地球會不會再次進入冰河世紀?史前冰河世紀是如何形成的?

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這個提問一直沒人答,又老跑到首頁來,那我斗膽寫一下。本回答閱讀難度估摸在初中知識水平吧,受過九年義務教育仔細看的話都應該能看懂。哦,寫到一半已經有答了,不過講的東西和本文內容完全不一樣就無所謂了吧。


我先來給冰河世紀分一下類。一種是冰室(icehouse)也叫冰川期(ice age),年代單位都是百萬年級的持續性地表溫度下降或保持在低溫,而且通常屬於地球系統本身哪裡出現了不平衡。另一種就是已經被雲舞空城和項校長解釋了的冰期(glacial period),持續時間單位都是萬年級,還與間冰期(冰期與冰期之間的短暫暖期)交替出現,通常和地球軌道變化有關(米蘭科維奇循環)。話說中文當中有沒有對應的術語我都沒有找到,但兩者確實存在本質上的不同。

地球會不會再次進入冰河世紀?史前冰河世紀是如何形成的?

用@項校長 的圖。冰期是存在於冰川期/冰室裡的短時間尺度氣溫波動

我就主要說一下過去10億年的冰川期,10億年前甚至更早就要另請高明瞭。

回答第一個問題,先看一張過去1.2億年古代海水溫度演化的圖

地球會不會再次進入冰河世紀?史前冰河世紀是如何形成的?

改自The Geological Time scale (2012), p.190。溫度計算是用的氧同位素方法

說白了,實際上人類正是誕生在冰川期(稱為“新生代冰川期”)中的生物。從圖中不難看出,氣溫在3500萬年前、1500萬年前和500萬年前都出現了突然性下降,並且沒有恢復。那為什麼沒有生物滅絕呢?有,只是不顯著,再說這一變冷趨勢是比較緩慢的,是以一種生物能適應的速度下降的。

那麼第一個問題就很容易回答了,“地球會不會再次進入冰河世紀”?地球正在經歷冰川期,但目前在間冰期裡。

第二個問題稍微複雜點,甚至是有爭議的。

更早的冰川期證據需要到地下岩石層去找,因為光靠氧同位素方法計算溫度來判斷有點不靠譜。冰川存在過的地方會留下它特有的岩石堆積,統稱為冰川堆積。那我接下來就把史前大陸冰川期直接列出來(Earth as an Evolving Planetary System, p.270; Hoffman et al., 2017):

  • 從5000萬年前開始持續至今的新生代冰川期
  • 2.6億到3.5億年前的Karoo冰川期,也被稱為晚古生代冰川期
  • 4.4-4.5億年前的Hirnantian冰川期,也被稱為晚奧陶紀冰川期
  • 5.8億年前的Gaskiers冰川期,也被稱為“雪球地球”
  • 6.4~6.35億年前的Marinoan冰川期,也被稱為“雪球地球”
  • 7.2~6.6億年前的Sturtian冰川期,也被稱為“雪球地球”
  • 對,你沒看錯,全球性冰川發生了三次

現在地學共識基本認為冰川期都是由大氣溫室氣體二氧化碳含量下降導致的(Royer, 2006)。看兩張過去大氣CO2含量演化,作為比較今天大氣CO2大概在400ppm

地球會不會再次進入冰河世紀?史前冰河世紀是如何形成的?

改自Foster et al., 2017,過去4億年的大氣CO2含量演化,根據岩石學方法計算的。

地球會不會再次進入冰河世紀?史前冰河世紀是如何形成的?

改自Berner的碳循環模型。過去5.4億年的CO2含量變化,根據碳循環模型參數模擬的大氣CO2演變

各大冰川期都幾乎和同時期大氣CO2含量下降對應。問題出在到底是什麼導致的CO2含量下降?通常情況下,大氣CO2移除速率(通過岩石風化移除)和補給速率(通過火山噴發補充)是相同的,換句話說大部分時間下碳循環是處於平衡狀態。一旦這兩個因素中的一個出了點問題,便會引起溫室或冰室。比如說,風化移除率上升超過火山補給率,便會造成大氣CO2 淨減少。或者,火山活動減弱無法跟上CO2風化移除率,也會造成 淨減少。那到底是風化在驅動大氣CO2演化還是火山,還是共同作用(carbon sources和carbon sinks的爭論)?綜述性研究看這裡Silicate weathering, volcanic degassing, and the climate tug of war。

火山驅動說

古代火山噴發遺蹟可能會被埋葬、侵蝕或破壞,這些過程會使得研究火山活動的演化很困難。但火山岩中有一種礦物叫鋯石,抗破壞能力就像生物當中的水熊蟲一樣,可以承受強烈侵蝕、高壓和高溫,最重要的是還可以用來測年。有一項研究分析了十二萬顆鋯石在不同年代的累積頻數(可以反應火山活動程度),發現過去7.2億年每一次頻率減少都對應了冰川期和CO2下降(包括新生代冰川期),增加對應了溫室和CO2上升。研究者因此提出火山活動是大氣CO2和氣候演化的主要驅動力。

地球會不會再次進入冰河世紀?史前冰河世紀是如何形成的?

改自McKenzie et al., 2016。

6~7億年前的Marinoan冰川期和Sturtian冰川期,是過去十億年中最嚴重的冰川期,現在有挺多證據表明冰川曾延伸到了低緯度赤道附近,甚至整個地球表面可能都被冰層覆蓋,因此有了“雪球地球”一說。那麼雪球地球也會不會是火山噴發減少的直接結果呢?鋯石統計能粗略的告訴我們古代火山活躍度,但不能直接量化火山到底釋放了多少CO2。

除非我們能夠知道當時的火山弧長度。火山弧是地殼板塊斷裂發生俯衝的地方,今天的環太平洋火山地震帶就是一個完美例子。PALEOMAP Project的終極目標就是重建古地理和古板塊斷裂邊界。研究者使用了PALEOMAP Project,重建了過去7.5億年火山弧長度變化。

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改自Mills et al., 2017。不難看出7.5億年前火山弧長度比5億年前的短得多

地球會不會再次進入冰河世紀?史前冰河世紀是如何形成的?

改自Mills et al., 2017。不難看出6.3億年前的火山弧長度比其他時期都要短

研究者模擬了從火山弧長度衍生出的CO2釋放率和略提高的風化速率,發現低緯度冰川是可行的。

岩石風化說

控制大陸風化速率的因素非常多。上升溫度、增強造山運動、增強岩漿活動、增強水文循環、特定岩石類型、增強植物活動和低陸地緯度,都會加大風化速率。5000萬年前低緯度喜馬拉雅造山運動開始,過程中暴露了大量新鮮岩石+創造南亞季風,順便增強河流侵蝕,使得CO2移除被加速。不僅如此,在印度板塊和歐亞板塊碰撞時(島弧-大陸碰撞),歐亞板塊特提斯洋的蛇綠岩洋殼逆衝到印度陸地板塊上,一瞬間在溼熱帶陸地創造了巨量易於風化的新鮮岩石。

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改自Jagoutza et al., 2016。

Berner碳循環模型中,晚古生代冰川期被認為是從3.6億年前開始快速生長的森林導致的CO2移除加速。植物在碳循環中扮演了很重要的角色,因為光合作用就需要消耗大氣CO2來發生,然後這些C隨著植物死亡被埋在土壤裡,稱為碳埋藏,造成大氣CO2淨減少。一些數據表明今天土壤CO2總量是大氣CO2的10~100倍!植物還有一個能力是通過分泌有機酸來分解岩石獲得其中的營養,然而這個過程會導致一部分礦物流失,這種植物造成的礦物風化也是會移除大氣CO2的。

地球會不會再次進入冰河世紀?史前冰河世紀是如何形成的?

改自Montanez et al., 2013。晚古生代冰川同時也對應了海平面下降和森林擴張。?圖中冰川似乎在森林擴張前已經開始?但不影響森林給此次冰川期續命的貢獻

4.5億年前晚奧陶紀冰川期和北美東部的太康造山運動(Tactonic orogeny)是幾乎同時發生的,而且運動是和印度-歐亞的島弧-大陸碰撞(被推測是新生代冰川期的觸發器)一模一樣,這就很讓人懷疑Hirnantian冰川期會不會是由這次造山導致的。碰撞也正好發生在溼熱帶,最利於風化的區域。地質化學同位素(鍶和釹同位素)也暗示了當時沉積中突然增加了大量風化的新鮮岩石碎屑。

地球會不會再次進入冰河世紀?史前冰河世紀是如何形成的?

改自Swanson-Hysell和Macdonald, 2017。

接下來看看雪球地球吧。8億年前地球上有一塊和盤古大陸差不多的單體陸地,叫做羅迪尼亞超大陸。因為陸地的巨大面積,海洋水汽降雨不能很有效的延伸到內陸,使得其大部分地區相對乾燥和低風化速率。7.5億年前,羅迪尼亞大陸開始分裂,陸地小塊小塊的分散出去,這樣每塊就可以得到足夠甚至過多的海洋水汽降雨,加速岩石沖刷風化。

地球會不會再次進入冰河世紀?史前冰河世紀是如何形成的?

改自Donnadieu et al., 2004。不難看出分散陸地的沖刷率比單體陸地要高不少。

另一個加速因素是大陸溢流玄武岩(短時間大規模陸地熔岩流噴發)。在8.5~7.2億年前之間,羅迪尼亞超大陸北部開始一系列溢流玄武岩噴發,形成了至少 6 個 百萬平方公里級的熔岩流省。7.5億年前,羅迪尼亞大陸漂移到熱帶,6個熔岩省全部被暴露在溫暖潮溼(利於風化)的環境下。之後的大陸溢流玄武岩風化可以非常有效降低大氣CO2含量。化學同位素(鍶和釹同位素)也佐證了從8.5億年前開始風化速率被顯著加強,一直到雪球地球開始。

地球會不會再次進入冰河世紀?史前冰河世紀是如何形成的?

改自Cox et al., 2016。

地球會不會再次進入冰河世紀?史前冰河世紀是如何形成的?

有人可能會說,既然這麼活躍的熔岩噴發,不應該釋放很多CO2造成全球變暖嗎?溢流玄武岩的確會造成全球變暖,但它們的噴發時間尺度非常短,變暖也只是在萬年到十萬年級的尺度,長期氣候效應還是靠風化降低CO2。

說點題外話

既然我們都活在冰川期裡,那全球變暖有什麼錯?一定是萬惡的西方帝國主義陰毛!

這種想法恰恰是錯誤的。由於我們處在的這個新生代冰川期是冰期-間冰期交替出現,現在是間冰期不代表5萬年後就會進入冰期,也不代表今天的升溫是 間冰期 自然升溫的一部分,更不能說明CO2升高沒有影響因為古代CO2含量上千ppm。這些全部是對全球變暖的誤解!

地球會不會再次進入冰河世紀?史前冰河世紀是如何形成的?

改自Earth System 3rd edition, p.302。藍線是3D氣候模擬無人類世界的溫度走向;黑線是現實中的溫度走向。自工業革命以來,人類干預變暖已經超出自然變暖0.8℃。

地球會不會再次進入冰河世紀?史前冰河世紀是如何形成的?

改自Earth System 3rd edition, p.15。描述了公元1800年到80萬年前的大氣CO2演化,間冰期時最高不超過300ppm,和工業革命前的大氣CO2含量差不多。然而今天已經接近400ppm

地球會不會再次進入冰河世紀?史前冰河世紀是如何形成的?

改自Earth System 3rd edition, p.5。自然CO2和人類CO2的最大區別在其上升速率,前者需要上千近萬年時間增加100ppm,但在人類干預下只用了200年。雖然我們很清楚變暖的後果,但我們仍不知道這上升速度本身是否還會引起其他氣候反饋,因為史無前例。這一趨勢使得下一次冰期可能不會再出現

有人會說以前的CO2含量比今天高多了,氣候也一樣適宜。哈哈哈哈哈西方帝國主義陰毛被我扯掉了哈哈哈哈哈哈哈。

這是事實,2億年前三疊紀時期大氣CO2含量曾達到了2000ppm以上,4.5億年前奧陶紀大氣CO2可能還在4000ppm。但有一點要知道,2億年前太陽亮度比今天低2%。4-5億年前比今天還低4%,那時候如果大氣CO2低於3000ppm都會進入冰川期,因此很自然需要更強更厚的CO2大氣。

如果你看過去5億年CO2含量演化,會發現它的總體趨勢是緩慢下降,這是為了避免太陽亮度升高帶來過多熱量。

地球會不會再次進入冰河世紀?史前冰河世紀是如何形成的?

改自Foster et al., 2017。所以拿著遠古高CO2大氣反駁現代全球變暖也是不合理的

行,古代高CO2含量是因為古代太陽亮度低,但以前確實存在過比今天強的溫室作用,所以現在把溫度升上去又能怎樣,而且還能脫離新生代冰川期呢。

你要這麼說也可以,但是過去每一次冰室到溫室的轉換,都花了上百千萬年完成,這些環境轉換是以一種生物可以通過演化適應的速度來改變的。現代生態系統已經完全適應,並且也是建立在第四紀開始的冰期-間冰期環境下的,還發展的好得很。冰川期並不代表大滅絕。如果今天的變暖高速持續下去,最終脫離冰川期,那麼我們所看到的生態系統只會崩潰!

假設化石燃料排放繼續按目前的速度釋放CO2,雖然還沒有定論排放率到底會如何上升或何時停止,RCP預測了四種未來CO2上升方式。最悲觀的RCP8.5預測在2200年大氣CO2將達到2000ppm,最樂觀的RCP預測在本世紀中之前排放會被有效控制甚至開始下降。

地球會不會再次進入冰河世紀?史前冰河世紀是如何形成的?

改自Meinshausen et al., 2011

如果未來的情況符合RCP8.5,23世紀的CO2溫室作用將可能是地球從未經歷過的強大。這種史無前例的事情,我們人類甚至都不知道地球系統將會如何回應!

什麼?續命?先把可控核聚變搞出來吧。

什麼?西方數據造假!不好意思,這個我真沒法反駁。


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