距今4000多萬年前，郁郁蔥蔥的南洋杉長滿了南極洲大陸，許多有袋類動物在這片溫帶森林中自由生活，覓食著昆蟲、果實和嫩葉，而彼時，北極也是一片溫暖的自由水域;如今，兩極早已被厚厚的冰蓋覆蓋，成為冰天雪地的世界。我們不禁思考：究竟是何因素，讓兩極變?yōu)槿缃竦你y裝素裹之貌?
溫帶森林
想要找到答案，我們需要把時間撥回6600萬年前的新生代。
距今約66Ma(Mega-annum，百萬年)，白堊紀(jì) - 古近紀(jì)滅絕事件發(fā)生。這場災(zāi)難致使全球約 75% 的物種滅絕，非鳥類恐龍徹底告別地球，哺乳動物艱難求生。至此，地球歷史翻開新篇，進(jìn)入新生代。我們現(xiàn)在看到的兩極冰蓋，正是在新生代形成的。
關(guān)于兩極冰蓋形成的原因，目前學(xué)術(shù)界分為兩種學(xué)派，一種是洋流派，一種是高原派。我們先說第一種。
距今約66Ma至34Ma前，地球處于較為溫暖的時期，兩極沒有冰蓋，全球平均溫度約在20℃以上，比現(xiàn)今溫度還要高。此時的陸地部分如下圖所示，與今天的有所不同。
但在距今34Ma 前，板塊運動導(dǎo)致德雷克海道和塔斯馬尼亞海道打開，南極洲與南美洲、澳洲徹底分離，周圍形成了閉合的水圈。這一變化促使環(huán)南極洋流——一股自西向東環(huán)繞南極洲的洋流誕生。由于沒有陸地阻擋，它在西風(fēng)驅(qū)動下高速流動，像一道“熱屏障”，擋住了亞熱帶的溫暖海水。
圖源：星球科學(xué)評論
失去熱量補給的南極洲，夏季氣溫也降至冰點以下，降雪無法完全融化，開始逐年積累。白色的積雪具有高反射率，能把大部分太陽輻射反射回太空，讓南極洲進(jìn)一步變冷;而變冷又會擴(kuò)大降雪范圍、增加降雪量，形成“降溫→降雪積累→進(jìn)一步降溫”的正反饋循環(huán)。最終，積累的降雪被壓實成冰，形成了如今巨大的南極冰蓋。
南極冰蓋的形成以“干冷”為核心條件 —— 環(huán)南極洋流阻擋暖水導(dǎo)致了低溫，加上終年不化的降雪產(chǎn)生的積累效應(yīng)，共同促成了冰蓋的形成。北極有所不同，由于沒有南極那般不斷圍繞的環(huán)南極洋流的降溫，北極想要形成冰蓋，只能靠冬季大量降雪，堆疊到夏季也不能完全融化的地步，以此達(dá)到上述的正反饋循環(huán)。
北極冰蓋的形成相對較晚。距今約3Ma前，巴拿馬地峽隆升，阻止了太平洋和大西洋之間的赤道洋流交換，迫使加勒比海暖水強化并向北運輸，形成了更強大的墨西哥灣暖流。暖流給北極帶來了巨量的水汽，北極地區(qū)形成更多降雪，降雪經(jīng)過幾百萬年的積累，形成冰蓋。
巴拿馬地峽隆升和中美洲海道關(guān)閉
北極冰蓋包括格陵蘭冰蓋、北極海冰等。北極海冰由咸的海水直接凍結(jié)而成，受溫度影響較大，在新生代冰期與間冰期的全球溫度變化中有時會大部分融化，而格陵蘭冰蓋等陸地冰蓋一般厚達(dá)幾千米，較為穩(wěn)定，延續(xù)至今。
以上為洋流學(xué)派的觀點，接下來我們來講高原學(xué)派。
在新生代，板塊運動極其活躍，地球形成了許多高原，比如青藏高原、科羅拉多高原等。高原學(xué)派認(rèn)為，在這些高原的隆升過程中，地殼深部會大量暴露新鮮硅酸鹽巖。這類巖石是地殼中最常見的類型，像花崗巖、玄武巖都屬此列。硅酸鹽巖暴露在空氣中時，會與雨水、大氣中的 CO₂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為碳酸鹽物質(zhì)，最終隨著河流匯入海洋。在海洋中，珊瑚、貝類等生物會吸收海水中的碳酸鹽，形成外殼(生物過程);同時，海水中的鈣離子與碳酸根離子也會直接結(jié)合，沉淀形成巖石(非生物過程)，這兩種方式都能將 CO₂永久固定在海底。
圖源：星球科學(xué)評論
二氧化碳屬于溫室氣體，以上過程降低了大氣中二氧化碳的濃度，減弱了溫室效應(yīng)，導(dǎo)致地球能保存的熱量減少，散失到太空的熱量增加，進(jìn)而導(dǎo)致全球平均氣溫下降。隨著全球平均氣溫下降，兩極地區(qū)的夏季最高溫逐步降低，冬季積累的積雪無法完全融化，積雪不斷壓實、積累，最終導(dǎo)致冰蓋形成。
以上是高原學(xué)派的相關(guān)理論。
目前來說，洋流學(xué)派是被廣泛接受解釋兩極冰蓋形成的主流理論，而高原學(xué)派雖然不能解釋地質(zhì)上一些迅速的突變過程(如南極冰蓋在34Ma突然形成)，但其為全球降溫大背景的形成提供了重要補充，對冰蓋形成起到了輔助作用。
關(guān)于兩極冰蓋形成原因的系統(tǒng)性研究是從現(xiàn)代才開始的。由于海洋科學(xué)和地球物理學(xué)的發(fā)展和證據(jù)支持，板塊構(gòu)造理論(魏格納1913年提出)于1960s被科學(xué)家們重新拾起。1977年，詹姆斯·P·肯尼特發(fā)表論文，系統(tǒng)性地提出洋流學(xué)說，指出南極洲的地理解離和南極環(huán)流導(dǎo)致南極冰川形成。1988年，雷莫和他的老師拉迪曼共同發(fā)表論文，提出高原學(xué)說，指出晚新生代山脈隆起增加了硅酸鹽風(fēng)化，消耗大氣CO₂驅(qū)動全球變冷。
2001年，扎喬斯結(jié)合兩個學(xué)派的研究，發(fā)表綜述論文，系統(tǒng)梳理了新時代氣候演變，也指出洋流變化推動氣候階躍式變化。(如下圖，部分改動和翻譯)
橫軸數(shù)字越大相當(dāng)于全球平均溫度越低
兩極冰蓋的形成是地球地質(zhì)與氣候長期互動的結(jié)果，而如今，人類活動引發(fā)的全球變暖正打破這一平衡 —— 兩極冰蓋的融化速度已遠(yuǎn)超自然演變速率。
冰蓋融化不僅會導(dǎo)致海平面上升，還會擾亂全球洋流和氣候系統(tǒng)，直接影響人類的生存環(huán)境。了解冰蓋形成的歷史機制，能幫助我們更精準(zhǔn)地預(yù)測氣候變化趨勢，為應(yīng)對全球變暖、守護(hù)地球家園提供科學(xué)依據(jù)。對地球而言，人類或許只是過客，但我們可以通過科學(xué)行動，延長自己在這顆星球上的“居住權(quán)”。
本文作者：廈門大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院崔宇博、陳泊宇。
本文由海洋負(fù)排放(ONCE)國際大科學(xué)計劃、廈門大學(xué)碳中和創(chuàng)新研究中心支持。