什么’是最冷的地球吗?

我们星球的历史包括极度寒冷的季节,以至冰川到达赤道地区的海平面。


雪有角小山类似于沙丘反对蓝天。

南极洲。图片通过 诺阿.

经过 米歇恩·斯科特(Michon Scott)/ NOAA 气候.gov

在过去的大部分时间里,我们的星球都变得更热 –有时更热–比今天。但是我们的星球也变冷了。科学家们可能永远不知道我们星球上45.4亿年的历史中哪个时期是绝对最冷的,但是研究发现了一些竞争者。所有这些时期都被认为是古老的冰河时代。

在大气中氧气上升之后,最冷的天气发生在20亿年前。在750至6亿年前,发生了更深的冻结。尽管科学家们确切地争论了在这段时间中冰的覆盖范围如何,但有证据表明,赤道地区的冰已达到海平面。

在过去的几百万年中,冰川无休止地覆盖了北半球的广阔区域。尽管不如近全球冰川那么严重,但更新世的冰期可能在过去的十亿年中带来了最寒冷的天气。大约2万年前发生了一些最严重的感冒。

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大红色的盒状车辆横穿广阔的雪地,踩在踏板上。

现代地球上最冷的地方 南极东部的阿格斯巨蛋和富士巨蛋之间的高脊被确定为高脊。每年,参加日本南极研究远征队的科学家都会从南极海岸到巨蛋富士站。图片通过 Flickr/ SNSF科学影像竞赛/ Francesco Comola。

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冰河时代是全球气温低于正常水平,冰川和冰盖超过正常水平的时期。冰河时代不会带来持续不断的寒冷。取而代之的是相对温暖的时期,因此冰河时期既是前进的冰川(冰川)又是后退的冰川(冰川)。尽管相对温暖,但间冰期仍然是冰期的一部分。

科学家如何知道古代冰河时代的发生?显然,当大陆规模的冰川向赤道前进时,温度计并不方便。过去冰河时代的证据来自地质。 19世纪初期,科学学科出现后不久,地质学家便开始寻找古代冰体留下的线索。地质学家意识到,冰川可能会在基岩上留下巨大的划痕,并把巨石运送到遥远的风景中,经常将这些岩石掉到海上。

在海边的一块大孤石。

不稳定 –来自遥远风景的巨石 –掉落在海洋边缘表明古老的冰川活动。这种不稳定的现象在德国吕根岛上的阿科纳角角的水中涉水。图片来自Unukorno / 维基共享资源.

一旦认识到了更新世时期(大约260万到11,000年前)的冰川迹象,地质学家便知道如何在较旧的岩石中识别它们。将冰川作用的证据与板块构造和大陆漂移的证据相结合,使地质学家能够识别亿万年前冰河活动,当时各大陆的构造截然不同。

类的古色古香的蚀刻观看学术长袍的一个人阻止一个岩石。

经过多年对诺亚的地质现象的解释’洪水泛滥时,19世纪的英国地质学家威廉·巴克兰(William Buckland)接受了冰川活动的证据。他成为冰河时代理论的拥护者。图片通过 惠康系列.

总体而言,科学家已经在地质记录中确定了十几个冰期,其中有几个是在近十亿年中的。一些发生得更早的冰河时代更糟,可能是我们星球历史上最糟糕的冰河时代。

氧气的上升和温度的下降

迄今为止,在地质记录中发现的最早的冰期是休伦期的冰期。当地球表面完全或几乎完全冻结时,至少其中一个构成了地质学家所说的“雪球地球”事件。在非冰川时期的穿插中,冰河时代发生在2.4至21亿年前,可能是由于微观生命的变化所致。

古生物学家推测,当微生物生命在35亿年前出现在地球上时,微生物既不产生氧气也不需要氧气。相反,当生命进化时,地球的大气层与我们今天所经历的大不相同。尽管氮含量可能相似,但其他气体的含量要高得多。– or much less –丰富。二氧化碳的含量是当前水平的10到2500倍,而甲烷则可能是当前水平的10,000倍之多。大气中的氧气几乎不存在。

在黑背景的呈杂色的橙色球。

艺术家’年轻的地球的概念。在地球大气中氧气积累之前,我们的星球可能看起来不像是淡蓝色的点,而是像淡橙色的点。图片通过 美国宇航局天文生物学.

科学家们争论什么时候才能够确切地发展出能够进行光合作用并使氧气作为副产物的微生物。估计范围大约在3.5到25亿年前。最早的制氧机可能是现代蓝细菌或蓝藻的祖先。

首先,这些早期的光合作用器产生的氧气可能会与海洋中的铁发生反应,并开始沉积在海底生锈的沉积物层中,然后才开始在大气中积累。一些氧气与甲烷反应,将其转化为二氧化碳和水。同时,光合作用的微生物种群持续增长,消耗了更多的二氧化碳。

波浪状的线条连续由半透明的绿色单元组成。

现代祖先 蓝细菌 (也被称为蓝绿色藻类)可能是地球上最早的氧气生产者,并迎来了气候的重大变化。图片通过 Flickr/理查德罗克(Richard Droker)。

二氧化碳是一种温室气体,而甲烷是一种更有效的温室气体。随着这些温室气体的大气浓度下降,全球温度骤降,使地球陷入了一系列的冰河时代。休伦期的冰河时期和将它们分隔开的非冰川时期可能总共持续了3亿年。有证据表明,这些冰川到达了海平面的赤道地区。 (今天,冰发生在赤道地区,但仅在高海拔地区发生。)

这些冰河时代的地质证据最早于1907年在休伦湖附近的冰川沉积物中发现。从那时起,地质学家在北美其他地区以及南非,西澳大利亚州和东北欧发现了更多证据。

粗糙的粉红色三角形内嵌在光滑的紫色岩石中,用小刀比较大小。

落石位于休伦湖北岸的安大略省怀特菲什福尔斯附近,落在约22亿年前的浮动冰川下的海底沉积物中。图片来自D.A.林赛/ 美国地质调查局.

氧气的上升不仅使行星结冰。它还促进了呼吸氧气的复杂生命的演化,并形成了地球的臭氧层,有助于保护生命免受有害紫外线的伤害。

再次深冻结

在被称为“冰冷期”的地球历史上,残酷的寒冷再次袭来。在750到6亿年前,地球至少两次陷入深度冰冻。因为低温时代事件发生在一个较长的地质时代,即新元古代,所以深层冻结有时被称为新元古代雪球地球。

科学家们一直在争论新元古代冻结的原因和随后的解冻。火山可能是既将行星推入冰川又将其拉出的力量。大约7.5亿年前,大多数大洲都聚集在赤道周围。在这种大陆组合中,地质学家已经确定了所谓的证据。 大火成岩省. “Large”轻描淡写–想象一个像大陆一样大的火山活动区。该省的爆发可能以两种方式使地球冷却。

光滑,呈带状的海岸线,具有与海岸线成直角的深色,笔直的凸起岩石特征。

曾经赤道的证据 大火成岩省 在加拿大努纳武特保留了可能引起低温冷冻剂的原因。窗台–火山物质侵入较旧的岩石层–穿过较旧的沙色岩石。较轻的岩石中的带起因于沿海岸沉重的冰川退缩后海岸线上升。图片来自Mike Beauregard / 维基共享资源.

当火山释放二氧化硫时,气体会在大气中发生化学反应,形成高反射率的硫酸盐,这种硫酸盐会阻挡阳光,例如数十亿个微型镜子。硫酸盐的冷却潜能在地球赤道附近尤为强烈。同样,当火山喷出大量的玄武岩时,随之而来的岩石风化会冷却地球。随着时间的流逝,雨水,风和化学物质的变化都会吞噬火山岩。渗入岩石的雨水和地下水可以溶解二氧化碳,将其从大气中剥离出来,最终将其捕获为碳酸盐矿物,例如石灰石。

如果全球气温下降得足够快,冰就会开始积聚,而冰将大多数阳光反射回太空的能力将使地球进一步冷却。

地质学家已经确定了新元古代的两种冰川:斯图尔特时代(大约720至6.6亿年前)和马里诺期(大约640至6.35亿年前)。这些时期的岩石层显示了迄今为止在地质记录中发现的极端冰川的最广泛证据。

在这些深层冻结之间,地球似乎也经历了同样显着的变化 温室。这种极端气候也可能归因于火山活动。

从长远来看,火山的二氧化碳排放和岩石风化对二氧化碳的消耗可以使彼此相互制约。但是,随着亿万年前冰层覆盖了地球的大部分区域,由于天气变得太冷而无法产生大量降水,因此天气可能会变慢。同时,增加的海冰将减少蓝藻接触海洋表面日光的能力,从而减少光合作用。

与静脉蓝线和在黑色背景上的小火山口的白球。

在其冰冷的表面下,土星的冰冻海洋卫星土卫二可能含有液态水和生命所必需的成分。如果说地球历史上最极端的冰河时代是真正的雪球地球事件– with no open ocean –我们的星球可能看起来像土卫二的超大型版本。图片通过 美国宇航局/ JPL /太空科学研究所。

但是,火山一直在不断释放二氧化碳。几乎没有岩石风化作用或光合作用活动将其从大气中抽走,温室气体就会积累起来,导致全球温度逐渐升高。一旦条件变暖到足以融化热带冰,温度升高就会加速。在失去大量反射光的冰之后,地球将吸收更多的太阳能量。随后的大融化可能引起了如此剧烈,迅速的风化,从而导致了第二次冰川融化。

与休伦时期一样,冰河时期的冰川在赤道处达到海平面。但是新元古代的冰覆盖到底有多完整– whether it was a 雪球地球 或一个 泥球地球 –仍然是一个活跃的研究领域。

最新的冰柜之旅

岩石记录表明,尽管地质学家发现了更多冰河时代的证据,但在过去的5亿年中,没有发生像休伦纪和冰冻期冰川这样广泛的冰川。尽管它与300到2.5亿年前的寒冷条件有一定的竞争,但最近十亿年中最重要的冰河时代可能是最近的。

在被称为“更新世”时期,这个冰河时代开始于260万年前,一直持续到大约11,000年前。

像其他所有冰河时代一样,最近的冰河时代带来了一系列的冰川发展和消退。实际上,从技术上讲,我们仍处于冰河时代。我们只是在跨冰时期度过了自己的生活。

有字符线的带红色黏土片剂由小三角做成。

全人类文明–最早的脚本中的所有内容,例如 楔形文字 到智能手机和推文–发生在一个间冰期之间。图片来自Flickr / Ashley Van Haeften / 维基共享资源.

大约5000万年前,地球太温暖了,无法容纳极地冰盖,但是自那时以来,地球一直在不断冷却。从大约3400万年前开始,南极冰盖开始形成。这可能是南美洲与南极洲分离开辟的,开放了德雷克通道。除了令人不安的几代海洋旅行者外,德雷克海峡通道的开放还创造了南极绕极洋流。绕过现在冰冻的大陆,洋流可能减少了到达南极洲的海洋热量,使南极冰层得以形成和生长。

浪花起伏的,深浅不一的深蓝色海洋水。

风和海浪使穿越德雷克海峡的旅程令人难忘。由于板块构造的缘故,它可能为南极冰盖的发展做出了贡献。图片通过 Flickr/克里斯托弗·米歇尔(Christopher Michel)。

另一场陆地运动很可能使地球陷入了最近的冰河时代。巴拿马地峡是北美洲和南美洲之间的陆桥,大约在450万年前形成。在其形成之前,大西洋和太平洋自由地交换热带水域。通过切断这种交换并向北发送温暖的咸海水,地峡增加了北半球高纬度地区的降水。雪积聚到冰川中,最终积聚在冰盖中。这些巨大的,可偏转太阳光的冰体延续了地球的降温趋势。

一旦地球寒冷到足以形成冰盖,它们就会在大约20,000至100,000年的时间尺度上起伏和下降,部分原因是 米兰科维奇循环。地球轨道上这些可预测的变化包括偏心率(地球绕太阳轨道的变化),倾角(地球轴倾斜度的变化)和进动(地球旋转轴的摆动)。它们通过改变地球表面入射太阳能的分布来影响气候。

显示非常大北冰帽的地球的地图在白色。

大约20,000年前, 最后冰河最大值更新世的冰河时代,冰层遍布北美和欧亚大陆的大部分地区。图片通过 气候.gov/苏黎世大学应用科学/球形科学。

最新的冰河时代大约在20,000年前达到顶峰,当时全球气温可能比今天低10华氏度(5摄氏度)。在更新世冰河时代的高峰期,北美和欧亚大陆上散布着大量的冰盖。我们要感谢这些冰原及其与大湖,尼亚加拉大瀑布甚至乃至大冰山相关的融化事件。 槽Sc 在华盛顿和俄勒冈州。

冰冷的树枝在前景,水流过一个巨大的瀑布。

大约12,000年前,融水开始在尼亚加拉悬崖上蔓延。如今,每秒约有3,160吨水流过尼亚加拉大瀑布,这是更新世冰期的长期遗产。图片通过 Flickr/ Can Pac Swire。

大块冰盖何时会再次向赤道前进?他们可能不会按照米兰科维奇周期预测的任何时间表返回。这些周期对全球气候的影响各不相同,有些影响更大。当大气中的二氧化碳含量超过百万分之三百时,气体的保温能力将足以抵消更微妙的循环。大气中的二氧化碳现在已超过百万分之四百,而且由于二氧化碳是一种长寿命的气体,其含量至少可以维持数千年。这并不意味着再也不会出现冰河时代,但是它的发作可能会延迟。

气候.gov上的参考文献列表

底线:科学家可能永远无法确定地球上哪个时期’45亿年的历史绝对是最冷的,但研究发现了一些竞争者。

通过Climate.gov

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