和現在相比，以前的地球到底是冷還是熱呢？這回我們要跟著地球偵探，來探索地球歷史上的氣候變遷。
最近的天氣變得好熱喔！難道這就是所謂的「全球暖化」嗎？那為什麼去年冬天又冷得要命，聽說美國和日本還發生了罕見的暴風雪？地球到底在變冷還是變熱？光憑感覺是不準的，還是得用證據說話才行。現在，就讓我們跟著地球偵探的腳步，調查一下地球氣候的變化史吧！
如果，要知道地球100 年前的氣候變化，我們有很多科學的觀察跟紀錄可以分析；如果，要知道地球1000 年前的氣候變化，我們可以從古人留下的歷史紀錄去推敲；如果，要知道地球10 萬年前的氣候變化，我們或許還能夠從人類生活的痕跡裡去探索；如果，我們要知道地球100 萬年前或是更早的氣候變化，那就只能依靠地球所留下的紀錄和證據來推斷了。
其實早在2014 年2 月號〈辦案辦進地球裡〉，我們就介紹過幾種研究地球歷史的方法和工具，像是地層、化石、還有冰層的紀錄等等，要研究地球「氣候」的歷史，一樣可以透過這些方法來告訴我們地球以前是冷還是熱，什麼又是所謂的冰河時期。
證據一：地層
地層的紀錄主要來自於沉積作用，包括陸地的河流與湖泊堆積，以及海洋的沉積物堆積。如果在湖泊周圍是溫暖又潮濕的氣候，附近的植物可能就會長得很茂盛，於是這些小花小草和樹枝樹葉樹幹就很容易掉到湖泊裡面，被細菌分解腐爛之後，形成腐植質被埋進地層。相對的，如果當時氣候是寒冷又乾燥，湖泊沉積地層裡面的腐植質就會變得很少。
因此，我們可以利用湖泊沉積地層中的腐植質含量，推測這個地區過去的氣候狀況。但是陸地的河流或湖泊有一個很大的問題：如果注入湖泊的河流改道，或是氣候乾燥到沒有水了，那陸地的沉積地層紀錄就會中斷，我們也就無法得知當時的氣候狀況。
不過，海洋裡所形成的沉積地層就沒這個問題，因為地球的海洋不會乾掉，所以能夠持續記錄而不中斷。海洋的沉積物大多來自陸地所沖刷下來的岩石碎屑和海洋中的生物遺骸，這裡面都有很重要的氣候紀錄。像是在北大西洋地區的深海沉積地層裡，原本應該都是非常細顆粒的岩石碎屑堆積，但是在冰河很多的時期，北大西洋周圍的冰河從陸地漂到海洋中間，然後這些浮冰慢慢融化，就把夾帶自陸地的大顆粒岩石碎屑堆積到北大西洋的沉積地層裡。
所以科學家在分析北大西洋的深海沉積物時，只要看見這些不合理的大顆粒岩石碎屑出現，就可以知道這是個冰河很多的時期。不過深海沉積地層最大的缺點就是堆積的速度太慢，大約每1000 年才能堆1~5 公分，造成我們沒辦法得到夠精細（例如每一年）的氣候變化紀錄。
證據二：化石
地球上有很多生物是對氣候變化相當敏感的，所以這些生物化石是非常好的氣候變化證據。像是在陸地上的湖泊沉積物裡面，花粉化石就是最棒的氣候記錄工具。什麼？花粉？那種東西不是一下子就爛掉了嗎？它可以變成化石嗎？嘿嘿，其實花粉可是非常非常結實的，它具有非常堅硬的外殼，很容易變成化石被保存下來。而且，不同植物的花粉形狀也相當不一樣，如果地層裡面出現很多針葉林植物的花粉化石，就代表這個地區此時的氣候比較寒冷；如果出現比較多闊葉林的花粉化石，就表示氣候很溫暖。所以花粉化石其實超好用的！
而海洋裡面最重要的生物化石，則是浮游生物，例如有孔蟲和鈣板藻的化石，你可別因為有孔蟲的名字裡有個「蟲」字就覺得噁心，牠其實是很可愛的。例如，有一些有孔蟲的殼體形狀因為很像小星星，就被取了一個叫做「星砂」的好聽名字。有孔蟲遍布在世界各個大洋，除了不同水溫就會有不同種類的有孔蟲生活之外，有孔蟲的碳酸鈣殼體，還可以用來測量氧同位素含量的比例，換算出全球冰河體積的大小。
而鈣板藻則是有「古溫度計」之稱，科學家可以利用它分泌物中的有機物質來推算出海水溫度高低。它們都是研究氣候歷史不可或缺的重要證據，也是地球偵探非常得力的助手！
證據三：冰層
要說現今最熱門的氣候記錄工具，那非冰層莫屬。其實我們在2014 年2月號〈辦案辦進地球裡〉，就跟大家介紹過冰層，除了在冰裡面有氫和氧的同位素可以拿來推算當時的氣溫之外，冰層的氣泡中還包裹著其他記錄工具中都找不到的當時大氣成分。加上我們採集冰層紀錄的地點是格陵蘭和南極，這裡終年的溫度都在零度以下，所以冰雪的紀錄會一直累積而不會中斷。如果要和深海沉積物做個比較，冰層紀錄還有一個最大的優點，就是每年下雪的厚度遠大於深海沉積物的厚度，所以可以得到非常精確（像是每一年變化）的氣候紀錄。
只不過冰層的紀錄也不是沒有缺點，如果冰雪愈堆愈厚，下方冰層受到的壓力太大，就會慢慢融化，那些紀錄就很難分析判斷，甚至會消失不見。所以目前冰層裡所記錄的氣候資料，大約只能回推到80 萬年前左右。除此之外，冰層紀錄的採集地點都是在地球非常高緯度的地區，反應的可能只是高緯度的氣候，而不像海洋和湖泊可以分布在世界各地。總而言之，要進行科學辦案，當然不能只靠一招半式就去闖天下啦！
冰河期來來去去
好的，以上就是地球偵探目前所掌握到的證據，準備要用來推論地球過去的氣候變化。因為冰層的紀錄目前只能重建到80萬年前左右的地球，雖然沒辦法達到我們原先預計要看100 萬年紀錄的目標，不過為了讓所有證據可以一起比較，我們還是先來看看這80 萬年的紀錄好了。
68 頁的〈80 萬年來的地球氣候史〉整理了海洋沉積地層中的有孔蟲和鈣板藻化石分析結果，以及冰層的紀錄，分析出過去80 萬年來整個地球的氣候變化趨勢。其中有孔蟲化石的氧同位素含量變化，反映出的就是當時地球表面存在著多少冰河的體積，在這段時間裡，冰河很多的時期就被稱為冰河期，冰河很少的時期就被稱為間冰期。
在冰河期的時候，從海洋裡蒸發到大氣的水有可能會飄到高緯度地區下雪形成冰河，因為這些水沒有回到海洋，所以會使得海水面降低。像是在距離今天最近的一次冰河期，海水面就比今天要低120 公尺，這時候平均深度不到100 公尺的臺灣海峽可就整個都露出來，變成陸地了呢！
再從鈣板藻化石中有機物所分析出的熱帶海水溫度變化，以及從冰層中氫氧同位素所分析出的極區溫度變化可以看出來，冰河期的極區溫度會比今天低大約8℃，但是熱帶海洋的水溫則是只有下降2~3℃，這也就是說過去即使是在冰河期，位處熱帶的臺灣其實也沒有變得很冷。
至於冰層中所保存的地球大氣成分裡，二氧化碳的含量變化雖然和氣溫的變化趨勢相當一致，也就是二氧化碳含量高的時候氣溫也高，二氧化碳含量低的時候氣溫也低，但這並不代表是二氧化碳引起的溫室效應導致氣溫變高的。其實這段時間二氧化碳的含量變化並不是地球氣候明顯改變的主因，反而是當地球的溫度升高時，海水中儲存二氧化碳的能力會降低，導致許多原本儲存在海水中的二氧化碳被釋放到大氣中，才使得二氧化碳的含量升高。
但如果地球氣候的變化不是因為二氧化碳和溫室效應的強度改變，那又是什麼原因呢？科學家發現，最近這100 萬年左右的氣候變化，可能是地球自轉和公轉軌道改變所導致的。當地球繞太陽公轉軌道的形狀、地球自轉軸的傾斜和方向有些微變化的時候，就會影響太陽傳送到地球的能量，以及地球所吸收的能量多少，於是才導致了地球冰河體積及氣溫的變化。
綜合以上的結果，我們可以發現在過去幾十萬年的時間裡，冰河期和間冰期每隔幾萬年就會交替出現。每當冰河期出現的時候，地球海洋的海水面就會降低、極地和熱帶的海水表面溫度也都會降低，代表整個地球進入了比較寒冷的時期。相反的，間冰期的地球氣候看起來就稍微溫暖一些。像是距今最近的一次冰河期，就發生在大約兩萬年前，當時北美洲大陸的加拿大幾乎全部被覆蓋在冰河之下，還有北歐的斯堪地那維亞半島和波羅的海地區，以及冰島和格陵蘭，也都被厚厚的冰河所占領。卡通「冰原歷險記」的故事就是在講這個時期的地球，而長毛象和劍齒虎就是當時地球上相當具代表性的生物。
然而在這次冰河時期結束之後，地球也不是一路就持續變熱到今天。從第68 頁下方氣候變化紀錄的圖，我們可以看出不論是溫度或冰河體積，都還是有高高低低的小幅度變化。像是大約1 萬8000 年前最後一次冰河時期結束後，地球氣候開始慢慢回暖的過程中，卻又突然在1 萬3000 年前出現一個類似小小冰河時期的氣候（稱為「新仙女木事件」），並且持續大約1000 年左右。在這之後的地球氣候才變得和今天類似，可以
說正式進入間冰期，只不過還是持續會有小幅度變熱或變冷的現象交替出現。
氣候的時間尺度
其實地球氣候變化有很多大大小小不同的時間尺度，像我們剛剛把圖片中離今天最近兩萬年的氣候紀錄放大來看，就會看見一些持續時間比較短的氣候變化，但是在比較長時間尺度下，這些小規模的氣候變化就不容易被看出來，而會被更大的氣候變化趨勢給掩蓋。所以如果我們仔細研究更小一點時間尺度的氣候變化，我們還會發現很多人類歷史文明的演變，其實都是受到氣候變遷影響才發生的。
但是換個角度來看，我們如果把80 萬年以來的地球氣候歷史紀錄，放到整個地球46 億年歷史來看的話，不就也只是一個小點而已嗎？沒錯，如果把眼光換到整個地球歷史的尺度來看氣候變化的話，那又是截然不同的一回事了。就整個地球46 億年的歷史來說，影響氣候變化的主要原因當然也就不再是剛剛所講的那幾個天文週期而已，還有太陽的強度變化、板塊運動，還有大氣成分的巨大改變等等，都對地球氣候有更明顯的影響。
所以，我們地球偵探再下一期，應該往更古老的地球出發，看看更大規模的氣候變化？還是應該走進人類歷史，來看細微卻和我們更息息相關的歷史氣候事件呢？好難抉擇啊！
本文原刊載於遠流雜誌社所出版的科學少年第三期（2014.06）
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