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玩陀螺吗?地球那么大的哦

玩陀螺吗?地球那么大的哦
2022年11月29日 19:21 新浪网 作者 石头科普工作室

  这是一个陀螺。

  这也是一个陀螺,只不过,它跟上面的陀螺有那么亿点点不一样。

  是的,你没猜错,其实这就是我们人类共同的家园——地球。然而,这个原本舒适温暖的家,在最近几十年里,似乎开启了“地狱模式”。在联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)最新的第六次评估报告《气候变化2021:自然科学基础》中,联合国秘书长安东尼奥·古特雷斯(António Guterres)提出了“对人类的红色警告”。气候变暖速度大大加快、极端天气现象频发,都在向地球上的生命发起了一次又一次挑战。那么,究竟是什么原因在驱动着气候系统的变化呢?

  《气候变化2021:自然科学基础》

  对于近百年的气候变化来说,大家的主要关注点在人类活动因素。但是如果涉及万年到百万年时间尺度的地质时期的气候变化,就可以用米兰科维奇理论来解释。这一理论涉及地球轨道偏心率、岁差和倾角这三大天文因子的变化。

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  米兰科维奇循环

  (Milankovitch cycles)

  二十世纪初,塞尔维亚的土木工程师兼数学家米兰科维奇(Milutin Milanković)准确计算了过去数百万年地球的偏心率、轨道倾角、岁差及65°N的夏季太阳辐射的变化,并认为地球轨道三要素变化引起了地球获得的辐射能变化,导致了地球大气圈顶部和太阳辐射纬度配制和季节配制的周期性变化,从而引起全球气候的变化。

  米兰科维奇提出65°N的夏季太阳辐射变化是驱动第四纪冰期旋回的主因,即单一敏感区的触发驱动机制:北半球高纬气候变化信号会被放大、传输进而影响全球气候变化。其中,65°N的夏季太阳辐射变化主要受到地球轨道的三个参数影响:偏心率、地轴倾角以及岁差。那么,这三个参数会发生什么变化,它们又是如何引起全球气候的变化呢?

  图 地球轨道参数示意(Pisias and Imbrie,1986)

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  地球轨道参数会引起日地距离和位置的改变

  偏心率(Orbital eccentricity)

  地球的公转轨道的形状并非正圆,而是椭圆状,数学上通过“偏心率”量化椭圆“扁”的程度。椭圆轨道短轴为近日轴,长轴则为远日轴。远日轴常常较稳定,而由圆至椭圆或由椭圆至圆形的轨道变化总是由近日轴即短轴来完成的,地球轨道的平均偏心率为0.028(目前为0.017),变化周期有40万年和10万年两种,分别称为偏心率的长周期和短周期。当短半轴随着离心率的增加缩短时,季节的变化会加剧。但是偏心率直接导致的气候效应很小,因为地球离太阳太远。地球与太阳的距离的近日点和远日点的差距所导致的辐射量变化不大,偏心率主要是通过调控气候岁差的变幅来影响地球的气候系统。

图 地球轨道偏心率变化的示意图及其周期变化(Williams et al., 1998等)

  岁差(Axial precession)

  岁差又称进动,是指某一天体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。从太空中看,地球就像是一个陀螺,而这个陀螺的指向正在逐渐发生变化。这种陀螺的运动是由太阳和月球对固体的地球,所施加的潮汐力引起的。例如,地球自转轴的方向逐渐漂移,追踪它摇摆的顶部,以大约25800年的周期扫掠出一个圆锥。

岁差的运动方向(顺时针)以及岁差(P)、章动(N)与地球自转(R)的示意图

  岁差的具体表现是地球赤道面和黄道面的变化,这两种变化又分别被称为赤道岁差和黄道岁差。赤道岁差的影响主要表现为春分点以每年约51″的速率连续向西运动。这种影响能够通过回归年与恒星年之间的差异,以及北天极和北极星相对位置的变化被直接观察到。比如,12000年之后,织女星会成为新的北极星。黄道岁差的影响则表现为春分点以每年约0.1″的速率向东移动,以及黄赤交角的缓慢变化。赤道岁差与黄道岁差又被统称为总岁差。

  岁差本身不能改变半球接收的年入射辐射量,只改变接收的时间。当某半球的夏季处于近日点时,这个半球就经历了一个短而热的夏季和一个长而冷的远日点冬季,即季节性增强。而相反的半球有长而凉夏季和短而暖的冬季,季节性不强。当然,这里的热与冷、暖与凉都是相对的。

  岁差是唯一在世纪时间尺度上应该注意的轨道参数,一个世纪内季节可向前推进1.4天。近几个世纪,它已经导致了北半球的冷春、长的夏季和冬季开始时间的延迟。岁差的周期气候旋回幅度受偏心率控制,对中低纬度气候影响大,对极区影响小。

  倾角(obliquity)

  第三个是地球自转轴心的倾斜角度。倾角是地球的转轴相对于轨道平面的角度,在太阳系,地球的轨道平面就是黄道,所以地球的地轴倾角又称为黄赤交角,并以ε表示。月球和大质量行星的引力干扰使地轴倾角略有摆动,角度变化的范围是2.4°,在大约41,000年的周期内从22.1°缓慢的变化至24.5°并且再复原。

  图 地轴倾角的范围

  目前,地球的转轴倾角大约是23.44°(23°26')。虽然在一整年之中,地轴倾角都朝着相同的方向,但是由于地球绕着太阳运行,原先朝向太阳的半球会逐渐改变成背离太阳的半球,反之亦然。这种作用是造成季节变化的主要原因。朝向太阳的那个半球每天的日照时间相对较长,并且阳光在正午时间直射地面的角度越接近于垂直的方向,该地区在单位面积内得到的能量也越多。

  当倾角变大,半球高纬度地区夏季昼更长,冬季夜更长,这就导致夏季接收到的辐射增加,而冬季接收到的辐射减少,半球高纬度地区接收太阳辐射量的年变化变大,另外,陆地更集中的北半球在冬季更容易寒冷。

  让我们来设想一个场景,北半球夏季接近近日点,夏季比较短,而冬季又比较长。同时地轴倾角偏小,北半球高纬度地区夏季接受的辐射比较少,冬暖夏凉。这就会导致冬季累计的降雪不能在较短的夏季融化,在这种情况下,地球温度就会降低,反过来温度便会上升。也就是说,这个角度变化不会改变由太阳抵达地球的总能量,但会影响日照在不同纬度的分布。因此,偏心率和倾角的共同作用可以使一个半球比另一个半球显著寒冷。这便是米兰科维奇关注到北半球高纬度地区夏季太阳辐射变化的重要原因。

  看来,地球轻微地“摆动”,就会造成地球轨道参数发生变化,进而影响地球接收的太阳辐射的分布,最终影响全球气候变化。

  然而,由于缺少连续的记录,难以找到全球性气候指标,验证米兰科维奇假说显得十分困难。直到岩芯钻探技术以及冰芯同位素测定技术的发展,学者们利用稳定氧同位素解读第四纪气候变化,米兰科维奇理论才得以证实。

  图 Vostok时间序列和太阳辐照量以及CO2、大气同位素温度、CH4、大气δ18O和65°N六月中旬的太阳辐照量随时间的变化

  不过,米兰科维奇在世的时候这些技术还没有得到发展,因此他的理论很难得到验证。支撑米兰科维奇做下去的是他对科学的信念,米兰科维奇身入战俘营时在日记中写道:

  “那个孤独的房间,远离尘世喧嚣,简直就是为科学研究量身定做……在我的手提箱里,有我关于宇宙问题的笔记,也有纸和笔,我便开始写作和计算。我停笔时已经深夜,环顾房间,突然很好奇我在哪里。监狱似乎只是我在漫游宇宙的时候暂在途中小住的旅店。”

  地球这个陀螺也许永远不会停下,因为在茫茫宇宙中,始终有人在用生命守护着它的转动。

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  参考资料

  [1]   Pisias N G, Imbrie J. Orbital Geometry, CO2, and Pleistocene climate [J]. Oceanus, 1986, 29(4): 43-49.

  [2]   吴怀春, 张世红, 冯庆来, 等. 旋回地层学理论基础、研究进展和展望 [J]. 地球科学-中国地质大学学报, 2011, 036(003): 409-428.

  [3]   Imbrie J. Astronomical theory of the Pleistocene ice ages: A brief historical review [J]. Icarus, 1982, 50(2-3): 408-422.

  [4]   Hays J D, Imbrie J, Shackleton N J. Variations in the Earth's Orbit: Pacemaker of the Ice Ages [J]. Science, 1977, 194(4270): 1121-1132.

  [5]  Petit J R, Jouzel J, Raynaud D, et al. Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica [J]. Nature, 1999, 399(6735): 429-436.

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