被遺忘的天文氣候?qū)W家

蘇瓊山

說(shuō)起歷史上著名的天文學(xué)家或者氣候?qū)W家，很少有人會(huì)想到詹姆斯·克羅爾。這位19世紀(jì)的英國(guó)科學(xué)家揭示了地球?yàn)楹纬霈F(xiàn)周期性冰期的奧秘，是天文氣候?qū)W最早的奠基者。而且，在英國(guó)的維多利亞時(shí)代，克羅爾曾受到查爾斯·達(dá)爾文、威廉·湯姆遜（即開(kāi)爾文勛爵）等科學(xué)巨匠的極力推崇，但他最終在貧困中死去，他的名字也很快變得鮮為人知。這樣一位有著杰出學(xué)術(shù)成就的科學(xué)家，為何會(huì)被世人遺忘呢？

熱愛(ài)科學(xué)的門衛(wèi)

1821年，克羅爾生于蘇格蘭的佩思郡，他的父親是位農(nóng)場(chǎng)的石匠?？肆_爾從小在鄉(xiāng)間長(zhǎng)大，常常需要幫父母干活，只能斷斷續(xù)續(xù)地去學(xué)校聽(tīng)課。然而，即使是這樣非正式的學(xué)校教育也沒(méi)能持續(xù)多久，11歲時(shí)，克羅爾早早地退學(xué)，專心在農(nóng)場(chǎng)里干活。恰在1832年，英國(guó)誕生了世界上最早的廉價(jià)期刊——《一便士雜志》，這本雜志內(nèi)容豐富，淺顯易懂，深受英國(guó)大眾歡迎。無(wú)書(shū)可讀的克羅爾只能常常閱讀《一便士雜志》，他很喜歡其中的哲學(xué)版和科學(xué)版，從中了解了許多有趣的自然現(xiàn)象，知識(shí)面大開(kāi)。

14歲時(shí)，克羅爾已經(jīng)對(duì)科學(xué)有了初步的認(rèn)識(shí)，他意識(shí)到，自然現(xiàn)象背后存在著嚴(yán)格的法則，這些法則讓他感到驚奇。為了探尋這些法則，克羅爾開(kāi)始自學(xué)力、熱、光、磁等物理學(xué)科，一學(xué)就是幾十年。雖然克羅爾對(duì)科學(xué)充滿著憧憬，但他畢竟沒(méi)有文憑，也沒(méi)有錢，只能找些別的工作自謀生路。

在成為一名科學(xué)家之前，克羅爾幾乎什么都干過(guò)。16歲時(shí)，年輕的克羅爾走出家門，成為一個(gè)居無(wú)定所的零工工匠，每天輾轉(zhuǎn)于蘇格蘭各地的農(nóng)場(chǎng)倉(cāng)庫(kù)。25歲的時(shí)候，克羅爾肘部患上了難以治愈的炎癥，無(wú)法繼續(xù)從事體力勞動(dòng)，于是轉(zhuǎn)行販賣茶葉、推銷保險(xiǎn)、經(jīng)營(yíng)旅館，但每一次都只賠不賺，最終破產(chǎn)。不知不覺(jué)，克羅爾已經(jīng)30多歲了，他又找到一份新工作，在格拉斯哥市的斯特拉斯克萊德大學(xué)當(dāng)起了門衛(wèi)。這份工作雖然不足以改善經(jīng)濟(jì)狀況，卻能讓克羅爾有機(jī)會(huì)進(jìn)入大學(xué)的圖書(shū)館。在那里，克羅爾繼續(xù)自學(xué)物理、數(shù)學(xué)、天文學(xué)、流體靜力學(xué)以及其他一些新興學(xué)科，并結(jié)識(shí)了大名鼎鼎的科學(xué)家——威廉·湯姆遜。

用天文學(xué)解釋冰期

威廉·湯姆遜當(dāng)時(shí)任教于格拉斯哥大學(xué)，是物理學(xué)界的權(quán)威。湯姆遜在鼓勵(lì)克羅爾學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的同時(shí)，也建議后者要勇于獨(dú)立地進(jìn)行科學(xué)研究。沒(méi)多久，克羅爾在圖書(shū)館中碰巧看到了約瑟夫·阿德馬爾的天文學(xué)著作，對(duì)地球冰期產(chǎn)生了研究興趣。

19世紀(jì)時(shí)，歐洲的地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，歐洲大陸曾經(jīng)多次經(jīng)歷冰期，被冰川覆蓋，然后每隔一段溫暖的時(shí)間，冰期又會(huì)返回?？茖W(xué)家試圖找到冰期出現(xiàn)的原因，而法國(guó)人約瑟夫·阿德馬爾就是首次嘗試用天文學(xué)來(lái)研究這個(gè)課題的天文學(xué)家。阿德馬爾提出，由于歲差的存在，地球在繞著太陽(yáng)做橢圓運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，南北半球的季節(jié)會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)短不一的情況，只要某個(gè)半球的夏季短、冬季長(zhǎng)，那么這個(gè)半球就會(huì)遭遇冰期。不過(guò)，其他科學(xué)家很快證明，阿德馬爾的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，雖然南北半球季節(jié)的長(zhǎng)短會(huì)由于歲差而變化，但南北半球?qū)嶋H接受的熱量是大致相同的——或者是較短、較熱的夏季，或是較長(zhǎng)、不太熱的夏季。

克羅爾覺(jué)得，阿德馬爾的理論過(guò)于簡(jiǎn)單粗糙，但研究方向其實(shí)是正確的。所以，克羅爾繼續(xù)試著用地球和太陽(yáng)之間的天文變化來(lái)解釋冰期。通過(guò)大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，克羅爾終于提出了關(guān)于地球冰期的偏心率理論。他發(fā)現(xiàn)，地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道是橢圓的，如果將橢圓軌道的長(zhǎng)軸視為遠(yuǎn)日軸，短軸視為近日軸，那么遠(yuǎn)日軸比較穩(wěn)定，而近日軸的長(zhǎng)短一直在伸縮，導(dǎo)致公轉(zhuǎn)軌道會(huì)從橢圓變成近圓再變成橢圓。也就是說(shuō)，地球公轉(zhuǎn)軌道的偏心率一直在周期性地變化。

然而，考慮到太陽(yáng)、月亮、歲差等諸多因素的影響，在公轉(zhuǎn)軌道從橢圓變成近圓再變成橢圓的每一次周期中，偏心率變化的最大幅度也是不同的。在某個(gè)特定的時(shí)間，比如3億年前的二疊紀(jì)和200萬(wàn)年前的更新世，地球公轉(zhuǎn)軌道會(huì)達(dá)到罕見(jiàn)的極高的偏心率。這種情況下，南北半球氣候?qū)⒊霈F(xiàn)巨大的差異，一方極端寒冷，出現(xiàn)大量冰川，反射太陽(yáng)光，另一方非常溫暖，改變洋流的方向，減少熱量傳到另一半球。這些效果綜合起來(lái)，會(huì)導(dǎo)致某個(gè)半球完全被冰川覆蓋。

被遺忘的科學(xué)家

1864年，克羅爾將自己的理論發(fā)表于當(dāng)時(shí)的頂級(jí)科學(xué)期刊——《哲學(xué)雜志》，立即在科學(xué)界引起轟動(dòng)。在克羅爾之前，從未有人從天文學(xué)的角度對(duì)冰期做出過(guò)富有說(shuō)服力的解釋。當(dāng)學(xué)者們了解到論文的作者并不是大學(xué)中的教授，而是一位民間科學(xué)家的時(shí)候，他們?cè)谡J(rèn)可之余，也感到非常驚訝。

1867年，克羅爾得到賞識(shí)，在蘇格蘭地質(zhì)勘查局謀得了一個(gè)職位，終于可以全心全意研究科學(xué)。這時(shí)，克羅爾已經(jīng)和查爾斯·達(dá)爾文建立了友誼，兩人常常交流思想。在達(dá)爾文的鼓勵(lì)下，克羅爾自己著書(shū)，于1875年寫(xiě)完《氣候與時(shí)間》一書(shū)。在這本著作中，克羅爾提出了一些開(kāi)創(chuàng)性的研究——冰川如何運(yùn)動(dòng)、洋流如何產(chǎn)生、南極洲冰蓋有多厚，受到好評(píng)?！稓夂蚺c時(shí)間》出版幾個(gè)月后，克羅爾被倫敦皇家學(xué)會(huì)以及紐約科學(xué)學(xué)會(huì)吸納為會(huì)員，并獲得了斯特拉斯克萊德大學(xué)的榮譽(yù)學(xué)士學(xué)位。

雖然克羅爾已經(jīng)非常有名，但由于他出身貧寒，在英國(guó)派系林立的科學(xué)家圈子里沒(méi)有太多朋友。1880年，克羅爾的健康狀況已經(jīng)很差，不得不退休。達(dá)爾文、湯姆遜等人多次為克羅爾爭(zhēng)取公務(wù)員退休金，但兩任英國(guó)首相都拒絕了他們的請(qǐng)求。10年后，克羅爾在貧病交加中去世，他的葬禮很簡(jiǎn)單，訃告對(duì)他的評(píng)價(jià)只有短短幾個(gè)字——“最重要的，同時(shí)也是最早用物理研究氣候的科學(xué)家”。很快，英國(guó)科學(xué)界再?zèng)]有人談?wù)摽肆_爾。

1930年，米盧廷·米蘭科維奇，一位南斯拉夫地球物理學(xué)家，在克羅爾的基礎(chǔ)上進(jìn)一步明確了地球軌道的不規(guī)則變化與冰期之間的關(guān)系，那就是著名的“米蘭科維奇循環(huán)”。米蘭科維奇之后，知道克羅爾的人更少了。如今，蘇格蘭皇家地理學(xué)會(huì)在英國(guó)帕斯市為克羅爾立有一個(gè)塑像，這是人們對(duì)克羅爾表示的唯一一份紀(jì)念。