大冰期 - Ice Age，也叫冰河時期 - 在新生代的第四世。現(xiàn)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(jīng)要大上很多倍，形成大冰期。有記載的大冰期一共發(fā)生過三次，周期為將近三億年發(fā)生一次。第一次發(fā)生在大約六億年前的元古代末期，稱為震旦紀(jì)大冰期，這次大冰期在世界各大陸產(chǎn)生的時間略有不同，當(dāng)時地球上的動植物還很貧乏。

第二次發(fā)生在大約三億年前的石炭紀(jì)至二疊紀(jì)，這次大冰期主要發(fā)生在岡瓦那古陸，其中在南美洲和非洲發(fā)生和消退的時間較早，在印度和澳大利亞發(fā)生和消退的時間較晚，冰川退卻之后，出現(xiàn)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(jì)大冰期，也是對現(xiàn)在影響最大的冰期。圖片披毛犀是第四紀(jì)大冰期的代表物種。

冰期分類

具有強(qiáng)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(qū)有時也有強(qiáng)烈冰川作用的地質(zhì)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(jù)氣候劃分的地質(zhì)時間單位。大冰期的持續(xù)時間相當(dāng)?shù)刭|(zhì)年代單位的世或大于世，兩個大冰期之間的時間間隔可以是幾個紀(jì)，有人根據(jù)統(tǒng)計資料認(rèn)為，大冰期的出現(xiàn)有1.5億年的周期。冰期、間冰期的持續(xù)時間相當(dāng)于地質(zhì)年代單位的期。

常見冰期

在地質(zhì)史的幾十億年中，全球至少出現(xiàn)過3次大冰期，公認(rèn)的有前寒武紀(jì)晚期大冰期、石炭紀(jì)——二疊紀(jì)大冰期和第四紀(jì)大冰期。冰川活動過的地區(qū)，所遺留下來的冰磧物是冰川研究的主要對象。第四紀(jì)冰期冰磧層保存最完整，分布最廣，研究也最詳盡。在第四紀(jì)內(nèi)，依冰川復(fù)蓋面積的變化，可劃分為幾個冰期和間冰期，冰蓋地區(qū)約分別占陸地表面積的30%和10%。

但各大陸冰期的冰川發(fā)育程度有很大差別，如歐洲大陸冰蓋曾達(dá)北緯48°，而亞洲只達(dá)到北緯60°。由于氣候變化隨地區(qū)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(qū)第四紀(jì)冰川沉積，劃分和命名了4個冰期和3個間冰期。隨后，世界各地也都劃分出相應(yīng)的冰期和間冰期。

第四紀(jì)

第四紀(jì)大冰期中冰川有數(shù)次擴(kuò)張和消退，分別被稱為冰期 - glacial epoch）和間冰期 - interglacial epoch）。一般認(rèn)為現(xiàn)在的地球正處于間冰期，第四紀(jì)大冰期比前兩次時間要短，現(xiàn)在的氣候也比歷史上很多時期要寒冷，因此第四紀(jì)大冰期應(yīng)該并未結(jié)束。第四紀(jì)大冰期實際上并不局限于第四紀(jì)，早在第三紀(jì)就已經(jīng)開始。世界各地的冰期和間冰期的次數(shù)和時間并不完全相同，每次冰期的具體時間也有爭議，南極的冰川發(fā)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(jīng)形成了大冰蓋。

冰期在國際上的劃分以阿爾卑斯山為標(biāo)準(zhǔn)，阿爾卑斯山地區(qū)的冰期曾經(jīng)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，后來又發(fā)現(xiàn)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(xì)。最后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(jié)束。第四紀(jì)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復(fù)蓋下，冰川消退之后，留下了大規(guī)模的湖泊群，所以加拿大和芬蘭都成了“千湖之國”。

第四紀(jì)大冰期使地球上的面貌大為改觀，但并未造成大規(guī)模的集群滅絕，物種可以退卻到少數(shù)“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(jì)末有很多大型哺乳動物在地球上消失，現(xiàn)在很多學(xué)者相信，它們的滅絕不是冰期的結(jié)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(rèn)為可能與太陽系在銀河系的運行周期有關(guān)。有的認(rèn)為太陽運行到近銀心點區(qū)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(rèn)為銀河系中物質(zhì)分布不均，太陽通過星際物質(zhì)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(chǎn)物”，這是冰川學(xué)界的流行說法。那么，氣候又是什么的產(chǎn)物呢？筆者的說法是“氣候變化是地球系統(tǒng)的變化在大氣圈中的反映”。冰凍圈是地球系統(tǒng)的一部分，所以我們可以說“氣候的一部分是冰川的產(chǎn)物”。當(dāng)然，氣候的主要部分應(yīng)該是地圈（包括殼、幔、核）的產(chǎn)物，因為地圈占地球系統(tǒng)總質(zhì)量的99.9%。冰川與氣候的關(guān)系緊密，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(chǎn)物”。

地圈的變化又受宇宙因素的制約，筆者經(jīng)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(tǒng)變化的根本原因，也是冰川與氣候變化的根本原因。

原始太陽系約誕生于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(jīng)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±400萬年以后，相對于漫長的銀河年來說現(xiàn)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(zhuǎn)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并不矛盾。近銀心點附近為地球的銀河冬季，有望由此來破解遠(yuǎn)古時期大冰期的發(fā)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(qū)域，那時太陽跑得更加飛快，地球的自轉(zhuǎn)速度要比現(xiàn)在的金星和水星還要慢，一年也許只有幾十或十幾天。

現(xiàn)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(dá)最靠近銀河中心的地方，根據(jù)上二次大冰期結(jié)束于近銀心點之后的500至1000萬年，第四紀(jì)大冰期（叫“新生代大冰期”更合適）若從其規(guī)模的1600萬前始算，推測大冰期至少還要經(jīng)歷1500-2500萬年才結(jié)束，主冰期長在3000-4000萬年以上，而石炭-二疊紀(jì)大冰期長約8000萬年，震旦紀(jì)大冰期長約6000萬年。有人說第四紀(jì)大冰期即將過去而第五紀(jì)大冰期將來臨簡直是無稽之談；

說由于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。

銀地磁耦合

在地球的46億年歷史中，一般公認(rèn)曾出現(xiàn)過7次大冰期，關(guān)于其成因很多學(xué)者提出多種假說，但均不能令人信服。最近筆者提出：當(dāng)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(xiàn)大冰期。

地磁極性的倒轉(zhuǎn)存在著3億年的長周期。一個銀河年的長度從20億年前的4億年逐漸縮短，到最近一個銀河年其時間長度僅約2億年?，F(xiàn)在太陽系正經(jīng)過銀河系的一個旋臂，其磁極方向為正（與現(xiàn)代地磁極相同）。將銀河系兩個旋臂（它們的磁極性剛好相反）經(jīng)過地球的時間與地磁場倒轉(zhuǎn)的時間標(biāo)在圖1上，可見當(dāng)銀河旋臂與地磁極性方向相同，且同號時間維持在40Ma以上者。近40億年來共出現(xiàn)過8次（表1）。其中最近7次剛好對應(yīng)著7次大冰期。

眾所周知，大冰期總是與造山運動相伴出現(xiàn)，這有其必然性。因為地勢平坦時，大氣熱機(jī)效率很低，使得行星風(fēng)系很弱，極——赤溫差很小，不會形成大冰期；只有當(dāng)造山運動使地勢變得不平坦時，大氣熱機(jī)效率才會大提高，使行星風(fēng)系大增強(qiáng)，極地大降溫，才能形成大冰期。第四紀(jì)大冰期是與青藏高原隆升緊密相伴的。造山運動的構(gòu)造營升力來自于地核環(huán)流轉(zhuǎn)變?yōu)椤皬?qiáng)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(huán)流被激發(fā)為“強(qiáng)對流型”的必要條件。

青藏高原的隆升與第四紀(jì)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(zhuǎn)為正向，它與銀河系的正極旋臂即開始相互作用，使地核環(huán)流從“準(zhǔn)地轉(zhuǎn)型”開始向“強(qiáng)對流型”過渡，青藏高原開始抬升，隨著地磁極性倒轉(zhuǎn)為負(fù)極，高原抬升運動停止，變?yōu)橐钠竭\動。如此在45Ma的時間內(nèi)經(jīng)歷多次反復(fù)2.5MaBP青藏高原被抬升至2000m左右的高度，高原季風(fēng)大轉(zhuǎn)型，才開始出現(xiàn)第四紀(jì)大冰期。

地磁強(qiáng)度變化

冰期、間冰期為105a的旋回，比大冰期短3個量級，一般認(rèn)為它是米氏周期的結(jié)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(rèn)為有3次冰期，即末次冰期（1～7萬年前）、倒數(shù)第二次冰期（13～30萬年）和倒數(shù)第三次冰期（50～72萬年），其時間間隔遠(yuǎn)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(dá)20%～30%，但使中緯地區(qū)的變化量卻小于5%，因此筆者認(rèn)為關(guān)于青藏高原冰期的成因應(yīng)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(jié)高度時，所必然出現(xiàn)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(shù)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(jié)果可見，2～5萬年之間出現(xiàn)過4次磁極性漂移（極漂），16～26萬年之間亦出現(xiàn)過5次極漂，而5～16萬年之間僅出現(xiàn)過1次極漂，極漂事件頻繁的兩個時段，恰好對應(yīng)著兩次冰期；

極漂事件很少之時，則對應(yīng)著間冰期。這亦表明：地磁弱時易出現(xiàn)冰期，地磁強(qiáng)時易出現(xiàn)間冰期。這一結(jié)論似乎與上一節(jié)的結(jié)論有矛盾，其實并不矛盾，形成大冰期的直接原因是地形隆起，它要求磁場強(qiáng)，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?zé)後尫泡^少，有利于降溫，地磁弱時較容易滿足這一條件。

太陽磁場變化

15、17、19世紀(jì)亞歐大陸發(fā)生了三次明顯的冰進(jìn)，冰川學(xué)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(jìn)剛好與3次太陽黑子極小期 - 19世紀(jì)極?。┗緦?yīng)，其中出現(xiàn)在17世紀(jì)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?nèi)?，致使冰期前進(jìn)。小冰期是地球史上有名的災(zāi)害群發(fā)期（所謂“明清災(zāi)頻期”），另一個“兩漢災(zāi)頻期”也是出現(xiàn)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兇。從冰芯記錄中可知，在高山冰川區(qū)“小冰期”是一個低溫、降水略多的時段，這與同期山外平原區(qū)是一個低溫、干旱時段有所不同。這種差異似乎是大氣中地形性熱力環(huán)流調(diào)整的結(jié)果。

氣候變化

冰川波動一般包括冰舌進(jìn)退（其特征時間為101a）和冰川物質(zhì)平衡，零平衡線高度變化（其特征時間為100a）等幾項內(nèi)容，它們均與短氣候變化緊密相聯(lián)。近40多年是各種地學(xué)資料最多的年代，可以進(jìn)行較仔細(xì)的討論。有些氣候?qū)W家認(rèn)為，在這段時間里出現(xiàn)過兩次氣候突變，一次在60年代中，一次在80年代初?；蛘哒f，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(qū)是低溫少雨時段，青藏高原積雪面積亦變小?？墒怯捎诘匦涡詿崃Νh(huán)流的調(diào)節(jié)，使高海拔區(qū)在該時段的降水反略有增加，于是前進(jìn)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(zhuǎn)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(fā)的時段。這些特點均與“小冰期”相似。它們之間是否有什么共同的地球物理過程在其中起作用？這是值得地球科學(xué)家著力研究的問題。

氣候變化的可能機(jī)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”首先是作用于地球表層，這已為人們所認(rèn)識。“磁”則首先應(yīng)作用于地球外核，因外核是磁流體。當(dāng)太陽系（或銀河系）磁場與地球磁場同向時，則若磁場增強(qiáng)將會激發(fā)地核流體中的對流活動增強(qiáng)；反之，會使地核中的對流活動減弱。地核環(huán)流通過核幔邊界影響地幔對流的方式應(yīng)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(yīng)是其一種，有跡象表明，太平洋的地幔對流可能是全球最強(qiáng)之一。

當(dāng)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，于是從地核向上傳的熱量減小，這可能是小冰期和本世紀(jì)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(huán)流變?yōu)橄鲁亮?，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(zhuǎn)減慢，西太平洋和東亞大陸地震活動增強(qiáng)的原因。而東亞大陸地幔此時為“距平”下沉流，它是亞歐地區(qū)氣溫和地溫降低、降水減少的基本原因。

此時，大陸上空出現(xiàn)大尺度的“距平”下沉氣流，使云量減少，這有利于地形性熱力環(huán)流增強(qiáng)，致使高海拔區(qū)的降水不至減少甚至略有增多，造成了冰川活動以前進(jìn)為主。這是筆者對“小冰期”和70年代冰川相對前進(jìn)的原因解釋。這一設(shè)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(yuǎn)比上述設(shè)想要復(fù)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(huán)流、過赤道環(huán)流全球尺度的地核流場，使地球表層呈現(xiàn)出紛繁復(fù)雜的變化。