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? 米蘭科維奇假說 ? 米盧廷·米蘭科維奇（1879?1958）是塞爾維亞的數(shù)學家、天文學家、氣候?qū)W家、地球物理學家、土木工程師和科學普及者（圖1）。他是第一個計算出不同緯度日曬波動的人，他提出了著名的米蘭科維奇假設(shè)，即地球相對于太陽的位置變化是地球長期氣候周期性波動的驅(qū)動力，65°N附近夏季太陽日照量變化是驅(qū)動第四紀冰期旋回的主因。  圖1 學生時期米蘭科維奇（圖源Widipedia） ? 地球公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)參數(shù) ? 米蘭科維奇理論認為天文因素導致的地球軌道參數(shù)（偏心率、斜率和歲差）的周期性變化，可進一步引起不同緯度地表接收到的日照量的變化。 偏心率（Eccentricity） 地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道不是圓的，而是橢圓的（圖2）。偏心率（e）是地球繞太陽公轉(zhuǎn)的橢率，決定著地球與太陽的距離，其值在0.00021~0.0607之間波動,變化周期主要有長偏心率周期（405千年）和短偏心率周期（約100千年）。偏心率越大，四季變化則越明顯。
圖2 偏心率地球軌道參數(shù)變化幾何示意圖（圖源NASA） 值得注意的是，太陽并不在橢圓的中心（圖3a）。不僅地球的軌道是橢圓形的，橢圓的形狀也隨著時間而變化。在大約10萬年的持續(xù)周期中，公轉(zhuǎn)軌道的形狀會從一點點橢圓變得更橢圓（圖3b）。  圖3（a）軌道是橢圓；x標記橢圓的中心；而太陽是偏心的(即偏心)。為了說明這一點，偏心率被夸大了。（b）當軌道更橢圓時，軌道內(nèi)太陽位置的偏心率也更極端，因此最小和最大地日距離之間的差異更大。 斜率 (Obliquity） 地軸斜率是地球自轉(zhuǎn)軸的傾角，即黃道面與赤道面的夾角。目前，地球的自轉(zhuǎn)軸從“垂直”方向傾斜了約23.4°。在接近41千年的時間尺度上，地球自轉(zhuǎn)軸的傾角在22.1°到24.5°范圍內(nèi)波動（圖4）。
圖4 斜率地球軌道參數(shù)變化幾何示意圖（圖源NASA） 地球軸向傾角越大，我們的季節(jié)差異就越極端。因為每個半球在夏季（向太陽一側(cè)傾斜的半球為夏季）接收更多的太陽輻射，而在冬季，接收較少的太陽輻射。較大的傾斜角度有利于冰川融化和消退。這些影響在全球范圍內(nèi)并不一致，高緯度地區(qū)比靠近赤道的地區(qū)受到的太陽總輻射變化更大。 歲差 (Precession） 當?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)時，它會繞軸輕微晃動，就像一個輕微偏離中心的旋轉(zhuǎn)玩具陀螺（圖5）。這種擺動是由于太陽和月亮的引力影響引起的潮汐力，導致地球在赤道處凸出，影響其自轉(zhuǎn)。
圖5 旋轉(zhuǎn)的陀螺（圖源baidu.com） 歲差就是地球自轉(zhuǎn)軸長期進動，引起春分點沿黃道西移，致使回歸年短于恒星年的現(xiàn)象（圖6）。歲差的周期主要有23千年和19千年。歲差使得季節(jié)對比在一個半球更極端，而在另一個半球不那么極端。目前近日點出現(xiàn)在北半球的冬季和南半球的夏季。這使得南半球的夏天更熱，緩和了北半球的季節(jié)變化。但在大約1萬年后，軸向歲差將導致這些條件發(fā)生逆轉(zhuǎn)，北半球?qū)⒊霈F(xiàn)更多極端的太陽輻射，南半球?qū)⒔?jīng)歷更溫和的季節(jié)變化。
圖6 歲差地球軌道參數(shù)變化幾何示意圖（圖源NASA） ? 米蘭科維奇旋回與氣候 ? 地球上太陽輻射最強的地方和一年中太陽輻射最強的時間是有變化的。米蘭科維奇和一些學者認識到冰川在溫帶緯度上生長最好——實際上在65°N或65°S左右——并且它們只能在陸地上生長。如圖7所示，65°N穿過阿拉斯加、加拿大北部、格陵蘭島、冰島、斯堪的納維亞和俄羅斯，幾乎都是陸地。然而，65°S完全位于南大洋，這里幾乎沒有陸地，冰川在該地區(qū)形成的可能性很小。因此，Milankovi?認為65°N的日照變化是最重要的。他通過計算發(fā)現(xiàn)涼爽的夏季比寒冷的冬季對冰川的生長更重要。這可能有違常識，但這是因為夏天涼爽時冰川融化較少，而非常寒冷的冬天往往比溫暖的冬天更干燥，導致降雪較少。  圖7 65°N和65°S的陸地和海洋分布 米蘭科維奇的理論遠遠領(lǐng)先于當時，沒有足夠的證據(jù)證明它是合理的。盡管人們普遍認為冰川在過去的一百萬年里周而復始的產(chǎn)生和消亡，但這些事件的時間并不為人所知。雖然米蘭科維奇能夠用他的理論來估計過去冰川的時間，但要驗證他的估計并不容易。 二戰(zhàn)結(jié)束后的幾十年里，海洋科學家和地質(zhì)學家開始對海底松軟的沉積物鉆探。這些項目獲得的巖心提供了大量關(guān)于過去海洋生物和沉積條件的信息。同時，科學家們開始使用同位素方法來了解過去海洋生物生活的條件，包括水溫等。1976年Hays等人在《Science》雜志上發(fā)表的一篇論文清楚地表明了這些溫度變化和天文周期之間的關(guān)系——地球軌道的幾何變化是第四紀冰期演替的根本原因，這是米蘭科維奇理論的轉(zhuǎn)折點。  冰期形成與米蘭科維奇旋回視頻（視頻來源Youtube） 從那以后，數(shù)以千計的氣候變化研究證實了米蘭科維奇周期在第四紀冰川期間以及在此之前數(shù)百萬年的其他氣候周期(如季風)中發(fā)揮的關(guān)鍵作用（圖8）。  圖8 地球表層系統(tǒng)對地球天文軌道周期的響應示意圖（圖源Fragoso et al., 2022） ? 地質(zhì)時間之尺 ? 通過識別地層記錄中的米蘭科維奇旋回信號，并開展天文調(diào)諧，可以建立高精度的地質(zhì)年代標尺，為研究地史時期的地質(zhì)事件與氣候演變提供精確的年代約束。 由于受潮汐耗散作用和地月間引力的影響，地球的自轉(zhuǎn)速率逐漸減慢，導致斜率和歲差兩個周期不穩(wěn)定。405千年長偏心率周期主要受木星和金星的引力影響，由于木星質(zhì)量大，使405千年長偏心率周期在過去幾百萬年穩(wěn)定，在250百萬年的誤差僅為500千年。因此，405千年長偏心率周期是最佳的地質(zhì)計時單位。除了405千年長偏心率周期外，173千年斜率調(diào)幅周期至少在50百萬年以來具有穩(wěn)定性，可作為受斜率驅(qū)動為主的地層的計時節(jié)拍器。 目前中、新生代的國際地質(zhì)年表已通過405千年長偏心率周期調(diào)諧到天文理論曲線上（圖9）。  圖9 天文調(diào)諧覆蓋中、新生代地層情況（圖源GTS2014） 拓 展 閱 讀 為什么米蘭科維奇理論不能解釋地球目前的變暖 內(nèi)容來自https://sa.gov/ 米蘭科維奇理論為解釋地史時期的氣候變化（如冰期、間冰期）提供了來自軌道參數(shù)驅(qū)動的理解視角，但該理論尚無法解釋自前工業(yè)化時期（1850年至1900年期間），特別是自20世紀中葉以來，地球經(jīng)歷了快速變暖的變化。主要原因有： ① 米蘭科維奇旋回在很長的時間尺度上運行，從數(shù)萬年到數(shù)十萬年不等。相比之下，地球目前的變暖發(fā)生在幾十年到幾個世紀的時間尺度上。在過去的150年里，米蘭科維奇的周期并沒有對地球吸收的太陽能量產(chǎn)生太大變化。 ② 米蘭科維奇旋回只是過去和現(xiàn)在可能導致氣候變化的因素之一。 ③ 自1750年以來，由人類燃燒化石燃料產(chǎn)生的溫室氣體驅(qū)動的變暖是同一時間內(nèi)來自太陽自身因素導致變暖程度的50倍以上。如果地球目前的變暖是由于太陽輻射增加，低層大氣對流層和平流層的溫度都會變暖。然而，來自氣球和衛(wèi)星的觀測顯示，地球表面和低層大氣對流層已經(jīng)變暖，但平流層仍處于冷卻狀態(tài)。 ④ 地球目前處于間冰期（氣候溫和的時期）。如果沒有人類對氣候的影響，依據(jù)地球目前在米蘭科維奇周期內(nèi)的軌道位置預測，我們的星球應該繼續(xù)6000年前開始的長期降溫，而不是變暖。 改變土星軌道會使地球更加宜居 內(nèi)容來自https://www./ 向上滑動閱覽 Berger, A., Loutre, M.F., and Mélice, J.L., 2006, Equatorial insolation: from precession harmonics to eccentricity frequencies: Climate of the Past, v. 2, p. 131–136. Hinnov, L.A., 2013, Cyclostratigraphy and its revolutionizing applications in the earth and planetary sciences: Geological Society of America Bulletin, v. 125, p. 1703?1734. Laskar, J., 2020, Astrochronology, in Gradstein, F.M., Ogg, J.G., Schmitz, M., and Ogg, G., eds., The Geologic Time Scale: Elsevier, Amsterdam, p.139?158. Milankovitch (Orbital) Cycles and Their Role in Earth's Climate（https://sa.gov/news/2948/milankovitch-orbital-cycles-and-their-role-in-earths-climate/） Weedon, G.P., 2003, Time Series Analysis and Cyclostratigraphy: Examining Stratigraphic Records of Environmental Cycles: Cambridge, Cambridge University Press. 黃春菊. 旋回地層學和天文年代學及其在中生代的研究現(xiàn)狀. 地學前緣, 2014, 21(2): 48-66. 吳懷春,張世紅,馮慶來,等. 旋回地層學理論基礎(chǔ)、研究進展和展望. 地球科學(中國地質(zhì)大學學報), 2011, 36(3): 409-428. 文：欒旭偉、孔祥鑫 美 編： 張紫怡 微信號 : SONG_OF_THE_EARTH 掃描二維碼 關(guān)注我們 新浪微博：@地球之歌SongEarth |
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