這是一個(gè)陀螺。
這也是一個(gè)陀螺，只不過(guò)，它跟上面的陀螺有那么億點(diǎn)點(diǎn)不一樣。
是的，你沒(méi)猜錯(cuò)，其實(shí)這就是我們?nèi)祟?lèi)共同的家園 —— 地球。然而，這個(gè)原本舒適溫暖的家，在最近幾十年里，似乎開(kāi)啟了“地獄模式”。在聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）最新的第六次評(píng)估報(bào)告《氣候變化 2021：自然科學(xué)基礎(chǔ)》中，聯(lián)合國(guó)秘書(shū)長(zhǎng)安東尼奧?古特雷斯（António Guterres）提出了“對(duì)人類(lèi)的紅色警告”。氣候變暖速度大大加快、極端天氣現(xiàn)象頻發(fā)，都在向地球上的生命發(fā)起了一次又一次挑戰(zhàn)。那么，究竟是什么原因在驅(qū)動(dòng)著氣候系統(tǒng)的變化呢？
對(duì)于近百年的氣候變化來(lái)說(shuō)，大家的主要關(guān)注點(diǎn)在人類(lèi)活動(dòng)因素。但是如果涉及萬(wàn)年到百萬(wàn)年時(shí)間尺度的地質(zhì)時(shí)期的氣候變化，就可以用米蘭科維奇理論來(lái)解釋。這一理論涉及地球軌道偏心率、歲差和傾角這三大天文因子的變化。
1、米蘭科維奇循環(huán) (Milankovitch cycles)
二十世紀(jì)初，塞爾維亞的土木工程師兼數(shù)學(xué)家米蘭科維奇 (Milutin Milankovi?) 準(zhǔn)確計(jì)算了過(guò)去數(shù)百萬(wàn)年地球的偏心率、軌道傾角、歲差及 65°N 的夏季太陽(yáng)輻射的變化，并認(rèn)為地球軌道三要素變化引起了地球獲得的輻射能變化，導(dǎo)致了地球大氣圈頂部和太陽(yáng)輻射緯度配制和季節(jié)配制的周期性變化，從而引起全球氣候的變化。
米蘭科維奇提出 65°N 的夏季太陽(yáng)輻射變化是驅(qū)動(dòng)第四紀(jì)冰期旋回的主因，即單一敏感區(qū)的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)機(jī)制：北半球高緯氣候變化信號(hào)會(huì)被放大、傳輸進(jìn)而影響全球氣候變化。其中，65°N 的夏季太陽(yáng)輻射變化主要受到地球軌道的三個(gè)參數(shù)影響：偏心率、地軸傾角以及歲差。那么，這三個(gè)參數(shù)會(huì)發(fā)生什么變化，它們又是如何引起全球氣候的變化呢？
2、地球軌道參數(shù)會(huì)引起日地距離和位置的改變
偏心率 (Orbital eccentricity)
地球的公轉(zhuǎn)軌道的形狀并非正圓，而是橢圓狀，數(shù)學(xué)上通過(guò)“偏心率”量化橢圓“扁”的程度。橢圓軌道短軸為近日軸，長(zhǎng)軸則為遠(yuǎn)日軸。遠(yuǎn)日軸常常較穩(wěn)定，而由圓至橢圓或由橢圓至圓形的軌道變化總是由近日軸即短軸來(lái)完成的，地球軌道的平均偏心率為 0.028（目前為 0.017），變化周期有 40 萬(wàn)年和 10 萬(wàn)年兩種，分別稱(chēng)為偏心率的長(zhǎng)周期和短周期。當(dāng)短半軸隨著離心率的增加縮短時(shí)，季節(jié)的變化會(huì)加劇。但是偏心率直接導(dǎo)致的氣候效應(yīng)很小，因?yàn)榈厍螂x太陽(yáng)太遠(yuǎn)。地球與太陽(yáng)的距離的近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)的差距所導(dǎo)致的輻射量變化不大，偏心率主要是通過(guò)調(diào)控氣候歲差的變幅來(lái)影響地球的氣候系統(tǒng)。
歲差 (Axial precession)
歲差又稱(chēng)進(jìn)動(dòng)，是指某一天體的自轉(zhuǎn)軸指向在其他天體的引力的作用下，相對(duì)于空間中的慣性坐標(biāo)系所發(fā)生的緩慢且連續(xù)的變化。從太空中看，地球就像是一個(gè)陀螺，而這個(gè)陀螺的指向正在逐漸發(fā)生變化。這種陀螺的運(yùn)動(dòng)是由太陽(yáng)和月球?qū)腆w的地球，所施加的潮汐力引起的。例如，地球自轉(zhuǎn)軸的方向逐漸漂移，追蹤它搖擺的頂部，以大約 25800 年的周期掃掠出一個(gè)圓錐。
歲差的具體表現(xiàn)是地球赤道面和黃道面的變化，這兩種變化又分別被稱(chēng)為赤道歲差和黃道歲差。赤道歲差的影響主要表現(xiàn)為春分點(diǎn)以每年約 51″的速率連續(xù)向西運(yùn)動(dòng)。這種影響能夠通過(guò)回歸年與恒星年之間的差異，以及北天極和北極星相對(duì)位置的變化被直接觀察到。比如，12000 年之后，織女星會(huì)成為新的北極星。黃道歲差的影響則表現(xiàn)為春分點(diǎn)以每年約 0.1″的速率向東移動(dòng)，以及黃赤交角的緩慢變化。赤道歲差與黃道歲差又被統(tǒng)稱(chēng)為總歲差。
歲差本身不能改變半球接收的年入射輻射量，只改變接收的時(shí)間。當(dāng)某半球的夏季處于近日點(diǎn)時(shí)，這個(gè)半球就經(jīng)歷了一個(gè)短而熱的夏季和一個(gè)長(zhǎng)而冷的遠(yuǎn)日點(diǎn)冬季，即季節(jié)性增強(qiáng)。而相反的半球有長(zhǎng)而涼夏季和短而暖的冬季，季節(jié)性不強(qiáng)。當(dāng)然，這里的熱與冷、暖與涼都是相對(duì)的。
歲差是唯一在世紀(jì)時(shí)間尺度上應(yīng)該注意的軌道參數(shù)，一個(gè)世紀(jì)內(nèi)季節(jié)可向前推進(jìn) 1.4 天。近幾個(gè)世紀(jì)，它已經(jīng)導(dǎo)致了北半球的冷春、長(zhǎng)的夏季和冬季開(kāi)始時(shí)間的延遲。歲差的周期氣候旋回幅度受偏心率控制，對(duì)中低緯度氣候影響大，對(duì)極區(qū)影響小。
傾角 (obliquity)
第三個(gè)是地球自轉(zhuǎn)軸心的傾斜角度。傾角是地球的轉(zhuǎn)軸相對(duì)于軌道平面的角度，在太陽(yáng)系，地球的軌道平面就是黃道，所以地球的地軸傾角又稱(chēng)為黃赤交角，并以 ε 表示。月球和大質(zhì)量行星的引力干擾使地軸傾角略有擺動(dòng)，角度變化的范圍是 2.4°，在大約 41,000 年的周期內(nèi)從 22.1° 緩慢的變化至 24.5° 并且再?gòu)?fù)原。
目前，地球的轉(zhuǎn)軸傾角大約是 23.44°（23°26'）。雖然在一整年之中，地軸傾角都朝著相同的方向，但是由于地球繞著太陽(yáng)運(yùn)行，原先朝向太陽(yáng)的半球會(huì)逐漸改變成背離太陽(yáng)的半球，反之亦然。這種作用是造成季節(jié)變化的主要原因。朝向太陽(yáng)的那個(gè)半球每天的日照時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，并且陽(yáng)光在正午時(shí)間直射地面的角度越接近于垂直的方向，該地區(qū)在單位面積內(nèi)得到的能量也越多。
當(dāng)傾角變大，半球高緯度地區(qū)夏季晝更長(zhǎng)，冬季夜更長(zhǎng)，這就導(dǎo)致夏季接收到的輻射增加，而冬季接收到的輻射減少，半球高緯度地區(qū)接收太陽(yáng)輻射量的年變化變大，另外，陸地更集中的北半球在冬季更容易寒冷。
讓我們來(lái)設(shè)想一個(gè)場(chǎng)景，北半球夏季接近近日點(diǎn)，夏季比較短，而冬季又比較長(zhǎng)。同時(shí)地軸傾角偏小，北半球高緯度地區(qū)夏季接受的輻射比較少，冬暖夏涼。這就會(huì)導(dǎo)致冬季累計(jì)的降雪不能在較短的夏季融化，在這種情況下，地球溫度就會(huì)降低，反過(guò)來(lái)溫度便會(huì)上升。也就是說(shuō)，這個(gè)角度變化不會(huì)改變由太陽(yáng)抵達(dá)地球的總能量，但會(huì)影響日照在不同緯度的分布。因此，偏心率和傾角的共同作用可以使一個(gè)半球比另一個(gè)半球顯著寒冷。這便是米蘭科維奇關(guān)注到北半球高緯度地區(qū)夏季太陽(yáng)輻射變化的重要原因。
看來(lái)，地球輕微地“擺動(dòng)”，就會(huì)造成地球軌道參數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而影響地球接收的太陽(yáng)輻射的分布，最終影響全球氣候變化。
然而，由于缺少連續(xù)的記錄，難以找到全球性氣候指標(biāo)，驗(yàn)證米蘭科維奇假說(shuō)顯得十分困難。直到巖芯鉆探技術(shù)以及冰芯同位素測(cè)定技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們利用穩(wěn)定氧同位素解讀第四紀(jì)氣候變化，米蘭科維奇理論才得以證實(shí)。
不過(guò)，米蘭科維奇在世的時(shí)候這些技術(shù)還沒(méi)有得到發(fā)展，因此他的理論很難得到驗(yàn)證。支撐米蘭科維奇做下去的是他對(duì)科學(xué)的信念，米蘭科維奇身入戰(zhàn)俘營(yíng)時(shí)在日記中寫(xiě)道：
“那個(gè)孤獨(dú)的房間，遠(yuǎn)離塵世喧囂，簡(jiǎn)直就是為科學(xué)研究量身定做…… 在我的手提箱里，有我關(guān)于宇宙問(wèn)題的筆記，也有紙和筆，我便開(kāi)始寫(xiě)作和計(jì)算。我停筆時(shí)已經(jīng)深夜，環(huán)顧房間，突然很好奇我在哪里。監(jiān)獄似乎只是我在漫游宇宙的時(shí)候暫在途中小住的旅店。”
地球這個(gè)陀螺也許永遠(yuǎn)不會(huì)停下，因?yàn)樵诿ＣＳ钪嬷?，始終有人在用生命守護(hù)著它的轉(zhuǎn)動(dòng)。
參考資料
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