地球/5i. 地球的冰：冰川、冰蓋和海冰
在夏末，在伯爾尼阿爾卑斯山的高處有一個山谷，那裡佈滿了碎裂和倒塌的岩石，這些岩石似乎是被巨人推倒並撞擊到山谷底部。大型的、參差不齊的稜角分明的巨石向上指向周圍陡峭的山坡。這些是Aargletschers，德語中的阿雷冰川，是一個由兩個主要冰川組成的系統，是瑞士西部阿雷河的源頭。如今，冰川已經退回到山谷上游，這是其昔日輝煌的遺蹟，北部冰川勞勒拉爾和南部冰川芬斯特拉爾退回到各自獨立的山谷中，但兩百年前，這些巨大的冰川延伸到山谷中，形成一個聯合冰川（稱為翁特阿爾冰川），延伸了3公里，將這些岩石埋在厚厚的冰層下。瑞士畫家卡斯帕·沃爾夫用美麗的、戲劇性的繪畫捕捉了這些冰川，畫中描繪了被巨人拋擲的大石塊，以及從山谷中傾瀉而下的巨大冰層，還有冰雪堆積，以及鋸齒狀地指向天空的藍綠色冰川，這些景象與如今溫暖的地球景觀大不相同。在兩條冰川交匯處附近，建造了一個用岩石建造的小避難所，諷刺地命名為新沙泰爾旅館。正是在這個被冰雪包圍的避難所裡，一位名叫路易斯·阿加西斯的瑞士科學家進行了一項重要的地質學研究，這位科學家的研究對我們今天看待世界的方式產生了重大影響。
1832年，路易斯·阿加西斯被瑞士納沙泰爾大學聘用，教授自然歷史。當時，他正專注於研究從巴西亞馬遜盆地早期探險中帶回的熱帶魚。不幸的是，瑞士阿爾卑斯山的寒冷山區景觀並不是研究熱帶魚的理想場所，但阿加西斯發現，透過在山區遠足，他可以找到很久以前生活在岩石層中、被埋藏起來的魚類的石化遺骸。阿加西斯開始研究這些魚類化石，他每天大部分時間都在山裡用他的岩石錘劈開岩石，並發現了數百萬年前許多已滅絕魚類的新品種。當阿加西斯探索山區尋找新的化石地點時，他開始用不同的眼光看待山谷，觀察它們是如何被冰的運動雕刻出來的。這引起了他的興趣，他開始帶領學生進行實地考察，研究填充這些山谷的冰川的運動和移動。阿加西斯以岩石避難所作為他的行動基地，向下鑽透冰層以測量其厚度，並繪製冰川的範圍以及其表面攜帶的巨石。他最著名的實驗是在冰川上沿直線沉入木樁，並在幾年內觀察到冰川中心的木樁向下坡移動，就像冰像緩慢流動的河流一樣流動。
阿加西斯對冰川的研究證明了冰在塑造地球表面方面強大的力量。冰川形成於靠近兩極的高緯度地區或山峰的高海拔地區。當每年冬天降雪量大於夏季融化量時，夏季融化後剩餘的緻密冰層會向下坡移動。冰川是一個持續存在的冰體，在重力的影響下向下坡移動。這些冰川首先在山峰頂部形成，然後雕刻出一個碗狀的凹陷，稱為冰斗，冰川會從這裡流下山坡，將陡峭的岩石斜坡雕刻成碗狀，兩側是陡峭的山峰，稱為刃脊。位於瑞士和義大利邊境之間著名的馬特洪峰就是一個例子，它是由於每側都有冰川雕刻而成。冰川沿著山谷流動和擴充套件，雕刻出U形谷底。這種流動的冰就像一條傳送帶，運送從山谷過陡的側壁上掉下來的巨石和大型岩石。這些巨石和岩石被運載在厚厚的冰層上，沿著山谷向下移動。在山谷的末端附近，冰川會隨著海拔降低和溫度升高而融化，大型岩石和巨石會滾落下來，形成冰磧。冰磧是由冰川搬運的厚厚的、雜亂的岩石和碎屑堆積物，它們可以在冰川邊緣形成，稱為側磧，在冰川末端稱為**終磧**。這些岩石堆的特點是分選性差（大小不一的岩石），看起來像是由大型推土機形成的。這種分選性差、參差不齊的稜角分明的岩石堆稱為**冰磧土**，當固結成岩石時，稱為**冰磧岩**。冰磧土與河流搬運的沉積物不同，因為這些沉積物會被磨成卵石和圓形礫石。冰磧土只是一堆各種形狀和大小的岩石。
通常在終磧附近會形成一個小湖泊或池塘，稱為**冰蝕湖**。冰蝕湖通常充當冰川融水的集水區。當冰川完全融化，不再是永久的冰體時，其遺蹟通常可以在被雕刻的U形谷中找到，並在冰斗底部形成冰蝕湖。
冰川存在於地球表面的兩種位置：溫帶地區的阿爾卑斯山地區和靠近北極和南極的極地地區，例如格陵蘭和南極洲的大冰蓋。對冰川的研究表明，在過去的一個世紀裡，隨著地球變暖，冰川一直在退縮。要形成冰川，需要通過冬季積雪和結冰不斷地向其新增冰雪，這必須大於夏季積雪和結冰的消融或融化。如果夏季冰雪的消融量大於冬季增加的量，冰川就會後退。這形成了冰川的兩個區域，靠近頭部或源頭的是積累區，而消融區則靠近冰川的末端或尾部。它們之間是平衡線，它是積累區和消融區的邊界線。這通常可以在冰川的衛星影像中觀察到，積累區是清新的白色，覆蓋著新鮮的積雪，而消融區則顏色較深，因為表面融化並暴露出岩石和融水。每年，冰川都會在冬季幾個月內生長，並在夏季融化，並表現出不同的質量平衡，這取決於有多少新冰貢獻給了冰川，以及有多少冰被融化所消融。
如今地球上的大多數冰川都在退縮和縮小。這些縮小的冰川留下了大量冰磧，這些冰磧記錄了它們隨時間的推移而退縮的過程。隨著冰川向上遊谷地退縮，冰磧堆形成了終磧的連續記錄，記錄了冰川從其最大延伸範圍退縮的過程。確定終磧上這些岩石的年齡通常使用放射性同位素鈹-10，這種同位素會在石英礦物中積累，這些礦物含有氧原子，當暴露在陽光下時，氧原子可以轉變為放射性同位素鈹-10，鈹-10最終會衰變成氧，但這種同位素的數量可以用來確定岩石暴露在光線下多長時間，以及它在多長時間前從將它帶到終磧沉積物的冰層中解凍出來。在全球範圍內，冰川在末次冰期大約25,000年前達到了最後一次最大範圍。這與米盧廷·米蘭科維奇的研究結果大致相同，他的研究表明地球的軌道會導致地球氣候變得更加多變和寒冷。科學家將近地質歷史上這些時期稱為冰期和間冰期。
對於路易斯·阿加西來說，對瑞士阿爾卑斯山冰川的研究表明，地球的大部分地區曾經被冰蓋和大型冰川覆蓋，但當時的科學家對此表示懷疑。他最大的懷疑者之一是威廉·巴克蘭，他曾前往瑞士阿爾卑斯山考察。巴克蘭是英國牛津大學的教授，如今更以1824年命名首個恐龍——巨齒龍（巨齒龍）而聞名。但在擔任地質學講師期間，他是一位著名的地球表面曾受大洪水塑造的觀點的支持者。巴克蘭的大洪水模型認為，地球表面上的所有巨石和岩石都是由古代的大洪水搬運而來。兩位科學家在瑞士相遇，儘管觀點不同，但成為了朋友，阿加西主張地球是由冰塑造的，而巴克蘭則主張地球是由水塑造的。
阿加西證明了厚厚的冰層由於冰的獨特特性和重力的影響而緩慢地流過地貌。就像一堆撲克牌一樣，冰的內部晶體結構會發生變形應力，促使冰向下坡移動。冰尤其在與山谷岩石底部和壁面的接觸處會凍結和融化。當冰拖拽從岩石表面剝落的顆粒並將其拖過岩石表面時，這會在岩石表面產生冰川槽或擦痕。在冰層較厚的地方，由於冰層在該深度承受著更大的壓力，融化會加劇，這使得熔點降至0°C以下。這種來自極厚冰層的巨大壓力使冰川能夠在這層狹窄的融水層上滑動。冰/岩石介面處的凍結/融化迴圈產生了所謂的巖粉，這是一種細磨的礦物質，為冰川下游的森林提供了重要的營養物質。
雖然巴克蘭開始相信阿加西收集的證據，即冰川和冰塑造了歐洲阿爾卑斯山，但他邀請阿加西前往蘇格蘭，看看他們能否在那裡找到更多證據，證明冰塑造了蘇格蘭的表面。兩位科學家踏上了這次旅程，深入探討了蘇格蘭地貌中山谷、山脈和特徵的形狀。他們觀察了峽灣，冰川在那裡鑿出了一個巨大的U形谷，後來被海水填充，並發現了山麓（山腳）的例子，冰川沉積物堆積在山脈的側翼。他們在蘇格蘭發現了散佈的鼓丘，這些狹窄的山丘都朝向相同的方向，彷彿一塊巨大的冰蓋像木雕師一樣騎在這些山丘上，塑造了它們，以及冰磧丘陵，這是由巨大冰蓋下融水的運動形成的狹窄蜿蜒的山丘。最令人驚歎的是漂礫，這些巨大的稜角分明的巨石似乎是從很久以前融化的冰中掉下來的，這些冰將它們搬運了很遠的距離。這些巨大的石頭散落在蘇格蘭的土地上。阿加西看到了曾經覆蓋蘇格蘭和英格蘭的巨大冰蓋的證據。隨著時間的推移，巴克蘭也相信古代曾存在過一個大冰期。他關於地球表面的大洪水模型從他的腦海中消失了，因為他意識到他們收集到的證據暗示了地球有著一段漫長的冰凍歷史。
當阿加西於1846年移居美國後，他對地球歷史上冰期的想法得到了進一步鞏固。阿加西最初打算訪問美國，研究北美冰川的證據，並繼續他的魚類化石研究，但太喜歡這個國家了，所以決定留下來。在阿加西看來，北美是由巨大的冰川雕刻而成的。紐約的哈德遜河，一個由巨大的冰蓋形成的被洪水淹沒的U形谷，以及被冰川雕刻而成的手指湖。最令人驚歎的是最近繪製的五大湖，它們是透過厚厚的冰層運動挖出的，並被水填充。沿著東北海岸，他觀察到長島是一個巨大的終磧，冰川將分選性差的沉積物和冰磧傾倒下來，形成了美國獨特的海岸線。從波士頓到紐約，阿加西觀察到散佈在新英格蘭地區的巨石和漂礫上的擦痕。阿加西被任命為哈佛大學的教授，並在1859年在校園裡創辦了比較動物學博物館。在1864年至1865年的美國內戰期間，他講授了冰川和地球過去冰期的知識。如果沒有他的第二任妻子伊麗莎白·卡伯特·阿加西，一位多產的作家，來推廣他的研究，他的想法可能就不會有那麼大的影響力。伊麗莎白·卡里在一個很少有女性被允許任教的時代擔任教授，她在1859年以筆名出版了一本有影響力的教科書，名為《自然史第一課》，使用了黑珠樹屬（黑珠樹屬）的屬名，這是一種美麗的開花植物，但會結出劇毒的漿果。伊麗莎白·卡里在波士頓附近的一所女子學院教授年輕女士，並且是支援盲人學生學習自然史的主要支持者。他們被埋葬在波士頓附近，墓碑是一塊獨特的巨石，這塊巨石從美國運來，是從那些激發他們共同欽佩這個被冰川雕刻和塑造的星球的力量和美麗的冰川中挑選出來的。
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