| 小科普: 随我看地球-XIII 上集 地球气候起博器：米兰科维奇循环 天体历史概况 自从人类历史以来，人们对宇宙运行奥秘的勇敢探索从未停止，提出过各种假说，描述天体的运行规律。从西周时代起，就提出过”盖天说”，“宣夜说“，和”浑天说”。盖天说认为天像一个圆锅盖在大地之上，认为“天圆如张盖，地方如棋局”。宣夜说是古代道教提出的宇宙论。该说认为宇宙有无限广度的空间，天体飘浮在虛空之中，互相远离，受”气”的推动而运行，进退不一。起源于战国时期的浑天说是一个相对科学的学说。东汉天文学家张衡在其”浑天仪注”中指出天是一个圆球，而不是盖天说中的半圆，地球在天之中类似于鸡蛋黄在鸡蛋内部。盖天说, 宣夜说和浑天说被并称为“論天三家”。其实，早在石器时代就有祭天和占卜的行为，这是最初人类对天的认识和敬畏。 在古代欧洲也有二个天体学说，一为地心说(Geocentrism)，另一为日心说(Heliocentrism)。地心说是由古希腊学者欧多克斯(Eudoxus) 约于公元前355年前后首先提出(即：欧克多斯行星说 - Eudoxan Planetary Models)，并于公元2世纪被赋于体系化。地心说认为地球是静止不动的，其他所有星球围绕着地球旋转。中世纪著名天主教神父托马斯·阿奎纳（Thomas Aquinas，1224-1274）接受了这个地心说理论，还把它纳入到神学之中，并严格规定教条，凡是反对地心说的就是反对天主教教义。 在文艺复兴时期的欧洲，公元1513年，波兰天文学家尼古拉·哥白尼(Nicolaus Copernicus, 1473-1543)完善了公元前5世纪由古希腊哲学家菲洛拉斯（Philolaus，450？BC)和海思塔斯(Hicetas，400 BC)提出的日心说。他们认为地球和其他行星都是围绕着太阳运转的。由于那时的教会只主张地球为宇宙的中心，太阳则是以地球为中心运转，所以哥白尼的日心说一经提出就被教会认定为异教。当然他的日心说也无疑向教会的权威发起了挑战。意大利哲学家布鲁诺(Giordano Bruno，1548-1600)因支持哥白尼学说而被视为”邪教“, 被教廷在罗马鲜花广场处以火刑。人类在真理的探索过程中艰难前行，而布鲁诺则付出了生命的代价。到了16-17世纪时期，意大利天文学家伽利略(Galileo Galilei，1564-1642)终于验证了哥白尼的日心说为真理。 他以其智慧说服了教会，并使教会的权威也因此遭到了严重打击。大概部分出于这个原因，史蒂芬霍金(Stephen Hawking，1942-2018)说：”自然科学的诞生要归功于伽利略”。直至1835年科学界才正式承认日心说，这离哥白尼离世已有300年之久。 什么是米兰科维奇循环 塞尔维亚地球物理学家和天文学家米卢廷·米兰科维奇(Milutin Milankovitch，1879-1958)终究是一个闪烁着光辉的名字。他1879年出生于今天的克罗地亚。今年正好是米兰科维奇理论出版一百周年。我也想藉此机会以此拙文纪念这位为人类带来阳光的人。1922年，他概述了气候科学中最具影响力的科学理论之一：太阳辐射产生的热现象数学理论。他是第一个用数学完整地解释了行星围绕太阳旋转和路径的微小变化如何影响行星接收太阳辐射量(简单地说就是日照量)。这为我们了解地球的气候历史及其大冰河时代的原因奠定了理论基础。如今，该理论详和地荡洋在整个地质气候科学应用之中，但他在战争和战俘营里监禁的艰辛岁月中完成了这样一项伟大的工作是多么的不易。米兰科维奇的人生启发我们，伟大的成就有时会在逆境中诞生。 具体来说，在上世纪20年代，米兰科维奇假设离心率(Eccentricity)、轴向倾斜(Axial Obliquity)和岁差(Precession)三个天体要素的变化共同导致地球表面太阳辐射的年内和纬度分布的周期性变化，并且这种轨道力量强烈地影响了地球的气候模式。这三个天体要素就是以他的名字命名的”米兰科维奇循环 - Milankovitch Cycles 或米兰科维奇理论 – Milankovitch Theory”。下面我们具体讨论一下米兰科维奇循环和地球气候的关系： 假设的天球(Celestial Sphere) 讨论米兰科维奇循环离不开两个球，即地球和天球(Celestial Sphere)。地球我们相当熟悉，它有2根互相垂直的线，即地轴和赤道。地球自转(Rotation)是绕轴而行。天球比较抽象。在天文学上，它只是一个我们想象的以地球为中心的大球，可以有直径无限的边界，所有宇宙的物体都可以投影在一个假设的天球上。它和地球一样有相同的自转轴，每天由东向西自转，在球面上的天体也随之移动。天球与地球自转軸相交的两点为天球北极和天球南极。这个假设是为了方便我们推测天体的位置和运动，即是视位置和视运动。天球上有假设的天赤道及黄道。天赤道是在天球表面上的界线，它位于两极中间。黃道就是太阳在天球表面上围绕地球运行的轨跡。地球沿黄道(而非沿赤道)在南北回归线范围内作近乎圆形和椭圆形公转运动(这就是后面要讲的偏心率)。地球绕黄道公转(Revolution)一圈为365.2422天。黄道和地球赤道并非平行，它们之间有一个夹角，叫黄赤交角(目前角度为23O26’)。这个交角不仅让我们的华夏祖先推算出了太阳在黄道上的位置并确立了24节气，而且让我们享受着四季分明的气候。 然而，为了方便起见，我们可以以太阳和北极星(可以理解为恒星勾阵一)作为顶部边界，因为这是目前米兰科维奇理论中2个基本边界条件 (图1)。天球有一个假设的四维坐标系，有天球赤道，有经纬线，天轴和时间。天轴和地轴重合，指向勾陈一，亦即目前的北极星，我们可以暂且理解为我们后面要讲的岁差起点。
岁差/进动（Precession） 岁差分两种，一种为地球自转引起的地轴岁差，或叫轴向进动(Axial Precession)，另一种是地球绕太阳呈椭圆形公转引起的拱点岁差，或称拱点进动(Apsidal Precession)。 轴向岁差/轴向进动: 轴向岁差即是是指地球的自转轴指向在其他天体的引力的作用下，相对于空间中的惯性坐标系所发生的缓慢且连续的变化(图2)。地球在其轴上的摆动就像一个陀螺(Top 或 Gyroscope)，从顶部向下作圆锥状在其轴上来回运动，是由重力等因素引起的，变化缓慢且连续。地球的自转岁差是很微小的进动，其周期大约为26,000年。
图2，轴向进动示意图。图片来源/Credit: Quora。 目前地球的旋转轴指向天球的恒星勾陈一(或叫小熊座-Ursa Minor)，也就是北极星(Polaris)。其运行一圈的周期为26,000 年。大约13,000年后，地轴将摇摆到勾陈一的正对面，指向织女星(Vega)。那时织女星将被视为我们的北极星，而勾陈一也会跑到南极方向。这种进动以26000年为周期周而复始的运动。当然，由于其他引力的变化影响，这个周期并非一成不变的，潮汐作用也可令其产生缓慢变化。由于这种锥形摆动，气候会发生明显变化。目前，我们地球正处于非常接近冬至的近日点位置。 当地轴转向织女星时，北半球冬至和夏至的位置将分别与远日点和近日点重合。这意味着当地球离太阳最远时，北半球将经历冬季，而当地球离太阳最近时，北半球将经历夏季。 拱点岁差/拱点进动：拱点岁差是地球的公转轨道进动。在拱点岁差中首先需要了解的是一个物体在运动轨道上的二个极端点，通常叫拱点(Apsis)。拱点是指物体围绕宿主主体运行的极限范围之距离，也就是指在椭圆轨道上运行的物体最接近或最远离其引力中心的点。近引力中心的点叫近心点(Pericenter)或叫近拱点(periapsis)，远离中心的叫远心点(Apocenter)或远拱点(Apoapsis)。在天文学的月地轨道上叫近地点(Perigee)和远地点(Apogee)。在日地轨道上，离太阳最近的点，叫近日点(Perihelion)，远离太阳的叫远日点(Aphelion)。
如图3所示，拱点进动是指物体是以椭圆形轨道围绕太阳运行，随着时间的推移以不规则的方式在空间缓慢旋转，其周期为112,000年。拱点进动会改变地球轨道相对于黄道平面的方向，这主要是由于与木星和土星引力相互作用所致。拱点进动与轴向进动(周期26,000)的综合作用会导致整体岁差周期缩短至约23,000 年。岁差也会给地球带来非均匀运动和季节的差异变化。
图4，拱点进动对季节的影响(北半球)。图片来源/Credit: 维基百科。 太阳和月亮的吸引力会引发地球轨道的进动，这是地球气候振荡的主要原因之一，其持续时间为19000至23000年。轴向章动(Nutation，或叫点头Nodding)是进动中产生的短周期或不规则周期的运动，可视为进动中产生的”副产品”，也受太阳和月亮的引力影响。地球轨道参数的变化对于研究地球气候非常重要，特别是对过去冰河时期的研究。地球岁差实际上是回归年和恒星年的时间差，也就是真太阳时体系(回归年)与钟表时体系(恒星年)累计一年的时间差。回归年（Tropical year)指平太阳连续两次通过春分点(Spring equinox)的时间间隔，也就是地球以太阳为中心沿黄道从春分点出发在南北回线间游廻到春分点(即起始点)所经历的时间，所以历史上也叫分点岁差(Precession of the equinoxes)；而恒星年(Sidereal year)是指地球绕太阳一周实际所需的时间，也就是太阳从某一个起点出发再回到同一位置所需的时间。目前一个恒星年等于365日6时9分10秒，一个回归年是365天5时48分46秒。回归年比恒星年短20分24秒，这个时间差称之为岁差，也就是轴向进动周期260,000年的来源。回归年比恒星年短的原因是春分点前移的结果(当然，所有的节气点都会同步前移)。中国古代就已经发现岁差，所以有“冬至所在，岁岁微差”之说。古代中国没有望远镜，先人们以其卓越的智慧利用最原始的竹杆影像长短(即”立杆见影”)的方法，推算太阳高度的变化和地球自转一周的时数及公转一周的天数，进而推算出24个节气和岁差。如上所述，岁差决定季节发生的时间。从理论上讲，如果北半球夏至到达远日点，冬至位于近日点，那么冬季变短且温度升高；如果北半球冬至处于远日点，而夏至处于近日点，那么冬季会变长且温度会降低，季节差异也增大。目前经过远日点的日期大约是7月4日，经过近日点的日期大约在每年的1月3日。当地球椭圆轨道达到最大值时，在近日点的太阳辐射量将比远日点时大23%。 章纪君供稿 作者简介： 章纪君博士，1982年12月赴美国纽约哥伦比亚大学拉蒙特地质研究所(Lamont-Doherty Geological Observatory)研究海洋浮游有孔虫；1984年赴美国田纳西州Vanderbilt 大学学习海洋钙质超微浮游生物; 自1987年至2013年在美国自然历史博物馆微体古生物出版社和拉蒙特地质研究所从事特殊出版物编辑，海洋古生物及生物地层学和天外物质的研究。1991年进入加拿大哈里法克斯的达尔豪斯(Dalhousie)大学深造，1996年取得博士学位。在学期间获奖情况：1996-1999年：美国弗罗里达大学美国国家科学基金会 (NSF) 的博士后资助。1993-1996年连续四年获达尔豪斯大学研究生 Izaak Walton Killam 纪念奖学金。1994年获美国地质学会 (GSA) 学生研究奖。1993年获美国全球一年一度一人的Cushman 基金会学生奖。1991-1993年连续二次获达尔豪斯大学研究生奖学金。1991-1996仼达尔豪斯大学助教。 1997年在法国Anger大学地质系做访问教授。2000年后在利比亚－美国合营公司－”绿州石油公司”任实验室主任，从事古生物，地层和古盆地重建工作， 同时担任石油公司的地质，古生物学的教育培训工作。 出版物二部书，中文版一部由”海洋出版社”出版, 合著1988, 438pp; 另一部英文版由Springer-Verlag 出版社出版, 合著, 1985, 370pp. 1985-1986期间曾参与中国的“辞海”汇编。 在”海洋出版社”1988年专著一书中，命名了16个第四纪底栖有孔虫新物种. 另外在美国 ”Micropaleontology”1995年一文中，命名了一个渐新世(Oligocene)的浮游有孔虫一个新属(Protentelloides) 和二个新种(Protentelloides primitiva 和Protentelloides dalhousiei). 出版文章20余篇，发表于各种科学杂志上,
如Palaios,Deep Sea Research, Marine Micropaleontology,
Micropaleontology, Paleoceanography, Geology, Oceanography Acta
Sinica等.为绿洲石油公司撰写内部专业报告20余篇. |
