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8个质子和中子。而氧的另一种同位素氧18的原子核里则有8个质子和10个中子，而氧18这种类型通常只占地球含氧量的千分之几。这两类氧的化学性质几乎是—样的，但由于氧18稍重一些，因而当水蒸发时，易于留存下来。当冰期来临时，海洋里的一部分水蒸发到天空变成雨雪落到地面，带走了大量的氧，致使海洋里的氧18含量增多。因此，海洋沉积物中氧18浓缩物的变化就为人们勾勒出了一幅冰盖形成的自然历史图画。氧18的变化情况表明冰川形成的历史具有某种引人注目的周期率。它们每隔不同的时期重复出现，其间隔期分别为10万年、4。3万年、2。4万年和1。9万年。
对这种周期性变化的解释既简单又出人意料。它是由南斯拉夫天文学家米留丁·米兰科维奇在本世纪前半叶首先提出的。当地球环绕太阳运转时，地球上出现了从冬到夏这种周而复始的季节变化。这是因为地球自转轴线与地球轨道平面的夹角并不是恰成直角，而是成23。5度的斜角。因此，当北半球夏季来临时，太阳处在天空中较高的位置，日照时间长，我们接受的热量就多些；同此道理，冬季太阳在天空中的位置偏低，日照时间短，气温也就相对的冷一些。如果地球自转轴线不成斜角，情况就非如此。关于引起地球热量变化原因的更精巧的解释是，地球公转的轨道并不是一个正圆形，而是一个椭圆形。椭圆形与正圆形的度数差用一个数值来表示，叫做偏心率。地球的轨道是椭圆形，加上太阳处在中心位置，这就意味着地球轨道上有一点距离太阳最近，我们称之为近日点。地球运行到近日点的时间是每年的1月。现在我们已经得知，由于月球和其它行星引力作用的结果，地球自转轴的倾斜度、地球公转轨道的偏心率、以及到达近日点的时间，这三者都在随时间发生缓慢的变化。偏心率的变化是每10万年一次，地轴倾斜度是每4万年一次，近日点变化要复杂一些，它在每隔2。3万年和1。9万年之间交替。因此，米兰科维奇的理论回答了氧18含量的丰度所表明的冰川形成具有周期性的原因，因而也回答了冰川覆盖量的问题。冰川覆盖量取决于夏天气温处于0℃以下的地区的面积，因为只有这样，冰盖才能年复一年地堆积起来。
冰川对地球生命的危害不像上一节所提到的那些远古时代的巨大毁灭事件那样厉害。因为地球的冷却和冰盖的扩大都是缓慢进行的，这使得绝大多数物种来得及寻找它们理想的栖息地。即使如此，我们还是发现，在冰期到来时，物种的灭绝率同样达到了高峰，尤其是热带物种，它们陷入了走投无路的境地，例如加勒比海地区的物种就找不到更为温暖的地方。
坦博腊火山大喷发和1816年夏季的消失
1815年4月10日和11日，印度尼西亚的松巴哇岛上发生了历史记载中最大的一次火山喷发。在火山喷发之前，岛上的坦博腊火山约高1。4万英尺（4270米）。喷发时，火山上部的三分之一被掀入空中，随后出现了灾难性的后果。在松巴哇和毗邻的龙目岛上至少有8。8万人丧生。隆隆巨响在2000英里以外都能听见，火山灰漂落到1000英里远的地方。在这次喷发中，总共约有100立方英里容积的火山灰被抛射到大气层中，在方圆300英里的范围内，到中午时分天空仍是一片漆黑，这种状况持续了一两天。这次喷发比1883年著名的爪哇岛喀拉喀托火山喷发还要猛烈3～10倍。
尽管这次喷发本身就其程度而言已非常猛烈，但它对地球其它地区造成的后果从某些方面来讲则更为强烈。火山爆发形成的烟柱高约10～20英里，一直进入大气层的最高层——同温层。小颗粒的火山灰形成了一片巨大的烟云，逐渐在地球上空扩散开来，并在空中滞留了两年之久。人们已从好几个方面感到了这股烟云的影响。在1815年秋季，英国人常常能够看到持续时间很长的暗红色的黄昏和黎明。在1816年的春季和夏季，有报道说美国东北部出现了持续不断、风雨都无法驱散的“干雾”。据纽约报纸报道，这种干雾使太阳光急剧变红并减弱，以致于用肉眼就能看见太阳黑子。1816年6月9日和10日发生了月蚀，尽管在伊普斯威奇、伦敦和德累斯顿的观测条件毫无阻碍，但人们发现整个月亮完全消失了；而在往常，由于大气层折射和散射阳光的作用，月亮在月蚀期间也能显现出微弱的暗红色光亮。在这次火山喷发两年以后，即1817年9月19日，正在英国进行访问的法国天文学家杜宾在日落后3小时在格拉斯哥天文台观察极光时发现，尽管人们头顶上的天空晴朗无云，天空下半部却莫名奇妙地呈现为一片朦胧，通常用肉眼就能观察到的星星，这时“要费力”搜寻才能看到。
因此，由坦博腊火山爆发所形成的弥漫于地球同温层的灰幔，仅在3个月之内就从赤道偏南的印度尼西亚逐渐蔓延到英国上空。灰幔造成的后果可以通过阳光减弱系数来加以测量。来自纽约国家航空和航天局戈达德宇宙研究所的理查德·斯多热思在1984年6月15日的《科学》杂志上撰文，精彩地描绘了坦博腊火山喷发的情况。他在这篇文章中估计，在1815年9月，北纬地区阳光减弱，最高系数只有正常阳光的25％。到1816年夏季，这一系数仍然只有正常光照的40％。
还有一种方法可以对坦博腊火山烟尘中所含物质数量进行测量。众所周知，构成火山灰幔的两种主要成分，一是来自岩石粉末的硅酸盐灰粒，另一个是火山排放的硫磺所形成的硫酸液滴。目前，对格陵兰岛冰帽的研究表明，人们已能够对那里每年积存下来的冰层加以辨认和分析，就像观察树木的年轮一样。在1815至1818年的格陵兰岛冰层中，其所含的酸度大大超过了正常含量，据认为，它是由于坦博腊火山烟尘中的硫酸微粒落到岛上造成的。用同种方法估算，人们认为坦博腊火山灰幔中所含的硫酸总量大约为2亿吨，这个数字恰好与那段时期阳光减弱的系数相符。
火山烟云造成的影响不仅见诸于对太阳、月亮和星辰的观察，而且，1816年作为“无夏之年”在欧洲和北美已成为家喻户晓之事。耶鲁大学历届校长自1779年以来保存了一套康涅狄格州纽黑文市的气象记录，它记载着1816年6月是该城70多年来最冷的一个6月，当月的平均气温比平常的6月要低5℃（9F）。那一年，英国的兰开夏郡出现了一个最冷的7月。在瑞士日内瓦，整个夏天总的说来是1753到1960年200多年记录中温度最低的夏季。据瑞土气象台提供的数字表明，1816年6至8月的月平均气温要比1761至1810年和1821至1870年两个时期同期的月平均温度低3℃（5F）。在新英格兰，玉米大部无收，干草产量锐减，由此而造成的严重困难使这一年蒙上了一层宿命论的神秘色彩，在当时流行的民间传说中，一千八百年成了某种不吉利的象征。似乎在这一时期，人类命运要遭到由寒冷造成的死亡威胁。从6月6日到6月11日三次反常的寒流侵袭了新英格兰，当时地上留下了3～6英寸厚的雪，7月9日、8月21日和30日，那里又遭到了霜冻的灾害，除少数最耐寒的谷物和蔬菜品种外，绝大多数农作物都被冻死。寒冷在加拿大更为肆虐，连小麦也难逃厄运。美国的情况稍好一些，因而小麦幸免于难。加拿大哈利法克斯《每周纪事》说：“魁北克省的许多郊区都在为食品匮乏而痛苦忧伤。在每年的这个季节里，面包和牛奶是贫苦阶层的主要食物，但此时他们中的许多人却得不到面包。”在北美大陆，小麦和干草的价格飞涨。在欧洲，反常的夏季所造成的后果更糟，因为它刚刚经历了拿破仑战争的腥风苦雨。在瑞士，试图重新播种夏小麦的努力因种子不足而受挫。到了年残岁尾，粮食短缺的形势更为严峻，尤其是在城里，所有能吃的都吃了，如浆果、地衣和猫肉，还有人专门指导居民辨认无毒的植物。在法国的普瓦蒂埃，一项与小麦有关的征税引起了一场骚乱。沿卢瓦尔河谷向城镇运粮的车队必须由军警护送，因为前来枪粮的饥饿和愤怒的人群竟达2000人之多。上述历史轶闻见诸于亨利和伊丽莎白·斯托麦尔发表在《科学美国人》杂志1979年6月号上的一篇饶有趣味的文章中。
这个“失去的夏季”在文学作品中也找到了佐证。1816年7月，刚刚离开英国并再也没有回去的诗人拜仑恰好也在日内瓦。他在那里写了一首题名为“黑暗”的著名诗篇。长期以来，这首诗一直为我所喜爱。它描绘了陷入黑暗与寒冷的世界末日的景象，正像安托尼·鲁道夫在他的小册子《拜仑的＜黑暗＞：失去的夏日与核冬天》里所坚持认为的那样，它使人不能不相信这首诗的确是诗人有感于那年夏天的消失所作。这首诗可以作为核冬天的一篇寒冷的预报来读。它开头的几行是这样写的：
我做了一个梦，又不全是梦；
明媚的太阳突然无影无踪，
黯然失色的群星在漆黑的茫茫宇宙中游荡，
冰冷昏暗的地球虚悬在没有月色的天空。
黎明来而复去，
白昼从不降临；
人们在恐惧和孤寂中冷漠无情，
亿万颗凄凉的心都在为自己祈祷光明。
地球生命的新危机
我们现在都已清楚，地球上的生命曾经历过多次危机，而每次危机的发生都毁灭了大量的物种。今天，人类杰出的创造力与低下理智的混合物又把我们带到一个新危机的边缘。当今世界核武库已极度膨胀，以致两个超级大国之间如果爆发一场核战争，其杀伤和毁灭力将远不止影响到格斗双方及其盟国。核爆炸掀起的尘埃和继之而来的熊熊大火产生的浓烟，也将在地球上空形成一片烟尘，其影响将使坦博腊火山喷发造成的后果相形见绌。科学家们确信，阳光的衰减连同随之而来的气温下降将会造成许多动植物种类的死亡，在最坏的条件下，人类能否继续生存也很难预料。
核冬天的效应是怎样被发现的？为什么长期以来一直被人们所忽略？对于核战争的后果迄今已有许多详细的研究。美国国家科学院1975年的一份报告认为，在一场核战争之后，不会出现长期的危害性气候或对生物的不利影响。但到1983年，西德美因茨马克斯－普兰克化学研究所的保罗·克鲁岑和美国科罗拉多州立大学的约翰·伯克斯在瑞典《安比欧》环境杂志上公布了一项很有意思的研究成果。他们一开始就着手研究核爆炸对地球大气层上空臭氧层可能发生的破坏程度。臭氧是氧的一种形态，它有3个氧原子，而不是通常氧分子所含的2个氧原子。臭氧层对于地球生命有着至关重要的作用，太阳紫外线的有害辐射正是通过它来吸收的。在从事这项研究的同时，他们决定对核战争可能引起的大火浓烟量进行估算，其结果使他们非常惊讶，因为将有数亿吨浓烟进入大气层，这将足以遮断阳光对整个地球的照射。
与此同时，另一组科学家已在研究被核爆炸掀入到大气层中的尘埃的影响。这些人分别是，在加利福尼亚州马丽那德雷从事大气研究并担任科研项目负责人的科学家理查德·特科；在加州国家航空和航天局艾姆斯研究中心从事研究的科学家布赖恩·�