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 高處，有一個山谷，裡面充滿了破裂的、翻滾的岩石，這些岩石似乎被巨人推到山谷底部並撞擊。巨大的石塊，參差不齊，呈稜角狀，指向周圍陡峭的山坡。這些是 阿雷冰川，德語中的“阿雷冰川”，是瑞士西部 阿雷河 的源頭，由兩個主要的冰川系統組成。現在的冰川已退回到山谷中，是它們昔日輝煌的遺蹟，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，形成了一個聯合冰川（稱為翁特拉爾冰川），延伸了 3 公里，將這些岩石埋在厚厚的冰層中。瑞士畫家卡斯帕·沃爾夫用他美麗的、戲劇性的畫作捕捉了這些冰川，畫中巨人們拋擲著巨大的石塊，巨大的冰層從山谷中滾落，堆積著冰和雪，呈現出藍綠色的冰，參差不齊地指向天空，與今天更溫暖的地球景觀截然不同。在兩條冰川交匯的地方，建了一個由岩石製成的小型避難所，諷刺地取名為“諾沙泰爾酒店”。正是在這個被冰雪包圍的避難所裡，一位名叫路易斯·阿加西的瑞士科學家進行了一項重要的地質研究，他對我們今天對世界的看法產生了重大影響。
1832 年，路易斯·阿加西 受聘於瑞士 諾沙泰爾大學 教授自然史。當時他正專注於研究從巴西亞馬遜流域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不是研究熱帶魚的理想場所，但阿加西發現，透過在山區徒步旅行，他可以找到埋藏在岩層中的古代魚類化石。阿加西開始研究這些化石魚類，他每天都在山區用他的岩石錘敲碎岩石，尋找數百萬年前已經滅絕的魚類的新物種。隨著阿加西在山區探索新的化石遺址，他開始以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，研究這些山谷中冰川的運動和移動。以岩石避難所為基地，阿加西向下鑽透冰層以測量其厚度，並繪製了冰川的範圍，以及其表面攜帶的巨石。他最著名的實驗是在冰川上直線排列杆子，並在幾年內觀察到冰川中心的杆子向下移動，就像冰像一條緩慢流動的河流一樣流動。
阿加西對冰川的研究，證明了冰在塑造地球表面方面具有強大的力量。冰川形成於兩類地方：緯度高的極地地區，或山峰高處的海拔地區。當每年冬天降雪量大於夏季融化量時，剩下的沒有融化的緻密冰向下移動。冰川是持續存在於冰體，在重力的影響下向下移動。最初形成在山峰頂部，這些冰川會雕刻出一個碗形的凹陷，稱為冰斗，從這裡，冰川將流下山坡，將陡峭的岩石斜坡雕刻成碗形，兩側是陡峭的山峰，稱為刃脊。瑞士與義大利邊境之間著名的馬特洪峰就是一個刃脊的例子，由兩側雕刻的冰川形成。冰川沿山谷流動和擴張，雕刻出 U 形的谷底。這種流動的冰就像一個傳送帶，將從山谷兩側過度傾斜的斜坡上掉落的巨石和大塊岩石運走。這些巨石和岩石被冰川厚厚的冰層運送到山谷中。在山谷末端，冰川會隨著海拔降低和氣溫升高而融化，這些巨石和大塊岩石會滾落出來形成冰磧。冰磧是由冰川攜帶的堆積在一起的岩石和碎屑，它們可以形成在冰川邊緣，稱為側磧，也可以形成在冰川末端，稱為**終磧**。這些岩石堆的特點是堆積不均勻（大小不一的岩石），看起來像是由大型推土機形成的。這種堆積不均勻、參差不齊、呈稜角狀的岩石堆稱為**冰磧土**，當它固結成岩石時，稱為**冰磧岩**。冰磧土與河流運輸的沉積物不同，因為那些沉積物會被磨光成卵石和圓形礫石。冰磧土只是一堆各種大小的岩石。
在終磧附近通常有一個小湖泊或池塘，稱為**冰蝕湖**。冰蝕湖通常作為冰川融水的集水區。當冰川完全融化，不再是永久性冰體時，它們通常會留下它們在山谷中雕刻的 U 形谷，並且在冰斗底部可能會找到融水形成的冰蝕湖。
地球表面冰川存在於兩種型別的區域：溫帶地區的阿爾卑斯山區，以及北極和南極附近的極地地區，例如格陵蘭島和南極洲的大型冰蓋。對冰川的研究表明，在過去一個世紀中，隨著地球變暖，冰川一直在後退。為了形成，冰川需要在冬季透過積雪和冰的積累不斷補充，而這必須大於夏季的消融或融化。如果夏季消融的冰雪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：靠近頭部或源頭的區域是積累區，而消融區位於冰川的末端或尾部。它們之間是平衡線，這是積累區和消融區之間的界限。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，有新鮮的積雪，而消融區是較暗的顏色，因為表面融化並暴露了岩石和表面的融水。每年，冰川在冬季會經歷增長，在夏季會融化，並表現出不同的質量平衡，具體取決於有多少新的冰新增到冰川中，以及有多少冰因融化而消融。
如今地球上的大多數冰川都在後退和縮小。這些縮小的冰川留下了大量的冰磧，記錄著它們隨著時間的推移而後退。隨著冰川向上遊谷地後退，冰磧堆積成一個連續的終磧記錄，記錄了冰川從其最大範圍後退的過程。對這些終磧岩石進行記錄和年代測定，最常用的方法是利用放射性同位素鈹-10，它會在含有氧原子的石英礦物中累積，這些氧原子暴露在陽光下會變成放射性同位素鈹-10，然後會衰變回氧，但該同位素的含量可以用來確定岩石暴露在光線下的時間以及它從冰川中被釋放出來的年代，這些冰川將其帶到了終磧沉積物中。在全球範圍內，冰川在大約 25,000 年前，也就是上一次冰河時代期間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，即地球軌道會使地球的氣候更加多變和寒冷。科學家將這些時期稱為地球最近地質歷史上發生的冰期和間冰期。
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，地球上曾經覆蓋著冰蓋和大型冰川，但當時其他科學家對此表示懷疑。他最大的懷疑者之一是威廉·巴克蘭，他來瑞士阿爾卑斯山考察。巴克蘭是英國牛津大學的教授，今天他更以在 1824 年命名了第一種恐龍——巨齒龍而聞名。但在擔任地質學講師期間，他一直是地球表面受洪水塑造這一觀點的堅定支持者。巴克蘭的洪水模型認為，地球表面的所有巨石和岩石都是由古代大洪水搬運而來。兩位科學家在瑞士相遇，儘管觀點不同，但他們成為了朋友，阿加西主張地球是由冰川塑造的，而巴克蘭則主張地球是由水塑造的。
阿加西展示了厚厚的冰層如何由於冰的獨特性質和重力的影響而緩慢地流過地表。就像一副撲克牌一樣，冰的內部晶體結構會經歷變形壓力，從而推動冰向下坡移動。這種冰可以在它與山谷底部和山壁的接觸點附近凍結和融化。當冰從岩石表面颳走被剝落的顆粒並拖過它時，就會在岩石表面產生冰川槽溝或條痕。這種融化在冰層厚度很大時會加劇，因為冰層在這樣的深度下會承受更大的壓力，這會使熔點降低到 0°C 以下。來自非常厚的冰蓋的這種高壓使冰川可以在這個狹窄的融水底部滑行。冰與岩石介面之間的這種凍融迴圈產生了被稱為冰川粉的物質，這是一種細磨的礦物，為冰川下坡的森林提供了重要的營養物質。
雖然巴克蘭開始被阿加西收集的證據所信服，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，看看他們在那裡能收集到什麼證據來證明冰川塑造了蘇格蘭的表面。兩位科學家踏上了這次旅程，深入探討了蘇格蘭景觀中山谷、山脈和地貌的形狀。他們觀察了峽灣，那裡冰川侵蝕出一個巨大的 U 形山谷，後來被海水淹沒，他們還發現了山麓（山腳）的例子，那裡冰川沉積物堆積在山脈的側翼。他們發現蘇格蘭各地散佈著鼓丘，這些狹窄的山丘都朝向同一個方向，就好像一塊巨大的冰蓋像木匠一樣雕刻著這些山丘一樣，還有蛇形丘，這些狹窄的蜿蜒起伏的山丘是由巨大的冰蓋下方融水的運動形成的。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川中掉下來的，這些冰川將它們搬運了很遠的距離。這些巨大的石頭散落在蘇格蘭各地。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，巴克蘭也相信地球古代存在著一個大冰河時代。他關於地球表面的洪水模型在他的腦海中消失，因為他意識到他們收集到的證據表明地球有著一段偉大的冰封歷史。
阿加西關於地球歷史上冰河時代的觀點在他 1846 年移居美國後得到了進一步鞏固。阿加西最初打算訪問美國，研究北美冰川的證據，並繼續他對化石魚的研究，但他很喜歡這個國家，決定留下來。在阿加西看來，北美是被巨大的冰川雕刻而成的。紐約的哈德遜河，這是一個由巨大的冰蓋形成的被洪水淹沒的 U 形山谷，以及由冰川雕刻而成的“手指湖”。最令人驚歎的是最近被繪製出來的五大湖，這些湖泊是透過厚厚的冰層運動而形成的，這些冰層挖出了這些區域，並將水填入了其中。沿著東北海岸，他觀察到長島是一個巨大的終磧，冰川將分類不好的沉積物和冰磧傾倒在那裡，形成了美國獨特的海岸線。從波士頓到紐約，阿加西觀察到散落在新英格蘭景觀中的巨石和漂礫上的條痕。阿加西被任命為哈佛大學教授，並在 1859 年在校園內創立了比較動物學博物館。在 1864 年至 1865 年的美國內戰期間，他為冰川和地球過去的冰期做了演講。如果沒有他的第二任妻子伊麗莎白·凱博特·阿加西（一位多產的作家）宣傳他的研究，他的想法可能不會產生那麼大的影響。伊麗莎白·凱博特是一位教授，在一個很少有女性被允許任教的時代，她出版了一本有影響力的教科書，名為《自然史入門》（A First Lesson in Natural History），這本書是在 1859 年以化名出版的，使用了Baneberry（Actaea）屬的屬名，這是一種美麗的開花植物，但會產生劇毒的漿果。伊麗莎白·凱博特在波士頓附近的一所女子學校教授年輕女士，她是支援盲人學生學習自然史的領先支持者。他們倆被埋葬在波士頓附近，墓碑上有一塊獨特的巨石，這塊巨石是從激勵他們共同敬畏冰川的力量和美麗的那片冰川中運來的。
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