地质时期气候(卷名：大气科学 海洋科学 水文科学)
climate of geological time
根据地质考察的各种证据（物质成分、沉积岩结构特点和生物化石等）推断的地球各地质时代的气候，又称古气候。
研究简史 在历史上早就有人注意到地球气候变迁遗留下来的某些痕迹。中国北宋时期的沈括，从地层和生物化石的特征中，判断了地质时期发生过的气候巨变和海陆的演迭。1840年，瑞士人J.L.R.阿加西根据阿尔卑斯山地的冰川堆积，第一次明确提出地球气候史上曾出现过冰期气候。20世纪初期，德国人A.彭克和E.布吕克纳出版了《冰期的阿尔卑斯》一书，将阿尔卑斯山地第四纪大冰期划分为四个冰期（后又划分成五个冰期），两个冰期之间为比较温暖的间冰期。这种划分，后来被确认为第四纪大冰期分期的国际标准。在其他各大陆，后来也相应地发现古冰川和古生物的遗迹。
中国在古冰川的研究中，较早地确认了西部山岳冰川，关于东部冰川，也有过大量的研究。
气候史 在地质史的几十亿年中，全球规模冰雪覆盖的扩展和退缩相互交替，有时大陆上覆盖着很大面积的冰原和冰川，气候寒冷，这时期称为冰期（又可称大冰期）;冰原或冰川以较大幅度向低纬度地区推进时，也称为冰期。介于两个冰期之间的比较温暖的时期，冰川消融退缩，称为间冰期。这种寒暖波动的时间尺度大约为106～108年。前寒武纪以来，90％以上的时间，两半球的极地无冰。但全球至少出现过三次大冰期，比较公认的有：前寒武纪大冰期(距今约6亿年以前)、石炭-二叠纪大冰期（距今2～3亿年）和第四纪大冰期(距今200～300万年至1～2万年)。在前寒武纪，还可能有另外的大冰期，但因资料不足，尚无法判断。
一般认为，对地质时期温度的估计，从中生代（距今2.3～0.67亿年）起才比较可靠。 那时的年平均气温在两极附近为8～10°C，赤道为25～30°C。
第三纪气候 第三纪（距今0.67亿年至200～300万年）的主要气候特征是：中纬度地区气温缓慢降低（见图），大约在1400万年前，地球上的气温急剧下降，在南极首先出现了冰盖，在250万年前，冰岛出现过山岳冰川，紧接着北半球高纬度地区也形成冰盖。
第四纪气候 第四纪从距今约二三百万年开始直到现在。第四纪气候以极地冰川和中高纬度地区的山岳冰川的覆盖为主要特征，又称第四纪大冰期。在第四纪内，依冰川覆盖面积的变化，可划分出几次冰期和间冰期。它们的冰盖范围，分别占陆地表面积的30％和10％左右。但是在各大陆上的冰期中，冰川发育程度有很大的差别。例如，欧洲大陆冰盖曾达到北纬48°，而亚洲北部西伯利亚冰盖的规模较小，只达到北纬60°。 中国无大型冰盖，但西部山地，如阿尔泰山、天山、祁连山、贡嘎山、玉龙山、四川西部和青藏高原等，却发育了山岳冰川。由于气候变化随地区的差异和研究方法的不同，各地划分的冰期数有所不同。例如：在欧洲，阿尔卑斯山地第四纪大冰期被划分成多瑙、贡兹、民德、里斯、武木五个冰期；在中国西南的喜马拉雅山地区，划分出希夏邦马、聂聂雄拉、珠穆朗玛三个冰期；在中国东部地区，李四光曾划分出鄱阳、大姑、庐山、大理四个冰期。但中国各地第四纪冰期的划分尚无定论，有人认为中国东部在第四纪根本没有冰川活动。第四纪的冰期和间冰期的温度振幅，海上约为6°C，这是从北大西洋热带海域分析海底岩心所得到的。除北极区海域稍高外，其他大洋区均略低于此数。 间冰期的北大西洋热带海域较现代高1°C。大陆上的温度波动较大，在冰盖的边缘地区如欧洲，约为12°C，但高山雪线处则为4～6°C。
冰期和间冰期温度的巨大变化，导致其他气候要素和自然地理因子的变化:①雨带分布的变化。冰期时，冰盖面积扩大，极地反气旋增强，极地高压带向中、低纬度地区扩展，迫使行星极锋带（见锋、急流）移至中、低纬度地区，导致中、低纬度地区低气压活动频繁，雨量充沛，湖水面积扩大。例如，亚洲中部、非洲北部和中部、北美洲西部等，在冰期时均为湿润地区。但在间冰期时，上述地区的气候常很干燥。②雪线的升降。冰期时，全球山岳雪线普遍下降，大多数山岳雪线下降1000～1400米，热带地区雪线下降700～900米。③海平面的升降。冰期时地球表面的水，相当大的一部分形成巨大冰盖而留在陆地上，海平面因此降低，例如武木冰期，海平面比现代低约100米。在间冰期最暖时期的海面，可能比现代高出15～30米，甚至更多。④生物群落的迁移。在冰期时，冰川扩张，气候带向低纬度地区移；间冰期时，冰川退缩，极区气温升高，气候带向高纬地区移。与气候带相应，生物群落也随之南北迁移。例如，克里米亚(里斯冰期)的地层里发现过北极狐、北极鹿；在南高加索，从冰期的地层里发现过猛犸象化石，这些都属于极地动物。而在间冰期，北冰洋沿岸有虎、麝香牛等喜温动物群活动。
冰后期气候 冰后期距今一万多年，全球气温逐渐上升，冰川覆盖的面积相应缩小，海平面随之上升，地球气候又进入较为温暖的时期（见历史气候）。
变化原因 有关各种时间尺度气候变化的原因，有许多种假说。归纳起来大致可分为以下五种：①天文学假说。认为天文因素的变化将引起气候变化。如南斯拉夫数学家M.米兰科维奇综合了地球轨道的偏心率、黄道倾斜和岁差等天文因素可能出现的变化，计算出北纬45°～70°地带60万年以来夏季辐射量变化的曲线，并把辐射量变化换算为相应的纬度变化。计算的结果，同彭克建立的阿尔卑斯第四纪温度变化的模型颇为一致。②大气物理学假说。认为太阳辐射能的变化或大气透明度（见大气消光）的变化可以引起气候变化。由于太阳活动强度的变化，使到达地球的总辐射能（包括电磁波和微粒流能量）发生变化。当辐射能减少时，地球上的气温下降，出现冰期。辐射能增加时，气温升高，进入间冰期。另一种设想是，由于地球上的火山有明显的静止期和活动期，由此引起大气透明度变化，从而导致气候变化。例如火山爆发时喷出大量的熔岩、烟尘和各种气体，在平流层内形成灰尘幕，影响着大气的透明度，使到达地球表面的太阳辐射减少，气温降低。一次火山大爆发可影响其后10～15年的气候，如果火山频繁爆发，灰尘幕的累积效应可导致气候趋冷。③地质地理学假说。认为极点的移动、海陆分布的变迁和地质构造运动等，可以引起气候变化。其中用大陆漂移说的观点解释气候变化，最为人注意。依此观点，任何地方温度的降低和冰川的积累，都是由于该块大陆漂移到较高纬度所造成的。例如科伦坡现在位于北纬7°附近，属于热带气候，但在石炭纪它位于南纬82°附近，故出现过极地气候。又如斯匹次卑尔根群岛，现在位于北纬79°附近，为极地气候，但在石炭纪它却位于北纬24°，为热带气候。
研究方法 地质时期气候的研究主要包括寻找古气候证据和确定证据年代（称为断代技术）两个步骤。前者可采用地质学方法、地理学方法和同位素方法（物理学方法）等。地质学方法是根据生物生存的条件、岩层和沉积矿床的形成与气候的关系，通过对地层中生物化石和沉积物等特性的研究，阐明地质时期气候在时间和空间上的分布和变化的规律。例如，煤层的存在，可以推断为湿润气候；出现珊瑚礁，可推断为温暖气候；有石膏、岩盐，可推断为干燥气候等。此外，还可以通过地层中植物孢粉（指植物在繁殖期间撒出的孢子和花粉的总称）的分析推测气候。当孢粉离开母体后，就撒落在土壤表面，并被一层层地掩埋在土层或泥炭层中。由于孢粉数量巨大（例如，一棵山毛榉树一年可撒出 4亿粒花粉），在与空气隔绝的情况下，可长期地存留下来，所以，可根据孢粉的形态来判别母体植物的种属，成为推测古代植被及其相应气候的依据。例如，在中国辽宁南部距今8000～10000年的泥炭层中，桦属花粉占优势，而现在桦木林已退缩到大小兴安岭和长白山区。桦树是喜冷耐旱植物，表明那时辽宁南部的气候比现在干冷。同位素方法是20世纪40年代开始发展起来的，其中以氧的同位素方法应用最广。例如，利用氧的同位素比值可以测定极地冰原的不同冰层形成时的温度状况。自然界中的氧有氧-16、氧-17、氧-18三种同位素。 在冰层形成时，气温越低，其中氧-18和氧-16的比值越高，因此，可以根据氧-18和氧-16比值的变化，换算成当时的温度。分析洋底抱球虫软泥的氧同位素比值，可以了解第四纪海面温度的变化，氧同位素方法同样可用来测定钟乳石和树木年轮形成时的温度。利用碳-14和碳-13的比值，也可以推测古代的温度，但应用还不广泛。地理学方法主要是用来考察各种自然地理因子的变迁，如海平面的升降、河流和湖泊水位的变化、冰川和雪线的进退、沙漠和冻土以及森林等界限的推移，用以估计相应的气候演变。
断代技术是确定各种证据形成的顺序和年代。可分为相对断代和绝对断代。相对断代只说明证据在形成时间上的新老顺序，主要依据古生物方法加以划分，如孢粉断代、地层学断代等。绝对断代是明确给出证据形成的绝对年代，主要是根据岩石中放射性同位素蜕变产物的含量加以测定的。
参考书目
张家诚等编著：《气候变迁及其原因》，科学出版社，北京，1976。
H.H.Lamb，Climate:Present，Past andFuture，Vol.2，Methuen & Co.，London，1977.
M.Schwarzbach，Das Klima der Vorzeit，Aufl.3，Ferdinand Enke Verlag，Stuttgart，1974.