天体力学与地球冰期的神秘关联

2020-08-28

世界科学 2020年8期

乌干达玛格丽塔冰川，位于鲁文佐里山脉，是尼罗河的水源地之一

数百万年来，温度逐渐下降和急剧上升深刻影响地球的生存环境，进而影响我们人类自身的进化。

1941年，塞尔维亚杰出数学家和气候学家米卢廷·米兰科维奇（Milutin Milankovich）提出假说：地球轨道的变化使地球的气候在冰期和间冰期之间交替。这个理论的关键是北极圈稍微以南的北纬65度（65°N）的日照量（太阳辐射）。在这个纬度，日照量会出现25%的季节性浮动。米兰科维奇认为，夏季日照量的减少使一些冬季结冰得以留存。冰雪每年都在北纬65度附近积聚，这样几千年累积下来，最终形成足以触发冰期的大冰盖。

30年后，3名科学家利用国际大洋科学钻探计划（International Ocean Drilling Program）钻取的深海沉积岩芯，联手验证了米兰科维奇的理论。詹姆斯·海斯（James Hays）通过研究岩芯中的海洋微化石，估计了过去的海面温度。尼古拉斯·沙克尔顿（Nicholas Shackleton）测量了沉积物层中的氧同位素组成，从中发现过去全球冰量的变化。而团队的最后一名成员约翰·英布里（John Imbrie）则为该项目带来了时序分析方面的专业知识。1976年，他们发表了一篇开创性的论文，表明他们研究的气候记录包含了与描述地球轨道的3个参数相同的时间循环，如图1所示。

图1 米兰科维奇循环（Milankovitch cycles）包含地球运动的三种变化。a.离心率描述了地球绕太阳运动轨道的形状，从近似圆形变为椭圆形，变化周期约为9.6万年。b.斜率是地球自转轴相对于其轨道平面的倾斜度，变化周期约为4.1万年。c.进动包括地球自转轴的旋转及地球轨道随时间的变化，这两个部分共同作用产生了大约2.2万年的变化周期这三个参数是：离心率（eccentricity）、斜率（obliq uity）和进动（precession）。

离心率描述了地球绕太阳运动轨道的形状。当地球受到木星牵引时，它的轨道会在9.6万年的时间周期内从近似正圆形变为椭圆形，这会导致总日照量的微小变化。在4.1万年的周期内，斜率（地球自转轴相对于其轨道平面的倾斜度）在21.8 ° ～24.4 ° 之间波动，目前为23.4 ° 。较大的斜率会产生地球夏季和冬季之间更大的日照差。

第三个轨道参数是进动，周期为2.17万年，影响着地球的近日点。在每个半球的夏季，进动对热带地区的影响最大。太阳和月球的潮汐力被地球的扁球体形状放大，形成进动的一个组成部分。这些力在地球上施加陀螺运动，从而改变其自转轴的方向。进动的第二个组成部分使地球的整个公转轨道在太空中绕太阳运动，轨迹类似于花朵的花瓣，如图1c所示。

大冰期

在过去250万年中，地球大约经历了50个较大的冰期，每个冰期都极大改变了地球的气候。在2.1万年前的最后一个冰期，一块几乎连续的冰盖横跨北美，其最厚处横跨现在的哈德逊湾，冰盖的深度超过两英里，向南一直延伸到纽约市和俄亥俄州的辛辛那提。不列颠-爱尔兰冰盖向南延伸至诺福克，而斯堪的纳维亚冰盖从挪威延伸至俄罗斯的乌拉尔山脉。在南半球，大冰盖覆盖了南美洲巴塔哥尼亚沙漠、南非、澳大利亚南部和新西兰。所有这些冰盖都蓄积了大量的水，使得全球海平面下降了120 米。但是，如果今天南极和格陵兰岛的冰全部融化，海平面只会上升70 米。

地球轨道的微小晃动是如何导致这些冰期的？夏天的温度必须首先降低一点，由此导致的冰雪积聚则增加了地球的反照率，即地球向太空反射的阳光。反射更多的阳光会抑制局部温度并促使更多的冰雪积聚，从而进一步增加反照率。这个过程称为“冰-反照率反馈”（ice-albedo feedback），是冰盖日益扩张的成因。

当冰盖扩张到足以偏转大气行星波时，就会触发另一个正反馈循环，如曾覆盖北美大部分地区的劳伦泰德冰盖。这一变化使风暴横穿北大西洋的路径改道，并阻止了墨西哥湾流及其东北分支——北大西洋漂流向北渗透到如今这么远的地方。地表海洋效应加上北欧海域和大西洋中的融水的增加，导致冷咸海水沉降的减少。随着从北大西洋流向深海的海水减少，受墨西哥湾流牵引向北流的暖水也减少，北半球的温度下降，冰盖因而扩张。

大气中的温室气体增强了冰盖的反馈作用。对封在极地冰中的气泡的分析表明，在冰期，二氧化碳的浓度下降了1/3，甲烷的浓度下降了一半。温室气体的变化总是先于全球温度的变化，因此温室气体是气候变化的明确驱动力，而不是对气候变化的反应。

数十亿年前发生的“雪球地球”事件（即全球冰冻现象）中，失控的正反馈冻结了地球上大部分的水，但是湿气的不足阻止了更近一次“雪球地球”事件的发生。冰盖的形成需要寒冷潮湿的气候，但是随着冰盖驱使温暖的地表水向南流动，湿气的供应减少。通过改变大气和海洋环流，使冰盖因湿度不足而“饿死”，这一负反馈循环限制了正反馈效应。

过去100万年来，冰盖增加到最大值至少用了8万年的时间，最近一次的最大值出现在大约2.1万年前。但是，冰融化的速度比冰盖增加的速度要快得多：80%的新增冰盖可能会在4 000年的时间里消失。北纬65度的夏季日照会引发冰川消失，并使北半球冰盖开始融化。大气中二氧化碳和甲烷浓度的升高促进了气候变化，并进一步融化了大块的大陆冰盖。这个过程与冰-反照率效应相反，后者通过产生一个更冷的微气候来保持冰盖完好无损。

最终，海平面上升会减少大冰盖，因为最冷的海水温度为-1.8 ° C，而冰盖底部的温度为-30 ° C。当海水从冰盖底部流过，通过侵蚀而使冰盖融化时，碎冰块就会进入海洋。这一碎冰过程进一步使海平面升高并导致更多的冰盖融化。海平面反馈机制可能非常迅速。一旦冰盖消退，其他反馈机制（反照率、大气和海洋环流以及温室气体）就会逆转。这就是冰川学家和气候学家担心未来气候变化的原因：因为气候变化将激活这些反馈，从而导致格陵兰岛和南极西部冰盖发生不可逆转的变化。

图2 通过测量湖泊记录的氧同位素组成，可以看到过去500万年中的许多冰期-间冰期循环（实线）。250万年前，北半球冰川（iNHG）作用加剧，北美的大型冰盖开始增加。大气沃克环流（DWC）的形成始于170万年前的太平洋，并依靠东西向海平面之间的大幅温度梯度维持。大约100万年前，在中更新世革命（MPR）期间，极地冰盖向赤道扩张，冰期-间冰期循环从平均4.1万年增加到10万年

离心率的秘密

最近100万年的冰期-间冰期循环，每次持续约10万年，波形呈锯齿状：寒冷期很长，随后是冰体快速消融的短暂温暖期。100多万年以前，这些冰川周期的变化更加平缓，每个周期仅持续4.1万年，如图2所示。该周期对应于与地轴斜率相关的轨道变化的时间长短，斜率控制着低纬度和高纬度之间的热传递，从而影响冰的消长。

多年来，科学家一直难以解释10万年的冰期-间冰期循环，因为9.6万年的离心率机制具有相似的时间长度。但是，离心率是迄今为止最弱的轨道变化，而且很多人认为它主要调节进动，因此科学家提出了几种非线性反馈来解释这一差异。但是，当他们意识到10万年的冰川周期是一种统计假象时，他们找到了答案。

最近8个冰川周期的平均时间长度确实是10万年，但其实每个周期长度从8万年到12万年不等。每到第4个或第5个进动周期就变得非常弱，足以使冰盖扩张，因此在冰川消失期间更容易受到海平面上升的影响。下一个进动周期总是比前一个更强，并通过海平面反馈机制，触发极速的冰川消退。尽管冰川消退的时机似乎更好与进动相匹配，但一些研究人员认为，周期较长的冰期-间冰期循环可能与第2或第3个斜率周期相对应。

天体力学与人类进化

除了高纬度气候外，轨道驱动，特别是通过进动，也极大影响了热带非洲、亚马逊和亚洲的气候。气候模型表明，进动驱动使热带地区的年降水量每年增加至少200毫米，并显著改变了季节的变换。供水量的这种变化等同于从冰期到间冰期的转变。每隔9.6万年，当离心率达到峰值时，进动的影响进一步加强，而每隔41.3万年，当地球轨道的椭圆度达到最大时，进动的影响达到最大。

进动通过改变一年中何时日地距离最短，来改变每个季节的日照量，从而影响热带气候。（离心率控制着日地距离。）例如，在北半球的夏季，随着太阳直射点从赤道稳步移动到北回归线，热带和亚热带地区逐渐升温。当正向进动达到最大值时，太阳直射北回归线，日地距离最短，因此到达亚热带的太阳能和对流量将显著增加。

增强的信风强化热带辐合带（ITCZ），从而大大增加北半球热带地区的降水量。同时，南半球的夏季将与最长的日地距离相吻合，赤道以南热带地区的降雨将大大减少。2.1万年后，情况发生逆转，南半球热带地区成为日照和降雨最强的地方。

许多古记录显示南北半球的水循环成相反关系。过去1万年来，北非的湖泊持续干涸，而亚马逊河流量却在增加。从500万年前开始，来自地中海东部的海沙证据表明，阿尔及利亚东部、利比亚和埃及西部低地的干旱周期性加剧。证实这些记录的是阿拉伯海、北大西洋和西非海岸附近海洋的沉积物观测结果。来自腐泥层的记录（地中海海洋沉积物中发现的富含有机物的深色层，是由于水中氧气含量的减少而形成）显示了降雨量和河流入海流量的增加，而且这些记录的变化具有2.1万年的主导周期，这表明是进动轨道驱动。

史前人类种群进化时期的气候重建表明，轨道驱动与非洲环境之间有着密切的联系。每隔40万年，离心率最大值产生极端的气候变化时期，导致湖泊一再扩张并充满了非洲大裂谷的大部分地区，然后在大约2万年的进动时间尺度上消失。如图3所示，这些时期与过去500万年中大多数人种的出现和灭绝具有显著的统计相关性。

深淡水湖泊（例如肯尼亚北部的图尔卡纳湖，如图4所示）在地面上出现和消失的速度，可能对居住在该地区的古人种产生了影响。尽管轨道驱动的气候振荡的时间尺度比观测到的湖泊快速变化的时间尺度更长，但所有轨道参数都是正弦函数，这意味着变化很小或没有变化的时期之后是变化较大的时期。例如，赤道的正弦进动驱动由短于2 500年的时间段组成，在此期间发生了60%的日照和季节变化。这段时期之后是持续8 000年的时期，日照的变化相对较小。时间尺度的不匹配会产生短期的强驱动和长期的弱驱动。结合许多东非湖泊是放大器式湖泊（对降水-蒸发平衡的微小变化迅速做出反应）的观点，地形与气候可能是对进动驱动迅速做出了反应。

图3 人类进化与非洲气候变化有关。a.地球轨道进动的大变化有；b.助于确定东非大裂谷的深淡水湖泊的大小和数量。c.反之，这些湖泊又可以与早期人类的重要进化改变联系起来。虚线表示古人类在非洲的最初分布，实线表示古人类从非洲迁徙到欧洲和亚洲的时间

人类学家和气候学家认为，湖泊的消失与古人类迁徙事件有关，古人类迁徙事件发生在300万年前的非洲和180万年、90万年、60万年和不到10万年前的其他地区。古人类迁徙应该最有可能发生在盆地完全变成湖泊并且食物和水都非常丰足的时候。古人类可能沿着尼罗河支流向北穿过绿色的黎凡特地区，这一地区应当在地中海东岸。

一些证据表明，早期人类从非洲到中东的迁徙采取了多条路线。东非的潮湿情况与黎凡特和中东的类似气候相关。在每个连续的进动周期中，深淡水湖泊会使古人类种群向北迁徙至埃塞俄比亚高地、西奈半岛，还有一个较小的种群则迁徙至南非。

产生超级间冰期

为了预测下一个冰期，科学家不仅在研究轨道驱动，还在研究温室气体排放。格陵兰岛和南极冰盖中封住的气泡在寒冷的冰期显示出低温室气体浓度，而在温暖的间冰期则显示出高温室气体浓度。二氧化碳浓度通常在180～280 ppm的范围变化，甲烷浓度通常在350 ～700 ppb的范围变化。随着地球系统从冰期反弹回暖，大气中的二氧化碳达到峰值，然后稳步下降直到240 ppm的临界值（这个浓度比前工业化时代低40 ppm，比现在至少低170 ppm）。在这个临界值上，轨道驱动将地球的气候推向另一个冰期，冰川缓慢增加，直到地球最终完全被冰川覆盖。如果没有人类干预，冰盖现在本应该在增加，而下一个冰期可能会在未来1 000年内的某个时候到来。

图4 东非的深淡水湖泊图尔卡纳湖在强轨道驱动时期经历了极端的干湿变化。地球轨道进动的大幅摆动使该地区的局部日照和降雨强度发生了显著变化。这些变化导致了东非大裂谷中短命的深淡水湖泊。科学家认为，人类进化过程中的重大进展与短期内高度变化的环境条件有关。随着湖泊在进动周期结束时干涸，人类的大脑可能会因环境压力而变大

古气候学家威廉·鲁迪曼（William Ruddiman）发现当前的间冰期——全新世温室气体的变化趋势很奇特。过去8个温暖间冰期的每一个的冰芯记录都表明，温室气体浓度起初很高，然后缓慢下降。但是，二氧化碳浓度在大约7 000年前开始上升，甲烷浓度在大约5 000年前开始上升，并且之后这些气体的浓度并未像预期的那样下降。鲁迪曼提醒，人类为了开垦农田、大规模扩大水稻种植和发展畜牧业而砍伐森林，导致了大气中二氧化碳和甲烷含量的增加。

大量温室气体的持续排放导致了间冰期延长，从而产生了异常稳定的气候，并可能帮助了人类帝国的崛起。但是，这些排放量与工业革命以来人类所排放的温室气体相比，则是小巫见大巫。工业革命以来，大气中的二氧化碳含量增加了47%，达到410 ppm以上，甲烷增加了250%，达到1 860 ppb以上。取决于未来的碳排放量，下一个世纪全球温度可能会升高1.5～5.6 °C。根据气候模型，已经排放的温室气体已将下一个冰期延迟了6万年，如图5所示。如果温室气体排放量达到预测的最高水平，那么，冰期将延迟50万年。人类对化石燃料的使用已经产生了一个超级间冰期，人为因素已经超越了轨道驱动对地球气候的影响。