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米兰科维奇假说
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米卢廷·米兰科维奇（1879‒1958）是塞尔维亚的数学家、天文学家、气候学家、地球物理学家、土木工程师和科学普及者（图1）。他是第一个计算出不同纬度日晒波动的人，他提出了著名的米兰科维奇假设，即地球相对于太阳的位置变化是地球长期气候周期性波动的驱动力，65°N附近夏季太阳日照量变化是驱动第四纪冰期旋回的主因。
图1 学生时期米兰科维奇（图源Widipedia）
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地球公转与自转参数
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米兰科维奇理论认为天文因素导致的地球轨道参数（偏心率、斜率和岁差）的周期性变化，可进一步引起不同纬度地表接收到的日照量的变化。
偏心率（Eccentricity）
地球绕太阳公转的轨道不是圆的，而是椭圆的（图2）。偏心率（e）是地球绕太阳公转的椭率，决定着地球与太阳的距离，其值在0.00021~0.0607之间波动,变化周期主要有长偏心率周期（405千年）和短偏心率周期（约100千年）。偏心率越大，四季变化则越明显。
图2 偏心率地球轨道参数变化几何示意图（图源NASA）
值得注意的是，太阳并不在椭圆的中心（图3a）。不仅地球的轨道是椭圆形的，椭圆的形状也随着时间而变化。在大约10万年的持续周期中，公转轨道的形状会从一点点椭圆变得更椭圆（图3b）。
图3（a）轨道是椭圆；x标记椭圆的中心；而太阳是偏心的(即偏心)。为了说明这一点，偏心率被夸大了。（b）当轨道更椭圆时，轨道内太阳位置的偏心率也更极端，因此最小和最大地日距离之间的差异更大。
斜率 (Obliquity）
地轴斜率是地球自转轴的倾角，即黄道面与赤道面的夹角。目前，地球的自转轴从“垂直”方向倾斜了约23.4°。在接近41千年的时间尺度上，地球自转轴的倾角在22.1°到24.5°范围内波动（图4）。
图4 斜率地球轨道参数变化几何示意图（图源NASA）
地球轴向倾角越大，我们的季节差异就越极端。因为每个半球在夏季（向太阳一侧倾斜的半球为夏季）接收更多的太阳辐射，而在冬季，接收较少的太阳辐射。较大的倾斜角度有利于冰川融化和消退。这些影响在全球范围内并不一致，高纬度地区比靠近赤道的地区受到的太阳总辐射变化更大。
岁差 (Precession）
当地球自转时，它会绕轴轻微晃动，就像一个轻微偏离中心的旋转玩具陀螺（图5）。这种摆动是由于太阳和月亮的引力影响引起的潮汐力，导致地球在赤道处凸出，影响其自转。
图5 旋转的陀螺（图源baidu.com）
岁差就是地球自转轴长期进动，引起春分点沿黄道西移，致使回归年短于恒星年的现象（图6）。岁差的周期主要有23千年和19千年。岁差使得季节对比在一个半球更极端，而在另一个半球不那么极端。目前近日点出现在北半球的冬季和南半球的夏季。这使得南半球的夏天更热，缓和了北半球的季节变化。但在大约1万年后，轴向岁差将导致这些条件发生逆转，北半球将出现更多极端的太阳辐射，南半球将经历更温和的季节变化。
图6 岁差地球轨道参数变化几何示意图（图源NASA）
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米兰科维奇旋回与气候
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地球上太阳辐射最强的地方和一年中太阳辐射最强的时间是有变化的。米兰科维奇和一些学者认识到冰川在温带纬度上生长最好——实际上在65°N或65°S左右——并且它们只能在陆地上生长。如图7所示，65°N穿过阿拉斯加、加拿大北部、格陵兰岛、冰岛、斯堪的纳维亚和俄罗斯，几乎都是陆地。然而，65°S完全位于南大洋，这里几乎没有陆地，冰川在该地区形成的可能性很小。因此，Milanković认为65°N的日照变化是最重要的。他通过计算发现凉爽的夏季比寒冷的冬季对冰川的生长更重要。这可能有违常识，但这是因为夏天凉爽时冰川融化较少，而非常寒冷的冬天往往比温暖的冬天更干燥，导致降雪较少。
图7 65°N和65°S的陆地和海洋分布
米兰科维奇的理论远远领先于当时，没有足够的证据证明它是合理的。尽管人们普遍认为冰川在过去的一百万年里周而复始的产生和消亡，但这些事件的时间并不为人所知。虽然米兰科维奇能够用他的理论来估计过去冰川的时间，但要验证他的估计并不容易。
二战结束后的几十年里，海洋科学家和地质学家开始对海底松软的沉积物钻探。这些项目获得的岩心提供了大量关于过去海洋生物和沉积条件的信息。同时，科学家们开始使用同位素方法来了解过去海洋生物生活的条件，包括水温等。1976年Hays等人在《Science》杂志上发表的一篇论文清楚地表明了这些温度变化和天文周期之间的关系——地球轨道的几何变化是第四纪冰期演替的根本原因，这是米兰科维奇理论的转折点。
冰期形成与米兰科维奇旋回视频（视频来源Youtube）
从那以后，数以千计的气候变化研究证实了米兰科维奇周期在第四纪冰川期间以及在此之前数百万年的其他气候周期(如季风)中发挥的关键作用（图8）。
图8 地球表层系统对地球天文轨道周期的响应示意图（图源Fragoso et al., 2022）
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地质时间之尺
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通过识别地层记录中的米兰科维奇旋回信号，并开展天文调谐，可以建立高精度的地质年代标尺，为研究地史时期的地质事件与气候演变提供精确的年代约束。
由于受潮汐耗散作用和地月间引力的影响，地球的自转速率逐渐减慢，导致斜率和岁差两个周期不稳定。405千年长偏心率周期主要受木星和金星的引力影响，由于木星质量大，使405千年长偏心率周期在过去几百万年稳定，在250百万年的误差仅为500千年。因此，405千年长偏心率周期是最佳的地质计时单位。除了405千年长偏心率周期外，173千年斜率调幅周期至少在50百万年以来具有稳定性，可作为受斜率驱动为主的地层的计时节拍器。
目前中、新生代的国际地质年表已通过405千年长偏心率周期调谐到天文理论曲线上（图9）。
图9 天文调谐覆盖中、新生代地层情况（图源GTS2014）
拓 展 阅 读
为什么米兰科维奇理论不能解释地球目前的变暖
内容来自https://climate.nasa.gov/
米兰科维奇理论为解释地史时期的气候变化（如冰期、间冰期）提供了来自轨道参数驱动的理解视角，但该理论尚无法解释自前工业化时期（1850年至1900年期间），特别是自20世纪中叶以来，地球经历了快速变暖的变化。主要原因有：
① 米兰科维奇旋回在很长的时间尺度上运行，从数万年到数十万年不等。相比之下，地球目前的变暖发生在几十年到几个世纪的时间尺度上。在过去的150年里，米兰科维奇的周期并没有对地球吸收的太阳能量产生太大变化。
② 米兰科维奇旋回只是过去和现在可能导致气候变化的因素之一。
③ 自1750年以来，由人类燃烧化石燃料产生的温室气体驱动的变暖是同一时间内来自太阳自身因素导致变暖程度的50倍以上。如果地球目前的变暖是由于太阳辐射增加，低层大气对流层和平流层的温度都会变暖。然而，来自气球和卫星的观测显示，地球表面和低层大气对流层已经变暖，但平流层仍处于冷却状态。
④ 地球目前处于间冰期（气候温和的时期）。如果没有人类对气候的影响，依据地球目前在米兰科维奇周期内的轨道位置预测，我们的星球应该继续6000年前开始的长期降温，而不是变暖。
改变土星轨道会使地球更加宜居
内容来自https://www.universetoday.com/
向上滑动阅览
Berger, A., Loutre, M.F., and Mélice, J.L., 2006, Equatorial insolation: from precession harmonics to eccentricity frequencies: Climate of the Past, v. 2, p. 131–136.
Hinnov, L.A., 2013, Cyclostratigraphy and its revolutionizing applications in the earth and planetary sciences: Geological Society of America Bulletin, v. 125, p. 1703−1734.
Laskar, J., 2020, Astrochronology, in Gradstein, F.M., Ogg, J.G., Schmitz, M., and Ogg, G., eds., The Geologic Time Scale: Elsevier, Amsterdam, p.139‒158.
Milankovitch (Orbital) Cycles and Their Role in Earth's Climate（https://climate.nasa.gov/news/2948/milankovitch-orbital-cycles-and-their-role-in-earths-climate/）
Weedon, G.P., 2003, Time Series Analysis and Cyclostratigraphy: Examining Stratigraphic Records of Environmental Cycles: Cambridge, Cambridge University Press.
黄春菊. 旋回地层学和天文年代学及其在中生代的研究现状. 地学前缘, 2014, 21(2): 48-66.
吴怀春,张世红,冯庆来,等. 旋回地层学理论基础、研究进展和展望. 地球科学(中国地质大学学报), 2011, 36(3): 409-428.
文：栾旭伟、孔祥鑫
美 编： 张紫怡
微信号 : SONG_OF_THE_EARTH
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