地球为什么会有大的冰川期？为什么会有冰期和间冰期旋回？

在回答这个问题之前，我们需要澄清以下几点：

冰期（glacial），与冰川期（又叫冰河时期，ice age/ice house），是不同的两个概念。

冰川期（ice house）,对应概念为 green house（对不起不知道这个中文翻译是什么……温室期？），时间跨度为百万年级别。最近的一次冰川期从新生代第三纪始新世晚期(Eocene)开始，一直持续至今。只要地球上存在冰盖，就称之为冰川期。反之，green house state 的地球是没有冰雪覆盖的（经评论区

@张来明

指正，温室期并非没有冰雪，只是两极没有冰雪覆盖）。

冰期(glacial),对应概念为间冰期(interglacial)，发生在冰川期内，时间跨度为 10 万年级别。冰期时气温较低冰川扩张，间冰期内气温较高冰川退缩。但是冰川一直存在。我们现在处在间冰期，开始于第四季全新世（Holocene），约 1.1w 年前。

题主说的大冰期，大概指的是冰川期吧。冰川期跟冰期不是一个概念哦_(:з」∠)_ 目测题主想问的其实是冰期和间冰期，我重点讨论下离我们最近（第四纪）的冰期、间冰期周期循环，最后会提一下冰川期的形成。

------- 前方数学公式 不想看公式的同学们可以跳过 ------

首先，我们的地球处在一个动态平衡中：太阳辐射到达地球，地球本身在吸收热量的同时也辐射热量。

到达地球的太阳辐射用公式表达为

S0 是太阳常数，表示太阳辐射的强度（能量密度）。

表示地球的反射率，因为一部分到达地球的辐射会被反射回去。

是地球截面圆的面积。

而地球辐射的能量可以用 Stefan-Boltzmann Law 算出

是地球的辐射系数（因为地球不是黑体，如果地球是黑体的话这个辐射系数就是 1，即吸收能量全部被辐射出去），

是 Stefan-Boltzmann 常数，T 是辐射温度。这次我们用了球面面积而不是圆面积，因为地球向外辐射能量的时候是整个球面都在辐射的，而接收太阳能量时只是面向太阳的那个圆截面在接收能量。

地球的动态平衡模型中，地球接收的能量与辐射的能量相等，所以我们可以将以上两个表达式划等号，解出来的结果是

温度关于一个常量 3 个变量的函数。

--------Enough mathematics-------

所以，要改变地球的温度，我们可以选择：

1. 改变太阳常数，即太阳到达地球时的辐射强度。

这个可以通过太阳黑子活动和地球环绕太阳轨道的变化来实现。其中，太阳黑子活动的周期是 11 年，很短，因此不讨论；只讨论地球的轨道变化。

2. 改变地球的反射率

；

3.改变地球的辐射系数

。2 跟 3 都跟地球内部的反馈系统有关，生物圈、水圈、岩石圈都会产生影响。

好的~于是我们先来改变一下太阳常数

1. 地球轨道

不得不提一下这位

米兰科维奇，塞尔维亚地球物理学家、天文学家。他提出的米兰科维奇循环现在被科学界广泛接受，可是就像魏格纳的大陆漂移学说一样，是在他去世之后才得到承认的。1970 年代的岩心钻探给他的学说提供了强大的证据，彼时斯人已作古十余年。向前辈致敬。

米兰科维奇提出，冰川的伸缩活动主要取决于地球在夏季受到的辐射，因为高纬地区存在冰川的话，冬季的温度一定足够冷保证冰川不融化。更具体一点，北纬 65°一带的夏季辐射（Boreal Summer）是全球冰期循环活动的最主要影响因素（新生代以来，北半球有更多的陆地，冰川多形成于陆地）。而北纬 65°夏季辐射的变化受到地球轨道 3 个变量的影响：倾斜度（obliquity），离心率（eccentricity），岁差（precession）。

（1）倾斜度

我们都知道地轴与轨道垂直面是有一个夹角的，这个夹角在 22.1°到 24.5°之间浮动，周期为 4.1w

年：

当这个夹角比较大的时候，两极就更偏向于太阳，所以两极接收的太阳辐射就更强，而赤道接受的辐射会减弱。然而，两极辐射的增强要强于赤道辐射的减弱。

因此，倾斜度的增加有利于间冰期，而倾斜度的降低更有利于冰期。

（2）离心率

地球的轨道是一个椭圆。通俗来讲，离心率就是描述椭圆更“圆”还是更“扁”。高离心率的椭圆更扁一些，而低离心率的椭圆更像一个圆。离心率为 0 时，就是一个正圆。地球的离心率变化周期大约在 10w 到 40w 年之间。

我们可能倾向于认为高离心率的时候，地球的近日点离太阳更近因此能接收更多的辐射，然而地球的离心率对于地球接收辐射功率总量的改变微乎其微（差不多一年能有 0.5 瓦特每平方米吧。。╮(╯_╰)╭） ，离心率周期的主要作用，是改变岁差周期的振幅大小，具体来讲，就是离心率更高的时候，岁差带来的辐射总量变化更剧烈一些。

（3）岁差

岁差是指恒星年与回归年的时差，本质上是由地球的离心率改变导致的。岁差的变化周期约 2.57w 年。我们知道地球上的冬季与夏季由地轴倾斜导致；在地球离心率高的时候，轨道上会出现两个极端：近日点与远日点。假如碰巧冬至与夏至刚好跟近日点与远日点重合，会出现这样的两种组合：

a. 近日点 - 北半球夏至；远日点 - 北半球冬至：

此时夏季北半球气温更高，冬季北半球气温更低，因此有利于间冰期的形成；

b. 近日点 - 北半球冬至；远日点 - 北半球夏至

此时夏季北半球气温低，冬季北半球气温高，有利于冰期形成。

综合以上三点，米兰科维奇提出，冰期与间冰期的形成，理论上与地球轨道有以下关系：

冰期：

高离心率；

地轴倾斜度低；

北半球夏至位于远日点；

间冰期：

高离心率；

地轴倾斜度高；

北半球夏至位于近日点。

上图是三个变量的周期变化，横轴为时间，单位为 ka（1000 年），从上至下依次为离心率、倾斜率、岁差。可以看到 Today 这个时间点上，地轴倾斜度大，离心率较低，岁差为负（北半球夏季位于远日点）。我们现在处于冰河期的间冰期。

------- 以上，仅仅是改变了太阳常数……-------

我们还没有讨论反射常数和辐射率……可见气候这个问题有多么的复杂……

反射常数和辐射率这两个量主要由地球内部的反馈系统平衡与调节，其中涉及洋流、大气层、生态圈等等……还有人类活动。

2.反射常数

这个很好理解，反射常数越高，反射回去的辐射量越大，温度越低。反射常数反馈系统（feedback system)包括正反馈(positive feedback)与负反馈(negative feedback)，由于反馈循环非常多，以下仅仅是几个栗子：

（1）冰面反射：这个很好理解，典型的正反馈。冰面反射率高，冰期地球的冰川覆盖率高，因此更多的太阳辐射被反射回去，导致气温更低，更多冰川形成。

（2）云层，这个既有正反馈又有负反馈：一方面，高温导致海水蒸发加快形成更多云层，云层的反射率高，降低气温；另一方面，云的主要组成 -- 水蒸气，是温室气体，更多的云又会使温度升高。数据表明负反馈的作用似乎更明显一些，因此云层这一条可以近似的认为是负反馈。

（3）火山活动与火山灰：火山喷发产生大量的二氧化硫，进入大气形成硫酸液滴。硫酸液滴会提高云层的反射率，导致全球气温降低。有一个说法是恐龙因此而灭绝。麻烦的是火山活动同时还会向大气层释放大量的二氧化碳，而二氧化碳又是温室气体……所以火山活动到底是增强还是减弱温室效应呢，这个真不好说……

3. 辐射系数

温室气体改变的就是地球的辐射系数；温室气体的浓度越高，辐射系数越低。以下几个反馈系统的栗子均与温室气体有关：

（1）地壳的部分熔融：高温会增加地表的含水量。地壳的含水量升高会导致熔点的降低；熔融的地壳会释放出更多的温室气体，降低辐射系数，继续升高气温。这是一个正反馈。

（2）地球上很大一部分二氧化碳是溶解在海水中的，而高温会降低二氧化碳在海水中的溶解度。这些二氧化碳逸散入大气……画面太美。又是一个正反馈。

（3）全是正反馈还让人活不活~于是生物圈就发挥作用了。海洋中的浮游生物、陆地上的植被，都会在高温中提高生产率，因此加快吸收二氧化碳的速率，从而降低温度。

最后捎带提一下冰川期。忘了冰期跟冰川期什么区别的同学们快往前翻翻~_(:з」∠)_ （反正我记一次忘一次(/ω＼)这次大概不会忘了……）

目前认为冰川期的形成与地球的板块运动有关。比方说白垩纪是一个温暖时期，海平面比现在高很多，那时候的泛古大陆（Pangaea）已经分崩离析，地球被许多破碎的大陆块占据。当所有的大陆聚合成为一块超级大陆时，大陆内部的气候会变得非常极端。反之，破碎的大陆为洋流循环提供了通道，地球上的气候就更温和一些。进入新生代以来，特提斯洋（Tethys Ocean）闭合，德雷克海峡(Drake Passage)与塔斯曼通道(Tasman Seaway)打开，南极环流（Antarctic circum-polar current）形成，将南极大陆锁在一圈冷流中，巴拿马海峡（Panama Seaway）关闭，太平洋上永久厄尔尼诺现象消失。这些可能都是冰川期形成的原因。

References：

Greenhouse and icehouse Earth

D.Hodell, 2015, "Earth's Climate System", University of Cambridge

（这个问题其实能加个气候学标签的

⁽⁽◝( ˙ ꒳ ˙ )◜⁾⁾）