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 高处，有一个山谷，里面充满了破裂的、翻滚的岩石，这些岩石似乎被巨人推到山谷底部并撞击。巨大的石块，参差不齐，呈棱角状，指向周围陡峭的山坡。这些是 阿雷冰川，德语中的“阿雷冰川”，是瑞士西部 阿雷河 的源头，由两个主要的冰川系统组成。现在的冰川已退回到山谷中，是它们昔日辉煌的遗迹，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，形成了一个联合冰川（称为翁特拉尔冰川），延伸了 3 公里，将这些岩石埋在厚厚的冰层中。瑞士画家卡斯帕·沃尔夫用他美丽的、戏剧性的画作捕捉了这些冰川，画中巨人们抛掷着巨大的石块，巨大的冰层从山谷中滚落，堆积着冰和雪，呈现出蓝绿色的冰，参差不齐地指向天空，与今天更温暖的地球景观截然不同。在两条冰川交汇的地方，建了一个由岩石制成的小型避难所，讽刺地取名为“诺沙泰尔酒店”。正是在这个被冰雪包围的避难所里，一位名叫路易斯·阿加西的瑞士科学家进行了一项重要的地质研究，他对我们今天对世界的看法产生了重大影响。
1832 年，路易斯·阿加西 受聘于瑞士 诺沙泰尔大学 教授自然史。当时他正专注于研究从巴西亚马逊流域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不是研究热带鱼的理想场所，但阿加西发现，通过在山区徒步旅行，他可以找到埋藏在岩层中的古代鱼类化石。阿加西开始研究这些化石鱼类，他每天都在山区用他的岩石锤敲碎岩石，寻找数百万年前已经灭绝的鱼类的新物种。随着阿加西在山区探索新的化石遗址，他开始以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，研究这些山谷中冰川的运动和移动。以岩石避难所为基地，阿加西向下钻透冰层以测量其厚度，并绘制了冰川的范围，以及其表面携带的巨石。他最著名的实验是在冰川上直线排列杆子，并在几年内观察到冰川中心的杆子向下移动，就像冰像一条缓慢流动的河流一样流动。
阿加西对冰川的研究，证明了冰在塑造地球表面方面具有强大的力量。冰川形成于两类地方：纬度高的极地地区，或山峰高处的海拔地区。当每年冬天降雪量大于夏季融化量时，剩下的没有融化的致密冰向下移动。冰川是持续存在于冰体，在重力的影响下向下移动。最初形成在山峰顶部，这些冰川会雕刻出一个碗形的凹陷，称为冰斗，从这里，冰川将流下山坡，将陡峭的岩石斜坡雕刻成碗形，两侧是陡峭的山峰，称为刃脊。瑞士与意大利边境之间著名的马特洪峰就是一个刃脊的例子，由两侧雕刻的冰川形成。冰川沿山谷流动和扩张，雕刻出 U 形的谷底。这种流动的冰就像一个传送带，将从山谷两侧过度倾斜的斜坡上掉落的巨石和大块岩石运走。这些巨石和岩石被冰川厚厚的冰层运送到山谷中。在山谷末端，冰川会随着海拔降低和气温升高而融化，这些巨石和大块岩石会滚落出来形成冰碛。冰碛是由冰川携带的堆积在一起的岩石和碎屑，它们可以形成在冰川边缘，称为侧碛，也可以形成在冰川末端，称为**终碛**。这些岩石堆的特点是堆积不均匀（大小不一的岩石），看起来像是由大型推土机形成的。这种堆积不均匀、参差不齐、呈棱角状的岩石堆称为**冰碛土**，当它固结成岩石时，称为**冰碛岩**。冰碛土与河流运输的沉积物不同，因为那些沉积物会被磨光成卵石和圆形砾石。冰碛土只是一堆各种大小的岩石。
在终碛附近通常有一个小湖泊或池塘，称为**冰蚀湖**。冰蚀湖通常作为冰川融水的集水区。当冰川完全融化，不再是永久性冰体时，它们通常会留下它们在山谷中雕刻的 U 形谷，并且在冰斗底部可能会找到融水形成的冰蚀湖。
地球表面冰川存在于两种类型的区域：温带地区的阿尔卑斯山区，以及北极和南极附近的极地地区，例如格陵兰岛和南极洲的大型冰盖。对冰川的研究表明，在过去一个世纪中，随着地球变暖，冰川一直在后退。为了形成，冰川需要在冬季通过积雪和冰的积累不断补充，而这必须大于夏季的消融或融化。如果夏季消融的冰雪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：靠近头部或源头的区域是积累区，而消融区位于冰川的末端或尾部。它们之间是平衡线，这是积累区和消融区之间的界限。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，有新鲜的积雪，而消融区是较暗的颜色，因为表面融化并暴露了岩石和表面的融水。每年，冰川在冬季会经历增长，在夏季会融化，并表现出不同的质量平衡，具体取决于有多少新的冰添加到冰川中，以及有多少冰因融化而消融。
如今地球上的大多数冰川都在后退和缩小。这些缩小的冰川留下了大量的冰碛，记录着它们随着时间的推移而后退。随着冰川向上游谷地后退，冰碛堆积成一个连续的终碛记录，记录了冰川从其最大范围后退的过程。对这些终碛岩石进行记录和年代测定，最常用的方法是利用放射性同位素铍-10，它会在含有氧原子的石英矿物中累积，这些氧原子暴露在阳光下会变成放射性同位素铍-10，然后会衰变回氧，但该同位素的含量可以用来确定岩石暴露在光线下的时间以及它从冰川中被释放出来的年代，这些冰川将其带到了终碛沉积物中。在全球范围内，冰川在大约 25,000 年前，也就是上一次冰河时代期间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，即地球轨道会使地球的气候更加多变和寒冷。科学家将这些时期称为地球最近地质历史上发生的冰期和间冰期。
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，地球上曾经覆盖着冰盖和大型冰川，但当时其他科学家对此表示怀疑。他最大的怀疑者之一是威廉·巴克兰，他来瑞士阿尔卑斯山考察。巴克兰是英国牛津大学的教授，今天他更以在 1824 年命名了第一种恐龙——巨齿龙而闻名。但在担任地质学讲师期间，他一直是地球表面受洪水塑造这一观点的坚定支持者。巴克兰的洪水模型认为，地球表面的所有巨石和岩石都是由古代大洪水搬运而来。两位科学家在瑞士相遇，尽管观点不同，但他们成为了朋友，阿加西主张地球是由冰川塑造的，而巴克兰则主张地球是由水塑造的。
阿加西展示了厚厚的冰层如何由于冰的独特性质和重力的影响而缓慢地流过地表。就像一副扑克牌一样，冰的内部晶体结构会经历变形压力，从而推动冰向下坡移动。这种冰可以在它与山谷底部和山壁的接触点附近冻结和融化。当冰从岩石表面刮走被剥落的颗粒并拖过它时，就会在岩石表面产生冰川槽沟或条痕。这种融化在冰层厚度很大时会加剧，因为冰层在这样的深度下会承受更大的压力，这会使熔点降低到 0°C 以下。来自非常厚的冰盖的这种高压使冰川可以在这个狭窄的融水底部滑行。冰与岩石界面之间的这种冻融循环产生了被称为冰川粉的物质，这是一种细磨的矿物，为冰川下坡的森林提供了重要的营养物质。
虽然巴克兰开始被阿加西收集的证据所信服，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，看看他们在那里能收集到什么证据来证明冰川塑造了苏格兰的表面。两位科学家踏上了这次旅程，深入探讨了苏格兰景观中山谷、山脉和地貌的形状。他们观察了峡湾，那里冰川侵蚀出一个巨大的 U 形山谷，后来被海水淹没，他们还发现了山麓（山脚）的例子，那里冰川沉积物堆积在山脉的侧翼。他们发现苏格兰各地散布着鼓丘，这些狭窄的山丘都朝向同一个方向，就好像一块巨大的冰盖像木匠一样雕刻着这些山丘一样，还有蛇形丘，这些狭窄的蜿蜒起伏的山丘是由巨大的冰盖下方融水的运动形成的。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川中掉下来的，这些冰川将它们搬运了很远的距离。这些巨大的石头散落在苏格兰各地。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，巴克兰也相信地球古代存在着一个大冰河时代。他关于地球表面的洪水模型在他的脑海中消失，因为他意识到他们收集到的证据表明地球有着一段伟大的冰封历史。
阿加西关于地球历史上冰河时代的观点在他 1846 年移居美国后得到了进一步巩固。阿加西最初打算访问美国，研究北美冰川的证据，并继续他对化石鱼的研究，但他很喜欢这个国家，决定留下来。在阿加西看来，北美是被巨大的冰川雕刻而成的。纽约的哈德逊河，这是一个由巨大的冰盖形成的被洪水淹没的 U 形山谷，以及由冰川雕刻而成的“手指湖”。最令人惊叹的是最近被绘制出来的五大湖，这些湖泊是通过厚厚的冰层运动而形成的，这些冰层挖出了这些区域，并将水填入了其中。沿着东北海岸，他观察到长岛是一个巨大的终碛，冰川将分类不好的沉积物和冰碛倾倒在那里，形成了美国独特的海岸线。从波士顿到纽约，阿加西观察到散落在新英格兰景观中的巨石和漂砾上的条痕。阿加西被任命为哈佛大学教授，并在 1859 年在校园内创立了比较动物学博物馆。在 1864 年至 1865 年的美国内战期间，他为冰川和地球过去的冰期做了演讲。如果没有他的第二任妻子伊丽莎白·凯博特·阿加西（一位多产的作家）宣传他的研究，他的想法可能不会产生那么大的影响。伊丽莎白·凯博特是一位教授，在一个很少有女性被允许任教的时代，她出版了一本有影响力的教科书，名为《自然史入门》（A First Lesson in Natural History），这本书是在 1859 年以化名出版的，使用了Baneberry（Actaea）属的属名，这是一种美丽的开花植物，但会产生剧毒的浆果。伊丽莎白·凯博特在波士顿附近的一所女子学校教授年轻女士，她是支持盲人学生学习自然史的领先支持者。他们俩被埋葬在波士顿附近，墓碑上有一块独特的巨石，这块巨石是从激励他们共同敬畏冰川的力量和美丽的那片冰川中运来的。
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