大冰期（Ice Age），也叫冰河時期（在新生代的第四世）。現在地球上冰川的面積為1497萬平方公里，占陸地面積的10%，但在地球的歷史上，冰川的面積曾經要大上很多倍，形成大冰期。有記載的大冰期一共發生過三次，周期為將近三億年發生一次。第一次發生在大約六億年前的元古代末期，稱為震旦紀大冰期，這次大冰期在世界各大陸產生的時間略有不同，當時地球上的動植物還很貧乏。第二次發生在大約三億年前的石炭紀至二疊紀，這次大冰期主要發生在岡瓦那古陸，其中在南美洲和非洲發生和消退的時間較早，在印度和澳大利亞發生和消退的時間較晚，冰川退卻之後，出現大面積的舌羊齒植物群。第三次大冰期就是最著名的第四紀大冰期，也是對現在影響最大的冰期。左圖披毛犀是第四紀大冰期的代表物種。
基本介紹
- 中文名：大冰期
- 外文名：Ice Age
- 別名：冰河時期
- 地球冰川面積：1497萬平方公里
- 周期：三億年發生一次
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冰期分類
具有強烈冰川作用的地史時期。又稱冰川期。冰期有廣義和狹義之分，廣義的冰期又稱大冰期，狹義的冰期是指比大冰期低一層次的冰期。大冰期是指地球上氣候寒冷，極地冰蓋增厚、廣布，中、低緯度地區有時也有強烈冰川作用的地質時期。大冰期中氣候較寒冷的時期稱冰期，較溫暖的時期稱間冰期。大冰期、冰期和間冰期都是依據氣候劃分的地質時間單位。大冰期的持續時間相當地質年代單位的世或大於世，兩個大冰期之間的時間間隔可以是幾個紀，有人根據統計資料認為，大冰期的出現有 1.5 億年的周期。冰期、間冰期的持續時間相當於地質年代單位的期。
常見冰期
在地質史的幾十億年中 ，全球至少出現過 3 次大冰期，公認的有前寒武紀晚期大冰期、石炭紀——二疊紀大冰期和第四紀大冰期。冰川活動過的地區，所遺留下來的冰磧物是冰川研究的主要對象。第四紀冰期冰磧層保存最完整，分布最廣，研究也最詳盡。在第四紀內，依冰川覆蓋面積的變化，可劃分為幾個冰期和間冰期，冰蓋地區約分別占陸地表面積的30%和10%。但各大陸冰期的冰川發育程度有很大差別 ，如歐洲大陸冰蓋曾達北緯48°，而亞洲只達到北緯60°。由於氣候變化隨地區的差異和研究方法的不同，各地冰期的劃分有所不同。1909 年，德國的A.彭克和E.布呂克納研究阿爾卑斯山區第四紀冰川沉積，劃分和命名了4個冰期和3個間冰期。隨後，世界各地也都劃分出相應的冰期和間冰期。
第四紀大冰期
第四紀大冰期中冰川有數次擴張和消退，分別被稱為冰期(glacial epoch）和間冰期(interglacial epoch）。一般認為現在的地球正處於間冰期，第四紀大冰期比前兩次時間要短，現在的氣候也比歷史上很多時期要寒冷，因此第四紀大冰期應該並未結束。第四紀大冰期實際上並不局限於第四紀，早在第三紀就已經開始。世界各地的冰期和間冰期的次數和時間並不完全相同，每次冰期的具體時間也有爭議，南極的冰川發生的時間要比北半球要早得多，在兩千多萬年前的中新世就已經形成了大冰蓋。冰期在國際上的劃分以阿爾卑斯山為標準，阿爾卑斯山地區的冰期曾經被劃分為玉木冰期，里斯冰期，民德冰期和貢茲冰期這四次冰期，後來又發現了更加古老的多瑙冰期和比貝冰期，其中最晚的玉木冰期研究的最詳細。最後一次冰期在世界各地的時間相差不大，大約在一萬多年前結束。第四紀大冰期最盛時，冰川的面積為4714萬平方公里，占陸地面積的32%，整個加拿大和北歐都在冰蓋的覆蓋下，冰川消退之後，留下了大規模的湖泊群，所以加拿大和芬蘭都成了“千湖之國”。第四紀大冰期使地球上的面貌大為改觀，但並未造成大規模的集群滅絕，物種可以退卻到少數“避難所”中得以生存。東亞和美國東部都是“避難所”，保存了比較多的古老物種，而歐洲的阿爾卑斯山阻礙了物種的南遷，因此歐洲的生物種類比中國要少得多。第四紀末有很多大型哺乳動物在地球上消失，現在很多學者相信，它們的滅絕不是冰期的結果而可能是人類活動造成的。
成因探討
大冰期的成因，有各種不同說法，但許多研究者認為可能與太陽系在銀河系的運行周期有關。有的認為太陽運行到近銀心點區段時的光度最小，使行星變冷而形成地球上的大冰期；有的認為銀河系中物質分布不均，太陽通過星際物質密度較大的地段時，降低了太陽的輻射能量而形成地球上的大冰期。
“冰川是氣候的產物”，這是冰川學界的流行說法。那么，氣候又是什麼的產物呢？筆者的說法是“氣候變化是地球系統的變化在大氣圈中的反映”。冰凍圈是地球系統的一部分，所以我們可以說“氣候的一部分是冰川的產物”。當然，氣候的主要部分應該是地圈（包括殼、幔、核）的產物，因為地圈占地球系統總質量的99.9%。冰川與氣候的關係緊密，它們同時受地圈變化的制約，我們甚至可以說“冰川和氣候同是地圈變化的產物”。地圈的變化又受宇宙因素的制約，筆者經過長期研究，提出如下觀點：宇宙磁場與地核磁流體的電磁耦合作用，可能是地球表層各系統變化的根本原因，也是冰川與氣候變化的根本原因。
原始太陽系約誕生於50億年前，如果以最靠近銀心點為新銀河年的開始，太陽已經過了十三個新年，我們的地球也過了十二個新銀河年，虛歲為13銀河歲。過新銀河年前的階段也許是地球最為冰冷的，也是銀河冬季（地球大冰期）中最冷的，太陽系很快又要過新年了，時間約在800萬±400萬年以後，相對於漫長的銀河年來說現在約到了“12月20”。
近十億年以來，太陽系的銀河年變短得很厲害，一些研究者按照太陽系的飛行速度，得到太陽系繞銀河運轉一周需要的時間約為2.5億年，與Stainer給出各銀河年的時間間隔並不矛盾。近銀心點附近為地球的銀河冬季，有望由此來破解遠古時期大冰期的發生情況。
太陽系的飛行速度越來越快，繞銀河系運行的周期越來越短，也許不再需十幾個銀河年，太陽系就不再留在銀河旋臂里而跑到了離銀河中心更近的區域，那時太陽跑得更加飛快，地球的自轉速度要比現在的金星和水星還要慢，一年也許只有幾十或十幾天。
現在太陽系正在近銀心點附近運行，大約尚需800±400萬年才到達最靠近銀河中心的地方，根據上二次大冰期結束於近銀心點之後的500至1000萬年，第四紀大冰期（叫“新生代大冰期”更合適）若從其規模的1600萬前始算，推測大冰期至少還要經歷1500-2500萬年才結束，主冰期長在3000-4000萬年以上，而石炭-二疊紀大冰期長約8000萬年，震旦紀大冰期長約6000萬年。有人說第四紀大冰期即將過去而第五紀大冰期將來臨簡直是無稽之談；說由於人類溫室氣體的排放，全球的冰川和極地的大冰蓋將會全部融化也是杞人憂天，人類的小胳膊怎能與大自然的鐵大腿抗扭。
大冰期與銀地磁耦合
在地球的46億年歷史中，一般公認曾出現過7次大冰期，關於其成因很多學者提出多種假說，但均不能令人信服。最近筆者提出：當銀河系旋臂磁極與地球磁極同向，且相互作用時間在40Ma以上者，將出現大冰期。
表1 銀地（磁）耦合C型與大冰期出現時間對照（單位：億年）
41.2 39.7 38.2 36.7 35.2 33.7 32.2 30.7 29.2 27.7 26.2 24.7 23.2 21.7 20.2 100Ma前
⒛2 18.7 17.2 15.7 14.2 12.7 11.2 9.7 8.2 6.7 5.2 3.7 2.2 0.7 0 100Ma前
眾所周知，大冰期總是與造山運動相伴出現，這有其必然性。因為地勢平坦時，大氣熱機效率很低，使得行星風系很弱，極——赤溫差很小，不會形成大冰期；只有當造山運動使地勢變得不平坦時，大氣熱機效率才會大提高，使行星風系大增強，極地大降溫，才能形成大冰期。第四紀大冰期是與青藏高原隆升緊密相伴的。造山運動的構造營升力來自於地核環流轉變為“強對流型”，而銀河旋臂與地磁極同向且相互作用時間在40Ma以上，是使地核環流被激發為“強對流型”的必要條件。
青藏高原的隆升與第四紀大冰期的形成是說明上述觀點的一個典型個例44.57MaBP，地球磁極開始轉為正向，它與銀河系的正極旋臂即開始相互作用，使地核環流從“準地轉型”開始向“強對流型”過渡，青藏高原開始抬升，隨著地磁極性倒轉為負極，高原抬升運動停止，變為夷平運動。如此在45Ma的時間內經歷多次反覆2.5MaBP青藏高原被抬升至2000m左右的高度，高原季風大轉型，才開始出現第四紀大冰期。
冰期與地磁強度變化
冰期、間冰期為105a的旋迴，比大冰期短3個量級，一般認為它是米氏周期的結果，但有很多問題用米氏理論解釋不通，如近73萬年來青藏高原被公認為有3次冰期，即末次冰期（1～7萬年前）、倒數第二次冰期（13～30萬年）和倒數第三次冰期（50～72萬年），其時間間隔遠超過10萬年，用米氏理論不好解釋。事實上，地球軌道的三要素的綜合可使極地的太陽輻射量變化達20%～30%，但使中緯地區的變化量卻小於5%，因此筆者認為關於青藏高原冰期的成因應另尋解釋。用地磁場的變化或許是一種更合理的解釋。“倒三冰期”是青藏高原隆升的凍結高度時，所必然出現的一次“最大冰期”。從Kukla(1987年）給出的西峰磁化率曲線可知，1～7萬年前和22～35萬年前為兩個磁化率低值時段，它們基本上與末次冰期和倒數第二次冰期相吻合；而8～13萬年和48～55萬年為磁化率高值時段，它們又與間冰期基本相合。再從王蘇民等（1996年）給出的若爾蓋剖面的結果可見，2～5萬年之間出現過4次磁極性漂移（極漂），16～26萬年之間亦出現過5次極漂，而5～16萬年之間僅出現過1次極漂，極漂事件頻繁的兩個時段，恰好對應著兩次冰期；極漂事件很少之時，則對應著間冰期。這亦表明：地磁弱時易出現冰期，地磁強時易出現間冰期。這一結論似乎與上一節的結論有矛盾，其實並不矛盾，形成大冰期的直接原因是地形隆起，它要求磁場強，且相互作用時間較長；對冰期，甚至小冰期和冰川波動，因時間尺度較短，地形的升高已不是主要矛盾，它所要求的地地熱釋放較少，有利於降溫，地磁弱時較容易滿足這一條件。
小冰期與太陽磁場變化
15、17、19世紀亞歐大陸發生了三次明顯的冰進，冰川學界稱之為“小冰期”，它的時間尺度是102a，比冰期又短3個量級。這3次冰進剛好與3次太陽黑子極小期(19世紀極小）基本對應，其中出現在17世紀的Maunder極小期是2000多年來太陽黑子最少的一個時段。黑子少意味著太陽磁場弱，它與地磁場的耦合作用亦將變弱，致使冰期前進。小冰期是地球史上有名的災害群發期（所謂“明清災頻期”），另一個“兩漢災頻期”也是出現在太陽黑子的極小期中。大地震大旱魔在中國大地上接連逞凶。從冰芯記錄中可知，在高山冰川區“小冰期”是一個低溫、降水略多的時段，這與同期山外平原區是一個低溫、乾旱時段有所不同。這種差異似乎是大氣中地形性熱力環流調整的結果。
冰川波動與氣候變化
冰川波動一般包括冰舌進退（其特徵時間為101a）和冰川物質平衡，零平衡線高度變化（其特徵時間為100a）等幾項內容，它們均與短氣候變化緊密相聯。近40多年是各種地學資料最多的年代，可以進行較仔細的討論。有些氣候學家認為，在這段時間裡出現過兩次氣候突變，一次在60年代中，一次在80年代初。或者說，可以將此40多年的氣候分為三個時段。以下將60年代中至70年代末這一時段簡稱為70年代，重點討論此時段的冰川與氣候波動及其可能原因。
70年代是北半球的低溫時段（南半球為高溫時段），中國大部份地區是低溫少雨時段，青藏高原積雪面積亦變小。可是由於地形性熱力環流的調節，使高海拔區在該時段的降水反略有增加，於是前進冰川的比例大為增加。這一點與“小冰期”的情形頗為相似。
70年代是地球自轉的慢段，是太陽黑子的相對低值時段，也是中國大陸地震多發的時段。這些特點均與“小冰期”相似。它們之間是否有什麼共同的地球物理過程在其中起作用？這是值得地球科學家著力研究的問題。
可能機制
地球與宇宙之間除了有引力的相互作用外，還有熱和磁的相互作用。“熱”首先是作用於地球表層，這已為人們所認識。“磁”則首先應作用於地球外核，因外核是磁流體。當太陽系（或銀河系）磁場與地球磁場同向時，則若磁場增強將會激發地核流體中的對流活動增強；反之，會使地核中的對流活動減弱。地核環流通過核幔邊界影響地幔對流的方式應有多樣，其中太平洋之下的地核對流與全地幔對流之間的相互耦合應是其一種，有跡象表明，太平洋的地幔對流可能是全球最強之一。
當太陽系磁場減弱時（如太陽黑子減少），通過電磁相互作用使地核對流減弱，於是從地核向上傳的熱量減小，這可能是小冰期和本世紀70年代氣溫降低的基本原因；另一方面因為地核對流減弱，使得太平洋之下地核的“距平”環流變為下沉流，它通過粘性作用帶動核幔邊界層作“距平”向西運動，這是地球自轉減慢，西太平洋和東亞大陸地震活動增強的原因。而東亞大陸地幔此時為“距平”下沉流，它是亞歐地區氣溫和地溫降低、降水減少的基本原因。此時，大陸上空出現大尺度的“距平”下沉氣流，使雲量減少，這有利於地形性熱力環流增強，致使高海拔區的降水不至減少甚至略有增多，造成了冰川活動以前進為主。這是筆者對“小冰期”和70年代冰川相對前進的原因解釋。這一構想是否正確，有待實踐檢驗。有一點可以肯定的是，實際情況遠比上述構想要複雜，宇宙磁場不僅僅影響到太平洋下的地核流場，它還將影響到地核三圈環流、過赤道環流全球尺度的地核流場，使地球表層呈現出紛繁複雜的變化。
