軌道參數變化，地球在變冷？

紫鳥曾寫過一篇文章《黃赤交角的變化，地球是在變冷還是變暖？》，表達了她對這個問題的思考。她把此問題化簡，只談論地球傾角的變化及後果。她的結論是：地球傾角在變小，所以，工業化多排放的二氧化碳引起的地球變暖的效應沒有顯得那樣嚴重。

這個結論固然不錯，但地球的氣溫受到幾個天文參數的影響，許多眼光敏銳的科學家對此問題有關明確的結論。我曾在此問題上花費了若干時間，我把科學家們在此問題上的結論拿來，顯一下丑，班門弄斧了。

首先，地球的氣溫是恆定的嗎？絕對不是的，它是持續變化的。如何變化的？我們僅看簡單一點的。

地球自誕生以來，或者從地球上海洋完全形成後，由於火山的劇烈活動，空氣中充滿了二氧化碳，氮氣及大量的水蒸氣和非常低的氧氣（也許只有今天的百分之一，那是太陽紫外線分解二氧化碳產生的），有的天文學家推測，可能氣壓高達幾十個，地面的溫度也許有二百攝氏度之高。隨着二氧化碳被固定在岩石中這一過程的持續，地面的溫度持續下降，但和今天比，還是很高的。

後來，曾發生了所謂的“雪球期”，就是地球上在緯度很低的地方都發生結冰的現象，有的人認為所有的地球海洋都結冰了，其他人認為在赤道附近，還有小的條狀地方沒有結冰。

很有趣的一點是，氣候學家和地質學家們對此點是言之鑿鑿，但天文學家們經常持懷疑的態度。我本人不相信整個海洋都會結冰的，更不相信那個整個海洋一旦結冰，就無法回暖的說法。大陸上吹來的塵土或者火山灰往冰上一落，冰面反射太陽光的係數立即下降，冰就會融化的。冰面上薄薄的塵土層是絕佳的吸熱劑。這在高緯度地區的冬春季節里是很容易見到的現象，某些科學家們竟然不知道。

除了那個特殊的時期外，地球的氣溫，就整體來說，比今天的溫度高許多的。其中的一個原因是，當時的大陸集聚在一起，地球的海洋是一個完全的連通體。海洋的洋流可通到地球的各個部分，所以，地球的氣溫很高。

1，這是地球氣溫的變化曲線。從中可以看出，從地質時間尺度上講，地球氣溫的變化是劇烈的。

這裡僅顯示和生命密切相關的時間段內的地球氣溫的變化的，從距今6億年至今天的氣溫變化。

注意：地球的氣溫在12和22攝氏度之間變化的。今天這個數字是15度。其中圖中黃色的三條是恐龍存在的時間段。那時的平均氣溫是22攝氏度。有的文獻把此溫度標為25攝氏度的。如果當時有人類存在的話，人類根本無法忍受那樣的高溫，會紛紛中暑而死。

幾個地質事件簡單介紹如下：325至250百萬年前，整個大陸連在一起，稱為Pangaea。175百萬年前，這個大陸分裂了。70百萬年前，印度板塊和南極大陸分離，移向東北。4百萬年前，巴拿馬地峽和北美大陸相連了，大西洋和太平洋中間部分不再相通。以前聯通的洋流被截斷了。

55百萬年前，地球上發生了古新世和始新世極熱事件（Paleocene-Eocene Thermal Maximum, PETM）當時，大氣層中二氧化碳逐漸增加，整個地球氣溫增高。見下面圖表。對於此事件的描述，不同的文獻用的數據不同。根據此表中的數據，那時的地球平均氣溫比今天高14-15度，也就是高達28-29度。在那個時代，加拿大的哈德森灣附近生長着棕櫚樹。從那時起，地球的平均氣溫就持續下降。從距今3千萬年起，這個趨勢就更明顯了。

一個有趣的事實是，地質學家、氣候學家和天文學家們引用的文獻數據，經常是有微妙的差別的。

2，注意，從三千萬年起，地球的氣溫就呈緩慢下降的趨勢。

在巴拿馬海峽關閉不久，周期性的冰川才在北半球出現。很自然，許多氣候學家認為這個海峽的關閉與北半球周期性的冰川有關係，而氣候學家william Ruddiman卻不這樣看。

地球上出現周期性的冰川，主要是指北半球的大陸（排除格陵蘭島）上出現冰川。南半球的大陸幾乎不出現冰川（不包括南極大陸）。

這個現象顯然和地球南北半球的大陸分布有關。南半球除了南極大陸外，所有的陸地都在南緯60度以北，並且海洋占主導地位。而北半球的大陸在北緯65度以北的面積是很大的。特別是阿拉斯加半島，擋住了海洋的洋流進入北冰洋的水量，白領海峽是很窄小的。

叢三百萬年左右開始，北半球就進入了周期性的冰川期。並且其趨勢是氣溫持續下降。見下圖。

3，這是科學家們從南極和格陵蘭島的冰川和深海沉積物取樣分析的結果

從三百萬年起，北半球的氣溫逐漸下降。從90萬年起，冰川的周期發生變化。具體的數據是從北半球出現周期性的冰川起，冰川出現的周期有22000年，41000年和100000年三種周期的混合物。上圖是近些年科學家們從南極和格陵蘭島的冰川中鑽探冰樣和深海中沉澱物樣本進行分析，而得到的精細結果。主要是對樣本中氧的同位素的含量分析及數學處理而得到的。

從三百萬年起，冰川的周期是三種都有：22000年、41000年和100000年。從90萬年起，冰川的周期基本只顯示100000年的周期，小的周期幾乎消失了。

這是什麼原因？

今天認為，北半球出現的周期性冰川是地球軌道參數發生周期性變化的結果。這個稱為Milankovitch 周期。見下圖。

4，其中，ε是地球傾角大小。e是地球軌道的扁心率。這二個參數的變化都不是線性的，也不是規則的。這二個參數的變化，用數學解析的結果就是下面的黑線表達的內容。那是北緯65度接受的太陽輻射熱量的變化。注意：從現今起始線後面的微小變化的趨勢。這是我們地球未來命運的所系。

這三種周期中，地球繞太陽旋轉的軌道不是圓，而是橢圓，其中太陽位於其中的一個焦點上。這個橢圓也在變化，就導致了地球離太陽的距離在100000年的周期上變化。這個變化主導了地球北半球冰川的周期性變化。

地球的自傳軸並不和它繞太陽公轉的平面垂直，而是有一個23.5度的夾角。地球在自傳，它本身也不是一個質量嚴格球對稱的球體，它在赤道部分突出，並且其中的大陸在慢慢漂移。由於太陽對它的引力作用和月亮對它的引力，還有木星對它的引力。這些引力的合力使得地球自轉軸在周期性擺動。這個現象叫做地球的Axial Precession。這相當於玩陀螺，當陀螺的旋轉速度降低到一定數值時，陀螺的旋轉軸就開始擺動。這個角度越來越大。若速度低到一定值時，陀螺無法保持旋轉的姿態，最後倒下。對於地球自轉軸的擺動，如果它的角度保持恆定，那麼地球的傾角就是恆定的。但是這個角度是在變化的。它大約從22.2度到24.5度之間變化。當然，這個變化不是線性的，也不是規則的。它的周期大約是41000年。

地球自轉軸的擺動的周大約是26000年，而傾角的變化周期大約是41000年。這兩個周期的相互作用的結果是，地球公轉軌道上的Cardinal Point在慢慢漂移。這個漂移稱為“the Precession of the Equinoxes”。它的的周期是22000年。導致這兩個周期不同的原因和月亮的朔望月和恆星月不同是一個道理，朔望月要比恆星月長。

這個現象的描述見下圖。

5，這個圖示表示了地球軸的Precession 而導致了the Precession of the Equinoxes。

地球公轉軌道上Cardinal Point的漂移，導致北半球的季節發生的位置在慢慢變動。今天北半球的夏天在發生在地球距太陽的遠日點附近；而11000年前，夏天則發生是相對的一面，即近日點附近。這個變化導致北半球春夏和秋冬季節太陽光照總時間不同，影響了高緯度地球的熱量平衡。

地球傾角的變化周期和軸擺動的周期不是兩個截然不相干的現象，而是科學家們為了好理解，用數學的辦法，把二者分解開的結果。

而地球的傾角的變化對高緯度地球太陽輻射量的影響很大。

要理解地球氣溫的變化，要知道其中有兩種反饋環存在：一種是正反饋環；一種是負反饋環。正反饋環導致不穩定，通常是振盪系統；而負反饋環導致穩定。氣溫的複雜就在於這兩種反饋環交織在一起。簡單地說：有關水的有兩個正反饋環：水蒸氣是一種溫室氣體。地面的氣溫上升，導致更多的水蒸氣在空氣中。更多的水蒸氣導致地面溫度更高。當然，這只在一定範圍內有效。當空氣中的水蒸氣達到一定量時，雲層變厚，從而導致入射的太陽光減少。在這個範圍內，水蒸氣的作用又轉化為反饋了。從另一個方向上講，當空氣的溫度降低，空氣中的水蒸氣減少，這樣的結果導致空氣的溫度進一步降低。當然，最後這個作用是有限制的。這一反饋環對地球氣溫大尺度時間上的不穩定作用比較小。

第二個正反饋環是：冰反射率的影響。一個地區地面上形成冰或者雪。更多的雪反射回去了更多的太陽光。這樣導致更冷。這個反饋環對冰川期的作用有重大影響。

還有一個反饋環：二氧化碳。在冰川期間的時間尺度如幾十年、百年、千年或萬年的尺度上，二氧化碳的作用是放大地球天文參數變化而引起的溫度變化。這是正反饋環。當海水的溫度降低，導致水吸收了更加的二氧化碳；空氣中二氧化碳的降低導致溫度更低。若溫度變高，海水、陸地上釋放二氧化碳。這個的結果導致溫度更高。但在幾十萬或百萬及更長的時間尺度上，二氧化碳通過地質板塊的作用，對地球的溫度起負反饋的作用，這樣會穩定氣溫。

知道這些反饋環的性質對於理解地球氣溫的變化是極端重要的。

北半球出現的冰川，不是因為冬季是多麼寒冷，而主要取決於夏天時分太陽輻射量是否足夠融合冬季里形成的冰雪。

我們再回過頭來看地球氣溫的變化，見圖3。地球氣溫從三千萬年以來，逐漸下降。從三百萬年開始，周期性的冰川在北半球上反覆出現。冰川的周期呈現22000年、41000年和100000年。從距今900000年開始，小的周期基本消失了，剩下的只有100000年的周期。從目前獲得的數據看，北半球共出現了至少40-50個冰川周期，這主要取決於你對多麼大的波動算作是冰川期。

對於這種現象的解釋是：不要誤解為地球的間冰期變長了，從而推斷地球的氣溫在升高。而是相反：隨着地球氣溫的變冷，原來在22000年和41000年的周期上，太陽輻射的熱量不足以完全融化北半球大陸上的冰川。以前的相鄰兩個或多個周期，現在已經連在了一起了。只有在三種周期相疊加時，夏天時，高緯度地區的太陽輻射熱才能夠完全融化北半球大陸的冰川。從三百萬年至二百萬年期間，大陸上冰川存在的時間區間少於50%；而從900000年開始，大陸冰川存在的區間大於90%。

現今，加拿大Baffin 島在夏天僅有一到二個月的沒有冰時期。如果這個時期減少到零，那麼，就意味着冰會累積，從而導致冰川期來臨。就算這個島的某處的冰雪在夏天時分不能完全融化。要累積到很大的體積，影響到南方的地方，那至少需要幾百年的時間或更長。在此過程中，大自然知道如何去解決人類不斷膨脹的人口問題的。

既然地球的軌道參數的變化決定了北半球冰川期的循環，而冰川周期僅從三百萬年才出現。那麼，更早的時期，地球的軌道參數就不變化嗎？很明顯，地球軌道參數變化是早就存在的。早時沒有冰川出現，那是地球的大陸沒有阻擋海水洋流全球性的循環。熱量的分布幾乎不受地球軌道參數變化的影響。

另一方面，月球的存在對地球的軌道起穩定的作用。但月球是離地球越來越遠，就是說月球對地球軌道的穩定作用越來越弱。月球和太陽對地球的影響使地球的自轉周期越來越長，就是地球自轉越來越慢。當轉速慢到一定臨界點上，地球自轉軸的攝動幅度就變大。這在轉陀螺時是很明顯的。所以，地球軸的攝動幅度是緩慢增大的，這是指大尺度時間上說的。

最近一次冰川期，體積最大時期發生在大約20000年。大約11000年前，北半球高緯度接受的太陽輻射熱達到最大值，就是軸的傾角最大。從距今16000年至6000年前，北半球大陸（排除格陵蘭島）的冰川完全融化了。北半球夏天溫度最高時期是發生在距今8000年左右。冰川的融化和太陽輻射熱增加有幾千年的“滯後期”。具體的溫度變化見下圖。

6，這是最近一次冰川結束時至今的地球氣溫的變化曲線。注意，在8千和6千年間的兩次高峰就是地球的溫暖期。大禹的所謂“治水”，就是等待溫度降下去後，海平面又恢復了原來位置的結果。

在距今七八千年，加拿大北極群島Ellesmere Island 北部（北緯80多度）的冰完全融化了，那裡曾生長過柳樹，雖然很矮小。前幾年發現，當夏天時冰雪融化了，樹枝仍然保存完好。在距今六七千年間，加拿大北極群島的冰大部分都融化了。海平面比今天高几米。中國的海岸線在從北面的昌黎、天津、獻縣、德州、濟南、贛榆、灌雲、漣水、揚中、無錫、蘇州和嘉興一線。

這個時期就是傳說的大禹治水時期。那時的平均氣溫比現今高2-3攝氏度。華北平原的季風雨比現今強烈而潮濕。華北平原的大部分地區大規模生長竹子。大象群出沒於華北平原上。中國的仰韶文化就是在這個溫暖期開始繁榮的。

從那個溫暖期過後，地球的氣溫就緩慢變低。在近五千年期間地球的氣溫大致保持穩定。按照二氧化碳的特性，在地球氣溫降低的趨勢下，它的含量會慢慢降低的。但從距今8000年起，二氧化碳的含量改變了降低的趨勢，慢地上升。氣候學家William Ruddiman 認為，這是人類大規模開始農業活動，大規模砍伐樹林，而導致的現象。大氣層中甲烷的含量從距今5000年左右就開始上升。他還認為，亞洲農民大規模種植水稻而導致的結果。甲烷是一種溫室氣體。就單個分子而言，甲烷的溫室效果是二氧化碳分子的24倍，因為它的一個分子含有4個原子。甲烷在大氣層里存在的時間段大約是10年。大氣層中甲烷的含量是10年間自然和人為因素產生的甲烷的累積量。他進而推斷，人類幾千年的活動，大氣層中二氧化碳和甲烷量的增加，實際上改變了地球走向下一次冰川期的趨勢。他那本書“Plows, Plagues, and Petroleum”它的副標題是How Humans Took Control of Climate。其實，他書中論述的本意是How humans affected the climate。

我們再來看地球的天文參數的變化及其影響。雖然地球的傾角在向小的方向變化，但把它和地球軌道遠近的變化結合起來，結果就不同了。這是把觀察的天文數據和數學處理技術結合起來，專家們得到的目前最好的結果。注意綠色線，那是地球扁心率的變化，目前正在向小的方向變化的。二者的結合，最終的結果是北緯65度接受的太陽輻射熱量的變化是：目前幾乎達到了最小值，接着是向增大的方向演化。在這樣的趨勢下，二氧化碳的溫室效應是正反饋，而不是負反饋。這是問題的關鍵點。

7，這是把地球傾角的變化分解和地球軌道遠近變化綜合起來作用的對比圖。如果這個數學處理是正確的，地球氣溫的變化趨勢就是變暖，而不是變冷。如果僅觀察一年或幾年的氣溫記錄就下斷言，他們根本不知道統計特性指的是什麼，就要討論地球氣溫長期的變化是什麼。那樣的思維簡直就是在開玩笑。上帝會無情地嘲笑人類的愚蠢！

這是北緯65度夏天時分接受的太陽輻射熱。其中的綠色是地球的傾角單獨的貢獻。注意，其綜合的結果是目前此值已達到最小了，接着向增加的方向演化。

John Imbrie 於1979年的書中就預言，人類排放的二氧化碳起的作用，會在未來千年的數量級上，使地球溫度增加到一定數值。海平面上升，對於地球來說那是忽略不計的小事一樁。是上升80米還是20米，地球在乎嗎？此後，地球的氣溫就會慢慢滑向下一次冰川期的。就算人類把所有的地下燃料都挖出來，燒掉了，那也無法挽救地球最終走向下一次冰川期。

The Global Carbon Cycle 一書的作者David Archer在該書的結尾謹慎地說：最壞的情況是，人類釋放的二氧化碳通過正反饋環的作用，導致大自然會釋放更多的二氧化碳。這個反饋環如果太強烈，大概會導致氣候系統如此不穩定，它會使地質上變化比以往更劇烈。由於地球生物圈和碳循環比人類能想像的更有創造性，我們還不得不等待和觀望。“We’ll have to wait and see。”

地球是變熱還是變冷，它會遵循自己的法則行事。人類怎麼活？地球一點都不關心的！這就是無情的事實。

我抄的書單如下：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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