米蘭科維奇循環從「假說」到「理論」​的百年浮沉

米蘭科維奇循環從「假說」到「理論」的百年浮沉

●　●　●

梁 鵬

說明：本文主要依據Cvijanovic 等新近在《Nature Geoscience》發表的通訊文章《One hundred years of Milanković cycles》翻譯而成，文末附上了原文連結，感興趣可前往閱讀。補充部分參考了Mark Maslin教授2016年發表在Nature上的回顧性文章《Forty years of linking orbits to ice ages》、Hays等1976年發表在《Science》的研究文章《Variations in the Earth’s Orbit: Pacemaker of the Ice Ages》以及Colin Summerhayes教授2015年出版的《Earth’s Climate Evolution》。

45歲的米蘭科維奇(左)及《太陽輻射造成的熱現象及其數學理論Theorie Mathematique des Phenomenes Thermiques Produits par la Radiation Solaire》封面 @Nature Geoscience今年是全球變化科學領域最有影響力的理論著作——米盧廷·米蘭科維奇《太陽輻射造成的熱現象及其數學理論》出版的100周年。這項工作首次以數學形式完整地闡明了地球圍繞太陽運轉軌道的微小變化如何對地球所接收的太陽輻射施加影響，其為理解地球氣候變化歷史及冰期的成因提供了理論基礎。儘管目前「米蘭科維奇理論」貫穿在全球變化科學研究的方方面面，但是該理論誕生背後充滿戰爭和監禁的艱辛故事，時至今日尚未廣為人知。隨著全球的科學家應對COVID-19帶來的一系列挑戰，米蘭科維奇的成就提醒我們，偉大的地球科學理論往往在逆境中誕生。

米蘭科維奇的個人回憶錄提供了圍繞其理論發展的科學事件和個人經歷的獨家資料。他1879年出生，在奧匈帝國的達利度過了他的童年時代，後來在維也納科技大學學習並獲得了博士學位，1909年他放棄了維也納有優渥待遇的工程師工作而選擇移居塞爾維亞的貝爾格勒大學任教。20世紀初的國際局勢動蕩對他在科學上的發展有很大影響。

他在來到貝爾格勒之後，便開始尋求一個安靜的研究領域，從而避免和其他科學家發生激烈競爭。他受到Joseph Adhémar、John Herschel 和James Croll等早期假說的啟發，發現了應用數學、天文學和氣候學之間的交匯領域大有前途，於是下決心為氣候學這門描述性為主的學科引入數學視角。他瞄準了太陽輻射變化是如何發生並影響全球氣候的這一重要的科學問題並開始鑽研。但是在貝爾格勒擔任教職三年後，他就被徵召入伍，參加了第一次巴爾幹戰爭(1912-1913)。米蘭科維奇因其專業經歷並未被遣往前線，而是在後方負責通信工作。在此期間，米蘭科維奇將部分研究工作出版。

不幸的是，巴爾幹戰爭的結束並沒有使得衝突終止。1914年，米蘭科維奇在他奧匈帝國的家鄉達利舉辦了婚禮，而就在此時，第一次世界大戰爆發。維也納當局下令，逮捕所有的塞爾維亞公民。1914年夏天，他在被居家軟禁了六個月後，遭逮捕入獄，後被送入戰俘營。他在入獄第一晚的日記中寫道：

看守員非常友好，就像旅館接待了一位尊貴的客人，他為我預留了單獨的牢房。我感謝他的接待……坐在床上，我環顧四周，開始接受我新的社會身份。那個孤獨的房間，遠離塵世喧囂，簡直就是為科學研究量身定做……在我的手提箱裡，有我關於宇宙問題的筆記，也有紙和筆，我便開始寫作和計算。我停筆時已經深夜，環顧房間，突然很好奇我在哪裡。監獄似乎只是我在漫遊宇宙的時候暫在途中小住的旅店。

在奧地利的戰俘營中，研究工作幾乎難以進行，生活也愈加艱難。單調、不確定性以及疾病的威脅，造成了巨大損失。米蘭科維奇重獲自由主要歸功於他的新婚妻子克裡斯蒂娜的努力，她與許多奧匈帝國的朋友和同事聯繫以尋求幫助。最後，她說服當局，米蘭科維奇是一位受人尊敬的科學家，使得其終被釋放並被允許在警方監視下在布達佩斯居住。

儘管在被軟禁和逮捕期間遭遇逆境，但米蘭科維奇從未放棄自己的科學追求，並堅持在一切可能的情況下進行計算和研究。他於1917年完成了有關天文學強迫的新數學理論《太陽輻射造成的熱現象及其數學理論》的初稿，當時他仍在警方監視之下。他原本打算1918年將此書出版發行，但由於戰爭未能實現。該手稿最終於1920年出版。

第一次世界大戰結束後，米蘭科維奇終於獲準離開布達佩斯，與妻子和三歲的兒子回到貝爾格勒。他平靜地寫道：經過多瑙河三天的舒適航行後，我於1919年3月15日抵達貝爾格勒，完成了我激動人心的五年婚禮之旅。

儘管氣候變化的天文驅動學說早被提出，但是米蘭科維奇的工作首次闡明了地球軌道參數的整個周期性變化如何導致不同緯度的入射太陽輻射發生顯著的千年尺度波動。他揭開了行星氣候天文驅動的數學奧秘，為理解地球氣候歷史中冷暖變化的規律奠定了理論基礎。

為了確保他的科學發現可以被後世使用，1939年起，他歷時兩年將有關氣候的天文強迫的論文編入了《地球日照及冰河時代問題學說 Canon of Insolation and the Ice-Age Problem》，該書於1941年出版，完善了地球氣候的軌道驅動說。他認為北緯65°附近的夏季入射太陽輻射變化是驅動地球氣候旋迴的關鍵，該地區太陽輻射量變化幅度可達25%。米蘭科維奇認為，當夏季太陽輻射顯著降低時，該區域的冰得到累積，年復一年最終形成大冰蓋。

米蘭科維奇循環的三個地球軌道參數：偏心率(a)、地軸傾角(b)和歲差(c) @Nature

米蘭科維奇的天文因素驅動氣候變化學說受到著名氣象學家柯本和地質學家魏格納的廣泛關注和支持，但一直以來因缺乏直接的地質證據而備受質疑。他的研究和認知超越了他所在的時代。

直到1976年，米蘭科維奇去世的18年後，在「氣候長期監測、製圖和預測(CLIMAP)」項目的推動下，哥倫比亞大學James Hays教授及其合作者布朗大學John Imbrie教授、英國劍橋大學Nick Shackleton爵士通過對南印度洋兩個深海鑽孔數據的收集和分析，成功識別出100 ka (註：ka即千年，第四紀地質學常用時間單位，100 ka就是10萬年)、40 ka和23 ka等氣候變化周期，分別與米蘭科維奇提出的地球軌道參數偏心率、地軸傾角、歲差周期相對應。這一期待已久的驚世文章《地球軌道參數變化：冰河時代的起搏器》得以發表，證明了海洋沉積物中的古氣候記錄與米蘭科維奇假說所預測的時間周期相吻合，坐實了米蘭科維奇提出的地球軌道參數變化驅動冰期形成學說。這篇發表在著名學術期刊《Science》、共12頁的文章成為近四十年來古氣候領域最有影響力的論文之一。這意味著發表56年的「米蘭科維奇假說」上升為被地質學家認可的「米蘭科維奇理論」了。

1976年《地球軌道參數變化：冰河時代的起搏器》文章首頁 @Science

從現代角度回顧來看，也許會覺得米蘭科維奇所做貢獻的重要性主要是在於他的數學成就，但是他的回憶錄及生平經歷也展示出了他在發展地球科學領域最迷人的理論時的非凡毅力。在如此艱難的環境下，米蘭科維奇堅持不懈地追求科學的發展和繁榮，啟迪著當代及未來的所有科學工作者，引領著我們渡過充滿不確定性的時代。

2020年8月20日於浙江大學西溪校區

後記：疫情肆虐的2020年，我們在煎熬、恐懼、隔離中度過了8個月，可怕的是，我們仍在巨大的不確定性中躊躇觀望。回顧人類歷史，從文明乍現的蒙昧時期，世界不同民族幾乎都有巫師一類的存在，其主要職責無外乎與未知對話（祭祀），並能預測未知（佔卜），這充分說明了人類基因所攜帶的對不確定性的恐懼。風生水起的全球變化研究也無外乎此——探索過去，以啟未來。米蘭科維奇正是在一灘渾水中找到了自然的奧秘，為預測未知提供了可能。這場突如其來的疫情，又將我們拋入了巨大的未知之中。我常常在想，正是這樣的不確定性，才促使人類奮力地生活著，文明才會演進，才會在幾千年間進化成這個形形色色的世界。如果一切都是可預測的，未來又有什麼意義呢？

8個月來，我個人的生活發生了改變，我流浪到了一個南方城市，在這裡居住和生活。網際網路讓我能與這個城市之外有趣的遙遠靈魂交流互動，我深感幸運。不過，我更幸運的是，我在此安定，使我又能回歸安靜的閱讀生活，與更久遠的偉大靈魂對話，也只有這樣，才能走出我們固有的平庸與傲慢。我舉一杯酒，敬這過往的三千年。

延續「安凹書館」傳統，本期我分享一本許多人早已讀過的書，我近期正在重讀，亨德裡克·威廉·房龍《人類的故事》，你可能會想起他在前言中所寫的那句著名的話:「歷史是一座雄偉壯麗的經驗之塔，它是時間在無盡的逝去歲月中苦心搭建起來的。要登上這座古老建築的頂端去一覽眾山並非易事。這裡沒有電梯，可年輕人有強健有力的雙腳，能夠完成這一艱苦的攀登」。

○  亨德裡克·威廉·房龍. 人類的故事. 羅伯特·沙利文續寫至21世紀. 胡允恆譯. 中信出版集團.

—— THE END ——

歡迎長按二維碼/掃碼關注，一起有深度地閱讀