大陆如何分布会引发冰川期?

题主的第一个说法有一定道理,但不全面,因为地球最早的冰川期出现的时候,还没有植物呢(植物是泥盆纪大规模出现的,而植物的出现确实吸收了大量的二氧化碳温室气体,并将其固化,是引发石炭纪冰川期的潜在因素之一;可是地球在泥盆纪之前早已有过两次主要的冰川期)。

题主的第二个说法也有一定的道理,但也不完全,因为"大陆分布在极地"是"冰川期出现"的既不充分也不必要条件:

1,大陆分布在热带也有可能引发冰川期;

2,大陆分布在极地不一定引发冰川期。

我们一个一个说。

这是地质史上的冰川期在时间轴上的示意图:

上图里蓝色的是冰川期,我们看到根据编号,地质史上一共经历了5次(包括那次minor ice age)主要的冰川期,而这几次冰川期的成因并不完全一致。

我们先看大陆分布在热带的例子:

大约11.5亿年前,地球上的所有陆地组成了超级大陆——罗迪尼亚大陆。罗迪尼亚大陆的位置和规模大致是这样的:

这是罗迪尼亚大陆早期的地图,还没有完全聚拢。但是从这张地图我们完全可以看出,罗迪尼亚大陆分布范围为低纬度和中纬度地区。这会出现什么情况呢?

画个示意图:

我们先简单插播一个概念:化学风化(chemical weathering)。化学风化是风化作用(外力地质作用的一类)的常见种类,一般发生在湿热地区,是地表岩石因为和水、二氧化碳、氧等发生反应,导致的化学分解。而我们也知道,大陆地壳(特别是表面)的岩石一般硅含量比较大【Shan Ye:地球上原本就有岩石吗?各种岩石都是怎么来的?】。我们还知道,热带沿海地区容易形成气温高、降水量大的气候,是典型的湿热地区(参见高中地理教材的三圈环流以及气候等内容)。综合这几点,我们可以推出热带地区的化学风化速率相对高,其中包括了岩石中硅酸盐矿物的风化(silicate weathering,本质是水解反应)。热带内陆地区一般比较干燥,其它地方温度不够高,因此它们风化的速率都不及热带沿海地区。

硅酸盐风化的过程是这样的:岩石中的各种硅酸盐矿物(比如碱性长石、橄榄石等)在二氧化碳和水的作用下,会分解为溶液中的阳离子和硅酸离子。举个例子,地表的橄榄岩很容易经历如下反应:

Mg_{2}SiO_{4} (橄榄石)+ 4 CO_{2} + 4 H_{2}O ⇌ 2 Mg^{2+} + 4 HCO_{3}^{−} + H_{4}SiO_{4}

橄榄石被风化掉了,但过程中也在消耗着大气层里的二氧化碳。

好了,让我们记住这一点,看下面这幅图:

大约8亿年前,罗迪尼亚大陆分裂了,而且分裂的一个重要的中心就在热带(图上的plate separation部分)。

我们再画个示意图:

在热带地区,原本的超级大陆变成了规模较小的陆地碎片,因此沿海地带的范围就增加了许多,由此,硅酸盐矿物风化速率高的地区也增加了许多。那么后果呢?

前面说了,硅酸盐的风化要消耗二氧化碳,一旦硅高速风化的区域变大了,那么对大气层里的二氧化碳的消耗量也相应增多了。二氧化碳是一种温室气体,大气里的二氧化碳减少,那么温室效应就会相应减小,大气层的"保暖"性就大打折扣,于是地球就逐渐滑入了寒冷的冰川期。这就是目前主流看法里,第一张图上编号为2的冰川期的成因。

然后我们再举大陆分布在极地的例子。

奥陶纪-志留纪期间,地球经历了一次比较短暂的冰川期(就是第一幅图里编号3的"小冰川期"minor ice age),时间跨度大概是4.8亿年前到4.4亿年前。这时候的陆地分布是这样的:

可见,此时有大量的陆块聚集在地球的南极(就是冈瓦纳古陆)。

在这之后的石炭纪期间,地球又经历了一次冰川期(第一幅图里编号4),时间大约是3.6亿年前到3亿年前。这时候,盘古大陆正在形成过程中,南方的冈瓦纳古陆逐步北移去汇合北方的劳伦古陆(尤拉美利加大陆),但冈瓦纳的主要区域仍然在南半球高伟地区,覆盖了南极点。地图大致是这样的:

或者我们换一种视角:

以上是大致的冈瓦纳古陆的组成范围,以及5亿年前到2.5亿年前南极点和冈瓦纳的相对位置。我们可以看到,在奥陶纪到石炭纪的两次冰川期之内,南极点都位于陆地之上,也就是说南极高纬度地区都属于冈瓦纳古陆的陆地范围。

地球目前为止的最后一次冰川期(第一幅图的编号5),其实到现在还没过去,而众所周知,目前南极高纬度地区有南极大陆。因此,地球的后三次冰川期的共同点就是:南极高纬度地区有面积辽阔的大陆分布。

于是,有人就提出了假设:极地如果有大陆存在,那么出现冰川期的可能性就会增加,至于为什么,题主其实已经说了:极地大陆会被大型冰盖覆盖,而冰盖可以反射掉许多太阳光,帮地球释放掉许多能量。

但这种假设并不完美。为啥呢?因为有个很讨厌的反例在pia pia pia打脸:侏罗纪晚期到白垩纪早期的"伪冰川期"。

先看地图:

侏罗纪晚期到白垩纪早期,盘古大陆已经裂解。这时候,南北两极高纬度地区都有大陆分布,热带也有碎片式的陆地分布。照前面的推论,这时候是产生冰川期的绝佳窗口。可是,冰呢?

上面这张图是显生宙各个时期的氧18同位素,它代表了什么可以参考:Shan Ye:人类是如何发现距今那么久远的冰期和间冰期的?另外,新石器时代公元前六千年,时间是怎么判断的?,这里就不赘述了,直接说这张图得出的结论:侏罗纪晚期到白垩纪早期(横轴的J和K之间)虽然气温在一个低谷,但是比起前面提到的奥陶纪-志留纪(横轴O和S之间)、石炭纪(横轴C)和现代(横轴Pg和N)的温度还是高多了,因此冰川并没有大规模存在。图上把这一时期的"冰川期"也用不一样的蓝色标出,以表示它和其它几次冰期有显著区别:它并没有太多的冰。

那这时候为啥没那么多冰呢?仔细看上面白垩纪早期那张地图,我们可以发现,盘古大陆在南北分裂,中间在低纬度地区展开了海洋(特提斯海),把洋流的路径打通了。这样的格局和盘古大陆形成之前的石炭纪早期比较相似(南北两个大陆,中间是海洋)。同时我们观察气候变化图,石炭纪早期虽然温度也低,但并不属于冰川期。由此,又有人提出,除了大陆的总体分布以外,海峡的开闭,特别是低纬度海峡的闭合(影响洋流的那种)也是诱发冰川期的条件之一。

上图AB都是石炭纪,但A是早期的早期,即密西西比纪早期,是温室期(没有冰川);B是晚期的早期,即宾夕法尼亚纪早期,是冰川期(这里名字比较混乱,都怪老美戏份多:Shan Ye:有什么关于古生代的有趣的知识吗?)。由图可知,A的时候,低纬度地区的海峡没有闭合,而B的时候,低纬度的海峡已经闭合了。这有啥影响?看图上的箭头。想想中学自然地理课的三圈环流,低纬度吹的是偏东的信风(北半球东北信风、南半球东南信风),因此洋流东向西流动,可以穿过低纬度的海峡,形成全球范围的环流。但B图里,海峡闭合了,形成了阿勒格尼高原(就是阿巴拉契亚山北部的前身),挡住了洋流的去路。于是洋流只能向南北两个方向转移。

注意,这时候的洋流是从低纬度流往高纬度,低纬度水温高,因此是暖流。暖流会给大陆沿岸地区加热加湿(想想现在的北大西洋暖流对欧洲西北部气候的影响),所以大量的湿气被带到了高纬度地区,形成降水,因此此时的极地更容易形成大规模的冰盖。到了侏罗纪晚期-白垩纪早期,盘古大陆再度南北分离,低纬度地区又有了海峡,又可以通洋流了,因此便不再形成典型的冰川期。

那我们再看现代的南极大陆上的冰川。现代的南极大陆是个独立的大陆,四面环水。虽然我们平常提到的是"四大洋",但有的地理学家在科研时会用到"五大洋"的概念,这多出的一个大洋就是南极洲附近那一圈海域,称作南冰洋或南大洋。目前关于南大洋和南极冰盖之间的关系,主流的说法是:古近纪时期(气候图上横轴的Ng),因为板块活动,德雷克海峡形成,组成了南大洋的最后一环,南极大陆和别的陆地彻底分开。南大洋的纬度范围在南纬60度左右,它以北还有大片海域(分属印度洋、大西洋和太平洋)位于南纬40度到60度之间,而这一区域在三圈环流里,是属于南半球的中纬西风带。在强劲西风的影响下,这里形成了洋流系统里的"西风漂流带",强劲的洋流环绕着南极大陆由西往东运行。

西风漂流把南极洲包围起来,在其内部形成了非常寒冷的气候。同时,低纬度地区的海峡(比如巴拿马)相继闭合,让暖流南下,虽然无法进入西风漂流的圈内,但毕竟给南极上空的大气带去了一定的湿度。因此,如今的南极洲得以形成大规模冰盖,反射掉许多阳光,让现今的世界仍然处于冰川期内。这个理论在70年代就有了,但它也不完美,因为后来的研究发现,德雷克海峡的"开门"时间比以前认为的早,根据新的时间和对南极冰盖的研究,人们发现南极冰盖其实在德雷克海峡形成之后好几百万年才姗姗来迟。

因为理论不完美,所以人们继续寻找"补丁"来解释冰川期的控制因素。然后,人们想到了地形因素。我以前在另一个答案(Shan Ye:请问板块学说是错误的学说吗?)里用过这么一张图:

底图是不同年代海水中的两种Sr同位素比例,它们可以反映出地质史上地壳活跃、造山运动频发的时期,也就是我用色块标注的时期(具体原理可以翻我以前那个答案)。科学家发现,造山运动和冰川期似乎有那么一点关系。你看奥陶纪-志留纪、石炭纪、第三纪(就是古近纪、新近纪)是造山运动的频发期,正好对应了历史上的三个冰川期。不过,具体这样的对应是怎么发生的,目前我所知道的还没有特别好的理论来解释。我听说过的一个理论是:造山运动会造成高海拔山脉的隆起,高海拔山脉的迎风坡会有大量的降雨,会加速化学风化的进程,加强对二氧化碳的消耗。同时,像阿勒格尼高原和喜马拉雅山隆起这种大规模造山运动,是由两个大陆地壳碰撞造成的,而这样的碰撞造成的阻力,或许会减缓相应版块的移动速度,影响生长边界新版块的生产速率;而新版块的诞生,是和火山活动密切相关的,它的速率减缓,火山的活跃程度势必降低,从而释放的二氧化碳等温室气体就会减少,削弱地球的温室效应。这样的理论勉强自圆其说,但我个人并不是很看好,因为第一,高山迎风坡的高降水量会增加风化速率不假,但背风坡会不会减缓同样规模区域、甚至更大规模区域的风化速率呢?第二,生长边界的版块生长速率真的会受造山带的影响吗?

另有人质疑,为何三叠纪时期也有大规模造山运动,却不是冰川期。这个倒是有解释,因为三叠纪是盘古大陆极盛期,海陆格局和最初提到的罗迪尼亚大陆比较类似,所以它能抵消其它各种影响,行不成冰川期。

说了这么多,总结一下,冰川期的形成,有这么两种主流逻辑:

1,碎片式大陆分布在低纬度-->硅酸盐矿物的化学风化速率加快-->消耗大气层里的二氧化碳-->减缓温室效应-->冰川期

2,面积较大的大陆在高纬度甚至极地分布-->形成冰盖-->反射太阳光-->给地球降温-->冰川期

除此之外,植被的分布(吸收二氧化碳并进行碳固化)、海峡的开闭(影响洋流)以及造山运动的活跃程度,也是潜在的影响因素。

除了冰川期以外,地球还经历着时间尺度较小的冰期/间冰期,我们现在处在新生代冰川期里的一个间冰期里。冰期/间冰期的周期的印象因素就完全不同了,包括太阳活动以及地球自身的运动等,可以查看米兰科维奇循环的相关内容。

==参考阅读==

William F. Ruddiman 2001年的书 Earth's Climate: Past and Future

Finnegan, Seth, et al. "The magnitude and duration of Late Ordovician–Early Silurian glaciation."Science331.6019 (2011): 903-906. (奥陶纪-志留纪冰川期的成因)

Veevers, J T., and C. McA Powell. "Late Paleozoic glacial episodes in Gondwanaland reflected in transgressive-regressive depositional sequences in Euramerica."Geological Society of America Bulletin 98.4 (1987): 475-487. (石炭纪冰川期的海平面变化以及海陆变化)

Smith, Langhorne B., and J. Fred Read. "Rapid onset of late Paleozoic glaciation on Gondwana: Evidence from Upper Mississippian strata of the Midcontinent, United States."Geology28.3 (2000): 279-282. (低纬度海峡vs冰川期)

Zachos, James, et al. "Trends, rhythms, and aberrations in global climate 65 Ma to present."science292.5517 (2001): 686-693. (新生代气候变化)

Kennett, James P. "Cenozoic evolution of Antarctic glaciation, the circum‐Antarctic Ocean, and their impact on global paleoceanography."Journal of geophysical research82.27 (1977): 3843-3860. (西风漂流vs南极冰盖)



来源:知乎 www.zhihu.com
作者:Shan Ye

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