为人们解开冰期之谜

打开了篇章！

（图源@google.com）

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

（ 离心率、地轴倾斜度、岁差）

的周期性变化。

（图源@earth-chronicles.com）

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

（地球轨道离心率、地轴倾斜度及

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，地球具体是如何变动？

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，

会有几个准周期发生变化。

（图源@Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images）

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

温度的起伏和冰期形成。

（图源@MAURO BENJAMIN）

轨道形状

地球每年绕太阳公转的轨迹

并不是完美的圆形，但很接近。

而 离心率正可以表示

地球轨道的形状与

完美圆的偏离程度。

地球轨道的平均离心率是0.028，

（离心率改变±0.012）。

随着时间的推移，

木星和土星这两颗太阳系

巨大行星的引力会导致

地球轨道的形状从

接近圆形到椭圆形。

太阳系（图源@wikipedia.org/WP）

而轨道力学要求季节的长度与

季节的象限领域成正比，

因此地球上的各季节长度

略有不同，原因就在于

地球轨道的离心率。

（图源@Tim Brown/science Photo Library）

目前，北半球的

夏季比冬季长4.5天，

春季比秋季长3天。

随着离心率的减小，

地球上季节的长度

会逐渐趋于平衡。

地球四季（图源@wikipedia.org）

转轴倾角

地球的转轴倾角

是地球自转轴相对于

轨道平面的角度。

在天文学中以 自转轴与

穿过行星的中心点并

垂直于轨道平面的直线之间

所夹的角度来表示与度量。

（图源@wikipedia.org/Dna-webmaster）

地球转轴倾角

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）

转轴倾角的存在

使得地球绕太阳公转时，

太阳直射点在 南回归线和

北回归线之间周期性地变化。

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 更多太阳辐射通量，

而 冬季辐射通量则减少。

（图源@Best Animations Gif）

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。

（图源@Best Animations Gif）

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/小桔译）

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。

（图源@Shutterstock）

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， 学者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（图源@google.com）

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。

（图源@google.com）

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

轨道离心率周期接近。

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：

[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

来源：桔灯勘探返回搜狐，查看更多