神奇的循環(huán)，解開地球冰期之謎！

三泰書齋 2020-10-18

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在地球漫長(zhǎng)的歷史中，

冰河時(shí)代來了又去。

氣候的巨大變化

使地球上的生命經(jīng)歷了

一次又一次嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，

（圖源@George Teichmann）

那么，這些冰期究竟是

如何形成的呢？

一個(gè)重要理論的提出

為人們解開冰期之謎

打開了篇章！

米蘭科維奇循環(huán)

（Milankovitch cycles）

是塞爾維亞的地球物理學(xué)家兼

天文學(xué)家米盧廷·米蘭科維奇

的氣候變化理論。

米盧廷·米蘭科維奇（圖源@dereta）

米蘭科維奇計(jì)算了

過去數(shù)百萬年地球的離心率、

轉(zhuǎn)軸傾角和軌道的進(jìn)動(dòng)的變化，

發(fā)現(xiàn)了這些參數(shù)與

地球上氣候模式，

尤其是冰川期的關(guān)系。

冰川（圖源@ASF）

米蘭科維奇循環(huán)理論的起點(diǎn)

是天文因素變化導(dǎo)致的

地球軌道三要素

（偏心率、地軸傾斜度、歲差）

的周期性變化。

地球軌道變化引起

地球大氣圈頂部

太陽輻射緯度配置和

季節(jié)配置的周期性變化，

從而驅(qū)動(dòng)氣候波動(dòng)。

（圖源@ownyourweather）

因此該理論認(rèn)為北半球

高緯夏季太陽輻射變化

（地球軌道偏心率、黃赤交角及

歲差等三要素變化引起的

夏季日射量變化）

是驅(qū)動(dòng)第四紀(jì)冰期旋回的主因。

第四紀(jì)冰期北半球（圖源@Hannes Grobe/AWI）

那么，地球的具體

是如何變動(dòng)的？

又如何引起氣溫的變化？

地球圍繞自轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)和

在軌道上繞著

太陽公轉(zhuǎn)的過程中，

會(huì)有幾個(gè)準(zhǔn)周期的變化發(fā)生。

（圖源@Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images）

這些在運(yùn)動(dòng)和方向上的變化

改變了太陽輻射

抵達(dá)地球的方向和數(shù)量，

從而影響了地球的

溫度起伏和冰期形成。

（圖源@MAURO BENJAMIN）

軌道形狀

地球的軌道是橢圓形，

而離心率是測(cè)量

橢圓與圓形的偏差。

地球軌道的

平均的離心率是0.028，

這些變化的主要周期是413000年

（離心率改變±0.012）。

地球軌道離心率的改變

主要是受到木星和土星

不同引力的交互作用影響。

當(dāng)半短軸隨著

離心率的增加縮短時(shí)，

季節(jié)的變化會(huì)加劇。

太陽系（圖源@WP）

同樣的平均輻射與平均溫度

并不會(huì)有相對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)性

（由于斯特藩-

玻爾茲曼定律是非線性的）。

斯特藩-玻爾茲曼定律（熱力學(xué)著名定律）

一個(gè)與溫度20°相對(duì)應(yīng)的輻射，

可以有±50 %的對(duì)稱變化

（例如，來自季節(jié)的變化）。

我們觀測(cè)到的溫度變化

對(duì)應(yīng)于平均16℃

（即偏差有n-4℃）。

軌道力學(xué)要求季節(jié)的長(zhǎng)度與

季節(jié)的象限領(lǐng)域成正比，

因此在離心率的極端值時(shí)，

在軌道遠(yuǎn)心點(diǎn)端的季節(jié)

持續(xù)的時(shí)間會(huì)大幅增長(zhǎng)。

（圖源@Tim Brown/science Photo Library）

當(dāng)秋天和冬天

是在出現(xiàn)在近心端時(shí)，

地球在軌道上的移動(dòng)速度是最快的，

因此秋天和冬天

會(huì)比春天和夏天稍短一些。

如夏天比冬天長(zhǎng)4.66天，

春天比秋天長(zhǎng)2.9天。

地球四季

轉(zhuǎn)軸傾角

地球的轉(zhuǎn)軸傾角（傾斜）

是地球的轉(zhuǎn)軸相對(duì)于

軌道平面的角度。

角度變化的范圍2.4°，

在大約41000年的周期內(nèi)

從傾斜22.1°緩慢的變化至

24.5°并且再?gòu)?fù)原。

地軸傾斜的范圍（圖源@NASA）

當(dāng)傾角增加時(shí)，

日照（進(jìn)入的太陽輻射）

在季節(jié)周期上的振幅也增加；

在兩個(gè)半球的夏季都

會(huì)接收到更多的太陽輻射通量，

而冬季的輻射通量減少。

但是，這種冬夏兩季的

反相變化在地表各處

幅度不盡相同。

當(dāng)傾角增加時(shí)，

高緯度的全年日照量會(huì)增加，

而低緯度接收的

全年日照量會(huì)減少。

目前地球相對(duì)于

軌道平面的傾角約為23.4°，

處在逐漸變小的趨勢(shì)中。

本身往往會(huì)造成溫暖的冬季和

涼爽的夏季，因此有

氣候冷卻的傾向。

（圖源@timeanddate.com）

涼爽的夏天造成先前

在冬天的冰雪融化量減少，

可能會(huì)促使冰河期的開始。

但增強(qiáng)的溫室氣體

可能會(huì)影響這一變化趨勢(shì)。

軸向進(jìn)動(dòng)和拱線進(jìn)動(dòng)

地球自轉(zhuǎn)軸的方向

相對(duì)于恒星的變化稱為進(jìn)動(dòng)，

周期大約是26000年。

軸向進(jìn)動(dòng)（圖源@NASA）

這種陀螺的運(yùn)動(dòng)是由于

太陽和月球?qū)腆w的地球，

加上地球的形狀是

扁橢球而不是理想的球，

所施加的潮汐力，

而太陽和月球有著

大約一致的效果。

當(dāng)自轉(zhuǎn)軸的方向在

軌道的近日點(diǎn)朝向太陽時(shí)，

一個(gè)極半球的季節(jié)有著較大的變化

而另一個(gè)極半球

的季節(jié)變化較為溫和。

（圖源@Shutterstock）

在近日點(diǎn)時(shí)是夏季的半球，

接收到的太陽輻射會(huì)相應(yīng)增加，

而此半球在冬季會(huì)較寒冷。

另一半球則會(huì)有

較溫暖的冬季和較涼爽的夏季。

當(dāng)?shù)厍蚪拯c(diǎn)和

遠(yuǎn)日點(diǎn)朝向分點(diǎn)時(shí)，

南、北半球有著

相似季節(jié)分布狀態(tài)。

（圖源@Scholastic）

另一方面，橢圓軌道

本身在空間中的行進(jìn)，

主要是受到木星和

土星交互作用的結(jié)果。

軌道進(jìn)動(dòng)（圖源@WillowW）

這種軌道進(jìn)動(dòng)和

陀螺旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)

是有著相同的意義，

會(huì)使分點(diǎn)歲差相對(duì)于

近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的周期

從25771.5年縮短至

大約為21636年。

歲差對(duì)季節(jié)的影響（圖源@Krishnavedala）

隨著可用來研究

古氣候變化的地質(zhì)資料的獲得，

包括深海巖芯、珊瑚礁、

花粉、樹木年輪、冰芯等，

米蘭科維奇循環(huán)理論

逐漸被大眾廣泛接受。

冰芯（圖源@ Image courtesy Heidi Roop）

20世紀(jì)60年代，

在巴巴多斯島、夏威夷和

新幾內(nèi)亞進(jìn)行的珊瑚礁研究表明，

在距今約8萬年、

10. 5萬年和12. 5萬年時(shí)期，

冰原尺寸縮小，

海平面上升到較高水平。

（圖源@The New York Times）

且存在一個(gè)

2. 0～2. 5萬年的周期，

這與米蘭科維奇計(jì)算的

冰川曲線結(jié)果一致。

1978年， Pisias

從深海巖芯中測(cè)量了

碳酸鈣、硅、浮游動(dòng)植物殘骸

在巴拿馬盆地的累積率。

巴拿馬盆地

硅的累積率反映近地表

特殊類別的生物群落的大小，

其值隨著氣候變化而增加或減小。

碳化率則反映了底層水對(duì)

累積的碳酸鹽的溶解能力。

Pisias通過功率譜分析，

從整個(gè)氣候記錄中

抽取最強(qiáng)的周期特征，

發(fā)現(xiàn)碳酸鹽和硅的累積率

分別表現(xiàn)出一個(gè)2. 3萬年和

10萬年周期，與歲差周期和

軌道偏心率周期接近。

在此類研究中，Hays等人

的研究最具可信度，

他們獲取了跨度

45萬年的深海巖芯記錄，

發(fā)現(xiàn)了2. 3萬年、4. 2萬年和

10萬年周期的氣候變化。

并認(rèn)為這些周期幾乎都可與

適當(dāng)?shù)能壍乐芷谙鄬?duì)應(yīng)。

深海巖芯（圖源@Hannes Grobe）

隨著越來越多的證據(jù)

支持米蘭科維奇循環(huán)理論，

地球軌道變化影響氣候的觀點(diǎn)

開始被接受。

參考資料：

[1] Bomfleur, Benjamin & Mcloughlin, Stephen & Vajda, Vivi. (2014). Fossilized Nuclei and Chromosomes Reveal 180 Million Years of Genomic Stasis in Royal Ferns. Science (New York, N.Y.). 343. 1376-7. 10.1126/science.1249884.

[2] E. B. Koppelhus, L. H. Nielsen, Palynostratigraphy and palaeoenvironments of the lower to middle jurassic baga formation of bornholm, denmark. Palynology 18, 139 194 (1994).

[3] G. W. Rothwell, E. L. Taylor, T. N. Taylor, Ashicaulis woolfei n. sp.: Additional evidence for the antiquity of osmundaceous ferns from the Triassic of Antarctica. Am. J. Bot. 89, 352 361 (2002)

[4] C. Phipps, T. Taylor, E. Taylor, R. Cúneo, L. Boucher, X. Yao, Osmunda (Osmundaceae) from the Triassic of Antarctica: An example of evolutionary stasis. Am. J. Bot. 85, 888 895 (1998).

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來自：三泰書齋 > 《4.解讀地球》

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