地球會重現冰河期嗎？

前言

一位頗負盛名的美國地理學者在1952年出版了一份有關冰河時期的論文，內容提到：「總而言之，至少有四次冰河期向中緯度推進……似乎每一次冰河期……都不會太長，少的甚至只有幾千年。冰河期的間隔也許較長些，十萬年或更長些。」他嚴厲地批駁用「天文學的理論」來解釋冰河期的成因，該項理論認為氣候變遷乃由於地球軌道的變異，他認為這種天文學的冰河時期編年史純屬幻想，不足採信，應予完全摒棄。

以上報導我們認為並非正確。「四次冰期」實在過少，光是過去的七十萬年裡，地球上發生主要冰河移動就不下七次，同時從二百萬年前開始的更新世時期（pleistocene），就可能有二十次移動。而且溫暖期（間冰期）比嚴寒期（冰期）短得多，大致上是一萬年而不是十萬年。其次，天文學的理論對於冰河的重複推進和撤離，可以解釋得通。

由於這些新發現，冰河期已不再被認為是遙遠的地質事件，而與大流星雨、繁盛的火山活動，及石炭紀的叢林處處等地質事件等量齊觀。近二百萬年，冰河是地球上氣候的主要特徵，同時它們時斷時續的侵襲加拿大、斯堪的那維亞、西伯利亞和其他的大地區，使得這些地區長時期冰凍在厚達1600公尺或更厚的冰層底下，南極洲與格陵蘭還有上個冰河期（結束於一萬年前）遺留下來的冰雪。我們現在生活於間冰期。然而體認到典型的間冰期僅歷時一萬年，頗使氣候學者們關切的是什麼時候冰河又會重新開始推進，以及寒冷對全球的農業會發生何種影響。

米蘭柯維茨學說

冰河擴大的天文學說，亦即一般所謂的「米蘭柯維茨學說（Milankovitch Theory），是以南斯拉夫的米蘭柯維茨而命名。雖然這項學說並非由他所創立的，但是他卻努力地提倡了好些年。他的見解最主要是：當北半球主要地區在夏季接受太陽的熱過低，以致無法融解冬季的積雪時，未融化的雪就會一年年的累積成冰面；這種冰面由於它們龐大的重量，動起來好像黏性固體，爬過地面，而開始了冰河作用。根據這項學說，夏季的陽光因為地球軸心在太空中運轉方向，及地球軌道形狀會作週期性改變，這種差異控制了冰河時期的時間和範圍。

地球究竟如何分配太陽的能量，確是一樁問題。正中午太陽的高度（註一）與它的視半徑，乃是決定白晝間陸地及水面每單位面積會受到多少太陽能的主要因素。如果您夠長壽，並在南加州海岸小心觀察，即可把日照隨時間改變的情形作一項概略的指南，使您了解到整個北半球的大致情形，及內華達山的積雪是否每個夏季都會融解，或者像不久前那樣會形成新的冰河。

因為地球繞日運行，就好比一個陀螺，它的軸心或多或少總是指著一個方向。在夏季，地球的北極傾斜向著太陽，而在冬天則偏離太陽。因此，在加州或北半球其他任何地方，夏季正午的太陽似乎比冬季時顯然要高得多，這就是造成四季的基本原因，雖然，有許多更微妙的特色可以解釋冰河的週期性。太陽在「元月」比「七月」時測量起來要大些（雖然這種差別不是肉眼可以看出），因為在北半球的冬季，地球的軌道距離太陽近三百萬哩；元月間整個地球上的日照強度，比七月間大7％。但我們在北半球並不覺得暖和，地球的傾斜度使進來的陽光，比夏天更分散照射到寬闊的地面。

一項必然的結論是，加州海灘（北緯30°）的夏天要比澳洲雪梨（南緯35°）的夏天來得涼些。可是在一萬年中，這種情況將會倒轉過來，地球會在北半球的夏季最接近太陽。這項影響原因是「歲差」（precession of equinoxes）：太陽和月亮的引力作用到地球赤道膨脹部分，使得每年春分和秋分均稍稍提早一點。

地軸左右搖擺及傾斜

這種力量亦形成些微的「左右搖擺」（wobble）現象，於是在一萬九千到二萬三千年週期間，地球旋轉軸的方向會發生變動。我們怎麼知道的呢？除了由牛頓定律證實外，我們可從古老建築物上看出這種移動的證據。奇奧帕斯王（Cheops）金字塔上有一個豎坑，它是設計用來收攬蘇斑（Thuban）星光，但目前不指在原來方向，可是約在一萬九千年後，它又會重新指向那些祭師們所希望的方向。對我們來說，只需記住地球旋轉軸的左右搖擺，在地球表面某些主要地區分散或集中太陽的輻射，係造成定期冰河作用的三個主要原因之一。

在加州海灘上空，太陽達到的最高點亦有所變化。地球慢慢地前後滾動，隨時改變它繞日軌道平面與它的軸心傾斜角度。最高傾斜度是24.4°，目前是23.5°，並且朝21.8°的最低值減小，一週期費時約需四萬二千年。因此未來的一千年，太陽在夏季升到加州上空要比目前較低，同時氣溫也會變得更涼爽，並由於前面所說歲差改變關係，不時會在北半球抵制週期性的溫暖趨向。

偏心率

第三項因素是地球軌道慢慢的變動，有時，它幾乎是一個全圓（perfect circle），有時是偏心圓──離開太陽的最近及最遠距離差值要多於目前的三百萬哩。偏心率越大，地球距太陽的最近點就越近，每年最大的輻射量也越大。偏心率的改變是週期性的，大約十萬年一週期。有趣的是，這點也正是冰河作用最強的重複率，而這種最冷的寒期（spells）卻與最小的偏心率相對應。由於地球在夏季不夠溫暖，無法融解掉冬天的積雪，這種圓軌道產生了冰河作用。值得注意的是，地球軌道的偏心率目前正在遞減之中。

綜合「左右搖擺」、傾斜、以及更改軌道之偏心率，便能預測任何一個地方季節性陽光強度的起伏情形。它們究竟怎樣影響氣候，則必須分別加以考慮。

海底岩心

由於二十年來，分析從深海床中鑽取的「岩心」，才否定了所謂「四次冰河期」的學說。從這些岩心中找出的海底生物化石的硬殼，我們可以推測出地球的氣候變化情形。近年發展出了兩種方法，其中一項方法是屬生態學方面的：從顯微鏡底下，古生物學者分析出不同族類的化石數目（有些適應於較暖氣候，有些則適應較冷的氣候），從而估計這些動物活著的時候水面的平均溫度，準確程度幾乎達到1^°/3°。第二種方法是測量化石硬殼中氧同位素O₁₆及O₁₈的含量比。當水從海洋中蒸發而形成冰面，含有重同位素的分子因為蒸發較緩慢，於是O₁₈保留在海中，O₁₈與O₁₆的比例偏高。因為生物體與海水達平衡狀態，故當時的氧同位素比例被保存於動物的硬殼中，以後變成化石，可作為生存時候的溫度指標。

自始至終，深海鑽探的岩心所顯示的冰河週期現象，遠比地質學家從陸上的地質紀錄見到的要快得多。六十年代初期發現陸地上的重要證據，足以證明地球曾經過許多次冰河時期。然而，定年工作則仍舊是一項問題，其中包括算出某一塊泥層的年代，以及注意沈積率變化情形。由某些岩心的地球磁場指示，於七十五萬年前地球磁場有反轉的現象，提供了一個參考點，發現當氣候改變的曲線加以適當的調節之後，能夠符合米蘭柯維茨週期，亦即軌道偏心率的改變，每十萬年一個週期，同時它們也能符合近七十萬年的七次冰期。

不過要證實米蘭柯維茨的學說，還須作更精密的研究以證實由歲差性的「左右搖擺」以及地軸傾斜變化所造成的更快速的變動。此項試驗於七十年代中期舉行，由「雷蒙特－桃赫特地質觀測所」的海斯（J. D. Hays）、布朗大學的英布雷（J. Imbrie）及劍橋大學的雪科頓（N. J. Shackleton）共同擔任。他們從南印度洋中挑選了兩個岩心，這些岩心合起來可以看到最近四十五萬年的地球歷史。他們測量海面溫度的變化及氧同位素比例的變化，同時採用第三種氣候指標：海底生物Cycladophora davisiana化石，這種生物在寒期極為普遍，但當氣候溫暖時即幾乎完全消失。

由他們的分析，做出了每一種溫度指標的許多初步資料，然後送入計算機算出其規則的週期。結果證明了米蘭柯維茨的學說。在一個四萬二千年的週期中，三個氣候指示計均顯示地球傾斜現象。至於「左右搖擺」，則有兩個週期，一個是二萬三千年，另一個是一萬九千年，由海面溫度和氧同位素比例顯示出二個個別的高峰，似乎比米蘭柯維茨所期望的證實更為詳盡。但有些科學家仍然保留懷疑態度，反對的假說仍舊出現。

對筆者來說，信服的力量是來自1974年的兩階段實驗──首先是英布雷等提出海洋岩心資料的早期分析，可以圓滿解釋米蘭柯維茨週期；接著再用小型計算機斷續地算了好幾個星期，終於得到滿意的結論，因為可以從日照表中推算出冰河形成與融解的歷史，而這項歷史多少可反應氣候的紀錄。其他獨立作業小組，同樣對它重新加以檢討，是否有關季節性日照的改變累積起來，足以使冰面擴張或縮小。這方面的研究，於1976年分別由「英國氣象室」的馬遜（B. J. Mason）、「地球物理流體動力實驗室」的梭雷士（M. J. Suarez）與海爾德（I. M. Held）所發表，在結論中證實了這一點。

大陸漂移

另有兩項重要問題，是有關過去的冰河時期變動的情形。第一個問題與米蘭柯維茨學說無直接關係，那就是何以會有冰河期呢？地球的長遠歷史中，雖然每隔幾百萬年可能會產生冰河期，但大部分都罕見冰雪。冰河期在較早些時，約在二億七千萬年前發生過一次。那個時期，南美、南非以及印度的岩石都顯示有普遍冰河作用的跡象。最近一次的冰河期可能開始於二百萬年前，不過在冰期前卻有一段長時期的逐漸冷卻情形，當時南極地帶與阿拉斯加偶而有冰雪出現。

這些地球神秘的氣候特色，證明了大陸漂移（continental drift）（註二）。大陸在地球上運動，有時它們會通過兩極，如此，就可能有冰雪形成。在二億七千萬年前的冰河期，南美、南非與印度是聯結成「岡多瓦那陸地」（Gondwana land），並位於南極地帶，造成冰河作用，到後來才分成南非、南美和澳大利亞，後來整個向北漂移。當澳大利亞分開，留下南極大陸在南極的淒冷日照中，由於海流和風有助於冰雪的累積而強化了一連串的冰河作用。當印度和亞洲互相碰撞時，喜馬拉雅山隆了起來；義大利與瑞士碰撞，產生了阿爾卑斯山，這些山巒的突出可能產生更多的冷區（pool of cold）。此時，由於北大西洋在擴大，提供了足夠造雪的水源，而北美洲、格陵蘭，以及歐亞地帶則仍停留在北極四周，形成廣大的陸台（platforms），以便累積冰雪而產生冰面。

無法解釋的短期變化

第二個同時也是更難處理的未解決問題，是有關十萬年週期的支配，其間，當地球軌道最不接近橢圓時，最深的冰河作用就會發生。假定地球的軌道是圓的，那麼在目前的地質期裡，地球的氣候勢必都是深的冰河作用期，雖然其他兩個週期會產生暫時的干擾，可偶然集中夏季的陽光於較冷的地區。

必須注意的是，地球對所予日照變化的反應並非是線型的，即輻射強度的改變並不常產生相同的冷卻或加溫效果。碼實的後果一方面要看地軸左右搖擺及傾斜的複雜互換與軌道變數的關係，同時還要看凍結水要比融化冰更需能量的事實。英布雷和他的兒子（J. Z. Imbrie）在這些方面完成了一個很好的學說，可以符合最近冰河時期的觀察紀錄。他們的計畫清楚地指出，一萬七千年前的嚴寒期，關係地球軌道最小的偏心率。可是時間再往後推，我們對十萬年週期的了解就動搖了，而且還有許多矛盾之處尚待解決。

由於它的定量精密，米蘭柯維茨學說乃敢於逆料未來冰河期的特色，對一般趨勢尚無疑義。越過大約一萬年前的冰凍期後，地球在三千到四千年前曾經過一個「適宜的氣候」，然後開始落到下一個冰河作用。疊在下落趨勢之上，尚有「小冰河期」與短時期「高熱期」的相互交替，這並未反映在米蘭柯維茨的計算中，大抵是由於其他某些原因。

不過如果自然界循環如斯，我們必可預期下一個六萬年或十二萬年，會有惡化的氣候和甚為寒冷的世界。這種遭遇如果真的發生，對我們人類而言也不足為奇。事實上，過去幾百萬年間，特別是舊石器時代，冰河期氣候激烈的變動，顯然影響了先民的進化。

最近幾年來，全世界的人一直遭遇到所謂「特殊」氣候，如：異常地酷寒嚴冬或枯萎的夏季，破壞性的洪水或鬱悶的旱象，不合時令的霜雪或漫長的正月熱浪。這些現象，不能視為是另一個冰河期或地球永久性變暖的前兆。一個解釋是過去二十年來，世界的天氣機制，與30、40年代後期及50年代初期較活躍、溫和的特質比較，已轉變得較沈著遲緩。現在的氣候──冷或熱──一旦成形，就會持續下去。然而到目前，氣候並未超越以往一千年左右的典型範疇，這包括「小冰河期」在內。奇怪的是，每世紀間氣候的些微變動，如今反比冰河期本身更難以解釋。有一項假說認為，太陽本身的輸出能量可能有稍微地變異。

根據國家科學院的看法，這種冷卻趨勢直接的危害是農業地區降雨形式的改變和卑劣的溫度，加拿大和西伯利亞凍土面積的變動，以及海洋溫差的轉變，影響魚類的生產，而這些魚類卻提供了全球10％的蛋白質。世界食物的供應只需稍減1％，就會使四千萬人遭受緩慢的饑饉，及使邊際經濟普遍膨脹，進而減低消費品質，有害於營養標準。此外，還使那些靠穀物輸出來支付輸入石油的國家發生貿易逆差，使先進及開發中國家間早已存在的社會、經濟差距更大。在今天各國如此緊密相關的世界，實在承受不起這種不平衡的後果，更何況還要面對十分可能發生的糧食供應減少。近幾年來，科學家一再指出，上一代的溫和氣候和相當可靠的雨量，最後可能極不定型；如果世界農業制度是建立在不合理的臆測，如無盡的石油蘊藏量、廉價的肥料及良好的天氣上，一旦情況變異，就極易垮台。面對這些可能性，及考慮到了解問題到設法彌補期間所無法避免的時滯，一般公民也許想到要求政府採取一切可能辦法，在此時給地球加點熱。事實上這純屬錯誤，這點早已經做了──或者，有些也許做得過火了。

氣象與氣候學者有一種看法，認為短期內天氣會過熱，也就是往後的一兩個世紀，由於人類的行為使地球負荷過多的熱量。以往一百多年來，大氣中的二氧化碳量已上升了10％，同時由於煤、油和瓦斯的汽化，乃至於全世界大量的濫伐林木的結果，這種升高情形仍會繼續下去。物理學告訴我們，二氧化碳使地球溫暖，好比溫室中的窗戶，讓陽光中的光子進來，但卻阻攔它放出紅外輻射線回到太空中。過多的二氧化碳可能會使週期性的冷卻趨向倒轉過來。頗使人們關切的問題有：由核子及傳統動力、工業活動，以及廣大城市地區放出到大氣和海洋中的熱，可能對廿一世紀的地球環境發生重大的影響。地區性的影響早就可以看出，城市所產生的「熱島」（thermal island），會改變風的對流（eolian convection）以及下風區域的降雨形式。

一個較暖的世界究竟會如何呢？為了獲得一些觀念，美國「國家大氣研究中心」的柯洛先生曾研究過五千年前地球的氣候概況，當時地球的溫度要比目前溫暖2∼4°。目前副熱帶的沙漠地區在當時生長著較多的植物，而且在墨西哥、北非、東非、中東、印度和中國大陸等地的降雨量也更大些。在溫帶地區適合植物成長的季節，比現在長一個星期以上，而阿拉斯加和歐洲大部分地區也比較潮濕。一切都還不錯，可是北美心臟地帶這塊世界農業生產中心（breadbasket）卻要乾燥些，斯堪的那維亞亦是如此。因此，溫度全面升高是否備受歡迎，依你所住的地方以及你吃什麼東西而定。

如果二氧化碳的威脅是真的，那麼只需把我們剩下來的化石燃料消耗掉，就可以使大自然朝向另一冰河期延緩一、二個世紀。當這些燃料用罄，便可推演「米蘭柯維茨週期」的真實性。然而，要是我們發展出新的能源，溫暖會無限期的拖延下去（如太空工程人員採用新的意見，將巨大的鏡子擺在軌道上面，把陽光反射到雪地中）。

我們可以想像在未來的世界裡，政府將二氧化碳和微粒狀物質及時釋放出來，促使大氣增溫或使大氣涼爽，以調節地球的「熱量收支」。要設法制定地球這個溫度調節機和使這個龐大的氣候機器受到人類的約束，其中有一項困難是這種系統的要素反應太慢。比方說，緬因州立大學的丹頓（G. Denton）懷疑，雖然南極目前溫度尚未回復到六千年的溫暖情形，但長期維持目前的氣溫，勢必會形成更多冰帽的融解，使許多海洋平原成為水鄉澤國。如果科學家設想加速回復大自然的趨勢，他們可能操之過急，帶來災阨：把地球凍成一個冰球，或是像金星那樣由於溫室效果造成脫韁野馬。

（本文譯自N. Calder, "Head south with all deliberate speed: Ice may return in a few thousand years", Smithsonian, January, 1978）

李財盛現任貿易公司英文秘書。

註一：指太陽位置與水平面的夾角，為天文學術語。

註二：請參考科月第一卷第三期「大陸漂移和海洋地殼的擴張」一文。

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