天體力學(xué)與地球冰期的神秘關(guān)聯(lián)

烏干達(dá)瑪格麗塔冰川，位于魯文佐里山脈，是尼羅河的水源地之一

數(shù)百萬年來，溫度逐漸下降和急劇上升深刻影響地球的生存環(huán)境，進(jìn)而影響我們?nèi)祟愖陨淼倪M(jìn)化。

1941年，塞爾維亞杰出數(shù)學(xué)家和氣候?qū)W家米盧廷·米蘭科維奇（Milutin Milankovich）提出假說：地球軌道的變化使地球的氣候在冰期和間冰期之間交替。這個(gè)理論的關(guān)鍵是北極圈稍微以南的北緯65度（65°N）的日照量（太陽輻射）。在這個(gè)緯度，日照量會(huì)出現(xiàn)25%的季節(jié)性浮動(dòng)。米蘭科維奇認(rèn)為，夏季日照量的減少使一些冬季結(jié)冰得以留存。冰雪每年都在北緯65度附近積聚，這樣幾千年累積下來，最終形成足以觸發(fā)冰期的大冰蓋。

30年后，3名科學(xué)家利用國(guó)際大洋科學(xué)鉆探計(jì)劃（International Ocean Drilling Program）鉆取的深海沉積巖芯，聯(lián)手驗(yàn)證了米蘭科維奇的理論。詹姆斯·海斯（James Hays）通過研究巖芯中的海洋微化石，估計(jì)了過去的海面溫度。尼古拉斯·沙克爾頓（Nicholas Shackleton）測(cè)量了沉積物層中的氧同位素組成，從中發(fā)現(xiàn)過去全球冰量的變化。而團(tuán)隊(duì)的最后一名成員約翰·英布里（John Imbrie）則為該項(xiàng)目帶來了時(shí)序分析方面的專業(yè)知識(shí)。1976年，他們發(fā)表了一篇開創(chuàng)性的論文，表明他們研究的氣候記錄包含了與描述地球軌道的3個(gè)參數(shù)相同的時(shí)間循環(huán)，如圖1所示。

圖1 米蘭科維奇循環(huán)（Milankovitch cycles）包含地球運(yùn)動(dòng)的三種變化。a.離心率描述了地球繞太陽運(yùn)動(dòng)軌道的形狀，從近似圓形變?yōu)闄E圓形，變化周期約為9.6萬年。b.斜率是地球自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于其軌道平面的傾斜度，變化周期約為4.1萬年。c.進(jìn)動(dòng)包括地球自轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)及地球軌道隨時(shí)間的變化，這兩個(gè)部分共同作用產(chǎn)生了大約2.2萬年的變化周期這三個(gè)參數(shù)是：離心率（eccentricity）、斜率（obliq uity）和進(jìn)動(dòng)（precession）。

離心率描述了地球繞太陽運(yùn)動(dòng)軌道的形狀。當(dāng)?shù)厍蚴艿侥拘菭恳龝r(shí)，它的軌道會(huì)在9.6萬年的時(shí)間周期內(nèi)從近似正圓形變?yōu)闄E圓形，這會(huì)導(dǎo)致總?cè)照樟康奈⑿∽兓?。?.1萬年的周期內(nèi)，斜率（地球自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于其軌道平面的傾斜度）在21.8 ° ～24.4 ° 之間波動(dòng)，目前為23.4 ° 。較大的斜率會(huì)產(chǎn)生地球夏季和冬季之間更大的日照差。

第三個(gè)軌道參數(shù)是進(jìn)動(dòng)，周期為2.17萬年，影響著地球的近日點(diǎn)。在每個(gè)半球的夏季，進(jìn)動(dòng)對(duì)熱帶地區(qū)的影響最大。太陽和月球的潮汐力被地球的扁球體形狀放大，形成進(jìn)動(dòng)的一個(gè)組成部分。這些力在地球上施加陀螺運(yùn)動(dòng)，從而改變其自轉(zhuǎn)軸的方向。進(jìn)動(dòng)的第二個(gè)組成部分使地球的整個(gè)公轉(zhuǎn)軌道在太空中繞太陽運(yùn)動(dòng)，軌跡類似于花朵的花瓣，如圖1c所示。

大冰期

在過去250萬年中，地球大約經(jīng)歷了50個(gè)較大的冰期，每個(gè)冰期都極大改變了地球的氣候。在2.1萬年前的最后一個(gè)冰期，一塊幾乎連續(xù)的冰蓋橫跨北美，其最厚處橫跨現(xiàn)在的哈德遜灣，冰蓋的深度超過兩英里，向南一直延伸到紐約市和俄亥俄州的辛辛那提。不列顛-愛爾蘭冰蓋向南延伸至諾?？?，而斯堪的納維亞冰蓋從挪威延伸至俄羅斯的烏拉爾山脈。在南半球，大冰蓋覆蓋了南美洲巴塔哥尼亞沙漠、南非、澳大利亞南部和新西蘭。所有這些冰蓋都蓄積了大量的水，使得全球海平面下降了120 米。但是，如果今天南極和格陵蘭島的冰全部融化，海平面只會(huì)上升70 米。

地球軌道的微小晃動(dòng)是如何導(dǎo)致這些冰期的？夏天的溫度必須首先降低一點(diǎn)，由此導(dǎo)致的冰雪積聚則增加了地球的反照率，即地球向太空反射的陽光。反射更多的陽光會(huì)抑制局部溫度并促使更多的冰雪積聚，從而進(jìn)一步增加反照率。這個(gè)過程稱為“冰-反照率反饋”（ice-albedo feedback），是冰蓋日益擴(kuò)張的成因。

當(dāng)冰蓋擴(kuò)張到足以偏轉(zhuǎn)大氣行星波時(shí)，就會(huì)觸發(fā)另一個(gè)正反饋循環(huán)，如曾覆蓋北美大部分地區(qū)的勞倫泰德冰蓋。這一變化使風(fēng)暴橫穿北大西洋的路徑改道，并阻止了墨西哥灣流及其東北分支——北大西洋漂流向北滲透到如今這么遠(yuǎn)的地方。地表海洋效應(yīng)加上北歐海域和大西洋中的融水的增加，導(dǎo)致冷咸海水沉降的減少。隨著從北大西洋流向深海的海水減少，受墨西哥灣流牽引向北流的暖水也減少，北半球的溫度下降，冰蓋因而擴(kuò)張。

大氣中的溫室氣體增強(qiáng)了冰蓋的反饋?zhàn)饔?。?duì)封在極地冰中的氣泡的分析表明，在冰期，二氧化碳的濃度下降了1/3，甲烷的濃度下降了一半。溫室氣體的變化總是先于全球溫度的變化，因此溫室氣體是氣候變化的明確驅(qū)動(dòng)力，而不是對(duì)氣候變化的反應(yīng)。

數(shù)十億年前發(fā)生的“雪球地球”事件（即全球冰凍現(xiàn)象）中，失控的正反饋凍結(jié)了地球上大部分的水，但是濕氣的不足阻止了更近一次“雪球地球”事件的發(fā)生。冰蓋的形成需要寒冷潮濕的氣候，但是隨著冰蓋驅(qū)使溫暖的地表水向南流動(dòng)，濕氣的供應(yīng)減少。通過改變大氣和海洋環(huán)流，使冰蓋因濕度不足而“餓死”，這一負(fù)反饋循環(huán)限制了正反饋效應(yīng)。

過去100萬年來，冰蓋增加到最大值至少用了8萬年的時(shí)間，最近一次的最大值出現(xiàn)在大約2.1萬年前。但是，冰融化的速度比冰蓋增加的速度要快得多：80%的新增冰蓋可能會(huì)在4 000年的時(shí)間里消失。北緯65度的夏季日照會(huì)引發(fā)冰川消失，并使北半球冰蓋開始融化。大氣中二氧化碳和甲烷濃度的升高促進(jìn)了氣候變化，并進(jìn)一步融化了大塊的大陸冰蓋。這個(gè)過程與冰-反照率效應(yīng)相反，后者通過產(chǎn)生一個(gè)更冷的微氣候來保持冰蓋完好無損。

最終，海平面上升會(huì)減少大冰蓋，因?yàn)樽罾涞暮Ｋ疁囟葹?1.8 ° C，而冰蓋底部的溫度為-30 ° C。當(dāng)海水從冰蓋底部流過，通過侵蝕而使冰蓋融化時(shí)，碎冰塊就會(huì)進(jìn)入海洋。這一碎冰過程進(jìn)一步使海平面升高并導(dǎo)致更多的冰蓋融化。海平面反饋機(jī)制可能非常迅速。一旦冰蓋消退，其他反饋機(jī)制（反照率、大氣和海洋環(huán)流以及溫室氣體）就會(huì)逆轉(zhuǎn)。這就是冰川學(xué)家和氣候?qū)W家擔(dān)心未來氣候變化的原因：因?yàn)闅夂蜃兓瘜⒓せ钸@些反饋，從而導(dǎo)致格陵蘭島和南極西部冰蓋發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化。

圖2 通過測(cè)量湖泊記錄的氧同位素組成，可以看到過去500萬年中的許多冰期-間冰期循環(huán)（實(shí)線）。250萬年前，北半球冰川（iNHG）作用加劇，北美的大型冰蓋開始增加。大氣沃克環(huán)流（DWC）的形成始于170萬年前的太平洋，并依靠東西向海平面之間的大幅溫度梯度維持。大約100萬年前，在中更新世革命（MPR）期間，極地冰蓋向赤道擴(kuò)張，冰期-間冰期循環(huán)從平均4.1萬年增加到10萬年

離心率的秘密

最近100萬年的冰期-間冰期循環(huán)，每次持續(xù)約10萬年，波形呈鋸齒狀：寒冷期很長(zhǎng)，隨后是冰體快速消融的短暫溫暖期。100多萬年以前，這些冰川周期的變化更加平緩，每個(gè)周期僅持續(xù)4.1萬年，如圖2所示。該周期對(duì)應(yīng)于與地軸斜率相關(guān)的軌道變化的時(shí)間長(zhǎng)短，斜率控制著低緯度和高緯度之間的熱傳遞，從而影響冰的消長(zhǎng)。

多年來，科學(xué)家一直難以解釋10萬年的冰期-間冰期循環(huán)，因?yàn)?.6萬年的離心率機(jī)制具有相似的時(shí)間長(zhǎng)度。但是，離心率是迄今為止最弱的軌道變化，而且很多人認(rèn)為它主要調(diào)節(jié)進(jìn)動(dòng)，因此科學(xué)家提出了幾種非線性反饋來解釋這一差異。但是，當(dāng)他們意識(shí)到10萬年的冰川周期是一種統(tǒng)計(jì)假象時(shí)，他們找到了答案。

最近8個(gè)冰川周期的平均時(shí)間長(zhǎng)度確實(shí)是10萬年，但其實(shí)每個(gè)周期長(zhǎng)度從8萬年到12萬年不等。每到第4個(gè)或第5個(gè)進(jìn)動(dòng)周期就變得非常弱，足以使冰蓋擴(kuò)張，因此在冰川消失期間更容易受到海平面上升的影響。下一個(gè)進(jìn)動(dòng)周期總是比前一個(gè)更強(qiáng)，并通過海平面反饋機(jī)制，觸發(fā)極速的冰川消退。盡管冰川消退的時(shí)機(jī)似乎更好與進(jìn)動(dòng)相匹配，但一些研究人員認(rèn)為，周期較長(zhǎng)的冰期-間冰期循環(huán)可能與第2或第3個(gè)斜率周期相對(duì)應(yīng)。

天體力學(xué)與人類進(jìn)化

除了高緯度氣候外，軌道驅(qū)動(dòng)，特別是通過進(jìn)動(dòng)，也極大影響了熱帶非洲、亞馬遜和亞洲的氣候。氣候模型表明，進(jìn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)使熱帶地區(qū)的年降水量每年增加至少200毫米，并顯著改變了季節(jié)的變換。供水量的這種變化等同于從冰期到間冰期的轉(zhuǎn)變。每隔9.6萬年，當(dāng)離心率達(dá)到峰值時(shí)，進(jìn)動(dòng)的影響進(jìn)一步加強(qiáng)，而每隔41.3萬年，當(dāng)?shù)厍蜍壍赖臋E圓度達(dá)到最大時(shí)，進(jìn)動(dòng)的影響達(dá)到最大。

進(jìn)動(dòng)通過改變一年中何時(shí)日地距離最短，來改變每個(gè)季節(jié)的日照量，從而影響熱帶氣候。（離心率控制著日地距離。）例如，在北半球的夏季，隨著太陽直射點(diǎn)從赤道穩(wěn)步移動(dòng)到北回歸線，熱帶和亞熱帶地區(qū)逐漸升溫。當(dāng)正向進(jìn)動(dòng)達(dá)到最大值時(shí)，太陽直射北回歸線，日地距離最短，因此到達(dá)亞熱帶的太陽能和對(duì)流量將顯著增加。

增強(qiáng)的信風(fēng)強(qiáng)化熱帶輻合帶（ITCZ），從而大大增加北半球熱帶地區(qū)的降水量。同時(shí)，南半球的夏季將與最長(zhǎng)的日地距離相吻合，赤道以南熱帶地區(qū)的降雨將大大減少。2.1萬年后，情況發(fā)生逆轉(zhuǎn)，南半球熱帶地區(qū)成為日照和降雨最強(qiáng)的地方。

許多古記錄顯示南北半球的水循環(huán)成相反關(guān)系。過去1萬年來，北非的湖泊持續(xù)干涸，而亞馬遜河流量卻在增加。從500萬年前開始，來自地中海東部的海沙證據(jù)表明，阿爾及利亞東部、利比亞和埃及西部低地的干旱周期性加劇。證實(shí)這些記錄的是阿拉伯海、北大西洋和西非海岸附近海洋的沉積物觀測(cè)結(jié)果。來自腐泥層的記錄（地中海海洋沉積物中發(fā)現(xiàn)的富含有機(jī)物的深色層，是由于水中氧氣含量的減少而形成）顯示了降雨量和河流入海流量的增加，而且這些記錄的變化具有2.1萬年的主導(dǎo)周期，這表明是進(jìn)動(dòng)軌道驅(qū)動(dòng)。

史前人類種群進(jìn)化時(shí)期的氣候重建表明，軌道驅(qū)動(dòng)與非洲環(huán)境之間有著密切的聯(lián)系。每隔40萬年，離心率最大值產(chǎn)生極端的氣候變化時(shí)期，導(dǎo)致湖泊一再擴(kuò)張并充滿了非洲大裂谷的大部分地區(qū)，然后在大約2萬年的進(jìn)動(dòng)時(shí)間尺度上消失。如圖3所示，這些時(shí)期與過去500萬年中大多數(shù)人種的出現(xiàn)和滅絕具有顯著的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。

深淡水湖泊（例如肯尼亞北部的圖爾卡納湖，如圖4所示）在地面上出現(xiàn)和消失的速度，可能對(duì)居住在該地區(qū)的古人種產(chǎn)生了影響。盡管軌道驅(qū)動(dòng)的氣候振蕩的時(shí)間尺度比觀測(cè)到的湖泊快速變化的時(shí)間尺度更長(zhǎng)，但所有軌道參數(shù)都是正弦函數(shù)，這意味著變化很小或沒有變化的時(shí)期之后是變化較大的時(shí)期。例如，赤道的正弦進(jìn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)由短于2 500年的時(shí)間段組成，在此期間發(fā)生了60%的日照和季節(jié)變化。這段時(shí)期之后是持續(xù)8 000年的時(shí)期，日照的變化相對(duì)較小。時(shí)間尺度的不匹配會(huì)產(chǎn)生短期的強(qiáng)驅(qū)動(dòng)和長(zhǎng)期的弱驅(qū)動(dòng)。結(jié)合許多東非湖泊是放大器式湖泊（對(duì)降水-蒸發(fā)平衡的微小變化迅速做出反應(yīng)）的觀點(diǎn)，地形與氣候可能是對(duì)進(jìn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)迅速做出了反應(yīng)。

圖3 人類進(jìn)化與非洲氣候變化有關(guān)。a.地球軌道進(jìn)動(dòng)的大變化有；b.助于確定東非大裂谷的深淡水湖泊的大小和數(shù)量。c.反之，這些湖泊又可以與早期人類的重要進(jìn)化改變聯(lián)系起來。虛線表示古人類在非洲的最初分布，實(shí)線表示古人類從非洲遷徙到歐洲和亞洲的時(shí)間

人類學(xué)家和氣候?qū)W家認(rèn)為，湖泊的消失與古人類遷徙事件有關(guān)，古人類遷徙事件發(fā)生在300萬年前的非洲和180萬年、90萬年、60萬年和不到10萬年前的其他地區(qū)。古人類遷徙應(yīng)該最有可能發(fā)生在盆地完全變成湖泊并且食物和水都非常豐足的時(shí)候。古人類可能沿著尼羅河支流向北穿過綠色的黎凡特地區(qū)，這一地區(qū)應(yīng)當(dāng)在地中海東岸。

一些證據(jù)表明，早期人類從非洲到中東的遷徙采取了多條路線。東非的潮濕情況與黎凡特和中東的類似氣候相關(guān)。在每個(gè)連續(xù)的進(jìn)動(dòng)周期中，深淡水湖泊會(huì)使古人類種群向北遷徙至埃塞俄比亞高地、西奈半島，還有一個(gè)較小的種群則遷徙至南非。

產(chǎn)生超級(jí)間冰期

為了預(yù)測(cè)下一個(gè)冰期，科學(xué)家不僅在研究軌道驅(qū)動(dòng)，還在研究溫室氣體排放。格陵蘭島和南極冰蓋中封住的氣泡在寒冷的冰期顯示出低溫室氣體濃度，而在溫暖的間冰期則顯示出高溫室氣體濃度。二氧化碳濃度通常在180～280 ppm的范圍變化，甲烷濃度通常在350 ～700 ppb的范圍變化。隨著地球系統(tǒng)從冰期反彈回暖，大氣中的二氧化碳達(dá)到峰值，然后穩(wěn)步下降直到240 ppm的臨界值（這個(gè)濃度比前工業(yè)化時(shí)代低40 ppm，比現(xiàn)在至少低170 ppm）。在這個(gè)臨界值上，軌道驅(qū)動(dòng)將地球的氣候推向另一個(gè)冰期，冰川緩慢增加，直到地球最終完全被冰川覆蓋。如果沒有人類干預(yù)，冰蓋現(xiàn)在本應(yīng)該在增加，而下一個(gè)冰期可能會(huì)在未來1 000年內(nèi)的某個(gè)時(shí)候到來。

圖4 東非的深淡水湖泊圖爾卡納湖在強(qiáng)軌道驅(qū)動(dòng)時(shí)期經(jīng)歷了極端的干濕變化。地球軌道進(jìn)動(dòng)的大幅擺動(dòng)使該地區(qū)的局部日照和降雨強(qiáng)度發(fā)生了顯著變化。這些變化導(dǎo)致了東非大裂谷中短命的深淡水湖泊?？茖W(xué)家認(rèn)為，人類進(jìn)化過程中的重大進(jìn)展與短期內(nèi)高度變化的環(huán)境條件有關(guān)。隨著湖泊在進(jìn)動(dòng)周期結(jié)束時(shí)干涸，人類的大腦可能會(huì)因環(huán)境壓力而變大

古氣候?qū)W家威廉·魯?shù)下╓illiam Ruddiman）發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的間冰期——全新世溫室氣體的變化趨勢(shì)很奇特。過去8個(gè)溫暖間冰期的每一個(gè)的冰芯記錄都表明，溫室氣體濃度起初很高，然后緩慢下降。但是，二氧化碳濃度在大約7 000年前開始上升，甲烷濃度在大約5 000年前開始上升，并且之后這些氣體的濃度并未像預(yù)期的那樣下降。魯?shù)下嵝?，人類為了開墾農(nóng)田、大規(guī)模擴(kuò)大水稻種植和發(fā)展畜牧業(yè)而砍伐森林，導(dǎo)致了大氣中二氧化碳和甲烷含量的增加。

大量溫室氣體的持續(xù)排放導(dǎo)致了間冰期延長(zhǎng)，從而產(chǎn)生了異常穩(wěn)定的氣候，并可能幫助了人類帝國(guó)的崛起。但是，這些排放量與工業(yè)革命以來人類所排放的溫室氣體相比，則是小巫見大巫。工業(yè)革命以來，大氣中的二氧化碳含量增加了47%，達(dá)到410 ppm以上，甲烷增加了250%，達(dá)到1 860 ppb以上。取決于未來的碳排放量，下一個(gè)世紀(jì)全球溫度可能會(huì)升高1.5～5.6 °C。根據(jù)氣候模型，已經(jīng)排放的溫室氣體已將下一個(gè)冰期延遲了6萬年，如圖5所示。如果溫室氣體排放量達(dá)到預(yù)測(cè)的最高水平，那么，冰期將延遲50萬年。人類對(duì)化石燃料的使用已經(jīng)產(chǎn)生了一個(gè)超級(jí)間冰期，人為因素已經(jīng)超越了軌道驅(qū)動(dòng)對(duì)地球氣候的影響。

圖5 未來的冰期取決于軌道驅(qū)動(dòng)和未來100年人類的溫室氣體排放量（實(shí)線）。根據(jù)氣候模型模擬，此處繪制的4個(gè)對(duì)應(yīng)的排放情景（①表示最高排放的情景，其次是②、③和④）表明，人為導(dǎo)致的氣候變化使軌道驅(qū)動(dòng)的影響相形見絀，并可能使下一個(gè)冰期延遲6萬年

如果人類延遲了下一個(gè)冰期，那么，第四紀(jì)可能仍是表述當(dāng)前地質(zhì)年代的合適術(shù)語。但是，如果人類永久改變了地球系統(tǒng)的冰川作用過程，一些科學(xué)家建議將當(dāng)前的這個(gè)地質(zhì)年代命名為“人類世”。關(guān)于軌道驅(qū)動(dòng)的知識(shí)為科學(xué)家提供了一個(gè)了解過去地球環(huán)境變化的框架，而新增的知識(shí)將會(huì)提高科研人員預(yù)測(cè)未來環(huán)境的能力。

資料來源Physics Today