NG:米蘭科維奇旋迴理論百年

2021-01-15 Marine Sedimentology
近期NG發表了一篇紀念米蘭科維奇旋迴理論發表一百年,題目為「One hundred years of Milanković cycles」,講述了該理論的歷史背景(圖1)。即便是在戰亂年代,科學家也是受到普遍尊重的,也許這就是人類文明不斷進步的原因吧。有興趣的讀者可以點擊文末「閱讀原文」,了解下科學大師的背後的科學故事。圖1 米盧汀·米蘭科維奇(Milutin Milanković)在1924年加入塞爾維亞科學院時的照片(左)和1920年在巴黎印製的《太陽輻射現象的理論原理》的首頁(右),源自NG文章。

米蘭科維奇理論即是從全球尺度上研究日射量與地球氣候之間關係的天文理論。該理論認為,北半球高緯夏季太陽輻射變化(地球軌道偏心率、黃赤交角及歲差等三要素變化引起的夏季日射量變化)是驅動第四紀冰期旋迴的主因。這個理論的核心是單一敏感區的觸發驅動機制,即北半球高緯氣候變化信號被放大、傳輸進而影響全球。

小知識:地球軌道參數簡介(據百科)

地球的軌道是橢圓形,而離心率是測量橢圓與圓形的偏差。地球軌道的形狀是從接近圓形(低離心率的0.005)到輕度的橢圓(高離心率的0.058),平均的離心率是0.028,這些變化的主要周期是413,000年(離心率改變±0.012)。地球的轉軸傾角(傾斜)是地球的轉軸相對於軌道平面的角度。角度變化的範圍是2.4°,在大約41,000年的周期內從傾斜22.1°緩慢的變化至24.5°並且再復原。當傾角增加時,日照(進入的太陽輻射)在季節周期上的振幅也增加;在兩個半球的夏季都會接收到更多的太陽輻射通量,而冬季的輻射通量減少。但是,這種冬夏兩季的反相變化在地表各處幅度不盡相同。當傾角增加時,高緯度的全年日照量會增加,而低緯度接收的全年日照量會減少。地球自轉軸的方向相對於恆星的變化稱為進動,周期大約是26,000年。這種陀螺的運動是由於太陽和月球對固體的地球,加上地球的形狀是扁橢球而不是理想的球,所施加的潮汐力,而太陽和月球有著大約一致的效果。當自轉軸的方向在軌道的近日點朝向太陽時,一個極半球的季節有著較大的變化而另一個極半球的季節變化較為溫和。在近日點時是夏季的半球,接收到的太陽輻射會相對應的增加,而這個半球在冬季也會相對的較為寒冷。另一個半球則會有較溫暖的冬季和較為涼爽的夏季。

地球軌道參數示意動畫(本文重點分享)

米蘭科維奇旋迴理論存在的問題(據丁仲禮,2006,第四紀研究)氣候變化軌道驅動的發現,使古氣候研究進入了定量探索變化機理的新階段。然而經典版本的米蘭科維奇學說只考慮北半球高緯區的輻射量變化,與新發現的地質記錄和熱帶過程在現代氣候中所起的作用相矛盾。1)一些低緯地區並沒有明顯的10萬年冰量周期,而是以2萬年歲差周期為主,表明北半球冰蓋的擴張、收縮變化並沒有完全控制低緯區的氣候變化;2)在最近幾次冰消期時,南半球和低緯區的溫度增高,要早於北半球冰蓋的融化,表明冰消期的觸發機制並非是北半球高緯夏季太陽輻射;3)大氣CO2濃度在第2冰消期的增加同南極升溫相一致,表明該時大氣CO2濃度增加亦有可能早於北半球冰蓋消融;米盧廷·米蘭科維奇(塞爾維亞語:Милутин Миланковић,拉丁化:Milutin Milanković,發音:[milǔtin milǎːnkɔʋitɕ],1879年5月28日-1958年12月12日)是一位塞爾維亞土木工程師、地球物理學家和天文學家。因為冰河時期的研究而聞名;他提出了地球長期氣候變化和地球軌道的周期性變化關係,也就是今日的米蘭科維奇循環。米蘭科維奇提出了地球科學的兩大貢獻。第一個是關於地球日照的學說(Canon of the Earth's Insolation),該學說特別指出了太陽系各行星氣候特徵;第二個貢獻是解釋地球氣候變遷是因為地球和太陽相對位置的變化,這解釋了過去地球冰河時期的發生時間,並可預測地球未來氣候變化。

學生時代的米蘭科維奇

以上內容目的是簡略介紹下米蘭科維奇旋迴理論,緬懷這位偉大的科學家。近些年古氣候的研究取得了很多進展,特別是低緯驅動的觀點對傳統的高緯65°N的驅動機制提出了挑戰,後續會邀請相關專家陸續介紹,敬請期待!對內容有任何評論,歡迎留言!

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