眼前，有一本关于冰川年代的学术论文，是一位大名鼎鼎的美国地质学家的大作。这篇文章开始发表于1952年，最近在1970年又重新登载于一本学生读物上。作者声称：“迄今所知，总共至少有四次冰川期曾推进到中纬度……每一次持续的时间似乎不太长、也许几千年左右；然而冰川间隔的时间却要长些，前后约十万年或更长些。”他还尖锐地提到：“所谓冰川年代的‘天文理论’，这种理论妄图解说地球轨道的变动造成气候变化……和那份冰川年代的天文年表都纯属错觉，因而必须予以全盘否定。”
我们现在相信，此种说法是不正确的。“至少有四次冰川期”之说是与实际情况不符和错误的：单单在过去七十万年里大的冰川期推进就不下七次，而从二百万年前开始到现在，冰川陆续可能有二十次。寒冷期比温暖期长得多，冰川间隔期一般是一万年而不是十万年。最后必须指出，天文理论完全不是什么“错觉”。它产生于一系列对立的理论之中，成为对冰层反复推进和回流最合乎情理的解释。
鉴于新的发现，冰川时期不能再被看成是远古的地质变化事件，把它跟巨大的陨石雨、频繁的火山爆发和石炭森林一起统统抛置脑后。在过去两百万年左右，冰川时期是地球上具有统治地位的气候特征，并且断断续续地使加拿大、斯堪的纳维亚、西伯利亚和其他广大地区覆盖在一英里多厚的冰毯之下，长年累月地冰封雪飘。在南极洲和格陵兰可以看到上次冰川残存的痕迹，上次冰川是在一万年前结束的。冰川间隔期一般是一万年而我们现在正处在这个间隔期内，因此，气象学家对什么时候冰川可能再次推进，以及冰川出现的最初寒冷阶段可能对世界范围内农业所造成的影响的问题产生了新的关注。
从天文学的角度来说明冰川的扩大一般称为米兰柯维奇理论。米路丁· 米兰柯维奇是南斯拉夫人，他并不是这一理论的创始人，但他是这个理论最坚定不移的宣传者。他所持的基本观点是：当北半球某些关键地带夏季没有能从太阳吸收到足够的热量来融化冬季的积雪，于是就形成了冰川。那些没有融化的冰雪年复一年地堆积起来，形成了一层又一层的冰层。由于这些冰层其重无比，因此越压越硬，堆积在大地上。按照这种理论，夏季阳光照射之所以有变化的原因在于宇宙中地球转轴的方向和地球轨道形状在起着周期性的变化。阳光照射的变化控制着冰川期的时间和规模。
归纳起来，这是地球上太阳能量如何分配的问题。决定一天中太阳辐射到陆地和海洋上每平方英里有多少能量，关键的因素在于太阳在正午时的高度和它的直径。假如长期住在加利福尼亚南部海边进行仔细观察的话，那么随着纪元的流逝，太阳的变化将使你对整个北半球的情况有一个粗略的了解，同时也会使你大致知道西尔拉· 内华达上面的积雪每年是否肯定融化了还是像不久以前那样又造成了新的冰川。
因为当地球像陀螺那样环绕着太阳在轨道上运转时，它的旋转轴总是或多或少指向某一个方向。在夏季，北极向太阳方向倾斜，但冬季一到，就偏离开来。由于这样，无论在加利福尼亚还是在北半球的其它任何地方，夏季午时的太阳在天空的位置看上去要比冬季高得多。那就是造成季节变化的根本原因。
有些特征，虽说更加微不足道，但足以说明冰川的循环。我们肉眼虽然看不出，但通过测量可以知道在一月份，太阳要比七月份“大”。原因是北半球的冬天，地球轨道使地球向太阳靠近了三百万英里。结果，整个地球上日射（太阳的辐射）的强度一月份要比七月份强百分之七。当然，我们在北半球并不感觉暖和，因为在冬季由于地球轴心倾斜使阳光照射到地球表面的面积要比夏季大。
同样的道理，北半球加利福尼亚夏季海滨的阳光比南半球澳大利亚夏季的阳光要“凉”些。但是一万年后，这些情况却相反，夏季地球的北半球最靠近太阳。造成这一现象的原因是岁差，太阳和月球引力的力矩，作用于地球赤道隆起带，从而使每个二万六千年周期内太阳年里的两次二分点稍微提早一些。
这些力量引起地球轻微“摆动”，使一万九千年和二万三千年周期内地球旋转轴的方向发生变化。我们怎样知道的呢？除了应用经典的牛顿定律加以证明外，我们还可以从古代的建筑上找到证据。埃及齐阿普斯金字塔的塔尖，设计时是对着Thuban星的，而如今却对着天空里根本不同的地方。但是，在一万九千年以后它将重新又对准着僧侣们所希望它对准的那颗星星。至于我们的目的，只要记住地球旋转轴的摆动是引起周期性冰川现象三大原因之一就足够了，因为摆动能使地球表面某些关键地带的太阳辐射扩散或聚集。
太阳在加利福尼亚海滨上空所达到的最高高度也在变化。地球缓慢地前后滚动，改变着与地球顺着太阳运行轨道平面相关的地球转轴倾斜的角度。最大的倾角是24.4°，现在的倾角是23.5°，而且逐渐在减小到最小的倾角21.8°。从最大的倾角变化到最小的倾角，然后再回复到最大的倾角，完成这样一个周期需要四万二千年。结果，在今后的一千年里加利福尼亚夏季空中的太阳将不会上升得比现在高，而且那里的夏季也相应要变得凉快些。这样，由于上面提到的地球倾角变化的原因，就常常对北半球周期性的暖流产生一种反作用。
第三个因素是地球轨道的形状缓慢地起着变化。它有时候几乎完全呈正圆，但有时候却呈不正圆，也就是说，地球轨道离太阳最近和最远的距离并非始终不变的，有时比目前三百万英里的距离还要大。地球不正圆度越大，就越接近近日点，距离太阳也就越近。每年太阳辐射最大时阳光就越强烈。地球这种不正圆度的变化是周期性的，大约每隔十万年左右循环一周。有意义的是，它就是最大的冰川间隔周期的循环速度。而且，这最寒冷的寒潮和最小不正圆度所形成的时间是吻合的。就是说，地球轨道变圆时将会造成冰川现象，因为地球在夏季没有得到足够的热量来融化掉冬季的积雪。值得注意的是现在地球轨道不圆度正在减小。
当摆动、倾角和变化的轨道不圆度一起作用时，则意味着任何一个地方季节性日照的强弱变化是复杂的，但还是可以预言其规律的。为了说明它们对气候的影响，必须对它们分别讨论。
要对“四次冰川年代”的理论进行修正，主要依靠二十年来对海底深海钻孔取出的泥样进行极为细致的分析研究。从“岩心”中取出的那些小小海生动物的贝壳揭开了地球气候变化微妙而又原封不动的记录。从海生动物的残骸推测气候的变化，近年来总结出两种极其成功的方法。第一种方法是生态学方法：古生物学家在显微镜下数出每种不同海生动物化石残骸的大致数字，这些海生动物有的喜欢较温暖的气候条件，而有的则喜欢较凉快的气候条件；然后估计出这些海生动物活着的年代海洋表面的平均温度，误差一般在三分之一度之内。第二种方法是测量海生动物贝壳内两种氧同位素相对丰度的方法：测量普通的氧16和重同位素氧18。由于海水的蒸发形成冰层，因此含有重同位素的分子往往不成比例地被留了下来，其原因是它们蒸发得较慢。那个时期的海生动物贝壳里的含氧数也反映出这样的比率。
海床岩心的分析从一开始就说明冰川期的更迭实际上比地质学家至今根据地球上记录所想象的要快得多。陆地上有重要的证据可以断定在本世纪六十年代早期确实有过许多次冰川时代到来。但是，在推断某块土层究竟是什么年代时由于土层沉积速度不规则：因此在准确确定年代方面依然还有问题。在一些岩心里探测到七十五万年以前发生的地球磁场的颠倒现象毕竟给我们提供了一点参考的东西。如果适当地调整一下气候变化的曲线，这些曲线至少符合米兰柯维奇的一个周期，即地球轨道圆度变化相隔十万年的一个周期，而且在过去七十万年里已有七次与这个周期相符合。
经过对米兰柯维奇理论进行了一次更严密和更确切的试验，发现那些较快的波动则是由于地球轴心一系列的摆动和倾斜所造成的。这个试验是七十年代中期由拉蒙脱-道赫梯地质天文台的詹姆士D ·海斯，布朗大学的约翰· 英勃利和剑桥大学的尼古拉斯J. 夏克莱登他们所进行的。他们选择了从南印度洋取来的两块海底岩心，这两块岩心已度过地球历史中的四十五万年。他们还测量了海洋表面温度的变化以及氧同位素比率的变化，同时还把大量的某种海生动物的化石当成气候变化的第三种指示器，这一种名叫Cycladophora davisiana的海生动物在寒潮侵袭的地带十分繁茂，但当气候一暖和就几乎销声匿迹了。他们的分析给每一次气象指示器提供了大量的原始数据，这些数据然后经过计算机根据冰川出现的正常的周期进行核对。其结果清楚地证明米兰柯维奇理论的正确性。在四万二千年的周期里，所有三个气候变化指示器都表明地球的倾斜。至于摆动的问题，其中有二个周期，一个周期是二万三千年而另一个周期是一万九千年。两个周期中，显示出气候变化指示器，海面温度和氧同位素比率的两端高峰。虽然有些科学家还抱着怀疑态度，但是米兰柯维奇理论显然已经透彻地证明是正确的了，这一点恐怕连他自己都没敢想过。
虽然针锋相对观点的文章还在继续出现，但许多专家和旁观者已经转变了态度。至于我的转变，是在1974年经过先后两次事件才把我说服的：第一次是英勃利拿出对海洋岩心数据的早期分析，说明米兰柯维奇所经历的初期现象；第二次是我自己拿着袖珍计算机经过几个星期的断断续续运算的结果。终于我自己感到满意了，因为从日照表我可以推测冰川形成和融化的历史过程，这段历史或多或少地反映了气候变化。其他一些科学家，经过调查开始对这一个长期争论的问题改变了态度，持有一种新的观点。这个问题关系到季节性日照这些相对来说比较次要的变化是否在原则上足以解释这覆盖着的冰层戏剧性的变化。1976年，英国气象研究室B. 约翰 · 梅森和地球物理流体力学实验室曼克斯J. 苏阿雷士和艾萨克M. 海尔特都发表了各自的研究论文，结论是肯定的。这使我们得以借鉴气象学方面的专门知识运用于天文学上。
虽然关于冰川年代还存在两个重要问题，但现在能够对它们作出合理的回答。第一个问题与米兰柯维奇理论没有什么直接的关系，即，究竟为什么会有冰川年代？在地球漫长的历史上的大部分时代，冰川始终是十分稀少的。要每隔几亿年冰层才形成。在更早一些时代，大约在二亿七千万年以前曾经发生过一次著名的冰川期。在南美、南非和印度所发现的那个时期的岩石，表明曾有过一次大规模的冰川现象。最近的一次冰川年代真正发生在大约二百万年以前，从南极和阿拉斯加偶然出现一些冰块开始，到冰川的到来，中间相隔一段很长的逐渐寒冷时期。
地球上气候变化的神秘特征，随着大陆的漂移现象得到证实，变得明朗起来。大陆在地球上移动时，有时会越过两极地带，当经过两极时，大陆上就会冰雪交加。在二亿七千万年以前发生的那次较早的冰川期，南美洲、南非洲和印度这几块大陆都聚在一起形成冈瓦拿兰（Gondwanaland）的超大陆，杂乱无章地伸展在南极地带。最后整个儿又往北方移动。当澳大利亚洲分离开来，把南极洲冰冷孤单地在南极。南极洲上，海浪拍打和寒风吹拂，堆积起层层冰块；当时，我们这里也出现一连串强劲的冰川期。印度和亚洲大陆的撞击使地面褶皱隆起而成喜马拉雅山脉，而意大利一头截入瑞士又造成阿尔卑斯山脉，这些巍巍高山帮助创造出一个个寒冷的源泉。那时，北大西洋正在形成，它为冰雪提供了一个潜在的水源；北美、格陵兰和欧亚大陆围在北极的四周，像一块块堆积冰雪的大平台。
第二个尚未解决和更捉弄人的问题是关系到什么东西支配着这十万年的周期变化。在这十万年的周期内，当地球的轨道变得更圆的时候，最大冰川期就发生了。假设地球的轨道在某一段时间经常不变是圆的，那么地球在这样的一个地质时期里的自然气候将处于永久性的大冰川期，尽管另外两个周期有时偶尔使夏季的日光集中地照射在较冷的地带，但这所起的作用无非是暂时的溶化和片刻的舒缓。
应该注意到地球这颗行星对特定的日射通量的反应变化并不是直线性的，就是说，日光辐射强弱的变化并不总是产生同样的变冷和变热的效果。实际结果是根据地球旋转轴与其轨道参数相互作用时的摆动和倾斜有交错排列而决定的，同时还因为结冰比融冰需要消耗更多的能量这样一个事实，地球才出现这种情况。英勃利和他的儿子约翰Z. 英勃利最近在这方面进行研究，已出色地从理论上证明是与最近一次冰川年代所作的实际经验的记录相吻合的。他们的计算清楚地表明在一万七千年以前出现的一个最寒冷的时期是与地球轨道最小的不正圆度相关联的。但是，再往前去，我们对十万年周期就不那么十分了解了，因此还有许多前后矛盾的地方有待澄清。由于米兰柯维奇理论的数据精确严密，因此十分适宜预测推断下一次冰河的大致特征。总趋势是毋庸置疑的。一万年以前地球脱离冰川期后，经历了公元前3000~4000年左右气候宜人的时期，于是开始进入下一次冰川期。在进入下一次冰川期的时期内，还会交替出现一些“小冰川年代”和短期的“高温”时期。可能由于某种其他的原因，米兰柯维奇理论的计算中没有反映出这些现象。
但是如果听其自然，在以后的六万或许十二万年内，我们一定会发现地球上的气候日趋恶化，世界将比现在冷得多。如果真的出现这种情况，对人类来说绝不是美妙和好受的。事实上、伴随着冰川时代而引起的剧烈的气候波动，在过去数百万年对我们人类的祖先的进化产生着明显的影响。尤其是在旧石器时代的后期更为明显。
全世界的人们近年来经受着广为宣传的“稀奇古怪”气候的袭击，这些年来，冬天有时出奇地冷而夏天却凉快不热，巨大的洪水和严重的干旱相继出现，还伴之而来不合时会的冰霜和持续很长时间的正月热浪。这些大自然反常现象不能被视为是预兆着又一次冰川期的到来或者将出现全球性的永久温暖。一种解说是：与本世纪三十年代后期、四十年代和五十年代早期地球上气候那种温和而富有复原力的特性相比较，这台世界气候机器在过去二十年内已变得滞缓而毫无活力。目前，气候无论是寒冷还是炎热，一旦变化就往往持续下去，不易改变。但是，迄今为止，气候的变化还没有超过过去一千年左右所常见的气候变化范围，其中有一次“小冰川”时代也没有超出这种变化范围。奇怪的是，这些一个世纪一个世纪以来气候上微小的波动比冰川年代本身更难解释。有一种假说，太阳本身的能量输出可能也是在变化的。
据国家科学院研究报告，目前寒冷趋势造成的燃眉之急将是：某些农业生产地区的降雨量和平均气温在发生变化，加拿大和西伯利亚农田的霜冻在波动以及海洋温度的改变。海洋温度的变化将影响到为人类提供10%蛋白质的渔业生产。如果全世界粮食产量减少百分之一，这将意味着：四千万人吃不饱肚子，有限的经济急剧膨胀，消费进一步放慢速度，营养标准受到影响，使那些依靠出口粮食偿付石油进口的国家贸易失去平衡而且使发达国家和发展中国家早已存在的巨大的社会和经济差距进一步扩大。像我们今天这样一个紧密地组织起来的世界是经不起这么一些不稳定的因素打击的。所有一切不稳定的因素与可能出现的进一步大幅度粮食减产所造成的不稳定的因素相比较，真是小巫见大巫。科学家们近年来一再指出，温和的气候和上一代预测的相对降雨量长期来极不正常。并且由于世界农业系统是建筑在对永不匮乏的石油蕴藏、廉价的肥料和良好的天气这种一厢情愿的设想上的，因此一旦客观条件发生变化就容易面临崩溃的危险。面对这一切可能发生的危险和考虑到认识问题不等于解决问题这样一种情况，一般的公众可能倾向于要求政府采取一切可能的措施，现在就去提高地球的温度。我们仅仅没有注意，事实上我们已经在采取措施，有人也许认为做得过分了。
气象学家和气候学家逐渐相信，短时期内的危险是气温过高，在以后一两个世纪内人类的活动将使地球上出现过多的热量。大气中二氧化碳的含量在过去大约一百年里已增加了百分之十。由于燃烧煤炭、石油和天然气，以及全世界范围里大量毫无计划地砍伐森林，结果使二氧化碳继续不断地增加。物理学告诉我们通过温室效应，即像暖房一样让阳光透进来，而不让释放出来的红外线回到宇宙空间中去那样，二氧化碳使地球变暖了。过量的二氧化碳可能使目前任何寒冷趋势逆转。所谓的人类暖气引起人们进一步的关心：由核电站和普通发电站、工业活动和广大的城市区域所释放到大气层和海洋中去的热量也许会在二十一世纪里对地球上气候的环境造成深刻的影响。现在已经能看到一些局部现象。城市地区形成了一座座典型的热岛，改变着风成气流和降水量。
为了了解一个比较暖和的世界是一个什么样的世界，国家大气研究中心威廉W. 凯乐格对五千年前地球上气候的轮廓进行了观察和研究。那时地球气温是在2~4°C（到9°F左右），比现在要暖和。今天的这些副热带沙漠在那时将种植更多的植物，墨西哥、东非和北非、中东、印度和中国这些地区当时的降雨量也更大。温带种植季节比现在长一个星期，阿拉斯加和欧洲大部分地区更潮湿。但好处也仅止于此，当时北美的心脏地带，这块号称世界面包篮的地方却比现在干燥，此外斯堪的纳维亚也是同样情况。因而，气温的普遍上升是否值得欢迎，显然还得取决于你居住在哪里和吃什么食物。
如果确实存在二氧化碳威胁，那么只要消耗目前尚剩的矿物燃料，进入另一个冰川年代的自然趋势就会被推迟一两个世纪。正像约翰· 英勃利跟我说的，当地球矿物燃料消耗殆尽，那时米兰柯维奇理论就将显示其威力了。话说回来，如果我们发明了新的能源，那就能一劳永逸地推迟冰川危险的到来。宇宙工程师无时无刻不在异想天开，他们建议把巨大的镜子悬挂到地球轨道中，使太阳光反射到雪地上去。
我们可以设想未来世界的政府将通过在严格规定的时间内释放二氧化碳来加热大气和释放粒子冷却大气，从而设法达到热量预算的调节。要制造一台由人类控制的地球恒温器，所碰到的困难是这台恒温器的各种元件的反应太慢。例如，梅纳大学乔治· 台登怀疑说，就南极洲而言迄今尚未完全调整到六千年前最适宜的气候的那种较高的温度。这样的话，即使无止境地保持目前的气温也将会造成冰帽的进一步融化以及许多沿海平原洪水泛滥。如果科学家企图加速自然反馈的过程，他们可能因为操之过急而引起一场灾难：整个地冻成冰球或者像金星那样失去温室效应。气候学的工程师要进行他们所从事的与人类休戚相关的事业不仅需要具有坚定的政治立场，同时还需要具有冷静的头脑。
人类的科学知识浩如烟海，我们有足够的理由认为有可能通过这样或那样的方法来弥补北半球夏季太阳能不足的问题以及阻止冰川的前进。
[本文选自Smithsonian 1978年18卷10期。蔡瑞良、程怀潞译]