寻找地球上最冷的冬天

2020 年末至今年年初，一轮又一轮强劲寒潮席卷全国，北京 1 月 7 日更是迎来 55 年来的最低值 -19.6℃。

今年的冬天怎么这么冷？

通常来说，北半球进入冬季，高低纬间的温度差能迫使西风急流较为平直地沿纬圈流动，将冷空气束缚在高纬地区。

但是近年来北极的升温和海冰的融化拉低了这个温度差，使得西风急流脱离束缚、蛇形走位，导致冷空气兵分南下。

又恰逢中等到强级别的拉尼娜（La Niña）现象，中东太平洋赤道附近海水变冷，大幅削弱了能阻挡冷空气南下的暖气团。

一场场寒潮长驱直入，让各地开启「速冻模式」。

当然，这还远远称不上是「最冷冬天」，这期视频我们将把时间轴往回拨亿万年，去寻找地球上最寒冷的冬天。

科学系统的气象记录仅从 20 世纪中叶开始，但从历史文献中可以查找到大量古代气候的信息。

1973 年，竺可桢经过大量资料整理后，描绘出中国历史时期气温变化曲线，上面有四个暖期，对应中原农耕文明的繁盛期；以及四个冷期，对应农耕的凋敝和北方游牧民族南下。

不过，历史文献的气候信息相对间接和主观，且只能覆盖距今 5000 ~ 7000 年内。

为了还原更久远的气候记录，是否有其它更定量的方法呢？

地球上最丰富的氧元素会告诉你答案。它有三个稳定同位素：分布最多的氧-16，以及氧-17 和氧-18。它们广泛分布在各种水体中，其中较轻的氧-16 相比较重的氧-18 更容易随水汽蒸发进入大气。

当冰期时，陆地上冰川广布，海水中大量氧-16 经蒸发和大气降水最终储存在冰川里；而氧-18 留在海水中，使得海水中氧-18 与氧-16 比值增大。

反之，当气温回暖时，大量氧-16 随冰川融化流回海洋，海水中氧-18 与氧-16 的比值降低。可见海水氧-18 与氧-16 的比值与温度呈负相关。

那么，我们该如何得到几十万年前海水的氧-18 和氧-16 的成分？

这是一只有孔虫（Foraminifera），一种自 5 亿年前至今广泛生活在海水中的原生生物。在它分泌碳酸钙质形成壳体的过程中，壳体所含的氧-18 与氧-16 值时刻与海水氧-18 与氧-16 值保持一致。

当有孔虫死亡，当时海水中的氧-18 与氧-16 比值就被「封印」在壳体内，随之沉积在海底形成地层。

通过大洋钻探得到海底岩芯后，使用仪器分段测得有孔虫化石的 氧-18 和氧-16 含量，将这个比值与标准平均大洋水（Standard Mean Ocean Water, SMOW）的氧-18 和氧-16 比值常数做标准化，得到便于古今比较的指标 δ 氧-18 。

有孔虫化石的 δ 氧-18 就等于当时的海水 δ 氧-18 值。根据《古气候动力模拟》第 141 页给出的这个公式，就能得到当时的海水表面温度 SST 。

于是，我们就可以得到绵延几百万年以来的温度变化曲线。类似的曲线，我们也可以在冰芯、黄土中得到。

综合海底、黄土、冰芯的交叉印证，就可以摸清距今 260 万年以来的第四纪气温变化曲线，包含 30 多个冰期和暖期的交替。

最寒冷冬天就出现在离我们最近的这几十万年。

为什么会是这样？究竟是什么力量暗中控制着气候的周期变化。

是太阳，地表最主要的能量来源，处在地球椭圆公转轨道的一个焦点上。

受太阳系内行星摄动的影响，每隔约 10 万年，地球公转轨道偏心率就会到达极大值。此时椭圆轨道最扁，远日点的日地距离最大，各半球夏季获得的热量最少。

每隔约 4 万年，地球自转轴倾角达到极大值。此时地球能被太阳直射的范围达到最大面积，各半球高纬地区获得最大的太阳辐射量。

每隔约 2 万年，地轴像倾斜的陀螺一样在空间中绕出一个圆锥面，称为岁差（precession），导致公转轨道上的四季所处位置平移一周。

三个轨道参数周期叠加在一起，控制着太阳辐射量在不同季节和纬度的分配。经过一系列复杂的放大机制，最终改变全球气候。

你会发现，10 万年的偏心率周期恰好对应温度曲线中的冰期，而 4 万年的斜率周期和 2 万年的岁差周期又对应次一级寒冷期。这一现象被称为米兰科维奇旋回（Milankovitch Cycles）。

光有这个规律还不够，我们只是找到了 260 万年以来的最冷冬天。地球有 46 亿年历史，在时间更深处寻找最冷冬天，我们要将视野再扩大一个层级。

我们脚下的大陆不断发生着漂移、碰撞、拼合、裂开、再碰撞。每隔数亿年，地球上全部的大陆会聚合成一个超级大陆，随后再裂开，这样的周期性规律称为超大陆旋回（Supercontinent Cycles）。

每当超大陆在地球上出现时，都会伴随着火山灰的遮天蔽日和温室气体 CO2 的大量消耗，引发行星尺度的冰河时代和随之而来的生物大灭绝。

例如盘古（Pangea）超大陆时期，地球经历了 1 亿年石炭-二叠纪大冰期，罗迪尼亚（Rodinia）超大陆时期，地球更是经历了长达 1.5 ~ 2 亿年的震旦纪大冰期。

一些科学家猜测，如此浩瀚的地球大韵律，可能与太阳系绕银河系公转过程中遭受的恒星摄动相关，这将是更大的一级天文轮回。

至此，我们要寻找的「地球最冷冬天」可能最接近震旦纪大冰期。在那时，全球均温低至 -50℃，从赤道到两极都覆盖着几公里厚的冰层，地球变成雪球（Snowball Earth）。

但这阻挡不了生命的孕育。冬天之后，地球就迎来了辉煌的寒武纪生命大爆发，大地回春、万物生长。