關(guān)于冰期天文理論的簡述

高曉昕

引言：冰期是地質(zhì)歷史上溫度大幅度下降、冰川大規(guī)模擴張的時期。間冰期是兩個冰期之間，相對溫暖的時期。了解過去冰期-間冰期旋回的氣候特征可以深入研究全球氣候變化提供必要的科學(xué)依據(jù)。1830年，Lyell根據(jù)環(huán)境替代性指標(biāo)，推斷出古今氣候存在差異這一結(jié)論以來[1]，人們一直在探尋地球上氣候發(fā)生變化的原因，并提出了許多假說，包括米蘭科維奇假說，氣候-構(gòu)造耦合等。其中米蘭科維奇理論經(jīng)過后人的不斷探索研究，形成冰期天文理論，本文簡單概述冰期天文理論的產(chǎn)生和發(fā)展的過程。

1提出背景

1754年，Adhémar [1] 計算了歲差，并根據(jù)這個概念提出了一個雛形的“冰期天文理論”。他認為由于南半球冬季較北半球長7天，因此南半球為冰蓋；而南北半球發(fā)生冰期的周期各為11ka。 1843年，Verrier[2]首次提出地球軌道偏心率e的變化，變幅在0～6%之間，地球傾角在22°～25°。1867年，Croll[3，4]用Verrier的公式將3Ma以來的地球軌道偏心率用曲線形式表達，首先提出地球軌道的變化與冰期的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)偏心率有100ka和400ka的變化周期。并提出3個影響因子：軌道偏心率，地軸傾角和春分點位置。當(dāng)偏心率較大且遠日點位于冬至點附近時，某一半球冬半年溫度下降、持續(xù)時間長，積雪增加，而積雪面積增大會形成正反饋，使氣溫進一步下降，進而形成冰蓋。冰蓋出現(xiàn)后，此半球產(chǎn)生冷高壓，下沉冷空氣向赤道流動形成強大信風(fēng)，在信風(fēng)驅(qū)動下海水向另一半球輸送能量。即軌道偏心率和冬至點位置的變化被冰雪正反饋作用的信風(fēng)洋流所放大，有利于發(fā)育冰蓋。但Croll的理論太陽輻射變化值過小，很難引起顯著地氣候變化，因而并未得到足夠重視。美天文學(xué)家 Newcomb于1901年，發(fā)現(xiàn)地軸傾角的變化幅度在 22°～25°之間的，而有41ka的變化周期。

2米蘭科維奇理論的提出

塞爾維亞天文學(xué)家Milankovitch憑借其深厚的數(shù)學(xué)功底，得出太陽輻射變化量于地球軌道三要素之間的關(guān)系，于1930年提出冰期旋回理論。他將太陽常數(shù)看作一個衡量，認為地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的三個重要的軌道參數(shù)：偏心率e、黃赤交角ε或地軸傾斜度和歲差p受其他天文因素的影響發(fā)生周期性變化。其中偏心率是地球繞太陽公轉(zhuǎn)橢圓軌道的赤道半徑與極半徑之差與赤道半徑之比，即某一橢圓軌道與理想圓環(huán)的偏離；黃赤交角即指地球自轉(zhuǎn)軌道面與公轉(zhuǎn)軌道面之間的夾角；歲差即天體的自轉(zhuǎn)軸指向因為重力作用導(dǎo)致在空間中緩慢且連續(xù)的變化。這三個參數(shù)的變化是形成第四紀冰期和間冰期更替的主要原因。任意緯度日照量的大小用 w 來表示，則它與太陽常數(shù)s、偏心率e、黃赤交角ε和歲差p成函數(shù)關(guān)系，即：W= f （ S，e，ε，p ），其中，s變化很小可視為常數(shù)：偏心率的短周期約為100ka、長周期約為400ka；地軸傾斜度或黃赤交角的變化于22°02′～24°30′之間變動。第四紀時其變化周期為41ka～45ka；歲差值為20°，第四紀時歲差周期為19ka～23ka。同時他計算了100萬年以來65°N上日照量的變化。提出地球軌道的變化引起地球大氣圈接收太陽輻射能的變化，即太陽輻射能隨緯度和季節(jié)配置發(fā)生周期性的變化，從而引起全球的氣候的變化。當(dāng)ε減小時，將導(dǎo)致北半球高緯度夏季太陽輻射量減少。米蘭科維奇假說的核心是強調(diào)了一個敏感區(qū)- - 65°N。此區(qū)夏季太陽輻射量的減小將觸發(fā)冰期氣候。因此，可視其為單因素觸發(fā)模型（single forcing trigger model）。敏感區(qū)內(nèi)氣候變冷后，由于冰雪的高反照率，其信號被進一步放大、傳輸，進而影響其他地區(qū)。

3理論的修正

20世紀70年代，由于新的地質(zhì)年代測定技術(shù)尤其是深海氧同位素、古土壤、黃土等側(cè)年方法的出現(xiàn)證實了米蘭柯維奇的冰期旋回理論。其后，比利時科學(xué)家Berger等人，對冰期旋回理論進行不斷修正。如100ka周期的偏心率記錄對應(yīng)的不是偏心率的高值期而是低值期。但Berger 等認為偏心率增大時，日地平均距離減?。黄穆蕼p小時，日地平均距離增大，太陽常數(shù)與日地平均距離的平方成反比。偏心率由 0. 075 變?yōu)榱銜r，地球上每年接受的輻射能減少 0.8%。將理論進行這樣的修正之后，100ka周期就與地質(zhì)記錄相吻合了。徐欽琦等提出黃道傾斜有200～300Ma和40Ka兩個變化周期，其中200～300Ma周期的黃道傾斜ε振幅達10～15°，是造成冰期與間冰期更替的主要原因。而40K周期的黃道傾斜ε振幅僅為2～3°，這種較小的振幅使高緯地區(qū)冬季增溫顯著，海冰迅速融化。當(dāng)ε從 32°逐漸減小到10°時，按計算，其氣候變遷的規(guī)律應(yīng)為：l）各地年平均溫度應(yīng)逐漸上升；2）南北溫差應(yīng)逐漸縮??；3）各地的較差也逐漸縮小。地球上的大冰期-間冰期的更替是黃道傾斜角ε的10～15°振幅造成的，而ε的2～3°的小規(guī)模振幅，周期為40k，是大冰期中冰期-間冰期更替的原因。Berger 和 Loutre基于多體問題的天體力學(xué)計算表明，至少從距今6Ma以來，3個軌道參數(shù)的變化具有穩(wěn)定的規(guī)律性，這3個參數(shù)互相配合產(chǎn)生了天文輻射曲線，輻射曲線中3 種周期都有清晰顯示。

4需要解決的細節(jié)問題

Lisiecki 和 Raymo對5.3Ma以來的 57 個深海氧同位素記錄進行處理和合并，顯示出分段響應(yīng)模式，而且冰期間冰期的變化并未完全控制低緯地區(qū)。2）記錄顯示，間冰期進入冰期經(jīng)過2個歲差周期，而冰期進入間冰期的時間大大減少。3）北半球高緯地區(qū)的被認為是冰期間冰期的觸發(fā)機制，北大西洋深層流之前也一直被認為是重要的傳輸機制。但近幾次冰消期時，南半球和低緯地區(qū)增溫早于北半球的冰量變化。4）全球溫度變化非同步性，在末次冰期中兩半球氣候呈反相關(guān)的關(guān)系。5）兩半球中緯度地區(qū)末次冰期終止開始的時候，它們的夏季日照率異常恰好相反卻又不是處在極值的時刻。

結(jié)語：在米蘭科維奇假說的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的冰期天文理論，雖然存在一些細節(jié)問題需要解決，但經(jīng)過許多科學(xué)家不斷探索努力，逐漸被更多的科學(xué)家關(guān)注，成為解釋第四紀冰期-間冰期循環(huán)的重要假說。相信隨著氣候記錄的方法和數(shù)據(jù)逐漸增加，冰期天文理論會不斷解決現(xiàn)存的問題，使人們對第四紀氣候變化成因加深理解。

參考文獻

[1]Adhémar J A. Révolutions de la mer， privately published[J]. 1842.

[2]Imbrie J， Imbrie K P. Ice ages： solving the mystery[M]. Harvard University Press， 1986.