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全球性的气候变化多数都具有规模宏大的特点。就在一个多世纪之前，奥地利的两位地质学家阿尔布雷希特·彭克（Albrecht Penck）和爱德华·勃吕克纳（Eduard Brückner）发现，阿尔卑斯地区至少经历了四个重大的冰期，而两个冰期之间则隔着气候温暖的间冰期。这两位地质学家研究的，是高山河谷中的冰川沉积物；只不过，如今他们的研究早已落伍了。用这四个冰期来描述“大冰期”，未免太过简单，因为“大冰期”构成了人类进化与现代人类出现在世界舞台之上的背景。如今我们知道，“大冰期”（即“更新世”）是在大约15000年前的“武木冰期”（Würm glaciation）结束的。随着“大冰期”的结束，“全新世”（词源中的希腊语holos意为“新的”）带来了气候的自然变暖，并且朝着气候学上的现代世界稳步前进了。
我们对“大冰期”气候的认识，建立在气候变冷与变暖这种笼统的基础之上。在这个方面，我们所用的时间尺度须以千年计、以万年计。例如，我们知道上一个冰期里气候最寒冷的数千年，是在21000年之前左右。但是，后来的记录极其清楚地表明，气候一直都在变化；因此，对于30000年前至15000年前“大冰期”中的气候，我们最终就不会根据冰川沉积物，而是根据气候替代指标来进行更加细致的描述。
所谓的替代指标，是指源于大自然的气候信息资料，比如冰川钻芯和树木年轮，它们可用于判断19世纪中叶首次利用仪器做出准确记录之前的变化气候条件。在西南太平洋钻取的深海岩芯，可以追溯至78万年之前的情况，涵盖了“大冰期”的大部分年代；它们表明，在这几千年间，至少出现了多个完整循环的冰期与间冰期。显然，“大冰期”的气候变化要比人们一度推断的剧烈得多。然后我们有了冰芯，取自格陵兰冰盖与南极冰层的深处；现在，这种冰芯为我们提供了准确得多的气候记录，其年代至少可以追溯至80万年之前的更新世。例如，我们如今得知，过去的77万年里有一个时长达10万年的周期，支配着全球从寒冷的冰期转换到气温较高的间冰期。气候变冷是一个渐进过程，而变暖的速度却要快得多。
当然，在利用如今几乎从每一个海洋中都能钻得的深海岩芯，以及从许多地方（其中包括了安第斯山脉秘鲁段的热带冰川）钻取的冰芯时，还存在许多的复杂因素。源自冰芯和海洋岩芯的替代指标正在变得越来越精确，但从考古学的角度来看，它们通常为我们提供的是“大冰期”中广泛的气候背景。大量的黄土沉积物也是如此，这些风积尘土源自“大冰期”里的冰川，常常在乌克兰和其他地区的河谷中把“大冰期”晚期的定居点掩埋起来。虽说这是一种很不错的总体视角，但在考虑人类适应气候变化的措施时，我们必须依赖一些更加精细的替代指标才行。
“洞穴沉积物”（speleothem）一词有点儿拗口，这种替代指标在气候舞台上虽然算是相对新鲜的事物，却具有极其重要的作用。钟乳石（聚积于洞穴顶上）和石笋（长在洞穴地面上）是由富含矿物质的水透过地面，滴入洞穴之后形成的。随着富含矿物质的水不停地流动，洞穴沉积物中就会形成许多有光泽的薄层。滴入洞穴的地下水越多，洞穴沉积物里形成的层次就会越厚，而滴入洞穴的地下水越少，分层也就越薄。岩溶洞穴沉积物中的层次，可以通过测量从其周围基岩溶入水中的铀含量来确定年代。这一过程中会形成一种碳酸盐，这种碳酸盐则会变成不断生长的洞穴沉积物里每一层的组成部分。铀会以世人已知的速度衰变为钍，因此我们可以确定各层的年代。这就形成了地下水位随着时间变化的一种大致记录。各种各样的因素，比如当地地下水的化学成分，都会对洞穴沉积物的生长产生影响。这就意味着，我们必须把源自一个洞穴的气候记录，与源自一个广阔地域里其他洞穴中的沉积物所记录的气候信息进行对比才行。
考虑到水中既存在重氧也存在轻氧，因此氧同位素比率就为我们提供了一种方法，可以了解降水随着时间推移而变化的情况。大雨会带来较多的轻氧，重氧则是雨水较少的标志；不同来源的水中，二者的比率也不同。对洞穴沉积物的研究，如今还处于发展阶段，但这种研究有着巨大的潜力，能为我们提供历史上的精确降雨数据；它们可能与过去的事件直接相关，比如公元10世纪玛雅低地文明的没落。在全球许多地区，重要的洞穴沉积物记录都在迅速积累起来。它们有可能成为所有气候替代指标中最有用的一种。
在“大冰期”末期的数千年里，随着海平面上升了90米左右，达到了现代海平面的高度，全球的地形地貌也发生了巨大的变化。本书第二章中描述了两个经典的例子，即曾经将西伯利亚东北部与阿拉斯加连接起来的那条沉没的大陆桥，以及多格兰直到公元前5500年左右曾将英格兰与欧洲大陆连在一起的众多沼地河流平原。在公元前4000年左右之前，撒哈拉沙漠曾是牧民的家园，而从钻取的岩芯与孢粉分析中我们得知，这一时期的数千年里，撒哈拉地区到处都是浅湖和半干旱草原。
我们研究过去15000年间的气候变化时，开始使用更加完整的替代指标资料，比如来自北美洲和欧洲北部的孢粉记录，它们记录了全球气候变暖以来复杂的植被变化情况。第一批较精确的气候替代指标，就是来自欧洲北部沼泽与湿地的微小颗粒状孢粉化石；它们表明，“大冰期”之后那里的植被出现了巨大变化，从开阔的草原变成了桦树林，最终又变成了桦、栎混交林。此时的孢粉序列，加上木炭之类的其他源头，非但记录了欧洲西部早期农耕村庄周围不断变化的植被情况，而且记录了空地上蓬勃生长的栽培性杂草的情况。例如，人们从英格兰东北部的一个湖畔定居地获得了桦树孢粉和芦苇燃烧后形成的木炭，那里自公元前9000年至公元前8500年间就开始有人居住了；当时的人曾在春秋两季，趁着芦苇很干燥和新苗开始生长的时候反复焚烧芦苇。这种受控焚烧不但有助于植物的生长，而且可以引来觅食的动物。
人们利用树木年代学（即用古树的年轮来测定年代）的历史，差不多有一个世纪之久了。这种方法，是由对太阳黑子颇感兴趣的美国西南部的天文学家安德鲁·道格拉斯（Andrew Douglass）率先提出来的，后来，它很快演变为一种精确的测定方法，用来判断古普韦布洛遗址发掘出的横梁的年代，比如新墨西哥州查科峡谷中的“普韦布洛波尼托”（Pueblo Bonito）遗址。树木年轮是由木质与树皮之间的形成层或者生长层构成的，其中记录了特定品种的树木每年的生长情况，比如美国西南部的道格拉斯冷杉。与现存活树中的年轮序列结合起来之后，古时的树木年轮就能让我们得知一些建筑物的建造年代，比如欧洲的大教堂、美国西南部的普韦布洛村落、沉船，以及其他各种各样的建筑。它们还能为世人提供宝贵的气候信息，这种信息是通过记录夏季降雨产生的氧同位素信号提供的。现在，树木年代学可以达到惊人的精确程度了。利用来自欧洲中部的7000个树木年轮序列，人们已经估算出了公元前398年至公元2000年间，每年4月至6月间这个重要的种植季与生长季的降雨量。树木年轮如今已是气候学研究的重要对象，世界许多地区都有大量年轮序列业已测定了年代。它们不但可以用于测定考古遗址的年代，还能提供非常精确的干湿降雨周期图。如今的树木年轮序列极其丰富，我们据此可以了解到严重干旱在美国西南部蔓延的情况。其中的多场干旱和其他一些气候变化，都是强大的全球性气候力量造成的。