对于我们物种的整个历史来说，人类一直生活在一个两极都覆盖有大量冰的行星上。但自复杂生命首次出现以来，地球大约75％的时间都是处于无冰状态的。背景气候的这种部分有冰期和无冰期之间的变化，几十年来一直困扰着地质学家。
近日，由美国加州大学圣塔芭芭拉分校的Francis Macdonald领导的一小组科学家发表的一项研究成果表明：构造活动可能是这种现象出现的罪魁祸首。他们发现，地球气候的长期趋势是由热带地区火山弧与大陆之间是否存在碰撞决定的。该结果发表在《科学》杂志上。
“在较长的时间尺度内，我们为什么会有更暖或者更冷的气候？对于这个问题一直以来都有很多假设，但是却没有统一的结论。”地球科学系的Macdonald教授说。
当Macdonald说到 “长时间尺度”时，他指的是至少一千万年。这些是广泛的气候趋势，是除去自然和人为扰动后的背景。根据Macdonald的说法，科学家对于在千年的时间尺度上哪些因素会影响气候有相对较好的理解。
然而，在任何时间尺度上，气候变化的主要“代理人”都是CO2。问题是哪些因素会影响大气中二氧化碳的含量。一些过程会产生二氧化碳，而另一些过程会吸收二氧化碳，科学家将这称之为源与汇。
到底是源还是汇对气候影响更大，地质学家们对此争论不休。Macdonald说：“一些地质学家认为是二氧化碳的源，如火山活动，在很长的时间尺度上驱动了气候变化，而另一些地质学家认为不是源，而是汇导致了这个时间尺度上的气候变化。”
他相信更可能是汇，尤其是通过化学反应来吸收二氧化碳的大量岩石沉积物。但是这些碳汇并不是均匀地分布在整个地球表面上。例如，印度尼西亚只占地球土地裸露面积的1-2％，但约占当前地质碳汇面积的10％。
这些汇的活动取决于一系列的因素。水对于化学反应很重要，并且还会将最终的生成物冲洗到海洋中，在那里消耗二氧化碳。造山运动通过抬升和暴露新岩石来增加反应。而在平坦的地形中，土壤会遮蔽下面的岩石。
岩石的类型也起着关键作用。富含铁和镁的岩石有更简单的化学键，更容易断开。这使得这些镁铁质岩石（如玄武岩）具有更复杂的化学键的岩石（如花岗岩等）具有更好的碳汇。
板块构造运动是驱动这一地质碳循环的原因。当一块构造板块在另一块构造板块（通常是一大陆板块下的密集海洋板块）下滑动时 ，熔化的岩石在上部的板块上形成了一排被称为火山弧的火山。太平洋西北地区的喀斯喀特山脉就是其中的一个例子。
Macdonald和他的同事认为，当这些火山弧与另一个大陆板块碰撞时会抬升镁铁质岩石。这些岩石很容易被侵蚀，特别是在温暖潮湿的热带地区，沉积物会被送到海洋消耗二氧化碳。 因此，他推断，当这些碰撞发生在热带地区时，会使气候变冷。
“热带是最有利于岩石分化的地区，因为那里是最温暖和最潮湿的地方。”该研究的共同作者，来自加州大学圣塔芭芭拉分校地球科学系的副教授 Lorraine Lisiecki解释道。
为了验证他们的假设，该小组运用了科学家们在过去几十年中建立起来的大陆重建和造山活动。 这使得他们知道火山弧和大陆碰撞的地点和时间。 而这仅限于过去的5亿年，因为在这之前，地质记录不太完整，重建不太可靠。
温度比地理位置更难以解读，因此该小组使用了一个简单的度量标准：在给定时间内，两极上是否有冰，他们通过观察只有冰存在时才会形成的岩石的数据，从文献中重建了这一信息，发现地球在其时间窗口中仅有四个时期有明显的冰盖。
结合地理和温度数据，研究小组发现，在过去的5亿年间，在热带地区大陆与火山弧频繁碰撞期间冰川气候就会出现。这两者的匹配结果是偶然因素的可能性不到1％。
“我们都知道地球上同一时间有很多东西都在发生变化，但我们得到的结果如此简洁，匹配程度如此之好，这着实令人惊讶。”Lisiecki说。
这些碰撞还具有使火山弧活动停止从而切断二氧化碳来源的附加效果。“但如果它是一种火山效应，那么火山的位置就不重要。”Lisiecki说。这只是一种风化作用，纬度差异会对它产生影响。该小组发现了在热带地区气候和碰撞之间有更显著的关系，而不是热带地区之外。
Macdonald说：“这些假设不一定完全独立，但我们的分析表明，它与风化作用的相关性是最强的。”
Macdonald是在他的几位同事对范围较小的研究结果提出异议后，才着手进行这项大规模的汇编工作的。“我想，’你绝对是正确的。我们需要更广泛地看待这一点’，”他回忆道。现在，该小组希望本文能够在鼓励他们的同事的同时，为他们自己的假设找出一个更缜密的案例。
人类已经生活了数十万年，但我们对地球上古以来所经历的巨大变化几乎没有概念。虽然它研究的课题很古老，但现代地质学的发展相对较晚。例如，板块构造理论直到20世纪60年代才被广泛接受。Macdonald说：“我们经常认为地球就像我们现在所看到的一样。但是纵观其历史，它是一个完全不同的星球。”
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编译： 白小燕
审稿： alone
责编：张梦
期刊来源：《科学》
期刊编号：0036-8075
原文链接：
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