图1 现代北冰洋与太平洋和大西洋的通道。箭头表示洋流，橙色流入、浅灰色流出，单位为100万m3/秒（原图来自https://www.ngdc.noaa.gov，经编辑修改）。
太平洋的北端，是连接北冰洋的白令海峡。白令海峡很浅，只有55米深，冰期低海面时出露成陆，形成一条南北宽达千余公里的地带，为亚洲和美大洲动物和人类的迁徙提供了通道，称为“白令陆桥”或者“白令古陆（Beringia）”。间冰期海面升高、陆桥切断，太平洋表层水才得以流进北冰洋。
因此白令海峡就像十字路口的红绿灯：开启时两大洋水体交换，关闭时两大陆动物交流，是调控北极环境的枢纽。但是白令海道开通的历史不长，根据化石考证，北冰洋和太平洋的联通距今五百万年前方才实现（Marincovich and Gladenkov, 1999；Gladenkov et al., 2002）。
今天的北冰洋两头开口：东半球联通太平洋，西半球联通大西洋。面向大西洋的通道宽，光一个斯瓦尔巴群岛和格陵兰之间的佛拉姆（Fram）海峡就有450公里宽，海槛深达2500米，是北大西洋与北冰洋的深水通道，也是北冰洋的咽喉。而白令海峡只有85公里宽（图6-11），好比是北冰洋的“后门”，“前门”开向大西洋。
从构造上讲, 北冰洋的活动大洋中脊也来自大西洋，也就是北大西洋洋中脊的北段，穿过冰岛之后向北伸进了北冰洋。
从水文上讲，从大西洋流入北冰洋的水量达每秒800万m3, 从白令海峡进入北冰洋的流量只有每秒80万m3,数量上差一个量级，但由于北太平洋水的盐度低，对于北冰洋海冰的形成至关重要。有人假设一旦白令海峡关闭、北冰洋淡水层消失，就会破坏北冰洋海水分层的稳定性，加剧大西洋上层水的注入而使得海冰融化（Martinson and Pitman, 2007），因此白令海峡在冰期旋回中可能起过关键作用。
从历史上讲，北冰洋通道的演变经过了三个阶段：始新世开始北冰洋是个封闭湖盆，中新世中期与大西洋连通，上新世又与太平洋连通。 2004年大洋钻探的结果表明：四、五千万年前还没有北冰洋，占据北极的是个封闭性的水盆，属于暖水湖泊。虽然有图尔盖海、北海等与外海相通，常常只是个半咸水湖泊。至少有80万年长的时期里，湖面有大量淡水蕨类植物满江红（Azolla）繁盛，并且传播到周围海域 (图6-12A；Brinkhuis et al., 2006)。岩芯的有机地球化学分析显示当时表层水温在10°C以上，约5500万年前曾经高达23°C，简直是亚热带环境（Sluijs et al., 2006）。格外令人注意的是当时北极古湖的生产力极高，沉积物中有机碳常在5%以上，甚至高达14%（Moran et al., 2006）（见“附注1 北冰洋大洋钻探”），这种非凡的生油潜力具有极大的吸引力，有人估计，全世界未被开采的石油有1/4在北冰洋底下。
北冰洋从湖泊变海洋的转折，得力于北大西洋的构造变化。大约1750万年前佛拉姆海峡形成，与大西洋的通道开启，北冰洋终于成为海洋。不过当时的北冰洋和太平洋之间有相当宽的陆地相隔，其实也就是大西洋的一个海湾而已（图6-12B；Jakobsson et al., 2007）。
图2 北冰洋的古地理演变。A. 早始新世约五千万年前的北极湖泊，黑色星表示大洋钻探井位，白色星表示满江红孢子的发现地（据Brinkhuis et al., 2006改)； B. 中新世中期将近1800万年前的北冰洋，已与大西洋连通（据Jakobsson et al., 2007改）。
现在意义上的北冰洋，是大约500万年前白令海道开启的结果，也可以说是后来北极冰盖出现的前提。北极形成冰盖与淡水注入北冰洋相关，因为盐度降低会提高海水的冰点，使北冰洋容易结冰，目前北冰洋上层150米海水偏淡，就是大片海冰形成的前提。现在的北冰洋， 1/2的淡水靠河流，1/4靠通过白令海峡进来的太平洋水，而来自大西洋的水盐度偏高。北冰洋周围河流入海流量占全球河流总流量的10%，其中主要来自亚洲，来自美洲的不足1/5。因此，蒙古、青藏高原的隆升导致亚洲河系改组，原来向西、向南的西伯利亚大河改向北流注入北冰洋，和白令海峡的开启一样，都为后来北极大冰盖的形成创造了条件（Wang, 2004）。
附注1北冰洋大洋钻探
2004年夏，欧洲三艘破冰船进军北冰洋，在水深~1300米、离北极点250 公里处钻井4口，最深一口钻入海底428米（见图）。这次综合大洋钻探IODP 302 航次，是海洋科技史上的一次创举，因为海面有2-4米厚的海冰，需要三艘破冰船协同作战: 先由俄国的原子能破冰船把大片的海冰压破开路; 再由瑞典破冰船把打开的大冰块进一步破碎；这样才能保证挪威破冰钻探船保持原位、进行钻探（Stoll, 2006）。这场“海冰大战”在技术上是个创新，在科学上是个突破：发现如今天寒地冻的北冰洋，五千万年前居然是个生物繁茂、和暖温馨的湖泊，水面上大量生长着热带、亚热带的淡水蕨类植物满江红（Azolla）(Brinkhuis et al., 2006)。大洋钻探揭示了北冰洋的来历，美中不足的是地层缺失：4450万年到1820万年之间，少了2600多万年的地质纪录。目前科学界正在积极筹备第二次北极大洋钻探，以窥北冰洋身世的全貌。
图3 北冰洋IODP 302 航次的钻探结果。Azolla—淡水蕨类满江红； PETM—古新/始新世之交高温事件（据Moran et al., 2006改）
20 世纪80 年代开始的全球变化研究，是20 世纪科学界最大的亮点之一。为了追踪人类排放碳的去向，科学界从大气、海洋到植被、土壤，来了次空前的大清查。研究的结果，一方面引发了气候政治的国际斗争，使“全球变暖”成为历史上第一个由科学界提出的全球性政治问题；另一方面也掀起了学术高潮，将人类生存环境的问题，拓展到整个地球系统的科学研究。
现代科学的发展，经历了从分解到集成的回返过程。起先的趋势是学科越分越细，到一定程度又回过头来相互结合，集成为系统科学，地球系统科学就因此而诞生。在大数据时代知识爆炸的背景下，不但需要有综述的书刊加以汇总，更需要有科学知识本身的集成。这种集成的思想境界，在学术界其实早就出现过，比如二百年前德国的洪堡德就在其《植物地理学札记》里提出“地球总物理学”的概念，认为全球的大气、海洋、地质和生物有着相互联系，应该连接起来观测和研究（Jackson，2009）。但是这种先哲的预见，只有在科技的发展与积累基础上，等到20 世纪后期方能实现。特别是航天技术使人类克服地心引力，离开地球用遥感的宏观视角认识地球。五百年前哥白尼从地球向外看，提出“日心说”替代了“地心说”；现在是离开地球向里看，通过“显宏镜”看到了整个的地球系统，可比喻为“第二次哥白尼革命”（Schellnhuber，1999）。
全球变化提出了人类生存环境的问题，而问题的解答却要求超越人类本身的时空尺度。 拿碳来说，人类排放的碳被大气、海洋和土壤植被三者分担，但是进入土壤的碳可以待上百年， 进入海洋的可以超过十万年，都比大气里长得多。于是需要跨越地球圈层、横穿时空尺度，这就是“地球系统科学”（汪品先，2003）。进一步又发现，全球变化所研究的碳循环和水循环，都不限于地球表层，地幔里大量的水和碳都在和地球表层发生相互作用，只是时间太长、埋藏太深，不易被人类发现。于是又提出了地球内部和表层过程相结合的研究，称为“行星循环”或者“地球连接”（IODP，2011）。
回顾历史，地球系统科学的源头在于全球变化的研究。1983 年，美国国家宇航局建立了“地球系统科学委员会”，1988 年发表了“地球系统科学”报告（Earth System Sciences Committee，1988），提出著名的“Bretherton 图”，展示大气、海洋、生物圈之间，有着物理过程和生物地球化学循环的相互作用。1996 年，美国提出将“地球系统科学”列入教学计划。从此之后，“地球系统科学”的课程和教科书接踵而来。在我国，地球系统科学的新方向早就受到重视，课程和出版物也为数众多，只不过出于理解的不同，有的变成了地球科学的“百科全书”，有的用作遥感观测或者数值模拟的新名称（汪品先，2014）。
在地球科学的诸多领域中，环境变化的研究和地球系统有着特殊的关系。这是因为环境变化涉及的地球圈层最多，环境变化中时间尺度的叠加也最为复杂。因此，这本教材最适合的读者，可能是有关环境变化学科的研究生。同时，地球科学任何学科的研究生，都可能从这本教材里找到与自己所研究问题的学科连接，拓宽视野，从相关学科的进展获得启发。为了便于自学，每章之前都列有提要，每章之后附有思考题，并且对书中重要的观点和论据，都提供了文献出处，便于读者进一步追索。
本书是作者基于20年课堂与科研实践、三年编写的产物。同济海洋学院从1996 年起开设“全球变化”课，2001 年开设“地球系统”课，2011 年两课合并为“地球表层系统与演变”，是一门随着国内外学术发展而与时俱进的研究生课程。
三年来，全书和各章的结构均经反复修改，最终由分属3 个部分的12 章组成。第一部分从圈层结构入手，用五章的篇幅分别介绍地球系统的组成与起源、地球的表层与地幔、水循环、碳循环和生物圈；第二部分以时间尺度为纲，从第6 章到第9章分别讨论构造尺度、轨道尺度和人类尺度的过程，并且对气候演变的转型和突变进行专门介绍；第三部分即最后的三章探讨地球系统的研究历史、方法与展望，包括全球变化、定量研究和地球系统运行机制的探索。
本书是集体劳动的成果，除作者外，全书每章还特邀相应专家审阅。承陈大可、郭正堂、黄奇瑜、焦念志、林间、柳中晖、石耀霖、孙立广、孙枢、孙卫东、田丰、赵美训、周力平教授大力相助，提出宝贵意见，改进了本书的质量，谨此深表谢忱。感谢同济大学研究生院教改项目和海洋地质国家重点实验室的资助。全书图片由魏小丽清绘。李科、杜金龙、冯华、凤羽、李金澜、李方舟进行了初期的文字编辑和图片校对工作。
本文摘编自《地球系统与演变》（汪品先等著. 北京：科学出版社，2018. 6）一书“前言”及第六章6.2，标题为编者所加。
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