地球的气候变化
　　晴雨冷暖，每一天的天气都不同。春夏秋冬的天气也不同。今年和明年，气候会有差别。这些，都是我们留意到的。但是，你可曾想过，这十年，这百年，和那十年，那百年，不论是将来的，还是过去的，它们的气候都会有所不同呢？你又可曾把目光投向更远的时代，想过千年、万年、亿年之前、之后的气候和今天，会有什么差别？——康熙皇帝生活的时代，罗马帝国的时代，山顶洞人生活的时代，恐龙生活的时代，地球的气候是否和现在有重大差别呢？是的，这个问题可以回答，那就是，地球历史上，气候曾无数次变化过，有的变化有规律，有的变化没有规律，有的变化缓慢，有的却是突变。但无论怎样变化，都有原因，并且在这里我可以大致地回答。
　　影响地球气候的因素，主要有四个：地球表面海洋和陆地的分布情况，地球绕太阳运转的轨道状态，太阳放热的功率，地球大气层中二氧化碳等气体的含量。其中，海陆分布对于气候的影响缓慢而持久，一般要几百万和几千万年才变化一次，并且似乎没有规律可循。地球轨道的变化则是有规律的，就象钟摆一样周期性摆动，一个周期或者是大约2万年，或者是4.1万年，或者是大约10万年。这三个周期糅合在一起，因此在地球轨道变化的影响下变化的气候也不象钟摆那样有精确的周期，但是可以从数学上预测、推算。第三个，太阳放热功率的变化，或者说太阳活动，也是有周期的，但是周期不是那么精确。最后，二氧化碳的影响，就是温室效应，目前是最受关注的了，它对地球气候的影响被认为是比较迅速的。也就是说，二氧化碳浓度一变化，气温也很快变化。不过，除了目前这个大量燃烧石油和煤炭的时代外，地球历史上二氧化碳浓度的变化并不怎么剧烈，而是缓慢的。这四个因素中，海陆变化我不太感兴趣，其余三个，我分开来讲。
　　
　　地球轨道的变化
　　许多朋友都看过《冰河世纪》（The Ice Age）这部动画片，也听说过“冰河期“这个词。实际上，“冰河期“就是The Ice Age,恰好和上面这部动画片同名。顾名思义，这是指地球历史上一段冰天雪地、非常寒冷的时期。那么这个时期离我们有多远、那个时候的气候有多冷呢？实际上，地球历史上，在最近两百万年内，一共出现了上百个这样寒冷的时期，它们是近乎周期性地出现的。但我们平时指的这个“冰河期“，是离我们最近的一次，也称为“末次冰期“，The Last Ice Age，它开始于大约7万年前，结束于11000年前。在北美，这次冰期被称为Wisconsin(威斯康新)冰期，和Wisconsin大学同名；在欧洲大陆，它被称为Weichsel,或者Wurm，玉木冰期；在英国称为Devensian冰期。在我国，末次冰期被称为大理冰期。
　　在末次冰期，格陵兰岛的冰雪加厚，并向边缘扩张。另外，北美大陆上也出现了类似南极洲、格陵兰岛的巨大冰块（这种冰块称Ice Sheet,冰盖），厚达2-3公里，覆盖了现今的加拿大，阿拉斯加，还有美国的北部，成为Laurentide Ice Sheet，劳伦泰冰盖。在北欧，就是现今的挪威、瑞典、芬兰、波罗的海的地方，也有这么厚的冰盖出现，它被称为Scandinavia Ice Sheet，斯堪地那维亚冰盖。至于西伯利亚和青藏高原，有人认为有大冰盖出现，有人认为只有零星的、分布在山顶的冰块。这么多冰雪是从哪里来的呢？是从海洋里来的。海水蒸发，在这些地方形成雪下下来，经过成千上万年的积累，却不融化（因为当时的夏天太凉了），就形成了很厚的冰盖。于是，地球就变成一片冰天雪地了。不过南半球的大洋洲、南美洲和非洲却没有出现这样的冰川。与此同时，海洋失去了大量的水，海平面下降了上百米，象渤海、黄海、挪威海，都露出水面，成为草原动物的乐园。海水也因为浓缩而变得更咸。
　　出现了巨大冰盖的直接后果之一，就是当地的动物不能生存，大举南迁，于是就出现了《冰河世纪》上成千上万的动物排成长队向南开进的壮观景象。这当然只是动画片的夸张，实际上，冰盖的形成要经历成千上万年，而不是在一瞬间形成，所以动物的迁移不会那么集中、那么大规模。动物的迁移也不会那么有秩序，呵呵。对于猛犸象，末次冰期的确是它们的末日，它们大约在2万年的时候灭绝了。
　　那么，现在转到中心问题，那就是，为什么在末次冰期，就是7-1万年的这个时期内，气候会变得这么冷呢？这是比较专业的问题，我试着粗浅地说一下。在这个时期，地球轨道的形状和地轴的指向发生改变，使得北半球的夏半年（或者简单地理解为夏天）短促而凉爽（那时侯的北半球夏天，地球离太阳较远），于是高纬度地区春天、夏天、秋天的降雪不容易融化，从而一年年积累下来。
　　天体的变化具有精确的周期性，所以地球气候也会有类似的周期性变化，出现冰期－间冰期的不断交替。
　　
　　研究古气候的方法
　　在讲新仙女木事件和8200年冷事件之前，先讲一下地质学家研究古气候的方法吧。
　　地质学家研究古气候，主要是通过分析沉积物，“读取“里面的环境信息。
　　在湖泊、海洋、河流入海口这些水域的底部，不断地有泥沙、动植物的残骸沉积下来。年复一年，这些沉积物一层层地、均匀地铺在水底，形成沉积层。这沉积层就象一本装订好了的历史书，每页上都记载着当时的环境条件。
　　温度、降水、生态状况这些环境信息怎么保存在沉积物中呢？让我举例说明。某个时期生活在水里的动物可能留下化石，我们挖掘出这些化石，就知道当时生活了哪些动物。即使是陆生生物的尸体，也有可能被埋葬在水里，例如黄河象。（至于生物残骸怎样来到沉积物中，请参见我的博客《沉积岩》一节。）现在的分析手段越来越高明，已经可以从沉积物中提取出花粉、蜗牛、植物体内的硅质晶体（不同植物有其特有的晶体类型），甚至古代的微生物，也可以分析出来。并且，这些分析方法已经相当成熟了。所以，我们可以知道的古代环境信息是丰富的。不同生物喜欢的环境不同，根据古生物的类型我们可以推断当时的气候。例如，有的蜗牛喜欢温暖潮湿的环境，另一些则偏好干冷的气候，暖湿类型的蜗牛大量出现的沉积层位，通常对应了当时温暖湿润的气候条件。反之，冷干类型蜗牛的繁盛，则表明气候干燥寒冷。植物、甲壳动物的类型也有相似的指示意义。
　　我们不仅能弄清当时到底有些什么植物、动物，还能通过分析这些生物残骸的化学成分了解当时的气候状况。例如，海洋沉积物中的有孔虫化石，其氧同位素含量可以指示当时的海水温度、含盐量。在气候温暖湿润的间冰期，海水温度较高，盐度也因为冰山消融注入的大量淡水而降低。反之，如果某个时期海水又冷又咸，我们就可以推断，这个时候气候寒冷，两极形成了大量的冰山，是冰期。
　　除了生物化石外，沉积物中的其它成分也可以用于推断当时的环境。例如，沉积物的有机碳含量可以反映当时的植被状况，沉积颗粒的大小可以反映水流的强弱，某些特殊的分子的含量与温度有关系，等等。
　　总之，一句话，研究沉积物可以帮助我们了解地球历史上的气候变化。
　　沉积物是否只有在海洋、湖泊、河口才出现呢？不是的。在地球的许多其它地方，会出现很多奇异、特殊的沉积结构，它们也像一本本书，记录了地球的过去。
　　黄土高原是一片植被稀少的荒地，但是，在世界各地的古气候学家看来，它却是一本内容丰富的书。黄土高原的黄土，是冬季的西北风从亚洲内陆（包括各个斯坦国、以及中国的新疆一带）沙漠吹来的沙尘（包括沙尘暴的沙尘）经过两百万年的堆积形成的。在气候温暖湿润的间冰期，冬天的西北风比较弱，这些沙尘的颗粒就比较细，堆积速率也比较低，同时，由于植被的繁盛，间冰期的黄土（又称为古土壤）呈现棕红色。而在寒冷干燥的冰期，冬季风强盛，夹带大量的沙尘，并且它们的颗粒比较粗，同时，由于缺乏植物根系的作用，间冰期的黄土呈现浅色。这样一来，在最近2百万年的冰期-间冰期交替中，黄土的颜色、颗粒粗细就交替出现，一层深色，一层浅色。大家不妨去黄土高原看一看！这一百多个冰期－间冰期周期的完整记录最开始是在海洋沉积物的有孔虫记录中（见上文）被人们发现。后来又发现，中国的黄土中也保存有同样的记录，并且在年代、冷暖程度上都可以和海洋记录很好地吻合。中国的地质学家刘东生也因为深入研究了黄土中的冰期－间冰期记录而获得国际地质学泰勒奖（相当于其它领域的诺贝尔奖；因为地质学没有诺奖）。
　　有意思的是，南极、格陵兰岛的冰雪、阿尔卑斯山、西玛拉雅山的冰雪也是一年年堆积下来的，也像一本本历史书，蕴含了古气候信息。例如，冰的同位素性质反映了当时的温度。过去40万年中地球平均气温变化的标准记录之一，就是通过测定格陵兰岛冰雪的氧同位素含量获得的。更有意思的是，通过分析封存在冰雪中的“空气化石“（一些气泡），人们可以知道过去的大气成分，例如二氧化碳含量。——我们为什么知道现在的二氧化碳含量比过去几十万年都高呢？就是因为这个。
　　上面的海洋、黄土、冰盖是研究地球气候变化最重要的三种材料。此外，湖泊沉积物、树木年轮、沼泽中的泥炭沉积，甚至溶洞中的石笋、岩石上地衣的生长轮、海底的珊瑚生长轮，都可以用来推断古代气候状况。
　　我们怎么知道某个层位的沉积物属于哪个年代呢？别管了，地质学家们总是有办法的，并且办法很多。容我略去吧，太累了......
　　
　　新仙女木事件和8200年事件
　　冰河世纪结束以后，地球气候于大约一万七千年前开始变暖，气温逐渐回升，两极、北美和北欧的冰川开始消融，海平面逐渐上升，渤海、黄海、挪威海的草原又被水淹没。到了一万三千年前，北美和北欧的冰雪已经融化了相当大一部分，南北半球春暖花开，一片繁荣景象（很俗的描写，哈哈）。但是，就在这时，在12640年前，气温又骤然下降了，世界各地转入严寒，两极和阿尔卑斯、青藏高原等地的冰盖扩张，许多本来迁移到高纬度地区的动植物大批死亡。这一次降温是很突然的，在短短十年内，地球平均气温下降了大约7、8℃。这次降温持续了上千年，直到11500年前，气温才又突然回升。这就是地球历史上著名的新仙女木事件(The Younger Dryas Event,简称YD)。它的得名来由是，在欧洲这一时期的沉积层中，发现了北极地区的一种草本植物，仙女木的残骸。更早的地层里也有同样的两次发现，分别称为老仙女木事件和中仙女木事件。不过那是很早的事情了，并且不太出名。
　　8200年事件也是一次降温事件，在温暖的冰后期气候背景下，气温忽然下降。它发生在8490年-8200年之间，持续不过两百多年，而且气温下降的幅度、波及的范围远远不及新仙女木事件。
　　这两者之间，更出名的当然是新仙女木事件，除了它的影响很大之外，大概还由于它的名字起得浪漫吧！
　　这两次事件发生的原因是什么呢？为什么在全球变暖的背景下气温会忽然下降？
　　很多朋友都看过电影《后天》（The Day after Tomorrow）。其实，里面展示的气候突变事件，就是新仙女木事件的翻版，不过电影里的降温来得更快、更夸张，实际上，新仙女木用了10年才完成降温过程。尽管如此，电影里的洋流变化、冰盖伸展的范围等等，却是有科学根据的，主人公对于全球变暖通过洋流变化引起气候逆转突变的论述也不是凭空臆想。电影制作的过程中肯定请了专业的气候学家做顾问。
　　下面我来说一下这两次事件中气候突变的原因。首先得从洋流说起。
　　在欧洲大陆的西边，大西洋的东北区域，有一支自西南向东北流动的洋流——北大西洋暖流，它给欧洲带去了温暖湿润的空气和丰富的降雨，使北欧的冬天不至于那么严寒。这支暖流也相似地影响到北美东北部。如果没有它，那么北欧的冬天就会变得异常寒冷。不仅如此，北半球很大一部分地区的气温都要受到影响。这是因为，北大西洋暖流是全球洋流系统中很重要的一个成员，它的变化会打乱洋流格局。北大西洋暖流是温盐环流（Thermal-Haline Circulation,简称THC）的一部分。THC就像一个巨大的传送带：在北太平洋和印度洋中部，分别有一个区域，海洋深处的冷水往上涌，来到海洋表层后，向西南流去。这两支寒流会合于印度洋西南部，绕过非洲南端的好望角，进入大西洋，一路长驱北上，穿过赤道，流经墨西哥湾，流经西班牙、葡萄牙西海岸，向大不列颠、冰岛、格陵兰岛开去。到达格陵兰岛南端的时候，由于水温降低，以及连续的蒸发浓缩，它变得又冷又咸，密度很大，于是在这里又下沉。在海洋深处，这支海水循着来时的路，返回太平洋北部和孟加拉湾，然后再次涌到海洋上层。大家可以看到，温盐环流流经很多海区和纬度，并且它的流量是很大的，所以它充当了在不同纬度之间运送热量和水汽的角色。在从低纬度流到高纬度的时候，温盐环流带来热量和水分，这对于处在高纬度的挪威、英格兰等地区是十分珍贵的。同样处在高纬度，北欧却没有阿拉斯加、西伯利亚那么寒冷，就是这个原因。不仅是北欧，几乎整个欧洲、北美大陆的温和气候都受惠于北大西洋暖流。如果它中断了，那么冰川就会在这个地区发育，首先是挪威中部的高山（格利特廷山脉）、阿尔卑斯、北美的阿拉巴契（这个我不确定，这个山脉纬度可能没有那么高，一下子发育冰川可能不大容易），然后，以这些地方为中心，冰川在大陆上铺展开来，覆盖波罗的海，覆盖北欧和北美的广大地区，分别形成冰期时的斯堪第那维亚冰盖和劳伦泰冰盖。冰盖生长过程中，还会由于冰雪大量反射太阳光而造成地球对太阳能的吸收能力下降，引起进一步降温。
　　新仙女木事件和8200年冷事件的时候，正是由于北大西洋暖流减弱、中止而造成上述一系列后果。但是，我还没有谈到为什么北大西洋暖流会中止、这和全球变暖（就像《后天》里所说的那样） 有什么关系。
　　北大西洋暖流中止的原因是全球变暖。为什么呢？
　　因为，在气候变暖的条件下，格陵兰和北欧的冰雪（主要还是格陵兰的）会大量融化，注入北大西洋。这些冰雪融水是淡水，因此本该变得又冷又咸的北大西洋暖流的末梢却变淡了。气温升高也使它不能变得像以前那样冷。所以到了格陵兰岛南端的时候，北大西洋暖流的密度还是那么小，并不比周围的海水重，于是无法下沉。既然这个地区的海水无法下沉，那么南边的海水也就没法北上，就像堵车一样，更南边的海水、以致于印度洋、太平洋的海水也没法向这边流动。于是，温盐环流就死了。也就是说，当大量淡水涌入北大西洋的时候，温盐环流就有停止的危险。在全球变暖的今天，格陵兰岛的冰雪融水的确在逐渐冲淡北大西洋暖流，削弱着温盐环流。
　　但是，新仙女木事件和8200年事件发生时，北大西洋的淡水来源却不是格陵兰岛的冰雪融水，而是另有来源。
　　非常遗憾，新仙女木事件的淡水来源我不太清楚，只有跟大家谈谈8200年事件的淡水注入问题。在8490年前，北美的冰雪还没有完全消融，在那里有两个被冰川形成的大坝围成的大盆地，积满了水，形成大湖。这两个大湖，一个叫Agassiz，一个叫Ojibway。它们的面积大约分别相当于现在美国的五大湖吧，储水量也大约相当。公元前6400年，一直充当Agassiz大坝的冰块忽然崩裂，Agassiz湖决口，大量淡水经由哈得逊湾注入北大西洋，通过上面所说的机制，引起了一次持续几十年的北半球降温事件。之后，气温回升。但是，公元前6200年的时候，Ojibway也忽然决口了，又引起了一次降温。这两次事件隔得很近，所以把它们合在一起，称为8200年冷事件。
　　总结一下，这两次事件的过程是：
　　淡水注入北大西洋——北大西洋暖流被稀释，密度变低、不能下沉——温盐环流中止——地球上不同纬度之间的热量交换不能如常进行，热带更热，高纬度地区更冷——北欧、北美发育冰川——冰川生长反射太阳光，引起进一步变冷
　　谢谢大家！
　　
　　附注
　　1. 更正：本文中的“8200年前““一万七千年前“等年代有误，因为地质学的时间零点，present,不是现在，而是1950年。所以，我上面的这些年代应该减去50年。
　　2. 关于全球变暖和温盐环流中止能够引起全球气候突变的说法，气候学家们有不同见解。由于现在在炒作全球变暖，戈尔和IPCC又刚拿了诺贝尔奖，所以舆论偏向于全球变暖危机说一方。但是，谁知道呢？也许五十年后大家发现一切都是错误的，就像现在我们觉得三十多年前的全球变冷危机说（那时大家认为地球要进入新的一次冰期了）无比荒谬一样。