地球会不会再次进入冰河世纪?史前冰河世纪是如何形成的?

这个提问一直没人答,又老跑到首页来,那我斗胆写一下。本回答阅读难度估摸在初中知识水平吧,受过九年义务教育仔细看的话都应该能看懂。哦,写到一半已经有答了,不过讲的东西和本文内容完全不一样就无所谓了吧。


我先来给冰河世纪分一下类。一种是冰室(icehouse)也叫冰川期(ice age),年代单位都是百万年级的持续性地表温度下降或保持在低温,而且通常属于地球系统本身哪里出现了不平衡。另一种就是已经被云舞空城和项校长解释了的冰期(glacial period),持续时间单位都是万年级,还与间冰期(冰期与冰期之间的短暂暖期)交替出现,通常和地球轨道变化有关(米兰科维奇循环)。话说中文当中有没有对应的术语我都没有找到,但两者确实存在本质上的不同。

我就主要说一下过去10亿年的冰川期,10亿年前甚至更早就要另请高明了。

回答第一个问题,先看一张过去1.2亿年古代海水温度演化的图

说白了,实际上人类正是诞生在冰川期(称为“新生代冰川期”)中的生物。从图中不难看出,气温在3500万年前、1500万年前和500万年前都出现了突然性下降,并且没有恢复。那为什么没有生物灭绝呢?有,只是不显著,再说这一变冷趋势是比较缓慢的,是以一种生物能适应的速度下降的。

那么第一个问题就很容易回答了,“地球会不会再次进入冰河世纪”?地球正在经历冰川期,但目前在间冰期里。

第二个问题稍微复杂点,甚至是有争议的。

更早的冰川期证据需要到地下岩石层去找,因为光靠氧同位素方法计算温度来判断有点不靠谱。冰川存在过的地方会留下它特有的岩石堆积,统称为冰川堆积。那我接下来就把史前大陆冰川期直接列出来(Earth as an Evolving Planetary System, p.270; Hoffman et al., 2017):

  • 从5000万年前开始持续至今的新生代冰川期
  • 2.6亿到3.5亿年前的Karoo冰川期,也被称为晚古生代冰川期
  • 4.4-4.5亿年前的Hirnantian冰川期,也被称为晚奥陶纪冰川期
  • 5.8亿年前的Gaskiers冰川期,也被称为“雪球地球”
  • 6.4~6.35亿年前的Marinoan冰川期,也被称为“雪球地球”
  • 7.2~6.6亿年前的Sturtian冰川期,也被称为“雪球地球”
  • 对,你没看错,全球性冰川发生了三次

现在地学共识基本认为冰川期都是由大气温室气体二氧化碳含量下降导致的(Royer, 2006)。看两张过去大气CO2含量演化,作为比较今天大气CO2大概在400ppm

各大冰川期都几乎和同时期大气CO2含量下降对应。问题出在到底是什么导致的CO2含量下降?通常情况下,大气CO2移除速率(通过岩石风化移除)和补给速率(通过火山喷发补充)是相同的,换句话说大部分时间下碳循环是处于平衡状态。一旦这两个因素中的一个出了点问题,便会引起温室或冰室。比如说,风化移除率上升超过火山补给率,便会造成大气CO2 净减少。或者,火山活动减弱无法跟上CO2风化移除率,也会造成 净减少。那到底是风化在驱动大气CO2演化还是火山,还是共同作用(carbon sources和carbon sinks的争论)?综述性研究看这里Silicate weathering, volcanic degassing, and the climate tug of war

火山驱动说

古代火山喷发遗迹可能会被埋葬、侵蚀或破坏,这些过程会使得研究火山活动的演化很困难。但火山岩中有一种矿物叫锆石,抗破坏能力就像生物当中的水熊虫一样,可以承受强烈侵蚀、高压和高温,最重要的是还可以用来测年。有一项研究分析了十二万颗锆石在不同年代的累积频数(可以反应火山活动程度),发现过去7.2亿年每一次频率减少都对应了冰川期和CO2下降(包括新生代冰川期),增加对应了温室和CO2上升。研究者因此提出火山活动是大气CO2和气候演化的主要驱动力。

6~7亿年前的Marinoan冰川期和Sturtian冰川期,是过去十亿年中最严重的冰川期,现在有挺多证据表明冰川曾延伸到了低纬度赤道附近,甚至整个地球表面可能都被冰层覆盖,因此有了“雪球地球”一说。那么雪球地球也会不会是火山喷发减少的直接结果呢?锆石统计能粗略的告诉我们古代火山活跃度,但不能直接量化火山到底释放了多少CO2。

除非我们能够知道当时的火山弧长度。火山弧是地壳板块断裂发生俯冲的地方,今天的环太平洋火山地震带就是一个完美例子。PALEOMAP Project的终极目标就是重建古地理和古板块断裂边界。研究者使用了PALEOMAP Project,重建了过去7.5亿年火山弧长度变化。

研究者模拟了从火山弧长度衍生出的CO2释放率和略提高的风化速率,发现低纬度冰川是可行的。

岩石风化说

控制大陆风化速率的因素非常多。上升温度、增强造山运动、增强岩浆活动、增强水文循环、特定岩石类型、增强植物活动和低陆地纬度,都会加大风化速率。5000万年前低纬度喜马拉雅造山运动开始,过程中暴露了大量新鲜岩石+创造南亚季风,顺便增强河流侵蚀,使得CO2移除被加速。不仅如此,在印度板块和欧亚板块碰撞时(岛弧-大陆碰撞),欧亚板块特提斯洋的蛇绿岩洋壳逆冲到印度陆地板块上,一瞬间在湿热带陆地创造了巨量易于风化的新鲜岩石。

Berner碳循环模型中,晚古生代冰川期被认为是从3.6亿年前开始快速生长的森林导致的CO2移除加速。植物在碳循环中扮演了很重要的角色,因为光合作用就需要消耗大气CO2来发生,然后这些C随着植物死亡被埋在土壤里,称为碳埋藏,造成大气CO2净减少。一些数据表明今天土壤CO2总量是大气CO2的10~100倍!植物还有一个能力是通过分泌有机酸来分解岩石获得其中的营养,然而这个过程会导致一部分矿物流失,这种植物造成的矿物风化也是会移除大气CO2的。

4.5亿年前晚奥陶纪冰川期和北美东部的太康造山运动(Tactonic orogeny)是几乎同时发生的,而且运动是和印度-欧亚的岛弧-大陆碰撞(被推测是新生代冰川期的触发器)一模一样,这就很让人怀疑Hirnantian冰川期会不会是由这次造山导致的。碰撞也正好发生在湿热带,最利于风化的区域。地质化学同位素(锶和钕同位素)也暗示了当时沉积中突然增加了大量风化的新鲜岩石碎屑。

接下来看看雪球地球吧。8亿年前地球上有一块和盘古大陆差不多的单体陆地,叫做罗迪尼亚超大陆。因为陆地的巨大面积,海洋水汽降雨不能很有效的延伸到内陆,使得其大部分地区相对干燥和低风化速率。7.5亿年前,罗迪尼亚大陆开始分裂,陆地小块小块的分散出去,这样每块就可以得到足够甚至过多的海洋水汽降雨,加速岩石冲刷风化。

另一个加速因素是大陆溢流玄武岩(短时间大规模陆地熔岩流喷发)。在8.5~7.2亿年前之间,罗迪尼亚超大陆北部开始一系列溢流玄武岩喷发,形成了至少 6 个 百万平方公里级的熔岩流省。7.5亿年前,罗迪尼亚大陆漂移到热带,6个熔岩省全部被暴露在温暖潮湿(利于风化)的环境下。之后的大陆溢流玄武岩风化可以非常有效降低大气CO2含量。化学同位素(锶和钕同位素)也佐证了从8.5亿年前开始风化速率被显著加强,一直到雪球地球开始。

有人可能会说,既然这么活跃的熔岩喷发,不应该释放很多CO2造成全球变暖吗?溢流玄武岩的确会造成全球变暖,但它们的喷发时间尺度非常短,变暖也只是在万年到十万年级的尺度,长期气候效应还是靠风化降低CO2。

说点题外话

既然我们都活在冰川期里,那全球变暖有什么错?一定是万恶的西方帝国主义阴毛!

这种想法恰恰是错误的。由于我们处在的这个新生代冰川期是冰期-间冰期交替出现,现在是间冰期不代表5万年后就会进入冰期,也不代表今天的升温是 间冰期 自然升温的一部分,更不能说明CO2升高没有影响因为古代CO2含量上千ppm。这些全部是对全球变暖的误解!

有人会说以前的CO2含量比今天高多了,气候也一样适宜。哈哈哈哈哈西方帝国主义阴毛被我扯掉了哈哈哈哈哈哈哈。

这是事实,2亿年前三叠纪时期大气CO2含量曾达到了2000ppm以上,4.5亿年前奥陶纪大气CO2可能还在4000ppm。但有一点要知道,2亿年前太阳亮度比今天低2%。4-5亿年前比今天还低4%,那时候如果大气CO2低于3000ppm都会进入冰川期,因此很自然需要更强更厚的CO2大气。

如果你看过去5亿年CO2含量演化,会发现它的总体趋势是缓慢下降,这是为了避免太阳亮度升高带来过多热量。

行,古代高CO2含量是因为古代太阳亮度低,但以前确实存在过比今天强的温室作用,所以现在把温度升上去又能怎样,而且还能脱离新生代冰川期呢。

你要这么说也可以,但是过去每一次冰室到温室的转换,都花了上百千万年完成,这些环境转换是以一种生物可以通过演化适应的速度来改变的。现代生态系统已经完全适应,并且也是建立在第四纪开始的冰期-间冰期环境下的,还发展的好得很。冰川期并不代表大灭绝。如果今天的变暖高速持续下去,最终脱离冰川期,那么我们所看到的生态系统只会崩溃!

假设化石燃料排放继续按目前的速度释放CO2,虽然还没有定论排放率到底会如何上升或何时停止,RCP预测了四种未来CO2上升方式。最悲观的RCP8.5预测在2200年大气CO2将达到2000ppm,最乐观的RCP预测在本世纪中之前排放会被有效控制甚至开始下降。

如果未来的情况符合RCP8.5,23世纪的CO2温室作用将可能是地球从未经历过的强大。这种史无前例的事情,我们人类甚至都不知道地球系统将会如何回应!

什么?续命?先把可控核聚变搞出来吧。

什么?西方数据造假!不好意思,这个我真没法反驳。

本答案所有参考文献都在图注释里。

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来源:知乎 www.zhihu.com

作者:学生

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