这个简单的技巧可以预测冰河时代何时会暂停

一切始于一封电子邮件。三年前，伦敦大学学院教授 Chronis Tzedakis 刚刚向本科地质学班学生解释了冰河时代的基本周期；地球如何经历冰川期，随后冰川融化，进入温暖期。有时，这些时期之间的时间差异很大。

“我试图在一年级本科生的讲座上非常广泛地谈论这个问题，”泽达基斯说。“然后一个学生给我发了一封电子邮件，说‘好吧，你能解释一下为什么会这样吗？’”

泽达基斯开始写一封长长的电子邮件回复，概述了基本情况，但在打字时，他意识到自己无法为学生提供一个简单、令人满意的解释。

在接下来的两年半里，最初是一封发给学生的电子邮件，后来演变成对现有文献的回顾，最后，本周，与来自世界各地的三位合作者在《自然》杂志上发表了一篇论文。在这篇论文中，Tzedakis 和他的同事对他的学生的问题给出了答案。他们说，间冰期可以通过两个因素来预测：夏季照射到北半球的阳光量和之前冰川期的长度。

间冰期是冰河时期的暖期，通常持续几千年。严格地说，我们现在正处于间冰期，它开始于大约 11,700 年前。

搞清楚是什么引发了冰期（冰川增长）和间冰期（冰川消退）之间的转变，可以让我们更多地了解地球气候如何运作，特别是与太阳的关系。

时机就是一切

地球绕太阳公转时，其轨道会以独特且可预测的方式发生变化。随着时间的推移，地球的轨道可能会变得更椭圆，或者其轴线会更靠近或远离太阳，而且在整个过程中，地球的轴线都会缓慢摆动。所有这些变化都会持续数万年，但它们可以改变地球在北半球或南半球获得的阳光量，而太阳热量分布的这些变化与冰河时代的兴起和衰落密切相关。

然而，尽管地球轨道的变化是可以预测的，地质记录却显示冰川期并不是那么一致。在 260 万至 100 万年前，冰川期遵循着一个简单的模式，大约每 4.1 万年就会出现一次上升和下降的周期——或者大致与地球轴线向太阳倾斜和远离太阳的时间相同。

随后，大约 100 万年前，冰川期开始延长，周期持续约 10 万年。太阳辐射没有改变，但其他东西却发生了变化。

Tzedakis 用冰川长度作为变量来解释这一变化。虽然他的论文和公式没有解释冰川长度变化的原因，但他指出，较大的冰盖比较小的冰盖更不稳定。

“冰期越长，冰盖就越不稳定，”茨迪基斯说。这可能由多种原因造成。较大的冰盖可能在结构上不稳定。它可能会进入南纬地区，在那里可以吸收更多的光线，或积累更多的吸热污垢和灰尘。或者它可能将地球表面推得太低，以至于到达更温暖的海拔，在那里它更容易融化。不管是哪种原因，茨迪基斯说，较大的冰盖会减少导致冰川消融所需的阳光量——几乎就像折扣率一样。

但通常情况下，还需要进行更多的研究。

“这提供了一个简单的规则，但它没有告诉我们气候系统发生了什么细节，”哈佛大学气候科学家 Peter Huybers（未参与这项研究）说。“这是一个起点，让我们可以更好地了解冰川消融的原因以及冰川消融为何发生变化。”

不幸的是，了解冰川过去的行为方式并不能帮助我们预测未来的气候将如何变化。

“我认为当前的气候变化意味着整个系统已经被破坏了，”Tzedakis说道，“我们在很长一段时间内都不会再有冰川作用了。”

休伯斯还指出，我们今天看到的变化与之前观察到的变化发生的时间尺度截然不同，不同的气候机制无法轻易进行比较。

“我们讨论的时间尺度截然不同。自上一次冰川消融以来，二氧化碳浓度在 10,000 年内变化了 100 ppm，从 180 ppm 上升至 280 ppm，”Huybers 说道。“一百年间，二氧化碳浓度从 280 ppm 上升至 400 ppm。”

回顾过去

由于涉及大量变量，拼凑地球过去气候的行为非常困难，但拼凑行星轨道的运动和变化也并非易事。我们知道今天行星相对于太阳和彼此的行为方式，但要追溯到数百万年或数十亿年前，要弄清楚哪些轨道变化可能影响了地球的气候，可能很棘手。

但研究古老的粘土、泥土和沙子沉积物可以帮助研究人员解开这个星球神秘的过去。

在同一期《自然》杂志上发表的另一篇论文中，研究人员发现了可追溯到数百万年前（白垩纪）的沉积层，这些沉积物表明气候变化很可能是由地球轨道模式的变化引起的，这种模式与我们今天观察到的模式不同。

这为一个古老的观点提供了依据，即行星的轨道并非精确无误，在数百万年内始终保持不变，而是会略有变化，行星地质学家将这种情况称为“混乱”。这并不意味着行星像碰碰车一样在整个太阳系中巡航。在这种情况下，混乱只是意味着太阳系中各种条件的微小变化都会导致轨道随时间发生变化，研究人员如果没有行星质量和运动的精确细节，就很难模拟这种情况。

这篇论文支持了行星混沌理论，论文作者之一斯蒂芬·迈尔斯说，“但它也表明地质记录拥有衡量混沌和纠正混沌的关键信息，”迈尔斯说。

这两项研究考察的时间尺度截然不同：几千年与几百万年，但均有助于表明地球日常气候与太阳系内行星运动之间的联系。

“对我来说，地质学和天文学之间的相互联系令人着迷。仰望星空，低头看岩石，这两个领域相互影响，”迈耶斯说。