地質氣候是指地質時代的氣候狀況。地質時期的氣候只能根據動植物化石、地層沉積物以及冰川遺蹟等間接材料來進行推斷。例如，有岩鹽和石膏沉積表明當時是乾燥氣候，有煤的存在可以推知當時是濕潤氣候。通過地層沉積物有孔蟲的分析，可以了解當時海進海退的情況，通過地層中植物孢子和花粉的分析，可以了解植物群落的演變，並據以推斷氣候變遷。研究證實，在漫長的地質時期中反覆經歷過多次大冰期氣候，冰期到來時，極地冰蓋擴展，中低緯高山也被冰雪覆蓋。
基本介紹
- 中文名：地質氣候
- 說明：指地質時代的氣候狀況
- 判斷方法：根據動植物化石、地層沉積物判斷
- 補充：研究簡史
簡介,研究簡史,分期簡介,第三紀氣候,第四紀氣候,冰期和間冰期,冰後期氣候,氣候變化,變化原因,天文學假說,大氣物理學假說,地質地理學假說,研究方法,分類研究,斷代技術,推理預測,5千萬年後,一億年後,兩億年後,
簡介
在地球演變的幾十億年中，全球規模冰雪覆蓋的擴展和退縮相互交替，有時大陸上覆蓋著很大面積的冰原和冰川，氣候寒冷，這時期稱為冰期(又可稱大冰期)；冰原或冰川以較大幅度向低緯度地區推進時，也稱為冰期。介於兩個冰期之間的比較溫暖的時期，冰川消融退縮，稱為間冰期。這種寒暖波動的時間尺度大約為106-108年。前寒武紀以後，90%以上的時間，兩半球的極地無冰。但全球至少出現過三次大冰期，比較公認的有：前寒武紀大冰期(距今約6億年以前)、石炭-二疊紀大冰期(距今2-3億年)和第四紀大冰期(距今200～300萬年至1-2萬年)。
一般認為，對地質時期溫度的估計，從中生代(距今2.3-0.67億年)起才比較可靠。那時的年平均氣溫在兩極附近為8-10℃，赤道為25-30℃。
研究簡史
在歷史上早就有人注意到地球氣候變遷遺留下來的某些痕跡。中國北宋時期的沈括，從地層和生物化石的特徵中，判斷了地質時期發生過的氣候巨變和海陸的演迭。1840年，瑞士人J.L.R.阿加西根據阿爾卑斯山地的冰川堆積，第一次明確提出地球氣候史上曾出現過冰期氣候。20世紀初期，德國人A.彭克和E.布呂克納出版了《冰期的阿爾卑斯》一書，將阿爾卑斯山地第四紀大冰期劃分為四個冰期(後又劃分成五個冰期)，兩個冰期之間為比較溫暖的間冰期。這種劃分，後來被確認為第四紀大冰期分期的國際標準。在其他各大陸，後來也相應地發現古冰川和古生物的遺蹟。
中國在古冰川的研究中，較早地確認了西部山嶽冰川，關於東部冰川，也有過大量的研究。
分期簡介
第三紀氣候
第三紀(距今0.67億年至200～300萬年)的主要氣候特徵是：中緯度地區氣溫緩慢降低(見圖第三紀以來中緯度氣溫變化)，大約在1400萬年前，地球上的氣溫急劇下降，在南極首先出現了冰蓋，在250萬年前，冰島出現過山嶽冰川，緊接著北半球高緯度地區也形成冰蓋。
第四紀氣候
第四紀從距今約二三百萬年開始直到現在。它們的冰蓋範圍，分別占陸地表面積的30%和10%左右。但是在各大陸上的冰期中，冰川發育程度有很大的差別。例如，歐洲大陸冰蓋曾達到北緯48，而亞洲北部西伯利亞冰蓋的規模較小，只達到北緯60。中國無大型冰蓋，但西部山地，如阿爾泰山、天山、祁連山、貢嘎山、玉龍山、四川西部和青藏高原等，卻發育了山嶽冰川。由於氣候變化隨地區的差異和研究方法的不同，各地劃分的冰期數有所不同。例如：在歐洲，阿爾卑斯山地第四紀大冰期被劃分成多瑙、貢茲、民德、里斯、武木五個冰期；在中國西南的喜馬拉雅山地區，劃分出希夏邦馬、聶聶雄拉、珠穆朗瑪三個冰期；在中國東部地區，李四光曾劃分出鄱陽、大姑、廬山、大理四個冰期。但中國各地第四紀冰期的劃分尚無定論，有人認為中國東部在第四紀根本沒有冰川活動。第四紀的冰期和間冰期的溫度振幅，海上約為6C，這是從北大西洋熱帶海域分析海底岩心所得到的。除北極區海域稍高外，其他大洋區均略低於此數。間冰期的北大西洋熱帶海域較現代高1C。大陸上的溫度波動較大，在冰蓋的邊緣地區如歐洲，約為12C，但高山雪線處則為4～6C。
冰期和間冰期
冰期和間冰期溫度的巨大變化，導致其他氣候要素和自然地理因子的變化：①雨帶分布的變化。冰期時，冰蓋面積擴大，極地反氣旋增強，極地高壓帶向中、低緯度地區擴展，迫使行星極鋒帶(見鋒、急流)移至中、低緯度地區，導致中、低緯度地區低氣壓活動頻繁，雨量充沛，湖水面積擴大。例如，亞洲中部、非洲北部和中部、北美洲西部等，在冰期時均為濕潤地區。但在間冰期時，上述地區的氣候常很乾燥。②雪線的升降。冰期時，全球山嶽雪線普遍下降，大多數山嶽雪線下降1000～1400米，熱帶地區雪線下降700～900米。③海平面的升降。冰期時地球表面的水，相當大的一部分形成巨大冰蓋而留在陸地上，海平面因此降低，例如武木冰期，海平面比現代低約100米。在間冰期最暖時期的海面,可能比現代高出15～30米，甚至更多。④生物群落的遷移。在冰期時，冰川擴張，氣候帶向低緯度地區移；間冰期時，冰川退縮，極區氣溫升高，氣候帶向高緯地區移。與氣候帶相應，生物群落也隨之南北遷移。例如，克里米亞(里斯冰期)的地層里發現過北極狐、北極鹿；在南高加索，從冰期的地層里發現過猛獁象化石，這些都屬於極地動物。而在間冰期，北冰洋沿岸有虎、麝香牛等喜溫動物群活動。
冰後期氣候
冰後期距今一萬多年，全球氣溫逐漸上升，冰川覆蓋的面積相應縮小，海平面隨之上升，地球氣候又進入較為溫暖的時期。
氣候變化
從氣候變化的角度看可以發現地球氣候變化的基本特點是：冷暖、乾濕時期交替出現。根據研究，氣候存在著10-108年的不同時間的尺度變化，科學界所公認的變化有：
1、大冰期氣候與大間冰期氣候；時間尺度約為100～1000百萬年。
2、亞冰期氣候與亞間冰期氣候：時間尺度約為10萬年。
3、副冰期氣候與副間冰期氣候；時間尺度約為10000～1000年。
4、寒冷期(或小冰期)與溫暖期(或小間冰期氣候)：時間尺度為100～1000年。
5、世紀和世紀以內氣候變化：時間尺度為1～100年。
變化原因
有關各種時間尺度氣候變化的原因，有許多種假說。歸納起來大致可分為以下五種：
天文學假說
認為天文因素的變化將引起氣候變化。如南斯拉夫數學家M.米蘭科維奇綜合了地球軌道的偏心率、黃道傾斜和歲差等天文因素可能出現的變化，計算出北緯45～70地帶60萬年以來夏季輻射量變化的曲線，並把輻射量變化換算為相應的緯度變化。計算的結果，同彭克建立的阿爾卑斯第四紀溫度變化的模型頗為一致。
大氣物理學假說
地質地理學假說
認為極點的移動、海陸分布的變遷和地質構造運動等，可以引起氣候變化。其中用大陸漂移說的觀點解釋氣候變化，最為人注意。依此觀點，任何地方溫度的降低和冰川的積累，都是由於該塊大陸漂移到較高緯度所造成的。例如科倫坡位於北緯7附近，屬於熱帶氣候，但在石炭紀它位於南緯82附近，故出現過極地氣候。又如斯匹次卑爾根群島，位於北緯79附近，為極地氣候，但在石炭紀它卻位於北緯24，為熱帶氣候。
研究方法
分類研究
地質時期氣候的研究主要包括尋找古氣候證據和確定證據年代(稱為斷代技術)兩個步驟。前者可採用地質學方法、地理學方法和同位素方法(物理學方法)等。地質學方法是根據生物生存的條件、岩層和沉積礦床的形成與氣候的關係，通過對地層中生物化石和沉積物等特性的研究，闡明地質時期氣候在時間和空間上的分布和變化的規律。例如，煤層的存在，可以推斷為濕潤氣候；出現珊瑚礁，可推斷為溫暖氣候；有石膏、岩鹽，可推斷為乾燥氣候等。此外，還可以通過地層中植物孢粉(指植物在繁殖期間撒出的孢子和花粉的總稱)的分析推測氣候。當孢粉離開母體後，就撒落在土壤表面，並被一層層地掩埋在土層或泥炭層中。
由於孢粉數量巨大(例如，一棵山毛櫸樹一年可撒出4億粒花粉)，在與空氣隔絕的情況下，可長期地存留下來，所以，可根據孢粉的形態來判別母體植物的種屬，成為推測古代植被及其相應氣候的依據。例如，在中國遼寧南部距今8000～10000年的泥炭層中，樺屬花粉占優勢，而樺木林已退縮到大小興安嶺和長白山區。樺樹是喜冷耐旱植物，表明遼寧南部的氣候比現如今乾冷。同位素方法是20世紀40年代開始發展起來的，其中以氧的同位素方法套用最廣。例如，利用氧的同位素比值可以測定極地冰原的不同冰層形成時的溫度狀況。自然界中的氧有氧-16、氧-17、氧-18三種同位素。在冰層形成時，氣溫越低，其中氧-18和氧-16的比值越高，因此，可以根據氧-18和氧-16比值的變化，換算成當時的溫度。分析洋底抱球蟲軟泥的氧同位素比值，可以了解第四紀海面溫度的變化，氧同位素方法同樣可用來測定鐘乳石和樹木年輪形成時的溫度。利用碳-14和碳-13的比值，也可以推測古代的溫度，但套用還不廣泛。地理學方法主要是用來考察各種自然地理因子的變遷，如海平面的升降、河流和湖泊水位的變化、冰川和雪線的進退、沙漠和凍土以及森林等界限的推移，用以估計相應的氣候演變。
斷代技術
斷代技術是確定各種證據形成的順序和年代。可分為相對斷代和絕對斷代。相對斷代只說明證據在形成時間上的新老順序，主要依據古生物方法加以劃分，如孢粉斷代、地層學斷代等。絕對斷代是明確給出證據形成的絕對年代，主要是根據岩石中放射性同位素蛻變產物的含量加以測定的。
推理預測
5千萬年後
一億年後
地質氣候特徵：冰川期過去，南北極冰雪融化，加上海底大量岩漿噴發，海平面上升，地球氣候進入新一輪溫暖濕熱期，造就了大片的淺海區、沼澤和雨林；同時由於地殼板塊移動，板塊之間的擠壓產生了比現如今更廣袤的高原區。濕熱沼澤：新沼澤的特點使其可能進化出地球有史以來最大的陸生生物，並促使新一批水生生物登入。兩套小生態系統，沼澤上層和水下部分。溫暖淺海：新的地理環境，孕育出一批高度分化的合作生物群落。巨大雨林：假設的雨林是位於南極洲，因為推算這個年代南極洲板塊正好向北移動到大約赤道的熱帶位置上。島嶼性質使它具備一套獨立的生態體系；這個年代氧氣含量的升高還可能會使一批節肢類動物的體型變得很大。廣袤高原：澳洲板塊向北移動，撞擊亞歐板塊後向東又去撞擊北美板塊，歷史上從未有過的最高山脈在這裡誕生了。強紫外線、氣候惡劣、食物貧乏的特點使這裡生活的生物進化出特有生存方式。
兩億年後
地質氣候特徵：根據現有地殼板塊移動情況，這個年代的大陸又會合為一體，類似地質年代上的泛大陸。同時大量的火山爆發造成了新一輪生物種群滅亡。由於內陸受海洋影響小，形成大量的沙漠，並產生至少兩種截然不同的沙漠生態系統，內陸自給式和沿海依賴式；某些沿海地區的雨林則可能進化出新的智慧生命。泛大陸中部沙漠：圍繞水源展開。兩套小生態系統，地表上層和地下水部分。地表上層典型特徵是自給，一些動物進化出了藻類共生，或更複雜的耕種培養藻菌的能力；地下水部分則勾畫了一個極端環境中的生態系統，主有機質來源為硫化細菌而非光合作用。泛大洋：大滅絕使一批新的海洋生物取代了原滅絕生物的位置或變化角色，同時又有一些原有的海洋物種得以進化，新的海洋生態系統誕生。泛大陸沿海沙漠：這裡的沙漠生態系統要顯得脆弱得多，有些完全是依賴性的，這些生物的主要有機質來源來自大洋風暴帶來的生物屍體，因此具有很強的季節周期性。一些植物則進化出掠食性。
地質氣候
地質氣候