關于冰期天文理論的簡述

高曉昕

引言：冰期是地質歷史上溫度大幅度下降、冰川大規模擴張的時期。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依據。1830年，Lyell根據環境替代性指標，推斷出古今氣候存在差異這一結論以來[1]，人們一直在探尋地球上氣候發生變化的原因，并提出了許多假說，包括米蘭科維奇假說，氣候-構造耦合等。其中米蘭科維奇理論經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生和發展的過程。

1提出背景

1754年，Adhémar [1] 計算了歲差，并根據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系，并發現偏心率有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。冰蓋出現后，此半球產生冷高壓，下沉冷空氣向赤道流動形成強大信風，在信風驅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洋流所放大，有利于發育冰蓋。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。美天文學家 Newcomb于1901年，發現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

塞爾維亞天文學家Milankovitch憑借其深厚的數學功底，得出太陽輻射變化量于地球軌道三要素之間的關系，于1930年提出冰期旋回理論。他將太陽常數看作一個衡量，認為地球自轉和公轉的三個重要的軌道參數：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生周期性變化。其中偏心率是地球繞太陽公轉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的偏離；黃赤交角即指地球自轉軌道面與公轉軌道面之間的夾角；歲差即天體的自轉軸指向因為重力作用導致在空間中緩慢且連續的變化。這三個參數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s、偏心率e、黃赤交角ε和歲差p成函數關系，即：W= f （ S，e，ε，p ），其中，s變化很小可視為常數：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配置發生周期性的變化，從而引起全球的氣候的變化。當ε減小時，將導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了一個敏感區- - 65°N。此區夏季太陽輻射量的減小將觸發冰期氣候。因此，可視其為單因素觸發模型（single forcing trigger model）。敏感區內氣候變冷后，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。

3理論的修正

20世紀70年代，由于新的地質年代測定技術尤其是深海氧同位素、古土壤、黃土等側年方法的出現證實了米蘭柯維奇的冰期旋回理論。其后，比利時科學家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??；偏心率減小時，日地平均距離增大，太陽常數與日地平均距離的平方成反比。偏心率由 0. 075 變為零時，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冬季增溫顯著，海冰迅速融化。當ε從 32°逐漸減小到10°時，按計算，其氣候變遷的規律應為：l）各地年平均溫度應逐漸上升；2）南北溫差應逐漸縮小；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計算表明，至少從距今6Ma以來，3個軌道參數的變化具有穩定的規律性，這3個參數互相配合產生了天文輻射曲線，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，顯示出分段響應模式，而且冰期間冰期的變化并未完全控制低緯地區。2）記錄顯示，間冰期進入冰期經過2個歲差周期，而冰期進入間冰期的時間大大減少。3）北半球高緯地區的被認為是冰期間冰期的觸發機制，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的關系。5）兩半球中緯度地區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。

結語：在米蘭科維奇假說的基礎上發展起來的冰期天文理論，雖然存在一些細節問題需要解決，但經過許多科學家不斷探索努力，逐漸被更多的科學家關注，成為解釋第四紀冰期-間冰期循環的重要假說。相信隨著氣候記錄的方法和數據逐漸增加，冰期天文理論會不斷解決現存的問題，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.