关于冰期天文理论的简述

高晓昕

引言：冰期是地质历史上温度大幅度下降、冰川大规模扩张的时期。间冰期是两个冰期之间，相对温暖的时期。了解过去冰期-间冰期旋回的气候特征可以深入研究全球气候变化提供必要的科學依据。1830年，Lyell根据环境替代性指标，推断出古今气候存在差异这一结论以来[1]，人们一直在探寻地球上气候发生变化的原因，并提出了许多假说，包括米兰科维奇假说，气候-构造耦合等。其中米兰科维奇理论经过后人的不断探索研究，形成冰期天文理论，本文简单概述冰期天文理论的产生和发展的过程。

1提出背景

1754年，Adhémar [1] 计算了岁差，并根据这个概念提出了一个雏形的“冰期天文理论”。他认为由于南半球冬季较北半球长7天，因此南半球为冰盖；而南北半球发生冰期的周期各为11ka。 1843年，Verrier[2]首次提出地球轨道偏心率e的变化，变幅在0～6%之间，地球倾角在22°～25°。1867年，Croll[3，4]用Verrier的公式将3Ma以来的地球轨道偏心率用曲线形式表达，首先提出地球轨道的变化与冰期的关系，并发现偏心率有100ka和400ka的变化周期。并提出3个影响因子：轨道偏心率，地轴倾角和春分点位置。当偏心率较大且远日点位于冬至点附近时，某一半球冬半年温度下降、持续时间长，积雪增加，而积雪面积增大会形成正反馈，使气温进一步下降，进而形成冰盖。冰盖出现后，此半球产生冷高压，下沉冷空气向赤道流动形成强大信风，在信风驱动下海水向另一半球输送能量。即轨道偏心率和冬至点位置的变化被冰雪正反馈作用的信风洋流所放大，有利于发育冰盖。但Croll的理论太阳辐射变化值过小，很难引起显著地气候变化，因而并未得到足够重视。美天文学家 Newcomb于1901年，发现地轴倾角的变化幅度在 22°～25°之间的，而有41ka的变化周期。

2米兰科维奇理论的提出

塞尔维亚天文学家Milankovitch凭借其深厚的数学功底，得出太阳辐射变化量于地球轨道三要素之间的关系，于1930年提出冰期旋回理论。他将太阳常数看作一个衡量，认为地球自转和公转的三个重要的轨道参数：偏心率e、黄赤交角ε或地轴倾斜度和岁差p受其他天文因素的影响发生周期性变化。其中偏心率是地球绕太阳公转椭圆轨道的赤道半径与极半径之差与赤道半径之比，即某一椭圆轨道与理想圆环的偏离；黄赤交角即指地球自转轨道面与公转轨道面之间的夹角；岁差即天体的自转轴指向因为重力作用导致在空间中缓慢且连续的变化。这三个参数的变化是形成第四纪冰期和间冰期更替的主要原因。任意纬度日照量的大小用 w 来表示，则它与太阳常数s、偏心率e、黄赤交角ε和岁差p成函数关系，即：W= f （ S，e，ε，p ），其中，s变化很小可视为常数：偏心率的短周期约为100ka、长周期约为400ka；地轴倾斜度或黄赤交角的变化于22°02′～24°30′之间变动。第四纪时其变化周期为41ka～45ka；岁差值为20°，第四纪时岁差周期为19ka～23ka。同时他计算了100万年以来65°N上日照量的变化。提出地球轨道的变化引起地球大气圈接收太阳辐射能的变化，即太阳辐射能随纬度和季节配置发生周期性的变化，从而引起全球的气候的变化。当ε减小时，将导致北半球高纬度夏季太阳辐射量减少。米兰科维奇假说的核心是强调了一个敏感区- - 65°N。此区夏季太阳辐射量的减小将触发冰期气候。因此，可视其为单因素触发模型（single forcing trigger model）。敏感区内气候变冷后，由于冰雪的高反照率，其信号被进一步放大、传输，进而影响其他地区。

3理论的修正

20世纪70年代，由于新的地质年代测定技术尤其是深海氧同位素、古土壤、黄土等侧年方法的出现证实了米兰柯维奇的冰期旋回理论。其后，比利时科学家Berger等人，对冰期旋回理论进行不断修正。如100ka周期的偏心率记录对应的不是偏心率的高值期而是低值期。但Berger 等认为偏心率增大时，日地平均距离减小；偏心率减小时，日地平均距离增大，太阳常数与日地平均距离的平方成反比。偏心率由 0. 075 变为零时，地球上每年接受的辐射能减少 0.8%。将理论进行这样的修正之后，100ka周期就与地质记录相吻合了。徐钦琦等提出黄道倾斜有200～300Ma和40Ka两个变化周期，其中200～300Ma周期的黄道倾斜ε振幅达10～15°，是造成冰期与间冰期更替的主要原因。而40K周期的黄道倾斜ε振幅仅为2～3°，这种较小的振幅使高纬地区冬季增温显著，海冰迅速融化。当ε从 32°逐渐减小到10°时，按计算，其气候变迁的规律应为：l）各地年平均温度应逐渐上升；2）南北温差应逐渐缩小；3）各地的较差也逐渐缩小。地球上的大冰期-间冰期的更替是黄道倾斜角ε的10～15°振幅造成的，而ε的2～3°的小规模振幅，周期为40k，是大冰期中冰期-间冰期更替的原因。Berger 和 Loutre基于多体问题的天体力学计算表明，至少从距今6Ma以来，3个轨道参数的变化具有稳定的规律性，这3个参数互相配合产生了天文辐射曲线，辐射曲线中3 种周期都有清晰显示。

4需要解决的细节问题

Lisiecki 和 Raymo对5.3Ma以来的 57 个深海氧同位素记录进行处理和合并，显示出分段响应模式，而且冰期间冰期的变化并未完全控制低纬地区。2）记录显示，间冰期进入冰期经过2个岁差周期，而冰期进入间冰期的时间大大减少。3）北半球高纬地区的被认为是冰期间冰期的触发机制，北大西洋深层流之前也一直被认为是重要的传输机制。但近几次冰消期时，南半球和低纬地区增温早于北半球的冰量变化。4）全球温度变化非同步性，在末次冰期中两半球气候呈反相关的关系。5）两半球中纬度地区末次冰期终止开始的时候，它们的夏季日照率异常恰好相反却又不是处在极值的时刻。

结语：在米兰科维奇假说的基础上发展起来的冰期天文理论，虽然存在一些细节问题需要解决，但经过许多科学家不断探索努力，逐渐被更多的科学家关注，成为解释第四纪冰期-间冰期循环的重要假说。相信随着气候记录的方法和数据逐渐增加，冰期天文理论会不断解决现存的问题，使人们对第四纪气候变化成因加深理解。

参考文献

[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.