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小科普: 随我看地球-XIII 下集 地球气候起博器:米兰科维奇循环 ... ... ... ... ...

2022-3-15 09:00| 发布者: Mary| 查看: 2165| 评论: 0

摘要: 小科普: 随我看地球-XIII 下集地球气候起博器:米兰科维奇循环地轴倾斜度(Axial obliquity或 Axial tilt)地球自转轴由于重力和引力作用及北半球负荷太重的原因在绕太阳运行时会倾斜,这个倾斜的角度称之为地轴倾角 ...
小科普: 随我看地球-XIII 下集
 
地球气候起博器:米兰科维奇循环
 
地轴倾斜度(Axial obliquity或 Axial tilt)
地球自转轴由于重力和引力作用及北半球负荷太重的原因在绕太阳运行时会倾斜,这个倾斜的角度称之为地轴倾角。这个倾角会随时间变化而变化。在过去的一百万年里,它相对于地球轨道平面的角度在 22.1 到 24.5度之间变化,其变化周期大约为41,000年。目前的倾斜角为23.44°,大约介于其极值之间。上一次的倾斜达到最大值是在公元前8,700年。它现在处于其周期的下降阶段,

图5,地轴倾角(Obliquity),目前倾角为23.44度。图片来源/Credit: wikipedia。
 
并将在公元11,800年左右达到最小值。倾角变大不仅会增加高纬度地区的年太阳辐射总量和减少赤道附近地区的总辐射量,而且会增加日照季节周期的幅度,为夏季提供更多的太阳辐射。当倾角变小时,低纬度地区会接受更多的太阳幅射而变暖,而高纬度地区因幅射减小而变冷,冬季接受到的日照量会增多,年气温差亦变小(指北半球)。当然,这些效应在地球表面的各处并不均匀。由于地球上的大部分冰雪都处于高纬度地区,倾角的降低可能会促使间冰期的结束和冰期的开始。
 
轨道离心率(Eccentricity)
我们知道地球绕太阳运行的轨道开非圆形,而是近似于圆形的一个椭圆形。地球轨道偏心率即为两焦点的距离和长轴长度的比值。偏心率在物理学上用”e”来表示。
学过物理学的都知道,当e>1的时候,代表的是一条双曲线;当e=1时代表的是一抛物线;当e=0时,代表的是一个完整的圆形;当e在0和1之间时,才是椭圆形。

图6,正圆形轨道(左),偏心率为0.5的轨道,地球以椭圆轨道围绕太阳运行,尺度有夸张(右)。图片来源/Credit: wikipedia。
 
日地轨道尽管是椭圆,但很近似圆形,所以其偏心率并不大,最低偏心率为0.000055(略呈椭圆形),最高偏心率为0.0679,也就是说偏心率在此二值之间变化。我们在文献中看到的椭圆轨道为了视觉方便,都有夸大。这些变化的主要组分(Major component)变化周期为413,000年(偏心率变化为 ±0.012)。其他的组分为95,000年和125,000年的周期(节拍周期为400,000 年)。 它们的合成周期为100,000年,变化范围从-0.03到+0.02。这个100,000年周期在古气候应用中似乎最为重要。目前的偏心率是 0.017、并且正在减少。离心率的变化主要受制于木星和土星的引力。由于木星质量极大,长偏心率周期在地史时期十分稳定。
 
当地球轨道接近圆形时,气候的季节性变化会减弱;当轨道偏心率增加时,半长轴为常数,而半短轴会缩短,气候的季节性变化就会加剧。地球倾角的极端变化可以使季节性变得更为极端。米兰科维奇根据Koppen和Wegner对日地运动的研究的基础上进而强调了北纬 65°夏季太阳日射量对冰川消长的重要性,因为该纬度上的大地面积最大。
 
米兰科维奇循环及其在地质学和气候学中的应用
米兰科维奇循环在地质学和古气候学上的应用越来越普遍,可以说是与时俱进。其原理是假设天体的轨道运动参数变化会被”冻结”在湖泊和海洋的沉积物里,使沉积地层呈有韵律性的(Rhythmic)变化,就像地磁地层学中的天然剥余磁性被”冻结”在岩石里一样,使我们能够用科学的办法从那些有韵律性变化的地层中”提炼”出”冻结”在岩石里的信息,并还原各个历史时期时的天体运行状况和规律及其对古代气候的影响。这是地层学中的一个分支学科,我们赋于它一个形象的名字,叫循环(旋廻)地层学(Cyclostratigraphy),有时称之为天文地层学(Astrostratigraphy);在地质时代学中称之为天文时代学(Astrochronology)。
 
自从米兰科维奇提出天体循环理论和直到他去世(1958)的30年时间里,不仅没有被引起重视,而且颇受责疑。直到1976年,美国哥伦比亚大学拉蒙特-多哈蒂地质研究所(Lamont-Doherty Geological Observatory)的James Hays,美国布朗大学的John Imbrie和英国剑桥大学的Nicolas Shackleton教授对南印度洋海底沉积物中的浮游有孔中(Globigerina bulloides)稳定氧同位素,放射虫(Cycladophora davisiana)的丰度及500,000万年来的米兰科维奇循环进行对

比研究,发现前二者和23,000年(轴向进动),42,000年(地轴倾角),100,000年(偏心率)和冰河相当吻合,尤其和100,000年循环高度吻合,证明了米氏理论的正确性。Hays等人因此把米氏循环形象地比喻为”冰河起博器”。从此开启了对米兰科维奇循环的研究热潮(J.D. Hays et al.,Variations the Earth's Orbit: Pacemaker of the Ice Ages,Science 1976, v. 194, n. 4270)。Hays曾创立并领导了举世瞩目的CLIMAP项目。我和Hays是同行。1983年夏天,我们第一次在Lamont-Doherty相遇。他大高个,爱冷幽默,冷面热心。

图8,过去和未來的米兰科维奇循环图。
ε是地轴倾角。
e是离心率。
ω是近日点黄经。
e sin(ω)是进动指数。它们一起控制著日照的季节周期。
(Q-65)是夏至日那一天在北纬65度的大气层顶部日平均日照量。
Benthic forams: 大洋沉积物中的底栖有孔虫的氧同位素旋迴。
Vostok ice core:南极Vostok冰芯旋廻,显示过去的全球海平面和温度的特征。
垂直的灰线是目前的公元2000年。图片来源/Credit: wikipedia。
 
米兰科维奇曾计算了过去数百万年地球的偏心率、地轴倾角和岁差的变化,发现了这些参数与地球上氣候模式,尤其是冰川期的关系。图8是米氏的循环图,底栖有孔虫氧同位素和南极Vostok冰芯古温度关系图。
 
在图8中,我们可以看出三个明显的米氏周期,即26,000年的轴向进动,41,000年的地轴倾角和100,000年的偏心率。这些都被认为是入射太阳能量的变化驱动着地球气候的变化的动力,并被认为是冰川开始和终止时间的关键因素。值得一提的是,其中偏心率对气候变化的贡献一般认为最小。
 
有趣的是,在图8中我们可以看出底栖有孔虫和南极冰芯代表的气候周期却和十万年的偏心率周期相当吻合。可是在我们日常的科学观察中,一般都认为轴向进动和地轴倾角才是影响气候的关键因素,如黄赤交角引起的四季变化。在海洋沉积中虽然Hays等人(Science,1976)发现在南半球大洋中有23,000年和42,000年的周期,但主导周期却是十万年的离心率周期。目前这个问题尚难以解释。这就是米氏理论中的”十万年问题”。
 
为此,美国布朗大学的Jung-Eun Lee提出,岁差会改变地球吸收的能量,因为南半球生长海冰的能力更强,反射的能量也更多。此外,Lee认为,“岁差只有在偏心率很大时才重要。这就是为什么我们看到100,000年的强度要比21,000年的要强。也有人认为十万年问题和地球的岩石圈 - 软流圈有关。最近一项研究认为,在北半球可能是由于风化层损失和结晶基岩暴露增加而引起的地表摩擦力增加,从而可以维持更大的冰盖,这才是十万年间冰期 - 冰期循环的特征(M. Yehudai et al., Evidence for a Northern Hemispheric trigger of the 100,000-y glacial cyclicity,PNAS, 2021,Nov. 8)。
 
最早全球对米兰科维奇循环的研究大多限于近二百多万年来的第四纪,因为这个时期的各种事件在地层中记录中相对完整,连续,或保存较好。然而,近三十年来,尤其进入本世纪以来,越来越多的科学家对地球历史的各个时代都展开了研究,从几千万年前的第三纪到十几亿年的元古代都有涉及,研究结果也颇为惊喜。
 
2020年,Utrecht大学的Frits Hilgen在西班牙东北部和邻近法国的早古新世早期的层状海洋泥灰岩和石灰岩中发现了一个迄今为止未被注意到的~20万年的偏心率循环。如前所述,第四纪时期的偏心率周期为10万年,还没有见过有报道20万年的。
 
2001年,加州大学的James Zachos发现6500万年前的白垩纪有除了轨道驱动的1,000-100,000年的周期外,还存在着由地球板块驱动的10,000-1,000,000年的周期。这些周期同时驱动着气候的冷暖变化。我认为这个时期正是地球泛大陆(Pangea)肢解,板块漂移最快的时候,泛大洋(Panthalassa)也被分割为数个”小”洋,完全改变了原来的洋流系统,这无疑深刻地影响着地轴倾角的变化和全球气候重建的格局。这可能就是板块驱动的10,000-1,000,000年周期产生的主要原因。
 
2017年,中国地质大学的吴怀春等人在研究古生代米兰科维奇循环时发现~2.5亿年前地球自转一周的时间每天约为22小时,公转一周的时间每年为400天。2018年,Stephen Meyers对元古代的米兰科维奇循环时发现14亿年前的进动常数为85.79±2.72弧秒/年,地月距离为340,900±2,600公里,日长为18.68±0.25小时,主要气候岁差周期约为14,000年,偏心率周期为~131,000年。
 
可以相信,随着时间的增加,米兰科维奇循环的研究会越来越多,越来越趋成熟,并且会有越来越多的研究会向中生代,古生代,元古代和更早的时代倾斜。届时我们对地球的纵深历史,天体的演化和生命的消长会有更多更清晰的理解和认识。
 
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.


 

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