神奇的循环，解开地球冰期之谜！

在地球漫长的历史中，

冰河时代来了又去！

气候的巨大变化

使地球上的生命经历了

一次又一次严峻的挑战，

（图源@George Teichmann）

那么，这些冰期究竟是

如何形成的呢？

一个重要理论的提出

为人们解开冰期之谜

打开了篇章！

01

米兰科维奇循环

（Milankovitch cycles）

是塞尔维亚的地球物理学家兼

天文学家米卢廷·米兰科维奇

的气候变化理论。

米卢廷·米兰科维奇（图源@dereta）

米兰科维奇计算了

过去数百万年地球的离心率、

转轴倾角和轨道的进动的变化，

发现了这些参数与

地球上气候模式，

尤其是冰川期的关系。

冰川（图源@ASF）

米兰科维奇循环理论的起点

是天文因素变化导致的

地球轨道三要素

（偏心率、地轴倾斜度、岁差）

的周期性变化。

地球轨道变化引起

地球大气圈顶部

太阳辐射纬度配置和

季节配置的周期性变化，

从而驱动气候波动。

（图源@ownyourweather）

因此该理论认为北半球

高纬夏季太阳辐射变化

（地球轨道偏心率、黄赤交角及

岁差等三要素变化引起的

夏季日射量变化）

是驱动第四纪冰期旋回的主因。

第四纪冰期北半球（图源@Hannes Grobe/AWI）

那么，地球的具体

是如何变动的？

又如何引起气温的变化？

02

地球围绕自转轴自转和

在轨道上绕着

太阳公转的过程中，

会有几个准周期的变化发生。

这些在运动和方向上的变化

改变了太阳辐射

抵达地球的方向和数量，

从而影响了地球的

温度起伏和冰期形成。

（图源@MAURO BENJAMIN）

轨道形状

地球的轨道是椭圆形，

而离心率是测量

椭圆与圆形的偏差。

地球轨道的

平均的离心率是0.028，

这些变化的主要周期是413000年

（离心率改变±0.012）。

地球轨道离心率的改变

主要是受到木星和土星

不同引力的交互作用影响。

当半短轴随着

离心率的增加缩短时，

季节的变化会加剧。

太阳系（图源@WP）

同样的平均辐射与平均温度

并不会有相对应的关联性

（由于斯特藩-

玻尔兹曼定律是非线性的）。

斯特藩-玻尔兹曼定律（热力学著名定律）

一个与温度20°相对应的辐射，

可以有±50 %的对称变化

（例如，来自季节的变化）。

我们观测到的温度变化

对应于平均16℃

（即偏差有n-4℃）。

轨道力学要求季节的长度与

季节的象限领域成正比，

因此在离心率的极端值时，

在轨道远心点端的季节

持续的时间会大幅增长。

（图源@Tim Brown/science Photo Library）

当秋天和冬天

是在出现在近心端时，

地球在轨道上的移动速度是最快的，

因此秋天和冬天

会比春天和夏天稍短一些。

如夏天比冬天长4.66天，

春天比秋天长2.9天。

地球四季

转轴倾角

地球的转轴倾角（倾斜）

是地球的转轴相对于

轨道平面的角度。

角度变化的范围2.4°，

在大约41000年的周期内

从倾斜22.1°缓慢的变化至

24.5°并且再复原。

地轴倾斜的范围（图源@NASA）

当倾角增加时，

日照（进入的太阳辐射）

在季节周期上的振幅也增加；

在两个半球的夏季都

会接收到更多的太阳辐射通量，

而冬季的辐射通量减少。

但是，这种冬夏两季的

反相变化在地表各处

幅度不尽相同。

当倾角增加时，

高纬度的全年日照量会增加，

而低纬度接收的

全年日照量会减少。

目前地球相对于

轨道平面的倾角约为23.4°，

处在逐渐变小的趋势中。

本身往往会造成温暖的冬季和

凉爽的夏季，因此有

气候冷却的倾向。

（图源@timeanddate.com）

凉爽的夏天造成先前

在冬天的冰雪融化量减少，

可能会促使冰河期的开始。

但增强的温室气体

可能会影响这一变化趋势。

轴向进动和拱线进动

地球自转轴的方向

相对于恒星的变化称为进动，

周期大约是26000年。

轴向进动（图源@NASA）

这种陀螺的运动是由于

太阳和月球对固体的地球，

加上地球的形状是

扁椭球而不是理想的球，

所施加的潮汐力，

而太阳和月球有着

大约一致的效果。

当自转轴的方向在

轨道的近日点朝向太阳时，

一个极半球的季节有着较大的变化

而另一个极半球

的季节变化较为温和。

在近日点时是夏季的半球，

接收到的太阳辐射会相应增加，

而此半球在冬季会较寒冷。

另一半球则会有

较温暖的冬季和较凉爽的夏季。

当地球近日点和

远日点朝向分点时，

南、北半球有着

相似季节分布状态。

（图源@Scholastic）

另一方面，椭圆轨道

本身在空间中的行进，

主要是受到木星和

土星交互作用的结果。

轨道进动（图源@WillowW）

这种轨道进动和

陀螺旋转轴的运动

是有着相同的意义，

会使分点岁差相对于

近日点进动的周期

从25771.5年缩短至

大约为21636年。

岁差对季节的影响（图源@Krishnavedala）

03

随着可用来研究

古气候变化的地质资料的获得，

包括深海岩芯、珊瑚礁、

花粉、树木年轮、冰芯等，

米兰科维奇循环理论

逐渐被大众广泛接受。

冰芯（图源@ Image courtesy Heidi Roop）

20世纪60年代，

在巴巴多斯岛、夏威夷和

新几内亚进行的珊瑚礁研究表明，

在距今约8万年、

10. 5万年和12. 5万年时期，

冰原尺寸缩小，

海平面上升到较高水平。

（图源@The New York Times）

且存在一个

2. 0～2. 5万年的周期，

这与米兰科维奇计算的

冰川曲线结果一致。

1978年， Pisias

从深海岩芯中测量了

碳酸钙、硅、浮游动植物残骸

在巴拿马盆地的累积率。

巴拿马盆地

硅的累积率反映近地表

特殊类别的生物群落的大小，

其值随着气候变化而增加或减小。

碳化率则反映了底层水对

累积的碳酸盐的溶解能力。

Pisias通过功率谱分析，

从整个气候记录中

抽取最强的周期特征，

发现碳酸盐和硅的累积率

分别表现出一个2. 3万年和

10万年周期，与岁差周期和

轨道偏心率周期接近。

在此类研究中，Hays等人

的研究最具可信度，

他们获取了跨度

45万年的深海岩芯记录，

发现了2. 3万年、4. 2万年和

10万年周期的气候变化。

并认为这些周期几乎都可与

适当的轨道周期相对应。

深海岩芯（图源@Hannes Grobe）

随着越来越多的证据

支持米兰科维奇循环理论，

地球轨道变化影响气候的观点

开始被接受。

参考资料：

[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).

PBS、YouTube、维基百科、搜狐、百度百科等

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