学生 阅读原文 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。 用@项校长 的图。冰期是存在于冰川期 / 冰室里的短时间尺度气温波动 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： 改自 The Geological Time scale (2012), p.190。温度计算是用的氧同位素方法 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。 改自 Foster et al., 2017，过去 4 亿年的大气 CO2 含量演化，根据岩石学方法计算的。 改自 Berner 的碳循环模型。过去 5.4 亿年的 CO2 含量变化，根据碳循环模型参数模拟的大气 CO2 演变 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。 改自 McKenzie et al., 2016。 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。 改自 Mills et al., 2017。不难看出 7.5 亿年前火山弧长度比 5 亿年前的短得多 改自 Mills et al., 2017。不难看出 6.3 亿年前的火山弧长度比其他时期都要短 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。 改自 Jagoutza et al., 2016。 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。 改自 Montanez et al.2013。晚古生代冰川同时也对应了海平面下降和森林扩张。？图中冰川似乎在森林扩张前已经开始？但不影响森林给此次冰川期续命的贡献 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。 改自 Swanson-Hysell 和 Macdonald, 2017。 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。 改自 Donnadieu et al., 2004。不难看出分散陆地的冲刷率比单体陆地要高不少。 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。 改自 Cox et al., 2016。 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？ 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！ 改自 Earth System 3rd edition, p.302。蓝线是 3D 气候模拟无人类世界的温度走向；黑线是现实中的温度走向。自工业革命以来，人类干预变暖已经超出自然变暖 0.8℃。 改自 Earth System 3rd edition, p.15。描述了公元 1800 年到 80 万年前的大气 CO2 演化，间冰期时最高不超过 300ppm，和工业革命前的大气 CO2 含量差不多。然而今天已经接近 400ppm 改自 Earth System 3rd edition, p.5。自然 CO2 和人类 CO2 的最大区别在其上升速率，前者需要上千近万年时间增加 100ppm，但在人类干预下只用了 200 年。虽然我们很清楚变暖的后果，但我们仍不知道这上升速度本身是否还会引起其他气候反馈，因为史无前例。这一趋势使得下一次冰期可能不会再出现 有人会说以前的 CO2 含量比今天高多了，气候也一样适宜。 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。 改自 Foster et al., 2017。所以拿着远古高 CO2 大气反驳现代全球变暖也是不合理的 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。 改自 Meinshausen et al., 2011 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。 阅读原文
