地球/5i. 地球的冰：冰川、冰盖和海冰
在夏末，在伯尔尼阿尔卑斯山的高处有一个山谷，那里布满了碎裂和倒塌的岩石，这些岩石似乎是被巨人推倒并撞击到山谷底部。大型的、参差不齐的棱角分明的巨石向上指向周围陡峭的山坡。这些是Aargletschers，德语中的阿雷冰川，是一个由两个主要冰川组成的系统，是瑞士西部阿雷河的源头。如今，冰川已经退回到山谷上游，这是其昔日辉煌的遗迹，北部冰川劳勒拉尔和南部冰川芬斯特拉尔退回到各自独立的山谷中，但两百年前，这些巨大的冰川延伸到山谷中，形成一个联合冰川（称为翁特阿尔冰川），延伸了3公里，将这些岩石埋在厚厚的冰层下。瑞士画家卡斯帕·沃尔夫用美丽的、戏剧性的绘画捕捉了这些冰川，画中描绘了被巨人抛掷的大石块，以及从山谷中倾泻而下的巨大冰层，还有冰雪堆积，以及锯齿状地指向天空的蓝绿色冰川，这些景象与如今温暖的地球景观大不相同。在两条冰川交汇处附近，建造了一个用岩石建造的小避难所，讽刺地命名为新沙泰尔旅馆。正是在这个被冰雪包围的避难所里，一位名叫路易斯·阿加西斯的瑞士科学家进行了一项重要的地质学研究，这位科学家的研究对我们今天看待世界的方式产生了重大影响。
1832年，路易斯·阿加西斯被瑞士纳沙泰尔大学聘用，教授自然历史。当时，他正专注于研究从巴西亚马逊盆地早期探险中带回的热带鱼。不幸的是，瑞士阿尔卑斯山的寒冷山区景观并不是研究热带鱼的理想场所，但阿加西斯发现，通过在山区远足，他可以找到很久以前生活在岩石层中、被埋藏起来的鱼类的石化遗骸。阿加西斯开始研究这些鱼类化石，他每天大部分时间都在山里用他的岩石锤劈开岩石，并发现了数百万年前许多已灭绝鱼类的新品种。当阿加西斯探索山区寻找新的化石地点时，他开始用不同的眼光看待山谷，观察它们是如何被冰的运动雕刻出来的。这引起了他的兴趣，他开始带领学生进行实地考察，研究填充这些山谷的冰川的运动和移动。阿加西斯以岩石避难所作为他的行动基地，向下钻透冰层以测量其厚度，并绘制冰川的范围以及其表面携带的巨石。他最著名的实验是在冰川上沿直线沉入木桩，并在几年内观察到冰川中心的木桩向下坡移动，就像冰像缓慢流动的河流一样流动。
阿加西斯对冰川的研究证明了冰在塑造地球表面方面强大的力量。冰川形成于靠近两极的高纬度地区或山峰的高海拔地区。当每年冬天降雪量大于夏季融化量时，夏季融化后剩余的致密冰层会向下坡移动。冰川是一个持续存在的冰体，在重力的影响下向下坡移动。这些冰川首先在山峰顶部形成，然后雕刻出一个碗状的凹陷，称为冰斗，冰川会从这里流下山坡，将陡峭的岩石斜坡雕刻成碗状，两侧是陡峭的山峰，称为刃脊。位于瑞士和意大利边境之间著名的马特洪峰就是一个例子，它是由于每侧都有冰川雕刻而成。冰川沿着山谷流动和扩展，雕刻出U形谷底。这种流动的冰就像一条传送带，运送从山谷过陡的侧壁上掉下来的巨石和大型岩石。这些巨石和岩石被运载在厚厚的冰层上，沿着山谷向下移动。在山谷的末端附近，冰川会随着海拔降低和温度升高而融化，大型岩石和巨石会滚落下来，形成冰碛。冰碛是由冰川搬运的厚厚的、杂乱的岩石和碎屑堆积物，它们可以在冰川边缘形成，称为侧碛，在冰川末端称为**终碛**。这些岩石堆的特点是分选性差（大小不一的岩石），看起来像是由大型推土机形成的。这种分选性差、参差不齐的棱角分明的岩石堆称为**冰碛土**，当固结成岩石时，称为**冰碛岩**。冰碛土与河流搬运的沉积物不同，因为这些沉积物会被磨成卵石和圆形砾石。冰碛土只是一堆各种形状和大小的岩石。
通常在终碛附近会形成一个小湖泊或池塘，称为**冰蚀湖**。冰蚀湖通常充当冰川融水的集水区。当冰川完全融化，不再是永久的冰体时，其遗迹通常可以在被雕刻的U形谷中找到，并在冰斗底部形成冰蚀湖。
冰川存在于地球表面的两种位置：温带地区的阿尔卑斯山地区和靠近北极和南极的极地地区，例如格陵兰和南极洲的大冰盖。对冰川的研究表明，在过去的一个世纪里，随着地球变暖，冰川一直在退缩。要形成冰川，需要通过冬季积雪和结冰不断地向其添加冰雪，这必须大于夏季积雪和结冰的消融或融化。如果夏季冰雪的消融量大于冬季增加的量，冰川就会后退。这形成了冰川的两个区域，靠近头部或源头的是积累区，而消融区则靠近冰川的末端或尾部。它们之间是平衡线，它是积累区和消融区的边界线。这通常可以在冰川的卫星图像中观察到，积累区是清新的白色，覆盖着新鲜的积雪，而消融区则颜色较深，因为表面融化并暴露出岩石和融水。每年，冰川都会在冬季几个月内生长，并在夏季融化，并表现出不同的质量平衡，这取决于有多少新冰贡献给了冰川，以及有多少冰被融化所消融。
如今地球上的大多数冰川都在退缩和缩小。这些缩小的冰川留下了大量冰碛，这些冰碛记录了它们随时间的推移而退缩的过程。随着冰川向上游谷地退缩，冰碛堆形成了终碛的连续记录，记录了冰川从其最大延伸范围退缩的过程。确定终碛上这些岩石的年龄通常使用放射性同位素铍-10，这种同位素会在石英矿物中积累，这些矿物含有氧原子，当暴露在阳光下时，氧原子可以转变为放射性同位素铍-10，铍-10最终会衰变成氧，但这种同位素的数量可以用来确定岩石暴露在光线下多长时间，以及它在多长时间前从将它带到终碛沉积物的冰层中解冻出来。在全球范围内，冰川在末次冰期大约25,000年前达到了最后一次最大范围。这与米卢廷·米兰科维奇的研究结果大致相同，他的研究表明地球的轨道会导致地球气候变得更加多变和寒冷。科学家将近地质历史上这些时期称为冰期和间冰期。
对于路易斯·阿加西来说，对瑞士阿尔卑斯山冰川的研究表明，地球的大部分地区曾经被冰盖和大型冰川覆盖，但当时的科学家对此表示怀疑。他最大的怀疑者之一是威廉·巴克兰，他曾前往瑞士阿尔卑斯山考察。巴克兰是英国牛津大学的教授，如今更以1824年命名首个恐龙——巨齿龙（巨齿龙）而闻名。但在担任地质学讲师期间，他是一位著名的地球表面曾受大洪水塑造的观点的支持者。巴克兰的大洪水模型认为，地球表面上的所有巨石和岩石都是由古代的大洪水搬运而来。两位科学家在瑞士相遇，尽管观点不同，但成为了朋友，阿加西主张地球是由冰塑造的，而巴克兰则主张地球是由水塑造的。
阿加西证明了厚厚的冰层由于冰的独特特性和重力的影响而缓慢地流过地貌。就像一堆扑克牌一样，冰的内部晶体结构会发生变形应力，促使冰向下坡移动。冰尤其在与山谷岩石底部和壁面的接触处会冻结和融化。当冰拖拽从岩石表面剥落的颗粒并将其拖过岩石表面时，这会在岩石表面产生冰川槽或擦痕。在冰层较厚的地方，由于冰层在该深度承受着更大的压力，融化会加剧，这使得熔点降至0°C以下。这种来自极厚冰层的巨大压力使冰川能够在这层狭窄的融水层上滑动。冰/岩石界面处的冻结/融化循环产生了所谓的岩粉，这是一种细磨的矿物质，为冰川下游的森林提供了重要的营养物质。
虽然巴克兰开始相信阿加西收集的证据，即冰川和冰塑造了欧洲阿尔卑斯山，但他邀请阿加西前往苏格兰，看看他们能否在那里找到更多证据，证明冰塑造了苏格兰的表面。两位科学家踏上了这次旅程，深入探讨了苏格兰地貌中山谷、山脉和特征的形状。他们观察了峡湾，冰川在那里凿出了一个巨大的U形谷，后来被海水填充，并发现了山麓（山脚）的例子，冰川沉积物堆积在山脉的侧翼。他们在苏格兰发现了散布的鼓丘，这些狭窄的山丘都朝向相同的方向，仿佛一块巨大的冰盖像木雕师一样骑在这些山丘上，塑造了它们，以及冰碛丘陵，这是由巨大冰盖下融水的运动形成的狭窄蜿蜒的山丘。最令人惊叹的是漂砾，这些巨大的棱角分明的巨石似乎是从很久以前融化的冰中掉下来的，这些冰将它们搬运了很远的距离。这些巨大的石头散落在苏格兰的土地上。阿加西看到了曾经覆盖苏格兰和英格兰的巨大冰盖的证据。随着时间的推移，巴克兰也相信古代曾存在过一个大冰期。他关于地球表面的大洪水模型从他的脑海中消失了，因为他意识到他们收集到的证据暗示了地球有着一段漫长的冰冻历史。
当阿加西于1846年移居美国后，他对地球历史上冰期的想法得到了进一步巩固。阿加西最初打算访问美国，研究北美冰川的证据，并继续他的鱼类化石研究，但太喜欢这个国家了，所以决定留下来。在阿加西看来，北美是由巨大的冰川雕刻而成的。纽约的哈德逊河，一个由巨大的冰盖形成的被洪水淹没的U形谷，以及被冰川雕刻而成的手指湖。最令人惊叹的是最近绘制的五大湖，它们是通过厚厚的冰层运动挖出的，并被水填充。沿着东北海岸，他观察到长岛是一个巨大的终碛，冰川将分选性差的沉积物和冰碛倾倒下来，形成了美国独特的海岸线。从波士顿到纽约，阿加西观察到散布在新英格兰地区的巨石和漂砾上的擦痕。阿加西被任命为哈佛大学的教授，并在1859年在校园里创办了比较动物学博物馆。在1864年至1865年的美国内战期间，他讲授了冰川和地球过去冰期的知识。如果没有他的第二任妻子伊丽莎白·卡伯特·阿加西，一位多产的作家，来推广他的研究，他的想法可能就不会有那么大的影响力。伊丽莎白·卡里在一个很少有女性被允许任教的时代担任教授，她在1859年以笔名出版了一本有影响力的教科书，名为《自然史第一课》，使用了黑珠树属（黑珠树属）的属名，这是一种美丽的开花植物，但会结出剧毒的浆果。伊丽莎白·卡里在波士顿附近的一所女子学院教授年轻女士，并且是支持盲人学生学习自然史的主要支持者。他们被埋葬在波士顿附近，墓碑是一块独特的巨石，这块巨石从美国运来，是从那些激发他们共同钦佩这个被冰川雕刻和塑造的星球的力量和美丽的冰川中挑选出来的。
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