轨道参数变化，地球在变冷？

紫鸟曾写过一篇文章《黄赤交角的变化，地球是在变冷还是变暖？》，表达了她对这个问题的思考。她把此问题化简，只谈论地球倾角的变化及后果。她的结论是：地球倾角在变小，所以，工业化多排放的二氧化碳引起的地球变暖的效应没有显得那样严重。

这个结论固然不错，但地球的气温受到几个天文参数的影响，许多眼光敏锐的科学家对此问题有关明确的结论。我曾在此问题上花费了若干时间，我把科学家们在此问题上的结论拿来，显一下丑，班门弄斧了。

首先，地球的气温是恒定的吗？绝对不是的，它是持续变化的。如何变化的？我们仅看简单一点的。

地球自诞生以来，或者从地球上海洋完全形成后，由于火山的剧烈活动，空气中充满了二氧化碳，氮气及大量的水蒸气和非常低的氧气（也许只有今天的百分之一，那是太阳紫外线分解二氧化碳产生的），有的天文学家推测，可能气压高达几十个，地面的温度也许有二百摄氏度之高。随着二氧化碳被固定在岩石中这一过程的持续，地面的温度持续下降，但和今天比，还是很高的。

后来，曾发生了所谓的“雪球期”，就是地球上在纬度很低的地方都发生结冰的现象，有的人认为所有的地球海洋都结冰了，其他人认为在赤道附近，还有小的条状地方没有结冰。

很有趣的一点是，气候学家和地质学家们对此点是言之凿凿，但天文学家们经常持怀疑的态度。我本人不相信整个海洋都会结冰的，更不相信那个整个海洋一旦结冰，就无法回暖的说法。大陆上吹来的尘土或者火山灰往冰上一落，冰面反射太阳光的系数立即下降，冰就会融化的。冰面上薄薄的尘土层是绝佳的吸热剂。这在高纬度地区的冬春季节里是很容易见到的现象，某些科学家们竟然不知道。

除了那个特殊的时期外，地球的气温，就整体来说，比今天的温度高许多的。其中的一个原因是，当时的大陆集聚在一起，地球的海洋是一个完全的连通体。海洋的洋流可通到地球的各个部分，所以，地球的气温很高。

1，这是地球气温的变化曲线。从中可以看出，从地质时间尺度上讲，地球气温的变化是剧烈的。

这里仅显示和生命密切相关的时间段内的地球气温的变化的，从距今6亿年至今天的气温变化。

注意：地球的气温在12和22摄氏度之间变化的。今天这个数字是15度。其中图中黄色的三条是恐龙存在的时间段。那时的平均气温是22摄氏度。有的文献把此温度标为25摄氏度的。如果当时有人类存在的话，人类根本无法忍受那样的高温，会纷纷中暑而死。

几个地质事件简单介绍如下：325至250百万年前，整个大陆连在一起，称为Pangaea。175百万年前，这个大陆分裂了。70百万年前，印度板块和南极大陆分离，移向东北。4百万年前，巴拿马地峡和北美大陆相连了，大西洋和太平洋中间部分不再相通。以前联通的洋流被截断了。

55百万年前，地球上发生了古新世和始新世极热事件（Paleocene-Eocene Thermal Maximum, PETM）当时，大气层中二氧化碳逐渐增加，整个地球气温增高。见下面图表。对于此事件的描述，不同的文献用的数据不同。根据此表中的数据，那时的地球平均气温比今天高14-15度，也就是高达28-29度。在那个时代，加拿大的哈德森湾附近生长着棕榈树。从那时起，地球的平均气温就持续下降。从距今3千万年起，这个趋势就更明显了。

一个有趣的事实是，地质学家、气候学家和天文学家们引用的文献数据，经常是有微妙的差别的。

2，注意，从三千万年起，地球的气温就呈缓慢下降的趋势。

在巴拿马海峡关闭不久，周期性的冰川才在北半球出现。很自然，许多气候学家认为这个海峡的关闭与北半球周期性的冰川有关系，而气候学家william Ruddiman却不这样看。

地球上出现周期性的冰川，主要是指北半球的大陆（排除格陵兰岛）上出现冰川。南半球的大陆几乎不出现冰川（不包括南极大陆）。

这个现象显然和地球南北半球的大陆分布有关。南半球除了南极大陆外，所有的陆地都在南纬60度以北，并且海洋占主导地位。而北半球的大陆在北纬65度以北的面积是很大的。特别是阿拉斯加半岛，挡住了海洋的洋流进入北冰洋的水量，白领海峡是很窄小的。

丛三百万年左右开始，北半球就进入了周期性的冰川期。并且其趋势是气温持续下降。见下图。

3，这是科学家们从南极和格陵兰岛的冰川和深海沉积物取样分析的结果

从三百万年起，北半球的气温逐渐下降。从90万年起，冰川的周期发生变化。具体的数据是从北半球出现周期性的冰川起，冰川出现的周期有22000年，41000年和100000年三种周期的混合物。上图是近些年科学家们从南极和格陵兰岛的冰川中钻探冰样和深海中沉淀物样本进行分析，而得到的精细结果。主要是对样本中氧的同位素的含量分析及数学处理而得到的。

从三百万年起，冰川的周期是三种都有：22000年、41000年和100000年。从90万年起，冰川的周期基本只显示100000年的周期，小的周期几乎消失了。

这是什么原因？

今天认为，北半球出现的周期性冰川是地球轨道参数发生周期性变化的结果。这个称为Milankovitch 周期。见下图。

4，其中，ε是地球倾角大小。e是地球轨道的扁心率。这二个参数的变化都不是线性的，也不是规则的。这二个参数的变化，用数学解析的结果就是下面的黑线表达的内容。那是北纬65度接受的太阳辐射热量的变化。注意：从现今起始线后面的微小变化的趋势。这是我们地球未来命运的所系。

这三种周期中，地球绕太阳旋转的轨道不是圆，而是椭圆，其中太阳位于其中的一个焦点上。这个椭圆也在变化，就导致了地球离太阳的距离在100000年的周期上变化。这个变化主导了地球北半球冰川的周期性变化。

地球的自传轴并不和它绕太阳公转的平面垂直，而是有一个23.5度的夹角。地球在自传，它本身也不是一个质量严格球对称的球体，它在赤道部分突出，并且其中的大陆在慢慢漂移。由于太阳对它的引力作用和月亮对它的引力，还有木星对它的引力。这些引力的合力使得地球自转轴在周期性摆动。这个现象叫做地球的Axial Precession。这相当于玩陀螺，当陀螺的旋转速度降低到一定数值时，陀螺的旋转轴就开始摆动。这个角度越来越大。若速度低到一定值时，陀螺无法保持旋转的姿态，最后倒下。对于地球自转轴的摆动，如果它的角度保持恒定，那么地球的倾角就是恒定的。但是这个角度是在变化的。它大约从22.2度到24.5度之间变化。当然，这个变化不是线性的，也不是规则的。它的周期大约是41000年。

地球自转轴的摆动的周大约是26000年，而倾角的变化周期大约是41000年。这两个周期的相互作用的结果是，地球公转轨道上的Cardinal Point在慢慢漂移。这个漂移称为“the Precession of the Equinoxes”。它的的周期是22000年。导致这两个周期不同的原因和月亮的朔望月和恒星月不同是一个道理，朔望月要比恒星月长。

这个现象的描述见下图。

5，这个图示表示了地球轴的Precession 而导致了the Precession of the Equinoxes。

地球公转轨道上Cardinal Point的漂移，导致北半球的季节发生的位置在慢慢变动。今天北半球的夏天在发生在地球距太阳的远日点附近；而11000年前，夏天则发生是相对的一面，即近日点附近。这个变化导致北半球春夏和秋冬季节太阳光照总时间不同，影响了高纬度地球的热量平衡。

地球倾角的变化周期和轴摆动的周期不是两个截然不相干的现象，而是科学家们为了好理解，用数学的办法，把二者分解开的结果。

而地球的倾角的变化对高纬度地球太阳辐射量的影响很大。

要理解地球气温的变化，要知道其中有两种反馈环存在：一种是正反馈环；一种是负反馈环。正反馈环导致不稳定，通常是振荡系统；而负反馈环导致稳定。气温的复杂就在于这两种反馈环交织在一起。简单地说：有关水的有两个正反馈环：水蒸气是一种温室气体。地面的气温上升，导致更多的水蒸气在空气中。更多的水蒸气导致地面温度更高。当然，这只在一定范围内有效。当空气中的水蒸气达到一定量时，云层变厚，从而导致入射的太阳光减少。在这个范围内，水蒸气的作用又转化为反馈了。从另一个方向上讲，当空气的温度降低，空气中的水蒸气减少，这样的结果导致空气的温度进一步降低。当然，最后这个作用是有限制的。这一反馈环对地球气温大尺度时间上的不稳定作用比较小。

第二个正反馈环是：冰反射率的影响。一个地区地面上形成冰或者雪。更多的雪反射回去了更多的太阳光。这样导致更冷。这个反馈环对冰川期的作用有重大影响。

还有一个反馈环：二氧化碳。在冰川期间的时间尺度如几十年、百年、千年或万年的尺度上，二氧化碳的作用是放大地球天文参数变化而引起的温度变化。这是正反馈环。当海水的温度降低，导致水吸收了更加的二氧化碳；空气中二氧化碳的降低导致温度更低。若温度变高，海水、陆地上释放二氧化碳。这个的结果导致温度更高。但在几十万或百万及更长的时间尺度上，二氧化碳通过地质板块的作用，对地球的温度起负反馈的作用，这样会稳定气温。

知道这些反馈环的性质对于理解地球气温的变化是极端重要的。

北半球出现的冰川，不是因为冬季是多么寒冷，而主要取决于夏天时分太阳辐射量是否足够融合冬季里形成的冰雪。

我们再回过头来看地球气温的变化，见图3。地球气温从三千万年以来，逐渐下降。从三百万年开始，周期性的冰川在北半球上反复出现。冰川的周期呈现22000年、41000年和100000年。从距今900000年开始，小的周期基本消失了，剩下的只有100000年的周期。从目前获得的数据看，北半球共出现了至少40-50个冰川周期，这主要取决于你对多么大的波动算作是冰川期。

对于这种现象的解释是：不要误解为地球的间冰期变长了，从而推断地球的气温在升高。而是相反：随着地球气温的变冷，原来在22000年和41000年的周期上，太阳辐射的热量不足以完全融化北半球大陆上的冰川。以前的相邻两个或多个周期，现在已经连在了一起了。只有在三种周期相叠加时，夏天时，高纬度地区的太阳辐射热才能够完全融化北半球大陆的冰川。从三百万年至二百万年期间，大陆上冰川存在的时间区间少于50%；而从900000年开始，大陆冰川存在的区间大于90%。

现今，加拿大Baffin 岛在夏天仅有一到二个月的没有冰时期。如果这个时期减少到零，那么，就意味着冰会累积，从而导致冰川期来临。就算这个岛的某处的冰雪在夏天时分不能完全融化。要累积到很大的体积，影响到南方的地方，那至少需要几百年的时间或更长。在此过程中，大自然知道如何去解决人类不断膨胀的人口问题的。

既然地球的轨道参数的变化决定了北半球冰川期的循环，而冰川周期仅从三百万年才出现。那么，更早的时期，地球的轨道参数就不变化吗？很明显，地球轨道参数变化是早就存在的。早时没有冰川出现，那是地球的大陆没有阻挡海水洋流全球性的循环。热量的分布几乎不受地球轨道参数变化的影响。

另一方面，月球的存在对地球的轨道起稳定的作用。但月球是离地球越来越远，就是说月球对地球轨道的稳定作用越来越弱。月球和太阳对地球的影响使地球的自转周期越来越长，就是地球自转越来越慢。当转速慢到一定临界点上，地球自转轴的摄动幅度就变大。这在转陀螺时是很明显的。所以，地球轴的摄动幅度是缓慢增大的，这是指大尺度时间上说的。

最近一次冰川期，体积最大时期发生在大约20000年。大约11000年前，北半球高纬度接受的太阳辐射热达到最大值，就是轴的倾角最大。从距今16000年至6000年前，北半球大陆（排除格陵兰岛）的冰川完全融化了。北半球夏天温度最高时期是发生在距今8000年左右。冰川的融化和太阳辐射热增加有几千年的“滞后期”。具体的温度变化见下图。

6，这是最近一次冰川结束时至今的地球气温的变化曲线。注意，在8千和6千年间的两次高峰就是地球的温暖期。大禹的所谓“治水”，就是等待温度降下去后，海平面又恢复了原来位置的结果。

在距今七八千年，加拿大北极群岛Ellesmere Island 北部（北纬80多度）的冰完全融化了，那里曾生长过柳树，虽然很矮小。前几年发现，当夏天时冰雪融化了，树枝仍然保存完好。在距今六七千年间，加拿大北极群岛的冰大部分都融化了。海平面比今天高几米。中国的海岸线在从北面的昌黎、天津、献县、德州、济南、赣榆、灌云、涟水、扬中、无锡、苏州和嘉兴一线。

这个时期就是传说的大禹治水时期。那时的平均气温比现今高2-3摄氏度。华北平原的季风雨比现今强烈而潮湿。华北平原的大部分地区大规模生长竹子。大象群出没于华北平原上。中国的仰韶文化就是在这个温暖期开始繁荣的。

从那个温暖期过后，地球的气温就缓慢变低。在近五千年期间地球的气温大致保持稳定。按照二氧化碳的特性，在地球气温降低的趋势下，它的含量会慢慢降低的。但从距今8000年起，二氧化碳的含量改变了降低的趋势，慢地上升。气候学家William Ruddiman 认为，这是人类大规模开始农业活动，大规模砍伐树林，而导致的现象。大气层中甲烷的含量从距今5000年左右就开始上升。他还认为，亚洲农民大规模种植水稻而导致的结果。甲烷是一种温室气体。就单个分子而言，甲烷的温室效果是二氧化碳分子的24倍，因为它的一个分子含有4个原子。甲烷在大气层里存在的时间段大约是10年。大气层中甲烷的含量是10年间自然和人为因素产生的甲烷的累积量。他进而推断，人类几千年的活动，大气层中二氧化碳和甲烷量的增加，实际上改变了地球走向下一次冰川期的趋势。他那本书“Plows, Plagues, and Petroleum”它的副标题是How Humans Took Control of Climate。其实，他书中论述的本意是How humans affected the climate。

我们再来看地球的天文参数的变化及其影响。虽然地球的倾角在向小的方向变化，但把它和地球轨道远近的变化结合起来，结果就不同了。这是把观察的天文数据和数学处理技术结合起来，专家们得到的目前最好的结果。注意绿色线，那是地球扁心率的变化，目前正在向小的方向变化的。二者的结合，最终的结果是北纬65度接受的太阳辐射热量的变化是：目前几乎达到了最小值，接着是向增大的方向演化。在这样的趋势下，二氧化碳的温室效应是正反馈，而不是负反馈。这是问题的关键点。

7，这是把地球倾角的变化分解和地球轨道远近变化综合起来作用的对比图。如果这个数学处理是正确的，地球气温的变化趋势就是变暖，而不是变冷。如果仅观察一年或几年的气温记录就下断言，他们根本不知道统计特性指的是什么，就要讨论地球气温长期的变化是什么。那样的思维简直就是在开玩笑。上帝会无情地嘲笑人类的愚蠢！

这是北纬65度夏天时分接受的太阳辐射热。其中的绿色是地球的倾角单独的贡献。注意，其综合的结果是目前此值已达到最小了，接着向增加的方向演化。

John Imbrie 于1979年的书中就预言，人类排放的二氧化碳起的作用，会在未来千年的数量级上，使地球温度增加到一定数值。海平面上升，对于地球来说那是忽略不计的小事一桩。是上升80米还是20米，地球在乎吗？此后，地球的气温就会慢慢滑向下一次冰川期的。就算人类把所有的地下燃料都挖出来，烧掉了，那也无法挽救地球最终走向下一次冰川期。

The Global Carbon Cycle 一书的作者David Archer在该书的结尾谨慎地说：最坏的情况是，人类释放的二氧化碳通过正反馈环的作用，导致大自然会释放更多的二氧化碳。这个反馈环如果太强烈，大概会导致气候系统如此不稳定，它会使地质上变化比以往更剧烈。由于地球生物圈和碳循环比人类能想像的更有创造性，我们还不得不等待和观望。“We’ll have to wait and see。”

地球是变热还是变冷，它会遵循自己的法则行事。人类怎么活？地球一点都不关心的！这就是无情的事实。

我抄的书单如下：John Imbrie：“Ice Ages _Solving The Mystery”、William Ruddiman：“Plows, Plagues, Petroleum”、James Kasting：“How to Find a Habitable Planet”、David Archer：”The Global Carbon Cycle”。

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