本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
“火与冰”
有人说世界将毁于火，
有人说毁于冰。
从我所体验过的欲望来看，
我赞同那些赞成火的人。
但如果世界必须毁灭两次，
我想我足够了解憎恨，
要说毁灭的冰
也同样强大
而且足够了。
罗伯特·弗罗斯特，美国诗人 (1874-1963)
一个地区的气候，正如通过对凉爽的早晨和炎热的午间的日常观察所体验到的那样，在很长一段时间内被简单地认为是太阳在地平线以上高度的结果。这种观点迫使人们对地球上气候的分布产生一种非常简单的看法，即温度向两极下降，向赤道升高，从而形成如此大的平行气候带。这样一种静态的地球观也不需要甚至不允许过去或未来的气候变化。
随着第一批地质学家和博物学家确立了深层地质时间，人们清楚地认识到，不仅海洋和陆地的分布随时间而变化，气候也是如此。
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德国哲学家戈特弗里德·威廉·莱布尼茨（1646-1716）想象了一个曾经熔化的地球，由热气体和尘埃的聚集形成，缓慢冷却并形成稳定的地壳。根据莱布尼茨的说法，这种冷却至今仍在继续，从而能够在两极形成大型冰盖。这一假设推测的过去更温暖的气候，似乎也得到了在欧洲和西伯利亚发现的假定热带动物的化石遗骸的支持，例如大象、狮子甚至犀牛。
图 1. 在多洛米蒂山脉（阿尔卑斯山脉）的孔图里内斯洞穴中，一位业余化石猎人在 1987 年发现的洞熊（Ursus spelaeus）骨骼的复制品，这是发现此类化石的最高地点（海拔 2700 米）。今天，洞穴周围是贫瘠寒冷的高山景观；无法为如此大型的动物提供营养，但是当这些熊在 10 万年前生活在这里时，气候一定更温暖，植被茂盛。在欧洲各地洞穴中发现的类似假定热带动物的化石遗骸也提供了对过去气候变化的初步了解。
法国博物学家乔治-路易·勒克莱尔，孔特·德·布丰（1707-1788）将这些动物的灭绝与过去和深刻的气候变化联系起来，在欧洲可能是突然的降温事件——他总结说：“不可能将大象变成驯鹿。”
如果这种降温持续下去，他在他的著作《Petrifications et fossils》（1786）中预见到地球的黯淡未来
“水的减少，加上生物的繁殖，只能将整个地球被冰层包裹和自然界因寒冷而死亡的时间推迟几千年。”
伟大的苏格兰地质学家查尔斯·莱尔爵士（1791-1875）也试图解开过去气候变化的谜团，越来越多的古生物学和地质学线索证明了这一点。莱尔否认了突如其来的变化，因为在当时，如果不求助于神秘或未知的力量，就无法解释这些变化。莱尔还将地质时间视为一个循环，这个想法是从天文学和行星的天体运动中借鉴而来的。他将地球的历史和已经发生的气候变化比作“地质年”，有秋季、冬季、春季和夏季——就像地球绕太阳运动一样有序和相似。
动植物物种完美地适应了这些“地质季节”。莱尔原则上否认了灭绝的可能性，他认为化石记录中物种的明显消失是地层柱保存非常不完善的人为结果，而且如果一个“地质”季节结束，一些动植物物种确实会减少（使其更不可能变成化石），与此同时，其他物种蓬勃发展，这是一种随时可逆的模式。根据莱尔的说法，有一天可能会出现这种情况
“那么，那些动物的属可能会返回，它们的遗迹保存在我们大陆的古老岩石中。巨大的禽龙可能会在树林中再次出现，鱼龙可能会在海洋中再次出现，而翼手龙可能会再次飞过树蕨的浓荫丛林。”
哺乳动物在某些地质时期不是化石记录中的主要群体，这仅仅是气候的过错，气候不利于它们的发育，但有利于爬行动物或鱼类。
图 2. 莱尔的循环时间和气候的愿景启发了地质学中最著名的漫画之一。在《地质学原理》第一卷出版的同一年（1830 年），在关于自然奇闻异事的书的引言中（弗朗西斯·巴克兰的《自然历史的奇闻异事》，1858 年版）突出地描绘了“鱼龙教授”，向他的爬行动物学生们讲课。这幅漫画是由地质学家亨利·德拉·贝什（1796-1855）绘制的，他想象在遥远的未来，在气候变化之后，正如背景中热带植被所暗示的那样，巨大的海洋爬行动物讨论了下颌弱小、牙齿细小的奇怪生物——哺乳动物的劣势，它们在漫长的冰河时代失去了统治地位。
莱尔在他的《地质学原理》（第一版 1830-1832 年）中解释说，这些周期性的气候变化是一个缓慢而稳定的过程，主要受地球上陆地和海洋的分布以及岩石和水对热量和辐射吸收差异的控制。陆地主要分布在两极会导致全球降温，如果陆地聚集在赤道周围，吸收大部分太阳辐射，结果将是全球变暖。
图 3.莱尔在他的《地质学原理》（第 8 版，1850 年）中发布的全球地图，用于说明过去的气候变化。
莱尔假设，通过海平面变化，相当于现代大陆的陆地面积可以出现或沉没。他写道
“当陆地集中在赤道和热带纬度时，极地气候温和。在赤道阳光下过度加热的陆地会产生温暖的气流，向北席卷。另一方面，陆地集中在两极周围会产生相反的效果。赤道没有陆地吸收热量，也没有暖风进入极地地区。”
在莱尔的书出版后不久，一种简单的稳步降温或升温的气候观点受到了大气中气体或太阳黑子数量对地球温度影响的挑战。但最重要的发现是，来自古代冰川的沉积物延伸到远离山区或两极的中纬度地区。这种冰川和冰盖只能用新出现的冰河时代理论来解释，其特征是地质近代突然发生的温暖和凉爽气候。
1842 年，法国数学家约瑟夫·阿方斯·阿德玛尔（1797-1862）阐述了一个假设来解释周期性发生的冰河时代。他计算了过去地球轴心的“方向”和偏角以及地球绕太阳“运动”的变化，这些参数影响了到达地球的太阳辐射的时间和数量，从而导致周期性的气候变化。阿德玛尔提出，在 11,000 年的时间里，经历较长冬季的半球将会发展成冰河时代。但他的想法存在一个重大缺陷，1852 年，德国地理学家和探险家亚历山大·冯·洪堡（他对南美洲的细致观察为理解气候做出了显著贡献）指出，阿德玛尔没有考虑到，即使一个半球经历较低的辐射，相对的半球也会经历增加，因此最终地球上的能量总和或多或少保持不变。
尽管首次解释地球气候的尝试失败了，但阿德玛尔的工作对启发后来的研究和博物学家产生了重要影响。
1833 年，苏格兰珀斯郡一位贫穷的石匠的儿子詹姆斯·克罗尔（1821-1890）购买了一本《便士杂志》，这是一本旨在儿童教育的杂志。他被迷住了，开始广泛阅读科学方面的书籍：“起初我完全困惑，但后来这些想法的美丽和简洁给我带来了快乐和惊喜，我开始认真地研究这个问题。”
在经历了动荡的岁月之后，克罗尔在格拉斯哥的安德森学院找到了维护主管的工作，在那里他可以访问图书馆，他充分利用了这一资源。
“那时，地质学家们对是什么引发了冰河时代的问题进行了广泛的讨论。因此，在 1864 年春天，我将注意力转向了这个主题。”
从 1864 年起，克罗尔就冰河时代与地球轨道变化之间的联系与查尔斯·莱尔通信。克罗尔在他的计算中使用了阿德玛尔尚不知道的一个重要因素，即近日点和远日点沿地球黄道的“运动”（岁差）。 1875 年，他将他的计算结果发表在一本名为《气候与时间，及其在地质学上的关系》的著作中。
地质学家阿奇博尔德·盖基评价了克罗尔的工作
“在我看来，天文理论似乎是目前冰河时代谜题的最佳解决方案。它包含了交替冷暖期发生的所有决定性因素，并解释了冰期和间冰期气候的特殊特征。”
但仍然存在一个问题，即使当时的测年方法非常原始，最多也只是近似值，地质证据支持已绘制的冰川沉积物的年龄非常年轻，但在克罗尔的理论之后，最后一个冰期在 80,000 年前结束。当备受尊敬的克罗尔去世时，地质学家认为他的理论是错误的。
盖基总结道：“很可能，通过对他观点的某些修改，我们将解开这个秘密。但就目前而言，我们必须继续工作和等待。”
塞尔维亚人米卢廷·米兰科维奇（1879-1958）尽管认识到前人的成就，但也注意到他前人数据不足和犯下的错误。
在 1912 年至第一次世界大战开始之间，米兰科维奇根据更好的测量结果发表了他正在发展的理论的一些初步摘要，得出结论，与以前的作者相反，所有三个天文因素对于解释地球气候都很重要。最终在 1920 年，他发表了他的理论的最终草案《太阳辐射引起的热现象的数学理论》，他在其中重申
-周期性冰川作用是由天文参数的变化引起的
-三个已知的天文参数影响地球表面太阳能的量，尤其是在北半球的夏季
-可以计算这些变化，从而计算过去的气候。
图 4。 斯帕蒂文托角（卡拉布里亚，意大利南部地区）的特鲁比地层露头，是来自上新世-更新世过渡期（约 180 万年前）的泥灰岩层序。规则的深色水平“斑马条纹”是由富含有机质的层形成的，据认为是由气候和天文参数变化引起的以前海洋生物生产力变化形成的——米兰科维奇旋回的“近期”例子。
今天，已知还有其他参数会影响地球的气候，例如海洋和陆地的分布、大气中尘埃、气体和蒸汽的量、植被或太阳的活动等等。
然而，就像起搏器控制心脏的跳动一样，天文参数影响了地质过去的气候节律，直到一个新的参数出现——人类及其工业。
参考书目
CHORLTON, W. (ed) (1985): 冰河时代 (地球行星)。时代生活图书：176
CROLL, J. (1875): 气候与时间，及其在地质学上的关系。地球气候长期变化的理论。 D. Appleton and Company，纽约：630
FLEMING, J.R. (1998): 查尔斯·莱尔与气候变化：推测与确定性。见：BLUNDELL, D.J. & SCOTT, A.C. (eds) 莱尔：过去是现在的钥匙。伦敦地质学会，特刊，143: 161-169
LYELL, C. (1850): 地质学原理或地球及其居民的现代变化 - 被认为是地质学的例证。第 8 版修订版，John Murray，伦敦：811
RUDWICK, M.J.S. (2005): 突破时间的限制 - 革命时代的地质历史重建。芝加哥大学出版社，芝加哥，伦敦：708
关于作者： 大卫·布雷桑是一位自由地质学家，居住在欧洲东阿尔卑斯山。他毕业于厄茨塔尔阿尔卑斯山的岩石冰川动力学和水文学项目，这一阶段让他对第四纪沉积物和现代冰川环境产生了特殊的兴趣。沿着踪迹，研究旧地图和阅读关于冰川的历史报告，他对博物学家和地质学家随着时间推移而形成的地貌学和地质学概念的发展产生了兴趣，因此他结合好奇心、实地考察和旧的描述来撰写关于地质历史的博客。
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