋之間的海水交換，并使溫暖的咸海水一路北上，進而增加了北半球高緯度地區的降水量。積雪漸漸累積成為冰川，最終變為冰蓋。這些巨大的反光冰塊又讓地球的冷卻趨勢得以延續。

一旦地球寒冷到足以形成冰蓋的程度，這些冰蓋會在2萬年前到1萬年前的時間范圍內增加或減少，部分原因在于米蘭科維奇循環。地球軌道上的這些可預測的變化包括離心率（地球繞太陽軌道的變化）、轉軸傾角（地球轉軸傾斜角度的變化）以及軌道進動（地球自轉軸方向的擺動）。這些變化可以通過改變地球表面獲得的太陽能分布，來影響氣候。

最近的一次極寒冰期大約發生在2萬年前。當時的全球氣溫可能比今日的氣溫低10華氏度左右（5攝氏度）。在更新世冰河時期最寒冷的時候，冰蓋延伸到北美洲和歐亞大陸的大部分地區。若沒有這些冰蓋和后續的融化，我們今天就不會有五大湖、尼亞加拉大瀑布以及華盛頓州和俄勒岡州的河道疤地。

大規模冰蓋什么時候會再向著赤道地區前進呢？它們可能不會按照米蘭科維奇循環預測的時間卷土重來。米蘭科維奇循環對全球氣候的影響各不相同，有的更明顯，有的則不那么明顯。當大氣層中的二氧化碳含量超過百萬分之三百時，該氣體的貯熱能力將足以抵消更加微妙的米蘭科維奇循環。當前，大氣層中的二氧化碳含量已經超過了百萬分之四百，又由于二氧化碳是一種長期存在的氣體，如此高水平的含量或許可以持續數千年。這并非是說，下一個冰期永遠不會到來，只是可能會遲到一些時候而已。