在過去的大部分時間里，我們的地球溫度都要比現(xiàn)在更熱，有時甚至熱很多。但是，也有時候，地球溫度比現(xiàn)在更冷?？茖W家可能永遠無法知道，在地球大約45.4億年的歲月中，哪個時期絕對最冷。但是研究人員發(fā)現(xiàn)了一些競爭選手。所有這些寒冷的時期，都被認為是古老的冰河時期。

最冷的天氣出現(xiàn)在約20億年前，在大氣層氧氣含量上升后。更多極度深寒則出現(xiàn)在7.5億年前到6億年前。雖然科學家對這些時期的冰川覆蓋范圍沒有統(tǒng)一結論，但有證據(jù)表明，在赤道地區(qū)，冰川幾乎落到海平面高度。

在過去的幾百萬年中，冰川時不時地覆蓋著北半球的廣袤地區(qū)。盡管沒有近乎全球性冰川那么嚴重，但更新世的冰河時期可能帶來了過去5億年中最寒冷的氣候。部分最嚴峻的寒冷氣候大約發(fā)生在2萬年前。

研究巖石記錄

冰河時期是指全球氣溫低于正常水平，冰川和冰蓋也超過正常水平的時期。冰河時期不會導致持續(xù)的寒冷氣候。相反，中間也夾雜著相對溫暖的時期。因此，冰河時期其實是前進冰川（冰期）和后退冰川（間冰期）的混合。盡管相對溫暖，間冰期仍是冰河時期的一部分。

那么，科學家是如何知道古代冰河時期出現(xiàn)的呢？顯然，大陸規(guī)模的冰川向赤道蔓延的時候，溫度計還沒有出現(xiàn)。過去冰河時期的證據(jù)，其實來自于地質學。19世紀初，科學學科出現(xiàn)后不久，地質學家便開始尋找古代冰塊留下的線索。地質學家意識到，冰川可能會在基巖上留下巨大的劃痕，并把巖石移動到遙遠的地方——往往是將巖石扔進大海。

一旦發(fā)現(xiàn)更新世（大約260萬年前到1.1萬年前）的冰川作用痕跡，地質學家就可以知道如何在古老的巖石上識別這些痕跡。將冰川作用的證據(jù)與板塊運動和大陸漂移的證據(jù)相結合之后，地質學家就可以分辨出億萬年前的冰川活動。那時的各個大陸構造，與如今的截然不同。

總體而言，科學家已經從地質記錄中確定了十幾個冰河時期，其中有幾個冰河時期就發(fā)生在最近的5億年前。有些更古老的冰河時期可能更加嚴峻，很有可能是我們地球歷史上最寒冷的冰河時期。

氧氣含量上升與氣溫下降

迄今為止，從地質記錄中發(fā)現(xiàn)的最古老冰河時期為休倫冰河時期。至少其中一個冰期導致了被地質學家稱為“雪球地球”的事件，即整個地球或幾乎整個地球都被冰雪覆蓋。算上期間夾雜的幾個非冰期，整個休倫冰河時期出現(xiàn)于24億年前到21億年前，其成因很有可能是微觀生命的變化。

古生物學家推測，在35億年前，微生物剛出現(xiàn)在地球上時，它們既不消耗氧氣，也不需要氧氣。其實，生命演化之初，地球的大氣曾與我們如今看到的大氣大相徑庭。盡管氮氣含量可能相當，但其他氣體含量要么比現(xiàn)在多很多，要么比現(xiàn)在少很多。二氧化碳含量可能是當前水平的10～2 500倍，而甲烷含量可能也是當前水平的1萬倍以上。那時的大氣中，幾乎沒有氧氣。

科學家們一直在討論，到底從什么時候開始，微生物學會了光合作用，并生成副產物氧氣?？茖W家們給出的估計范圍大約是在35億年前到25億年前。最古老的氧氣制造者可能是現(xiàn)代藍藻細菌或藍藻的祖先。

首先，這些早期光合作用生命產生的氧氣會與海洋中的鐵元素發(fā)生反應，從而在海底形成一層又一層的鐵銹般沉積物。之后，氧氣才開始在大氣中積累。有些氧氣與甲烷發(fā)生反應，生產二氧化碳和水。與此同時，能進行光合作用的微生物種群數(shù)量持續(xù)增長，又消耗了更多的二氧化碳。

二氧化碳是一種溫室氣體，甲烷則是一種更強大的溫室氣體。當大氣中這些溫室氣體的濃度下降時，全球氣溫也隨之驟降，最終導致地球進入到一系列的冰河時期。休倫冰河時期和間雜的非冰期大約共持續(xù)了3億年之久。有證據(jù)表明，當時的冰川在赤道地區(qū)接近海平面的高度。如今赤道地區(qū)仍有冰雪覆蓋，但僅限于高海拔位置。

這些冰河時期的地質證據(jù)最早于1907年在休倫湖附近的冰川沉積物中被發(fā)現(xiàn)。自那以后，地質學家在北美其他地區(qū)，以及南非、西澳大利亞和歐洲東北部均發(fā)現(xiàn)了更多冰河時期的地質證據(jù)。

氧氣含量的上升，在使得地球越來越寒冷的同時，也促進了呼吸氧氣的復雜生命的演化，并形成了地球的臭氧層。臭氧層又可以保護地球生命免受紫外線輻射的傷害。

極寒再次來襲

在地球歷史中的成冰紀期間，極寒再次來襲。在7.5億年前到6億年前，地球至少兩次陷入極度深寒。由于成冰紀屬于前寒武紀元古宙新元古代，其間發(fā)生的極寒事件有時也被稱為“新元古代雪球地球”。

科學家們仍在繼續(xù)討論新元古代的冰凍成因，以及隨后又解凍的原因。火山可能是讓地球進入冰川期，又讓地球走出冰川期的背后力量。大約7.5億年前，多數(shù)大陸聚集在赤道附近。在這片聚集在一起的大陸中，地質學家已經找到所謂的“大火成巖省”的證據(jù)。這里的“大”，只是一種保守的說辭。你可以想象一個面積如大陸般遼闊的火山活動區(qū)域。如此龐大的火山爆發(fā)，或許可以用兩種方式，使地球冷卻。

當火山釋放出二氧化硫時，該氣體會在大氣中發(fā)生各種化學反應，形成極易反光的硫酸鹽。硫酸鹽顆粒猶如數(shù)10億個微型鏡子，可以阻擋陽光。硫酸鹽的冷卻潛力在地球的赤道附近尤其明顯。同樣地，火山噴發(fā)會帶出的大量玄武巖，隨之而來的巖石風化也會冷卻地球。隨著時間的流逝，雨水、風和化學變化等會侵蝕火山巖。滲入巖石的雨水和地下水可以溶解二氧化碳，將二氧化碳從大氣中剝離出來，最終使其形成諸如石灰石一類的碳酸鹽礦物。

如果全球氣溫下降得足夠快，冰塊就會開始積聚，而冰塊反射大部分太陽光的能力又進一步降低了地球的溫度。

地質學家已經確定了新元古代的兩個冰期：斯圖特（Sturtian）冰期，大約在7.2億年前到6.6億年前;馬里諾（Marinoan）冰期，大約在6.4億年前到6.35億年前。這兩個冰期留下的巖石層顯示了迄今為止在地質記錄中發(fā)現(xiàn)的極寒冰期的最廣泛證據(jù)。

在這兩個極寒的冰期之間，地球似乎還經歷了同樣極端的溫室氣候。這一極端氣候的根源，或許仍與火山活動有關。

長期來看，火山釋放的二氧化碳和巖石風化消耗的二氧化碳，可以互相制約。但是，由于幾億年前冰層覆蓋了幾乎整個地球，氣候變得太冷而無法產生大量降水，巖石風化過程逐漸放緩。同時，增加的海冰又減少了藍藻細菌在海洋表面獲得光照的能力，光合作用也變少了。

但是，火山仍在不斷釋放二氧化碳。沒有了巖石風化或光合作用活動消耗大氣中的二氧化碳時，這種溫室氣體就會一直積累，進而導致全球氣溫逐漸升高。一旦氣候變暖，足以融化熱帶的冰塊時，溫度上升就會加速。在失去大量可以反射光的冰塊后，地球又可以吸收更多的太陽能。隨后的大融化可能會引起劇烈、快速的巖石風化，最終開啟第二次冰期。

和休倫冰河時期一樣，在成冰紀的冰期，赤道附近的冰川也接近海平面。但是，新元古代的冰川覆蓋程度——無論是雪球地球還是融雪球地球——仍是一個活躍的研究領域。

最近的冰期

巖石記錄顯示，盡管地質學家已經發(fā)現(xiàn)多個冰河時期的證據(jù)，但是在過去的5億年中，休倫冰河時期和成冰紀冰期最為嚴峻。盡管3億年前到2.5億年前出現(xiàn)的寒冷氣候或許可以與之一較高下，但過去5億年內發(fā)生的最嚴峻冰期也可能是最近的一次冰河時期。

這次冰期發(fā)生于更新世時期，大約起始于260萬年前，一直持續(xù)到大約1.1萬年前。

和其他冰河時期一樣，這最近的一次冰河時期也帶來了一系列的前進冰川和后退冰川。事實上，嚴格來說，我們目前仍處于冰河時期。我們眼下正好生活在間冰期而已。

大約5000萬年前，地球溫度升高，以至于極地冰蓋都融化了。但是從那之后，地球的溫度一直在下降。大約從3400萬年前開始，南極冰蓋再次逐漸形成。南美洲與南極洲或許也因此分離，開辟出德雷克海峽。除了給幾代的航海者帶來挑戰(zhàn)之外，德雷克海峽還創(chuàng)造了南極繞極流。這個環(huán)繞南極洲由西向東的洋流，減少了抵達南極洲的海洋熱量，使得南極洲的冰層得以繼續(xù)形成和增長。

地球進入其最近的冰河時期可能跟另一個地殼運動也脫不開關系。巴拿馬地峽形成于450萬年前，是南北美洲之間的陸橋。在巴拿馬地峽形成之前，大西洋和太平洋可以自由地交換熱帶海水。但是巴拿馬地峽的出現(xiàn)，阻斷了兩大洋之間的海水交換，并使溫暖的咸海水一路北上，進而增加了北半球高緯度地區(qū)的降水量。積雪漸漸累積成為冰川，最終變?yōu)楸w。這些巨大的反光冰塊又讓地球的冷卻趨勢得以延續(xù)。

一旦地球寒冷到足以形成冰蓋的程度，這些冰蓋會在2萬年前到1萬年前的時間范圍內增加或減少，部分原因在于米蘭科維奇循環(huán)。地球軌道上的這些可預測的變化包括離心率（地球繞太陽軌道的變化）、轉軸傾角（地球轉軸傾斜角度的變化）以及軌道進動（地球自轉軸方向的擺動）。這些變化可以通過改變地球表面獲得的太陽能分布，來影響氣候。

最近的一次極寒冰期大約發(fā)生在2萬年前。當時的全球氣溫可能比今日的氣溫低10華氏度左右（5攝氏度）。在更新世冰河時期最寒冷的時候，冰蓋延伸到北美洲和歐亞大陸的大部分地區(qū)。若沒有這些冰蓋和后續(xù)的融化，我們今天就不會有五大湖、尼亞加拉大瀑布以及華盛頓州和俄勒岡州的河道疤地。

大規(guī)模冰蓋什么時候會再向著赤道地區(qū)前進呢？它們可能不會按照米蘭科維奇循環(huán)預測的時間卷土重來。米蘭科維奇循環(huán)對全球氣候的影響各不相同，有的更明顯，有的則不那么明顯。當大氣層中的二氧化碳含量超過百萬分之三百時，該氣體的貯熱能力將足以抵消更加微妙的米蘭科維奇循環(huán)。當前，大氣層中的二氧化碳含量已經超過了百萬分之四百，又由于二氧化碳是一種長期存在的氣體，如此高水平的含量或許可以持續(xù)數(shù)千年。這并非是說，下一個冰期永遠不會到來，只是可能會遲到一些時候而已。