本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
“火與冰”
有人說世界將毀於火，
有人說毀於冰。
從我所體驗過的慾望來看，
我贊同那些贊成火的人。
但如果世界必須毀滅兩次，
我想我足夠了解憎恨，
要說毀滅的冰
也同樣強大
而且足夠了。
羅伯特·弗羅斯特，美國詩人 (1874-1963)
一個地區的氣候，正如透過對涼爽的早晨和炎熱的午間的日常觀察所體驗到的那樣，在很長一段時間內被簡單地認為是太陽在地平線以上高度的結果。這種觀點迫使人們對地球上氣候的分佈產生一種非常簡單的看法，即溫度向兩極下降，向赤道升高，從而形成如此大的平行氣候帶。這樣一種靜態的地球觀也不需要甚至不允許過去或未來的氣候變化。
隨著第一批地質學家和博物學家確立了深層地質時間，人們清楚地認識到，不僅海洋和陸地的分佈隨時間而變化，氣候也是如此。
支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。透過購買訂閱，您將有助於確保有關塑造我們今天世界的發現和思想的有影響力的故事的未來。
德國哲學家戈特弗裡德·威廉·萊布尼茨（1646-1716）想象了一個曾經熔化的地球，由熱氣體和塵埃的聚集形成，緩慢冷卻並形成穩定的地殼。根據萊布尼茨的說法，這種冷卻至今仍在繼續，從而能夠在兩極形成大型冰蓋。這一假設推測的過去更溫暖的氣候，似乎也得到了在歐洲和西伯利亞發現的假定熱帶動物的化石遺骸的支援，例如大象、獅子甚至犀牛。
圖 1. 在多洛米蒂山脈（阿爾卑斯山脈）的孔圖裡內斯洞穴中，一位業餘化石獵人在 1987 年發現的洞熊（Ursus spelaeus）骨骼的複製品，這是發現此類化石的最高地點（海拔 2700 米）。今天，洞穴周圍是貧瘠寒冷的高山景觀；無法為如此大型的動物提供營養，但是當這些熊在 10 萬年前生活在這裡時，氣候一定更溫暖，植被茂盛。在歐洲各地洞穴中發現的類似假定熱帶動物的化石遺骸也提供了對過去氣候變化的初步瞭解。
法國博物學家喬治-路易·勒克萊爾，孔特·德·布豐（1707-1788）將這些動物的滅絕與過去和深刻的氣候變化聯絡起來，在歐洲可能是突然的降溫事件——他總結說：“不可能將大象變成馴鹿。”
如果這種降溫持續下去，他在他的著作《Petrifications et fossils》（1786）中預見到地球的黯淡未來
“水的減少，加上生物的繁殖，只能將整個地球被冰層包裹和自然界因寒冷而死亡的時間推遲幾千年。”
偉大的蘇格蘭地質學家查爾斯·萊爾爵士（1791-1875）也試圖解開過去氣候變化的謎團，越來越多的古生物學和地質學線索證明了這一點。萊爾否認了突如其來的變化，因為在當時，如果不求助於神秘或未知的力量，就無法解釋這些變化。萊爾還將地質時間視為一個迴圈，這個想法是從天文學和行星的天體運動中借鑑而來的。他將地球的歷史和已經發生的氣候變化比作“地質年”，有秋季、冬季、春季和夏季——就像地球繞太陽運動一樣有序和相似。
動植物物種完美地適應了這些“地質季節”。萊爾原則上否認了滅絕的可能性，他認為化石記錄中物種的明顯消失是地層柱儲存非常不完善的人為結果，而且如果一個“地質”季節結束，一些動植物物種確實會減少（使其更不可能變成化石），與此同時，其他物種蓬勃發展，這是一種隨時可逆的模式。根據萊爾的說法，有一天可能會出現這種情況
“那麼，那些動物的屬可能會返回，它們的遺蹟儲存在我們大陸的古老岩石中。巨大的禽龍可能會在樹林中再次出現，魚龍可能會在海洋中再次出現，而翼手龍可能會再次飛過樹蕨的濃蔭叢林。”
哺乳動物在某些地質時期不是化石記錄中的主要群體，這僅僅是氣候的過錯，氣候不利於它們的發育，但有利於爬行動物或魚類。
圖 2. 萊爾的迴圈時間和氣候的願景啟發了地質學中最著名的漫畫之一。在《地質學原理》第一卷出版的同一年（1830 年），在關於自然奇聞異事的書的引言中（弗朗西斯·巴克蘭的《自然歷史的奇聞異事》，1858 年版）突出地描繪了“魚龍教授”，向他的爬行動物學生們講課。這幅漫畫是由地質學家亨利·德拉·貝什（1796-1855）繪製的，他想象在遙遠的未來，在氣候變化之後，正如背景中熱帶植被所暗示的那樣，巨大的海洋爬行動物討論了下頜弱小、牙齒細小的奇怪生物——哺乳動物的劣勢，它們在漫長的冰河時代失去了統治地位。
萊爾在他的《地質學原理》（第一版 1830-1832 年）中解釋說，這些週期性的氣候變化是一個緩慢而穩定的過程，主要受地球上陸地和海洋的分佈以及岩石和水對熱量和輻射吸收差異的控制。陸地主要分佈在兩極會導致全球降溫，如果陸地聚集在赤道周圍，吸收大部分太陽輻射，結果將是全球變暖。
圖 3.萊爾在他的《地質學原理》（第 8 版，1850 年）中釋出的全球地圖，用於說明過去的氣候變化。
萊爾假設，透過海平面變化，相當於現代大陸的陸地面積可以出現或沉沒。他寫道
“當陸地集中在赤道和熱帶緯度時，極地氣候溫和。在赤道陽光下過度加熱的陸地會產生溫暖的氣流，向北席捲。另一方面，陸地集中在兩極周圍會產生相反的效果。赤道沒有陸地吸收熱量，也沒有暖風進入極地地區。”
在萊爾的書出版後不久，一種簡單的穩步降溫或升溫的氣候觀點受到了大氣中氣體或太陽黑子數量對地球溫度影響的挑戰。但最重要的發現是，來自古代冰川的沉積物延伸到遠離山區或兩極的中緯度地區。這種冰川和冰蓋只能用新出現的冰河時代理論來解釋，其特徵是地質近代突然發生的溫暖和涼爽氣候。
1842 年，法國數學家約瑟夫·阿方斯·阿德瑪爾（1797-1862）闡述了一個假設來解釋週期性發生的冰河時代。他計算了過去地球軸心的“方向”和偏角以及地球繞太陽“運動”的變化，這些引數影響了到達地球的太陽輻射的時間和數量，從而導致週期性的氣候變化。阿德瑪爾提出，在 11,000 年的時間裡，經歷較長冬季的半球將會發展成冰河時代。但他的想法存在一個重大缺陷，1852 年，德國地理學家和探險家亞歷山大·馮·洪堡（他對南美洲的細緻觀察為理解氣候做出了顯著貢獻）指出，阿德瑪爾沒有考慮到，即使一個半球經歷較低的輻射，相對的半球也會經歷增加，因此最終地球上的能量總和或多或少保持不變。
儘管首次解釋地球氣候的嘗試失敗了，但阿德瑪爾的工作對啟發後來的研究和博物學家產生了重要影響。
1833 年，蘇格蘭珀斯郡一位貧窮的石匠的兒子詹姆斯·克羅爾（1821-1890）購買了一本《便士雜誌》，這是一本旨在兒童教育的雜誌。他被迷住了，開始廣泛閱讀科學方面的書籍：“起初我完全困惑，但後來這些想法的美麗和簡潔給我帶來了快樂和驚喜，我開始認真地研究這個問題。”
在經歷了動盪的歲月之後，克羅爾在格拉斯哥的安德森學院找到了維護主管的工作，在那裡他可以訪問圖書館，他充分利用了這一資源。
“那時，地質學家們對是什麼引發了冰河時代的問題進行了廣泛的討論。因此，在 1864 年春天，我將注意力轉向了這個主題。”
從 1864 年起，克羅爾就冰河時代與地球軌道變化之間的聯絡與查爾斯·萊爾通訊。克羅爾在他的計算中使用了阿德瑪爾尚不知道的一個重要因素，即近日點和遠日點沿地球黃道的“運動”（歲差）。 1875 年，他將他的計算結果發表在一本名為《氣候與時間，及其在地質學上的關係》的著作中。
地質學家阿奇博爾德·蓋基評價了克羅爾的工作
“在我看來，天文理論似乎是目前冰河時代謎題的最佳解決方案。它包含了交替冷暖期發生的所有決定性因素，並解釋了冰期和間冰期氣候的特殊特徵。”
但仍然存在一個問題，即使當時的測年方法非常原始，最多也只是近似值，地質證據支援已繪製的冰川沉積物的年齡非常年輕，但在克羅爾的理論之後，最後一個冰期在 80,000 年前結束。當備受尊敬的克羅爾去世時，地質學家認為他的理論是錯誤的。
蓋基總結道：“很可能，透過對他觀點的某些修改，我們將解開這個秘密。但就目前而言，我們必須繼續工作和等待。”
塞爾維亞人米盧廷·米蘭科維奇（1879-1958）儘管認識到前人的成就，但也注意到他前人資料不足和犯下的錯誤。
在 1912 年至第一次世界大戰開始之間，米蘭科維奇根據更好的測量結果發表了他正在發展的理論的一些初步摘要，得出結論，與以前的作者相反，所有三個天文因素對於解釋地球氣候都很重要。最終在 1920 年，他發表了他的理論的最終草案《太陽輻射引起的熱現象的數學理論》，他在其中重申
-週期性冰川作用是由天文引數的變化引起的
-三個已知的天文引數影響地球表面太陽能的量，尤其是在北半球的夏季
-可以計算這些變化，從而計算過去的氣候。
圖 4。 斯帕蒂文託角（卡拉布里亞，義大利南部地區）的特魯比地層露頭，是來自上新世-更新世過渡期（約 180 萬年前）的泥灰岩層序。規則的深色水平“斑馬條紋”是由富含有機質的層形成的，據認為是由氣候和天文引數變化引起的以前海洋生物生產力變化形成的——米蘭科維奇旋迴的“近期”例子。
今天，已知還有其他引數會影響地球的氣候，例如海洋和陸地的分佈、大氣中塵埃、氣體和蒸汽的量、植被或太陽的活動等等。
然而，就像起搏器控制心臟的跳動一樣，天文引數影響了地質過去的氣候節律，直到一個新的引數出現——人類及其工業。
參考書目
CHORLTON, W. (ed) (1985): 冰河時代 (地球行星)。時代生活圖書：176
CROLL, J. (1875): 氣候與時間，及其在地質學上的關係。地球氣候長期變化的理論。 D. Appleton and Company，紐約：630
FLEMING, J.R. (1998): 查爾斯·萊爾與氣候變化：推測與確定性。見：BLUNDELL, D.J. & SCOTT, A.C. (eds) 萊爾：過去是現在的鑰匙。倫敦地質學會，特刊，143: 161-169
LYELL, C. (1850): 地質學原理或地球及其居民的現代變化 - 被認為是地質學的例證。第 8 版修訂版，John Murray，倫敦：811
RUDWICK, M.J.S. (2005): 突破時間的限制 - 革命時代的地質歷史重建。芝加哥大學出版社，芝加哥，倫敦：708
關於作者： 大衛·佈雷桑是一位自由地質學家，居住在歐洲東阿爾卑斯山。他畢業於厄茨塔爾阿爾卑斯山的岩石冰川動力學和水文學專案，這一階段讓他對第四紀沉積物和現代冰川環境產生了特殊的興趣。沿著蹤跡，研究舊地圖和閱讀關於冰川的歷史報告，他對博物學家和地質學家隨著時間推移而形成的地貌學和地質學概念的發展產生了興趣，因此他結合好奇心、實地考察和舊的描述來撰寫關於地質歷史的部落格。
所表達的觀點是作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點。